Det er svært at modsige påstanden om, at naturen besidder den mest fantastiske fantasi. Hver repræsentant for flora og fauna har sine unikke og til tider endda mærkelige træk, som ofte ikke kan forstås af os. Tag for eksempel mantisrejen. Denne rovdyr er i stand til at angribe sit bytte eller en angriber med sine kraftige kløer med en hastighed på 83 km/t, og deres synssystem er et af de mest komplekse, der nogensinde er blevet studeret af mennesker. Mantisrejer, om end de er voldsomt aggressive, er ikke særligt store — de kan blive op til 35 cm lange. Den største indbygger i havene og oceanerne, og generelt på planeten, er blåhvalen. Længden på dette pattedyr kan nå over 30 meter, og vægten er 150 tons. På trods af størrelsen kan blåhvaler ikke kaldes frygtindgydende jægere, da de foretrækker plankton.
Anatomien af blåhvaler har altid interesseret forskere, der ønsker at forstå, hvordan en så stor organisme fungerer og dens organer. På trods af at vi har vidst om eksistensen af blåhvaler i flere hundrede år (siden 1694, for at være præcis), har disse kæmper ikke afsløret alle deres hemmeligheder. I dag skal vi kigge på en undersøgelse, hvor en gruppe forskere fra Stanford Universitet har udviklet en enhed, som har givet os de første optagelser af en blåhvals hjerteslag. Hvordan fungerer hjertet hos havets hersker, hvilke opdagelser har forskerne gjort, og hvorfor kan der ikke eksistere en organisme, der er større end blåhvalen? Dette skal vi finde ud af i forskergruppens rapport. Lad os komme i gang.
Helten i undersøgelsen
Blåhvalen er det største pattedyr, den største indbygger i havene og oceanerne, det største dyr, den største hval. Hvad kan man sige, blåhvalen er virkelig den største - længden er 33 meter, og vægten er 150 tons. Tallene er omtrentlige, men ikke mindre imponerende af den grund.
Selv hovedet på denne kæmpe fortjener en særskilt omtale i Guinness rekordbog, da det udgør omtrent 27% af kroppens samlede længde. Øjnene hos blåhvaler er relativt små, ikke større end en grapefrugt. Hvis det er svært at se hvalens øjne, vil du til gengæld straks bemærke munden. En blåhvals kæbe kan rumme op til 100 mennesker (en skræmmende sammenligning, men blåhvaler spiser ikke mennesker, i hvert fald ikke med vilje). Den store mundstørrelse skyldes deres diæt: hvaler spiser plankton ved at sluge enorme mængder vand, som de derefter tømmer gennem en filtreringsmekanisme, der adskiller maden. Under gunstige forhold kan en blåhval spise omkring 6 tons plankton om dagen.
En anden vigtig egenskab ved blåhvaler er deres lunger. De kan holde vejret i op til 1 time og dykke ned til 100 meters dybde. Men ligesom andre havpattedyr kommer blåhvaler periodisk op til overfladen for at trække vejret. Når de kommer op til overfladen, bruger hvalerne blæsehulen - den åndedrætsåbning, der består af to store huller (næsebor) på baghovedet. Hvalens udånding gennem blæsehulen ledsages ofte af en vertikal sprøjte af vand op til 10 meter høj. I betragtning af hvalernes levesteder fungerer deres lunger betydeligt mere effektivt end vores - hvalens lunger absorberer 80-90% af ilt, mens vi kun optager omkring 15%. Lungevolumen er omkring 3000 liter, mens menneskers volumen ligger omkring 3-6 liter.
Modellen af en blåhvals hjerte i museet i New Bedford (USA).
Blåhvalens kredsløbsystem er også fyldt med rekordstore parametre. For eksempel er deres blodkar simpelthen enorme, med en diameter på blot aorta omkring 40 cm. Hjertet hos blåhvaler betragtes som det største hjerte i verden og vejer omkring et ton. Med et så stort hjerte har en hval også meget blod - over 8000 liter hos en voksen.
Og nu nærmer vi os kernen af selve undersøgelsen. Hjertet hos en blåhval er stort, som vi allerede har forstået, men det slår relativt langsomt. Tidligere blev det antaget, at pulsen ligger omkring 5-10 slag per minut, i sjældne tilfælde op til 20. Men ingen har foretaget præcise målinger, indtil nu.
Forskere fra Stanford Universitetet hævder, at skala har enorm betydning i biologi, især når det gælder om at definere de funktionelle egenskaber ved organer hos levende væsener. Studiet af forskellige organismer, fra mus til hvaler, muliggør en fastlæggelse af de størrelsesgrænser, som en levende organisme ikke kan overskride. Hjertet og det kardiovaskulære system som helhed er vigtige attributter i sådanne undersøgelser.
Hos havpattedyr, hvis fysiologi er fuldt tilpasset deres livsstil, spiller de tilpasninger, der er relateret til dykning og åndedrætsophold, en vigtig rolle. Det er blevet fastslået, at hos mange af disse væsener falder pulsen under dykning til niveauer, der er lavere end hvilen. Når de kommer op til overfladen, stiger hjerterytmen igen.
Den nedsatte hjertefrekvens under dykninger er nødvendig for at reducere hastigheden af iltleveringen til væv og celler, hvilket derved bremser processen med udtømning af iltlagrene i blodet og mindsker iltforbruget fra selve hjertet.
Der eksisterer en hypotese om, at motion (dvs. øget fysisk aktivitet) modificerer dykkereaktionen og øger hjertefrekvensen under dykning. Denne hypotese er især vigtig for studiet af blåhvaler, da på grund af deres særprægede fødemetode (hurtige udspring for at sluge vand) bør stofskiftet i teorien overstige basisværdierne (hvile) med 50 gange. Det antages, at sådanne udspring fremskynder iltets udtømning, hvilket derved mindsker dykkets varighed.
Den øgede hjertefrekvens og den øgede iltoverførsel fra blod til muskler under et udspring kan spille en væsentlig rolle på grund af de metaboliske omkostninger ved sådan fysisk aktivitet. Derudover skal lav koncentration også tages i betragtning, myoglobin* (Mb) hos blåhvaler (5-10 gange lavere end hos andre havpattedyr: 0,8 g Mb pr. 100 g-1 muskel hos blåhvaler og 1,8-10 g Mb hos andre havpattedyr.
Myoglobin* er et iltbinding protein i skeletmuskler og hjertemuskel.
Som en konklusion ændrer fysisk aktivitet, dybden af dykket og viljestyring hjertefrekvensen under dykning gennem det autonome nervesystem.
En yderligere faktor, der kan reducere hjertefrekvensen, kan være kompression/udvidelse af lungerne under dykning/opstigning.
Dermed relaterer hjertefrekvensen under dykning og ophold på overfladen direkte til modeller for arteriel hæmodynamik.
Finval
En tidligere gennemført undersøgelse af de biomekaniske egenskaber og dimensioner af aortavæggene hos finval (Balaenoptera physalus) viste, at under dykninger ved en hjertefrekvens ≤10 slag/min implementerer aorta buer en reservoir effekt (Windkessel effekt), som opretholder blodgennemstrømningen i lange diastoliske perioder* mellem hjerteslagene og reducerer pulsationen af blodstrømmen i den stive distale aorta.
Diastole* (diastolisk periode) – periode med afslapning af hjertet mellem sammentrækninger.
Alle de ovenfor beskrevne hypoteser, teorier og ræsonneringer skal have materielle beviser, dvs. være bekræftet eller afkræftet i praksis. Men for dette skal der udføres elektrisk kardiografi på en frit svømmende blåhval. Enkle metoder vil ikke fungere her, så forskerne har skabt deres eget apparat til elektrisk kardiografi.
Videoen, hvor forskerne kort fortæller om deres arbejde.
EKG for the blue whale was recorded using a custom-built EKG recorder integrated into a special capsule with 4 suction cups. The surface EKG electrodes were embedded in two of the suction cups. The researchers set out by boat to Monterey Bay (Pacific Ocean, near California). When the scientists finally encountered the blue whale that surfaced, they attached the EKG recorder to its body (near the left fin). According to previously collected data, this whale is a 15-year-old male. It is important to note that this device is non-invasive, meaning it does not require the insertion of any sensors or electrodes into the animal's skin. Thus, the procedure is completely painless for the whale, with minimal stress from contact with humans, which is also extremely important considering that heart rate readings might be distorted due to stress. As a result, an 8.5-hour EKG recording was obtained, from which the scientists were able to construct a heart rate profile (image below).
Billede nr. 1: hjertets rytmeprofil for den blå hval.
Formen på EKG-signalet var analog med den, der blev optaget hos mindre hvaler i fangenskab med det samme udstyr. Hvalens adfærd under fødesøgning var fuldstændig normal for dens art: dykkede i 16,5 minutter til en dybde på 184 m og overfladeintervaller på 1 til 4 minutter.
Hjertets rytmeprofil, i overensstemmelse med det kardiovaskulære respons på dykning, viste, at hjertefrekvensen fra 4 til 8 slag pr. minut var dominerende i den nedre fase af dykkene under fødesøgning, uanset dykkets varighed eller maksimale dybde. Hjertefrekvensen under dykning (beregnet over hele dykkets varighed) og den minimale øjeblikkelige hjertefrekvens under dykning faldt med dykkets varighed, mens den maksimale overflade hjertefrekvens efter dykningen steg med dykkets varighed. Det vil sige, jo længere hvalen var under vand, jo langsommere slog hjertet under dykket, og jo hurtigere efter opstigelsen.
Allometriske ligninger for pattedyr antyder, at en hval på 70.000 kg har et hjerte, der vejer 319 kg, og dens slagvolumen (mængden af blod, der skubbes ud pr. slag) er omkring 80 l. Derfor bør hvilepulsen være 15 slag/min.
I de lavere dykningsfaser var den øjeblikkelige hjertefrekvens mellem 1/3 og 1/2 af den forudsigede hvilepulsfrekvens. Hjerterytmen steg dog under opstigende fase. I overfladeintervallerne var hjertefrekvensen næsten dobbelt så høj som den forudsigede hvilepulsfrekvens og varierede hovedsageligt mellem 30 og 37 slag i minuttet efter dybe dyk (> 125 meters dybde) og fra 20 til 30 slag i minuttet efter mere overfladiske dyk.
Denne observation kan indikere, at accelerationen af hjertefrekvenser er nødvendig for at opnå den ønskede gasudveksling og reperfusion (genoprettelse af blodgennemstrømning) i vævet mellem dybe dyk.
Grunt og kortvarige natdyk var forbundet med hvile og er derfor mere karakteristiske for en mindre aktiv tilstand. Typiske hjertefrekvenser, der blev observeret ved et 5-minutters natdyk (8 slag i minuttet) og dets efterfølgende 2-minutters overfladeinterval (25 slag i minuttet), kan i kombination føre til, at hjerterytmen er omkring 13 slag i minuttet. Dette tal er, som vi kan se, bemærkelsesværdigt tæt på de beregnede forudsigelser fra allometriske modeller.
Derefter oprettede forskerne profiler for hjertefrekvens, dybde og relativt lungevolumen for 4 separate dyk, hvis analyse gjorde det muligt at undersøge den potentielle indflydelse af fysisk aktivitet og dybde på reguleringen af hjerterytmen.
Billede nr. 2: profiler for hjertefrekvens, dybde og relativt lungevolumen for 4 separate dyk.
Under fødeindtagelse på store dybder udfører hvalen et bestemt manøver kaldet et fald — den åbner pludselig munden for at sluge vand med plankton, hvorefter den filtrerer maden. Det er blevet bemærket, at hjertefrekvensen i øjeblikket for vandindtagelse er 2,5 gange højere end i filtreringsøjeblikket. Dette viser direkte, at hjerterytmen er afhængig af fysisk belastning.
Når det kommer til lungerne, er deres indflydelse på hjerterytmen yderst usandsynlig, da der ikke er blevet observeret betydelige ændringer i det relative lungervolumen under de pågældende dyk.
I nederste faser af overfladiske dyk var den kortvarige stigning i hjertefrekvensen relateret til ændringer i det relative lungervolumen og kunne være forårsaget af aktivering af lungerne strækningsreceptorer.
Sammenfattende har forskerne konkluderet, at der under fødning på store dybder observeres en kortvarig stigning i hjertefrekvensen på 2,5 gange. Dog var den gennemsnitlige maksimale hjertefrekvens under faldet i forbindelse med madindtagelse stadig kun halvdelen af det forudsete niveau i hvile. Disse data stemmer overens med hypotesen om, at de fleksible aorta-buer hos store hvaler udøver reservoireffekten under den langsomme hjerterytme i dykkefasen. Desuden bekræftede området for højere hjertefrekvenser efter dykket hypotesen om, at aortaens impedans og hjertebelastning falder i overfladeintervallet på grund af destruktiv indgriben fra udgående og reflekterede trykbølger i aorta.
Den svære bradykardi, som forskerne observerede, kan betragtes som et uventet resultat af undersøgelsen, givet den kolossale energiforbrug hvalen har ved manøvren fald, når den indtager vand med plankton. Dog kan de metaboliske omkostninger ved denne manøvre ikke svare til hjertefrekvensen eller konvektiv transport af ilt delvist på grund af den korte varighed af fodring samt mulig aktivering af glykolytiske, hurtig sammentrækkende muskeltråde.
Under vandreturen accelererer blåhvaler til høje hastigheder og absorberer et vandvolumen, der kan være større end deres egen krop. Forskere antyder, at det høje modstand og den energi, der kræves for manøvrering, hurtigt udtømmer de samlede iltlager i kroppen, hvilket begrænser dybdetiden. Den mekaniske kraft, der kræves for at absorbere store mængder vand, overstiger sandsynligvis den aerobe metaboliske styrke. Derfor, under sådanne manøvrer, er selvom hjertefrekvensen øges, kun i meget kort tid.
For mere detaljeret information om nuancerne i undersøgelsen anbefaler jeg at kigge i .
Epilog
En af de vigtigste konklusioner er, at blåhvaler under gaseskift og reperfusion i korte overfladeintervaller kræver næsten maksimal hjertefrekvens, uanset hvordan iltlagrene i blodet og musklerne udtømmes under dyk. Hvis man tager i betragtning, at større individer af blåhvaler for at få føde skal yde mere arbejde på kortere tid (i henhold til allometrisk hypotese), så står de uundgåeligt over for flere fysiologiske begrænsninger både under dykket og i overfladeintervallet. Det betyder, at deres kropsstørrelse er evolutionært begrænset, da hvis de var større, ville fødeoptagelsesprocessen være meget omkostningstung og ikke opveje den indhentede føde. Forskerne mener, at hjertet hos blåhvalen arbejder på grænsen af dens kapacitet.
Fremover planlægger forskerne at udvide funktionaliteten af deres enhed, herunder at tilføje et accelerometer for bedre at forstå påvirkningen af forskellige fysiske aktiviteter på hjerterytmen. De planlægger også at anvende deres EKG-sensor på andre havdyr.
Som denne undersøgelse har vist, er det ikke så let at være det største væsen med det største hjerte. Uanset hvad størrelsen på de marine væsener er, og hvilken kost de følger, skal vi forstå, at den vandmasse, som mennesker bruger til fangst, råstofudvinding og transport, forbliver deres hjem. Vi er kun gæster, og derfor skal vi opføre os derefter.
Fredags off-topic:
Sjældne optagelser, hvor blåhvalen viser kapaciteten af sin mund.
En anden kæmpe i havet er spækhuggeren. I denne video har forskere filmet en nysgerrig spækhugger med den fjernstyrede ROV Hercules på en dybde af 598 meter.
Tak for opmærksomheden, forbliv nysgerrige, og hav en fantastisk weekend, folkens! 🙂
Tak fordi du bliver hos os. Kan du lide vores artikler? Ønsker du at se flere interessante materialer? Støt os ved at bestille eller anbefale os til dine bekendte, , 30% rabat til brugere af Habr på en unik entry-level server, som vi har opfundet til dig: (tilgængelige muligheder med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd er 2 gange billigere? Kun hos os i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra 99 $! Læs om hvordan
Kilde: habr.com
