Raske on vaielda väitega, et kõige erilisem kujutlusvõime on looduses. Iga taime- ja loomaliik omab oma unikaalseid ja mõnikord isegi kummalisi omadusi, mis tihti ei leia aset meie mõtetes. Otsustame näiteks krevete jumalate armee. See kiskja suudab oma saaki või vaenlast rünnata oma võimsa pintsetiga kiirusel 83 km/h, ning nende nägemissüsteem on üks keerukamaid, mille kunagi inimene on uurinud. Ehkki krevete jumalate armee on ägedad, ei ole nad eriti suured — kuni 35 cm pikad. Ent suurim elanik mere ja ookeanide, samuti kogu planeedi on sinikala. Selle imetaja pikkus võib ulatuda üle 30 meetri ja kaal 150 tonni. Vaatamata oma muljetavaldavatele mõõtmetele on sinikalu raske nimetada hirmuäratavaks küttiks, kuna nad eelistavad toita planktoniga.
Sinistekitte anatoomia on alati huvitanud teadlasi, kes soovivad paremini mõista, kuidas toimib selline tohutu organism ja tema organid. Kuigi me teame siniste kitte olemasolust juba mitusada aastat (alates 1694. aastast, kui olla täpne), ei ole need hiiglased avalikustanud kaugeltki kõik oma saladused. Täna tutvume uuringuga, kus Stanfordi ülikooli teadlaste grupp on välja töötanud seadme, millega saadi esimesed ülesvõtted sinise kiti südame löögist. Kuidas aga töötab merede valitseja süda, milliseid avastusi teadlased tegid ja miks ei saa eksisteerida organism, mis oleks suurem kui sinine kit? Neist räägib uurimisrühm. Lähme edasi.
Uuringu kangelane
Sinine kitk — suurim imetaja, suurim merede ja ookeanide elanik, suurim loom, suurim kitk. Mis siin ikka öelda, sinine kit on tõeliselt kõige-kõigem mõõtmete poolest — pikkus 33 meetrit ja kaal 150 tonni. Need numbrid on ligikaudsed, kuid seetõttu mitte vähem muljetavaldavad.
Isegi selle hiiglasliku looma pea väärib eraldi rida Guinnessi rekordite raamatus, kuna see moodustab umbes 27% kogu keha pikkusest. Samas on sinikite silmad piisavalt väikesed, mitte suuremad kui greipfruit. Kui kiti silmi on keeruline näha, siis suud märkate kohe. Sinise kiti suud mahutab kuni 100 inimest (hirmsalt kõlav näide, kuid sinikid inimesi ei söö, vähemalt mitte tahtlikult). Suure suuväli on tingitud nende toitumisharjumustest: kiti söövad planktonit, neelates sisse suuri koguseid vett, mida pärast nad vabastavad läbi sõela sarnase seadme, filtreerides toitu. Piisavalt soodsatel tingimustel tarbib sinikite umbes 6 tonni planktonit päevas.
Teise olulise omadusena on sinikite kopsud. Nad suudavad hinge kinni hoida kuni 1 tunni ja sukelduda kuni 100 m sügavusele. Kuid nagu teisedki mereimetajad, tõusevad sinikud perioodiliselt pinnale, et hingata. Pinnale tõustes kasutavad kutid hingamisteed, mis on kaks suurt avamist (ninasõõret) pea tagaosas. Kuti väljahingamine hingamisteedest kaasneb sageli vertikaalse veesamba tekkimisega, mille kõrgus ulatub kuni 10 m. Arvestades kitse elupaiga eripära, töötavad nende kopsud meie omadest oluliselt efektiivsemalt — kiti kopsud neelavad 80-90% hapnikust, meie aga vaid umbes 15%. Kopsude maht on umbes 3000 liitrit, samas kui inimesel kõigub see näitaja 3-6 liitri vahel.
Sinise kiti südamemudel New Bedfordi muuseumis (USA).
Sinisi valikute süsteem on samuti täis rekordilisi omadusi. Näiteks on nende veresooned lihtsalt hiiglaslikud, üksnes aordi läbimõõt on umbes 40 cm. Sinise vaala süda on maailma suurim süda, kaaludes umbes tonni. Nii suure südamega on vaalal ka palju verd — üle 8000 liitri täiskasvanud isendi puhul.
Ja nüüd oleme sujuvalt jõudnud meie uurimistöö tuumani. Sinise vaala süda on suur, nagu me juba mõistsime, kuid see lööb piisavalt aeglaselt. Varem arvati, et pulss on umbes 5-10 lööki minutis, harvadel juhtudel kuni 20. Kuid täpseid mõõtmisi ei olnud varem tehtud, kuni praeguseni.
Stanfordi ülikooli teadlased väidavad, et skaala bioloogias on äärmiselt oluline, eriti kui räägime elusolendite organite funktsionaalsete omaduste määratlemisest. Erinevate olendite, alates hiirtest kuni vaaladeni, uurimine võimaldab määrata suuruse piirangud, mida elusorganism ei saa ületada. Süda ja veresoonkond tervikuna on selliste uuringute olulised atribuudid.
Mereline imetajatel, kelle füsioloogia on täielikult kohandatud nende eluviisiga, mängivad olulist rolli sukeldumise ja hingepeatusega seotud kohandused. On leitud, et paljude selliste olendite südame löögisagedus langeb sukeldumise ajal tasemetele, mis on madalamad kui puhkeolekus. Pinnale tõustes muutub südame rütm kiiremaks.
Vähenenud südame löögisagedus sukeldumiste ajal on vajalik hapniku tarne aeglustamiseks kudedesse ja rakkudesse, seeläbi aeglustades vere hapnikuväärade ammendumise protsessi ja vähendades hapniku tarbimist südame poolt.
On olemas hüpotees, et harjutused (st füüsilise aktiivsuse suurenemine) moduleerivad sukeldumise reaktsiooni ja suurendavad südame löögisagedust sukeldumise ajal. See hüpotees on eriti oluline sinikite uuringute jaoks, kuna nende toitumismeetodi (kiire sooks vees) tõttu peaks ainevahetuse kiirus teoreetiliselt ületama baasväärtusi (rahuloleku seisund) 50 korda. Eeldatakse, et sellised sooksud kiirendavad hapniku kahanemist, seega vähendades sukeldumise kestust.
Suurenenud südame löögisagedus ja suurenenud hapniku edastamine verest lihastesse sukeldumise ajal võivad mängida olulist rolli, arvestades selle füüsilise aktiivsuse ainevahetuskulusid. Samuti tuleb arvesse võtta madalat kontsentratsiooni mioglobiini* (Mb) sinikite seas (5-10 korda madalam kui teistel mereimetajatel: 0,8 g Mb 100 g-1 lihast sinikite puhul ja 1,8-10 g Mb teistel mereimetajatel).
Mioglobiin* on hapniku siduva valgu skeletilihastes ja südamelihases.
Kokkuvõtteks, füüsiline koormus, sukeldumise sügavus ja tahte kontroll muudavad südame löögisagedust sukeldumise ajal läbi vegetatiivse närvisüsteemi.
Lisategurina, mis võib südame löögisagedust vähendada, on ka kopsude kokkusurumine/laienemine sukeldumise/üles tõusmise ajal.
Seega on südame löögisagedus sukeldumise ajal ja pinnal viibimise ajal otseselt seotud arteriaalse hemodünaamikaga.
Finval
Varasem uurimus finvali (Balaenoptera physalus) biomehaanilistest omadustest ja aordi seinte suurustest näitas, et sukeldumiste ajal, kui südame löögisagedus on ≤10 lööki/min, teostab aordi kaar reservuaariefekti (Windkessel effekt), mis toetab vereringet pikkade diastoolsete perioodide* vahel südamepumpsükli ja vähendab verevoolu pulsi kangekaelsesse distaalsesse aorti.
Diastaal* (diastoolne periood) — südame lõdvestumise periood kokkutõmmete vahel.
Kõik eespool kirjeldatud hüpoteesid, teooriad ja järeldused peavad olema materiaalselt tõendatud, st kinnitatud või ümber lükatud praktikas. Kuid selleks tuleb teha elektrokardiograafia vabalt liikuvatele sinistele kitse. Lihtsad meetodid siin ei tööta, seega on teadlased loonud oma seadme elektrokardiograafia jaoks.
Video, kus teadlased lühidalt tutvustavad oma uurimistööd.
Sinise vaala ECG registreeriti kohandatud ECG registriga, mis oli integreeritud spetsiaalsesse kapslisse, millel oli 4 imemist. Pindmised ECG elektroodid olid integreeritud kahe imemise sisse. Uurijad sõitsid paadiga Monterey lahe (Vaikne ookean, Kaliforniast lähedal). Kui teadlased lõpuks kohtusid pinna poole tõusnud sinise vaalaga, kinnitasid nad tema kehale (vasaku uime lähedale) ECG registri. Varasemalt kogutud andmete kohaselt on see vaal 15-aastane isane. On oluline märkida, et seade on mitteinvasiivne, st ei nõua sensorite või elektroodide paigaldamist looma nahka. See tähendab, et protseduur on vaala jaoks täiesti valutu ja minimaalne stress inimkontaktist on samuti äärmiselt oluline, arvestades, et mõõdetakse südametuks, mis võiks stressi tõttu olla moonutatud. Tulemusena saadi 8.5-tunnine ECG salvestus, mille põhjal suutsid teadlased koostada südame rütmi profiili (allolev pilt).
Pilt nr 1: sinise vaala südame rütmi profiil.
EKG-signaali kuju oli sarnane sellele, mis oli registreeritud vangistatud väikeste kitsede puhul sama seadmega. Kiti käitumine toidu otsimise ajal oli tema liigi jaoks täiesti tavaline: 16,5 minutit sügavale 184 m ja pinnale tõusud kestisid 1 kuni 4 minutit.
Südame löögisageduse profiil, mis vastab kardiovaskulaarsele reaktsioonile sukeldumisel, näitas, et sukeldumise madalamal faasil oli 4 kuni 8 lööki minutis valdav, sõltumata sukeldumise kestusest või maksimaalsest sügavusest. Sukeldumise ajal (arvutatuna kogu sukeldumise kestuse jooksul) ja sukeldumise ajal minimaalne hetkene südame löögisagedus vähenes sukeldumise kestuse suurenemisega, samas kui maksimaalne pinnase südame löögisagedus pärast sukeldumist suurenes sukeldumise kestuse suurendamisega. Seega, mida kauem kit oli vees, seda aeglasemalt süda peksis sukeldumise ajal ja seda kiiremini pärast pinnale tõusmist.
Omakorda, allomeetrilised võrrandid imetajate kohta väidavad, et 70000 kg kaaluv vaalwaht on südamekaalu 319 kg, samas kui selle löögimaht (verehulk, mis paisatakse löögi ajal) on umbes 80 l, seega peaks südame löögisagedus puhkeolekus olema 15 lööki/min.
Sukeldumise madalamates etappides oli hetkeline südame löögisagedus 1/3 kuni 1/2 prognoositavast puhkeoleku südame löögisagedusest. Kuid südame rütm suurenes pinnale tõusmise etapis. Pinnase intervalides oli südame löögisagedus peaaegu kaks korda suurem kui prognoositud puhkeoleku südame löögisagedus ning varieerus peamiselt 30 kuni 37 lööki minutis pärast sügavaid sukeldumisi (> 125-meetrise sügavuse) ja 20 kuni 30 lööki minutis pärast madalamaid sukeldumisi.
See tähelepanek võib viidata sellele, et südame löögisageduse kiirendamine on vajalik vajaliku hingamisse gaaside vahetamiseks ja kudede repurfusiooniks (verevoolu taastamine) sügavate sukeldumiste vahel.
Üksikud lühiajalised öised sukeldumised olid seotud puhkuse ja seega iseloomulikumad vähem aktiivses seisundis. Tüüpilised südame löögisagedused, mis esinevad 5-minutilise öise sukeldumise ajal (8 lööki minutis) ja sellele järgneva 2-minutilise pinnaintervali ajal (25 lööki minutis), võivad kokkuvõttes tähendada, et südametuks on umbes 13 lööki minutis. Nagu näeme, on see number hämmastavalt lähedane allomeetriliste mudelite prognoosidele.
Edasi uurijad konstrueerisid südame löögisageduse, sügavuse ja suhtelise kopsu mahu profiilid 4 eraldi sukeldumise ajal, mille analüüs võimaldas uurida füüsilise aktiivsuse ja sügavuse võimalikku mõju südame rütmi reguleerimisele.
Pilt nr 2: südame löögisageduse, sügavuse ja suhtelise kopsu mahu profiilid 4 eraldi sukeldumise kohta.
Toidu tarbimise ajal suurtes sügavustes viib vaal läbi konkreetse manöövri: ta avab äkki suu, et neelata vett koos planktoniga, ja seejärel filtreerib toidu. On märgatud, et südamelöögid vees neelamise hetkel on 2,5 korda kõrgemad kui filtreerimise ajal. See näitab selgelt, et südame rütm sõltub füüsilisest koormusest.
Kopsude mõju südame rütmile on äärmiselt ebatõenäoline, kuna arvestatavaid muutusi kopsude suhtelises mahus ei ole seoses uuritavate sukeldumistega täheldatud.
Samas, madalates faasides lühiajaliste sukeldumiste korral oli lühiajaline südamelöökide arvu suurenemine seotud just kopsude suhtelise mahu muutustega ning see võis olla tingitud kopsude venituse retseptori aktiveerimisest.
Kokkuvõttes jõudsid teadlased järeldusele, et süvavees toitumise ajal on südame löögisageduse ajutine tõus 2,5 korda. Siiski oli keskmine tipp-südame löögisagedus toiduainete tarbimise hetkel endiselt vaid poole ennustatud puhkeväärtusest. Need andmed toetavad hüpoteesi, et suurte vaalade paindlikud aordikaared tekitavad aeglase südametuksumise ajal reservuaariefekti. Lisaks kinnitas pärast sukeldumist kõrgeim südame löögisageduse vahemik hüpoteesi, et aordi takistus ja südamele avaldatav koormus vähenevad pinnaseisaku ajal, mis on tingitud edasi suunduvatest ja peegelduvatest õhurõhu lainetest aordis.
Tugevat bradükardiat, mida uurijad täheldasid, võib pidada uuringu ootamatuks tulemuseks, arvestades, kui palju energiat kulutab vaal manööverdades vett planktoniga alla neelates. Kuid selle manöövri ainevahetuskulud ei pruugi vastata südametegevuse sagedusele või hapniku konvektiivsele transportimisele osaliselt seoses söömise lühiajalise kestvuse ja võimaliku glükolüütiliste, kiiresti kokkutõmbuvate lihaskiudude kaasamisega.
Sinised vaalad kiirenevad manöövrite ajal kõrgele kiirusel ja neelavad vett, mille kogus võib olla suurem kui nende enda keha. Teadlased arvavad, et suur takistus ja manööverdamiseks vajalik energia kurnavad kiiresti keha hapnikuvarusid, piirates seeläbi sukeldumise kestust. Suure veemahtude neelamise jaoks vajalik mehaaniline jõud ületab tõenäoliselt aerobi ainevahetuse jõu oluliselt. Seetõttu, kuigi südametegevuse sagedus suurenes selliste manöövrite ajal, toimus see väga lühikeseks ajaks.
Kuna soovid teema nüanssidega lähemat tutvust teha, soovitame vaadata .
Epilog
Üks olulisemaid järeldusi on see, et sinikite vahetamiseks gaasi ja repurfuse jaoks lühikeste pindmiste intervallide ajal on vajalik peaaegu maksimaalne südamerütmi sagedus, sõltumata hapnikuvarude ammendumise iseloomust veres ja lihastes sukeldumise ajal. Kui arvestada, et suuremad sinised kitid peavad toidu saamiseks rohkem vaeva nägema lühema aja jooksul (kooskõlas allomeetria hüpoteesidega), siis seisavad nad paratamatult silmitsi mitmete füsioloogiliste piirangutega nii sukeldumise ajal kui ka pindmiste intervallide jooksul. See tähendab, et nende kehakaalu areng on evolutsiooniliselt piiratud, kuna suurem keha oleks toidu hankimise protsessist väga kulukas ja ei kompenseeriks saadud toitu. Uurijad usuvad, et sinikite süda töötab oma võimekuse piiril.
Tulevikus plaanivad teadlased suurendada oma seadme võimalusi, sealhulgas lisada akseleromeetri, et paremini mõista erineva füüsilise aktiivsuse mõju südame rütmile. Samuti plaanivad nad rakendada oma EKG-andurit teistel mereelukatel.
Kuidas näitas see uuring, olla suurim olend koos kõige suurema südamega — ei ole sugugi lihtne. Küll aga, sõltumata sellest, milliste mõõtmetega on mereelukad, millist toitumisviisi nad järgivad, peame mõistma, et veesammas, mida inimesed kalapüügiks, kaevandamiseks ja transportimiseks kasutavad, jääb nende koduks. Me oleme vaid külalised ja seega peame käituma vastavalt.
Reede off-topic:
Haruldased kaadrid, kus sinine vaal näitab oma suu mahutavust.
Teine ookeani hiiglane on sperma vaal. Selles videos filmeanid teadlased kaugjuhtimisega ROV Hercules abil 598 meetri sügavuses uudishimu kaemanud sperma vaala.
Aitäh tähelepanu eest, jääge uudishimulisteks ja nautige kõiki nädalavahetusi, sõbrad! 🙂
Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha rohkem huvitavaid materjale? Toetage meid, tehes tellimuse või soovitades meid tuttavatele. , 30% soodustus Habra kasutajatele meie ainulaadsetelt entry-level serveritelt, mis on loodud just teile: (saadaval on RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 südamikku ja kuni 40GB DDR4).
Dell R730xd kaks korda odavam? Ainult meie juures Hollandi turul! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege, kuidas
Allikas: habr.com
