Es difícil discutir la afirmación de que la naturaleza tiene la imaginación más vívida. Cada uno de los representantes de la flora y fauna tiene sus características únicas, a veces incluso extrañas, que a menudo no podemos comprender. Tomemos, por ejemplo, al mantis religiosa. Este depredador es capaz de atacar a su presa o enemigo con sus poderosas pinzas a una velocidad de 83 km/h, y su sistema visual es uno de los más complejos estudiados por el ser humano. Aunque las mantis religiosas son feroces, no son particularmente grandes, alcanzando hasta 35 cm de longitud. El más grande de los habitantes de los mares y océanos, así como del planeta, es la ballena azul. La longitud de este mamífero puede superar los 30 metros, y su peso es de 150 toneladas. A pesar de sus imponentes dimensiones, no se puede decir que las ballenas azules sean cazadoras temibles, ya que prefieren el plancton.
La anatomía de las ballenas azules siempre ha interesado a los científicos que desean comprender mejor cómo funciona un organismo tan enorme y los órganos que lo componen. A pesar de que sabemos de la existencia de las ballenas azules desde hace varios cientos de años (desde 1694, para ser más precisos), estos gigantes aún no han revelado todos sus secretos. Hoy, nos familiarizaremos con un estudio en el que un grupo de investigadores de la Universidad de Stanford desarrolló un dispositivo que permitió obtener los primeros registros del latido del corazón de una ballena azul. ¿Cómo funciona el corazón del rey de los mares, qué descubrimientos realizaron los científicos y por qué no puede existir un organismo más grande que la ballena azul? Esto lo conoceremos a través del informe del grupo de investigación. ¡Vamos!
Héroe del estudio
La ballena azul es el mamífero más grande, el mayor habitante de los mares y océanos, el animal más grande, la ballena más grande. ¿Qué más se puede decir? La ballena azul realmente es la más grande en términos de dimensiones: mide 33 metros y pesa 150 toneladas. Estas cifras son aproximadas, pero igualmente impresionantes.
Incluso la cabeza de este gigante merece una línea propia en el libro de récords Guinness, ya que ocupa aproximadamente el 27% de la longitud total de su cuerpo. Sin embargo, los ojos de las ballenas azules son bastante pequeños, no más grandes que un pomelo. Si te resulta difícil ver los ojos de la ballena, notarás su boca de inmediato. La boca de una ballena azul puede albergar hasta 100 personas (un ejemplo espeluznante, pero las ballenas azules no comen personas, al menos no intencionadamente). El gran tamaño de su boca se debe a sus preferencias gastronómicas: las ballenas comen plancton, tragando enormes volúmenes de agua que luego expulsan a través de un aparato de filtrado, separando la comida. En condiciones bastante favorables, una ballena azul puede consumir alrededor de 6 toneladas de plancton al día.
Otra característica importante de las ballenas azules son sus pulmones. Pueden contener la respiración durante 1 hora y sumergirse hasta una profundidad de 100 m. Pero, como otros mamíferos marinos, las ballenas azules emergen periódicamente a la superficie del agua para respirar. Al subir a la superficie, las ballenas utilizan el espiráculo, que es la abertura respiratoria de dos grandes agujeros (narices) en la parte posterior de la cabeza. La exhalación de la ballena a través del espiráculo a menudo se acompaña de un chorro vertical de agua de hasta 10 m de altura. Dadas las características del hábitat de las ballenas, sus pulmones funcionan de manera mucho más eficiente que los nuestros: los pulmones de la ballena absorben entre el 80% y el 90% del oxígeno, mientras que los nuestros solo alrededor del 15%. El volumen de los pulmones es de aproximadamente 3 mil litros, mientras que este indicador en los humanos varía entre 3 y 6 litros.
Reproducción del corazón de una ballena azul en un museo en New Bedford (EE.UU.).
El sistema circulatorio de las ballenas azules también está lleno de parámetros récord. Por ejemplo, sus vasos sanguíneos son simplemente enormes, el diámetro de solo la aorta es de aproximadamente 40 cm. Se considera que el corazón de las ballenas azules es el más grande del mundo y pesa alrededor de una tonelada. Con un corazón tan grande, también hay mucha sangre: más de 8000 litros en un adulto.
Y así llegamos al corazón del estudio. El corazón de la ballena azul es grande, como ya hemos entendido, pero late bastante lento. Se creía anteriormente que el pulso era de alrededor de 5 a 10 latidos por minuto, y en raras ocasiones hasta 20. Sin embargo, no se habían realizado mediciones precisas, hasta este momento.
Los científicos de la Universidad de Stanford afirman que la escala en biología tiene una enorme importancia, especialmente cuando se trata de definir las características funcionales de los órganos de los seres vivos. Estudiar diferentes criaturas, desde ratones hasta ballenas, permite determinar las limitaciones de tamaño que un organismo vivo no puede superar. El corazón y el sistema cardiovascular en general son atributos importantes de tales investigaciones.
En los mamíferos marinos, cuya fisiología se ha adaptado completamente a su estilo de vida, juegan un papel importante las adaptaciones relacionadas con el buceo y la retención de la respiración. Se ha establecido que en muchos de estos seres, durante la inmersión, la frecuencia del pulso disminuye a niveles inferiores al estado de reposo. Al salir a la superficie, el ritmo cardíaco se acelera.
La disminución del ritmo cardíaco durante las inmersiones es necesaria para reducir la velocidad de entrega de oxígeno a los tejidos y células, así, se ralentiza el proceso de agotamiento de los depósitos de oxígeno en la sangre y se reduce el consumo de oxígeno por parte del propio corazón.
Existen hipótesis que sugieren que el ejercicio (es decir, la actividad física aumentada) modula la respuesta a la inmersión y aumenta la frecuencia de los latidos del corazón durante la inmersión. Esta hipótesis es especialmente importante para el estudio de las ballenas azules, ya que debido a su particular método de alimentación (una inmersión abrupta para tragar agua), la velocidad de metabolismo, en teoría, debería superar en 50 veces los valores básicos (estado de reposo). Se supone que tales inmersiones aceleran el agotamiento de oxígeno, reduciendo así la duración de la inmersión.
Una mayor frecuencia del pulso y una elevada transferencia de oxígeno de la sangre a los músculos durante la inmersión pueden jugar un papel importante debido a los costos metabólicos asociados con tal actividad física. Además, hay que considerar la baja concentración de mioglobina* (Mb) en las ballenas azules (de 5 a 10 veces menor que en otros mamíferos marinos: 0.8 g Mb por 100 g-1 de músculo en ballenas azules y 1.8-10 g Mb en otros mamíferos marinos.
La mioglobina* es una proteína que se une al oxígeno en los músculos esqueléticos y en el músculo cardíaco.
En conclusión, la carga física, la profundidad de la inmersión y el control voluntario modifican la frecuencia de los latidos del corazón durante la inmersión a través del sistema nervioso autónomo.
Un factor adicional que puede reducir la frecuencia cardíaca es la compresión/expansión de los pulmones durante la inmersión/salida a la superficie.
Por lo tanto, la frecuencia de contracciones del corazón durante la inmersión y en la superficie está directamente relacionada con los modelos de hemodinámica arterial.
Ballena franca
Un estudio previo de las propiedades biomecánicas y los tamaños de las paredes de la aorta de la ballena franca (Balaenoptera physalus) mostró que durante las inmersiones, con una frecuencia de contracciones del corazón ≤10 latidos/min, el arco aórtico realiza el efecto de tanque (efecto Windkessel), que mantiene el flujo sanguíneo durante largos períodos diastólicos* entre las contracciones cardíacas y reduce la pulsación del flujo sanguíneo en una aorta distal rígida.
Diástole* (periodo diastólico) — periodo de relajación del corazón entre contracciones.
Todas las hipótesis, teorías y conclusiones descritas anteriormente deben tener evidencia material, es decir, ser confirmadas o refutadas en la práctica. Pero para eso, es necesario realizar un electrocardiograma a una ballena azul que se mueve libremente. Los métodos simples no funcionarán aquí, por lo que los científicos crearon su propio dispositivo para electrocardiografía.
Un video en el que los investigadores explican brevemente su trabajo.
El ECG de la ballena se registró utilizando un registrador de ECG personalizado, integrado en una cápsula especial con 4 ventosas. Los electrodos superficiales del ECG estaban integrados en dos de las ventosas. Los investigadores se dirigieron en barco a la bahía de Monterey (Océano Pacífico, cerca de California). Cuando finalmente se encontraron con la ballena azul, que salió a la superficie del agua, le fijaron el registrador de ECG a su cuerpo (cerca de aleta izquierda). Según los datos previamente recogidos, esta ballena es un macho de 15 años. Es importante destacar que este dispositivo es no invasivo, es decir, no requiere la inserción de ningún sensor o electrodo en la piel del animal. Por lo tanto, para la ballena, este procedimiento es completamente indoloro y con un estrés mínimo por contacto humano, lo cual es también extremadamente importante, dado que se están registrando las frecuencias cardíacas, que podrían estar distorsionadas debido al estrés. Como resultado, se obtuvo una grabación de ECG de 8.5 horas, a partir de la cual los científicos pudieron construir el perfil del ritmo cardíaco (imagen abajo).
Imagen №1: perfil del ritmo cardíaco de la ballena azul.
La forma de la señal del ECG fue similar a la registrada en ballenas pequeñas en cautiverio utilizando el mismo dispositivo. El comportamiento de la ballena durante la búsqueda de alimento fue completamente normal para su especie: inmersión durante 16.5 minutos a una profundidad de 184 m y períodos de superficie de 1 a 4 minutos.
El perfil del ritmo cardíaco, de acuerdo con la respuesta cardiovascular a la inmersión, mostró que la frecuencia cardíaca de 4 a 8 latidos por minuto predominaba en la fase inferior de las inmersiones durante la búsqueda de alimento, independientemente de la duración de la inmersión o la profundidad máxima. La frecuencia cardíaca durante la inmersión (calculada a lo largo de toda la duración de la inmersión) y la frecuencia cardíaca instantánea mínima durante la inmersión disminuyeron con la duración de la inmersión, mientras que la frecuencia cardíaca máxima en superficie después de la inmersión aumentaba con la duración de la inmersión. Es decir, cuanto más tiempo estuvo la ballena bajo el agua, más lentamente latía el corazón durante la inmersión y más rápido después de salir a la superficie.
Las ecuaciones alométricas para los mamíferos sostienen que una ballena que pesa 70,000 kg tiene un corazón que pesa 319 kg, y su volumen de eyección (el volumen de sangre expulsado por latido) es de alrededor de 80 l, por lo tanto, la frecuencia cardíaca en reposo debería ser de 15 latidos/min.
Durante las fases más bajas de las inmersiones, la frecuencia cardíaca instantánea osciló entre 1/3 y 1/2 de la frecuencia cardíaca en reposo pronosticada. Sin embargo, el ritmo cardíaco aumentó en la etapa de ascenso. En los intervalos superficiales, la frecuencia cardíaca era aproximadamente el doble de la frecuencia cardíaca en reposo pronosticada y variaba principalmente entre 30 y 37 latidos por minuto después de inmersiones profundas (> 125 metros de profundidad) y entre 20 y 30 latidos por minuto después de inmersiones más superficiales.
Esta observación puede indicar que el aumento de la frecuencia cardíaca es necesario para lograr el intercambio adecuado de gases respiratorios y la reperfusión (restablecimiento del flujo sanguíneo) de los tejidos entre inmersiones profundas.
Las inmersiones nocturnas cortas y poco profundas estaban asociadas con el descanso y, por lo tanto, son más representativas de un estado menos activo. Las frecuencias cardíacas típicas observadas durante una inmersión nocturna de 5 minutos (8 latidos por minuto) y el intervalo superficial que la acompaña de 2 minutos (25 latidos por minuto) podrían dar como resultado un ritmo cardíaco de unos 13 latidos por minuto. Esta cifra, como podemos ver, es sorprendentemente cercana a las predicciones calculadas por los modelos alométricos.
A continuación, los científicos construyeron perfiles de frecuencia cardíaca, profundidad y volumen relativo de los pulmones de 4 inmersiones individuales, cuyo análisis permitió estudiar el potencial impacto de la actividad física y la profundidad en la regulación del ritmo cardíaco.
Imagen n° 2: perfiles de frecuencia cardíaca, profundidad y volumen relativo de los pulmones de 4 inmersiones individuales.
Durante la alimentación a grandes profundidades, la ballena realiza una maniobra específica llamada 'descenso': abre rápidamente su boca para tragar agua con plancton, y luego filtra la comida. Se ha observado que la frecuencia cardíaca en el momento de tragar agua es 2.5 veces mayor que en el momento de la filtración. Esto indica claramente la dependencia del ritmo cardíaco de la carga física.
En cuanto a los pulmones, su influencia en el ritmo cardíaco es extremadamente poco probable, ya que no se han notado cambios significativos en el volumen relativo de los pulmones durante las inmersiones consideradas.
En las fases inferiores de inmersiones poco profundas, el breve aumento de la frecuencia cardíaca se relacionó exactamente con los cambios en el volumen relativo de los pulmones y podría haberse provocado por la activación del receptor de estiramiento pulmonar.
Resumiendo las observaciones anteriores, los científicos llegaron a la conclusión de que durante la alimentación a grandes profundidades se observa un aumento temporal de la frecuencia cardíaca de 2.5 veces. Sin embargo, la frecuencia cardíaca pico promedio durante los descensos en el momento de la alimentación aún representaba solo la mitad de la cantidad pronosticada en reposo. Estos datos son consistentes con la hipótesis de que los arcos aórticos flexibles de las grandes ballenas implementan el efecto reserva durante el ritmo cardíaco lento durante la inmersión. Además, el rango de frecuencias cardíacas más altas después de la inmersión confirmó la hipótesis de que la impedancia aórtica y la carga en el corazón disminuyen durante el intervalo superficial debido a la interferencia destructiva de las ondas de presión salientes y reflejadas en la aorta.
La fuerte bradicardia, observada por los investigadores, puede considerarse un resultado inesperado del estudio, dada la inmensa energía que la ballena gasta en la maniobra de descenso al tragar agua con plancton. Sin embargo, los costos metabólicos de esta maniobra pueden no correspondere a la frecuencia cardíaca o al transporte convectivo de oxígeno, en parte debido a la corta duración de la alimentación y a la posible activación de fibras musculares glicolíticas y de contracción rápida.
Durante el salto, las ballenas azules alcanzan altas velocidades y absorben volúmenes de agua que pueden ser mayores que su propio cuerpo. Los científicos sugieren que la alta resistencia y la energía necesaria para maniobrar rápidamente agotan los suministros totales de oxígeno en el cuerpo, lo que limita el tiempo de inmersión. La fuerza mecánica necesaria para absorber grandes cantidades de agua probablemente supera con creces la capacidad metabólica aeróbica. Es por esto que durante tales maniobras, aunque la frecuencia cardíaca aumenta, lo hace solo por un breve período.
Para un conocimiento más detallado de las sutilezas de la investigación, recomiendo echar un vistazo a .
Epílogo
Una de las conclusiones más importantes es que para el intercambio de gases y la reperfusión durante los breves intervalos en la superficie, las ballenas azules requieren casi la frecuencia cardíaca máxima, independientemente de la naturaleza del agotamiento de los reservas de oxígeno en la sangre y los músculos durante las inmersiones. Si consideramos que los individuos más grandes de ballenas azules deben trabajar más para obtener alimento en un período de tiempo más corto (de acuerdo con las hipótesis de alometría), se enfrentan inevitablemente a varias limitaciones fisiológicas tanto durante la inmersión como durante el intervalo en la superficie. Esto significa que evolutivamente, el tamaño de su cuerpo está limitado, porque si fueran más grandes, el proceso de obtención de alimento sería muy costoso y no compensado por la comida obtenida. Los propios investigadores creen que el corazón de la ballena azul opera al límite de sus capacidades.
En el futuro, los científicos planean ampliar las capacidades de su dispositivo, incluyendo la adición de un acelerómetro para comprender mejor el impacto de diferentes actividades físicas en el ritmo cardíaco. También planean aplicar su sensor de ECG en otros habitantes marinos.
Como ha mostrado este estudio, ser el ser más grande con el corazón más grande no es tan fácil. Sin embargo, sin importar las dimensiones de los habitantes marinos, y qué dieta sigan, debemos entender que la columna de agua que los humanos utilizan para la pesca, extracción y transporte, sigue siendo su hogar. Nosotros somos solo huéspedes, por lo que debemos comportarnos en consecuencia.
Off-topic del viernes:
Imágenes raras donde la ballena azul demuestra la capacidad de su boca.
Otro gigante de los mares es el cachalote. En este video, los científicos grabaron a un curioso cachalote a 598 metros de profundidad utilizando el ROV Hercules, controlado de forma remota.
Gracias por su atención, sigan siendo curiosos y que todos tengan un excelente fin de semana, chicos! 🙂
Gracias por permanecer con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver más contenido interesante? Apóyanos haciendo un pedido o recomendando a tus conocidos, , 30% de descuento para los usuarios de Habr en una alternativa única a los servidores de nivel de entrada, que hemos diseñado para usted: (disponibles opciones con RAID1 y RAID10, hasta 24 núcleos y hasta 40GB DDR4).
¿Dell R730xd a la mitad de precio? Solo aquí ¡en los Países Bajos! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — ¡desde $99! Lee sobre cómo
Fuente: habr.com
