Трудно е да се оспори твърдението, че природата притежава най-живото въображение. Всеки от представителите на флората и фауната има уникални, а понякога дори странни характеристики, които често не можем да осмислим. Вземете например рака-богомол. Това хищно същество е способно да атака жертвата или обидчика си с мощните си нокти със скорост от 83 км/ч, а зрителната им система е една от най-сложните, които човек някога е изучавал. Раците-богомоли, макар и яростни, не са особено големи - до 35 см дължина. Най-голямото същество в морета и океани, както 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 кити трудно могат да бъдат наречени страховити хищници, тъй като предпочитат планктона.
Анатомията на сините китове винаги е интересувала учените, които искат да разберат по-добре как работи такъв огромен организъм и органите в него. Въпреки че знаем за съществуването на сините китове вече няколко века (от 1694 година, ако бъдем точни), тези гиганти не са разкрили всичките си тайни. Днес ще се запознаем с изследване, в което група учени от Станфордския университет е разработила устройство, с помощта на което бяха получени първите записи на сърдечния ритъм на синия кит. Как функционира сърцето на повелителя на морето, какви открития направиха учените и защо не може да съществува организъм по-голям от синия кит? На тези въпроси ще отговорим в доклада на изследователската група. Да започваме.
Герой на изследването
Синият кит е най-голямото млекопитаещо, най-голямото същество в морета и океани, най-голямото животно, най-голямото китоподобно. Какво да кажем, синият кит наистина е най-високият по размери - дължина 33 метра и тегло 150 тона. Цифрите са приблизителни, но не по-малко впечатляващи.
Дори главата на този гигант заслужава отделна страница в книгата на рекордите на Гинес, тъй като заема около 27% от общата дължина на тялото. Очите на сините китове обаче са сравнително малки, не по-големи от грейпфрут. Ако е трудно да видите очите на кита, устата му определено ще ви направи впечатление. Челюстта на синия кит може да побере до 100 човека (страшен пример, но сините китове не ядат хора, поне не умишлено). Големият размер на устата е обусловен от гастрономическите им предпочитания: китовете ядат планктон, поглъщайки огромни количества вода, която после изхвърлят чрез филтрираща система, отделяйки храната. При достатъчно благоприятни условия синият кит поглъща около 6 тона планктон на ден.
Друга важна характеристика на сините китове са техните бели дробове. Те могат да задържат дъха си за 1 час и да се гмуркат на дълбочина до 100 м. Но, както и другите морски бозайници, сините китове периодично изплуват до повърхността, за да дишат. Когато излязат на повърхността, китовете използват дихателния отвор - отвор с две големи ноздри на задната част на главата. Издишването на кита през дихателния отвор често е съпроводено от вертикален фонтан вода с височина до 10 м. С оглед на особеностите на местообитанието на китовете, техните бели дробове работят значително по-ефективно от нашите - дробовете на кита усвояват 80-90% от кислорода, докато нашите едва около 15%. Обемът на белите дробове е около 3000 литра, докато при човека този показател варира между 3-6 литра.
Моделът на сърцето на синия кит в музея в Ню Бедфорд (САЩ).
Кръвоносната система на синия кит също има рекордни параметри. Например, съдовете им са просто огромни, диаметърът на само аортата достига около 40 см. Сърцето на сините китове е признато за най-голямото в света и тежи около тон. С такова голямо сърце китът има и много кръв - над 8000 литра при възрастен екземпляр.
И ето че плавно преминахме към същината на самото изследване. Сърцето на синия кит е голямо, каквото вече разбрахме, но бие доста бавно. Преди се смяташе, че пулсът е около 5-10 удара в минута, в редки случаи до 20. Но точни измервания никой не е провеждал до сега.
Учени от Станфордския университет твърдят, че мащабът в биологията има огромно значение, особено когато става въпрос за определяне на функционалните характеристики на органите на живите същества. Изучаването на различни организми, от мишки до китове, позволява да се определят ограниченията по размери, които живият организъм не може да надвиши. А 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 гмуркане сърдечната честота намалява до нива, по-ниски от състоянието на покой. А при излизане на повърхността ритъмът на сърцето става по-учестен.
Намалената сърдечна честота по време на гмуркането е необходима за намаляване на скоростта на доставка на кислород до 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) модифицират реакцията на гмуркане и увеличават сърдечната честота по време на гмуркане. Тази хипотеза е особено важна за изследването на сините китове, тъй като поради особеностите на метода на хранене (резки движения за поглъщане на вода) скоростта на метаболизма, теоретично, трябва да надвишава основните стойности (състоянието на покой) 50 пъти. Предполага се, че такива движения ускоряват изчерпването на кислорода, следователно, намалявайки продължителността на гмуркането.
Повишената сърдечна честота и повишеното предаване на кислород от кръвта към мускулите по време на движенията могат да играят важна роля поради метаболитните разходи по време на такава физическа активност. Освен това, трябва да се вземе предвид и ниската концентрация миоглобин* (Mb) при сините китове (5-10 пъти по-ниска, отколкото при други 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* — кислородосвързващият протеин на скелетните мускули и мускулите на сърцето.
В заключение, физическото натоварване, дълбочината на гмуркане и волевият контрол променят сърдечната честота по време на гмуркане чрез вегетативната нервна система.
Допълнителен фактор, влияещ върху намаляването на сърдечната честота, може да бъде и компресията/разширението на белите дробове по време на потапяне/изплуване.
Следователно, сърдечната честота по време на потапяне и при престой на повърхността е пряко свързана с моделите на артериалната хемодинамика.
Финвал
По-ранно проведено изследване на биомеханичните свойства и размерите на стените на аортата при финвала (Balaenoptera physalus) показа, че по време на потапяния при сърдечна честота ≤10 уд./мин. дъгата на аортата реализира ефекта на резервоара (Windkessel effekt), който поддържа кръвообращението по време на дълги диастолични периоди* между сърдечните съкращения и намалява пулсацията на кръвния поток в твърдата дистална аорта.
Диастола* (диастоличен период) — период на отпускане на сърцето между съкращенията.
Всички гореописани хипотези, теории и умозаключения трябва да имат материални доказателства, тоест да бъдат потвърдени или опровергани на практика. Но за това е нужно да се проведе електрокардиография на свободно движещия се син кит. Простите методи тук не биха сработили, затова учените създадоха собствено устройство за електрокардиография.
Видео, в което изследователите накратко разказват за своя труд.
ЕКГ на синьото кито е записана с помощта на индивидуално проектиран ЕКГ регистратор, интегриран в специално капсуло с 4 вендузи. Повърхностните електроди на ЕКГ са вградени в две от вендузите. Изследователите се отправили с лодка към залива Монтерей (Тихия океан, близо до Калифорния). Когато учените най-накрая срещнали синьо кито, появило се на повърхността на водата, те прикрепили ЕКГ регистратор към тялото му (до лявото му плавник). Според предишно събрани данни, това кито е мъжко на 15 години. Важно е да се отбележи, че това устройство е неинвазивно, което означава, че не изисква въвеждане на каквито и да е 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, предвид, че се записват стойности на сърдечния ритъм, които биха могли да бъдат изкривени заради стреса. Резултатът е 8.5-часова ЕКГ запис, по която учените успели да изградят профил на сърдечния ритъм (изображение по-долу).
Изображение №1: профил на сърдечния ритъм на синьото кито.
Формата на ЕКГ сигнала е аналогична на тази, записана при малки китове в затворени условия с помощта на същото устройство. Поведението на кита по време на търсене на храна е напълно обичайно за неговия вид: потапяне за 16.5 минути до дълбочина 184 м и повърхностни интервали от 1 до 4 минути.
Профилът на сърдечния ритъм, в съответствие със сърдечно-съдови отговори на потапяне, показа, че честотата на сърдечните съкращения от 4 до 8 удара в минута доминирала в долната фаза на потапянията при търсене на храна, независимо от продължителността на потапянето или максималната дълбочина. Честотата на сърдечните съкращения при потапяне (изчислена през цялата продължителност на потапянето) и минималната моментна честота на сърдечните съкращения по време на потапяне намалявали с продължителността на потапянето, докато максималната повърхностна честота на сърдечните съкращения след потапяне се увеличавала с продължителността на потапянето. Тоест, колкото по-дълго китът е бил под водата, толкова по-бавно е било сърцето му по време на потапяне 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 му обем (обемът на кръвта, избутвана за 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 прогнозируемата сърдечна честота в покой. Въпреки това, ритъмът на сърцето се увеличавал на етапа на изкачване. В повърхностните интервали сърдечната честота е била приблизително два пъти по-висока от прогнозируемата сърдечна честота в покой и предимно е варирала от 30 до 37 удара в минута след дълбоки гмуркания (> 125 метра дълбочина) и от 20 до 30 удара в минута след по-плитки гмуркания.
Т observation може да предполага, че ускорението на сърдечните съкращения е необходимо за постигане на необходимия обмен на дихателни газове и реперфузия (възстановяване на потока на кръвта) в тъканите между дълбоки гмуркания.
Повърхностните краткосрочни нощни гмуркания са свързани с отдих и следователно са по-характерни за по-малко активното състояние. Типичните сърдечни честоти, наблюдавани при 5-минутно нощно гмуркане (8 удара в минута) и придружаващия го 2-минутен повърхностен интервал (25 удара в минута), могат да доведат до ритъм на сърцето от порядъка на 13 удара в минута. Тази цифра, както можем да видим, е удивително близка до предсказаните стойности от аллометричните модели.
След това учените построиха профили на сърдечната честота, дълбочината и относителния обем на белите дробове при 4 отделни гмуркания, анализа на които позволи да се изследва 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 при 4 отделни гмуркания.
По време на хранене на големи дълбочини, китът извършва специфичен маневър, наречен "випад" - рязко отваря устата си, за да погълне вода с планктон, а след това филтрира храната. Забелязано е, че сърдечната честота в момента на поглъщане на вода е 2,5 пъти по-висока, отколкото при филтрация. Това директно показва зависимостта на сърдечния ритъм от физическото натоварване.
Що се отнася до белите дробове, влиянието им върху сърдечния ритъм изглежда е крайно малко вероятно, тъй като не са наблюдавани значителни промени в относителния обем на белите дробове по време на разглежданите потапяния.
Въпреки това, в по-долните фази на не дълбоките потапяния, краткотрайното увеличение на сърдечната честота беше свързано именно с промените в относителния обем на белите дробове и може да е било предизвикано от активирането на рецепторите за разтягане на белите дробове.
Сумаризирайки описаните наблюдения, учените достигнаха до извода, че по време на хранене на големи дълбочини се наблюдава краткотрайно увеличение на сърдечната честота от 2,5 пъти. Въпреки това, средната пикова сърдечна честота по време на маневрите при хранене все още е била само половината от прогнозираното ниво в покой. Тези данни съответстват на хипотезата, че гъвкавите дъги на аортата на големите китове реализират ефект на резервоар по време на бавен сърдечен ритъм по време на потапянето. Освен това, диапазонът на по-високите сърдечни ритми в периода след потапянето потвърди хипотезата, че импедансът на аортата и натоварването на сърцето намаляват по време на повърхностния интервал поради разрушителна намеса на изходящите и отразените вълни на налягане в аортата.
Силната брадикардия, наблюдавана от изследователите, може да се нарече неочакван резултат от проучването, като се има предвид огромните усилия на кита по време на маневра "випад" при поглъщане на вода с планктон. Въпреки това, метаболитните разходи на този маневър може да не съответстват на сърдечната честота или конвективния транспорт на кислород, частично поради кратката продължителност на храненето и възможното участие на гликолитични, бързо съкращаващи се мускулни влакна.
По време на изплъзването сини китове достигат висока скорост и поглъщат количество вода, което може да надвишава собственото им тяло. Учените предполагат, че високото съпротивление и енергията, необходими за маневриране, бързо изтощават общите запаси от кислород в организма, което ограничава времето на гмуркане. Механичната сила, необходима за поглъщането на големи обеми вода, вероятно значително надвишава аеробната метаболитна сила. Затова, по време на извършването на такива маневри, сърдечната честота, въпреки че се увеличава, е за много кратко време.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с .
Епилог
Едно от най-важните заключения е, че за газообмен и реперфузия по време на кратки повърхностни интервали, синият кит изисква почти максимална сърдечна честота, независимо от характера на изчерпването на запасите от кислород в кръвта и мускулите по време на гмуркане. Ако се вземе предвид, че по-големите особи на сините китове трябва да влагат повече усилия за хранене за по-кратък период от време (съгласно хипотезите за аллометрия), те неизбежно се сблъскват с няколко физиологични ограничения както по време на гмуркане, така и по време на повърхностния интервал. Това означава, че еволюционно размерът на тялото им е ограничен, тъй като ако беше по-голям, процесът на получаване на храна щеше да бъде твърде изтощителен и да не бъде компенсиран от получената храна. Самите изследователи вярват, че сърцето на синьото кит работи на границата на възможностите си.
В бъдеще учените плановат да разширят възможностите на устройството си, включително да добавят акселерометър, за да разберат по-добре влиянието на различната физическа активност върху сърдечния ритъм. Те също така планират да приложат своя ЕКГ сензор на други морски обитатели.
Както показа това изследване, да си най-голямото същество с най-голямото сърце — не е така лесно. Въпреки това, каквито и да са размерите на морските обитатели, каквато и диета да следват, трябва да разберем, че водният слой, който хората използват за риболов, добив и транспорт, остава техен дом. Ние сме само гости и следователно трябва да се държим подобаващо.
Петъчен офф-топ:
Редки кадри, на които синът кит демонстрира вместимостта на устата си.
Другият морски великан е кашалотът. В това видео учени using дистанционно управляемия ROV Hercules на дълбочина от 598 метра заснеха любопитен кашалот.
Благодаря за вниманието, останете любопитни и желая на всички отлични уикенди, приятели! 🙂
Благодаря, че оставате с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или я препоръчате на познати, , 30% отстъпка за потребителите на Хабра за уникален аналог на entry-level сървъри, създаден от нас за вас: (налични опции с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd два пъти по-евтин? Само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Четете за това
Източник: habr.com
