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共形とは、最適な結果を生み出すために生物学的単位を調整することです。[1]共形とは、機能システム内で定義された生物内の設計と機能の量的な一致です。[2]共形は、種内で器官が進化するために必要な3つの予測に分解できます。
これは、臓器が構造的および機能的に適合し、適切なエネルギーとミネラルと組み合わせられれば、体は最適に設計された臓器を作り出すだろうと提案しています。[3]人体におけるこの例としては、呼吸器系が酸素を分配する方法、骨がストレスに耐えられるように構造化される方法、血管が大量のエネルギーを使わずに体全体に血液を分配するように設計される方法、さらには体がより高い機能要求を維持するために適応した後、人がより身体的に健康になったり、より多くの有酸素運動に耐えたりする方法が挙げられます。[2]共形の使用により、科学分野が進化生物学分野と連携して適応をよりよく理解できるようになります。[4]
要件
共形性が生じるには、3 つの予測またはガイドラインが同時に存在し、機能している必要があります。これらの 3 つの予測が連携して、臓器の機能または臓器系が最大限に機能できるようにします。
構造
共形理論を検討する際には、生物の設計が完全に最適化されているかどうかを考慮する必要があります。[3]共形の観点から見た構造設計とは、臓器がその機能を最大限に発揮できるように設計されており、必要に応じて調整できることを意味します。[5]この設計には、必要な臓器に十分な量の経済的な材料が含まれていなければなりません。この場合、経済的な材料とは、組織などのリソースを慎重に管理することです。
容量
機能的能力とは、すべての機能ユニットが連携して最大能力を決定することです。[5]機能的能力は、構造設計によって全体的に決定されます。生物材料の観点から設計が最適化されたら、構造を考慮する必要があります。臓器の構造によって、最大機能能力と、生物がその形を作るプロセスである形態形成に必要な調整が決まります。[3]
パフォーマンス
3番目の予測は、予測2が中間段階で機能して個々の臓器の機能を作成する場合、各段階は機能の上限の作成にも役立つと述べています。[3]「これは、複数のユニットが複数の段階で連携して機能する場合、機能または能力の観点から、それらが連携して上限（例：V o2max）を作成することを意味します。
呼吸器系内
哺乳類の種間の共生を検証する一般的な方法は、比較生物学を使用することです。共生について提案された理論を使用する最初のシステムは、哺乳類の酸素経路です。[3]
共形性の元々の実験方法は、臓器の設計が哺乳類の呼吸器系の静的な要求に相対的であるかどうかを示すために使用されました。呼吸器系は、1 つの主要な機能があり、その機能には測定可能な限界があり、その限界は可変であり、構造のシーケンスがあり、シーケンスの各ステップには固定されていない機能パラメータがあるため、研究に適した例です。[2]呼吸器系内の一般的な経路は酸素経路です。この経路が使用されるのは、ほとんどの種の哺乳類の優れた代表であるためです。つまり、複数の臓器が互いにリンクしており、全体的な機能には測定可能な上限があるためです。[3] 特に、このテストは、体全体に最大量の酸素を運ぶことができるように異なる構造要素を特定するのに役立ちます。[1]
五オーツーマックス
酸素経路の上限はV o2maxと呼ばれます。V o2maxは、システムが酸素を取り込み、輸送し、使用できる最大酸素容量です。[3] [6] V o2max は、相対的変動（体重の違い）、適応的変動（ライフスタイルの違い）、および誘発的変動（有酸素運動量）により個人間で異なる場合があります。3つのタイプの変動のいずれかが変動すると、研究者は異なるパラメータを予想することになります。[2]
酸素カスケードは明確な限界を持つシステムの一つであり、 骨格筋ミトコンドリアへの酸素供給や骨格筋ミトコンドリアによる酸素需要などの要素によってV o2maxを決定するのに役立ちます。 [7]酸素が骨格筋ミトコンドリアを介して伝達されない場合、筋肉の毛細血管を介して伝達される可能性があります。[4]
進化論的意味合い
共生は、生化学、生理学、天文学などの他の科学分野が細胞生物学、分子生物学、進化生物学などの分野と連携するのに役立つ分析の進歩として使用できます。[4]これらの分野を組み合わせることで、研究者は過去の生物学的適応をよりよく理解できるようになります。
進化において、共形性のガイドラインを見ると、自然選択が設計を妨げる可能性があります。自然選択は、種の適応度を高めるために表現型を変更することができます。これを行うと、自然選択は最適な構造を変更できる適応を引き起こす可能性があります。 [1]最適な構造設計が変化すると、使用する必要がある経済材料の量が変わり、予測が変わります。
批評
共形性に関する問題は、臓器が複数の機能を備えている場合、臓器の最適な設計が問題となることです。[1]複数の機能を実行する臓器は、1 つの機能の最適なパフォーマンスを妥協して、別の機能を最適に実行する必要があります。これらの複雑なコンポーネントが一緒に追加されると、すべてが最適に一致する可能性が大幅に減少します。[1]哺乳類におけるこの例は肺です。研究者は現在、肺は、適応的および相対成長的変動の観点から最大酸素容量に部分的にしか調整されていないことを考慮すると例外であると主張しており、これらの値の変動を引き起こします。[3]
共形性に関しては、酸素カスケードの各段階の容量は、V max の需要と一致する必要があります。[7]ほとんどの場合、この理論は、個体が V max を超えた場合を除いて当てはまります。V maxを超えると、共形性に関して、発達上の制約と設計上の制約が発生します。[4]これが発生すると、一致しない容量があり、似ているかもしれませんが、共形性の予測とは一致しません。[1]
参考文献
- ^ abcdef Dudley R, Gans C (1991年5月). 「生理学における共形性と最適性モデルの批判」.生理動物学. 64 (3): 627–637. doi :10.1086/physzool.64.3.30158197. S2CID 87265637.
- ^ abcd Weibel ER、Taylor CR、Hoppeler H (1991 年 11 月)。「共形の概念: 構造と機能の関係に関する検証可能な仮説」。米国 科学アカデミー紀要。88 ( 22): 10357–61。Bibcode : 1991PNAS ...8810357W。doi : 10.1073/ pnas.88.22.10357。PMC 52927。PMID 1946456。
- ^ abcdefgh Canals M、Figueroa D、Sabat P (2010)。「葉耳マウスPhyllotis darwiniの酸素の近位経路における共形性」。 生物学研究。43 (1): 75–81。doi : 10.4067 /S0716-97602010000100009。PMID 21157634。
- ^ abcd Diamond JM (1992年1月). 「進化生理学。最適性の赤旗」. Nature . 355 (6357): 204–6. doi :10.1038/355204a0. PMID 1731214. S2CID 9871448.
- ^ ab Webel ER、Weibel ER、Taylor CR、Bolis L 編 (1998 年 2 月)。動物デザインの原理: 最適化と共形論議。ケンブリッジ: ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-58667-2。
- ^ Smirmaul BP、 Bertucci DR、 Teixeira IP ( 2013 ) 。「測定したVO2maxは本当に最大値か？」。Frontiers in Physiology。4 :203。doi : 10.3389 / fphys.2013.00203。PMC 3733001。PMID 23935584。
- ^ ab Gifford JR、Garten RS、Nelson AD、Trinity JD、Layec G、Witman MA、他 (2016 年 3 月)。「Symmorphosis と骨格筋の V̇O2 max: in vivo および in vitro 測定により、運動訓練を受けた人間と訓練を受けていない人間の異なる制約が明らかになる」。The Journal of Physiology 。594 ( 6 ): 1741–51。doi :10.1113/JP271229。PMC 4799962。PMID 26614395。