Es difícil discutir la afirmación de que la naturaleza tiene la imaginación más vívida. Cada uno de los representantes de la flora y la fauna tiene sus propias características únicas y, a veces, incluso extrañas, que a menudo no caben en nuestra cabeza. Tomemos, por ejemplo, el mismo cangrejo mantis. Esta criatura depredadora es capaz de atacar a una víctima o a un agresor con sus poderosas garras a una velocidad de 83 km/h, y su sistema visual es uno de los más complejos jamás estudiados por el ser humano. Los cangrejos mantis, aunque feroces, no son particularmente grandes: hasta 35 cm de longitud. El habitante más grande de los mares y océanos, así como del planeta en general, es la ballena azul. La longitud de este mamífero puede alcanzar más de 30 metros y pesar 150 toneladas. A pesar de su impresionante tamaño, las ballenas azules difícilmente pueden ser consideradas cazadoras formidables, porque... prefieren el plancton.
La anatomía de las ballenas azules siempre ha sido de interés para los científicos que quieren comprender mejor cómo funciona un organismo tan enorme y los órganos que contiene. A pesar de que conocemos la existencia de las ballenas azules desde hace varios cientos de años (desde 1694, para ser más precisos), estos gigantes no han revelado todos sus secretos. Hoy veremos un estudio en el que un grupo de científicos de la Universidad de Stanford desarrolló un dispositivo que sirvió para obtener las primeras grabaciones de los latidos del corazón de una ballena azul. ¿Cómo funciona el corazón del gobernante de los mares, qué descubrimientos han hecho los científicos y por qué no puede existir un organismo más grande que una ballena azul? Aprendemos sobre esto por el informe del grupo de investigación. Ir.
Héroe de la investigación
La ballena azul es el mamífero más grande, el habitante más grande de los mares y océanos, el animal más grande, la ballena más grande. Qué puedo decir, la ballena azul es realmente la mejor en términos de dimensiones: mide 33 metros de largo y pesa 150 toneladas. Las cifras son aproximadas, pero no menos impresionantes.
Incluso la cabeza de este gigante merece una línea aparte en el Libro Guinness de los Récords, ya que ocupa aproximadamente el 27% de la longitud total del cuerpo. Además, los ojos de las ballenas azules son bastante pequeños, no más grandes que un pomelo. Si le resulta difícil ver los ojos de una ballena, inmediatamente notará la boca. La boca de una ballena azul puede albergar hasta 100 personas (un ejemplo espeluznante, pero las ballenas azules no comen personas, al menos no intencionalmente). El gran tamaño de la boca se debe a preferencias gastronómicas: las ballenas comen plancton, tragan grandes volúmenes de agua, que luego se libera a través de un aparato de filtrado, filtrando el alimento. En circunstancias bastante favorables, la ballena azul consume unas 6 toneladas de plancton al día.
Otra característica importante de las ballenas azules son sus pulmones. Son capaces de contener la respiración durante 1 hora y sumergirse a profundidades de hasta 100 m, pero, como otros mamíferos marinos, las ballenas azules emergen periódicamente a la superficie del agua para respirar. Cuando las ballenas suben a la superficie del agua, utilizan un espiráculo, un orificio para respirar formado por dos grandes aberturas (fosas nasales) en la parte posterior de la cabeza. La exhalación de una ballena a través de su espiráculo suele ir acompañada de una fuente vertical de agua de hasta 10 m de altura. Teniendo en cuenta las características del hábitat de las ballenas, sus pulmones funcionan mucho más eficientemente que los nuestros: los pulmones de una ballena absorben entre el 80 y el 90% de oxígeno, y el nuestro sólo alrededor del 15%. El volumen de los pulmones es de unos 3 mil litros, pero en los humanos esta cifra varía entre 3 y 6 litros.
Maqueta del corazón de una ballena azul en un museo de New Bedford (EE.UU.).
El sistema circulatorio de la ballena azul también está lleno de parámetros récord. Por ejemplo, sus vasos son simplemente enormes: sólo la aorta tiene un diámetro de unos 40 cm. El corazón de las ballenas azules se considera el más grande del mundo y pesa alrededor de una tonelada. Con un corazón tan grande, la ballena tiene mucha sangre: más de 8000 litros en un adulto.
Y ahora llegamos sin problemas a la esencia del estudio en sí. El corazón de la ballena azul es grande, como ya entendimos, pero late con bastante lentitud. Anteriormente se creía que el pulso era de 5 a 10 latidos por minuto, en casos raros hasta 20. Pero hasta ahora nadie había realizado mediciones precisas.
Los científicos de la Universidad de Stanford afirman que la escala es de gran importancia en biología, especialmente cuando se trata de determinar las características funcionales de los órganos de los seres vivos. El estudio de diversas criaturas, desde ratones hasta ballenas, nos permite determinar los límites de tamaño que un organismo vivo no puede superar. Y el corazón y el sistema cardiovascular en general son atributos importantes de tales estudios.
En los mamíferos marinos, cuya fisiología está completamente adaptada a su estilo de vida, las adaptaciones asociadas al buceo y a contener la respiración juegan un papel importante. Se ha descubierto que muchas de estas criaturas tienen un ritmo cardíaco que cae a niveles inferiores a su estado de reposo durante una inmersión. Y al subir a la superficie, el ritmo cardíaco se vuelve más rápido.
Es necesaria una frecuencia cardíaca más baja durante el buceo para reducir la tasa de suministro de oxígeno a los tejidos y células, ralentizando así el proceso de agotamiento de las reservas de oxígeno en la sangre y reduciendo el consumo de oxígeno por parte del propio corazón.
Se plantea la hipótesis de que el ejercicio (es decir, el aumento de la actividad física) modula la respuesta de inmersión y aumenta la frecuencia cardíaca durante una inmersión. Esta hipótesis es especialmente importante para el estudio de las ballenas azules, ya que debido al método especial de alimentación (una embestida repentina para tragar agua), la tasa metabólica, en teoría, debería exceder los valores básicos (estado de reposo) en 50 veces. Se supone que tales estocadas aceleran el agotamiento del oxígeno y, por lo tanto, reducen la duración de la inmersión.
El aumento de la frecuencia cardíaca y la mayor transferencia de oxígeno de la sangre a los músculos durante una estocada pueden desempeñar un papel importante debido a los costos metabólicos de dicha actividad física. Además, cabe considerar la baja concentración mioglobina* (Mb) en ballenas azules (5-10 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.
Mioglobina* - proteína fijadora de oxígeno de los músculos esqueléticos y cardíacos.
Como conclusión, la actividad física, la profundidad del buceo y el control volitivo cambian la frecuencia cardíaca durante el buceo a través del sistema nervioso autónomo.
Un factor adicional en la reducción de la frecuencia cardíaca puede ser la compresión/expansión de los pulmones durante una inmersión/ascenso.
Por tanto, la frecuencia cardíaca durante una inmersión y mientras se está en la superficie está directamente relacionada con los patrones hemodinámicos arteriales.
Aleta de ballena
Un estudio previo de las propiedades biomecánicas y dimensiones de las paredes aórticas en ballenas de aleta (Balaenoptera physalus) demostraron que durante el buceo a una frecuencia cardíaca ≤10 latidos/min, el arco aórtico implementa un efecto de reservorio (Efecto Windkessel), que mantiene el flujo sanguíneo durante largos períodos períodos diastólicos* entre los latidos del corazón y reduce la pulsación del flujo sanguíneo hacia la aorta distal rígida.
Diástole* (período diastólico): el período de relajación del corazón entre las contracciones.
Todas las hipótesis, teorías y conclusiones descritas anteriormente deben tener evidencia material, es decir, ser confirmadas o refutadas en la práctica. Pero para hacer esto, es necesario realizar un electrocardiograma a una ballena azul que se mueve libremente. Los métodos simples no funcionarán aquí, por eso los científicos han creado su propio dispositivo para electrocardiografía.
Un vídeo en el que los investigadores hablan brevemente de su trabajo.
El ECG de la ballena se registró utilizando un registrador de ECG hecho a medida integrado en una cápsula especial con 4 ventosas. Se incorporaron electrodos de ECG de superficie en dos de las ventosas. Los investigadores tomaron un barco hasta la Bahía de Monterey (Océano Pacífico, cerca de California). Cuando los científicos finalmente encontraron una ballena azul que había salido a la superficie, colocaron un registrador de ECG en su cuerpo (al lado de su aleta izquierda). Según datos recopilados anteriormente, esta ballena es un macho de 15 años. Es importante destacar que este dispositivo no es invasivo, es decir, no requiere la introducción de ningún sensor o electrodo en la piel del animal. Es decir, para la ballena este procedimiento es completamente indoloro y con un mínimo estrés por el contacto con las personas, lo que también es de suma importancia, dado que se toman lecturas de los latidos del corazón, que podrían verse distorsionados debido al estrés. El resultado fue un registro de ECG de 8.5 horas a partir del cual los científicos pudieron construir un perfil de frecuencia cardíaca (imagen a continuación).
Imagen #1: Perfil de frecuencia cardíaca de la ballena azul.
La forma de onda del ECG fue similar a la registrada en pequeñas ballenas cautivas usando el mismo dispositivo. El comportamiento de búsqueda de alimento de la ballena fue bastante normal para su especie: buceó durante 16.5 minutos a una profundidad de 184 m e intervalos en la superficie de 1 a 4 minutos.
El perfil de frecuencia cardíaca, consistente con la respuesta cardiovascular a la inmersión, mostró que frecuencias cardíacas entre 4 y 8 latidos por minuto predominaban durante la fase inferior de las inmersiones de búsqueda de alimento, independientemente de la duración de la inmersión o la profundidad máxima. La frecuencia cardíaca de inmersión (calculada durante toda la duración de la inmersión) y la frecuencia cardíaca de inmersión instantánea mínima disminuyeron con la duración de la inmersión, mientras que la frecuencia cardíaca máxima en superficie después de la inmersión aumentó con la duración de la inmersión. Es decir, cuanto más tiempo estuvo la ballena bajo el agua, más lento latía el corazón durante la inmersión y más rápido después del ascenso.
A su vez, las ecuaciones alométricas para mamíferos establecen que una ballena que pesa 70000 kg tiene un corazón que pesa 319 kg, y su volumen sistólico (el volumen de sangre eyectada por latido) es de unos 80 l, por lo tanto, la frecuencia cardíaca en reposo debe ser de 15 latidos/ mín.
Durante las fases inferiores de las inmersiones, la frecuencia cardíaca instantánea estuvo entre 1/3 y 1/2 de la frecuencia cardíaca en reposo prevista. Sin embargo, la frecuencia cardíaca aumentó durante la etapa de ascenso. En los intervalos de superficie, la frecuencia cardíaca fue aproximadamente el doble de la frecuencia cardíaca en reposo prevista y osciló predominantemente entre 30 y 37 bpm después de inmersiones profundas (>125 m de profundidad) y de 20 a 30 bpm después de inmersiones menos profundas.
Esta observación puede indicar que la aceleración de la frecuencia cardíaca es necesaria para lograr el deseado intercambio de gases respiratorios y la reperfusión (restauración del flujo sanguíneo) de los tejidos entre inmersiones profundas.
Las inmersiones nocturnas poco profundas y de corta duración se asociaron con el descanso y, por lo tanto, fueron más comunes en estados menos activos. Las frecuencias cardíacas típicas observadas durante una inmersión nocturna de 5 minutos (8 latidos por minuto) y el intervalo de superficie de 2 minutos que lo acompaña (25 latidos por minuto) pueden combinarse para dar como resultado una frecuencia cardíaca de aproximadamente 13 latidos por minuto. Esta cifra, como podemos ver, se acerca notablemente a las predicciones estimadas de los modelos alométricos.
Luego, los científicos perfilaron la frecuencia cardíaca, la profundidad y el volumen pulmonar relativo de 4 inmersiones separadas para examinar los efectos potenciales de la actividad física y la profundidad en la regulación de la frecuencia cardíaca.
Imagen #2: Perfiles de frecuencia cardíaca, profundidad y volumen pulmonar relativo de 4 inmersiones separadas.
Al comer alimentos a grandes profundidades, la ballena realiza una determinada maniobra de embestida: abre bruscamente la boca para tragar agua con plancton y luego filtra la comida. Se observó que la frecuencia cardíaca en el momento de tragar agua es 2.5 veces mayor que en el momento de la filtración. Esto habla directamente de la dependencia de la frecuencia cardíaca de la actividad física.
En cuanto a los pulmones, su efecto sobre la frecuencia cardíaca es extremadamente improbable, ya que no se observaron cambios significativos en el volumen pulmonar relativo durante las inmersiones en cuestión.
Además, en las fases inferiores de inmersiones poco profundas, un aumento a corto plazo de la frecuencia cardíaca se asoció precisamente con cambios en el volumen relativo de los pulmones y podría deberse a la activación del receptor de estiramiento pulmonar.
Resumiendo las observaciones descritas anteriormente, los científicos llegaron a la conclusión de que durante la alimentación a grandes profundidades se produce un aumento a corto plazo de la frecuencia cardíaca de 2.5 veces. Sin embargo, la frecuencia cardíaca máxima promedio durante las estocadas para alimentarse era todavía solo la mitad del valor previsto en reposo. Estos datos son consistentes con la hipótesis de que los arcos aórticos flexibles de las ballenas grandes ejercen un efecto de reservorio durante el lento ritmo cardíaco del buceo. Además, el rango de frecuencias cardíacas más altas durante el período posterior a la inmersión apoyó la hipótesis de que la impedancia aórtica y la carga de trabajo cardíaca se reducen durante el intervalo de superficie debido a la interferencia destructiva de las ondas de presión salientes y reflejadas en la aorta.
La bradicardia grave observada por los investigadores puede considerarse un resultado inesperado del estudio, dado el colosal gasto de energía de la ballena en la maniobra de arremetida mientras traga agua con plancton. Sin embargo, el costo metabólico de esta maniobra puede no coincidir con la frecuencia cardíaca o el transporte convectivo de oxígeno, en parte debido a la corta duración de la alimentación y al posible reclutamiento de fibras musculares glucolíticas de contracción rápida.
Durante una estocada, las ballenas azules aceleran a altas velocidades y absorben un volumen de agua que puede ser mayor que su propio cuerpo. Los científicos plantean la hipótesis de que la alta resistencia y energía necesarias para la maniobra agotan rápidamente las reservas totales de oxígeno del cuerpo, limitando así el tiempo de inmersión. Es probable que la fuerza mecánica necesaria para absorber grandes volúmenes de agua supere con creces la fuerza metabólica aeróbica. Por eso, durante tales maniobras, la frecuencia cardíaca aumentaba, pero por muy poco tiempo.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, recomiendo mirar .
El acto final
Uno de los hallazgos más importantes es que las ballenas azules requieren frecuencias cardíacas cercanas al máximo para el intercambio de gases y la reperfusión durante intervalos cortos en la superficie, independientemente de la naturaleza del agotamiento del oxígeno en la sangre y los músculos durante las inmersiones. Si consideramos que las ballenas azules más grandes deben invertir más trabajo durante un período de tiempo más corto para obtener alimento (de acuerdo con las hipótesis alométricas), entonces inevitablemente se enfrentan a varias limitaciones fisiológicas tanto durante la inmersión como durante el intervalo de superficie. Esto hace que evolutivamente el tamaño de su cuerpo sea limitado, ya que si fuera más grande, el proceso de obtención de alimento sería muy costoso y no estaría compensado con la comida recibida. Los propios investigadores creen que el corazón de la ballena azul está trabajando al límite de sus capacidades.
En el futuro, los científicos planean ampliar las capacidades de su dispositivo, incluida la adición de un acelerómetro para comprender mejor el efecto de diferentes actividades físicas sobre la frecuencia cardíaca. También planean utilizar su sensor de ECG en otras especies marinas.
Como muestra este estudio, ser la criatura más grande y con el corazón más grande no es fácil. Sin embargo, no importa el tamaño de los habitantes marinos, no importa qué dieta sigan, debemos entender que la columna de agua, que el hombre utiliza para la pesca, la extracción y el transporte, sigue siendo su hogar. Somos sólo invitados y, por tanto, debemos comportarnos en consecuencia.
Viernes fuera de la cima:
Imágenes raras de una ballena azul que demuestran la capacidad de su boca.
Otro gigante de los mares es el cachalote. En este vídeo, los científicos, utilizando un ROV Hercules controlado remotamente, filmaron a un curioso cachalote a una profundidad de 598 metros.
¡Gracias por mirar, manténganse curiosos y tengan un gran fin de semana a todos! 🙂
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Fuente: habr.com