动物一生的心跳次数是15亿次吗?

作者: 七君

来源: 把科学带回家

发布日期: 2017-11-22

生物学家们发现了一个规律:从蓝鲸到鼩鼱,大多数动物一生的心跳次数约是15亿次。这个规律的发现揭示了动物体重与其基础代谢率、心率和寿命之间的数学关系,即克莱伯定律。该定律指出,大多数动物的基础代谢率是体重的¾次幂,心率与体重的¼次幂成反比,寿命与体重的¼次幂成正比。这些发现不仅适用于哺乳动物,还扩展到了其他脊椎动物、无脊椎动物、原始生物,甚至植物。

这世界上的哺乳动物的身材相差十万八千里。我们有体重可达100吨、心脏和QQ小汽车一样大的蓝鲸。蓝鲸的心脏模型也有体重只有2克的鼩鼱(qú jīng)。它们的体重相差足足千万倍。蓝鲸、鼩鼱,还有我们人类虽然都是哺乳动物,但却各自生活在不同的地方。除了都是哺乳动物以外,我们似乎没有别的共同点了。直到后来生物学家们发现了一个可怕的规律——从蓝鲸到鼩鼱,大多数动物一生的心跳次数约是15亿次。

因此每分钟心跳1500次的鼩鼱的寿命要比每分钟心跳10次的蓝鲸短得多。这个规律是怎么来的呢?现在我们先假设世界上有这样两只理想的方形喵,它们密度一样,也就是说单位体积的体重一样,而且其中一只的个子是另一只的10倍。按照体积公式我们就能算出,大猫的体积和体重就是小猫的1000倍,因为体积是长度的立方嘛。同理,大猫的身体表面积仅仅是小猫的100倍,因为表面积是长度的平方。这里开始就出现问题了。

新陈代谢会产生热量,如果大猫的单位体重的代谢率和小猫一样,那么它产生的热量就是小猫的1000倍。由于热量大部分只能靠体表散发,而大猫的体表面积仅仅是小猫的100倍,因此大猫1000倍的体热很难通过100倍的体表散发出去。那么这样看的话,大猫肯定会觉得浑身燥热,甚至会发猫烧热死。事实显然不是这样的,不论大小,大多数恒温动物的体温都在38.2摄氏度附近。

比如大象的体温是36.5摄氏度、人类的是37摄氏度,而蓝鲸的也是37摄氏度。那么到底哪里出问题了呢?为什么体型更大的动物的体温和小体型的动物差不多呢?原来,大自然解决这个问题的方式就是降低大块头动物的基础代谢率,让它们的身体不要产生那么多热量。那么,要降低多少比较好呢?如果身体的大小是唯一的因素,那么基础代谢率应该是体重的⅔次幂才对,这样多出来的热量能够刚好通过多出来的皮肤散发出去。

但这不符合实际情况。上世纪30年代的时候,生物学家马克斯·克莱伯(Max Kleiber)发现,大多数动物的基础代谢率是体重的¾次幂,比⅔次幂要大一些。这个规律就叫做克莱伯定律(Kleiber's law,Quarter Power Scaling)。不要觉得克莱伯定律深不可测,实际上它常被用来估算人体,以及不同体型的动物每日所需的基本卡路里数量。

所以你每天需要吃多少卡路里才不会掉肉,用克莱伯定律自己就可以算出来了。后来许多科学家发现,小到单细胞生物,大到蓝鲸都符合克莱伯定律。现在有许多证据表明,不管是哺乳动物,还是其他脊椎动物,或是无脊椎动物、原始生物,甚至连植物的基础代谢率都和体重的¾幂成正比。体重的¾次幂实际上是¼次幂的立方。现在科学家们发现了,体重的¼次幂的存在感很强啊,到处都可以看见它。

比如,动物每分钟的心跳次数——心率非常有规律。动物的心率和体重的¼次幂成反比。另外一个规律是,动物的寿命和体重的¼次幂成正比。学过初中数学的人应该明白,把上面这两个规律结合起来就可以推出,心率乘以寿命是一个常数——固定的数值。也就是说,动物一生的心跳数是相对固定的。科学家们经过计算得出,这个数值在15亿次左右。

幸运的是,由于某些未知的原因,人类和小鸡一辈子的心跳次数远远多于15亿下,而达到了20多亿下。虽然人类一生心跳平均次数比一般的动物要多得多,但是也不要认为我们逃脱了自然规律的约束。有越来越多的研究发现,整体上看,人一生的心跳次数的确是有规律可循的。比如,静止心率(resting heart rate),也就是心平气和时的心率的确和寿命有关。静止心率越快的人,死得越早。

除了心率以外,细胞的代谢率、动物的呼吸频率,以及种群增长率都和体重的¼次幂成反比。另外,哺乳动物的主动脉(aorta)横截面积和体重的¾次幂成正比;血液循环次数和体重的¼次幂成正比。后来,大家还发现,体重的¼次幂还深入了植物界。比如,树干的横截面积也和树木体重的¾次幂成正比。到目前为止,关于体重的¼次幂刷屏的原因,科学家们众说纷纭。有人认为,上面的规律说明,生物的寿命是由基本的细胞能量代谢决定的。

比如,一生心跳总数的限制说明,在生物的一生中,每斤肉消耗的氧气和燃料总量是固定不变的。还有人认为,体重的决定性力量靠的是数学规律。有些科学家甚至提出,这种数学规律可以应用到很多其他地方,比如一个城市的人口和这个城市的平均工资什么的也有类似的关系。不管怎么说,动物的体重和其他生命现象的强大联系是一个火热的研究课题。未来我们或许能知道这背后的答案。

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