Es ist schwer, der Behauptung zu widersprechen, dass die Natur die lebhafteste Vorstellungskraft besitzt. Jedes Mitglied der Flora und Fauna hat seine einzigartigen, manchmal sogar merkwürdigen Eigenschaften, die uns oft nicht in den Kopf passen. Nehmen wir zum Beispiel die Gottesanbeterin. Dieses Raubtier kann mit seinen kräftigen Scheren seine Beute oder Angreifer mit einer Geschwindigkeit von 83 km/h angreifen, und ihr visuelles System zählt zu den komplexesten, die je vom Menschen untersucht wurden. Gottesanbeterinnen sind zwar aggressive, aber nicht besonders große Tiere – sie erreichen eine Länge von bis zu 35 cm. Der größte Bewohner der Meere und Ozeane – und der Erde insgesamt – ist der Blauwal. Die Länge dieses Säugetiers kann über 30 Meter betragen, und es wiegt bis zu 150 Tonnen. Trotz ihrer beeindruckenden Dimensionen kann man Blauwale nicht wirklich als furchterregende Jäger bezeichnen, da sie Plankton bevorzugen.
Die Anatomie der Blauwale hat Wissenschaftler schon immer interessiert, die besser verstehen möchten, wie ein so riesiger Organismus und dessen Organe funktionieren. Obwohl wir seit mehreren Jahrhunderten (genauer gesagt seit 1694) von der Existenz der Blauwale wissen, haben diese Giganten bei weitem nicht alle ihre Geheimnisse preisgegeben. Heute werden wir uns mit einer Studie vertraut machen, in der eine Gruppe von Wissenschaftlern der Stanford-Universität ein Gerät entwickelt hat, mit dem die ersten Aufzeichnungen des Herzschlags eines Blauwals gewonnen wurden. Wie funktioniert das Herz des Herrschers der Meere, welche Entdeckungen haben die Wissenschaftler gemacht und warum kann es keinen Organismus geben, der größer ist als der Blauwal? Das werden wir in dem Bericht der Forschungsgruppe erfahren. Los geht's.
Held der Forschung
Der Blauwal ist das größte Säugetier, der größte Bewohner der Meere und Ozeane, das größte Tier, der größte Wal. Was kann man dazu sagen, der Blauwal ist wirklich der größte in Bezug auf die Größe – eine Länge von 33 Metern und ein Gewicht von 150 Tonnen. Diese Zahlen sind ungefähr, aber dennoch beeindruckend.
Sogar der Kopf dieses Riesen verdient einen eigenen Eintrag im Guinness-Buch der Rekorde, da er etwa 27 % der Gesamtlänge des Körpers ausmacht. Dabei sind die Augen von Blauwalen ziemlich klein, nicht größer als eine Grapefruit. Wenn Sie die Augen des Wals schwer erkennen können, werden Sie den Mund sofort bemerken. Der Rachen eines Blauwals kann bis zu 100 Personen fassen (eine gruselige Vorstellung, aber Blauwale essen keine Menschen, zumindest nicht absichtlich). Die große Größe des Mundes ist auf die gastronomischen Vorlieben zurückzuführen: Wale fressen Plankton, indem sie große Mengen Wasser schlucken, die sie dann durch einen Filterapparat wieder ausstoßen, während sie die Nahrung herausfiltern. Unter günstigen Umständen kann ein Blauwal täglich etwa 6 Tonnen Plankton aufnehmen.
Ein weiteres wichtiges Merkmal von Blauwalen sind ihre Lungen. Sie können bis zu einer Stunde die Luft anhalten und in Tiefen von bis zu 100 m tauchen. Wie andere Meeressäugetiere kommen Blauwale jedoch regelmäßig an die Wasseroberfläche, um Luft zu holen. Beim Auftauchen verwenden Wale ein Blasloch – ein Atemloch aus zwei großen Öffnungen (Nasenlöchern) an der Hinterseite des Kopfes. Der Ausstoß des Wals durch das Blasloch wird oft von einem vertikalen Wasserstrahl von bis zu 10 m Höhe begleitet. Angesichts der Lebensumstände der Wale arbeiten deren Lungen weitaus effektiver als unsere – die Lungen des Wals absorbieren 80-90 % Sauerstoff, unsere hingegen nur etwa 15 %. Das Lungenvolumen beträgt etwa 3000 Liter, während bei einem Menschen dieser Wert zwischen 3 und 6 Litern liegt.
Das Modell des Herzens eines Blauwals im Museum in New Bedford (USA).
Das Blutkreislaufsystem des Blauwals weist ebenfalls rekordverdächtige Parameter auf. Zum Beispiel sind die Gefäße enorm, der Durchmesser der Aorta beträgt etwa 40 cm. Das Herz der Blauwale gilt als das größte Herz der Welt und wiegt etwa eine Tonne. Mit einem so großen Herzen hat ein Wal auch viel Blut – über 8000 Liter bei einem erwachsenen Tier.
Und hier sind wir sanft zum Kern der Untersuchung gekommen. 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.
Wissenschaftler der Stanford-Universität behaupten, dass die Größe in der Biologie von enormer Bedeutung ist, insbesondere wenn es darum geht, die funktionalen Eigenschaften von Organen lebender Wesen zu bestimmen. Die Untersuchung verschiedener Lebewesen, von Mäusen bis hin zu Walen, ermöglicht es, die Größenbeschränkungen zu definieren, die ein lebender Organismus nicht überschreiten kann. Herz und Herz-Kreislauf-System im Allgemeinen sind wichtige Attribute solcher Untersuchungen.
Bei Meeressäugetieren, deren Physiologie sich vollständig an ihre Lebensweise angepasst hat, spielen Anpassungen, die mit dem Tauchen und dem Atemhalten verbunden sind, eine wichtige Rolle. Es wurde festgestellt, dass bei vielen solchen Lebewesen während des Tauchens die Herzfrequenz bis auf Werte sinkt, die unter dem Ruhezustand liegen. Beim Auftauchen an die Oberfläche wird der Herzrhythmus wieder schneller.
Eine reduzierte Herzfrequenz während der Tauchgänge ist notwendig, um die Geschwindigkeit der Sauerstoffzufuhr zu Geweben und Zellen zu verringern, wodurch der Prozess der Erschöpfung der Sauerstoffreserven im Blut verlangsamt wird und der Sauerstoffverbrauch des Herzens selbst gesenkt wird.
Es gibt die Hypothese, dass Übungen (d. h. erhöhte körperliche Aktivität) die Reaktion auf das Eintauchen modulieren und die Herzfrequenz während des Tauchens erhöhen. Diese Hypothese ist besonders wichtig für die Untersuchung von Blauwalen, da aufgrund ihrer speziellen Ernährungsweise (plötzliche Einschnitte zur Wasserschlucken) die Stoffwechselrate theoretisch um das 50-fache über den Grundwerten (Ruhezustand) liegen sollte. Es wird angenommen, dass solche Einschnitte die Erschöpfung von Sauerstoff beschleunigen, was folglich die Tauchdauer verkürzt.
Eine erhöhte Herzfrequenz und eine gesteigerte Sauerstoffübertragung vom Blut zu den Muskeln während des Einschnitts können aufgrund der metabolischen Kosten während einer solchen körperlichen Aktivität eine wichtige Rolle spielen. Darüber hinaus ist auch die niedrige Konzentration zu berücksichtigen Myoglobins* (Mb) bei Blauwalen (5-10 Mal niedriger als bei anderen Meeressäugetieren: 0,8 g Mb pro 100 g-1 Muskel bei Blauwalen und 1,8-10 g Mb bei anderen Meeressäugetieren.
Myoglobin* — ein sauerstoffbindendes Protein in Skelettmuskeln und im Herzmuskel.
Fazit: Körperliche Belastung, Tauchtiefe und willentliche Kontrolle verändern die Herzfrequenz während des Tauchens über das vegetative Nervensystem.
Ein zusätzlicher Faktor für die Verringerung der Herzfrequenz kann das Zusammenziehen/Erweitern 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 Modellen der arteriellen Hämodynamik.
Finnwal
Eine frühere Studie zu den biomechanischen Eigenschaften und den Dimensionen der Aortenwände beim Finnwal (Balaenoptera physalus) zeigte, dass während der Tauchgänge bei einer Herzfrequenz von ≤10 Schlägen/min der Aortenbogen den Windkessel-Effekt realisiert (Windkessel effekt), der den Blutfluss während langer diastolischer Perioden* zwischen den Herzschlägen aufrechterhält und die Pulsation des Blutflusses in die starre distale Aorta verringert.
Diastole* (diastolische Periode) – die Phase der Entspannung des Herzens zwischen den Herzschlägen.
Alle oben genannten Hypothesen, Theorien und Schlussfolgerungen müssen materielle Beweise haben, d.h. sie müssen in der Praxis bestätigt oder widerlegt werden. Dafür muss jedoch eine Elektrokardiografie bei einem frei umherschwimmenden Blauwals durchgeführt werden. Einfache Methoden funktionieren hier nicht, deshalb haben die Wissenschaftler ihr eigenes Gerät für die Elektrokardiografie entwickelt.
Ein Video, in dem die Forscher kurz über ihre Arbeit berichten.
Das EKG des Blauwals wurde mit einem maßgefertigten EKG-Recorder registriert, der in eine spezielle Kapsel mit 4 Saugnäpfen eingebaut war. Die Oberflächen-Elektroden des EKGs waren in zwei der Saugnäpfe integriert. Die Forscher machten sich mit einem Boot auf den Weg zur Monterey-Bucht (Pazifischer Ozean, in der Nähe von Kalifornien). Als die Wissenschaftler schließlich dem aufgetauchten Blauwals begegneten, befestigten sie den EKG-Recorder an seinem Körper (neben der linken Flosse). Auf Grundlage vorheriger Daten handelt es sich bei diesem Wal um ein 15 Jahre altes Männchen. Es ist wichtig zu beachten, dass dieses Gerät nicht-invasiv ist, das heißt, es bedarf keiner Implantation von Sensoren oder Elektroden in die Haut des Tieres. Für den Wal ist das Verfahren also völlig schmerzfrei und mit minimalem Stress durch den Kontakt mit Menschen verbunden, was ebenfalls von großer Bedeutung ist, da die Herzschlagdaten aufgezeichnet werden, die durch Stress verzerrt sein könnten. Infolgedessen wurde eine 8,5-stündige EKG-Aufzeichnung erhalten, anhand derer die Wissenschaftler ein Herzschlagprofil erstellen konnten (Bild unten).
Bild Nr. 1: Herzschlagprofil des Blauwals.
Die Form des EKG-Signals war ähnlich der, die bei kleineren Walen in Gefangenschaft mit demselben Gerät aufgezeichnet wurde. Das Verhalten des Wals während der Nahrungssuche war für seine Art ziemlich typisch: Tauchen für 16,5 Minuten bis in eine Tiefe von 184 m und Oberflächenintervalle von 1 bis 4 Minuten.
Das Herzschlagprofil gemäß der kardiovaskulären Antwort auf das Eintauchen zeigte, dass eine Herzfrequenz von 4 bis 8 Schlägen pro Minute in der unteren Phase der Tauchgänge während der Nahrungssuche vorherrschte, unabhängig von der Tauchdauer oder der maximalen Tiefe. Die Herzfrequenz beim Eintauchen (über die gesamte Tauchdauer hinweg berechnet) und die minimale momentane Herzfrequenz während des Tauchens nahmen mit der Tauchdauer ab, während die maximale Oberflächenherzfrequenz nach dem Auftauchen mit der Tauchdauer zunahm. Das heißt, je länger der Wal unter Wasser war, desto langsamer schlug das Herz während des Tauchgangs und desto schneller nach dem Auftauchen.
Im Gegenzug besagen allometrische Gleichungen für Säugetiere, dass ein Wal mit einem Gewicht von 70.000 kg ein Herz mit einem Gewicht von 319 kg hat, und sein Schlagvolumen (das Blutvolumen, das pro Schlag ausgeworfen wird) beträgt etwa 80 l, folglich sollte die Ruheherzfrequenz 15 Schläge pro Minute betragen.
Während der unteren Tauchphasen betrug die momentane Herzfrequenz zwischen 1/3 und 1/2 der vorhergesagten Ruheherzfrequenz. Der Herzrhythmus jedoch nahm in der Aufstiegsphase zu. Während der Oberflächenintervalle überstieg die Herzfrequenz etwa das Doppelte der vorhergesagten Ruheherzfrequenz 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 Beschleunigung der Herzfrequenz notwendig ist, um den benötigten Gasaustausch und die Reperfusion (Wiederherstellung des Blutflusses) des Gewebes zwischen den tiefen Tauchgängen zu erreichen.
Flache, kurzzeitige Nachttauchgänge waren mit Ruhe verbunden und sind daher charakteristischer für einen weniger aktiven Zustand. Typische Herzfrequenzen, die bei einem 5-minütigen Nachttauchgang (8 Schläge pro Minute) und dem anschließenden 2-minütigen Oberflächenintervall (25 Schläge pro Minute) beobachtet wurden, können kumulativ dazu führen, dass der Herzrhythmus etwa 13 Schläge pro Minute beträgt. Diese Zahl ist, wie wir sehen können, erstaunlich nah an den Berechnungen der allometrischen Modelle.
Darüber hinaus haben die Wissenschaftler Profile von Herzfrequenz, Tiefe und relativem Lungenvolumen von 4 separaten Tauchgängen erstellt, deren Analyse es ermöglichte, den potenziellen Einfluss körperlicher Aktivität und Tiefe auf die Regulierung des Herzrhythmus zu untersuchen.
Abbildung Nr. 2: Profile von Herzfrequenz, Tiefe und relativem Lungenvolumen von 4 separaten Tauchgängen.
Während der Nahrungsaufnahme in großen Tiefen führt der Wal eine bestimmte Manövertechnik durch – er öffnet seinen Mund schnell, um Wasser mit Plankton zu schlucken, und filtert dann die Nahrung. Es wurde festgestellt, dass die Herzfrequenz beim Schlucken des Wassers 2,5-mal höher ist als beim Filtern. Dies zeigt direkt die Abhängigkeit des Herzrhythmus von der körperlichen Belastung.
Was die Lungen betrifft, ist ihr Einfluss auf den Herzrhythmus äußerst unwahrscheinlich, da während der betrachteten Tauchgänge keine signifikanten Änderungen des relativen Lungenvolumens beobachtet wurden.
In den unteren Phasen flacher Tauchgänge war ein kurzfristiger Anstieg der Herzfrequenz gerade mit Veränderungen des relativen Lungenvolumens verbunden und könnte durch die Aktivierung des Dehnungsrezeptors der Lunge verursacht worden sein.
Zusammenfassend kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass während der Nahrungsaufnahme in großen Tiefen ein kurzfristiger Anstieg der Herzfrequenz von 2,5-mal beobachtet wird. Dennoch betrug die durchschnittliche maximale Herzfrequenz während des Manövers beim Fressen immer noch nur die Hälfte des prognostizierten Wertes in Ruhe. Diese Daten stimmen mit der Hypothese überein, dass die flexiblen Aortenbogen großer Wale während der langsamen Herzfrequenz in der Tauchphase den Effekt eines Reservoirs realisieren. Darüber hinaus bestätigte das höhere Herzfrequenzspektrum nach dem Eintauchen die Hypothese, dass der Widerstand der Aorta und die Belastung des Herzens während des Oberflächenintervalls aufgrund destruktiver Wechselwirkungen von ausgehenden und reflektierten Druckwellen in der Aorta abnehmen.
Die starke Bradykardie, die von den Forschern beobachtet wurde, kann als unerwartetes Ergebnis der Studie bezeichnet werden, wenn man den enormen Energieaufwand des Wals für das Manöver beim Schlucken von Wasser mit Plankton betrachtet. Allerdings könnten die metabolischen Kosten dieses Manövers nicht mit der Herzfrequenz oder dem konvektiven Transport von Sauerstoff übereinstimmen, teilweise aufgrund der kurzen Dauer der Nahrungsaufnahme und der möglichen Anwerbung glykolytischer, schnell kontrahierender Muskelstränge.
Während eines Ausfalls beschleunigen die Blauwale auf hohe Geschwindigkeiten und nehmen ein Wasservolumen auf, das größer sein kann als ihr eigener Körper. Wissenschaftler nehmen an, dass der hohe Widerstand und die Energie, die für Manöver erforderlich sind, schnell die gesamten Sauerstoffvorräte im Körper erschöpfen, wodurch die Tauchzeit eingeschränkt wird. Die mechanische Kraft, die benötigt wird, um große Wassermengen aufzunehmen, übersteigt wahrscheinlich bei weitem die aerobe metabolische Kraft. Deshalb erhöht sich die Herzfrequenz während solcher Manöver zwar, aber nur für sehr kurze Zeit.
Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick in den .
Epilog
Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen ist, dass die Blauwale während kurzer Oberflächenintervalle nahezu eine maximale Herzfrequenz benötigen, um den Gasaustausch und die Reperfusion zu gewährleisten, unabhängig von der Art der Erschöpfung der Sauerstoffvorräte im Blut und in den Muskeln während der Tauchgänge. Wenn man bedenkt, dass größere Exemplare von Blauwalen mehr Energie aufwenden müssen, um in kürzerer Zeit Nahrung zu erhalten (entsprechend den Hypothesen zur Allometrie), sehen sie sich zwangsläufig mehreren physiologischen Einschränkungen sowohl während des Tauchens als auch während des Oberflächenintervalls gegenüber. Das bedeutet, dass die Größe ihres Körpers evolutionär begrenzt ist, denn wäre sie größer, wäre der Nahrungsaufnahmeprozess sehr aufwendig und würde nicht durch die erhaltene Nahrung kompensiert. Die Forscher glauben selbst, dass das Herz des Blauwals an der Grenze seiner Möglichkeiten arbeitet.
In Zukunft planen die Wissenschaftler, die Möglichkeiten ihres Geräts zu erweitern, einschließlich der Hinzufügung eines Beschleunigungsmessers, um besser zu verstehen, wie sich verschiedene physische Aktivitäten auf den Herzrhythmus auswirken. Sie beabsichtigen auch, ihren EKG-Sensor bei anderen Meeresbewohnern anzuwenden.
Wie diese Studie gezeigt hat, ist es nicht einfach, das größte Wesen mit dem größten Herzen zu sein. Dennoch müssen wir verstehen, dass die Wassersäule, die der Mensch für Fischerei, Abbau und Transport nutzt, deren Zuhause bleibt, unabhängig von der Größe der Meeresbewohner oder der Diät, die sie einhalten. Wir sind lediglich Gäste und sollten uns entsprechend verhalten.
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Seltene Aufnahmen, in denen der Blauwal sein großes Maul zeigt.
Ein weiteres Meeresgigant ist der Pottwal. In diesem Video haben Wissenschaftler mit dem ferngesteuerten ROV Hercules in einer Tiefe von 598 Metern einen neugierigen Pottwal gefilmt.
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Quelle: habr.com
