Es ist schwierig, der Aussage zu widersprechen, dass die Natur über die lebhafteste Vorstellungskraft verfügt. Jeder Vertreter der Flora und Fauna hat seine eigenen einzigartigen und manchmal sogar seltsamen Merkmale, die oft nicht in unseren Kopf passen. Nehmen wir zum Beispiel die gleiche Gottesanbeterin. Dieses Raubtier ist in der Lage, ein Opfer oder einen Täter mit seinen kräftigen Krallen mit einer Geschwindigkeit von 83 km/h anzugreifen, und sein visuelles System ist eines der komplexesten, das jemals von Menschen untersucht wurde. Fangschreckenkrebse sind zwar wild, aber nicht besonders groß – bis zu 35 cm lang. Der größte Bewohner der Meere und Ozeane sowie des Planeten im Allgemeinen ist der Blauwal. Die Länge dieses Säugetiers kann mehr als 30 Meter und ein Gewicht von 150 Tonnen erreichen. Trotz ihrer beeindruckenden Größe kann man Blauwale kaum als beeindruckende Jäger bezeichnen, denn... Sie bevorzugen Plankton.
Die Anatomie von Blauwalen war schon immer von Interesse für Wissenschaftler, die besser verstehen wollen, wie ein so riesiger Organismus und die darin enthaltenen Organe funktionieren. Obwohl wir seit mehreren hundert Jahren (genauer gesagt seit 1694) von der Existenz von Blauwalen wissen, haben diese Riesen nicht alle ihre Geheimnisse preisgegeben. Heute werfen wir einen Blick auf eine Studie, in der eine Gruppe von Wissenschaftlern der Stanford University ein Gerät entwickelt hat, mit dem erstmals der Herzschlag eines Blauwals aufgezeichnet werden konnte. Wie funktioniert das Herz des Herrschers der Meere, welche Entdeckungen haben Wissenschaftler gemacht und warum kann es keinen Organismus geben, der größer als ein Blauwal ist? Das erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Gehen.
Forschungsheld
Der Blauwal ist das größte Säugetier, der größte Bewohner der Meere und Ozeane, das größte Tier, der größte Wal. Was soll ich sagen, von den Abmessungen her ist der Blauwal wirklich der Allerbeste – die Länge beträgt 33 Meter und das Gewicht 150 Tonnen. Die Zahlen sind Näherungswerte, aber nicht weniger beeindruckend.
Sogar der Kopf dieses Riesen verdient eine eigene Zeile im Guinness-Buch der Rekorde, da er etwa 27 % der gesamten Körperlänge einnimmt. Außerdem sind die Augen von Blauwalen recht klein, nicht größer als eine Grapefruit. Wenn es für Sie schwierig ist, die Augen eines Wals zu sehen, werden Sie das Maul sofort bemerken. Das Maul eines Blauwals kann bis zu 100 Menschen aufnehmen (ein gruseliges Beispiel, aber Blauwale fressen keine Menschen, zumindest nicht absichtlich). Die Größe des Mauls ist auf gastronomische Vorlieben zurückzuführen: Wale fressen Plankton und schlucken dabei große Mengen Wasser, das dann durch einen Filterapparat abgegeben wird und die Nahrung herausfiltert. Unter relativ günstigen Umständen frisst der Blauwal etwa 6 Tonnen Plankton pro Tag.
Ein weiteres wichtiges Merkmal von Blauwalen ist ihre Lunge. Sie können den Atem eine Stunde lang anhalten und bis zu einer Tiefe von 1 m tauchen. Wie andere Meeressäuger tauchen Blauwale jedoch regelmäßig an die Wasseroberfläche, um zu atmen. Wenn Wale an die Wasseroberfläche steigen, nutzen sie ein Blasloch, ein Atemloch, das aus zwei großen Öffnungen (Nasenlöchern) am Hinterkopf besteht. Das Ausatmen eines Wals durch sein Blasloch wird oft von einer vertikalen Wasserfontäne mit einer Höhe von bis zu 100 m begleitet. In Anbetracht der Eigenschaften des Lebensraums der Wale arbeiten ihre Lungen viel effizienter als unsere – die Lungen des Wals nehmen 10–80 % davon auf Sauerstoff und bei uns nur etwa 90 %. Das Lungenvolumen beträgt etwa 15 Liter, beim Menschen schwankt dieser Wert jedoch um 3-3 Liter.
Modell des Herzens eines Blauwals in einem Museum in New Bedford (USA).
Auch der Kreislauf des Blauwals ist voller Rekordparameter. Ihre Gefäße sind zum Beispiel einfach riesig, allein 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 der Wal viel Blut – mehr als 8000 Liter bei einem Erwachsenen.
Und nun kommen wir problemlos zum Kern der Studie selbst. Das Herz des Blauwals ist, wie wir bereits verstanden haben, groß, schlägt aber recht langsam. Früher ging man davon aus, dass der Puls etwa 5-10 Schläge pro Minute beträgt, in seltenen Fällen bis zu 20. Genaue Messungen hatte bisher jedoch noch niemand gemacht.
Wissenschaftler der Stanford University sagen, dass die Größenordnung in der Biologie von großer Bedeutung ist, insbesondere wenn es darum geht, die Funktionsmerkmale der Organe von Lebewesen zu bestimmen. Die Untersuchung verschiedener Lebewesen, von Mäusen bis hin zu Walen, ermöglicht es uns, die Größengrenzen zu bestimmen, die ein lebender Organismus nicht überschreiten darf. Und das Herz und das Herz-Kreislauf-System im Allgemeinen sind wichtige Attribute solcher Studien.
Bei Meeressäugern, deren Physiologie vollständig an ihren Lebensstil angepasst ist, spielen Anpassungen, die mit dem Tauchen und dem Anhalten des Atems verbunden sind, eine wichtige Rolle. Es wurde festgestellt, dass die Herzfrequenz vieler dieser Lebewesen während eines Tauchgangs unter ihren Ruhezustand sinkt. Und wenn man an die Oberfläche gelangt, beschleunigt sich die Herzfrequenz.
Eine niedrigere Herzfrequenz beim Tauchen ist notwendig, um die Geschwindigkeit der Sauerstoffzufuhr zu Geweben und Zellen zu verringern, wodurch der Prozess der Erschöpfung der Sauerstoffreserven im Blut verlangsamt und der Sauerstoffverbrauch des Herzens selbst verringert wird.
Es wird angenommen, dass Bewegung (d. h. erhöhte körperliche Aktivität) die Reaktion auf den Tauchgang moduliert und die Herzfrequenz während eines Tauchgangs erhöht. Diese Hypothese ist besonders wichtig für die Untersuchung von Blauwalen, da aufgrund der besonderen Art der Nahrungsaufnahme (ein plötzlicher Ausfallschritt zum Wasserschlucken) der Stoffwechsel theoretisch die Grundwerte (Ruhezustand) um übersteigen sollte 50 mal. Es wird angenommen, dass solche Ausfallschritte den Sauerstoffmangel beschleunigen und dadurch die Dauer des Tauchgangs verkürzen.
Die erhöhte Herzfrequenz und der erhöhte Sauerstofftransfer vom Blut zu den Muskeln während eines Ausfallschritts könnten aufgrund der metabolischen Kosten einer solchen körperlichen Aktivität eine wichtige Rolle spielen. Darüber hinaus ist die geringe Konzentration zu berücksichtigen Myoglobin* (Mb) bei Blauwalen (5-10-mal niedriger als bei anderen Meeressäugern: 0.8 g Mb pro 100 g-1 Muskel bei Blauwalen und 1.8-10 g Mb bei anderen Meeressäugern.
Myoglobin* - Sauerstoffbindendes Protein der Skelettmuskulatur und der Herzmuskulatur.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass körperliche Aktivität, Tauchtiefe und Willenskontrolle die Herzfrequenz während des Tauchens über das autonome Nervensystem verändern.
Ein zusätzlicher Faktor zur Verringerung der Herzfrequenz kann die Kompression/Ausdehnung der Lunge während eines Tauchgangs/Aufstiegs sein.
Somit steht die Herzfrequenz während eines Tauchgangs und an der Oberfläche in direktem Zusammenhang mit den arteriellen hämodynamischen Mustern.
Finval
Eine frühere Studie über die biomechanischen Eigenschaften und Abmessungen der Aortenwände bei Finnwalen (Balaenoptera physalus) zeigte, dass der Aortenbogen beim Tauchen mit einer Herzfrequenz ≤10 Schlägen/Minute einen Reservoireffekt ausübt (Windkesseleffekt), das den Blutfluss über lange Zeiträume aufrechterhält diastolische Perioden* zwischen den Herzschlägen und reduziert die Pulsation des Blutflusses in die steife distale Aorta.
Diastole* (diastolische Periode) – die Periode der Entspannung des Herzens zwischen den Kontraktionen.
Alle oben beschriebenen Hypothesen, Theorien und Schlussfolgerungen müssen materielle Beweise haben, das heißt, sie müssen in der Praxis bestätigt oder widerlegt werden. Dazu müssen Sie jedoch ein Elektrokardiogramm an einem sich frei bewegenden Blauwal durchführen. Einfache Methoden werden hier nicht funktionieren, daher haben Wissenschaftler ein eigenes Gerät für die Elektrokardiographie entwickelt.
Ein Video, in dem die Forscher kurz über ihre Arbeit sprechen.
Das EKG des Wals wurde mit einem speziell angefertigten EKG-Rekorder aufgezeichnet, der in einer speziellen Kapsel mit 4 Saugnäpfen eingebaut war. In zwei der Saugnäpfe waren Oberflächen-EKG-Elektroden eingebaut. Die Forscher fuhren mit einem Boot nach Monterey Bay (Pazifik, in der Nähe von Kalifornien). Als Wissenschaftler schließlich einen aufgetauchten Blauwal trafen, befestigten sie einen EKG-Rekorder an seinem Körper (neben seiner linken Flosse). Nach zuvor gesammelten Daten handelt es sich bei diesem Wal um ein Männchen im Alter von 15 Jahren. Es ist wichtig zu beachten, dass dieses Gerät nicht invasiv ist, d. h. es erfordert keine Einführung von Sensoren oder Elektroden in die Haut des Tieres. Das heißt, für den Wal ist dieser Eingriff völlig schmerzlos und mit minimaler Belastung durch den Kontakt mit Menschen verbunden, was auch äußerst wichtig ist, da Herzschlagmessungen durchgeführt werden, die aufgrund von Stress verzerrt sein können. Das Ergebnis war eine 8.5-stündige EKG-Aufzeichnung, aus der die Wissenschaftler ein Herzfrequenzprofil erstellen konnten (Bild unten).
Bild Nr. 1: Herzfrequenzprofil eines Blauwals.
Die EKG-Wellenform ähnelte der, die bei in Gefangenschaft gehaltenen Kleinwalen mit demselben Gerät aufgezeichnet wurde. Das Nahrungssucheverhalten des Wals war für seine Art ganz normal: 16.5 Minuten lang tauchend bis zu einer Tiefe von 184 m und Oberflächenintervalle von 1 bis 4 Minuten.
Das Herzfrequenzprofil, das mit der kardiovaskulären Reaktion auf den Tauchgang übereinstimmt, zeigte, dass in der unteren Phase der Nahrungssuche-Tauchgänge Herzfrequenzen zwischen 4 und 8 Schlägen pro Minute vorherrschten, unabhängig von der Tauchdauer oder der maximalen Tiefe. Die Tauchherzfrequenz (berechnet über die gesamte Tauchdauer) und die minimale momentane Tauchherzfrequenz nahmen mit der Tauchdauer ab, wohingegen die maximale Oberflächenherzfrequenz nach dem Tauchgang mit der Tauchdauer anstieg. Das heißt, je länger der Wal unter Wasser war, desto langsamer schlug sein Herz während des Tauchgangs und desto schneller nach dem Aufstieg.
Allometrische Gleichungen für Säugetiere wiederum besagen, dass ein Wal mit einem Gewicht von 70000 kg ein Herz von 319 kg hat und sein Schlagvolumen (das pro Schlag ausgestoßene Blutvolumen) etwa 80 l beträgt, daher sollte die Ruheherzfrequenz 15 Schläge/min betragen. Mindest.
Während der unteren Phasen der Tauchgänge lag die momentane Herzfrequenz zwischen 1/3 und der Hälfte der vorhergesagten Ruheherzfrequenz. Allerdings erhöhte sich die Herzfrequenz während der Aufstiegsphase. In Oberflächenintervallen waren die Herzfrequenzen ungefähr doppelt so hoch wie die vorhergesagte Ruheherzfrequenz und lagen überwiegend zwischen 1 und 2 Schlägen pro Minute nach tiefen Tauchgängen (>30 m Tiefe) und zwischen 37 und 125 Schlägen pro Minute nach flacheren Tauchgängen.
Diese Beobachtung könnte darauf hindeuten, dass eine Beschleunigung der Herzfrequenz notwendig ist, um den gewünschten Atemgasaustausch und die Reperfusion (Wiederherstellung des Blutflusses) des Gewebes zwischen tiefen Tauchgängen zu erreichen.
Flache Nachttauchgänge von kurzer Dauer waren mit Ruhe verbunden und kamen daher in weniger aktiven Staaten häufiger vor. Typische Herzfrequenzen, die während eines 5-minütigen Nachttauchgangs (8 Schläge pro Minute) und des begleitenden 2-minütigen Oberflächenintervalls (25 Schläge pro Minute) beobachtet werden, können zusammen eine Herzfrequenz von etwa 13 Schlägen pro Minute ergeben. Wie wir sehen können, kommt diese Zahl den geschätzten Vorhersagen allometrischer Modelle bemerkenswert nahe.
Anschließend erstellten die Wissenschaftler ein Profil der Herzfrequenz, Tiefe und des relativen Lungenvolumens aus vier separaten Tauchgängen, um die möglichen Auswirkungen von körperlicher Aktivität und Tiefe auf die Herzfrequenzregulation zu untersuchen.
Bild Nr. 2: Herzfrequenz-, Tiefen- und relative Lungenvolumenprofile von 4 separaten Tauchgängen.
Beim Fressen von Nahrung in großen Tiefen führt der Wal ein bestimmtes Ausfallmanöver durch – er öffnet scharf sein Maul, um Wasser mit Plankton zu schlucken, und filtert dann die Nahrung heraus. Es wurde beobachtet, dass die Herzfrequenz im Moment des Wasserschluckens 2.5-mal höher ist als im Moment der Filtration. Dies weist direkt auf die Abhängigkeit der Herzfrequenz von der körperlichen Aktivität hin.
Was die Lunge betrifft, ist ihr Einfluss auf die Herzfrequenz äußerst unwahrscheinlich, da bei den betreffenden Tauchgängen keine signifikanten Veränderungen des relativen Lungenvolumens beobachtet wurden.
Darüber hinaus war in den unteren Phasen flacher Tauchgänge ein kurzfristiger Anstieg der Herzfrequenz genau mit Veränderungen des relativen Lungenvolumens verbunden und könnte durch die Aktivierung des Lungendehnungsrezeptors verursacht werden.
Die Wissenschaftler fassten die oben beschriebenen Beobachtungen zusammen und kamen zu dem Schluss, dass es bei der Nahrungsaufnahme in großen Tiefen zu einem kurzfristigen Anstieg der Herzfrequenz um das 2.5-fache kommt. Allerdings betrug die durchschnittliche Spitzenherzfrequenz während der Fütterungsschritte immer noch nur die Hälfte des vorhergesagten Ruhewerts. Diese Daten stimmen mit der Hypothese überein, dass die flexiblen Aortenbögen großer Wale während der langsamen Herzfrequenz beim Tauchen eine Reservoirwirkung ausüben. Darüber hinaus stützte der Bereich höherer Herzfrequenzen während der Zeit nach dem Tauchgang die Hypothese, dass die Aortenimpedanz und die Herzarbeitsbelastung während des Oberflächenintervalls aufgrund der destruktiven Interferenz von ausgehenden und reflektierten Druckwellen in der Aorta reduziert werden.
Die von den Forschern beobachtete schwere Bradykardie kann angesichts des enormen Energieaufwands des Wals beim Longe-Manöver beim Verschlucken von Wasser mit Plankton als unerwartetes Ergebnis der Studie bezeichnet werden. Die metabolischen Kosten dieses Manövers stimmen jedoch möglicherweise nicht mit der Herzfrequenz oder dem konvektiven Sauerstofftransport überein, was teilweise auf die kurze Dauer der Nahrungsaufnahme und die mögliche Rekrutierung glykolytischer, schnell zuckender Muskelfasern zurückzuführen ist.
Bei einem Ausfall beschleunigen Blauwale auf hohe Geschwindigkeiten und nehmen eine Wassermenge auf, die größer sein kann als ihr eigener Körper. Wissenschaftler gehen davon aus, dass der hohe Widerstand und die Energie, die für Manöver erforderlich sind, die gesamten Sauerstoffreserven des Körpers schnell erschöpfen und dadurch die Tauchzeit verkürzen. Die mechanische Kraft, die zur Aufnahme großer Wassermengen erforderlich ist, übersteigt wahrscheinlich die aerobe Stoffwechselkraft bei weitem. Deshalb stieg bei solchen Manövern die Herzfrequenz an, allerdings nur für sehr kurze Zeit.
Für eine detailliertere Bekanntschaft mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf .
Letzter Akt
Eine der wichtigsten Erkenntnisse ist, dass Blauwale während kurzer Oberflächenintervalle nahezu maximale Herzfrequenzen für den Gasaustausch und die Reperfusion benötigen, unabhängig von der Art des Blut- und Muskelsauerstoffmangels während Tauchgängen. Wenn man bedenkt, dass größere Blauwale in kürzerer Zeit mehr Arbeit investieren müssen, um Nahrung zu erhalten (in Übereinstimmung mit allometrischen Hypothesen), dann sind sie sowohl während des Tauchgangs als auch während der Oberflächenpause zwangsläufig mehreren physiologischen Einschränkungen ausgesetzt. Dies bedeutet, dass die Größe ihres Körpers evolutionär begrenzt ist, denn wenn er größer wäre, wäre der Prozess der Nahrungsbeschaffung sehr kostspielig und würde nicht durch die aufgenommene Nahrung kompensiert werden. Die Forscher selbst glauben, dass das Herz des Blauwals an der Grenze seiner Leistungsfähigkeit arbeitet.
In Zukunft planen Wissenschaftler, die Fähigkeiten ihres Geräts zu erweitern, einschließlich der Hinzufügung eines Beschleunigungsmessers, um die Auswirkung verschiedener körperlicher Aktivitäten auf die Herzfrequenz besser zu verstehen. Sie planen, ihren EKG-Sensor auch bei anderen Meereslebewesen einzusetzen.
Wie diese Studie zeigt, ist es nicht einfach, das größte Lebewesen mit dem größten Herzen zu sein. Unabhängig von der Größe der Meeresbewohner und ihrer Ernährung müssen wir jedoch verstehen, dass die Wassersäule, die vom Menschen zum Fischen, zur Gewinnung und zum Transport genutzt wird, ihr Zuhause bleibt. Wir sind nur Gäste und müssen uns daher entsprechend verhalten.
Freitag Off-Top:
Seltene Aufnahmen eines Blauwals, die das Fassungsvermögen seines Mauls demonstrieren.
Ein weiterer Riese der Meere ist der Pottwal. In diesem Video filmten Wissenschaftler mit einem ferngesteuerten ROV Hercules einen neugierigen Pottwal in einer Tiefe von 598 Metern.
Vielen Dank fürs Zuschauen, bleiben Sie neugierig und wünschen Ihnen allen ein tolles Wochenende! 🙂
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Source: habr.com