Taux métabolique et allométrie

La vitesse à laquelle les animaux brûlent de l'énergie, comment ce taux est mesuré, et pourquoi une souris et un éléphant suivent la même règle surprenante reliant le métabolisme à la taille corporelle.

Definition

Le taux métabolique est la vitesse à laquelle un animal dépense de l'énergie, et l'allométrie métabolique est la manière systématique dont ce taux varie avec la taille corporelle, généralement décrite par une loi de puissance allométrique selon laquelle le métabolisme de l'animal entier augmente avec la masse de manière moins que proportionnelle.

Scope

Ce sujet aborde la mesure et l'interprétation du taux métabolique et sa dépendance à l'égard de la taille corporelle : les taux métaboliques basal, standard et de terrain ; la calorimétrie directe et indirecte ; l'allométrie du taux métabolique en fonction de la masse corporelle et le débat de longue date sur la puissance trois-quarts ; ainsi que l'influence de la température et de l'activité sur la dépense énergétique. Il traite de la manière dont l'allométrie métabolique façonne la physiologie et l'écologie. La couverture est comparative et mécanistique.

Core questions

• Comment le taux métabolique d'un animal est-il mesuré ?
• Comment le taux métabolique varie-t-il avec la taille corporelle, et quel est l'exposant d'allométrie ?
• Pourquoi les animaux plus grands ont-ils des taux métaboliques massiques plus faibles ?
• Comment la température et l'activité modifient-elles le taux métabolique ?

Key theories

Loi de Kleiber (allométrie à la puissance trois-quarts)

Le taux métabolique de l'animal entier varie avec la masse corporelle élevée à une puissance proche de trois quarts plutôt qu'à deux tiers, de sorte que le métabolisme massique diminue à mesure que les animaux grandissent, une relation que Kleiber a documentée sur une large gamme de tailles.

Explications basées sur la loi de surface et les réseaux de distribution

Les explications proposées pour l'allométrie métabolique vont de l'ancien argument de la surface, qui relie la perte de chaleur à la surface par rapport au volume, aux modèles de réseaux qui attribuent l'exposant à la géométrie des systèmes de distribution des ressources ; le domaine continue de débattre de la cause sous-jacente.

Mechanisms

Le taux métabolique est mesuré directement par la chaleur produite par un animal ou, plus souvent, indirectement à partir de la consommation d'oxygène ou de la production de dioxyde de carbone, distinguant les taux basaux ou standards mesurés au repos des taux de terrain mesurés pendant l'activité normale. La représentation graphique du taux métabolique en fonction de la masse corporelle sur des axes logarithmiques donne une ligne droite dont la pente est l'exposant d'allométrie, lequel, pour le métabolisme au repos chez de nombreuses espèces, se situe près de trois quarts. Étant donné que l'exposant est inférieur à un, les animaux plus grands utilisent moins d'énergie par gramme, avec des conséquences sur la fréquence cardiaque, la durée de vie, les besoins alimentaires et d'autres taux qui varient avec la taille. La température augmente le taux métabolique chez les ectothermes selon une relation approximativement exponentielle, et l'activité peut élever le métabolisme de plusieurs ordres de grandeur au-dessus des niveaux de repos jusqu'à une capacité aérobique maximale. La base mécanistique de l'exposant d'allométrie — qu'il s'agisse de l'échange de chaleur, de la géométrie des réseaux de transport ou d'autres facteurs — reste activement débattue.

Clinical relevance

Les relations d'allométrie métabolique éclairent l'estimation des besoins énergétiques, l'allométrie des variables physiologiques et les comparaisons de la performance métabolique entre différentes tailles corporelles. Cette entrée est un matériel de référence éducatif plutôt qu'un conseil médical.

History

La loi de surface de Rubner a d'abord lié le métabolisme à la taille corporelle par la perte de chaleur, et l'analyse de Kleiber en 1932 a établi l'allométrie à la puissance trois-quarts qui porte son nom. Schmidt-Nielsen a synthétisé l'allométrie des variables physiologiques avec la taille corporelle, et des modèles basés sur les réseaux ont ensuite ravivé le débat sur la cause de l'exposant.

Debates

La valeur et la cause de l'exposant d'allométrie métabolique

La question de savoir si le taux métabolique au repos varie avec la masse corporelle à la puissance trois-quarts, à la puissance deux-tiers attendue de la surface corporelle, ou s'il n'y a pas d'exposant universel unique, et quel mécanisme — échange de chaleur, géométrie du réseau de distribution des ressources ou facteurs cellulaires — produit cette relation, reste contestée.

Key figures

• Max Kleiber
• Knut Schmidt-Nielsen
• Max Rubner
• Charles Richard Taylor

Seminal works

• kleiber1932
• schmidtnielsen1984
• hill2016

Frequently asked questions

Qu'est-ce que la loi de Kleiber ?

C'est l'observation selon laquelle le taux métabolique au repos d'un animal varie avec sa masse corporelle élevée à une puissance d'environ trois quarts, de sorte que le métabolisme augmente avec la taille mais plus lentement que la masse elle-même.

Pourquoi le cœur d'un petit animal bat-il plus vite que celui d'un grand ?

Les petits animaux ont des taux métaboliques massiques plus élevés et doivent délivrer l'oxygène plus rapidement par gramme de tissu, et de nombreux taux de ce type, y compris la fréquence cardiaque, varient avec la taille corporelle en accord avec le métabolisme.