És difícil discutir amb l'afirmació que la natura té la imaginació més viva. Cadascun dels representants de la flora i la fauna té les seves característiques úniques, i de vegades fins i tot estranyes, que sovint no caben al nostre cap. Prenguem, per exemple, el mateix cranc mantis. Aquesta criatura depredadora és capaç d'atacar una víctima o un delinqüent amb les seves poderoses urpes a una velocitat de 83 km/h, i el seu sistema visual és un dels més complexos mai estudiats pels humans. Els crancs de riu Mantis, tot i que ferotges, no són especialment grans: fins a 35 cm de llarg. L'habitant més gran dels mars i oceans, així com del planeta en general, és la balena blava. La longitud d'aquest mamífer pot arribar als 30 metres i el pes de 150 tones. Malgrat la seva mida impressionant, les balenes blaves difícilment es poden anomenar caçadores formidables, perquè... prefereixen el plàncton.
L'anatomia de les balenes blaves sempre ha estat d'interès per als científics que volen entendre millor com funciona un organisme tan enorme i els seus òrgans. Tot i que fa uns centenars d'anys que coneixem l'existència de les balenes blaves (des de 1694, per ser més precisos), aquests gegants no han revelat tots els seus secrets. Avui farem una ullada a un estudi en què un grup de científics de la Universitat de Stanford va desenvolupar un dispositiu que va servir per obtenir els primers enregistraments del batec del cor d'una balena blava. Com funciona el cor del governant dels mars, quins descobriments han fet els científics i per què no pot existir un organisme més gran que una balena blava? Ho sabem a partir de l'informe del grup de recerca. Aneu.
Heroi de la recerca
La balena blava és el mamífer més gran, l'habitant més gran dels mars i oceans, l'animal més gran, la balena més gran. Què puc dir, la balena blava és realment la millor en termes de dimensions: la llargada és de 33 metres i el pes és de 150 tones. Les xifres són aproximades, però no per això menys impressionants.
Fins i tot el cap d'aquest gegant mereix una línia a part al Llibre Guinness dels Rècords, ja que ocupa al voltant del 27% de la longitud total del cos. A més, els ulls de les balenes blaves són bastant petits, no més grans que una aranja. Si us costa veure els ulls d'una balena, notareu la boca immediatament. La boca d'una balena blava pot contenir fins a 100 persones (un exemple esgarrifós, però les balenes blaves no es mengen persones, almenys no intencionadament). La gran mida de la boca es deu a les preferències gastronòmiques: les balenes mengen plàncton, empassant grans volums d'aigua, que després s'allibera a través d'un aparell filtrant, filtrant el menjar. En circumstàncies força favorables, la balena blava consumeix unes 6 tones de plàncton al dia.
Una altra característica important de les balenes blaves són els seus pulmons. Són capaços de contenir la respiració durant 1 hora i submergir-se a profunditats de fins a 100 m. Però, com altres mamífers marins, les balenes blaves emergeixen periòdicament a la superfície de l'aigua per respirar. Quan les balenes pugen a la superfície de l'aigua, utilitzen un forat, un forat per respirar fet de dues grans obertures (foselles) a la part posterior del cap. L'exhalació d'una balena a través del seu espiral sovint va acompanyada d'una font vertical d'aigua de fins a 10 m d'alçada.Tenint en compte les característiques de l'hàbitat de les balenes, els seus pulmons funcionen de manera molt més eficient que els nostres: els pulmons de la balena absorbeixen entre el 80 i el 90% de oxigen, i la nostra només un 15%. El volum dels pulmons és d'uns 3 mil litres, però en els humans aquesta xifra varia al voltant dels 3-6 litres.
Maqueta d'un cor de balena blava en un museu de New Bedford (EUA).
El sistema circulatori de la balena blava també està ple de paràmetres rècord. Per exemple, els seus vasos són senzillament enormes, només el diàmetre de l'aorta és d'uns 40 cm. El cor de les balenes blaves es considera el cor més gran del món i pesa aproximadament una tona. Amb un cor tan gran, la balena té molta sang: més de 8000 litres en un adult.
I ara arribem sense problemes a l'essència de l'estudi en si. El cor de la balena blava és gran, com ja hem entès, però batega bastant lentament. Anteriorment, es creia que el pols era d'uns 5-10 batecs per minut, en casos rars fins a 20. Però ningú havia fet mesures precises fins ara.
Científics de la Universitat de Stanford diuen que l'escala és de gran importància en biologia, sobretot quan es tracta de determinar les característiques funcionals dels òrgans dels éssers vius. L'estudi de diverses criatures, des de ratolins fins a balenes, ens permet determinar els límits de mida que un organisme viu no pot superar. I el cor i el sistema cardiovascular en general són atributs importants d'aquests estudis.
En els mamífers marins, la fisiologia dels quals està totalment adaptada al seu estil de vida, les adaptacions associades al busseig i a la contenció de la respiració tenen un paper important. S'ha trobat que moltes d'aquestes criatures tenen ritmes cardíacs que cauen a nivells per sota del seu estat de repòs durant una immersió. I després d'haver pujat a la superfície, la freqüència cardíaca es torna més ràpida.
Una freqüència cardíaca més baixa durant el busseig és necessària per reduir la velocitat de lliurament d'oxigen als teixits i cèl·lules, alentint així el procés d'esgotament de les reserves d'oxigen a la sang i reduint el consum d'oxigen del propi cor.
Es planteja la hipòtesi que l'exercici (és a dir, l'augment de l'activitat física) modula la resposta de la immersió i augmenta la freqüència cardíaca durant una immersió. Aquesta hipòtesi és especialment important per a l'estudi de les balenes blaves, ja que a causa del mètode especial d'alimentació (una estocada sobtada per empassar aigua), la taxa metabòlica, en teoria, hauria de superar els valors bàsics (estat de repòs) en 50 vegades. Se suposa que aquestes estocades acceleren l'esgotament d'oxigen, reduint per tant la durada de la immersió.
L'augment de la freqüència cardíaca i l'augment de la transferència d'oxigen de la sang als músculs durant una estocada poden tenir un paper important a causa dels costos metabòlics d'aquesta activitat física. A més, val la pena tenir en compte la baixa concentració mioglobina* (Mb) en les balenes blaves (5-10 vegades menor que en altres mamífers marins: 0.8 g Mb per 100 g-1 de múscul en les balenes blaves i 1.8-10 g Mb en altres mamífers marins.
Mioglobina* - Proteïna que uneix l'oxigen dels músculs esquelètics i cardíacs.
Com a conclusió, l'activitat física, la profunditat de busseig i el control voluntari canvien la freqüència cardíaca durant el busseig a través del sistema nerviós autònom.
Un factor addicional per reduir la freqüència cardíaca pot ser la compressió/expansió dels pulmons durant una immersió/ascensió.
Així, la freqüència cardíaca durant una immersió i mentre està a la superfície està directament relacionada amb els patrons hemodinàmics arterials.
Rorqual aleta
Un estudi previ de les propietats biomecàniques i les dimensions de les parets aòrtiques en rorquals comuns (Balaenoptera physalus) va demostrar que durant el busseig a una freqüència cardíaca ≤10 batecs/min, l'arc aòrtic implementa un efecte reservori (Efecte Windkessel), que manté el flux sanguini durant llargs períodes períodes diastòlics* entre els batecs del cor i redueix la pulsació del flux sanguini a l'aorta distal rígida.
Diàstole* (període diastòlic) - el període de relaxació del cor entre contraccions.
Totes les hipòtesis, teories i conclusions descrites anteriorment han de tenir proves materials, és a dir, ser confirmades o refutades a la pràctica. Però per fer-ho, cal fer un electrocardiograma a una balena blava que es mou lliurement. Els mètodes senzills no funcionaran aquí, de manera que els científics han creat el seu propi dispositiu per a l'electrocardiografia.
Un vídeo en què els investigadors parlen breument del seu treball.
L'ECG de la balena es va registrar mitjançant un enregistrador d'ECG fet a mida incorporat en una càpsula especial amb 4 ventoses. Els elèctrodes d'ECG de superfície es van incorporar a dues de les ventoses. Els investigadors van agafar un vaixell fins a la badia de Monterey (oceà Pacífic, prop de Califòrnia). Quan els científics finalment es van trobar amb una balena blava que havia aparegut, van connectar un enregistrador d'ECG al seu cos (al costat de la seva aleta esquerra). Segons dades recollides anteriorment, aquesta balena és un mascle als 15 anys. És important tenir en compte que aquest dispositiu no és invasiu, és a dir, no requereix la introducció de cap sensor o elèctrode a la pell de l'animal. És a dir, per a la balena aquest procediment és totalment indolor i amb un mínim d'estrès pel contacte amb les persones, la qual cosa també és extremadament important, atès que es fan lectures de batecs del cor, que es podrien distorsionar per l'estrès. El resultat va ser un enregistrament d'ECG de 8.5 hores a partir del qual els científics van poder crear un perfil de freqüència cardíaca (imatge a continuació).
Imatge #1: perfil de freqüència cardíaca de la balena blava.
La forma d'ona de l'ECG era similar a la registrada en balenes petites en captivitat amb el mateix dispositiu. El comportament d'alimentació de la balena va ser bastant normal per a la seva espècie: bussejant durant 16.5 minuts a una profunditat de 184 m i intervals de superfície d'1 a 4 minuts.
El perfil de freqüència cardíaca, coherent amb la resposta cardiovascular a la immersió, va mostrar que les freqüències cardíaques d'entre 4 i 8 batecs per minut predominaven durant la fase inferior de les immersions d'alimentació, independentment de la durada de la immersió o de la profunditat màxima. La freqüència cardíaca de la immersió (calculada durant tota la durada de la immersió) i la freqüència cardíaca instantània mínima de la immersió van disminuir amb la durada de la immersió, mentre que la freqüència cardíaca de superfície màxima després de la immersió augmentava amb la durada de la immersió. És a dir, com més temps va estar la balena sota l'aigua, més lent batega el cor durant la immersió i més ràpid després de l'ascens.
Al seu torn, les equacions al·lòmètriques dels mamífers indiquen que una balena que pesa 70000 kg té un cor que pesa 319 kg i que el seu volum sistòlic (el volum de sang expulsada per batec) és d'uns 80 l, per tant, la freqüència cardíaca en repòs hauria de ser de 15 batecs/ min.
Durant les fases inferiors de les immersions, la freqüència cardíaca instantània estava entre 1/3 i 1/2 de la freqüència cardíaca en repòs prevista. No obstant això, la freqüència cardíaca va augmentar durant l'etapa d'ascens. A intervals de superfície, la freqüència cardíaca eren aproximadament el doble de la freqüència cardíaca en repòs prevista i oscil·laven principalment entre 30 i 37 bpm després d'immersions profundes (> 125 m de profunditat) i de 20 a 30 bpm després d'immersions menys profundes.
Aquesta observació pot indicar que l'acceleració de la freqüència cardíaca és necessària per aconseguir l'intercanvi de gasos respiratoris desitjat i la reperfusió (restabliment del flux sanguini) dels teixits entre immersions profundes.
Les immersions nocturnes poc profundes i de curta durada estaven associades amb el descans i, per tant, eren més freqüents en estats menys actius. Els ritmes cardíacs típics observats durant una immersió nocturna de 5 minuts (8 batecs per minut) i l'interval superficial de 2 minuts que l'acompanya (25 batecs per minut) es poden combinar per donar com a resultat una freqüència cardíaca d'uns 13 pulsacions per minut. Aquesta xifra, com podem veure, és notablement propera a les prediccions estimades dels models al·lomètrics.
Després, els científics van perfilar la freqüència cardíaca, la profunditat i el volum relatiu del pulmó a partir de 4 immersions separades per examinar els efectes potencials de l'activitat física i la profunditat sobre la regulació de la freqüència cardíaca.
Imatge #2: Perfils de freqüència cardíaca, profunditat i volum relatiu de 4 immersions individuals.
Quan menja menjar a grans profunditats, la balena realitza una certa maniobra d'estocada: obre bruscament la boca per empassar aigua amb plàncton i després filtra el menjar. Es va observar que la freqüència cardíaca en el moment d'empassar l'aigua és 2.5 vegades més alta que en el moment de la filtració. Això parla directament de la dependència de la freqüència cardíaca de l'activitat física.
Pel que fa als pulmons, el seu efecte sobre la freqüència cardíaca és extremadament improbable, ja que no es van observar canvis significatius en el volum relatiu dels pulmons durant les immersions en qüestió.
A més, en les fases inferiors de les immersions poc profundes, un augment a curt termini de la freqüència cardíaca es va associar precisament amb canvis en el volum relatiu dels pulmons i podria ser causat per l'activació del receptor d'estirament pulmonar.
Resumint les observacions descrites anteriorment, els científics van arribar a la conclusió que durant l'alimentació a grans profunditats hi ha un augment a curt termini de la freqüència cardíaca 2.5 vegades. Tanmateix, la freqüència cardíaca màxima mitjana durant les estocades d'alimentació encara era només la meitat del valor de repòs previst. Aquestes dades són coherents amb la hipòtesi que els arcs aòrtics flexibles de les grans balenes exerceixen un efecte reservori durant la freqüència cardíaca lenta del busseig. A més, el rang de freqüència cardíaca més alta durant el període posterior a la immersió va donar suport a la hipòtesi que la impedància aòrtica i la càrrega de treball cardíaca es redueixen durant l'interval de superfície a causa de la interferència destructiva de les ones de pressió sortints i reflectides a l'aorta.
La bradicàrdia severa observada pels investigadors es pot anomenar un resultat inesperat de l'estudi, donada la despesa colossal d'energia de la balena en la maniobra d'estocada mentre empassa aigua amb plàncton. No obstant això, el cost metabòlic d'aquesta maniobra pot no coincidir amb la freqüència cardíaca o el transport d'oxigen convectiu, en part a causa de la curta durada de l'alimentació i el possible reclutament de fibres musculars glicolíticas i de contracció ràpida.
Durant una estocada, les balenes blaves acceleren a altes velocitats i absorbeixen un volum d'aigua que pot ser més gran que el seu propi cos. Els científics plantegen la hipòtesi que l'alta resistència i energia necessària per a la maniobra esgota ràpidament les reserves totals d'oxigen del cos, limitant així el temps d'immersió. És probable que la força mecànica necessària per absorbir grans volums d'aigua superi la força metabòlica aeròbica. Per això, durant aquestes maniobres, la freqüència cardíaca va augmentar, però durant molt poc temps.
Per a un coneixement més detallat dels matisos de l'estudi, recomano mirar .
Epíleg
Una de les troballes més importants és que les balenes blaves requereixen una freqüència cardíaca propera al màxim per a l'intercanvi de gasos i la reperfusió durant intervals curts de superfície, independentment de la naturalesa de l'esgotament d'oxigen de la sang i dels músculs durant les immersions. Si tenim en compte que les balenes blaves més grans han d'invertir més mà d'obra durant un període de temps més curt per obtenir aliment (d'acord amb les hipòtesis al·lomètriques), aleshores s'enfronten inevitablement a diverses limitacions fisiològiques tant durant la immersió com durant l'interval superficial. Això vol dir que evolutivament la mida del seu cos és limitada, ja que si fos més gran, el procés d'obtenció dels aliments seria molt costós i no es compensaria amb els aliments rebuts. Els mateixos investigadors creuen que el cor de la balena blava està treballant al límit de les seves capacitats.
En el futur, els científics tenen previst ampliar les capacitats del seu dispositiu, inclosa l'addició d'un acceleròmetre per entendre millor l'efecte de les diferents activitats físiques sobre la freqüència cardíaca. També tenen previst utilitzar el seu sensor ECG en altres espècies marines.
Com mostra aquest estudi, ser la criatura més gran amb el cor més gran no és fàcil. Tanmateix, sigui quina sigui la mida dels habitants marins, sigui quina sigui la dieta que segueixin, hem d'entendre que la columna d'aigua, que és utilitzada pels humans per a la pesca, l'extracció i el transport, segueix sent la seva llar. Només som convidats i, per tant, ens hem de comportar en conseqüència.
Divendres fora de dalt:
Imatges rares d'una balena blava demostrant la capacitat de la seva boca.
Un altre gegant dels mars és el catxalot. En aquest vídeo, els científics que utilitzen un ROV controlat a distància Hèrcules van filmar un curiós catxalot a una profunditat de 598 metres.
Gràcies per mirar-nos, sigueu curiosos i passeu un bon cap de setmana a tothom! 🙂
Gràcies per quedar-te amb nosaltres. T'agraden els nostres articles? Vols veure més contingut interessant? Doneu-nos suport fent una comanda o recomanant als amics, , 30% de descompte per als usuaris d'Habr en un únic anàleg de servidors d'entrada, que hem inventat per a tu: (disponible amb RAID1 i RAID10, fins a 24 nuclis i fins a 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 vegades més barat? Només aquí als Països Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - a partir de 99 $! Llegeix sobre
Font: www.habr.com