Je těžké polemizovat s tvrzením, že příroda má nejživější představivost. Každý ze zástupců flóry a fauny má své jedinečné a někdy až podivné rysy, které se nám často nevejdou do hlavy. Vezměte si například stejného kraba kudlanky. Tento dravý tvor je schopen zaútočit na oběť nebo pachatele svými mocnými drápy rychlostí 83 km/h a jejich zrakový systém je jedním z nejsložitějších, jaké kdy lidé studovali. Raci mantis, i když divocí, nejsou nijak zvlášť velcí - až 35 cm na délku. Největším obyvatelem moří a oceánů, ale i planety obecně, je modrá velryba. Délka tohoto savce může dosáhnout více než 30 metrů a hmotnost 150 tun. Přes jejich působivou velikost lze modré velryby stěží nazvat impozantními lovci, protože... preferují plankton.
Anatomie modrých velryb vždy zajímala vědce, kteří chtějí lépe pochopit, jak funguje tak obrovský organismus a orgány v něm. Navzdory tomu, že o existenci modrých velryb víme již několik set let (přesněji od roku 1694), tito obři neodhalili všechna svá tajemství. Dnes se podíváme na studii, ve které skupina vědců ze Stanfordské univerzity vyvinula zařízení, které sloužilo k získání prvních nahrávek srdečního tepu modré velryby. Jak funguje srdce vládce moří, jaké objevy vědci učinili a proč nemůže existovat organismus větší než modrá velryba? O tom se dozvídáme ze zprávy výzkumné skupiny. Jít.
Výzkumný hrdina
Modrá velryba je největší savec, největší obyvatel moří a oceánů, největší zvíře, největší velryba. Co dodat, modrá velryba je na tom rozměrově opravdu úplně nejlépe - délka je 33 metrů a hmotnost 150 tun. Čísla jsou přibližná, ale neméně působivá.
Dokonce i hlava tohoto obra si zaslouží samostatný řádek v Guinessově knize rekordů, protože zabírá asi 27% celkové délky těla. Oči modrých velryb jsou navíc docela malé, ne větší než grapefruit. Pokud je pro vás obtížné vidět oči velryby, okamžitě si všimnete tlamy. Do tlamy modré velryby se vejde až 100 lidí (děsivý příklad, ale modré velryby nejedí lidi, alespoň ne úmyslně). Velká velikost tlamy je způsobena gastronomickými preferencemi: velryby jedí plankton, polykají obrovské objemy vody, která se pak uvolňuje přes filtrační zařízení a filtruje potravu. Za poměrně příznivých okolností spotřebuje modrá velryba asi 6 tun planktonu denně.
Další důležitou vlastností modrých velryb jsou jejich plíce. Jsou schopni zadržet dech po dobu 1 hodiny a ponořit se do hloubek až 100 m. Ale stejně jako ostatní mořští savci se modré velryby pravidelně vynořují na hladinu vody, aby se nadechly. Když se velryby vynoří na hladinu vody, použijí nafukovací otvor, dýchací otvor tvořený dvěma velkými otvory (nozdry) na zadní straně hlavy. Výdech velryby jejím výdechem je často doprovázen vertikální fontánou vody o výšce až 10 m. Vzhledem k vlastnostem prostředí velryb pracují jejich plíce mnohem efektivněji než naše – plíce velryby absorbují 80–90 % kyslíku a u nás jen asi 15 %. Objem plic je asi 3 tisíce litrů, ale u lidí se tento údaj pohybuje kolem 3-6 litrů.
Model srdce modré velryby v muzeu v New Bedford (USA).
Oběhový systém modré velryby je také plný rekordních parametrů. Například jejich cévy jsou prostě obrovské, průměr samotné aorty je asi 40 cm Srdce modrých velryb je považováno za největší srdce na světě a váží asi tunu. S tak velkým srdcem má velryba hodně krve - více než 8000 XNUMX litrů u dospělého.
A nyní se plynule dostáváme k podstatě samotného studia. Srdce modré velryby je velké, jak jsme již pochopili, ale bije docela pomalu. Dříve se věřilo, že puls je asi 5-10 tepů za minutu, ve vzácných případech až 20. Přesná měření ale dosud nikdo neprovedl.
Vědci ze Stanfordské univerzity tvrdí, že měřítko má v biologii velký význam, zejména pokud jde o určování funkčních vlastností orgánů živých tvorů. Studium různých tvorů, od myší po velryby, nám umožňuje určit limity velikosti, které živý organismus nemůže překročit. A srdce a kardiovaskulární systém obecně jsou důležitými atributy takových studií.
U mořských savců, jejichž fyziologie je zcela přizpůsobena jejich životnímu stylu, hrají důležitou roli adaptace spojené s potápěním a zadržováním dechu. Bylo zjištěno, že mnoho z těchto tvorů má srdeční frekvenci, která během ponoru klesá na úroveň pod jejich klidovým stavem. A když vystoupí na povrch, srdeční frekvence se zrychlí.
Nižší tepová frekvence při potápění je nezbytná pro snížení rychlosti dodávání kyslíku do tkání a buněk, a tím zpomalení procesu vyčerpání zásob kyslíku v krvi a snížení spotřeby kyslíku samotným srdcem.
Předpokládá se, že cvičení (tj. zvýšená fyzická aktivita) moduluje reakci na ponor a zvyšuje srdeční frekvenci během ponoru. Tato hypotéza je zvláště důležitá pro studium modrých velryb, protože díky speciální metodě krmení (náhlý výpad ke spolknutí vody) by rychlost metabolismu teoreticky měla překročit základní hodnoty (klidový stav) o 50krát. Předpokládá se, že takové výpady urychlují vyčerpání kyslíku, čímž se zkracuje doba ponoru.
Zvýšená srdeční frekvence a zvýšený přenos kyslíku z krve do svalů během výpadu mohou hrát důležitou roli v důsledku metabolických nákladů na takovou fyzickou aktivitu. Navíc stojí za zvážení nízká koncentrace myoglobin* (Mb) u modrých velryb (5-10krát nižší než u jiných mořských savců: 0.8 g Mb na 100 g-1 svalu u modrých velryb a 1.8-10 g Mb u ostatních mořských savců.
myoglobin* - bílkovina vázající kyslík kosterních svalů a srdečních svalů.
Závěrem lze říci, že fyzická aktivita, hloubka ponoru a vůlí mění srdeční frekvenci během potápění prostřednictvím autonomního nervového systému.
Dalším faktorem snížení srdeční frekvence může být komprese/expanze plic během ponoru/výstupu.
Srdeční frekvence během ponoru a pobytu na povrchu tedy přímo souvisí s arteriálními hemodynamickými vzory.
Finwal
Předchozí studie biomechanických vlastností a rozměrů stěn aorty u velryb (Balaenoptera physalus) ukázaly, že během potápění se srdeční frekvencí ≤ 10 tepů/min dochází v oblouku aorty k efektu rezervoáru (Windkesselův efekt), který udržuje průtok krve po dlouhou dobu diastolické období* mezi údery srdce a snižuje pulsaci průtoku krve do ztuhlé distální aorty.
Diastola* (diastolické období) - období relaxace srdce mezi kontrakcemi.
Všechny výše popsané hypotézy, teorie a závěry musí mít věcné důkazy, to znamená být potvrzeny nebo vyvráceny v praxi. Ale k tomu je třeba provést elektrokardiogram na volně se pohybující modré velrybě. Jednoduché metody zde nebudou fungovat, proto vědci vytvořili vlastní přístroj pro elektrokardiografii.
Video, ve kterém vědci krátce hovoří o své práci.
EKG velryby bylo zaznamenáno pomocí na zakázku vyrobeného EKG záznamníku zabudovaného ve speciální kapsli se 4 přísavkami. Do dvou přísavek byly zabudovány povrchové elektrody EKG. Vědci odjeli lodí do Monterey Bay (Tichý oceán poblíž Kalifornie). Když se vědci konečně setkali s modrou velrybou, která se vynořila, připevnili na její tělo (vedle levé ploutve) EKG záznamník. Podle dříve shromážděných údajů je tato velryba samec ve věku 15 let. Je důležité si uvědomit, že toto zařízení je neinvazivní, to znamená, že nevyžaduje zavádění žádných senzorů nebo elektrod do kůže zvířete. To znamená, že pro velrybu je tento postup zcela bezbolestný a s minimálním stresem z kontaktu s lidmi, což je také nesmírně důležité vzhledem k tomu, že se odečítají hodnoty srdečního tepu, které by mohly být vlivem stresu zkresleny. Výsledkem byl 8.5hodinový záznam EKG, ze kterého byli vědci schopni sestavit profil srdeční frekvence (obrázek níže).
Obrázek č. 1: Profil tepové frekvence modré velryby.
Křivka EKG byla podobná křivce zaznamenané u malých velryb v zajetí pomocí stejného zařízení. Chování velryby při hledání potravy bylo pro její druh zcela normální: potápění po dobu 16.5 minuty do hloubky 184 m a povrchové intervaly 1 až 4 minuty.
Profil srdeční frekvence, konzistentní s kardiovaskulární odpovědí na ponor, ukázal, že srdeční frekvence mezi 4 a 8 údery za minutu převládala během spodní fáze ponorů s hledáním potravy, bez ohledu na délku ponoru nebo maximální hloubku. Tepová frekvence ponoru (vypočítaná za celou dobu trvání ponoru) a minimální okamžitá tepová frekvence ponoru klesaly s délkou ponoru, zatímco maximální tepová frekvence po ponoru se s dobou trvání ponoru zvyšovala. To znamená, že čím déle byla velryba pod vodou, tím pomaleji tlouklo srdce během ponoru a tím rychleji po výstupu.
Alometrické rovnice pro savce zase uvádějí, že velryba vážící 70000 319 kg má srdce vážící 80 kg a její zdvihový objem (objem krve vyvržené na tep) je asi 15 l, proto by klidová tepová frekvence měla být XNUMX tepů/ min.
Během spodních fází ponorů byla okamžitá srdeční frekvence mezi 1/3 a 1/2 předpokládané klidové srdeční frekvence. Během fáze výstupu se však srdeční frekvence zvýšila. V povrchových intervalech byla srdeční frekvence přibližně dvojnásobkem předpokládané klidové srdeční frekvence a pohybovala se převážně od 30 do 37 tepů za minutu po hlubokých ponorech (hloubka > 125 m) a od 20 do 30 tepů za minutu po mělčích ponorech.
Toto pozorování může naznačovat, že zrychlení srdeční frekvence je nezbytné k dosažení požadované výměny dýchacích plynů a reperfuze (obnovení průtoku krve) tkání mezi hlubokými ponory.
Mělké, krátkodobé noční ponory byly spojeny s odpočinkem, a proto byly častější v méně aktivních stavech. Typické srdeční frekvence pozorované během 5minutového nočního ponoru (8 tepů za minutu) a doprovodný 2minutový povrchový interval (25 tepů za minutu) se mohou kombinovat a výsledkem je srdeční frekvence přibližně 13 tepů za minutu. Tento údaj, jak vidíme, je pozoruhodně blízký odhadovaným předpovědím alometrických modelů.
Vědci poté profilovali srdeční frekvenci, hloubku a relativní objem plic ze 4 samostatných ponorů, aby prozkoumali potenciální účinky fyzické aktivity a hloubky na regulaci srdeční frekvence.
Obrázek č. 2: Profily srdeční frekvence, hloubky a relativního objemu plic ze 4 jednotlivých ponorů.
Při pojídání potravy ve velkých hloubkách provádí velryba určitý výpadový manévr – prudce otevře tlamu, aby spolkla vodu s planktonem, a poté potravu odfiltruje. Bylo pozorováno, že srdeční frekvence v okamžiku polykání vody je 2.5krát vyšší než v okamžiku filtrace. To přímo vypovídá o závislosti tepové frekvence na fyzické aktivitě.
Pokud jde o plíce, jejich vliv na srdeční frekvenci je krajně nepravděpodobný, protože během dotyčných ponorů nebyly pozorovány žádné významné změny relativního objemu plic.
Navíc v nižších fázích mělkých ponorů bylo krátkodobé zvýšení srdeční frekvence spojeno právě se změnami relativního objemu plic a mohlo být způsobeno aktivací plicního stretch receptoru.
Shrnutím výše popsaných pozorování vědci dospěli k závěru, že během krmení ve velkých hloubkách dochází ke krátkodobému 2.5násobnému zvýšení srdeční frekvence. Průměrná maximální tepová frekvence během výpadů při krmení však byla stále jen poloviční oproti předpokládané klidové hodnotě. Tato data jsou v souladu s hypotézou, že flexibilní aortální oblouky velkých velryb vyvíjejí rezervoárový efekt během pomalé srdeční frekvence potápění. Kromě toho rozsah vyšších srdečních frekvencí během období po ponoru podpořil hypotézu, že impedance aorty a srdeční zátěž jsou během povrchového intervalu sníženy v důsledku destruktivní interference odcházejících a odražených tlakových vln v aortě.
Těžkou bradykardii pozorovanou vědci lze nazvat neočekávaným výsledkem studie, vzhledem k obrovskému výdeji energie velrybou při výpadovém manévru při polykání vody s planktonem. Metabolické náklady tohoto manévru však nemusí odpovídat srdeční frekvenci nebo konvekčnímu transportu kyslíku, částečně kvůli krátkému trvání krmení a možnému náboru glykolytických rychlých svalových vláken.
Během výpadu se modré velryby zrychlují na vysokou rychlost a absorbují objem vody, který může být větší než jejich vlastní tělo. Vědci předpokládají, že vysoký odpor a energie potřebná k manévru rychle vyčerpávají celkové zásoby kyslíku v těle, a tím omezují dobu ponoru. Mechanická síla potřebná k absorpci velkých objemů vody pravděpodobně daleko převyšuje aerobní metabolickou sílu. Proto se při takových manévrech zrychlila tepová frekvence, ale na velmi krátkou dobu.
Pro podrobnější seznámení s nuancemi studie doporučuji nahlédnout .
Epilog
Jedním z nejdůležitějších zjištění je, že modré velryby vyžadují téměř maximální srdeční frekvenci pro výměnu plynů a reperfuzi během krátkých povrchových intervalů, bez ohledu na povahu vyčerpání krve a svalového kyslíku během ponorů. Pokud uvážíme, že větší modré velryby musí investovat více práce za kratší dobu, aby získaly potravu (v souladu s alometrickými hypotézami), pak nevyhnutelně čelí několika fyziologickým omezením jak během ponoru, tak během intervalu na hladině. To znamená, že evolučně je velikost jejich těla omezená, protože pokud by bylo větší, proces získávání potravy by byl velmi nákladný a nebyl by kompenzován přijatou potravou. Sami vědci věří, 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 frekvenci. Svůj snímač EKG plánují použít i na další mořský život.
Jak ukazuje tato studie, být největším tvorem s největším srdcem není snadné. Bez ohledu na velikost mořských obyvatel, bez ohledu na to, jakou stravu dodržují, musíme pochopit, že vodní sloupec, který lidé používají k rybolovu, těžbě a přepravě, zůstává jejich domovem. Jsme pouze hosté, a proto se podle toho musíme chovat.
Pátek off-top:
Vzácné záběry modré velryby demonstrující kapacitu její tlamy.
Dalším obrem moří je vorvaň. V tomto videu vědci pomocí dálkově ovládaného ROV Hercules natočili zvědavého vorvaně v hloubce 598 metrů.
Děkujeme za sledování, zůstaňte zvědaví a přeji všem krásný víkend! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavého obsahu? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením přátelům, , 30% sleva pro uživatele Habr na unikátní obdobu entry-level serverů, kterou jsme pro vás vymysleli: (k dispozici s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x levnější? Pouze zde V Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Číst o
Zdroj: www.habr.com