On vaikea kiistää väittämän kanssa, että luonnolla on eloisin mielikuvitus. Jokaisella kasviston ja eläimistön edustajalla on omat ainutlaatuiset ja joskus jopa omituiset piirteensä, jotka eivät usein sovi päähämme. Otetaan esimerkiksi sama mantisrapu. Tämä saalistusolento pystyy hyökkäämään uhrin tai rikoksentekijän kimppuun voimakkailla kynsillään 83 km/h nopeudella, ja heidän näköjärjestelmänsä on yksi monimutkaisimmista ihmisten koskaan tutkimista. Särkäravut, vaikka ne ovat kovat, eivät ole erityisen suuria - jopa 35 cm pitkiä. Merien ja valtamerten sekä yleensä planeetan suurin asukas on sinivalas. Tämän nisäkkään pituus voi olla yli 30 metriä ja paino 150 tonnia. Vaikuttavasta koostaan huolimatta sinivalaita tuskin voi kutsua valtaviksi metsästäjiksi, koska... he suosivat planktonia.
Sinivalaiden anatomia on aina kiinnostanut tutkijoita, jotka haluavat paremmin ymmärtää, kuinka tällainen valtava organismi ja siinä olevat elimet toimivat. Huolimatta siitä, että olemme tienneet sinivalaiden olemassaolosta useita satoja vuosia (tarkemmin sanottuna vuodesta 1694 lähtien), nämä jättiläiset eivät ole paljastaneet kaikkia salaisuuksiaan. Tänään tarkastelemme tutkimusta, jossa ryhmä Stanfordin yliopiston tutkijoita kehitti laitteen, jolla saatiin ensimmäiset tallenteet sinivalaan sydämenlyönnistä. Miten merien hallitsijan sydän toimii, mitä löytöjä tutkijat ovat tehneet ja miksi sinivalasta suurempaa organismia ei voi olla olemassa? Opimme tästä tutkimusryhmän raportista. Mennä.
Tutkimussankari
Sinivalas on suurin nisäkäs, merien ja valtamerten suurin asukas, suurin eläin, suurin valas. Mitä voin sanoa, sinivalas on todella paras mitoiltaan - pituus on 33 metriä ja paino 150 tonnia. Luvut ovat likimääräisiä, mutta eivät vähemmän vaikuttavia.
Jopa tämän jättiläisen pää ansaitsee erillisen rivin Guinnessin ennätysten kirjassa, koska se vie noin 27% kehon kokonaispituudesta. Lisäksi sinivalaiden silmät ovat melko pienet, eivät suurempia kuin greippi. Jos sinun on vaikea nähdä valaan silmiä, huomaat suun välittömästi. Sinivalaan suuhun mahtuu jopa 100 ihmistä (karmiva esimerkki, mutta sinivalaat eivät syö ihmisiä, ainakaan tarkoituksella). Suun suuri koko johtuu gastronomisista mieltymyksistä: valaat syövät planktonia ja nielevät valtavia määriä vettä, joka sitten vapautuu suodatinlaitteen läpi suodattaen ruoan pois. Melko suotuisissa olosuhteissa sinivalas kuluttaa noin 6 tonnia planktonia päivässä.
Toinen sinivalaiden tärkeä ominaisuus on niiden keuhkot. Ne pystyvät pidättämään hengitystään tunnin ajan ja sukeltamaan jopa 1 metrin syvyyteen. Mutta kuten muut merinisäkkäät, sinivalaat nousevat ajoittain veden pinnalle hengittämään. Kun valaat nousevat veden pintaan, ne käyttävät puhallusreikää, hengitysreikää, joka on tehty kahdesta suuresta aukosta (sieraimesta) heidän päänsä takana. Valaan uloshengittämistä sen puhallusreiän läpi seuraa usein jopa 100 m korkea pystysuora vesilähde. Valaiden elinympäristön ominaisuudet huomioon ottaen niiden keuhkot toimivat paljon tehokkaammin kuin meidän - valaan keuhkot imevät 10-80 % happea, ja meidän vain noin 90%. Keuhkojen tilavuus on noin 15 tuhatta litraa, mutta ihmisillä tämä luku vaihtelee 3-3 litran välillä.
Malli sinivalaan sydämestä museossa New Bedfordissa (USA).
Sinivalaan verenkiertojärjestelmä on myös täynnä ennätysparametreja. Esimerkiksi niiden suonet ovat yksinkertaisesti valtavia, pelkän aortan halkaisija on noin 40 cm. Sinivalan sydäntä pidetään maailman suurimmana sydämenä ja se painaa noin tonnin. Näin suurella sydämellä valaalla on paljon verta - aikuisella yli 8000 litraa.
Ja nyt pääsemme sujuvasti itse tutkimuksen ytimeen. Sinivalaan sydän on suuri, kuten jo ymmärsimme, mutta se lyö melko hitaasti. Aikaisemmin uskottiin, että pulssi oli noin 5-10 lyöntiä minuutissa, harvoin jopa 20. Mutta kukaan ei ollut tehnyt tarkkoja mittauksia tähän mennessä.
Stanfordin yliopiston tutkijat sanovat, että mittakaavalla on suuri merkitys biologiassa, etenkin kun on kyse elävien elinten toiminnallisten ominaisuuksien määrittämisestä. Erilaisten olentojen tutkiminen hiiristä valaisiin antaa meille mahdollisuuden määrittää kokorajat, joita elävä organismi ei voi ylittää. Ja sydän ja sydän- ja verisuonijärjestelmä yleensä ovat tällaisten tutkimusten tärkeitä ominaisuuksia.
Merinisäkkäillä, joiden fysiologia on täysin sopeutunut heidän elämäntapaansa, sukeltamiseen ja hengityksen pidättämiseen liittyvät mukautukset ovat tärkeitä. On havaittu, että monilla näistä olennoista syke laskee lepotilan alapuolelle sukelluksen aikana. Ja kun se on noussut pintaan, syke nopeutuu.
Hitaampi syke sukelluksen aikana on tarpeen hapen toimitusnopeuden hidastamiseksi kudoksiin ja soluihin, mikä hidastaa veren happivarastojen ehtymistä ja vähentää hapenkulutusta itse sydämessä.
Oletetaan, että harjoitus (eli lisääntynyt fyysinen aktiivisuus) moduloi sukellusvastetta ja lisää sykettä sukelluksen aikana. Tämä hypoteesi on erityisen tärkeä sinivalaiden tutkimuksessa, koska erityisestä ruokintamenetelmästä (äkillinen syöksy nielemään vettä) aineenvaihduntanopeuden pitäisi teoriassa ylittää perusarvot (lepotila) 50 kertaa. Oletetaan, että tällaiset syöksyt nopeuttavat hapen ehtymistä, mikä lyhentää sukelluksen kestoa.
Lisääntynyt syke ja lisääntynyt hapen siirtyminen verestä lihaksiin syöksyssä voi olla tärkeä rooli tällaisen fyysisen toiminnan aineenvaihduntakustannusten vuoksi. Lisäksi kannattaa ottaa huomioon alhainen pitoisuus myoglobiini* (Mb) sinivalassa (5-10 kertaa pienempi kuin muissa merinisäkkäissä: 0.8 g Mb 100 g-1 lihasta kohti sinivalassa ja 1.8-10 g Mb muissa merinisäkkäissä).
Myoglobiini* - luurankolihasten ja sydänlihasten happea sitova proteiini.
Johtopäätöksenä voidaan todeta, että fyysinen aktiivisuus, sukellussyvyys ja tahdonvoimainen hallinta muuttavat sykettä sukeltaessa autonomisen hermoston kautta.
Toinen sykettä alentava tekijä voi olla keuhkojen puristus/laajentuminen sukelluksen/nousun aikana.
Siten syke sukelluksen aikana ja pinnalla ollessa on suoraan yhteydessä valtimoiden hemodynaamisiin kuvioihin.
Valas
Aiempi tutkimus evävalaiden aortan seinämien biomekaanisista ominaisuuksista ja mitoista (Balaenoptera physalus) osoitti, että sukelluksen aikana sykkeellä ≤10 lyöntiä/min aortan kaari toteuttaa säiliövaikutuksen (Windkessel-efekti), joka ylläpitää verenkiertoa pitkiä aikoja diastoliset kuukautiset* sydämenlyöntien välillä ja vähentää verenvirtauksen pulsaatiota jäykkään distaaliseen aorttaan.
Diastole* (diastolinen jakso) - sydämen rentoutumisjakso supistusten välillä.
Kaikilla edellä kuvatuilla hypoteeseilla, teorioilla ja johtopäätöksillä on oltava aineellista näyttöä, eli ne on vahvistettava tai kumottu käytännössä. Mutta tehdäksesi tämän, sinun on suoritettava elektrokardiogrammi vapaasti liikkuvalle sinivalalle. Yksinkertaiset menetelmät eivät toimi täällä, joten tutkijat ovat luoneet oman elektrokardiografialaitteensa.
Video, jossa tutkijat kertovat lyhyesti työstään.
Valaan EKG tallennettiin mittatilaustyönä tehdyllä EKG-tallentimella, joka oli rakennettu erityiseen kapseliin, jossa oli 4 imukuppia. Pinta-EKG-elektrodit rakennettiin kahteen imukuppiin. Tutkijat lähtivät veneellä Monterey Baylle (Tyynimeri, Kalifornian lähellä). Kun tiedemiehet lopulta tapasivat pintaan noussut sinivalaan, he kiinnittivät EKG-tallentimen sen runkoon (sen vasemman evän viereen). Aiemmin kerättyjen tietojen mukaan tämä valas on uros 15-vuotiaana. On tärkeää huomata, että tämä laite on ei-invasiivinen, eli se ei vaadi anturien tai elektrodien viemistä eläimen ihoon. Toisin sanoen valaalle tämä toimenpide on täysin kivuton ja minimaalisella ihmiskontaktista aiheutuvalla stressillä, mikä on myös äärimmäisen tärkeää, koska otetaan huomioon sydämenlyöntiarvot, jotka voivat vääristyä stressin vuoksi. Tuloksena oli 8.5 tunnin EKG-tallennus, josta tutkijat pystyivät rakentamaan sykeprofiilin (kuva alla).
Kuva 1: Sinivalaan sykeprofiili.
EKG-aaltomuoto oli samanlainen kuin vankeudessa pidetyillä pienillä valailla samalla laitteella. Valaan ravinnonhakukäyttäytyminen oli lajilleen varsin normaalia: sukelsi 16.5 minuuttia 184 metrin syvyyteen ja pintavälit 1–4 minuuttia.
Sykeprofiili, joka oli yhdenmukainen sukelluksen sydän- ja verisuonivasteen kanssa, osoitti, että syke 4-8 lyöntiä minuutissa vallitsi ravinnonhakusukellusten alemmassa vaiheessa riippumatta sukelluksen kestosta tai enimmäissyvyydestä. Sukellussyke (laskettu koko sukelluksen keston ajalta) ja pienin hetkellinen sukelluksen syke laskivat sukelluksen keston myötä, kun taas sukelluksen jälkeinen maksimi pintasyke nousi sukelluksen keston myötä. Eli mitä kauemmin valas oli veden alla, sitä hitaammin sydän lyö sukelluksen aikana ja sitä nopeammin nousun jälkeen.
Nisäkkäiden allometriset yhtälöt puolestaan väittävät, että 70000 319 kg painavan valaan sydän painaa 80 kg ja sen iskutilavuus (lyöntiä kohti ulos tulevan veren tilavuus) on noin 15 l, joten leposykkeen tulisi olla XNUMX lyöntiä/ min.
Sukellusten alemmissa vaiheissa hetkellinen syke oli 1/3 ja 1/2 ennustetusta leposykkeestä. Syke kuitenkin nousi nousuvaiheessa. Pintaväleillä syke oli noin kaksinkertainen ennustettuun leposykeen verrattuna ja vaihteli pääasiassa välillä 30-37 lyöntiä/min syväsukellusten (>125 m syvyys) jälkeen ja 20-30 lyöntiä/min matalampien sukellusten jälkeen.
Tämä havainto voi viitata siihen, että sydämen sykkeen kiihdyttäminen on tarpeen halutun hengityskaasun vaihdon ja kudosten reperfuusion (verenvirtauksen palauttamisen) saavuttamiseksi syväsukellusten välillä.
Matalat, lyhytkestoiset yösukellukset liittyivät lepoon ja olivat siksi yleisempiä vähemmän aktiivisissa tiloissa. Tyypilliset 5 minuutin yösukelluksen (8 lyöntiä minuutissa) ja siihen liittyvän 2 minuutin pintaintervallin (25 lyöntiä minuutissa) aikana havaitut tyypilliset sykenopeudet voivat yhdessä johtaa noin 13 lyöntiä minuutissa. Tämä luku, kuten näemme, on huomattavan lähellä allometristen mallien arvioituja ennusteita.
Sitten tutkijat profiloivat sykettä, syvyyttä ja suhteellista keuhkojen tilavuutta neljästä erillisestä sukelluksesta tutkiakseen fyysisen aktiivisuuden ja syvyyden mahdollisia vaikutuksia sykkeen säätelyyn.
Kuva 2: Syke-, syvyys- ja suhteellinen keuhkojen tilavuusprofiilit neljästä erillisestä sukelluksesta.
Syödessään ruokaa suurissa syvyyksissä valas suorittaa tietyn syöksyliikkeen - se avaa jyrkästi suunsa nielemään vettä planktonin kanssa ja suodattaa sitten ruoan pois. Havaittiin, että sydämen syke veden nielemishetkellä on 2.5 kertaa korkeampi kuin suodatushetkellä. Tämä kertoo suoraan sykkeen riippuvuudesta fyysisestä aktiivisuudesta.
Mitä tulee keuhkoihin, niiden vaikutus sykeen on erittäin epätodennäköinen, koska keuhkojen suhteellisessa tilavuudessa ei havaittu merkittäviä muutoksia kyseisten sukellusten aikana.
Lisäksi matalien sukellusten alemmissa vaiheissa lyhytaikainen sydämen sykkeen nousu liittyi juuri keuhkojen suhteellisen tilavuuden muutoksiin, ja se saattoi johtua keuhkojen venytysreseptorin aktivoinnista.
Yhteenvetona edellä kuvatuista havainnoista tutkijat tulivat siihen tulokseen, että suuressa syvyydessä ruokittaessa syke nousee lyhytaikaisesti 2.5-kertaiseksi. Keskimääräinen huippusyke syöksyksyjen aikana oli kuitenkin vain puolet ennustetusta lepoarvosta. Nämä tiedot ovat sopusoinnussa sen hypoteesin kanssa, että suurten valaiden taipuisat aorttakaaret vaikuttavat säiliövaikutukseen sukeltamisen hitaalla sydämen sykkeellä. Lisäksi korkeamman sykkeen vaihteluväli sukelluksen jälkeisenä aikana tuki hypoteesia, jonka mukaan aortan impedanssi ja sydämen työkuormitus pienenevät pintaintervallin aikana johtuen aortasta lähtevien ja heijastuneiden paineaaltojen tuhoavasta häiriöstä.
Tutkijoiden havaitsemaa vakavaa bradykardiaa voidaan kutsua tutkimuksen odottamattomaksi tulokseksi, kun otetaan huomioon valtava energiankulutus, jonka valas nielee vettä planktonin kanssa. Tämän liikkeen aineenvaihduntakustannukset eivät kuitenkaan välttämättä vastaa sykettä tai konvektiivista hapenkuljetusta, mikä johtuu osittain ruokinnan lyhyestä kestosta ja mahdollisesta glykolyyttisten, nopeasti nykivien lihaskuitujen kerääntymisestä.
Syöksyssä sinivalaat kiihtyvät suuriin nopeuksiin ja imevät vettä, joka voi olla suurempi kuin heidän oma kehonsa. Tiedemiehet olettavat, että liikkeisiin vaadittava suuri vastus ja energia kuluttavat nopeasti kehon kokonaishappivarat, mikä rajoittaa sukellusaikaa. Suurien vesimäärien imemiseen vaadittava mekaaninen voima on todennäköisesti paljon suurempi kuin aerobinen aineenvaihduntavoima. Siksi tällaisten liikkeiden aikana syke nousi, mutta hyvin lyhyen ajan.
Jos haluat tutustua tarkemmin tutkimuksen vivahteisiin, suosittelen katsomaan .
Epilogi
Yksi tärkeimmistä havainnoista on, että sinivalaat tarvitsevat lähellä maksimisykettä kaasunvaihtoon ja reperfuusioon lyhyillä pintaväleillä, riippumatta veren ja lihasten happivajeen luonteesta sukellusten aikana. Jos otamme huomioon, että suurempien sinivalaiden on investoitava enemmän työtä lyhyemmässä ajassa saadakseen ruokaa (allometristen hypoteesien mukaisesti), ne kohtaavat väistämättä useita fysiologisia rajoituksia sekä sukelluksen että pinta-ajan aikana. Tämä tarkoittaa, että evoluution kannalta heidän ruumiinsa koko on rajallinen, koska jos se olisi suurempi, ruoan hankintaprosessi olisi erittäin kallis, eikä sitä kompensoisi saama ruoka. Tutkijat itse uskovat, että sinivalaan sydän toimii kykyjensä rajoilla.
Tulevaisuudessa tutkijat aikovat laajentaa laitteensa ominaisuuksia, mukaan lukien kiihtyvyysmittarin, joka ymmärtää paremmin erilaisten fyysisten aktiviteettien vaikutusta sykeen. He aikovat myös käyttää EKG-anturia muuhun meren elämään.
Kuten tämä tutkimus osoittaa, ei ole helppoa olla suurin olento, jolla on suurin sydän. Riippumatta meren asukkaiden koosta, riippumatta siitä, mitä ruokavaliota he noudattavat, meidän on kuitenkin ymmärrettävä, että vesipatsas, jota ihmiset käyttävät kalastukseen, louhintaan ja kuljetukseen, säilyy heidän kodinaan. Olemme vain vieraita, ja siksi meidän tulee käyttäytyä sen mukaisesti.
Perjantain off-top:
Harvinainen kuva sinivalasta, joka osoittaa suunsa kapasiteettia.
Toinen merten jättiläinen on kaskelotti. Tässä videossa tutkijat kauko-ohjatulla ROV Hercules -laitteella kuvasivat uteliaan kaskelotteen 598 metrin syvyydessä.
Kiitos katsomisesta, pysykää utelias ja hyvää viikonloppua kaikille! 🙂
Kiitos, että pysyt kanssamme. Pidätkö artikkeleistamme? Haluatko nähdä mielenkiintoisempaa sisältöä? Tue meitä tekemällä tilauksen tai suosittelemalla ystäville, , 30 %:n alennus Habr-käyttäjille ainutlaatuisesta lähtötason palvelimien analogista, jonka me keksimme sinulle: (saatavana RAID1:n ja RAID10:n kanssa, jopa 24 ydintä ja jopa 40 Gt DDR4-muistia).
Dell R730xd 2 kertaa halvempi? Vain täällä Alankomaissa! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - alkaen 99 dollaria! Lukea
Lähde: will.com