بحث با این جمله که طبیعت زنده ترین تخیل را دارد دشوار است. هر یک از نمایندگان گیاهان و جانوران ویژگی های منحصر به فرد و گاهی اوقات عجیب خود را دارند که اغلب نمی توانند در ذهن ما جا بیفتند. به عنوان مثال، همان خرچنگ آخوندک را در نظر بگیرید. این موجود درنده قادر است با چنگال های قدرتمند خود با سرعت 83 کیلومتر بر ساعت به قربانی یا مجرم حمله کند و سیستم بینایی آنها یکی از پیچیده ترین سیستم هایی است که تاکنون توسط انسان ها مورد مطالعه قرار گرفته است. خرچنگ آخوندک، اگرچه خشن است، اما به خصوص بزرگ نیست - تا 35 سانتی متر طول دارد. بزرگترین ساکن دریاها و اقیانوس ها و همچنین سیاره به طور کلی، نهنگ آبی است. طول این پستاندار به بیش از 30 متر و وزن 150 تن می رسد. با وجود اندازه چشمگیرشان، به سختی می توان نهنگ های آبی را شکارچیان مهیب نامید، زیرا... آنها پلانکتون را ترجیح می دهند.
آناتومی نهنگ‌های آبی همیشه مورد توجه دانشمندانی بوده است که می‌خواهند بهتر بفهمند چنین موجود عظیمی و اندام‌های موجود در آن چگونه کار می‌کنند. با وجود این واقعیت که ما از وجود نهنگ های آبی برای چندین صد سال (به طور دقیق تر از سال 1694) اطلاع داریم، این غول ها همه رازهای خود را فاش نکرده اند. امروز نگاهی به مطالعه ای خواهیم داشت که در آن گروهی از دانشمندان دانشگاه استنفورد دستگاهی را ساختند که برای به دست آوردن اولین ضبط ضربان قلب یک نهنگ آبی مورد استفاده قرار گرفت. قلب فرمانروای دریاها چگونه کار می کند، دانشمندان چه اکتشافاتی کرده اند و چرا موجودی بزرگتر از نهنگ آبی نمی تواند وجود داشته باشد؟ از گزارش گروه پژوهشی در این باره مطلع می شویم. برو
قهرمان تحقیق
نهنگ آبی بزرگترین پستاندار، بزرگترین ساکن دریاها و اقیانوس ها، بزرگترین حیوان، بزرگترین نهنگ است. چه می توانم بگویم، نهنگ آبی از نظر ابعاد واقعاً بهترین است - طول 33 متر و وزن 150 تن است. اعداد تقریبی هستند، اما کمتر چشمگیر نیستند.
حتی سر این غول سزاوار یک خط جداگانه در کتاب رکوردهای گینس است، زیرا حدود 27٪ از طول کل بدن را اشغال می کند. علاوه بر این، چشم‌های نهنگ‌های آبی بسیار کوچک هستند و از گریپ فروت بزرگتر نیستند. اگر دیدن چشمان نهنگ برای شما دشوار است، بلافاصله متوجه دهان خواهید شد. دهان یک نهنگ آبی می تواند تا 100 نفر را در خود جای دهد (نمونه ای وحشتناک، اما نهنگ های آبی، حداقل نه عمدا، مردم را نمی خورند). اندازه بزرگ دهان به دلیل ترجیحات گوارشی است: نهنگ ها پلانکتون را می خورند، حجم عظیمی از آب را می بلعند، که سپس از طریق یک دستگاه فیلتر آزاد می شود و غذا را فیلتر می کند. در شرایط نسبتاً مطلوب، نهنگ آبی حدود 6 تن پلانکتون در روز مصرف می کند.
یکی دیگر از ویژگی های مهم نهنگ های آبی ریه های آنهاست. آنها قادرند نفس خود را به مدت 1 ساعت نگه دارند و تا اعماق 100 متری شیرجه بزنند اما مانند سایر پستانداران دریایی، نهنگ های آبی به صورت دوره ای برای نفس کشیدن به سطح آب می آیند. هنگامی که نهنگ ها به سطح آب می آیند، از یک سوراخ تنفسی استفاده می کنند، یک سوراخ تنفسی که از دو سوراخ بزرگ (سوراخ های بینی) در پشت سرشان ساخته شده است. بازدم یک نهنگ از طریق سوراخ دمش اغلب با یک چشمه آب عمودی تا ارتفاع 10 متر همراه است. با توجه به ویژگی های زیستگاه نهنگ ها، ریه های آنها بسیار کارآمدتر از ما کار می کنند - ریه نهنگ 80 تا 90٪ از نهنگ ها را جذب می کند. اکسیژن، و ما فقط حدود 15٪. حجم ریه ها حدود 3 هزار لیتر است، اما در انسان این رقم در حدود 3-6 لیتر متغیر است.
مدل قلب نهنگ آبی در موزه ای در نیوبدفورد (ایالات متحده آمریکا).
سیستم گردش خون نهنگ آبی نیز پر از پارامترهای رکوردی است. به عنوان مثال، رگ های آنها به سادگی بزرگ هستند، قطر آئورت به تنهایی حدود 40 سانتی متر است. قلب نهنگ های آبی بزرگترین قلب جهان محسوب می شود و وزن آن حدود یک تن است. با چنین قلب بزرگی، نهنگ خون زیادی دارد - بیش از 8000 لیتر در یک بزرگسال.
و اکنون به آرامی به اصل خود مطالعه می رسیم. همانطور که قبلاً فهمیدیم قلب نهنگ آبی بزرگ است، اما بسیار آرام می تپد. قبلاً اعتقاد بر این بود که نبض حدود 5-10 ضربه در دقیقه است، در موارد نادر تا 20. اما هیچ کس تا کنون اندازه گیری دقیقی انجام نداده بود.
دانشمندان دانشگاه استنفورد می گویند که مقیاس در زیست شناسی از اهمیت زیادی برخوردار است، به ویژه هنگامی که صحبت از تعیین ویژگی های عملکردی اندام های موجودات زنده می شود. مطالعه موجودات مختلف، از موش گرفته تا نهنگ، به ما اجازه می دهد تا محدودیت های اندازه ای را تعیین کنیم که یک موجود زنده نمی تواند از آن فراتر رود. و قلب و سیستم قلبی عروقی به طور کلی از ویژگی های مهم چنین مطالعاتی است.
در پستانداران دریایی که فیزیولوژی آنها کاملاً با سبک زندگی آنها سازگار است، سازگاری های مرتبط با غواصی و حبس نفس نقش مهمی ایفا می کند. مشخص شده است که بسیاری از این موجودات دارای ضربان قلب هستند که در هنگام غواصی به سطوحی کمتر از حالت استراحت آنها کاهش می یابد. و با بالا آمدن سطح، ضربان قلب سریعتر می شود.
ضربان قلب کمتر در هنگام غواصی برای کاهش سرعت اکسیژن رسانی به بافت ها و سلول ها ضروری است و در نتیجه روند تخلیه ذخایر اکسیژن در خون را کند می کند و مصرف اکسیژن توسط خود قلب را کاهش می دهد.
فرض بر این است که ورزش (یعنی افزایش فعالیت بدنی) پاسخ شیرجه را تعدیل می کند و ضربان قلب را در طول شیرجه افزایش می دهد. این فرضیه برای مطالعه نهنگ‌های آبی اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا به دلیل روش خاص تغذیه (پرتاب ناگهانی برای بلع آب)، سرعت متابولیسم در تئوری باید از مقادیر پایه (حالت استراحت) تجاوز کند. 50 بار فرض بر این است که چنین لنگرهایی تخلیه اکسیژن را تسریع می کنند، بنابراین مدت زمان شیرجه را کاهش می دهند.
افزایش ضربان قلب و افزایش انتقال اکسیژن از خون به ماهیچه‌ها در طول یک لنگر ممکن است نقش مهمی را به دلیل هزینه‌های متابولیک چنین فعالیت‌های بدنی ایفا کند. علاوه بر این، ارزش توجه به غلظت کم را دارد میوگلوبین* (Mb) در نهنگ های آبی (5-10 برابر کمتر از سایر پستانداران دریایی: 0.8 گرم مگابایت در هر 100 گرم در 1 عضله در نهنگ های آبی و 1.8-10 گرم مگابایت در سایر پستانداران دریایی.
میوگلوبین* - پروتئین اتصال دهنده به اکسیژن عضلات اسکلتی و ماهیچه های قلبی.
به عنوان نتیجه، فعالیت بدنی، عمق غواصی و کنترل ارادی ضربان قلب را در طول غواصی از طریق سیستم عصبی خودمختار تغییر می دهد.
یک عامل اضافی در کاهش ضربان قلب ممکن است فشرده سازی / انبساط ریه ها در طول شیرجه / صعود باشد.
بنابراین، ضربان قلب در حین شیرجه و در حالی که روی سطح است ارتباط مستقیمی با الگوهای همودینامیک شریانی دارد.
نهنگ باله
مطالعه قبلی در مورد خواص بیومکانیکی و ابعاد دیواره های آئورت در نهنگ های باله (Balaenoptera physalusنشان داد که در حین غواصی با ضربان قلب ≤10 ضربه در دقیقه، قوس آئورت اثر مخزنی را اعمال می کند.اثر ویندکسل) که جریان خون را برای مدت طولانی حفظ می کند دوره های دیاستولیک * بین ضربان قلب و کاهش ضربان جریان خون در آئورت سفت دیستال.
دیاستول* (دوره دیاستولیک) - دوره آرامش قلب بین انقباضات.
تمام فرضیه ها، نظریه ها و نتیجه گیری های فوق باید دارای شواهد مادی باشند، یعنی در عمل تأیید یا رد شوند. اما برای انجام این کار، باید یک الکتروکاردیوگرام را روی یک نهنگ آبی که آزادانه در حال حرکت است انجام دهید. روش های ساده در اینجا کار نمی کنند، بنابراین دانشمندان دستگاه خود را برای الکتروکاردیوگرافی ساخته اند.
ویدئویی که در آن محققان به طور خلاصه در مورد کار خود صحبت می کنند.
ECG نهنگ با استفاده از یک ضبط کننده نوار قلب سفارشی ساخته شده در یک کپسول مخصوص با 4 فنجان مکش ثبت شد. الکترودهای ECG سطحی در دو کاپ مکنده تعبیه شدند. محققان با قایق به خلیج مونتری (اقیانوس آرام، نزدیک کالیفرنیا) رفتند. هنگامی که دانشمندان سرانجام با نهنگ آبی که ظاهر شده بود ملاقات کردند، یک ضبط کننده نوار قلب را به بدن آن (کنار باله چپش) وصل کردند. بر اساس اطلاعات جمع آوری شده قبلی، این نهنگ در سن 15 سالگی نر است. ذکر این نکته ضروری است که این دستگاه غیر تهاجمی است، یعنی نیازی به وارد کردن حسگر یا الکترود در پوست حیوان نیست. یعنی برای نهنگ این روش کاملاً بدون درد و با کمترین استرس ناشی از تماس با افراد است که با توجه به این که ضربان قلب خوانده می شود که ممکن است به دلیل استرس مخدوش شود بسیار مهم است. نتیجه یک ضبط 8.5 ساعته ECG بود که از آن دانشمندان توانستند مشخصات ضربان قلب را بسازند (تصویر زیر).
تصویر شماره 1: مشخصات ضربان قلب نهنگ آبی.
شکل موج ECG مشابه چیزی بود که در نهنگ های کوچک اسیر با استفاده از همان دستگاه ثبت شد. رفتار جستجوی نهنگ برای گونه هایش کاملاً عادی بود: غواصی 16.5 دقیقه تا عمق 184 متری و فواصل سطحی 1 تا 4 دقیقه.
مشخصات ضربان قلب، مطابق با پاسخ قلبی عروقی به غواصی، نشان داد که ضربان قلب بین 4 تا 8 ضربه در دقیقه، بدون در نظر گرفتن طول مدت یا حداکثر عمق غواصی، در مرحله پایین‌تر غواصی جستجوگر غالب است. ضربان قلب شیرجه (محاسبه شده در کل مدت غواصی) و حداقل ضربان قلب شیرجه لحظه ای با مدت غواصی کاهش می یابد، در حالی که حداکثر ضربان قلب سطحی پس از غواصی با مدت غواصی افزایش می یابد. یعنی هر چه نهنگ بیشتر زیر آب باشد ضربان قلب در هنگام شیرجه کندتر و بعد از صعود تندتر می شود.
به نوبه خود، معادلات آلومتریک برای پستانداران بیان می کند که یک نهنگ با وزن 70000 کیلوگرم دارای قلب با وزن 319 کیلوگرم است و حجم ضربه ای آن (حجم خون خارج شده در هر ضربان) حدود 80 لیتر است، بنابراین ضربان قلب در حالت استراحت باید 15 ضربه باشد. دقیقه
در طی مراحل پایین غواصی، ضربان قلب لحظه ای بین 1/3 و 1/2 ضربان قلب پیش بینی شده در حالت استراحت بود. با این حال، ضربان قلب در مرحله صعود افزایش یافت. در فواصل سطحی، ضربان قلب تقریباً دو برابر ضربان قلب پیش‌بینی‌شده در حالت استراحت بود و عمدتاً از 30 تا 37 ضربه در دقیقه پس از غواصی عمیق (عمق بیش از 125 متر) و از 20 تا 30 ضربان در دقیقه پس از شیرجه‌های کم عمق متغیر بود.
این مشاهدات ممکن است نشان دهد که شتاب ضربان قلب برای دستیابی به تبادل گازهای تنفسی مورد نظر و خونرسانی مجدد (بازیابی جریان خون) بافت ها بین شیرجه های عمیق ضروری است.
غواصی های کم عمق و کوتاه مدت در شب با استراحت همراه بود و بنابراین در حالت های کمتر فعال رایج تر بود. ضربان قلب معمولی مشاهده شده در طول یک شیرجه شبانه 5 دقیقه ای (8 ضربه در دقیقه) و فاصله 2 دقیقه ای سطح (25 ضربه در دقیقه) می تواند با هم ترکیب شود و به ضربان قلب حدود 13 ضربه در دقیقه منجر شود. این رقم، همانطور که می بینیم، به طور قابل ملاحظه ای به پیش بینی های تخمین زده شده مدل های آلومتریک نزدیک است.
سپس دانشمندان ضربان قلب، عمق و حجم نسبی ریه را از 4 غواصی جداگانه بررسی کردند تا اثرات بالقوه فعالیت بدنی و عمق را بر تنظیم ضربان قلب بررسی کنند.
تصویر شماره 2: پروفایل ضربان قلب، عمق و حجم نسبی ریه از 4 شیرجه جداگانه.
هنگام خوردن غذا در اعماق زیاد، نهنگ مانور لانژ خاصی را انجام می دهد - دهان خود را به شدت باز می کند تا آب را با پلانکتون ببلعد و سپس غذا را فیلتر می کند. مشاهده شد که ضربان قلب در لحظه بلع آب 2.5 برابر بیشتر از لحظه فیلتراسیون است. این به طور مستقیم از وابستگی ضربان قلب به فعالیت بدنی صحبت می کند.
در مورد ریه ها، تأثیر آنها بر ضربان قلب بسیار بعید است، زیرا هیچ تغییر قابل توجهی در حجم نسبی ریه در طول غواصی های مورد بحث مشاهده نشد.
علاوه بر این، در مراحل پایین‌تر غواصی‌های کم عمق، افزایش کوتاه‌مدت ضربان قلب دقیقاً با تغییرات در حجم نسبی ریه‌ها همراه بود و می‌توانست با فعال شدن گیرنده کشش ریه ایجاد شود.
با جمع بندی مشاهداتی که در بالا توضیح داده شد، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که در طول تغذیه در اعماق زیاد، ضربان قلب کوتاه مدت 2.5 برابر افزایش می یابد. با این حال، میانگین اوج ضربان قلب در طول دوره تغذیه تنها نیمی از مقدار پیش‌بینی‌شده استراحت بود. این داده‌ها با این فرضیه مطابقت دارند که قوس‌های آئورت انعطاف‌پذیر نهنگ‌های بزرگ در طول ضربان قلب آهسته غواصی اثر مخزنی دارند. علاوه بر این، محدوده ضربان قلب بالاتر در طول دوره پس از غواصی از این فرضیه پشتیبانی می کند که امپدانس آئورت و بار کاری قلب در طول بازه سطحی به دلیل تداخل مخرب امواج فشار خروجی و منعکس شده در آئورت کاهش می یابد.
برادی کاردی شدید مشاهده شده توسط محققان را می توان نتیجه غیرمنتظره مطالعه نامید، با توجه به صرف انرژی عظیم توسط نهنگ بر روی مانور لانژ هنگام بلع آب با پلانکتون. با این حال، هزینه متابولیک این مانور ممکن است با ضربان قلب یا انتقال اکسیژن همرفتی مطابقت نداشته باشد، تا حدی به دلیل کوتاه بودن مدت تغذیه و جذب احتمالی فیبرهای عضلانی گلیکولیتیک و سریع انقباض است.
نهنگ‌های آبی در طی یک پرتاب، سرعت بالایی دارند و حجمی از آب را جذب می‌کنند که می‌تواند بزرگتر از بدن خودشان باشد. دانشمندان فرض می کنند که مقاومت بالا و انرژی مورد نیاز برای مانور به سرعت کل ذخایر اکسیژن بدن را تخلیه می کند و در نتیجه زمان غواصی را محدود می کند. نیروی مکانیکی مورد نیاز برای جذب حجم زیادی از آب احتمالاً بسیار بیشتر از نیروی متابولیک هوازی است. به همین دلیل است که در طول چنین مانورهایی، ضربان قلب افزایش می یابد، اما برای مدت بسیار کوتاه.
برای آشنایی دقیق تر با تفاوت های ظریف مطالعه، توصیه می کنم نگاه کنید .
خاتمه
یکی از مهم‌ترین یافته‌ها این است که نهنگ‌های آبی بدون توجه به ماهیت کاهش اکسیژن خون و ماهیچه‌ها در طول غواصی، به حداکثر ضربان قلب برای تبادل گاز و خونرسانی مجدد در فواصل کوتاه سطح نیاز دارند. اگر در نظر بگیریم که نهنگ‌های آبی بزرگتر باید نیروی کار بیشتری را در مدت زمان کوتاه‌تری برای به دست آوردن غذا سرمایه‌گذاری کنند (مطابق با فرضیه‌های آلومتریک)، آنها ناگزیر با محدودیت‌های فیزیولوژیکی متعددی هم در طول شیرجه و هم در طول فاصله سطحی مواجه می‌شوند. این بدان معنی است که از نظر تکاملی اندازه بدن آنها محدود است، زیرا اگر بزرگتر بود، فرآیند تهیه غذا بسیار پرهزینه بود و با غذای دریافتی جبران نمی شد. خود محققان معتقدند که قلب نهنگ آبی در حد توان خود کار می کند.
در آینده، دانشمندان قصد دارند قابلیت‌های دستگاه خود را گسترش دهند، از جمله افزودن یک شتاب‌سنج برای درک بهتر تأثیر فعالیت‌های فیزیکی مختلف بر ضربان قلب. آنها همچنین قصد دارند از سنسور ECG خود بر روی سایر جانداران دریایی استفاده کنند.
همانطور که این مطالعه نشان می دهد، بزرگ ترین موجود با بزرگترین قلب بودن کار آسانی نیست. با این حال، صرف نظر از اندازه ساکنان دریایی، مهم نیست که آنها از چه رژیم غذایی پیروی می کنند، باید درک کنیم که ستون آب که توسط انسان برای ماهیگیری، استخراج و حمل و نقل استفاده می شود، خانه آنها باقی می ماند. ما فقط مهمان هستیم و بنابراین باید مطابق آن رفتار کنیم.
جمعه آف تاپ:
فیلمی نادر از یک نهنگ آبی که ظرفیت دهانش را نشان می دهد.
غول دیگر دریاها نهنگ اسپرم است. در این ویدئو، دانشمندان با استفاده از یک ROV هرکول کنترل از راه دور از یک نهنگ اسپرم کنجکاو در عمق 598 متری فیلم گرفتند.
از تماشای شما متشکریم، کنجکاو بمانید و آخر هفته خوبی داشته باشید! 🙂
از اینکه با ما ماندید متشکرم آیا مقالات ما را دوست دارید؟ آیا می خواهید مطالب جالب تری ببینید؟ با ثبت سفارش یا معرفی به دوستان از ما حمایت کنید , 30٪ تخفیف برای کاربران Habr در آنالوگ منحصر به فرد سرورهای سطح ورودی که توسط ما برای شما اختراع شده است: (در دسترس با RAID1 و RAID10، حداکثر 24 هسته و حداکثر 40 گیگابایت DDR4).
Dell R730xd 2 برابر ارزان تر است؟ فقط اینجا در هلند! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - از 99 دلار! در مورد بخوانید
منبع: www.habr.com