Трудно е да се спори с твърдението, че природата има най-живо въображение. Всеки от представителите на флората и фауната има свои уникални, а понякога дори странни черти, които често не се побират в главите ни. Вземете например същата скарида богомолка. Това хищно същество е способно да атакува жертва или нарушител с мощните си нокти със скорост от 83 км/ч, а зрителната им система е една от най-сложните, изучавани някога от човека. Скаридите богомолки, макар и свирепи, не са особено големи - достигат до 35 см дължина. Най-големият обитател на моретата и океаните, както и на планетата като цяло, е синият кит. Дължината на този бозайник може да достигне повече от 30 метра, а теглото - 150 тона. Въпреки внушителните си размери, сините китове трудно могат да се нарекат страхотни ловци, защото. те предпочитат планктон.
Анатомията на сините китове винаги е представлявала интерес за учените, които искат да разберат по-добре как работят такъв огромен организъм и органи в него. Въпреки факта, че знаем за съществуването на сините китове от няколкостотин години (по-точно от 1694 г.), тези гиганти не са разкрили всичките си тайни. Днес ще разгледаме проучване, в което група учени от Станфордския университет са разработили устройство, което е уловило първите записи на сърдечния ритъм на син кит. Как работи сърцето на владетеля на моретата, какви открития са направили учените и защо не може да съществува организъм, по-голям от син кит? Това научаваме от доклада на изследователската група. Отивам.
Герой на изследването
Синият кит е най-големият бозайник, най-големият обитател на моретата и океаните, най-голямото животно, най-големият кит. Какво да кажа, синият кит наистина е най-добрият по отношение на размерите - дължина 33 метра и тегло 150 тона. Цифрите са приблизителни, но не по-малко впечатляващи.
Дори главата на този гигант заслужава отделен ред в Книгата на рекордите на Гинес, тъй като заема около 27% от общата дължина на тялото. В същото време очите на сините китове са доста малки, не по-големи от грейпфрут. Ако ще ви е трудно да видите очите на кит, тогава веднага ще забележите устата. Устата на син кит може да побере до 100 души (страшен пример, но сините китове не ядат хора, поне не умишлено). Големият размер на устата се дължи на гастрономическите предпочитания: китовете ядат планктон, поглъщат огромни количества вода, които след това освобождават през сито, филтрирайки храната. При доста благоприятни обстоятелства синият кит поглъща около 6 тона планктон на ден.
Друга важна характеристика на сините китове са техните бели дробове. Те са в състояние да задържат дъха си за 1 час и да се гмуркат на дълбочина до 100 м. Но, подобно на други морски бозайници, сините китове периодично излизат на повърхността на водата, за да дишат. Издигайки се на повърхността на водата, китовете използват дупката - дихателна дупка от две големи дупки (ноздри) на гърба на главата. Издишването на кит през дупка често е придружено от вертикален фонтан с вода с височина до 10 м. Като се имат предвид характеристиките на местообитанието на китовете, техните бели дробове работят много по-ефективно от нашите - белите дробове на китовете абсорбират 80-90% от кислорода , а нашите само около 15%. Обемът на белите дробове е около 3 хиляди литра, при хората тази цифра варира в района на 3-6 литра.
Макет на сърце на син кит в музей в Ню Бедфорд (САЩ).
Кръвоносната система на синия кит също е пълна с рекордни параметри. Например, техните съдове са просто огромни, диаметърът само на аортата е около 40 см. Сърцето на сините китове се счита за най-голямото сърце в света и тежи около тон. С толкова голямо сърце китът има много кръв - повече от 8000 литра при възрастен.
И така плавно се доближихме до същността на самото изследване. Сърцето на синия кит е голямо, както вече разбрахме, но бие доста бавно. Преди това се смяташе, че пулсът е около 5-10 удара в минута, в редки случаи до 20. Но никой не е правил точни измервания досега.
Учени от Станфордския университет казват, че скалата в биологията е от голямо значение, особено когато става въпрос за определяне на функционалните характеристики на органите на живите същества. Изследването на различни същества, от мишки до китове, ви позволява да определите границите на размера, които живият организъм не може да надхвърли. А сърцето и сърдечно-съдовата система като цяло са важни атрибути на такива изследвания.
При морските бозайници, чиято физиология е напълно адаптирана към техния начин на живот, адаптациите към гмуркане и задържане на дъха играят важна роля. Установено е, че при много такива същества по време на гмуркане сърдечната честота пада до нива под състоянието на покой. И когато се издигнете на повърхността, сърдечната честота става по-бърза.
Намалената сърдечна честота по време на гмуркане е необходима, за да се намали скоростта на доставяне на кислород до тъканите и клетките, като по този начин се забавя процесът на изчерпване на кислородните резерви в кръвта и се намалява консумацията на кислород от самото сърце.
Има хипотеза, че упражненията (т.е. повишената физическа активност) модулират реакцията при гмуркане и увеличават сърдечната честота по време на гмуркане. Тази хипотеза е особено важна за изследването на сините китове, тъй като поради специалния метод на хранене (внезапно поглъщане на вода), скоростта на метаболизма на теория трябва да надвишава базовите стойности (състояние на покой) 50 пъти. Има хипотеза, че подобни удари ускоряват изчерпването на кислорода, като по този начин намаляват продължителността на гмуркането.
Увеличеният сърдечен ритъм и повишеният пренос на кислород от кръвта към мускулите по време на скок може да играят важна роля поради метаболитната цена на такава физическа активност. Освен това си струва да се вземе предвид ниската концентрация миоглобин* (Mb) при сините китове (5-10 пъти по-ниски, отколкото при други морски бозайници: 0.8 g Mb на 100 g-1 мускул при сините китове и 1.8-10 g Mb при други морски бозайници.
миоглобин* - кислород-свързващ протеин на скелетните мускули и сърдечния мускул.
Като заключение, физическата активност, дълбочината на гмуркане и волевият контрол променят сърдечната честота по време на гмуркане чрез вегетативната нервна система.
Допълнителен фактор за намаляване на сърдечната честота може да бъде компресията / разширяването на белите дробове по време на гмуркане / изкачване.
По този начин сърдечната честота по време на гмуркане и по време на престой на повърхността е пряко свързана с моделите на артериалната хемодинамика.
финвал
По-ранно изследване на биомеханичните свойства и размерите на стените на аортата при финвалове (Balaenoptera physalus) показват, че по време на гмуркане при сърдечна честота ≤10 удара/мин, аортната дъга реализира резервоарен ефект (Ефект на Windkessel), което поддържа притока на кръв за дълго време диастолни периоди* между сърдечните удари и намалява пулсацията на кръвния поток в твърдата дистална аорта.
диастола* (диастоличен период) - периодът на отпускане на сърцето между съкращенията.
Всички хипотези, теории и заключения, описани по-горе, трябва да имат материални доказателства, тоест да бъдат потвърдени или опровергани на практика. Но за това трябва да проведете електрокардиография на свободно движещ се син кит. Простите методи тук няма да работят, защото учените са създали собствено устройство за електрокардиография.
Видео, в което изследователите разказват накратко за работата си.
ЕКГ на кита е записано с помощта на специално изработен ЕКГ рекордер, вграден в специална капсула с 4 вендузи. Повърхностните ЕКГ електроди бяха вградени в две от вендузите. Изследователите отидоха с лодка до залива Монтерей (Тихия океан, близо до Калифорния). Когато учените най-накрая се натъкнали на син кит, който изплувал на повърхността на водата, те прикрепили ЕКГ записващо устройство към тялото му (до лявата перка). По предварително събрани данни този кит е мъжки на възраст 15 години. Важно е да се отбележи, че това устройство е неинвазивно, тоест не изисква въвеждането на никакви сензори или електроди в кожата на животното. Тоест за кита тази процедура е напълно безболезнена и с минимален стрес от човешкия контакт, което също е изключително важно, като се има предвид, че се вземат показания на сърдечния ритъм, които биха могли да бъдат изкривени поради стрес. Резултатът беше 8.5-часов ЕКГ запис, от който учените успяха да изградят профил на сърдечната честота (изображение по-долу).
Изображение #1: Профил на пулса на син кит.
Формата на вълната на ЕКГ беше подобна на тази, записана от малки китове в плен, използвайки същото устройство. Поведението на кита при търсене на храна е съвсем нормално за неговия вид: гмуркане за 16.5 минути на дълбочина от 184 m и интервали на повърхността от 1 до 4 минути.
Профилът на сърдечната честота, в съответствие със сърдечно-съдовия отговор на гмуркането, показва, че сърдечната честота от 4 до 8 удара в минута преобладава в долната фаза на гмурканията за търсене на храна, независимо от продължителността на гмуркането или максималната дълбочина. Сърдечната честота при гмуркане (изчислена за цялата продължителност на гмуркането) и минималната моментна сърдечна честота по време на гмуркането намаляват с продължителността на гмуркането, докато максималната сърдечна честота на повърхността след гмуркане нараства с продължителността на гмуркането. Тоест, колкото по-дълго китът е бил под водата, толкова по-бавно бие сърцето му по време на гмуркането и толкова по-бързо след изкачването.
На свой ред, алометричните уравнения за бозайници гласят, че кит с тегло 70000 319 kg има сърце с тегло 80 kg и неговият ударен обем (обемът на кръвта, изхвърлена на удар) е около 15 литра, следователно сърдечната честота в покой трябва да бъде XNUMX удара / мин.
По време на долните фази на гмурканията моментният пулс е бил 1/3 до 1/2 от предвидения пулс в покой. Сърдечната честота обаче се увеличи по време на етапа на изкачване. На повърхностни интервали сърдечната честота е около два пъти по-висока от прогнозираната сърдечна честота в покой и преобладаващо варира от 30 до 37 удара в минута след дълбоки гмуркания (>125 метра) и от 20 до 30 удара в минута след по-плитки гмуркания.
Това наблюдение може да показва, че ускоряването на сърдечната честота е необходимо за постигане на желания дихателен газообмен и реперфузия (възстановяване на кръвния поток) на тъканите между дълбоките гмуркания.
Плитките, кратки нощни гмуркания се свързват с почивка и следователно са по-характерни за по-малко активно състояние. Типичният сърдечен ритъм, наблюдаван при 5-минутно нощно гмуркане (8 удара в минута) и съпътстващият го 2-минутен интервал на повърхността (25 удара в минута) могат заедно да доведат до сърдечен ритъм от порядъка на 13 удара в минута. Тази цифра, както виждаме, е изненадващо близка до изчислените прогнози на алометричните модели.
След това учените профилираха сърдечната честота, дълбочината и относителния капацитет на белите дробове на 4 отделни гмуркания, за да изследват потенциалното въздействие на физическата активност и дълбочината върху регулирането на сърдечната честота.
Изображение #2: Сърдечен ритъм, дълбочина и профили на относителен белодробен обем от 4 отделни гмуркания.
Докато яде храна на големи дълбочини, китът извършва определена маневра - рязко отваря устата си, за да погълне вода с планктон и след това филтрира храната. Беше отбелязано, че сърдечната честота по време на поглъщане на вода е 2.5 пъти по-висока, отколкото по време на филтриране. Това директно показва зависимостта на сърдечната честота от физическата активност.
Що се отнася до белите дробове, техният ефект върху сърдечната честота е много малко вероятен, тъй като не са наблюдавани значителни промени в относителния обем на белите дробове по време на въпросните гмуркания.
В същото време, в долните фази на плитките гмуркания, краткотрайното повишаване на сърдечната честота е свързано именно с промени в относителния обем на белите дробове и може да бъде причинено от активиране на белодробния рецептор за разтягане.
Обобщавайки горните наблюдения, учените стигнаха до извода, че по време на хранене на голяма дълбочина има краткотрайно увеличаване на сърдечната честота 2.5 пъти. Въпреки това, средният пиков пулс по време на удари по време на хранене все още е само половината от предвидената стойност в покой. Тези данни са в съответствие с хипотезата, че гъвкавите аортни дъги на големите китове реализират резервоарен ефект по време на бавен сърдечен ритъм по време на гмуркания. В допълнение, диапазонът от по-високи сърдечни честоти по време на периода след гмуркане подкрепя хипотезата, че аортният импеданс и сърдечното натоварване намаляват по време на повърхностния интервал поради разрушителната интерференция на изходящите и отразените вълни на налягане в аортата.
Екстремната брадикардия, наблюдавана от изследователите, е неочакван резултат от изследването, като се има предвид колосалното усилие, необходимо на кита, за да се хвърли, когато поглъща вода с планктон. Въпреки това, метаболитната цена на тази маневра може да не съответства на сърдечната честота или конвективния транспорт на кислород, отчасти поради кратката продължителност на хранене и възможното набиране на гликолитични, бързо съкращаващи се мускулни влакна.
По време на хвърляне сините китове се ускоряват до високи скорости и абсорбират обем вода, който може да бъде по-голям от собственото им тяло. Учените предполагат, че високото съпротивление и енергията, необходими за маневриране, бързо изчерпват общото количество кислород на тялото, което ограничава времето за гмуркане. Механичната сила, необходима за абсорбиране на големи обеми вода, вероятно ще надхвърли далеч аеробната метаболитна сила. Ето защо по време на извършването на такива маневри сърдечната честота, въпреки че се увеличава, но за много кратко време.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да разгледате .
Епилог
Едно от най-важните открития е, че сините китове изискват почти максимални сърдечни честоти за обмен на газ и реперфузия по време на кратки интервали на повърхността, независимо от модела на изчерпване на кислорода в кръвта и мускулите по време на гмуркания. Като се има предвид, че по-големите сини китове трябва да положат повече труд за по-кратък период от време, за да получат храна (според хипотезите на алометрията), те неизбежно се сблъскват с няколко физиологични ограничения както по време на гмуркането, така и по време на интервала на повърхността. А това означава, че еволюционно размерът на тялото им е ограничен, тъй като ако беше по-голям, процесът на получаване на храна би бил много скъп и нямаше да бъде компенсиран от получената храна. Самите изследователи смятат, че сърцето на синия кит работи на границата на възможностите си.
В бъдеще учените планират да разширят възможностите на своето устройство, включително да добавят акселерометър, за да разберат по-добре влиянието на различните физически дейности върху сърдечната честота. Те също планират да използват своя ЕКГ сензор върху други морски обитатели.
Както показа това проучване, да бъдеш най-голямото същество с най-голямо сърце не е толкова лесно. Въпреки това, колкото и големи да са морските обитатели, каквато и диета да спазват, трябва да разберем, че водният стълб, който се използва от хората за риболов, добив и транспорт, остава техен дом. Ние сме само гости и затова трябва да се държим по съответния начин.
Петък извън топ:
Редки кадри на син кит, демонстриращ капацитета на устата си.
Друг гигант на моретата е кашалотът. В това видео учените, използващи дистанционно управляван ROV Hercules, заснеха любопитен кашалот на дълбочина от 598 метра.
Благодаря за гледането, бъдете любопитни и пожелавам страхотен уикенд на всички! 🙂
Благодарим ви, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите още интересно съдържание? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на приятели, , 30% отстъпка за потребителите на Habr за уникален аналог на сървъри от начално ниво, който беше измислен от нас за вас: (предлага се с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 пъти по-евтин? Само тук в Холандия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Прочети за
Източник: www.habr.com