基礎代謝：それは何か、それがどのように計算され、関連するデータであるか - 生物学 - 2025

基礎代謝は、動物が不可欠なプロセスを維持するために必要なエネルギーの最小量を費やして、それを通して体内の化学反応のセットとして定義することができます。この量は通常、動物の総エネルギー量の50％以上を表します。

基礎代謝は、単位時間あたりのエネルギー消費の標準化された測定によって定量化されます。最も一般的なのは、標準代謝率（TMS）と基礎代謝率（BMR）です。

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TMSは、ほとんどの魚、軟体動物、両生類、爬虫類などの冷血動物で測定されます。TMBは、鳥や哺乳類などの温血動物で測定されます。

代謝率の測定単位

TMSとBMRは通常、O ₂消費量（ml）、カロリー（cal）、キロカロリー（kcal）、ジュール（J）、キロジュール（kJ）、またはワット（W）として表されます。

カロリーは、1 gの水の温度を1°C上げるために必要な熱量として定義されます。1カロリーは4,186ジュールに相当します。ジュールは、エネルギーの基本的な尺度（SI、国際システム）です。1ワット/秒に等しいワットは、エネルギー移動と変換率の基本（SI）尺度です。

基礎代謝測定の条件

さまざまな研究で得られた値を比較できるようにするために、TMSとBMRの測定では、実験動物を休息させて絶食させる必要があります。TMBの場合、これらの動物も熱中性帯にいる必要があります。

動物は、自発的な動きがなく、身体的または心理的ストレスがなく、通常の1日の周期の非活動期にある場合、安静と見なされます。

熱を発生させるような方法で食物を消化していない場合、動物は空腹と見なされます。

実験中、動物がその体熱生成が変化しないままの温度範囲内に保たれている場合、その動物は熱中性帯と見なされます。

TMSとTMBを測定する呼吸測定法

-ボリュームまたは定圧呼吸測定。動物は密閉容器に保管されています。動物によるO ₂の消費による圧力変化は、圧力計を用いて一定温度で測定されます。動物によって生成されたCO ₂は、KOHまたはアスカリートを使用して化学的に除去されます。

ワールブルグ呼吸計を使用する場合、圧力変化は容器の容積を一定に保つことにより測定されます。ギルソン呼吸計を使用する場合、容積の変化は圧力を一定に保つことによって測定されます。

-ガス分析。現在、O ₂およびCO ₂濃度の直接定量を可能にする非常に多様な実験装置があります。この装置は非常に正確であり、自動測定が可能です。

tmsおよびtmbを測定するための熱量測定法

-爆弾の熱量測定。エネルギー消費量は、食べられていない食品のサンプルの燃焼によって生成される熱と、その食品の消化された残骸（糞および尿）の同等のサンプルの燃焼によって生成される熱を比較することによって推定されます。

-直接熱量測定。これは、サンプルの燃焼炎によって生成される熱を直接測定することで構成されます。

-間接熱量測定。O ₂消費量とCO ₂生産量を比較することにより熱生産を測定します。これは、化学反応では反応物質と生成物の性質のみに依存して熱量が放出されると述べている、熱の一定合計のヘスの法則に基づいています。

-勾配熱量測定。熱流束Qが厚さG、面積A、熱伝導率Cの材料を通過する場合、温度勾配はGとともに増加し、AおよびCとともに減少します。これにより、エネルギー消費の計算が可能になります。

-示差熱量測定。実験動物のいるチャンバーと隣接する空いているチャンバーの間の熱流束を測定します。2つのチャンバーは、接合する表面を除いて断熱されており、これらのチャンバーを介して熱交換します。

基礎代謝と体の大きさ

TMSとBMRは、動物のサイズによって不釣り合いに変化します。この関係は、代謝の拡大として知られています。この概念は、ウサギや象など、サイズが大きく異なる2つの草食性哺乳類を比較することで簡単に理解できます。

彼らが1週間食べる葉を定量化すると、ウサギは象よりもはるかに少ない量で食べることがわかります。しかし、最初の人が食べる群葉の質量はそれ自身の体の質量よりもはるかに大きく、2番目の群集の場合はその逆になります。

この格差は、サイズに比例して、両方の種のエネルギーニーズが異なることを示しています。何百もの動物種の研究は、この特定の観察がTMSとBMRに関して定量化可能な代謝の増加の一般的なパターンの一部であることを示しています。

たとえば、100 gの哺乳類の平均BMR（2200 J / h）は10倍ではなく、5.5倍にすぎず、10 gの哺乳類の平均BMR（400 J / h）よりも大きいです。同様に、哺乳類の平均BMR 400 g（4940 J / h）は、哺乳類の平均BMR 100 gの4倍ではなく、2.7倍にすぎません。

代謝スケーリングの相対成長方程式

Tで表されるTMS（またはTMB）とMで表される動物の体重の関係は、生物学的アロメトリーの古典的な方程式T = a×M ^bで表すことができます。ここで、aとbは定数です。

この方程式への適合は、TMSおよびBMRが動物の質量に比例して変化しない理由を数学的に説明します。両辺に対数を適用すると、方程式は次のように表すことができます

log（T）= log（a）+ b×log（M）、

log（a）とbは、動物群の複数の種のlog（T）とlog（M）の実験値間の線形回帰分析によって推定できます。定数log（a）は、縦軸の回帰直線のカットオフポイントです。その部分では、上記の線の傾きであるbは相対成長定数です。

多くの動物群の平均相対成長定数は0.7に近い傾向があることがわかっています。log（a）の場合、その値が高いほど、分析中の動物グループの代謝率が高くなります。

基礎代謝、循環および呼吸

サイズに関するTMSとBMRの比例性の欠如により、小動物は大動物よりも体重1グラムあたりのO _2の必要量が高くなります。たとえば、1グラムのクジラ組織のエネルギー消費率は、1グラムの同種のマウス組織のエネルギー消費率よりもはるかに低くなっています。

大小の哺乳類には、体の質量との関係で、心臓と肺のサイズが似ています。このため、十分なO運ぶために元のものよりもはるかに高いことが、後者の必要性の心臓や肺の収縮率_2を組織に。

たとえば、1分あたりの心拍数は、象では40、成人では70、マウスでは580です。同様に、人間は毎分約12回呼吸し、マウスは約100回呼吸します。

同じ種の中で、これらのパターンは異なるサイズの個体間でも観察されます。たとえば、成人では、脳が総代謝支出の約20％を占めていますが、4〜5歳の子供では、この支出が50％に達します。

基礎代謝と寿命

哺乳動物では、脳と体のサイズおよび基礎代謝は、方程式によって寿命に関連しています

L = 5.5×C ^0.54 ×M ^-0.34 ×T ^-0.42、

Lは月単位の寿命、Cは脳の質量（グラム）、Mは体重（グラム）、TはBMR（カロリー/グラム/時）です。

Cの指数は、哺乳類の寿命が脳のサイズと正の関連があることを示しています。Mの指数は、寿命が体重と負の関連があることを示しています。Tの指数は、寿命が代謝速度と負の関連があることを示しています。

この関係は、指数は異なりますが、鳥にも当てはまります。しかし、彼らは同じような体重の哺乳類よりも長く生きる傾向があります。

医学的関心

女性のBMRは妊娠中に2倍になる可能性があります。これは、胎児と子宮の構造の成長によって引き起こされる酸素消費量の増加と、母体の循環と腎機能のより大きな発達によるものです。

甲状腺機能亢進症の診断は、酸素消費量の増加、つまりBMRが高いことで確認できます。甲状腺機能亢進症の約80％の症例では、BMRは通常よりも少なくとも15％高くなっています。ただし、高いBMRは他の病気によって引き起こされることもあります。

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