Raske on vaielda väitega, et loodusel on kõige elavam kujutlusvõime. Igal taimestiku ja loomastiku esindajal on oma ainulaadsed ja mõnikord isegi kummalised omadused, mis sageli ei mahu meile pähe. Võtke näiteks seesama mantiskrabi. See röövellik olend on võimeline rünnama ohvrit või kurjategijat oma võimsate küünistega kiirusega 83 km/h ning nende visuaalne süsteem on üks keerulisemaid, mida inimesed kunagi uurinud on. Mantis vähid, kuigi ägedad, ei ole eriti suured - kuni 35 cm pikkused. Merede ja ookeanide, aga ka kogu planeedi suurim elanik on sinivaal. Selle imetaja pikkus võib ulatuda üle 30 meetri ja kaal 150 tonni. Vaatamata muljetavaldavale suurusele ei saa sinivaalu nimetada suureks jahimeesteks, sest... nad eelistavad planktonit.
Sinivaalade anatoomia on alati huvitanud teadlasi, kes soovivad paremini mõista, kuidas nii tohutu organism ja selles leiduvad elundid töötavad. Vaatamata sellele, et oleme sinivaalade olemasolust teadnud juba mitusada aastat (täpsemalt alates aastast 1694), pole need hiiglased kõiki oma saladusi paljastanud. Täna võtame vaatluse alla uuringu, mille käigus rühm Stanfordi ülikooli teadlasi töötas välja seadme, mida kasutati sinivaala südamelöökide esimeste salvestuste saamiseks. Kuidas töötab merevalitseja süda, milliseid avastusi on teadlased teinud ja miks ei võiks eksisteerida sinivaalast suuremat organismi? Sellest saame teada uurimisrühma aruandest. Mine.
Uurimiskangelane
Sinivaal on suurim imetaja, suurim merede ja ookeanide elanik, suurim loom, suurim vaal. Mis ma oskan öelda, sinivaal on mõõtmetelt tõesti parim - pikkus 33 meetrit ja kaal 150 tonni. Arvud on ligikaudsed, kuid mitte vähem muljetavaldavad.
Isegi selle hiiglase pea väärib Guinnessi rekordite raamatus eraldi rida, kuna see võtab enda alla umbes 27% kogu keha pikkusest. Pealegi on sinivaalade silmad üsna väikesed, mitte suuremad kui greip. Kui teil on raske vaala silmi näha, märkate kohe suud. Sinivaala suhu mahub kuni 100 inimest (jube näide, aga sinivaalad ei söö inimesi, vähemalt mitte tahtlikult). Suu suur suurus on tingitud gastronoomilistest eelistustest: vaalad söövad planktonit, neelavad alla tohutul hulgal vett, mis seejärel vabastatakse läbi filtriaparaadi, filtreerides toidu välja. Üsna soodsatel asjaoludel tarbib sinivaal umbes 6 tonni planktonit päevas.
Sinivaalade teine oluline tunnus on nende kopsud. Nad suudavad hoida hinge kinni 1 tund ja sukelduda kuni 100 m sügavusele. Kuid nagu teisedki mereimetajad, tõusevad sinivaalad perioodiliselt veepinnale hingama. Kui vaalad veepinnale tõusevad, kasutavad nad nende pea taga asuvat kahest suurest avast (ninasõõrmest) tehtud hingamisava. Vaala väljahingamisega läbi oma puhumisaugu kaasneb sageli kuni 10 m kõrgune vertikaalne purskkaev, kus vaalade elupaiga iseärasusi arvestades töötavad nende kopsud palju tõhusamalt kui meil – vaala kopsud neelavad 80-90% hapnikku ja meie oma ainult umbes 15%. Kopsude maht on umbes 3 tuhat liitrit, kuid inimestel varieerub see näitaja 3-6 liitri ringis.
Sinivaala südame mudel New Bedfordi (USA) muuseumis.
Ka sinivaala vereringesüsteem on täis rekordilisi parameetreid. Näiteks nende veresooned on lihtsalt tohutud, ainuüksi aordi läbimõõt on umbes 40 cm Sinivaala südant peetakse maailma suurimaks südameks ja see kaalub umbes tonni. Nii suure südamega on vaalal palju verd – täiskasvanul üle 8000 liitri.
Ja nüüd jõuame sujuvalt uuringu enda olemuseni. Sinivaala süda on suur, nagu me juba aru saime, kuid see lööb üsna aeglaselt. Varem arvati, et pulss on umbes 5-10 lööki minutis, harvadel juhtudel kuni 20. Aga täpseid mõõtmisi polnud seni keegi teinud.
Stanfordi ülikooli teadlased ütlevad, et mastaabil on bioloogias suur tähtsus, eriti kui tegemist on elusolendite organite funktsionaalsete omaduste määramisega. Erinevate olendite uurimine hiirtest vaaladeni võimaldab meil määrata suuruspiiranguid, mida elusorganism ületada ei saa. Ja süda ja kardiovaskulaarsüsteem üldiselt on selliste uuringute olulised atribuudid.
Mereimetajatel, kelle füsioloogia on täielikult kohandatud nende elustiiliga, mängivad olulist rolli sukeldumise ja hinge kinnihoidmisega seotud kohandused. On leitud, et paljudel neist olenditest langeb sukeldumise ajal pulsisagedus allapoole nende puhkeolekut. Ja pinnale tõustes muutub pulss kiiremaks.
Madalam pulss sukeldumise ajal on vajalik, et vähendada hapniku kohaletoimetamise kiirust kudedesse ja rakkudesse, aeglustades seeläbi hapnikuvarude ammendumise protsessi veres ja vähendades hapniku tarbimist südame enda poolt.
Oletatakse, et treening (st suurenenud füüsiline aktiivsus) moduleerib sukeldumisreaktsiooni ja tõstab sukeldumise ajal pulssi. See hüpotees on eriti oluline sinivaalade uurimisel, kuna tänu spetsiaalsele söötmismeetodile (äkiline sööst vee neelamiseks) peaks ainevahetuse kiirus teoreetiliselt ületama põhiväärtusi (puhkeolekus). 50 korda. Eeldatakse, et sellised väljahüpped kiirendavad hapniku ammendumist, vähendades seega sukeldumise kestust.
Südame löögisageduse tõus ja hapniku suurenenud ülekandumine verest lihastesse võivad mängida olulist rolli sellise kehalise tegevuse metaboolsete kulude tõttu. Lisaks tasub arvestada madala kontsentratsiooniga müoglobiin* (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).
müoglobiin* - skeletilihaste ja südamelihaste hapnikku siduv valk.
Kokkuvõtteks võib öelda, et füüsiline aktiivsus, sukeldumissügavus ja tahtekontroll muudavad sukeldumisel südame löögisagedust läbi autonoomse närvisüsteemi.
Täiendav tegur südame löögisageduse vähendamisel võib olla kopsude kokkusurumine/laienemine sukeldumise/tõusu ajal.
Seega on südame löögisagedus sukeldumise ajal ja pinnal viibimise ajal otseselt seotud arteriaalse hemodünaamilise mustriga.
Uimevaal
Eelmine uuring vaalade aordi seinte biomehaaniliste omaduste ja mõõtmete kohta (Balaenoptera physalus) näitas, et sukeldumisel pulsisagedusel ≤10 lööki/min rakendab aordikaar reservuaariefekti (Windkesseli efekt), mis säilitab verevoolu pikka aega diastoolsed perioodid* südamelöökide vahel ja vähendab verevoolu pulseerimist jäigas distaalses aordis.
Diastool* (diastoolne periood) - südame lõõgastumise periood kontraktsioonide vahel.
Kõik ülalkirjeldatud hüpoteesid, teooriad ja järeldused peavad omama materiaalseid tõendeid, st olema praktikas kinnitatud või ümber lükatud. Kuid selleks peate läbi viima vabalt liikuvale sinivaalale elektrokardiogrammi. Lihtsad meetodid siin ei tööta, seetõttu on teadlased loonud oma elektrokardiograafia seadme.
Video, milles teadlased räägivad lühidalt oma tööst.
Vaala EKG registreeriti spetsiaalsesse 4 iminappaga kapslisse ehitatud eritellimusel valmistatud EKG-salvesti abil. Pinna EKG elektroodid olid sisse ehitatud kahte iminappa. Teadlased sõitsid paadiga Monterey lahte (Vaikne ookean, California lähedal). Kui teadlased lõpuks pinnale kerkinud sinivaala kohtasid, kinnitasid nad selle keha külge (vasaku uime kõrvale) EKG-salvesti. Varem kogutud andmetel on see vaal 15-aastane isane. Oluline on märkida, et see seade on mitteinvasiivne, see tähendab, et see ei nõua andurite ega elektroodide sisestamist looma nahka. See tähendab, et vaala jaoks on see protseduur täiesti valutu ja minimaalse stressiga kokkupuutel inimestega, mis on samuti äärmiselt oluline, arvestades, et võetakse südamelöökide näidud, mis võivad stressi tõttu moonduda. Tulemuseks oli 8.5-tunnine EKG salvestus, mille põhjal said teadlased koostada südame löögisageduse profiili (allpool olev pilt).
Pilt nr 1: sinivaala südame löögisageduse profiil.
EKG lainekuju oli sarnane sama seadme abil vangistuses peetavatel väikestel vaaladel registreerituga. Vaala toitumiskäitumine oli tema liigi jaoks üsna tavaline: sukeldumine 16.5 minuti jooksul 184 m sügavusele ja pinnavahed 1–4 minutit.
Südame löögisageduse profiil, mis on kooskõlas kardiovaskulaarse reaktsiooniga sukeldumisele, näitas, et toiduotsimise sukeldumise alumises faasis domineerisid pulsisagedused vahemikus 4–8 lööki minutis, sõltumata sukeldumise kestusest või maksimaalsest sügavusest. Sukeldumise südame löögisagedus (arvutatud kogu sukeldumise kestuse kohta) ja minimaalne hetkeline sukeldumispulss langesid koos sukeldumise kestusega, samas kui sukeldumisjärgne maksimaalne pinnapulss tõusis koos sukeldumise kestusega. See tähendab, et mida kauem oli vaal vee all, seda aeglasemalt lööb süda sukeldumise ajal ja kiiremini pärast tõusu.
Imetajate allomeetrilised võrrandid omakorda väidavad, et 70000 319 kg kaaluva vaala süda kaalub 80 kg ja tema löögimaht (löögi kohta väljutatava vere maht) on umbes 15 l, seega peaks südame löögisagedus puhkeolekus olema XNUMX lööki/ min.
Sukeldumiste madalamate faaside ajal oli hetkeline pulss vahemikus 1/3 kuni 1/2 ennustatud puhkeoleku pulsisagedusest. Tõusuetapil pulss aga tõusis. Pinnapealsete intervallide korral olid südamelöögid ligikaudu kaks korda suuremad kui ennustatud puhkeoleku pulsisagedus ja jäid valdavalt vahemikku 30–37 lööki minutis pärast sügavaid sukeldumisi (sügavusel >125 m) ja 20–30 lööki minutis pärast madalamaid sukeldumisi.
See tähelepanek võib viidata sellele, et südame löögisageduse kiirendamine on vajalik soovitud respiratoorse gaasivahetuse ja kudede reperfusiooni (verevoolu taastamise) saavutamiseks sügavate sukeldumiste vahel.
Madalad, lühiajalised öised sukeldumised olid seotud puhkamisega ja olid seetõttu tavalisemad vähemaktiivsetes olekutes. 5-minutilise öise sukeldumise (8 lööki minutis) ja sellega kaasneva 2-minutilise pinnapealse intervalli (25 lööki minutis) ajal täheldatud tüüpilised pulsisagedused võivad kokku tuua pulsisageduse umbes 13 lööki minutis. See arv, nagu näeme, on märkimisväärselt lähedane allomeetriliste mudelite hinnangulistele ennustustele.
Seejärel analüüsisid teadlased nelja eraldi sukeldumisega südame löögisagedust, sügavust ja suhtelist kopsumahtu, et uurida füüsilise aktiivsuse ja sügavuse võimalikku mõju südame löögisageduse reguleerimisele.
Pilt nr 2: pulsisageduse, sügavuse ja suhtelise kopsumahu profiilid 4 üksiku sukeldumise kohta.
Suurel sügavusel toitu süües sooritab vaal teatud sööstmanöövri – avab järsult suu, et neelata planktoniga vett ja filtreerib seejärel toidu välja. Täheldati, et südame löögisagedus vee neelamise hetkel on 2.5 korda kõrgem kui filtreerimise hetkel. See räägib otseselt südame löögisageduse sõltuvusest kehalisest aktiivsusest.
Mis puutub kopsudesse, siis nende mõju südame löögisagedusele on äärmiselt ebatõenäoline, kuna kõnealuste sukeldumiste ajal ei täheldatud olulisi muutusi kopsude suhtelises mahus.
Veelgi enam, madalate sukeldumiste madalamates faasides seostati lühiajalist südame löögisageduse tõusu just kopsude suhtelise mahu muutustega ja selle võis põhjustada kopsu venitusretseptori aktiveerimine.
Ülalkirjeldatud tähelepanekuid kokku võttes jõudsid teadlased järeldusele, et suurel sügavusel toitmise ajal suureneb südame löögisagedus lühiajaliselt 2.5 korda. Keskmine maksimaalne pulsisagedus söötmise ajal oli siiski vaid pool ennustatud puhkeväärtusest. Need andmed on kooskõlas hüpoteesiga, et suurte vaalade painduvad aordikaared avaldavad sukeldumisel aeglase südame löögisageduse ajal reservuaariefekti. Lisaks toetas kõrgemate pulsisageduste vahemik sukeldumisjärgsel perioodil hüpoteesi, et aordi impedants ja südame töökoormus vähenevad pinnaintervalli jooksul aordis väljuvate ja peegeldunud rõhulainete hävitava interferentsi tõttu.
Teadlaste täheldatud tõsist bradükardiat võib nimetada uuringu ootamatuks tulemuseks, arvestades vaala kolossaalset energiakulu väljalangemismanöövrile, kui ta neelas koos planktoniga vett. Selle manöövri metaboolsed kulud ei pruugi aga langeda kokku südame löögisageduse või konvektiivse hapnikutranspordiga, osaliselt toitmise lühikese kestuse ja glükolüütiliste kiirete lihaskiudude võimaliku värbamise tõttu.
Väljalangemise ajal kiirendavad sinivaalad suure kiiruseni ja neelavad vett, mis võib olla suurem kui nende enda keha. Teadlased oletavad, et manööverdamiseks vajalik suur vastupanu ja energia ammendavad kiiresti keha koguhapnikuvarud, piirates sellega sukeldumisaega. Suure veekoguse neelamiseks vajalik mehaaniline jõud ületab tõenäoliselt aeroobse metaboolse jõu. Seetõttu tõusis selliste manöövrite ajal pulss, kuid väga lühikeseks ajaks.
Uuringu nüanssidega täpsemaks tutvumiseks soovitan vaadata .
Epiloog
Üks olulisemaid leide on see, et sinivaalad vajavad gaasivahetuseks ja reperfusiooniks lühikeste pinnaintervallide jooksul peaaegu maksimaalset südame löögisagedust, sõltumata sellest, milline on vere ja lihaste hapnikuvaegus sukeldumise ajal. Kui arvestada, et suuremad sinivaalad peavad toidu hankimiseks lühema aja jooksul rohkem tööjõudu investeerima (vastavalt allomeetrilistele hüpoteesidele), siis on neil paratamatult silmitsi mitmete füsioloogiliste piirangutega nii sukeldumise kui ka pinnalaotuse ajal. See tähendab, et evolutsiooniliselt on nende keha suurus piiratud, sest kui see oleks suurem, oleks toidu hankimise protsess väga kulukas ja seda ei kompenseeriks saadud toit. Teadlased ise usuvad, et sinivaala süda töötab oma võimaluste piiril.
Tulevikus plaanivad teadlased oma seadme võimalusi laiendada, sealhulgas lisada kiirendusmõõturi, et paremini mõista erinevate füüsiliste tegevuste mõju südame löögisagedusele. Samuti kavatsevad nad oma EKG-andurit kasutada muude mereelustiku puhul.
Nagu see uuring näitab, ei ole kerge olla suurim olend, kellel on suurim süda. Kuid olenemata mereelanike suurusest ja dieedist, mida nad järgivad, peame mõistma, et veesammas, mida inimesed kasutavad kalapüügiks, kaevandamiseks ja transpordiks, jääb nende koduks. Oleme ainult külalised ja seetõttu peame ka vastavalt käituma.
Reede off-top:
Haruldased kaadrid sinivaalast, kes demonstreerivad oma suu suutlikkust.
Teine merede hiiglane on kašelott. Selles videos filmisid teadlased kaugjuhitava ROV Hercules abil uudishimulikku kašelotti 598 meetri sügavusel.
Aitäh vaatamast, olge uudishimulikud ja ilusat nädalavahetust kõigile! 🙂
Täname, et jäite meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha huvitavamat sisu? Toeta meid, esitades tellimuse või soovitades sõpradele, , Habri kasutajatele 30% allahindlus ainulaadsele algtaseme serverite analoogile, mille me teie jaoks välja mõtlesime: (saadaval RAID1 ja RAID10, kuni 24 tuuma ja kuni 40 GB DDR4-ga).
Dell R730xd 2 korda odavam? Ainult siin Hollandis! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – alates 99 dollarist! Millegi kohta lugema
Allikas: www.habr.com