SỰ TRAO ĐỔI CHẤT CƠ BẢN: NÓ LÀ GÌ, NÓ ĐƯỢC TÍNH TOÁN NHƯ THẾ NÀO VÀ DỮ LIỆU LIÊN QUAN - SINH HỌC - 2026

Sự trao đổi chất cơ bản có thể được định nghĩa là một tập hợp các phản ứng hóa học trong cơ thể mà qua đó động vật dành lượng năng lượng tối thiểu cần thiết để duy trì các quá trình quan trọng. Số tiền này thường đại diện cho 50% hoặc nhiều hơn trong tổng ngân sách năng lượng của động vật.

Sự trao đổi chất cơ bản được định lượng bằng các thước đo tiêu chuẩn năng lượng trên một đơn vị thời gian. Phổ biến nhất là tỷ lệ trao đổi chất tiêu chuẩn (TMS) và tỷ lệ trao đổi chất cơ bản (BMR).

Nguồn: pixabay.com

TMS được đo ở động vật máu lạnh, chẳng hạn như hầu hết các loài cá, động vật thân mềm, động vật lưỡng cư và bò sát. TMB được đo ở động vật máu nóng, chẳng hạn như chim và động vật có vú.

Đơn vị đo tỷ lệ trao đổi chất

TMS và BMR thường được biểu thị bằng mức tiêu thụ O ₂ (ml) , calo (cal), kilocalories (kcal), jun (J), kilojoules (kJ) hoặc watt (W).

Một calo được định nghĩa là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của 1 g nước thêm 1 ° C. Một calo tương đương với 4,186 jun. Jun là thước đo cơ bản (SI, Hệ thống quốc tế) của năng lượng. Watt, bằng 1 jun trên giây, là thước đo cơ bản (SI) của tốc độ truyền và chuyển hóa năng lượng.

Điều kiện để đo chuyển hóa cơ bản

Để đảm bảo rằng các giá trị thu được từ các nghiên cứu khác nhau là có thể so sánh được, phép đo TMS và BMR yêu cầu các động vật thí nghiệm phải nghỉ ngơi và nhịn ăn. Trong trường hợp TMB, những động vật này cũng được yêu cầu ở trong vùng nhiệt đới của chúng.

Một con vật được coi là ở trạng thái nghỉ ngơi nếu nó đang ở trong giai đoạn không hoạt động của chu kỳ hàng ngày bình thường, không có chuyển động tự phát và không có căng thẳng về thể chất hoặc tâm lý.

Động vật được coi là nhịn ăn nếu nó không tiêu hóa thức ăn theo cách sinh nhiệt.

Một động vật được coi là trong vùng nhiệt đới của nó nếu trong suốt quá trình thí nghiệm, nó được giữ trong khoảng nhiệt độ mà trong đó sự sinh nhiệt của cơ thể không thay đổi.

Phương pháp đo hô hấp để đo tms và tmb

- Khí kế thể tích hoặc áp suất không đổi. Con vật được giữ trong hộp kín. Sự thay đổi áp suất do động vật tiêu thụ O ₂ được đo ở nhiệt độ không đổi bằng áp kế. CO ₂ do động vật tạo ra được loại bỏ về mặt hóa học bằng cách sử dụng KOH hoặc ascarit.

Nếu sử dụng máy đo hô hấp Warburg, sự thay đổi áp suất được đo bằng cách giữ cho thể tích của bình chứa không đổi. Nếu sử dụng máy đo hô hấp Gilson, sự thay đổi thể tích được đo bằng cách giữ áp suất không đổi.

- Phân tích khí. Hiện nay có rất nhiều loại dụng cụ thí nghiệm cho phép định lượng trực tiếp nồng độ O ₂ và CO ₂ . Dụng cụ này rất chính xác và cho phép xác định tự động.

Phương pháp đo nhiệt lượng để đo tms và tmb

- Đo nhiệt lượng bom. Mức tiêu thụ năng lượng được ước tính bằng cách so sánh nhiệt lượng sinh ra từ quá trình đốt cháy một mẫu thức ăn thừa với nhiệt lượng tạo ra khi đốt cháy một mẫu thức ăn còn lại đã tiêu hóa tương đương (phân và nước tiểu) của thực phẩm đó.

- Đo nhiệt lượng trực tiếp. Nó bao gồm việc đo trực tiếp nhiệt do ngọn lửa đốt của mẫu tạo ra.

- Đo nhiệt lượng gián tiếp. Nó đo sự sản sinh nhiệt bằng cách so sánh mức tiêu thụ O ₂ và sản lượng CO ₂ . Nó dựa trên định luật Hess về tổng nhiệt không đổi, quy định rằng trong một phản ứng hóa học, một lượng nhiệt tỏa ra chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất phản ứng và sản phẩm.

- Nhiệt lượng kế theo độ dốc. Nếu một thông lượng nhiệt Q đi qua vật liệu có bề dày G, diện tích A và độ dẫn nhiệt C, kết quả là một gradien nhiệt độ tăng theo G và giảm theo A và C. Điều này giúp bạn có thể tính toán chi phí năng lượng.

- Nhiệt lượng vi sai. Nó đo thông lượng nhiệt giữa một buồng chứa động vật thí nghiệm và một buồng không có người ở liền kề. Hai khoang được cách nhiệt ngoại trừ bề mặt nối chúng, qua đó chúng trao đổi nhiệt.

Chuyển hóa cơ bản và kích thước cơ thể

TMS và BMR thay đổi không tương xứng với kích thước của động vật. Mối quan hệ này được gọi là sự leo thang trao đổi chất. Có thể dễ dàng hiểu khái niệm này bằng cách so sánh hai loài động vật có vú ăn cỏ có kích thước rất khác nhau, chẳng hạn như thỏ và voi.

Nếu chúng ta định lượng những tán lá chúng ăn trong một tuần, chúng ta sẽ thấy rằng con thỏ ăn ít hơn nhiều so với con voi. Tuy nhiên, khối lượng của tán lá bị ăn phải lớn hơn đáng kể so với khối lượng cơ thể của chính nó, trong khi ở trường hợp của loài thứ hai thì ngược lại.

Sự chênh lệch này chỉ ra rằng, tỷ lệ thuận với kích thước của chúng, nhu cầu năng lượng của cả hai loài là khác nhau. Nghiên cứu hàng trăm loài động vật cho thấy rằng quan sát cụ thể này là một phần của mô hình chung về sự leo thang trao đổi chất có thể định lượng được về TMS và BMR.

Ví dụ, BMR trung bình (2200 J / h) của 100 g động vật có vú không phải là 10 lần, mà chỉ là 5,5 lần, lớn hơn BMR trung bình (400 J / h) của 10 g động vật có vú. Tương tự, BMR trung bình của động vật có vú là 400 g (4940 J / h) không phải là bốn lần, mà chỉ là 2,7 lần, lớn hơn BMR trung bình của động vật có vú là 100 g.

Phương trình tương quan của tỷ lệ trao đổi chất

Mối quan hệ TMS (hoặc TMB), được biểu thị bằng T, và khối lượng cơ thể, biểu thị bằng M, của một động vật có thể được mô tả bằng phương trình cổ điển của tương đương sinh học, T = a × M ^b , trong đó a và b là các hằng số.

Sự phù hợp với phương trình này giải thích về mặt toán học tại sao TMS và BMR không thay đổi tỷ lệ thuận với khối lượng của động vật. Áp dụng logarit cho cả hai vế, phương trình có thể được biểu diễn như sau

log (T) = log (a) + b × log (M),

log (a) và b có thể được ước lượng bằng phân tích hồi quy tuyến tính giữa các giá trị thực nghiệm của log (T) và log (M) của nhiều loài trong một nhóm động vật. Hằng số log (a) là điểm cắt của đường hồi quy trên trục tung. Về phần mình, b, là hệ số góc của đường thẳng nói trên, là hằng số hình học.

Người ta nhận thấy rằng hằng số sinh trắc học trung bình của nhiều nhóm động vật có xu hướng gần bằng 0,7. Trong trường hợp log (a), giá trị của nó càng cao thì tỷ lệ trao đổi chất của nhóm động vật được phân tích càng cao.

Trao đổi chất cơ bản, tuần hoàn và hô hấp

Sự thiếu cân đối giữa TMS và BMR so với kích thước là nguyên nhân khiến động vật nhỏ có nhu cầu O ₂ trên một gam khối lượng cơ thể cao hơn so với động vật lớn. Ví dụ, tỷ lệ tiêu hao năng lượng của một gam mô cá voi thấp hơn nhiều so với một gam mô chuột đồng loại.

Các loài động vật có vú lớn và nhỏ đều có tim và phổi có kích thước tương tự nhau so với khối lượng cơ thể của chúng. Vì lý do này, tốc độ co bóp của tim và phổi của cơ thể sau cần phải cao hơn nhiều so với tốc độ của cơ thể trước để mang đủ O ₂ đến các mô.

Ví dụ, số nhịp tim mỗi phút là 40 ở voi, 70 ở người trưởng thành và 580 ở chuột. Tương tự, con người thở khoảng 12 lần và chuột khoảng 100 lần mỗi phút.

Trong cùng một loài, các mô hình này cũng được quan sát thấy giữa các cá thể có kích thước khác nhau. Ví dụ, ở người trưởng thành, não chịu trách nhiệm khoảng 20% ​​tổng chi tiêu cho quá trình trao đổi chất, trong khi ở trẻ em từ 4 đến 5, chi tiêu này lên tới 50%.

Sự trao đổi chất cơ bản và tuổi thọ

Ở động vật có vú, kích thước não và cơ thể cũng như sự trao đổi chất cơ bản có liên quan đến tuổi thọ theo phương trình

L = 5,5 × C ^0,54 × M ^-0,34 × T ^-0,42 ,

Trong đó L là tuổi thọ tính bằng tháng, C là khối lượng não tính bằng gam, M là khối lượng cơ thể tính bằng gam và T là BMR tính bằng calo trên gam mỗi giờ.

Số mũ cho C chỉ ra rằng tuổi thọ của động vật có vú có mối liên hệ tích cực với kích thước não. Số mũ của M chỉ ra rằng tuổi thọ có mối liên hệ tiêu cực với khối lượng cơ thể. Số mũ của T chỉ ra rằng tuổi thọ có mối liên hệ tiêu cực với tốc độ trao đổi chất.

Mối quan hệ này, mặc dù với số mũ khác nhau, cũng có thể áp dụng cho các loài chim. Tuy nhiên, chúng có xu hướng sống lâu hơn các động vật có vú có khối lượng cơ thể tương tự.

Quan tâm y tế

BMR của phụ nữ có thể tăng gấp đôi khi mang thai. Điều này là do sự gia tăng tiêu thụ oxy do sự phát triển của bào thai và cấu trúc tử cung, và do sự phát triển lớn hơn của tuần hoàn và chức năng thận của người mẹ.

Chẩn đoán cường giáp có thể được khẳng định bằng cách tăng tiêu thụ oxy, tức là BMR cao. Trong khoảng 80% các trường hợp tuyến giáp hoạt động quá mức, BMR cao hơn bình thường ít nhất 15%. Tuy nhiên, BMR cao cũng có thể do các bệnh khác gây ra.

Người giới thiệu

1. Guyton, AC, Hall, JE 2001. Chuyên luận về sinh lý học y tế. McGraw-Hill Interamericana, Mexico.
2. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M. 2012. Sinh lý học động vật. Sinauer Associates, Sunderland.
3. Lighton, JRB 2008. Đo tỷ lệ trao đổi chất - cẩm nang cho các nhà khoa học. Nhà xuất bản Đại học Oxford, Oxford.
4. Lof, M., Olausson, H., Bostrom, K., Janerot-Sjöberg, B., Sohlstrom, A., Forsum, E. 2005. Thay đổi tỷ lệ trao đổi chất cơ bản trong thời kỳ mang thai liên quan đến những thay đổi về trọng lượng và thành phần cơ thể, cung lượng tim, yếu tố tăng trưởng giống insulin I, và các hormone tuyến giáp và liên quan đến sự phát triển của thai nhi. Tạp chí Dinh dưỡng Lâm sàng Hoa Kỳ, 81, 678–85.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K. 1998. Sinh lý động vật - cơ chế và sự thích nghi. McGraw-Hill Interamericana, Madrid.
6. Solomon, SJ, Kurzer, MS, Calloway, DH 1982. Chu kỳ kinh nguyệt và tỷ lệ trao đổi chất cơ bản ở phụ nữ. Tạp chí Dinh dưỡng Lâm sàng Hoa Kỳ, 36, 611–616.
7. Willmer, P., Stone, G., Johnston, I. 2005. Sinh lý môi trường của động vật. Blackwell, Oxford.