Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Herzfrequenz und der Lebensdauer eines Tieres?

Interessanterweise besteht eine umgekehrte negative Korrelation zwischen Herzfrequenz und Lebensdauer, was bedeutet, dass je schneller Ihre Herzfrequenz ist, desto kürzer ist Ihre Lebensdauer. Siehe diese Abbildung (aus dem unten zitierten Papier 2):

Als die Autoren die ungefähren Gesamtherzschläge gegen die Lebensdauer aufzeichneten, lag die Anzahl der Gesamtherzschläge in einem ziemlich engen Korridor:

Es scheint also, dass zumindest die Herzen von Säugetieren eine maximale Anzahl von Schlägen haben, die sie tun könnten. Die offensichtliche Frage, was dieses Phänomen verursacht, wird nicht wirklich beantwortet. Da der Stoffwechsel von Kleintieren (im Vergleich zu ihrem Gewicht) höher ist und daher auch ihr Sauerstoffverbrauch höher ist, wird die Hypothese aufgestellt, dass dies zu reaktiveren Sauerstoffspezies und damit verbundenen Schäden führt, die in der Folge zu einem früheren Tod führen.

Weitere Details finden Sie in den Referenzen:

• Ruhepuls und Lebenserwartung.
• Herzfrequenz, Lebensdauer und Sterblichkeitsrisiko
• Oxidative Schädigung der DNA: Beziehung zur Stoffwechselrate und Lebensdauer der Spezies

Es gibt eine Beziehung: Sie sind negativ korreliert. Kurzlebige Tiere neigen dazu, schnellere Herzschläge zu haben, und langlebigere Tiere neigen dazu, langsamere Herzschläge zu haben. Es wird jedoch noch auffälliger: Sie sind nicht nur negativ korreliert, sie sind ungefähr umgekehrt proportional . Eine Maus und ein Elefant haben beide etwa 1,5 Milliarden Herzschläge, bevor sie sterben.

So poetisch dies auch ist, die Beziehung ist wahrscheinlich nicht kausal. Es ist nicht so, dass Sie eine bestimmte Anzahl von Herzschlägen haben und wenn Sie Ihren letzten verbraucht haben, stirbt Ihr Herz vor Erschöpfung. Das wäre dumm.

Es ist aufschlussreich zu sehen, dass sich die Invarianz daraus ergibt, wie sowohl die Herzfrequenz als auch die Lebensdauer allometrisch mit der Körpergröße skalieren ($mass=W$).$^1$Größere Tiere neigen dazu, langsamere Herzfrequenzen zu haben und neigen auch dazu, länger zu leben; beide Beziehungen haben die Form von Potenzfunktionen , deren Exponenten Vielfache von sind$1/4$.

• Pulsschlag ($R$) skaliert mit einem negativen Viertel-Potenz-Exponenten:$R \propto W^{-1/4}$
• Lebensspanne ($E$) skaliert mit einem positiven Viertel-Potenz-Exponenten:$E \propto W^{1/4}$

"Gesamtzahl der Herzschläge in einem Leben" ist nur das Produkt aus Herzfrequenz und Lebensdauer. Als solches sollte es skalieren

$R \cdot E \propto W^{-1/4} \cdot W^{1/4}$

$R \cdot E \propto W^{-1/4+1/4}$

$R \cdot E \propto W^0$

$R \cdot E \propto 1$

Das heißt: wenn$R$und$E$auf diese Weise skalieren - was sie ungefähr innerhalb vieler Taxa tun - dann ihr Produkt$R \cdot E$, die Gesamtzahl der Herzschläge in einem Leben, wird ungefähr unveränderlich sein.

Die Frage ist, warum sie auf diese Weise skalieren; und darüber hinaus, warum die Exponenten in Geschwindigkeits- und Zeitallometrien so allgegenwärtig Vielfache von sind$1/4$.

• Skaliert die Lebensdauer mit$M^{1/4}$weil (warum auch immer) die herzfrequenz mit skaliert$M^{-1/4}$; und dein Herz stirbt nach einer Milliarde Schlägen vor Erschöpfung? ( Nennen Sie dies die Heartbeat-Hypothese . )
• Skaliert die Herzfrequenz mit$M^{-1/4}$denn (warum auch immer) die Lebensdauer skaliert mit$M^{1/4}$; und wenn das Hauptbuch sagt, dass dein Herz 1,5 Milliarden Mal schlägt, bevor du stirbst, bekommst du an den Pearly Gates ein kostenloses T-Shirt; und das Herz mag T-Shirts, ist aber auch sparsam, schlägt so schnell wie nötig, aber nicht schneller? ( Nennen Sie das die T-Shirt-Hypothese ; meiner Meinung nach ist sie kaum alberner als die Heartbeat-Hypothese. )
• Skaliert die Lebensdauer mit$M^{1/4}$weil (aus welchen Gründen auch immer) etwas anderes , wie die massenspezifische Stoffwechselrate, auch mit skaliert$M^{-1/4}$; und dass etwas schädliche und lebensverkürzende Wirkungen hat? ( Dies war die einst populäre Rate-of-Living-Theorie .$^2$)
• Skaliert die Lebensdauer mit$M^{1/4}$weil ein längeres Leben die Selektion für größere Körpergröße bewirkt, so dass Sie die entsprechende Skalierung erhalten? ( Langlebige Tiere können es sich leisten, später geschlechtsreif zu werden; später zu reifen bedeutet, dass sie mehr Zeit zum Wachsen haben und größer werden, wenn sie endlich geschlechtsreif sind. Anscheinend kann dich das erwischen$M^{1/4}$Lebensdauer-Allometrie, wenn Sie sie mit bestimmten Annahmen über Wachstum und Fruchtbarkeit kombinieren, modellieren Sie die Selektion als in einer stationären Population usw. Dies wird manchmal als Charnov-Modell bezeichnet .$^3$)
• Skaliert die Herzfrequenz mit$M^{-1/4}$weil massespezifische Stoffwechselrate tut? Skaliert die massespezifische Stoffwechselrate mit$M^{-1/4}$weil Herzfrequenz tut? ( Ich weiß nicht, das klingt plausibel? Der Stoffwechsel einer Zelle wird durch Stoffe angetrieben, die ihr durch den Blutstrom zugeführt werden, also wäre es sinnvoll, wenn sie proportional wären, oder? )
• Skaliert die massespezifische Stoffwechselrate mit$M^{-1/4}$denn so sind die optimalen Maßstäbe für eine effiziente Ressourcenbereitstellung durch fraktal verzweigte Netzwerke wie den Blutkreislauf? ( Der Beweis ist mir zu mathematisch. Diese Idee ist die derzeitige Mainstream-Erklärung dafür, warum biologische Zeiten und Raten allgegenwärtig mit Exponenten skalieren, die ein Vielfaches von sind$1/4$, statt zB.$1/3$wie Sie vielleicht erwarten würden, wenn es nur um das Verhältnis von Oberfläche / Volumen geht. Dies wird als Modell von West, Brown & Enquist bezeichnet .$^{1,4,5}$)

tl;dr : Es gibt eine auffällige negative Korrelation – insbesondere eine umgekehrte Proportionalität – zwischen Herzfrequenz und Lebensdauer. Aber es gibt keinen besonderen Grund zu der Annahme, dass es kausal ist, und beide korrelieren auch auffallend mit einer Million anderer Dinge. Vieles davon hat damit zu tun, wie die Dinge mit der Körpergröße skalieren. Eine solche Skalierung wird Allometrie genannt ; Allometrien sind oft Potenzfunktionen; für biologische Raten und Zeiten sind die Exponenten dieser Potenzfunktionen oft Vielfache von$1/4$(im Gegensatz zu zB.$1/3$oder$1$). Diese allgegenwärtige Viertelpotenz in der Biologie war früher mysteriös, wurde aber jetzt durch das Modell von West, Brown & Enquist als erklärt (zumindest für die Skalierung der Stoffwechselrate, die intuitiv einen Teil der Erklärung für andere Raten übernehmen könnte). ist das Ergebnis einer optimal effizienten Ressourcenbereitstellung in fraktal verzweigten Transportnetzwerken.$^1$

Die Heartbeat-Hypothese ist albern; vermutlich kommt die ungefähre Invarianz von „1,5 Milliarden Herzschlägen im Leben“ daher$M^{-1/4}$und$M^{1/4}$Skalierung von Herzfrequenz und Lebensdauer, die selbst aus anderen Gründen auftreten. Ich weiß es nicht, aber ich nehme an, dass der fraktal verzweigte Blutstrom die Herzfrequenzallometrie erklärt. Mysteriöser ist die Lebensdauerallometrie. Es wurde früher allgemein angenommen, dass es direkt aus der Allometrie der massespezifischen Stoffwechselrate ( Rate of Living-Theorie ) folgt, aber diese Theorie hat schwere Zeiten durchgemacht.$^2$Es wurden andere mögliche Erklärungen gegeben, insbesondere das Charnov-Modell , das darauf hindeutet, dass niedrige Sterblichkeitsraten zu einer Selektion für ein späteres Reifealter führen, wodurch die Tiere mehr Zeit haben, groß zu werden.$^3$

1. West, GB „ Der Ursprung universeller Skalierungsgesetze in der Biologie “. Physika A , 1999.
2. Austad, SN „ Katzen, Ratten und Fledermäuse: Die vergleichende Biologie des Alterns im 21. Jahrhundert “. Integrative und Vergleichende Biologie , 2010.
3. Charnov, EL „ Evolution der Variation der Lebensgeschichte bei weiblichen Säugetieren “. Proceedings of the National Academy of Sciences , 1991.
4. West, GB, Brown, JH und Enquist, BJ „ Ein allgemeines Modell für den Ursprung allometrischer Skalierungsgesetze in der Biologie “. Wissenschaft , 1997.
5. Dawkins, R. und Wong, Y. "The Cauliflower's Tale" in The Ancestor's Tale , 2004.