Трудно е да се спори с твърдението, че най-яркото въображение притежава именно природата. Всеки от представителите на флората и фауната има свои уникални, а понякога дори странни особености, които често не можем да осмислим. Вземете например рака-богомол. Това хищно създание може да атакува жертва или обидчик с мощните си щипки със скорост 83 км/ч, а зрителната им система е една от най-сложните, изследвани някога от човека. Раките-богомоли, макар и яростни, не са особено големи — до 35 см дължина. Най-голямото обитател на морета и океани, а по принцип и на планетата, е синият кит. Дължината на това млекопитаещо може да достигне над 30 метра, а теглото — 150 тона. Въпреки внушителните си размери, сините китове трудно могат да бъдат наречени страховити ловци, тъй като предпочитат планктон.
Анатомията на сините китове винаги е интересувала учените, които желаят да разберат по-добре как функционира този огромен организъм и органите в него. Въпреки че за съществуването на сините китове знаем вече няколко стотин години (от 1694 година, ако бъдем точни), тези гиганти не са разкрили всички свои тайни. Днес ще се запознаем с изследване, в което група учени от Стенфордския университет е разработила устройство, с което са направени първите записи на сърдечния ритъм на синя кит. Как работи сърцето на повелителя на морето, какви открития направиха учените и защо не може да съществува организъм по-голям от синия кит? За това ще научим от доклада на изследователската група. Да започваме.
Герой на изследването
Синият кит е най-голямото млекопитаещо, най-голямото обитател на морета и океани, най-голямото животно, най-голямият кит. Какво да кажем, синият кит наистина е най-най с точки на мащабите — дължина 33 метра, а тегло 150 тона. Числата са приблизителни, но това не ги прави по-малко внушителни.
Дори главата на този гигант заслужава отделна страница в книгата на рекордите на Гинес, тъй като заема около 27% от общата дължина на тялото. Въпреки това, очите на сините китове са доста малки - не по-големи от грейпфрут. Ако ви е трудно да видите очите на кита, веднага ще забележите устата му. Челюстта на синия кит може да побере до 100 човека (страшен пример, но сините китове не ядат хора, поне нарочно). Големият размер на устата е обуславян от гастрономическите предпочитания: китовете ядат планктон, поглъщайки огромни обеми вода, която след това изхвърлят през филтриращия апарат, филтрирайки храната. При доста благоприятни условия, синият кит поглъща около 6 тона планктон на ден.
Друга важна особеност на сините китове са техните белодроби. Те могат да задържат дъх за 1 час и да потъват на дълбочина до 100 м. Но, както и другите морски бозайници, сините китове периодично изплуват на повърхността на водата, за да дишат. Издигайки се на повърхността на водата, китовете използват дихателното си отверстие — дихателна прорез от две големи ноздри, разположени в задната част на главата. Изходът на кита през дихателното отверстие често е придружен от вертикален фонтан с вода, достигащ до 10 м. Като се вземат предвид особеностите на местообитанията на китовете, техните белодроби работят значително по-ефективно от нашите — белите дробове на кита абсорбират 80-90% кислород, а нашите само около 15%. Обемът на белите дробове е около 3000 литра, докато при човека този показател варира около 3-6 литра.
Модел на сърцето на синия кит в музея в Ню Бедфорд (САЩ).
Кръвоносната система на синия кит също е пълна с рекордни параметри. Например, съдовете им са просто огромни, диаметърът на единствената аорта е около 40 см. Сърцето на сините китове е смятано за най-голямото сърце в света и тежи около тон. С такова голямо сърце, китът има много кръв — над 8000 литра при възрастен екземпляр.
И така, плавно преминаваме към същността на самото изследване. Сърцето на синия кит е голямо, както вече разбрахме, но бие доста бавно. По-рано се смяташе, че пулсът е около 5-10 удара в минута, в редки случаи до 20. Но точни измервания не са правени до този момент.
Учени от Станфордския университет заявяват, че мащабът в биологията има огромно значение, особено когато става въпрос за определяне на функционалните характеристики на органите на живите същества. Изследването на различни същества, от мишки до китове, позволява да се определят ограниченията по размери, които живият организъм не може да надвиши. Сърцето и сърдечно-съдовата система като цяло са важни атрибути на такива изследвания.
При морските бозайници, чиято физиология е напълно адаптирана към начина им на живот, важна роля играят адаптациите, свързани с гмуркането и задържането на дъх. Установено е, че при много от тези същества по време на потапяне сърдечната честота намалява до нива под състоянието на покой. А след излизане на повърхността, сърдечният ритъм става по-учестен.
Намаленото сърдечебиене по време на потапяния е необходимо, за да се намали скоростта на доставяне на кислород към тъканите и клетките, като по този начин се забавя процесът на изчерпване на кислородните запаси в кръвта и се намалява потреблението на кислород от самото сърце.
Съществува хипотеза, че упражненията (т.е. повишената физическа активност) модулират реакцията на потапяне и увеличават честотата на сърдечните съкращения по време на потапянето. Тази хипотеза е особено важна за изследването на сините китове, тъй като поради специалния метод на хранене (разрушителен удар за поглъщане на вода) скоростта на метаболизма в теорията трябва да надвишава основните стойности (състоянието на покой) 50 пъти. Предполага се, че тези удари ускоряват изчерпването на кислорода, а следователно намаляват продължителността на потапянето.
Повишената честота на сърдечния ритъм и повишеното предаване на кислород от кръвта към мускулите по време на удара могат да играят важна роля заради метаболитните разходи по време на такава физическа активност. Освен това, следва да се вземе предвид и ниската концентрация миоглобин* (Mb) при сините китове (5-10 пъти по-ниска, отколкото при другите морски бозайници: 0.8 г Mb на 100 г-1 мускул при сините китове и 1.8-10 г Mb при другите морски бозайници.
Миоглобин* е белтък, свързващ кислорода в скелетните мускули и сърдечния мускул.
В заключение, физическото натоварване, дълбочината на потапяне и волевият контрол променят честотата на сърдечните съкращения по време на гмуркане чрез вегетативната нервна система.
Допълнителен фактор, който може да намали честотата на сърдечния ритъм, е компресията/разширението на белите дробове по време на потапяне/изкачване.
По този начин, честотата на сърдечните съкращения по време на потапяне и при престой на повърхността е пряко свързана с моделите на артериалната хемодинамика.
Финвал
По-рано проведено изследване на биомеханичните свойства и размерите на стените на аортата при финвала (Balaenoptera physalus) показа, че по време на потапяния с честота на сърдечните съкращения ≤10 уд/мин аортната дъга реализира ефекта на резервоара (Windkessel effekt), който поддържа кръвния поток по време на дълги диастолични периоди* между сърдечните съкращения и намалява пулсацията на кръвния поток в твърдата дистална аорта.
Диастола* (диастоличен период) — периодът на отпускане на сърцето между съкращенията.
Всички описани по-горе хипотези, теории и заключения трябва да имат материални доказателства, т.е. да бъдат потвърдени или опровергани на практика. Но за това е нужно да се проведе електрокардиография на свободно движещия се син кит. Обикновените методи тук не сработят, затова учените са създали свое устройство за електрокардиография.
Видео, в което изследователите накратко разказват за своята работа.
ЕКГ на синия кит беше записана с помощта на специално изработен ЕКГ регистратор, вграден в специална капсула с 4 вендузи. Повърхностните електроди на ЕКГ бяха вградени в две от вендузите. Изследователите се запътиха с лодка към залива Монтерей (Тихия океан, близо до Калифорния). Когато учените накрая се срещнаха сине кит, изплувал на повърхността на водата, те прикрепиха ЕКГ регистратор към тялото му (до левия плавник). Според предишно събрани данни, този кит е мъжки на възраст 15 години. Важно е да се отбележи, че устройството е неинвазивно, тоест не изисква внедряване на сензори или електроди в кожата на животното. Тоест, за кита тази процедура е напълно безболезнена и с минимален стрес от контакт с хора, което също е изключително важно, като се има предвид, че се събират данни за сърдечния ритъм, които биха могли да бъдат изкривени поради стрес. В резултат на това беше получен 8.5-часов запис на ЕКГ, по който учените успяха да изградят профил на сърдечния ритъм (изображение по-долу).
Изображение №1: профил на сърдечния ритъм на синия кит.
Формата на ЕКГ сигнала беше аналогична на тази, записана при малки китове в плен с помощта на същото устройство. Поведението на кита по време на търсене на храна беше напълно обичайно за неговия вид: гмуркане в продължение на 16.5 минути до дълбочина 184 м и повърхностни интервали от 1 до 4 минути.
Профилът на сърдечния ритъм, в съответствие с съдово-сърдечния отговор на гмуркането, показа, че честотата на сърдечните удари от 4 до 8 удара в минута доминираше в долната фаза на гмурканията по време на търсене на храна, независимо от продължителността на гмуркането или максималната дълбочина. Честотата на сърдечните удари при гмуркане (изчислена за цялата продължителност на гмуркането) и минималната мигновена честота на сърдечните удари по време на гмуркане намаляваха с времето на гмуркане, докато максималната повърхностна честота на сърдечните удари след гмуркане нарастваше с продължителността на гмуркането. Тоест, колкото по-дълго китът беше под водата, толкова по-бавно биело сърцето по време на гмуркането и толкова по-бързо след изплуването.
От своя страна, аллометричните уравнения за бозайниците твърдят, че кит с тегло 70000 кг има сърце с тегло 319 кг, а ударният обем (обемът на кръвта, изтласкван с всеки удар) е около 80 л, следователно, сърдечната честота в покой трябва да бъде 15 удара/мин.
По време на долните фази на гмуркане, мигновената сърдечна честота е била от 1/3 до 1/2 от прогнозната сърдечна честота в покой. Обаче ритъмът на сърцето нараства по време на издигане. В повърхностните интервали, сърдечната честота е била около два пъти по-висока от прогнозната сърдечна честота в покой и преимуществено варира между 30 и 37 удара в минута след дълбоки гмуркания (> 125-метрова дълбочина) и от 20 до 30 удара в минута след по-плитки гмуркания.
Тази наблюдение може да говори, че ускорението на сърдечния ритъм е необходимо за постигане на необходимата обмяна на дихателни газове и реперфузия (възстановяване на кръвообращението) на тъканите между дълбоките гмуркания.
Неглубоките краткотрайни нощни гмуркания са свързани с почивка и следователно са по-характерни за по-малко активното състояние. Типичните сърдечни честоти, наблюдавани при 5-минутно нощно гмуркане (8 удара в минута) и съпътстващия го 2-минутен повърхностен интервал (25 удара в минута), могат в съвкупност да доведат до ритъм на сърцето около 13 удара в минута. Тази цифра, както можем да видим, е удивително близка до изчислените предсказания на аллометричните модели.
По-нататък учените изградиха профили на сърдечната честота, дълбочината и относителния обем на белите дробове на 4 отделни гмуркания, анализът на които позволи изучаване на потенциалното влияние на физическата активност и дълбочината върху регулацията на сърдечния ритъм.
Изображение №2: профили на сърдечната честота, дълбочината и относителния обем на белите дробове на 4 отделни гмуркания.
По време на хранене на големи дълбочини, китът извършва специфична маневра, наречена "випад" — рязко отваря челюстта си, за да погълне вода с планктон, след което филтрира храната. Беше наблюдавано, че честотата на сърдечните свивания по време на поглъщането на вода е 2.5 пъти по-висока, отколкото по време на филтрацията. Това ясно показва зависимостта на ритъма на сърцето от физическото натоварване.
Що се отнася до белите дробове, тяхното влияние върху сърдечния ритъм е крайно маловероятно, тъй като не са забелязани значителни изменения на относителния обем на белите дробове по време на разглежданите потапяния.
При това, в долните фази на плитки потапяния, краткотрайното увеличение на сърдечната честота беше свързано именно с измененията на относителния обем на белите дробове и можеше да бъде предизвикано от активирането на рецепторите за разтягане на белите дробове.
Обобщавайки горепосочените наблюдения, учените достигнаха до заключението, че по време на хранене на големи дълбочини се наблюдава краткотрайно увеличение на сърдечната честота с 2.5 пъти. Въпреки това, средната пикова сърдечна честота по време на выпадите по време на хранене все още е била само половината от прогнозната стойност в покой. Тези данни съвпадат с хипотезата, че гъвкавите дъги на аортата на големите китове реализират ефекта на резервоара по време на бавното сърцебиене в периода на потапяне. Освен това, диапазонът на по-високи сърдечни свивания в периода след потапянето потвърди хипотезата, че импедансът на аортата и натоварването на сърцето намаляват по време на повърхностния интервал заради разрушителната намеса на изходящите и отразените вълни на налягането в аортата.
Силната брадикардия, която наблюдаваха изследователите, може да се нарече неочакван резултат от изследването, предвид огромните усилия на кита за маневра "випад" по време на поглъщането на вода с планктон. Въпреки това, метаболитните разходи на тази маневра може да не отговарят на честотата на сърдечните свивания или конвективния транспорт на кислорода отчасти поради кратката продължителност на храненето и възможното ангажиране на гликолитични, бързо съкращаващи се мускулни влакна.
По време на атака сините китове ускоряват до висока скорост и поглъщат количество вода, което може да надвишава собственото им тяло. Учените предполагат, че голямото съпротивление и енергията, необходима за маневриране, бързо изчерпват общите запаси на кислород в организма, което ограничава времето за потапяне. Механичната сила, необходима за поглъщане на големи обеми вода, вероятно значително надвишава аеробната метаболитна сила. Затова, по време на такива маневри, макар и да увеличава, честотата на сърдечните удари остава за много кратко време.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с .
Епилог
Един от най-важните изводи е, че за газовия обмен и реперфузията по време на кратки повърхностни интервали сините китове изискват почти максимална честота на сърдечните удари, независимо от характера на изчерпването на запасите на кислород в кръвта и мускулите по време на потапянията. Ако се съобразим с факта, че по-големите особи на сините китове за получаване на храна трябва да влагат повече усилия за кратък период от време (съгласно хипотезите за алометри), те неизменно се натъкват на няколко физиологични ограничения както по време на потапяне, така и по време на повърхностен интервал. А това означава, че еволюционно размерът на техните тела е ограничен, тъй като, ако бяха по-големи, процесът на получаване на храна би бил твърде изтощителен и не би бил компенсиран от получената храна. Самите изследователи считат, че сърцето на синьото кит работи на ръба на своите възможности.
В бъдеще учените планират да разширят възможностите на устройството си, включително да добавят акселерометър, за да разберат по-добре влиянието на различната физическа активност върху сърдечния ритъм. Също така те планират да приложат своя ЕКГ сензор върху други морски обитатели.
Както показа това изследване, да бъдеш най-голямото същество със сърце, по-голямо от всичките останали, не е толкова лесно. Въпреки това, каквито и да са размера на морските обитатели и каквато и да е диетата им, трябва да разбираме, че водната среда, която хората използват за риболов, добив и транспорт, остава техен дом. Ние сме просто гости и затова трябва да се държим съответно.
Петъчен офф-топ:
Редки кадри, на които синьото кит демонстрира капацитета на устата си.
Още един великан на морето е кашалотът. В това видео учени с дистанционно управляван ROV Hercules заснеха любопитен кашалот на дълбочина от 598 метра.
Благодаря за вниманието, оставайте любопитни и приятни почивни дни на всички, приятели! 🙂
Благодарим ви, че оставате с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да виждате повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на познати, , 30% отстъпка за потребителите на Хабра на уникален аналог на entry-level сървъри, който създадохме специално за вас: (с налични опции за RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd на половин цена? Всичко това само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от 99 $! Чете се за това
Източник: habr.com
