编辑推荐：
研究人员构建动脉树流体力学模型探究哺乳动物心率决定因素，结果与实际相符，为相关研究提供依据。
在哺乳动物的奇妙世界里，从轻盈灵动的小鼠，到威风凛凛的大象，它们的心脏跳动频率各不相同。心率，这个看似平常的生理指标，却蕴含着许多未解之谜。长期以来，科学家们一直试图弄清楚，究竟是什么因素决定了哺乳动物的心率？为何不同体型的动物，心率会有如此大的差异？理解这一问题，对于揭示心血管系统的进化生物学奥秘至关重要。
此前，虽然有一些关于心血管系统特征的研究，提出了诸如毛细血管数量、血容量或循环时间与物种体重的比例关系，但心率频率的解释却始终难以捉摸。经典理论认为心率（\nu）与体重（W）存在\nu ~ W^{-0.25}的比例关系，但实际观察数据却显示为\nu ~ W^{-0.16}，这一差异让心率的谜题更加扑朔迷离。
为了揭开这层神秘的面纱，来自葡萄牙科英布拉大学、美国奥本大学、北卡罗来纳州立大学以及墨西哥国立自治大学等机构的研究人员 Rui D. M. Travasso、Clint A. Penick、Robert R. Dunn 和 E. Corvera Poiré 等开展了一项深入研究。相关成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，收集了 95 种哺乳动物的心率与体重数据，这些数据涵盖了从 1kg 到 3800kg 的不同体型动物，时间跨度达数亿年的哺乳动物进化历程。同时，从文献中获取了主动脉半径与体重的关系数据。然后，运用连续介质力学，建立了血液在单根弹性血管中流动的模型，将达西模型扩展到弹性圆柱血管，引入了动态渗透率、松弛模量等参数。此外，利用广义达西弹性模型（GDEM）来描述动脉网络中的血流，通过定义全局响应函数（GRF）评估系统的整体血流响应。
研究结果
- 实际心率与主动脉半径关系曲线：通过分析 95 种哺乳动物的心率与体重数据，结合主动脉半径与体重的关系，研究人员得到了心率与主动脉半径的关系曲线\nu=1.25 r_{aorta }^{-0.43}，该曲线作为验证模型结果的参考曲线。
- 模型计算结果：利用构建的模型，研究人员计算出了使动态响应函数最大（即血流阻力最小）的频率。结果发现，该频率与主动脉半径呈幂律关系，即\nu_{resonance }=(3.27 \pm 0.06) r_{aorta }^{-0.45 \pm 0.02} 。
- 模型与实际数据对比：将模型计算得到的共振频率与参考曲线对比，发现两者斜率在误差范围内吻合良好，这表明模型能够正确捕捉不同物种中心率随主动脉半径的变化速率。然而，模型预测的频率比实际观察值高约 2.6 倍。
- 对特殊群体的研究：以有袋类动物为例，它们的基础代谢率（BMR）较低，心率也较慢。研究人员通过模型预测，更具弹性的动脉系统会使共振频率显著降低，且斜率变化与有袋类动物心率与主动脉半径关系的观察数据相似，这为研究有袋类动物的血管弹性提供了方向。
研究结论与讨论
这项研究具有重要意义。研究人员提出的流体力学模型，为健康哺乳动物静息心率提供了一种合理的物理解释，支持了使动态响应最大且血流阻力最小的频率决定心率的假设。这一发现有助于理解心血管系统的进化，揭示了动脉系统大小与体型之间的正相关关系，解释了为何体型较大的动物静息心率较低。
尽管模型存在一定局限性，如预测频率比实际值高，但这也为后续研究指明了方向。未来可探索小血管弹性的替代模型，改进对脉搏波速度与血管半径关系的假设。此外，该模型为研究特定哺乳动物群体的心率和动脉系统提供了新途径，也为临床研究中探讨心率和血管变化提供了参考，例如分析动脉变硬与心率变化的关系。同时，研究结果还可用于检验有袋类动物血管弹性是否与其他哺乳动物存在差异，推动相关领域的进一步发展。
