Det er svært at argumentere med udsagnet om, at naturen har den mest levende fantasi. Hver af repræsentanterne for flora og fauna har sine egne unikke, og nogle gange endda mærkelige, træk, der ofte ikke kan passe ind i vores hoveder. Tag for eksempel den samme mantis-krabbe. Dette rovdyr er i stand til at angribe et offer eller en gerningsmand med sine kraftige kløer med en hastighed på 83 km/t, og deres visuelle system er et af de mest komplekse, der nogensinde er studeret af mennesker. Mantis-krebs, selvom de er voldsomme, er ikke særlig store - op til 35 cm lange. Den største indbygger i havene og oceanerne, såvel som planeten generelt, er blåhvalen. Længden af dette pattedyr kan nå mere end 30 meter og veje 150 tons. På trods af deres imponerende størrelse kan blåhvaler næppe kaldes formidable jægere, fordi... de foretrækker plankton.
Blåhvalers anatomi har altid været interessant for forskere, der ønsker at forstå bedre, hvordan sådan en enorm organisme og organerne i den fungerer. På trods af det faktum, at vi har kendt til eksistensen af blåhvaler i flere hundrede år (siden 1694, for at være mere præcis), har disse giganter ikke afsløret alle deres hemmeligheder. I dag vil vi tage et kig på en undersøgelse, hvor en gruppe forskere fra Stanford University udviklede en enhed, der blev brugt til at opnå de første optagelser af en blåhvals hjerteslag. Hvordan fungerer hjertet af havenes hersker, hvilke opdagelser har videnskabsmænd gjort, og hvorfor kan der ikke eksistere en organisme større end en blåhval? Det lærer vi om fra forskningsgruppens rapport. Gå.
Research Hero
Blåhvalen er det største pattedyr, den største indbygger i havene og oceanerne, det største dyr, den største hval. Hvad kan jeg sige, blåhvalen er virkelig den allerbedste målt i dimensioner - længden er 33 meter og vægten er 150 tons. Tallene er omtrentlige, men ikke mindre imponerende.
Selv hovedet af denne gigant fortjener en separat linje i Guinness Book of Records, da den optager omkring 27% af den samlede kropslængde. Desuden er blåhvalers øjne ret små, ikke større end en grapefrugt. Hvis det er svært for dig at se øjnene på en hval, så vil du straks lægge mærke til munden. En blåhvals mund kan rumme op til 100 mennesker (et uhyggeligt eksempel, men blåhvaler spiser ikke mennesker, i hvert fald ikke med vilje). Den store størrelse af munden skyldes gastronomiske præferencer: hvaler spiser plankton, sluger enorme mængder vand, som derefter frigives gennem et filterapparat og filtrerer maden fra. Under ret gunstige omstændigheder forbruger blåhvalen omkring 6 tons plankton om dagen.
Et andet vigtigt træk ved blåhvaler er deres lunger. De er i stand til at holde vejret i 1 time og dykke til dybder på op til 100 m. Men ligesom andre havpattedyr dukker blåhvaler med jævne mellemrum op til vandoverfladen for at trække vejret. Når hvaler stiger op til vandoverfladen, bruger de et blæsehul, et åndehul lavet af to store åbninger (næsebor) på baghovedet. Udåndingen af en hval gennem dens blæsehul ledsages ofte af en lodret fontæne af op til 10 m høj vand. I betragtning af hvalernes habitats karakteristika arbejder deres lunger meget mere effektivt end vores - en hvals lunger absorberer 80-90 % af ilt, og vores kun omkring 15%. Lungernes volumen er omkring 3 tusinde liter, men hos mennesker varierer dette tal omkring 3-6 liter.
Model af en blåhvals hjerte i et museum i New Bedford (USA).
Blåhvalens kredsløb er også fyldt med rekordparametre. For eksempel er deres kar simpelthen enorme, alene diameteren af aorta er omkring 40 cm. Hjertet af blåhvaler betragtes som det største hjerte i verden og vejer omkring et ton. Med så stort et hjerte har hvalen meget blod - mere end 8000 liter i en voksen.
Og nu kommer vi glat til essensen af selve undersøgelsen. Blåhvalens hjerte er stort, som vi allerede forstod, men det banker ret langsomt. Tidligere troede man, at pulsen var omkring 5-10 slag i minuttet, i sjældne tilfælde op til 20. Men ingen havde foretaget nøjagtige målinger før nu.
Forskere fra Stanford University siger, at skala er af stor betydning i biologien, især når det kommer til at bestemme de funktionelle træk ved levende tings organer. Studiet af forskellige skabninger, fra mus til hvaler, giver os mulighed for at bestemme størrelsesgrænserne, som en levende organisme ikke kan overskride. Og hjertet og det kardiovaskulære system generelt er vigtige egenskaber ved sådanne undersøgelser.
Hos havpattedyr, hvis fysiologi er fuldstændig tilpasset deres livsstil, spiller tilpasninger forbundet med dykning og at holde vejret en vigtig rolle. Det har vist sig, at mange af disse væsner har hjertefrekvenser, der falder til niveauer under deres hviletilstand under et dyk. Og når den er steget til overfladen, bliver pulsen hurtigere.
En lavere puls under dykning er nødvendig for at reducere hastigheden af ilttilførsel til væv og celler, og derved sænke processen med udtømning af iltreserver i blodet og reducere iltforbruget i hjertet selv.
Det er en hypotese, at træning (dvs. øget fysisk aktivitet) modulerer dykkerresponsen og øger pulsen under et dyk. Denne hypotese er især vigtig for undersøgelsen af blåhvaler, da på grund af den særlige fodringsmetode (et pludseligt udfald for at sluge vand), bør stofskiftehastigheden i teorien overstige de grundlæggende værdier(hviletilstand) med 50 gange. Det antages, at sådanne udfald fremskynder iltsvind, og derfor reducerer dykkets varighed.
Den øgede hjertefrekvens og øgede overførsel af ilt fra blodet til musklerne under et udfald kan spille en vigtig rolle på grund af de metaboliske omkostninger ved sådan fysisk aktivitet. Derudover er det værd at overveje den lave koncentration 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* - oxygenbindende protein i skeletmuskler og hjertemuskler.
Som konklusion ændrer fysisk aktivitet, dykkerdybde og viljekontrol hjertefrekvensen under dykning gennem det autonome nervesystem.
En yderligere faktor til at reducere hjertefrekvensen kan være kompression/udvidelse af lungerne under et dyk/opstigning.
Pulsen under et dyk og på overfladen er således direkte relateret til arterielle hæmodynamiske mønstre.
Finhval
En tidligere undersøgelse af de biomekaniske egenskaber og dimensioner af aortavæggene hos finhvaler (Balaenoptera physalus) viste, at under dykning med en puls ≤10 slag/min, implementerer aortabuen en reservoireffekt (Windkessel effekt), som opretholder blodgennemstrømningen i lange perioder diastoliske perioder* mellem hjerteslag og reducerer pulsering af blodgennemstrømningen ind i den stive distale aorta.
Diastole* (diastolisk periode) - perioden med afslapning af hjertet mellem sammentrækninger.
Alle de ovenfor beskrevne hypoteser, teorier og konklusioner skal have materielle beviser, det vil sige bekræftes eller afkræftes i praksis. Men for at gøre dette skal du udføre et elektrokardiogram på en frit bevægende blåhval. Simple metoder vil ikke fungere her, så videnskabsmænd har skabt deres egen enhed til elektrokardiografi.
En video, hvor forskerne kort fortæller om deres arbejde.
Hvalens EKG blev optaget ved hjælp af en specialfremstillet EKG-optager indbygget i en speciel kapsel med 4 sugekopper. Overflade-EKG-elektroder blev indbygget i to af sugekopperne. Forskerne tog en båd til Monterey Bay (Pacific Ocean, nær Californien). Da forskerne endelig mødte en blåhval, der var dukket op, satte de en EKG-optager til dens krop (ved siden af dens venstre finne). Ifølge tidligere indsamlede data er denne hval en han i en alder af 15 år. Det er vigtigt at bemærke, at denne enhed er ikke-invasiv, det vil sige, at den ikke kræver indføring af sensorer eller elektroder i dyrets hud. Det vil sige, at for hvalen er denne procedure fuldstændig smertefri og med minimal stress fra kontakt med mennesker, hvilket også er ekstremt vigtigt, da der tages hjerteslagsaflæsninger, som kan blive forvrænget på grund af stress. Resultatet var en 8.5-timers EKG-optagelse, hvorfra forskerne var i stand til at opbygge en pulsprofil (billede nedenfor).
Billede #1: Blåhvals pulsprofil.
EKG-bølgeformen svarede til den, der blev registreret hos små hvaler i fangenskab ved brug af den samme enhed. Hvalens fødesøgningsadfærd var ganske normal for dens art: dykning i 16.5 minutter til en dybde på 184 m og overfladeintervaller på 1 til 4 minutter.
Pulsprofilen, i overensstemmelse med den kardiovaskulære respons på dykket, viste, at hjertefrekvenser mellem 4 og 8 slag i minuttet dominerede under den nedre fase af fouragerende dyk, uanset dykkerets varighed eller maksimale dybde. Dykkepuls (beregnet over hele dykkets varighed) og minimum øjeblikkelig dykkepuls faldt med dykkets varighed, hvorimod maksimal overfladepuls efter dyk steg med dykkets varighed. Det vil sige, at jo længere hvalen var under vand, jo langsommere slog hjertet under dykket og jo hurtigere efter opstigningen.
Til gengæld angiver allometriske ligninger for pattedyr, at en hval, der vejer 70000 kg, har et hjerte, der vejer 319 kg, og dens slagvolumen (volumen af blod, der udstødes pr. slag) er omkring 80 l, derfor bør hvilepulsen være 15 slag/ min.
Under de nedre faser af dykkene var den øjeblikkelige puls mellem 1/3 og 1/2 af den forudsagte hvilepuls. Pulsen steg dog under opstigningsstadiet. Ved overfladeintervaller var hjertefrekvenserne cirka det dobbelte af den forudsagte hvilepuls og varierede overvejende fra 30 til 37 bpm efter dybe dyk (>125 m dybde) og fra 20 til 30 bpm efter lavvandede dyk.
Denne observation kan indikere, at acceleration af hjertefrekvensen er nødvendig for at opnå den ønskede respiratoriske gasudveksling og reperfusion (genoprettelse af blodgennemstrømning) af væv mellem dybe dyk.
Lavvandede, kortvarige nattedyk var forbundet med hvile og var derfor mere almindelige i mindre aktive tilstande. Typiske hjertefrekvenser observeret under et 5-minutters natdyk (8 slag i minuttet) og det medfølgende 2-minutters overfladeinterval (25 slag i minuttet) kan kombineres til at resultere i en puls på omkring 13 slag i minuttet. Dette tal, som vi kan se, er bemærkelsesværdigt tæt på de anslåede forudsigelser af allometriske modeller.
Forskerne profilerede derefter hjertefrekvens, dybde og relativ lungevolumen fra 4 separate dyk for at undersøge de potentielle effekter af fysisk aktivitet og dybde på hjertefrekvensregulering.
Billede #2: Hjertefrekvens, dybde og relativ lungevolumenprofiler for 4 individuelle dyk.
Når hvalen spiser mad på store dybder, udfører hvalen en vis udfaldsmanøvre - den åbner skarpt munden for at sluge vand med plankton og filtrerer derefter maden fra. Det blev observeret, at hjertefrekvensen på tidspunktet for indtagelse af vand er 2.5 gange højere end på tidspunktet for filtrering. Dette taler direkte om pulsens afhængighed af fysisk aktivitet.
Hvad angår lungerne, er deres effekt på hjertefrekvensen yderst usandsynlig, da der ikke blev observeret væsentlige ændringer i det relative lungevolumen under de pågældende dyk.
Desuden var en kortvarig stigning i hjertefrekvensen i de lavere faser af lavvandede dyk netop forbundet med ændringer i det relative volumen af lungerne og kunne være forårsaget af aktivering af lungestrækreceptoren.
Ved at opsummere de ovenfor beskrevne observationer kom forskerne til den konklusion, at der under fodring i store dybder er en kortvarig stigning i hjertefrekvensen med 2.5 gange. Den gennemsnitlige maksimale puls under fodringsudfald var dog stadig kun halvdelen af den forudsagte hvileværdi. Disse data er i overensstemmelse med hypotesen om, at de fleksible aortabuer hos store hvaler udøver en reservoireffekt under dykningens langsomme puls. Derudover understøttede rækken af højere hjertefrekvenser i perioden efter dyk hypotesen om, at aortaimpedans og hjertearbejdsbelastning er reduceret under overfladeintervallet på grund af destruktiv interferens af udgående og reflekterede trykbølger i aorta.
Den alvorlige bradykardi, som forskerne har observeret, kan kaldes et uventet resultat af undersøgelsen i betragtning af hvalens kolossale energiforbrug på udfaldsmanøvren, mens den sluger vand med plankton. Imidlertid kan de metaboliske omkostninger ved denne manøvre muligvis ikke modsvares af hjertefrekvens eller konvektiv ilttransport, delvist på grund af den korte varighed af fodring og den mulige rekruttering af glykolytiske, hurtige muskelfibre.
Under et udfald accelererer blåhvaler til høje hastigheder og absorberer en mængde vand, der kan være større end deres egen krop. Forskere antager, at den høje modstand og energi, der kræves til manøvre, hurtigt opbruger kroppens samlede iltreserver og derved begrænser dykketiden. Den mekaniske kraft, der kræves for at absorbere store mængder vand, vil sandsynligvis langt overstige den aerobe metaboliske kraft. Derfor steg pulsen under sådanne manøvrer, men i meget kort tid.
For et mere detaljeret bekendtskab med nuancerne i undersøgelsen, anbefaler jeg at se på .
Epilog
Et af de vigtigste fund er, at blåhvaler kræver næsten maksimal hjertefrekvens for gasudveksling og reperfusion under korte overfladeintervaller, uanset arten af blod- og muskeliltsvind under dyk. Hvis vi tænker på, at større blåhvaler skal investere mere arbejdskraft over en kortere periode for at få føde (i overensstemmelse med allometriske hypoteser), så står de uundgåeligt over for flere fysiologiske begrænsninger både under dykket og under overfladeintervallet. Dette betyder, at evolutionært set er størrelsen af deres krop begrænset, da hvis den var større, ville processen med at få mad være meget dyr og ikke ville blive kompenseret af den modtagne mad. Forskerne mener selv, at blåhvalens hjerte arbejder på grænsen af dets evner.
I fremtiden planlægger forskere at udvide deres enheds muligheder, herunder tilføjelse af et accelerometer for bedre at forstå effekten af forskellige fysiske aktiviteter på hjertefrekvensen. De planlægger også at bruge deres EKG-sensor på andet havliv.
Som denne undersøgelse viser, er det ikke let at være den største skabning med det største hjerte. Men uanset størrelsen af de marine indbyggere, uanset hvilken kost de overholder, er vi nødt til at forstå, at vandsøjlen, som bruges af mennesker til fiskeri, udvinding og transport, forbliver deres hjem. Vi er kun gæster, og derfor skal vi opføre os derefter.
Fredag off-top:
Sjældne optagelser af en blåhval, der demonstrerer dens munds kapacitet.
En anden kæmpe af havene er kaskelothvalen. I denne video filmede forskere ved hjælp af en fjernstyret ROV Hercules en nysgerrig kaskelothval i en dybde på 598 meter.
Tak fordi du så med, bliv nysgerrig og hav en god weekend alle sammen! 🙂
Tak fordi du blev hos os. Kan du lide vores artikler? Vil du se mere interessant indhold? Støt os ved at afgive en ordre eller anbefale til venner, , 30% rabat til Habr-brugere på en unik analog af entry-level servere, som er opfundet af os til dig: (tilgængelig med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gange billigere? Kun her i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Læse om
Kilde: www.habr.com