В 1932 году зоолог Макс Клайбер заметил странную закономерность: если взять мышь, собаку и слона, то скорость их обмена веществ растёт не пропорционально массе, а медленнее — как масса в степени три четверти. Слон тяжелее мыши в миллион раз, но сжигает энергию не в миллион раз быстрее, а всего в тридцать тысяч раз. Почему так — оставалось загадкой почти век. Эта работа предлагает ответ: всё дело в том, как устроена доставка кислорода внутри тела.
Каждый холон работает как маленькая фабрика: по капилляру течёт кровь, кислород просачивается сквозь стенку в ткань, клетки его потребляют. Авторы решили оптимизировать эту фабрику: сделать так, чтобы сосуды занимали минимум материала, трение крови о стенки было минимальным, а кислород извлекался полностью. Из этих условий вытекает простое правило: поток крови должен быть пропорционален кубу диаметра сосуда. Это закон Мюррея, известный с 1926 года. Второе условие — полное использование кислорода — фиксирует длину капилляра. Получается идеальный кирпичик.
Дальше организм собирается из таких кирпичиков. Число холонов у теплокровных животных примерно одинаково — около пятисот миллионов, будь то мышь или кит. Разница в размере тела достигается не добавлением новых кирпичиков, а увеличением каждого из них. Это ключевая идея: рост организма — это укрупнение холонов, а не увеличение их числа. У холоднокровных животных холонов в десять тысяч раз меньше, что и даёт им более низкий уровень обмена веществ.
Для мелких организмов, где кислород доходит до клеток в основном за счёт диффузии, теория предсказывает линейную зависимость обмена от массы. Для крупных, где главную роль играет конвекция, — степенную с показателем 3/4. Переход происходит при массе, где время диффузии сравнивается со временем реакции. Это объясняет, почему закон Клайбера работает не для всех: у бактерий и одноклеточных обмен растёт пропорционально массе, а у крупных животных — медленнее.
Сердце землеройки бьётся с частотой около тысячи ударов в минуту, а у кита — всего десять-двадцать. Теория объясняет это различие через число холонов и объём крови, который сердце должно прокачать за один удар. Чем крупнее холон, тем реже нужно качать кровь. Так один и тот же кирпичик, повторённый нужное число раз, объясняет и скорость обмена веществ, и ритм сердца, и продолжительность жизни — от мыши до кита.
Сердце землеройки бьётся с частотой около 1000 ударов в минуту, а у кита — всего 10–20 ударов. Теория объясняет это различие через число холонов и объём крови, который сердце должно прокачать за один удар.
Работа опубликована не на arXiv. Здесь её страница, PDF и формализация: проверить можно самим, а не только прочитать наш разбор.