Je těžké polemizovat s tvrzením, že nejživější představivost má právě příroda. Každý zástupce flóry a fauny má své jedinečné a občas i podivné vlastnosti, které nám často nedávají smysl. Vezměme si například raka bogomola. Tento dravý tvor je schopen zaútočit na svou oběť nebo nepřítele svými silnými klepety rychlostí 83 km/h, a jejich zrakový systém je jedním z nejsložitějších, které kdy člověk zkoumal. Raci bogomolové, ačkoliv jsou zuřiví, nejsou příliš velcí — dorůstají až do 35 cm. Největším obyvatelem moří a oceánů, jak na této planetě, je modrá velryba. Délka tohoto savce může přesahovat více než 30 metrů a vážit 150 tun. Navzdory impozantním rozměrům nemůžeme modré velryby považovat za obávané lovce, protože dávají přednost planktonu.
Anatomie modrých velryb vždy zajímala vědce, kteří chtějí lépe pochopit, jak pracuje tak obrovský organismus a jeho orgány. I když o existenci modrých velryb víme již několik set let (od roku 1694, pokud jsme přesní), tiši obři neodhalili všechny své tajemství. Dnes se seznámíme se studiem, ve kterém skupina vědců ze Stanfordské univerzity vyvinula zařízení, které umožnilo pořídit první záznamy srdečního tepu modré velryby. Jak funguje srdce pána moří, jaké objevy vědci učinili a proč nemůže existovat organismus větší než modrá velryba? O tom se dozvíme z výstavy výzkumné skupiny. Jdeme na to.
Hrdina výzkumu
Modrá velryba je největší savec, největší obyvatel moří a oceánů, největší zvíře, největší velryba. Co dodat, modrá velryba je opravdu největší ve všech dimenzích — délka 33 metrů, váha 150 tun. Tyto čísla jsou orientační, ale i tak jsou ohromující.
Dokonce hlava tohoto giganta si zaslouží zvláštní řádek v knize rekordů Guiness, protože tvoří přibližně 27 % z celkové délky těla. Oči modrých velryb jsou přitom poměrně malé, ne větší než grapefruit. Pokud se vám bude těžko dívat na oči velryby, ústa si všimnete okamžitě. Tlamu modré velryby může pojmout až 100 lidí (strašidelný příklad, ale modré velryby lidi nežerou, aspoň ne úmyslně). Velká velikost úst je dána gastronomickými preferencemi: velryby jí plankton, polykající obrovské objemy vody, kterou pak vypouštějí pomocí filtračního zařízení, přičemž vyfiltrované jídlo zůstává. Za dost příznivých okolností modrá velryba zkonzumuje za den přibližně 6 tun planktonu.
Dalším důležitým rysem modrých velryb jsou jejich plíce. Jsou schopny zadržet dech až na 1 hodinu a potopit se do hloubky až 100 m. Stejně jako ostatní mořští savci modré velryby občas vyplouvají na hladinu, aby se nadechly. Po vyplutí na hladinu velryby používají dýchací otvor — otvor pro dýchání z dvou velkých otvorů (nosních dírek) na zadní části hlavy. Výdech velryby přes dýchací otvor je často doprovázen vertikálním gejzírem vody vysokým až 10 m. Vzhledem k podmínkám obývání velryb fungují jejich plíce mnohem efektivněji než naše — plíce velryby absorbují 80-90 % kyslíku, zatímco naše pouze asi 15 %. Objem plic je přibližně 3000 litrů, zatímco u člověka se tento údaj pohybuje kolem 3-6 litrů.
Model srdce modré velryby v muzeu v New Bedfordu (USA).
Cévní systém modré velryby je rovněž plný rekordních parametrů. Například cévy jsou obrovské, průměr jediné aorty činí přibližně 40 cm. Srdce modrých velryb je považováno za největší srdce na světě a váží přibližně jednu tunu. S tak velkým srdcem má velryba také hodně krve — více než 8000 litrů u dospělé jedince.
A nyní jsme se plynule dostali k podstatě samotného výzkumu. Srdce modré velryby je velké, jak jsme již pochopili, ale bije poměrně pomalu. Dříve se předpokládalo, že puls činí přibližně 5-10 úderů za minutu, ve vzácných případech až 20. Avšak nikdo dosud neprováděl přesná měření.
Vědci ze Stanfordovy univerzity tvrdí, že měřítko v biologii má obrovský význam, zejména pokud jde o určení funkčních vlastností orgánů živých bytostí. Studium různých organismů, od myší po velryby, pomáhá určit limity rozměrů, které živý organismus nemůže překročit. Srdce a kardiovaskulární systém jako celek jsou důležitými atributy takovýchto výzkumů.
U mořských savců, jejichž fyziologie se plně přizpůsobila jejich způsobu života, hrají důležitou roli adaptace spojené s potápěním a zadržením dechu. Bylo zjištěno, že u mnoha takových organismů během ponoření klesá srdeční frekvence na úroveň pod klidovým stavem. Po vystoupení na povrch se srdeční rytmus zrychluje.
Snížená srdeční frekvence během ponoření je nezbytná pro snížení rychlosti dodávání kyslíku do tkání a buněk, čímž se zpomaluje proces vyčerpání kyslíkových zásob v krvi a snižuje se spotřeba kyslíku samotným srdcem.
Existuje hypotéza, že cvičení (tj. zvýšená fyzická aktivita) moduluje reakci na ponoření a zvyšuje srdeční frekvenci během potápění. Tato hypotéza je zvlášť důležitá pro výzkum modrých velryb, protože vzhledem k jejich specifickému způsobu potravy (náhlý skok pro polykání vody) by rychlost metabolismu teoreticky měla překročit základní hodnoty (klidový stav) až 50krát. Předpokládá se, že takové skoky urychlují vyčerpání kyslíku a tím zkracují dobu ponoření.
Zvýšená srdeční frekvence a zvýšené dodávání kyslíku z krve do svalů během skoku mohou hrát důležitou roli vzhledem k metabolickým nárokům během takové fyzické aktivity. Je také nutné vzít v úvahu nízkou koncentraci myoglobinu* (Mb) u modrých velryb (5-10krát nižší než u jiných mořských savců: 0,8 g Mb na 100 g-1 svalů u modrých velryb a 1,8-10 g Mb u jiných mořských savců.
Myoglobin* — kyslík vázající bílkovina ve svalech kostry a srdce.
Na závěr, fyzická zátěž, hloubka ponoření a vůlí kontrola mění srdeční frekvenci během potápění prostřednictvím autonomního nervového systému.
Dalším faktorem snižujícím srdeční frekvenci může být i stlačení/rozšíření plic během ponoru/vzletu.
Takto je srdeční frekvence během ponoru a při pobytu na povrchu přímo spojena s modely arteriální hemodynamiky.
Finval
Dříve provedený výzkum biomechanických vlastností a rozměrů stěn aorty u finvala (Balaenoptera physalus) ukázal, že během ponorů při srdeční frekvenci ≤10 úderů/min aorta vykazuje efekt rezervoáru (Windkessel efekt), který udržuje průtok krve během dlouhých diastolických období* mezi srdečními kontrakcemi a snižuje pulzaci krvního toku do tuhé distální aorty.
Diastola* (diastolické období) — období uvolnění srdce mezi kontrakcemi.
Všechny výše uvedené hypotézy, teorie a dedukce by měly mít hmatatelné důkazy, tedy být potvrzeny nebo vyvráceny v praxi. K tomu však je potřeba provést elektrokardiografii volně se pohybujícímu modrému velrybě. Prosté metody zde nebudou fungovat, proto vědci vytvořili svůj přístroj pro elektrokardiografii.
Video, ve kterém výzkumníci stručně hovoří o své práci.
EKG plejtvana byla zaznamenána pomocí na míru vyrobeného EKG registrátoru, který byl zabudován do speciální kapsle se 4 přísavkami. Povrchové EKG elektrody byly integrovány do dvou z těchto přísavek. Výzkumníci se vydali na člunu do zálivu Monterey (Tichý oceán, poblíž Kalifornie). Když se vědcům konečně podařilo potkat modrého plejtvana, který vyplul na povrch, připevnili k jeho tělu (vedle levé ploutve) EKG registrátor. Podle dříve shromážděných údajů je tento plejtván samcem ve věku 15 let. Je důležité poznamenat, že toto zařízení je neinvazivní, což znamená, že nevyžaduje zavádění jakýchkoli senzorů nebo elektrod do kůže zvířete. Pro plejtvana je tedy tento postup naprosto bezbolestný a s minimálním stresem z kontaktu s lidmi, což je rovněž velmi důležité, vzhledem k tomu, že byly zachyceny údaje o srdečním tepu, které by mohly být zkresleny vlivem stresu. V důsledku toho byla získána 8,5 hodinová EKG nahrávka, podle které byli vědci schopni vypracovat profil srdečního rytmu (viz obrázek níže).
Obrázek č. 1: profil srdečního rytmu modrého plejtvana.
Tvar EKG signálu byl podobný tomu, který byl zaznamenán u menších kytovců v zajetí pomocí stejného zařízení. Chování plejtvana během hledání potravy bylo zcela běžné pro jeho druh: potápění po dobu 16,5 minuty do hloubky 184 m a povrchové intervaly od 1 do 4 minut.
Profil srdečního rytmu, v souladu se srdečně-cévní odpovědí na potápění, ukázal, že frekvence srdečních tepů od 4 do 8 úderů za minutu dominovala v dolní fázi potápění při hledání potravy, bez ohledu na délku potápění nebo maximální hloubku. Frekvence srdečních tepů při potápění (vypočítáno za celou dobu potápění) a minimální okamžitá frekvence srdečních tepů během potápění klesaly s délkou potápění, zatímco maximální povrchová frekvence srdečních tepů po potápění se zvyšovala s délkou potápění. Jinými slovy, čím déle byl plejtván pod vodou, tím pomaleji mu bije srdce během potápění a tím rychleji po vyplutí.
Podle allometrických rovnic u savců, velryba s hmotností 70000 kg má srdce vážící 319 kg a její úderový objem (objem krve vypuštěný při jednom úderu) je přibližně 80 l, tudíž by měla mít klidovou srdeční frekvenci 15 úderů/min.
Během dolních fází potápění byla okamžitá srdeční frekvence od 1/3 do 1/2 předpokládané klidové srdeční frekvence. Nicméně, rytmus srdce se zvyšoval ve fázi vynoření. V povrchových intervalech byla srdeční frekvence přibližně dvakrát vyšší než předpokládaná klidová srdeční frekvence a převážně se pohybovala od 30 do 37 úderů za minutu po hlubokých ponorech (> 125 metrů) a od 20 do 30 úderů za minutu po mělkých ponorech.
Tato pozorování mohou naznačovat, že zrychlení srdečních kontrakcí je nezbytné pro dosažení požadované výměny dechových plynů a reperfuzi (obnovení tok krve) tkání mezi hlubokými ponory.
Mělké krátkodobé noční ponory byly spojeny s odpočinkem a proto více charakteristické pro méně aktivní stav. Typické srdeční frekvence pozorované během 5 minutového nočního ponoru (8 úderů za minutu) a provázejícího 2 minutového povrchového intervalu (25 úderů za minutu) mohou celkově vést k tomu, že rytmus srdce bude kolem 13 úderů za minutu. Tato cifra, jak vidíme, je překvapivě blízká výpočtovým predikcím allometrických modelů.
Dále vědci vytvořili profily srdeční frekvence, hloubky a relativního objemu plic pro 4 jednotlivé ponory, jejichž analýza umožnila prozkoumat potencionální vliv fyzické aktivity a hloubky na regulaci srdečního rytmu.
Obrázek č. 2: profily srdeční frekvence, hloubky a relativního objemu plic pro 4 jednotlivé ponory.
Během konzumace potravy ve velkých hloubkách velryba provádí specifický manévr, kdy náhle otevírá svou tlamu, aby nasála vodu s planktonem, a poté filtruje potravu. Bylo zaznamenáno, že četnost srdečních tepů během nasávání vody je 2,5krát vyšší než během filtrace. To jasně ukazuje na závislost rytmu srdce na fyzické zátěži.
Co se týče plic, jejich vliv na srdeční rytmus je vysoce nepravděpodobný, protože nebyly pozorovány žádné značné změny relativního objemu plic během zkoumaných ponorů.
V nižších fázích mělkých ponorů bylo krátkodobé zvýšení srdečních tepů spojeno právě se změnami relativního objemu plic a mohlo být způsobeno aktivací receptoru pro plicní roztažení.
Shrnujíc výše uvedené pozorování, vědci dospěli k závěru, že během krmení ve velkých hloubkách dochází k krátkodobému zvýšení srdeční frekvence o 2,5krát. Nicméně průměrná maximální srdeční frekvence během manévrů při krmení stále činila pouze polovinu předpokládané hodnoty v klidu. Tato data podporují hypotézu, že pružné oblouky aorty velkých velryb realizují efekt zásobníku během pomalého srdečního rytmu během ponoru. Kromě toho rozsah vyšších srdečních tepů po ponoru potvrdil hypotézu, že odpor aorty a zátěž srdce klesají během povrchového intervalu v důsledku destruktivního zásahu vycházejících a odrážených tlakových vln v aortě.
Silnou bradykardii, kterou pozorovali vědci, lze považovat za nečekaný výsledek výzkumu, vzhledem k obrovské námaze velryby při manévru nasávání vody s planktonem. Nicméně metabolické náklady tohoto manévru nemusí odpovídat srdeční frekvenci nebo konvekčnímu transportu kyslíku částečně kvůli krátké době krmení a možné aktivaci glykolytických, rychle kontrahujících svalových vláken.
Během výpadu se modří velryby rozjíždějí na vysokou rychlost a nasávají objem vody, který může být větší než jejich vlastní tělo. Vědci se domnívají, že vysoký odpor a energie potřebná k manévrování rychle vyčerpávají celkové zásoby kyslíku v organismu, čímž omezují dobu ponoru. Mechanická síla potřebná k nasávání velkého objemu vody pravděpodobně mnohonásobně převyšuje aerobní metabolickou sílu. Právě proto během takových manévrů frekvence srdečního tepu sice vzrůstá, ale na velmi krátkou dobu.
Pro podrobnější seznámení se s nuancemi výzkumu doporučuji nahlédnout do .
Epilog
Jedním z nejdůležitějších zjištění je, že pro výměnu plynů a reperfuzi během krátkých povrchových intervalů potřebují modří velryby téměř maximální srdeční frekvenci, bez ohledu na charakter vyčerpání zásob kyslíku v krvi a svalech během ponorů. Pokud vezmeme v úvahu, že větší jedinci modrých velryb musí vynaložit více námahy, aby získali potravu za kratší čas (podle alometrických hypotéz), nevyhnutelně čelí několika fyziologickým omezením jak během ponoru, tak během povrchového intervalu. To znamená, že evolučně je velikost jejich těla omezená, protože by-li větší, proces získávání potravy by byl velmi nákladný a nekompenzoval by se získanou potravou. Sami badatelé se domnívají, že srdce modré velryby pracuje na hranici svých možností.
V budoucnu vědci plánují rozšířit možnosti svého zařízení, včetně přidání akcelerometru, aby lépe porozuměli vlivu různých fyzických aktivit na srdeční rytmus. Také plánují aplikovat svůj EKG senzor na jiné mořské obyvatelstvo.
Jak ukázal tento výzkum, být největším tvorem s největším srdcem není tak snadné. Nicméně, ať už mají mořské obyvatelé jakoukoli velikost nebo jakoukoli dietu, musíme chápat, že sloupec vody, který lidé používají k rybolovu, těžbě a přepravě, zůstává jejich domovem. My jsme pouze hosté, a proto se musíme chovat odpovídajícím způsobem.
Páteční off-topic:
Vzácné záběry, na nichž modrá velryba demonstruje kapacitu svého úst.
Dalším obrem moří je vorvaň. V tomto videu vědci pomocí dálkově řízeného ROV Hercules zaznamenali zvědavého vorvana v hloubce 598 metrů.
Děkuji za pozornost, zůstaňte zvědaví a přeji všem skvělé víkendy, kamarádi! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavých materiálů? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením známým, , 30 % sleva pro uživatele Habra na jedinečný analog entry-level serverů, který jsme pro vás vymysleli: (k dispozici varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40GB DDR4).
Dell R730xd za polovinu ceny? Jen u nás v Nizozemsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Čtěte o tom
Zdroj: habr.com
