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Basic concepts in quantitative biology of metabolism

Grundbegriffe der quantitativen Biologie des Stoffwechsels

Kurzfassung

In der quantitativen Erforschung des Stoffwechsels werden begriffliche Modelle zur Anordnung, Erklärung und Vorhersage der beobachteten Daten benötigt. Vier solcher Modelle werden besprochen, um an Hand dieser die Logik und Methodologie der quantitativen Forschung zu illustrieren. 1. Die Theorie deroffenen Systeme und desFlieβgleichgewichts, welche eine Erweiterung der konventionellen Kinetik und Thermodynamik erfordert. Sie behandelt die Aufrechterhaltung des Fließgleichgewichts (Umsatzgeschwindigkeiten der Komponenten auf verschiedenen Organisationsstufen) und die Prozesse, die zur Annäherung an diesen Zustand führen. 2. DasRückkopplungs-Modell, das eine weite Anwendung bei biologischen Regulationen finder, aber für dynamische Wechselwirkungen zwischen vielen Prozessen weniger geeignet ist. 3. Das Prinzip derAllometrie, welches das einfachste quantitative Modell der Harmonisierung physiologischer Prozesse darstellt. Das sogenannte Oberflächengesetz ist ein sehr spezieller Fall des Allometrie-Prinzips. Im allgemeinen ist die Allometrie-Beziehung abhängig von der Natur der betrachteten physiologischen Systeme, von physiologischen Zuständen und experimentellen Bedingungen. 4. DasWachstums-Modell nach v.Bertalanffy und Mitarbeitern, das ein einfaches hypothetisch-deduktives System von Wachstums-Gleichungen darstellt. Sein Erklärungs- und Vorhersagewert, ebenso wie seine Grenzen werden im Hinblick auf allgemeine Probleme der quantitativen Biologie diskutiert. Besonderer Nachdruck wird auf die Existenz noch ungelöster und weitere Bearbeitung erfordernder Probleme gelegt.

Summary

1. The theories of open systems, feedback, allometry and growth according toBertalanffy are reviewed with respect to their experimental applications.

2. The models of both open system and feedback apply to a wide range of phenomena in physiology, and represent essential expansions of physical theory. The two conceptions should be clearly distinguished; the feedback model (homeostasis) should not be considered a cover-all for physiological regulation in general or identified with “systems theory”.

3. The allometric equation represents the simplest possible relation between body size and metabolic processes. It is of a wide applicability and expresses the harmonization of processes in living systems. However, there is no “surface-” or “3/4-power law” or “law of progressive reduction of metabolic rates”. The allometric relationship greatly varies in physiological phenomena.

4. Variations of the relation between body size and metabolic rate may occur (a) in different tissues or in different species; (b) due to changes of physiological conditions; (c) due to different experimental designs. Among the conditions altering this relation are such factors as physiological activities, sex, season, previous acclimation, etc.

5. The size-dependence of total metabolism in mammals is different under basal conditions, in a non-thermoneutral environment, and under conditions of muscular activity. The variations followLocker's rule, i. e., with an absolute increase of metabolic rate (expressed by the constantb of the allometric equation), regression with respect to body size (expressed by the slope of the allometric line,a) tends to decrease.

6. The growth equations afterBertalanffy represent a highly simplified model which, however, covers many phenomena and regularities found in the physiology of metabolism and growth. The parameters occurring in these equations have been verified by physiological experiments in many cases.

7. In view of the changes of the size-metabolism relation mentioned under (5),Bertalanffy's so-called “metabolic” and “growth types” should be considered as ideal cases realizable under certain standard conditions, rather than as invariable characteristics of the species or group of species concerned.

8. Seasonal variations of metabolic rates and growth rates seem to show correspondence.

9. Urgent problems for further research with respect to each of the basic models are outlined.

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von Bertalanffy, L. Basic concepts in quantitative biology of metabolism. Helgolander Wiss. Meeresunters 9, 5–37 (1964). https://doi.org/10.1007/BF01610024

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  • DOI: https://doi.org/10.1007/BF01610024

Keywords

  • Body Size
  • Metabolic Rate
  • Muscular Activity
  • Allometric Equation
  • Growth Type