Raske on vaielda väitega, et kõige erksam kujutlusvõime kuulub loodusele. Igal taime- ja loomaliigil on oma unikaalsed, mõnikord isegi kummalised omadused, mis tihti ei mahu meie mõistusesse. Võtame näiteks samasuguse rannaroheline. See kiskja suudab oma võimsate küünistega rünnata ohvreid või vaenlasi kiirusel kuni 83 km/h, ning nende silmasüsteem on üks keerulisemaid, mida inimene kunagi uurinud on. Rannaroheline on küll vihane, aga mitte just eriti suur — kuni 35 cm pikk. Küll aga on suurim veede elanik, nagu ka kogu planeedi suurim olend, sinine vaal. Selle imetaja pikkus võib ulatuda üle 30 meetri ja kaal 150 tonni. Hoolimata oma muljetavaldavast suurusest on siniseid vaalu keeruline nimetada kohutavateks jahimeesteks, kuna nad eelistavad planktonit.
Siniste vaalade anatoomia on alati huvitanud teadlasi, kes soovivad paremini mõista, kuidas nii tohutu organism ja selle organid töötavad. Hoolimata sellest, et siniste vaalade olemasolust teame juba mitusada aastat (kui täpne olla, siis alates 1694. aastast), pole need hiiglased avanenud kaugeltki kõik oma saladused. Täna tutvume uuringuga, milles Stanfordi ülikooli teadlaste rühm on välja töötanud seadme, mille abil saadi esimesed salvestused sinise vaala südamelöökidest. Kuidas toimib merede valitseja süda, milliseid avastusi teadlased tegid ja miks ei saa eksisteerida organism, mis on suurem kui sinine vaal? Selle kohta saame teada teadusgrupi raportist. Alustame.
Uurimise kangelane
Sinine vaal on suurim imetaja, suurim merede ja ookeanide elanik, suurim loom, suurim vaal. Mis siin öelda, et sinine vaal on tõeliselt kõige-kõige oma mõõtmete poolest — pikkus 33 meetrit ja kaal 150 tonni. Numbrid on ligikaudsed, kuid sellegipoolest muljetavaldavad.
Isegi selle hiiglase pea väärib eraldi rida Guinnessi rekordite raamatus, kuna see moodustab umbes 27% keha kogupikkusest. Samas on sinikite silmad üsna väikesed, mitte suuremad kui greipfruut. Kui kiti silmi on raske näha, siis suud märkate te kohe. Sinise kiti suu mahutab kuni 100 inimest (hirmutav näide, kuid sinikite ei söö inimesi, vähemalt mitte teadlikult). Suure suuvõime suurus on tingitud gastronoomilistest eelistustest: kiti sööb planktonit, neelates suuri veemahte, mida hiljem vabastavad filtreerimisseadmest, eemaldas toidu. Soodsates oludes neelab sinine kit umbes 6 tonni planktonit päevas.
Teine oluline omadus sinikite juures on nende kopsud. Need suudavad hoida hinge kinni 1 tunni ja sukelduda kuni 100 m sügavusele. Kuid nagu teised mereimetajad, tulevad sinikided aeg-ajalt pinnale hingama. Pinnale tõustes kasutavad kiti õhuava - hingamisteed kahes suuremas augus (ninasõõrmed) pea tagaosas. Kiti väljapuhumine õhuavast on sageli kaasas vertikaalne veesammas, mis ulatub kuni 10 m kõrgusele. Arvestades sinikite elupaiga eripära, toimivad nende kopsud meie omadega võrreldes oluliselt efektiivsemalt - kiti kopsud neelavad 80-90% hapnikust, meie aga vaid umbes 15%. Kopsude maht on umbes 3000 liitrit, inimesel jääb see vahemikku 3-6 liitrit.
Sinise kiti südamemudel New Bedfordi muuseumis (USA).
Sinise kiti vereringesüsteem on samuti täis rekordilisi parameetreid. Näiteks on nende veresooned lihtsalt hiiglaslikud, ainult aordi diameeter on umbes 40 cm. Siniseid kiti südameid peetakse maailma suurimaks ja need kaaluvad umbes tonni. Nii suure südamega on kiti veri palju - üle 8000 liitri täiskasvanud isendi puhul.
Ja nüüd oleme sujuvalt jõudnud uurimise tuumani. Sinise kiti süda on suur, nagu me juba mõistsime, kuid see lööb piisavalt aeglaselt. Varasemalt arvati, et pulss on umbes 5-10 lööki minutis, harvadel juhtudel kuni 20. Kuid täpset mõõtmist ei olnud keegi teinud, kuni praeguseni.
Stanfordi ülikooli teadlased väidavad, et bioloogias on skaala erakordse tähtsusega, eriti kui on tegemist elusolendite organite funktsionaalsete omaduste määratlemisega. Erinevate olendite, alates hiirtest kuni vaalideni, uurimine võimaldab kindlaks teha mõõtmete piirangud, mida elusolend ei saa ületada. Süda ja kogu südame-veresoonkonna süsteem on selliste uuringute olulised aspektid.
Mereimetajatel, kelle füsioloogia on täielikult kohandatud nende eluviisiga, mängivad suurt rolli nendel eludel kätkenevad sukeldumise ja hingetõmbe pidurdamise adaptaarsioonid. On leitud, et paljude selliste olendite südamerütm sukeldumise ajal väheneb tasemele, mis on madalam kui puhkeolek. Pinnale tõustes suureneb südame löögisagedus.
Vähenenud südame löögisagedus sukeldumise ajal on vajalik hapniku tarne aeglustamiseks kudedesse ja rakkudesse, tõhusalt aeglustades hapnikuviiresuse ammendumise protsessi vereringes ja vähendades südame hapniku tarbimist.
On välja pakutud hüpotees, et harjutamine (st suurenenud füüsiline aktiivsus) moduleerib sukeldumise reaktsiooni ja suurendab südame löögisagedust sukeldumise ajal. See hüpotees on eriti oluline sinivaalade uurimiseks, kuna nende toitumise eriline meetod (äge tõuge vee neelamiseks) peaks teoreetiliselt kiirendama ainevahetust 50 korda rohkem kui puhkeoleku tasemel. Eeldatakse, et sellised tõuked kiirendavad hapnikuviiresuse ammendumist, vähendades seeläbi sukeldumise kestvust.
Suurenenud südame löögisagedus ja suurem hapniku edastus verest lihastesse sukeldumise ajal võivad mängida olulist rolli, arvestades sellise füüsilise aktiivsuse metaboolseid kulusid. Samuti tuleks arvestada madalat kontsentratsiooni mioglobiinist* (Mb) sinivaaladel (5-10 korda madalam kui teistel mereimetajatel: 0,8 g Mb 100 g-1 lihase kohta sinivaaladel ja 1,8-10 g Mb teistel mereimetajatel.
Mioglobiin* — hapnikku siduv valk skeletilihastes ja südame lihastes.
Kokkuvõttes, füüsiline koormus, sukeldumise sügavus ja tahte kontroll muudavad südame löögisagedust sukeldumise ajal läbi autonoomse närvisüsteemi.
Lisafaktorina, mis mõjutab südame löögisageduse vähenemist, võib olla ka kopsude kokkutõmbumine/laienemine sukeldumise või pinnale tõusmise ajal.
Seega seondub sukeldumise ja pinnal olles südametegevuse sagedus otseselt arteriaalse hemodünaamika mudelitega.
Hõbevaal
Varasem uuring hõbevaala aordi seinte biomehaaniliste omaduste ja mõõtmete kohta (Balaenoptera physalus) näitas, et sukeldumiste ajal, kui südametegevuse sagedus on ≤10 lööki/min, realiseerib aordi kaar reservuaariefekti (Windkessel effekt), mis toetab vereringet pikka aega diastoolsed perioodid* südametegevuse vahel ja vähendab veretõuget jäigas distaalses aordis.
Diastool* (diastoolne periood) — period, mille jooksul süda lõdvestub enne kokkutõmbeid.
Kõik eespool kirjeldatud hüpoteesid, teooriad ja järeldused peavad olema materiaalsed tõendid, st need tuleb kinnitada või ümber lükata praktikas. Selleks on vaja teha elektrokardiograafiat vabalt liikuvatele sinine vaalale. Siin ei toimi lihtsad meetodid, seetõttu on teadlased loonud oma seadme elektrokardiograafia jaoks.
Video, kus teadlased räägivad lühidalt oma tööst.
Hundi EKG registreeriti kohandatud EKG registri abil, mis oli integreeritud spetsiaalsesse kapslisse, millel oli neli imemist. Pindmised EKG elektroodid olid integreeritud kahte imemisse. Uurijad sõitsid paadiga Montereyi lahte (Vaikne ookean, California lähedal). Kui teadlastele lõpuks ilmus silmuskala, kes kerkis veepinnale, kinnitasid nad tema kehale (vasaku finni lähedal) EKG registreerija. Varasemate andmete kohaselt on see hunni isane, 15 aastat vana. Oluline on märkida, et seade on mitteinvasiivne, st see ei nõua naha alla andurite või elektroodide paigaldamist. Seega on see protseduur hunni jaoks täiesti valutu ja koostoime inimestega tekitab minimaalselt stressi, mis on samuti äärmiselt oluline, arvestades, et südamelöökide näidud, mis on võetud, võivad stressi tõttu moonutada. Tulemuseks saadi 8,5-tunnine EKG kätlemine, mille põhjal suudeti teadlastel luua südame rütmi profiil (pilt allpool).
Pilt nr 1: sinihundi südame rütmi profiil.
EKG signaali kuju oli sarnane sellele, mis oli registreeritud väikestelt xidilt vangistuses sama seadmega. Hundi käitumine toidu otsimise ajal oli tema liigile täiesti tavaline: sukeldumine 16,5 minutiks sügavusele 184 m ja pinnase intervalid 1 kuni 4 minutit.
Südame rütmi profiil, mis vastab südame-veresoonkonna reaktsioonile sukeldumisele, näitas, et südame löögisagedus 4 kuni 8 lööki minutis domineeris toidu otsimise sukeldumise madalas faasis, sõltumata sukeldumise kestusest või maksimaalsest sügavusest. Sukeldumise ajal (arvestatud kogu sukeldumise kestuse põhjal) ja minimaalsed hetkes südame löögisagedused sukeldumise ajal vähenesid sukeldumise kestusega, samas kui maksimaalne pinnasüdameläbimisse arter pärast sukeldumist suurenes sukeldumise kestusega. Teisisõnu, mida kauem hunni oli vees, seda aeglasemalt süda süstis sukeldumise ajal ja seda kiiremini pärast pinnale kerkimist.
Oma korda väidavad aloometrilised võrrandid imetajate puhul, et 70000 kg kaaluval vaalal on süda, mis kaalub 319 kg, ja selle löögimaht (verehulk, mida paisatakse löögiga) on umbes 80 l, seega peaks puhkeperioodi südametegevuse sagedus olema 15 p/min.
Sügava sukeldumise madalamates faasides oli hetkesüdametegevuse sagedus 1/3 kuni 1/2 prognoositud puhkeperioodi südametegevuse sagedusest. Siiski suurenes pulss tõusmisfaasis. Pinnase intervallides ületas südametegevuse sagedus prognoositud puhkeperioodi määrad umbes kaks korda ning varieerus peamiselt 30 kuni 37 lööki minutis pärast sügavaid sukeldumisi (> 125 meetri sügavust) ja 20 kuni 30 lööki minutis pärast madalaid sukeldumisi.
See tähelepanek võib viidata sellele, et südametegevuse kiirus on vajalik, et saavutada vajalik hingamisgaasi vahetus ja kudede reperfusioon (verevoolu taastamine) sügavate sukeldumiste vahel.
Mitte sügavad lühiajalised öised sukeldumised olid seotud puhkusega ja seega iseloomustasid need vähem aktiivset olekut. Tüüpilised südametegevuse sagedused, mida täheldati 5-minutilise öise sukeldumise jooksul (8 lööki minutis) ja sellele järgnenud 2-minutilise pinnase intervalli (25 lööki minutis), võivad kokkuvõttes tuua südame löömise umbes 13 löögini minutis. See number on, nagu me näeme, üllatavalt lähedane aloometriliste mudelite arvutatud prognoosidele.
Edasi uurijad koostasid 4 eraldi sukeldumise südametegevuse, sügavuse ja suhtelise kopsumahtu profiilid, mille analüüs võimaldas uurida füüsilise aktiivsuse ja sügavuse võimalikku mõju südame rütmi reguleerimisele.
Pilt nr 2: südametegevuse, sügavuse ja suhtelise kopsumahtu profiilid 4 eraldi sukeldumisest.
Söögi ajal sügavatel sügavustel teeb vaal kindla manöövri: see avab järsku suu, et neelata vette planktoniga, ja seejärel filtreerib toidu. On märgatud, et südamelöökide arv vee neelamise hetkel on 2,5 korda kõrgem kui filtreerimise ajal. See näitab otseselt südame rütmi sõltuvust füüsilisest koormusest.
Mis puutub kopsudesse, siis nende mõju südame rütmile on äärmiselt ebatõenäoline, kuna arvesse võetavate sukeldumiste ajal ei ole märgatud olulisi muutusi kopsude suhtelises mahus.
Samas, madala sügavuse sukeldumiste alumistes faasides oli lühiajaline südame löögisageduse tõus seotud just kopsude suhtelise mahu muutustega ning võis olla põhjustatud kopsude venituse retseptorite aktiveerimisest.
Kokkuvõttes jõudsid teadlased järeldusele, et sügavatel toitumishetkedel täheldatakse lühiajalist südamelöökide arvu suurenemist 2,5 korda. Siiski jäi toitmise ajal südamelöökide keskmine tippsagedus endiselt vaid pooleks prognoositud puhke väärtusest. Need andmed on kooskõlas hüpoteesiga, et suurte vaalade paindlikud aordikaared teostavad reservuaariefekti aeglase südame rütmi perioodil sukeldumise ajal. Lisaks kinnitas pärast sukeldumist täheldatud kõrgemate südamelöökide vahemik hüpoteesi, et aordi takistus ja südamele avaldatud koormus vähenevad pinnaintervalli ajal aurulainete hävitava sekkumise tõttu.
Tugevat bradükardiat, mida teadlased täheldasid, võib nimetada uurimise ootamatuks tulemuseks, arvestades vaala tohutuid pingutusi veepanktoni neelamisel. Siiski võivad selle manöövri ainevahetuskulud mitte vastata südame löögisagedusele või oksüdeerimise konvektiivsele transportimisele osaliselt söömise lühikese kestuse ja kiirete kokkutõmbuvate lihaskiudude kasutamise tõttu.
Sinised vaalad kiirenevad sukeldumise ajal suurele kiirusel ja neelavad vett, mille maht võib ületada nende enda keha. Teadlased oletavad, et suur takistus ja energia, mis on vajalik manööverdusvõimeks, kurnavad kiiresti keha üldiseid hapnikuvarusid, piirates seeläbi sukeldumise aega. Suur jõud, mis on vajalik suurte veehulkade neelamiseks, tõenäoliselt ületab aerobi metaboolse jõu. Seetõttu, kuigi südame löögisagedus suureneb sukeldumise ajal, juhtub see vaid väga lühikese aja jooksul.
Kuna soovin üksikasjalikumalt uurimise nüansse, soovitan tutvuda .
Epilog
Üks tähtsamaid järeldusi on see, et gaasivahetuseks ja reperfusiooniks lühikeste pinnaintervallide ajal vajavad sinised vaalad peaaegu maksimaalset südame löögisagedust, sõltumata hapnikuvarude jaotumisest veres ja lihastes sukeldumise ajal. Kui arvestada, et suuremad sinised vaalad peavad toidu saamiseks investeerima rohkem energiat lühikese ajaperioodi jooksul (vastavalt allomeetria hüpoteesidele), siis seisavad nad silmitsi mitmete füsioloogiliste piirangutega nii sukeldumise ajal kui ka pinnaintervallide jooksul. See tähendab, et evolutsiooniliselt on nende keha suurus piiratud, kuna kui see oleks suurem, siis toidu hankimise protsess oleks väga kulukas ega tasuks end ära saadud toidu osas. Uurijad usuvad, et sinise vaala süda töötab oma võimete piiril.
Edasi plaanivad teadlased laiendada oma seadme võimalusi, sealhulgas lisada kiirendusmõõtja, et paremini mõista erineva füüsilise aktiivsuse mõju südame rütmile. Samuti plaanivad nad rakendada oma EKG-andurit teistel mereelustiku liikidel.
See uurimus näitas, et olla kõige suurem olend ja omada suurimat südant — ei ole sugugi lihtne. Siiski, olgu mereloomade suurus millisest suurusest tahes ja järgige nad millist dieeti, peame mõistma, et vesi, mida inimene kasutab kalapüügiks, kaevandamiseks ja transportimiseks, jääb nende koduks. Me oleme vaid külalised ja seetõttu peame käituma vastavalt.
Reede off-topic:
Haruldased kaadrid, kus sinine vaal näitab oma suu mahutavust.
Veel merede hiiglaslik on sperm whale. Antud videos salvestasid teadlased kaugjuhitava ROV Hercules abil 598 meetri sügavusel uudishimuliku sperm whale'i.
Tänan tähelepanu eest, jääge uudishimu juurde ja soovin kõigile toredat nädalavahetust, sõbrad! 🙂
Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha rohkem huvitavat sisu? Toetage meid, tellides teenuse või soovitades meid tuttavatele. , 30% allahindlus Habr'i kasutajatele ainulaadsele sissetuleku tasemel serverile, mille oleme teie jaoks välja mõelnud: (saadaval RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 tuuma ja kuni 40GB DDR4).
Dell R730xd kaks korda odavam? Ainult meie juures Hollandis! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege sellest
Allikas: habr.com
