Es ist schwer, der Behauptung zu widersprechen, dass die Natur die lebhafteste Vorstellungskraft hat. Jeder Vertreter der Flora und Fauna besitzt seine eigenen einzigartigen und manchmal sogar seltsamen Eigenschaften, die oft schwer zu fassen sind. Nehmen wir zum Beispiel den Mantarochen. Dieses Raubtier kann seine Beute oder Angreifer mit seinen mächtigen Scheren mit einer Geschwindigkeit von 83 km/h angreifen, und sein Sehsystem gehört zu den komplexesten, die je vom Menschen erforscht wurden. Obwohl Mantarochen wild sind, sind sie nicht besonders groß – sie erreichen nur bis zu 35 cm Länge. Der größte Bewohner der Meere und Ozeane, ebenso wie des Planeten, ist der Blauwal. Die Länge dieses Säugetiers kann über 30 Meter betragen, und sein Gewicht beträgt 150 Tonnen. Trotz ihrer beeindruckenden Maße kann man Blauwale nicht als furchterregende Jäger bezeichnen, da sie Plankton bevorzugen.
Die Anatomie der Blauwale hat Wissenschaftler schon immer fasziniert, die ein besseres Verständnis dafür entwickeln möchten, wie ein so riesiger Organismus und seine Organe funktionieren. Obwohl wir seit mehreren Hundert Jahren (genauer gesagt seit 1694) von der Existenz der Blauwale wissen, haben diese Giganten noch längst nicht all ihre Geheimnisse gelüftet. Heute erfahren wir von einer Studie, in der ein Team von Wissenschaftlern der Stanford University ein Gerät entwickelt hat, mit dem die ersten Aufzeichnungen des Herzschlags eines Blauwals gemacht wurden. Wie funktioniert das Herz des Königs der Meere, welche Entdeckungen haben die Wissenschaftler gemacht und warum kann es keinen Organismus geben, der größer ist als der Blauwal? All das erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Los geht's.
Held der Forschung
Der Blauwal ist das größte Säugetier, der größte Bewohner der Meere und Ozeane, das größte Tier und der größte Wal. Was soll man sagen, der Blauwal ist wirklich der Größte, wenn es um Dimensionen geht – eine Länge von 33 Metern und ein Gewicht von 150 Tonnen. Diese Zahlen sind ungefähr, aber nicht weniger beeindruckend.
Sogar der Kopf dieses Giganten verdient einen eigenen Eintrag im Guinness-Buch der Rekorde, da er etwa 27% der Gesamtlänge des Körpers ausmacht. Die Augen der Blauwale sind relativ klein und nicht größer als eine Grapefruit. Wenn es Ihnen schwerfällt, die Augen eines Wals zu erkennen, werden Sie den Mund sofort bemerken. Das Maul eines Blauwals kann bis zu 100 Personen aufnehmen (ein gruseliger Vergleich, aber Blauwale essen keine Menschen, zumindest nicht absichtlich). Die große Größe des Mauls ist auf die gastronomischen Vorlieben zurückzuführen: Wale ernähren sich von Plankton, indem sie große Mengen Wasser schlucken und dieses dann durch ihre Filtrierorgane wieder ausstoßen, während sie das Futter herausfiltern. Unter günstigen Bedingungen kann ein Blauwale täglich etwa 6 Tonnen Plankton aufnehmen.
Eine weitere wichtige Eigenschaft der Blauwale sind ihre Lungen. Sie können bis zu 1 Stunde den Atem anhalten und bis zu 100 Meter tief tauchen. Wie andere Meeressäugetiere tauchen Blauwale jedoch regelmäßig an die Wasseroberfläche, um zu atmen. Wenn sie an die Oberfläche kommen, nutzen die Wale ein Blasloch – ein Atemloch, das aus zwei großen Öffnungen (Nüstern) am Hinterkopf besteht. Der Ausstoß des Wals durch das Blasloch geht oft mit einem vertikalen Wasserstrahl von bis zu 10 Metern Höhe einher. Angesichts ihrer Lebensräume arbeiten die Lungen der Wale deutlich effizienter als unsere – die Lungen eines Wals absorbieren 80-90% des Sauerstoffs, während unsere nur etwa 15% aufnehmen. Das Lungenvolumen beträgt etwa 3.000 Liter, wohingegen dieser Wert beim Menschen zwischen 3 und 6 Litern variiert.
Modell des Herzens eines Blauwals im Museum in New Bedford (USA).
Das Gefäßsystem des Blauwals ist ebenfalls voller beeindruckender Parameter. Zum Beispiel sind ihre Blutgefäße enorm, der Durchmesser der Aorta beträgt etwa 40 cm. Das Herz der Blauwale gilt als das größte Herz der Welt und wiegt rund eine Tonne. Mit einem so großen Herzen hat der Wal auch viel Blut – über 8000 Liter bei einem ausgewachsenen Tier.
Und hier kommen wir zur wesentlichen Erkenntnis der Studie. Das Herz des Blauwals ist groß, wie wir bereits festgestellt haben, schlägt jedoch relativ langsam. Früher wurde angenommen, dass der Puls etwa 5-10 Schläge pro Minute beträgt, in seltenen Fällen bis zu 20. Aber genaue Messungen wurden bisher nicht durchgeführt, bis jetzt.
Wissenschaftler der Stanford-Universität behaupten, dass der Maßstab in der Biologie von großer Bedeutung ist, insbesondere wenn es darum geht, funktionale Eigenschaften der Organe lebender Wesen zu bestimmen. Das Studium verschiedener Lebewesen, von Mäusen bis zu Walen, ermöglicht es, die Größenbeschränkungen zu definieren, die ein lebender Organismus nicht überschreiten kann. Das Herz und das kardiovaskuläre System im Allgemeinen sind wichtige Merkmale solcher Untersuchungen.
Bei Meeressäugern, deren Physiologie sich vollständig an ihren Lebensstil angepasst hat, spielen Tauch- und Atemanpassungen eine entscheidende Rolle. Es wurde festgestellt, dass viele dieser Lebewesen während des Eintauchens die Herzfrequenz auf Werte unterhalb des Ruhepulses senken. Nach dem Auftauchen beschleunigt sich der Herzrhythmus wieder.
Die reduzierte Herzfrequenz während der Tauchgänge ist notwendig, um die Sauerstoffzufuhr zu den Geweben und Zellen zu verlangsamen, wodurch der Prozess der Erschöpfung der Sauerstoffreserven im Blut verlangsamt und der Sauerstoffverbrauch durch das Herz selbst gesenkt wird.
Es gibt die Hypothese, dass körperliche Aktivität die Reaktion auf das Eintauchen moduliert und die Herzfrequenz während des Eintauchens erhöht. Diese Hypothese ist besonders relevant für die Forschung zu Blauwalen, da aufgrund ihrer speziellen Fütterungsmethode (einem plötzlichen Abtauchen zum Schlucken von Wasser) die Stoffwechselrate theoretisch 50-mal über den Grundwerten (Ruhezustand) liegen sollte. Es wird angenommen, dass solche Abtauchen den Sauerstoffverbrauch beschleunigen, was die Tauchdauer verringert.
Die erhöhte Herzfrequenz und die gesteigerte Sauerstoffübertragung vom Blut zu den Muskeln während des Abtauchens könnten aufgrund der metabolischen Kosten während dieser körperlichen Aktivität eine wichtige Rolle spielen. Zudem ist auch die niedrige Konzentration Myoglobin* (Mb) bei Blauwalen zu berücksichtigen (5-10 Mal niedriger als bei anderen Meeressäugern: 0,8 g Mb pro 100 g Muskelmasse bei Blauwalen und 1,8-10 g Mb bei anderen Meeressäugern).
Myoglobin* ist ein sauerstoffbindendes Protein der Skelettmuskulatur und des Herzmuskels.
Insgesamt beeinflussen körperliche Belastung, Eintauchtiefe und willentliche Kontrolle die Herzfrequenz während des Eintauchens durch das vegetative Nervensystem.
Ein zusätzlicher Faktor zur Senkung der Herzfrequenz kann die Kompression/Erweiterung der Lungen während des Eintauchens/Auftauchens sein.
Somit steht die Herzfrequenz während des Eintauchens und beim Verweilen an der Oberfläche in direktem Zusammenhang mit den Mustern der arteriellen Hämodynamik.
Finnwal
Eine frühere Studie über die biomechanischen Eigenschaften und die Größe der Aortenwand des Finnwals (Balaenoptera physalus) hat gezeigt, dass bei Eintauchperioden mit einer Herzfrequenz von ≤10 Schlägen pro Minute der Aortenbogen den Windkessel-Effekt (Windkessel effekt) realisiert, der den Blutfluss während langer diastolischer Perioden* zwischen den Herzschlägen aufrechterhält und die Pulsation des Blutstroms in die starre distale Aorta verringert. diastolischen Perioden* Diastole* (diastolischer Zeitraum) ist der Zeitraum der Entspannung des Herzens zwischen den Kontraktionen.
Diastole* (diastolische Phase) — die Phase der Entspannung des Herzens zwischen den Kontraktionen.
Alle oben genannten Hypothesen, Theorien und Schlussfolgerungen müssen durch materielle Beweise unterstützt werden, das heißt, sie müssen praktisch bestätigt oder widerlegt werden. Dazu ist jedoch eine Elektrokardiographie eines frei schwimmenden Blauwals notwendig. Einfache Methoden werden hier nicht ausreichen, weshalb die Wissenschaftler ihr eigenes Gerät für die Elektrokardiographie entwickelt haben.
Ein Video, in dem Forscher kurz über ihre Arbeit berichten.
Die EKG-Daten des Blauwals wurden mit einem maßgeschneiderten EKG-Rekorder erfasst, der in einer speziellen Kapsel mit vier Saugnäpfen integriert war. Die Oberflächenelektroden des EKGs waren in zwei der Saugnäpfe eingebaut. Die Forscher fuhren mit einem Boot in die Monterey-Bucht (Pazifischer Ozean, nahe Kalifornien). Als die Wissenschaftler schließlich einem Blauwals begegneten, der an die Wasseroberfläche auftauchte, befestigten sie den EKG-Rekorder an seinem Körper (neben seiner linken Flosse). Den zuvor gesammelten Daten zufolge handelt es sich um ein 15 Jahre altes Männchen. Es ist wichtig zu erwähnen, dass dieses Gerät nicht-invasiv ist, das heißt, es erfordert keine Implantation von Sensoren oder Elektroden in die Haut des Tieres. Für den Wal ist das Verfahren vollkommen schmerzfrei und verursacht nur minimalen Stress durch den Kontakt mit Menschen, was äußerst wichtig ist, da die Herzfrequenzmessungen durch Stress verzerrt werden könnten. Als Ergebnis wurde eine 8,5-stündige EKG-Aufzeichnung erhalten, anhand derer die Forscher ein Profil des Herzrhythmus erstellen konnten (siehe Abbildung unten).
Bild Nr. 1: Profil des Herzrhythmus des Blauwals.
Das EKG-Signal war ähnlich dem, das bei kleinen Walen in Gefangenschaft mit demselben Gerät aufgezeichnet wurde. Das Verhalten des Wals während der Nahrungsaufnahme war für seine Art völlig normal: Er tauchte 16,5 Minuten bis zu einer Tiefe von 184 m und hatte Oberflächenintervalle von 1 bis 4 Minuten.
Das Herzfrequenzprofil, basierend auf der kardiovaskulären Reaktion auf das Tauchen, zeigte, dass eine Herzfrequenz von 4 bis 8 Schlägen pro Minute in der letzten Tauchtphase während der Nahrungsaufnahme überwiegt, unabhängig von der Tauchdauer oder der maximalen Tiefe. Die Herzfrequenz während des Tauchens (berechnet über die gesamte Tauchdauer) und die minimale momentane Herzfrequenz während des Tauchens verringerten sich mit der Tauchdauer, während die maximale Herzfrequenz an der Oberfläche nach dem Tauchen mit der Tauchdauer zunahm. Das bedeutet, je länger der Wal unter Wasser war, desto langsamer schlug sein Herz während des Tauchens und desto schneller nach dem Auftauchen.
Allometrische Gleichungen für Säugetiere besagen, dass ein Wal mit einem Gewicht von 70.000 kg ein Herz von 319 kg hat und sein Schlagvolumen (die Menge an Blut, die pro Herzschlag ausgeworfen wird) etwa 80 l beträgt. Daher sollte die Herzfrequenz im Ruhezustand 15 Schläge pro Minute betragen.
Während der unteren Tauchphasen lag die momentane Herzfrequenz zwischen 1/3 und 1/2 der prognostizierten Herzfrequenz im Ruhezustand. Allerdings stieg der Herzrhythmus beim Auftauchen an. In den Oberflächenintervallen lag die Herzfrequenz etwa doppelt so hoch wie die prognostizierte Ruhefrequenz und variierte hauptsächlich zwischen 30 und 37 Schlägen pro Minute nach tiefen Tauchgängen (> 125 Meter Tiefe) und zwischen 20 und 30 Schlägen pro Minute nach flacheren Tauchgängen.
Diese Beobachtung könnte darauf hindeuten, dass eine Erhöhung der Herzfrequenz notwendig ist, um einen angemessenen Austausch von Atemgasen und die Reperfusion (Wiederherstellung des Blutflusses) in den Geweben zwischen den tiefen Tauchgängen zu erreichen.
Flache, kurzzeitige nächtliche Tauchgänge waren mit Erholung verbunden und sind daher eher für einen weniger aktiven Zustand charakteristisch. Typische Herzfrequenzen, die bei einem 5-minütigen nächtlichen Tauchgang (8 Schläge pro Minute) und dem anschließenden 2-minütigen Oberflächenintervall (25 Schläge pro Minute) beobachtet werden, können insgesamt etwa 13 Schläge pro Minute ergeben. Diese Zahl ist, wie wir sehen können, erstaunlich nah an den Berechnungen der allometrischen Modelle.
Darüber hinaus erstellten die Wissenschaftler Profile der Herzfrequenz, der Tiefe und des relativen Lungenvolumens von 4 einzelnen Tauchgängen. Die Analyse dieser Profile erlaubte es, den potenziellen Einfluss von körperlicher Aktivität und Tiefe auf die Regulierung des Herzrhythmus zu untersuchen.
Bild №2: Profile der Herzfrequenz, der Tiefe und des relativen Lungenvolumens von 4 einzelnen Tauchgängen.
Während der Nahrungsaufnahme in großen Tiefen führt der Wal einen bestimmten Manöver aus – er öffnet sein Maul abrupt, um Wasser mit Plankton zu schlucken, und filtert dann die Nahrung heraus. Es wurde festgestellt, dass die Herzfrequenz beim Schlucken des Wassers 2,5-mal höher ist als beim Filtern. Dies spricht direkt für die Abhängigkeit des Herzrhythmus von der körperlichen Belastung.
Was die Lunge betrifft, ist ihr Einfluss auf den Herzrhythmus äußerst unwahrscheinlich, da während der betrachteten Tauchgänge keine signifikanten Änderungen des relativen Lungenvolumens festgestellt wurden.
In den unteren Phasen der Flach-Tauchgänge war jedoch der kurzfristige Anstieg der Herzfrequenz tatsächlich mit Veränderungen des relativen Lungenvolumens verbunden und könnte durch die Aktivierung der Dehnungsrezeptoren der Lunge ausgelöst worden sein.
Zusammenfassend kommen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass während des Fressens in großen Tiefen ein kurzfristiger Anstieg der Herzfrequenz um das 2,5-Fache zu beobachten ist. Dennoch lag die durchschnittliche maximale Herzfrequenz während der Fütterungsphasen nur bei der Hälfte der prognostizierten Ruhefrequenz. Diese Daten stimmen mit der Hypothese überein, dass die flexiblen Aortenbogen großer Wale während langsamer Herzschläge beim Eintauchen einen Reservoir-Effekt erzeugen. Darüber hinaus bestätigte das Spektrum höherer Herzfrequenzen nach dem Eintauchen die Hypothese, dass der Widerstand in der Aorta und die Belastung des Herzens während der Oberflächenintervalle aufgrund destruktiver Wechselwirkungen von eintreffenden und reflektierten Druckwellen in der Aorta abnehmen.
Die starke Bradykardie, die die Forscher beobachteten, kann als überraschendes Ergebnis der Studie betrachtet werden, besonders angesichts des enormen Energieaufwands des Wals während des Manövers beim Schlingen von Wasser mit Plankton. Allerdings könnten die metabolischen Kosten dieses Manövers nicht mit der Herzfrequenz oder dem konvektiven Sauerstofftransport übereinstimmen, teilweise aufgrund der kurzen Fressdauer und einer möglichen Rekrutierung glykolytischer, schnell zuckender Muskel-Fasern.
Während des Manövers beschleunigen sich Blauwal bis zu hohen Geschwindigkeiten und schlucken eine Menge Wasser, die größer ist als ihr eigener Körper. Wissenschaftler vermuten, dass der hohe Widerstand und die Energie, die für das Manöver erforderlich sind, schnell die allgemeinen Sauerstoffvorräte im Körper erschöpfen, was die Tauchzeit einschränkt. Die mechanische Kraft, die erforderlich ist, um große Wasservolumina aufzunehmen, übersteigt wahrscheinlich die aerobe metabolische Kraft erheblich. Deshalb war die Herzfrequenz während solcher Manöver zwar erhöht, aber nur für eine sehr kurze Zeit.
Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Feinheiten der Forschung empfehle ich einen Blick in .
Epilog
Eine der wichtigsten Erkenntnisse ist, dass Blauwal während kurzer Oberflächenintervalle nahezu eine maximale Herzfrequenz benötigt, um Gaswechsel und Reperfusion zu gewährleisten, unabhängig vom Ausmaß der Erschöpfung der Sauerstoffvorräte im Blut und in den Muskeln während der Tauchgänge. Berücksichtigt man zudem, dass größere Exemplare von Blauwalen mehr Aufwand in kürzerer Zeit betreiben müssen, um Nahrung zu erhalten (gemäß den allometrischen Hypothesen), sehen sie sich unweigerlich mehreren physiologischen Einschränkungen sowohl während des Tauchgangs als auch während des Oberflächenintervalls gegenüber. Dies bedeutet, dass ihre Körpergröße evolutionär begrenzt ist, da eine größere Körpergröße den Nahrungsbeschaffungsprozess erheblich kostspieliger machen würde, ohne dass dieser Aufwand durch die aufgenommenen Nahrungsmittel ausgeglichen werden könnte. Die Forscher sind sich einig, dass das Herz des Blauwals an der Grenze seiner Leistungsfähigkeit arbeitet.
In Zukunft planen die Wissenschaftler, die Funktionen ihres Geräts zu erweitern, einschließlich der Hinzufügung eines Beschleunigungsmässensors, um besser zu verstehen, wie sich verschiedene körperliche Aktivitäten auf den Herzrhythmus auswirken. Außerdem beabsichtigen sie, ihren EKG-Sensor bei anderen Meeresbewohnern einzusetzen.
Wie diese Studie zeigt, ist es nicht so einfach, das größte Wesen mit dem größten Herzen zu sein. Dennoch müssen wir verstehen, dass das Wasser, das der Mensch für Fischerei, Ausbeutung und Transport nutzt, das Zuhause dieser Lebewesen bleibt, unabhängig von ihrer Größe oder Diät. Wir sind lediglich Gäste und sollten uns entsprechend verhalten.
Freitagsthema:
Seltene Aufnahmen, in denen ein Blauwal die Kapazität seines Mauls demonstriert.
Ein weiterer Riese der Meere ist der Pottwal. In diesem Video haben Wissenschaftler mithilfe des ferngesteuerten ROV Hercules auf einer Tiefe von 598 Metern einen neugierigen Pottwal gefilmt.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und ein schönes Wochenende an alle, Leute! 🙂
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Quelle: habr.com
