Il est difficile de contester l'affirmation selon laquelle la nature possède la plus vive des imaginations. Chacun des représentants de la flore et de la faune a ses caractéristiques uniques, parfois même étranges, qui ne rentrent souvent pas dans notre compréhension. Prenons par exemple la mante religieuse. Ce prédateur est capable d'attaquer sa proie ou un agresseur avec ses puissantes pinces à une vitesse de 83 km/h, et son système visuel est l'un des plus complexes jamais étudiés par l'homme. Les mantes religieuses, bien qu'agressives, ne sont pas très grandes — jusqu'à 35 cm de long. L'habitant le plus imposant des mers et des océans, ainsi que de la planète, est la baleine bleue. La longueur de ce mammifère peut dépasser 30 mètres, et son poids atteint 150 tonnes. Malgré ses dimensions impressionnantes, on ne peut pas vraiment qualifier les baleines bleues de redoutables chasseurs, car elles préfèrent se nourrir de plancton.
L'anatomie des baleines bleues a toujours fasciné les scientifiques désireux de mieux comprendre comment fonctionne un organisme aussi énorme et ses organes. Bien que nous connaissions l'existence des baleines bleues depuis plusieurs siècles (depuis 1694, pour être précis), ces géants n'ont pas encore révélé tous leurs secrets. Aujourd'hui, nous allons explorer une étude dans laquelle un groupe de chercheurs de l'Université de Stanford a développé un appareil qui a permis de réaliser les premières enregistrements des battements de coeur d'une baleine bleue. Comment fonctionne le cœur du roi des mers, quelles découvertes ont faites les chercheurs, et pourquoi il ne peut exister d'organisme plus grand que la baleine bleue ? Nous allons le découvrir dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.
Le héros de l'étude
La baleine bleue est le plus grand mammifère, le plus grand habitant des mers et des océans, le plus grand animal, le plus grand cétacé. Que dire de plus, la baleine bleue est vraiment la plus imposante en termes de dimensions — longueur de 33 mètres et poids de 150 tonnes. Les chiffres sont approximatifs, mais tout de même impressionnants.
Même la tête de ce géant mérite une ligne à part dans le livre des records Guinness, car elle représente environ 27 % de la longueur totale de son corps. Cependant, les yeux des baleines bleues sont relativement petits, pas plus gros qu'un pamplemousse. Si vous avez du mal à voir les yeux de la baleine, sa bouche est immédiatement visible. La bouche d'une baleine bleue peut contenir jusqu'à 100 personnes (un exemple plutôt inquiétant, mais les baleines bleues ne mangent pas les humains, du moins pas intentionnellement). La grande taille de la bouche est liée à ses préférences alimentaires : les baleines mangent du plancton, ingérant d'énormes volumes d'eau qu'elles relâchent ensuite à travers un filtre, séparant ainsi leur nourriture. Dans des conditions favorables, une baleine bleue peut consommer jusqu'à 6 tonnes de plancton par jour.
Une autre caractéristique importante des baleines bleues est leurs poumons. Elles peuvent retenir leur respiration pendant 1 heure et plonger jusqu'à 100 m de profondeur. Mais, comme d'autres mammifères marins, les baleines bleues remontent périodiquement à la surface pour respirer. En remontant à la surface, les baleines utilisent leur évent — une ouverture respiratoire avec deux grandes narines situées à l'arrière de leur tête. L'expiration d'une baleine à travers l'évent est souvent accompagnée d'un gisement vertical d'eau atteignant jusqu'à 10 m de hauteur. Compte tenu de leur habitat, les poumons des baleines fonctionnent de manière beaucoup plus efficace que les nôtres : les poumons d'une baleine absorbent 80 à 90 % de l'oxygène, alors que les nôtres n'en absorbent qu'environ 15 %. Leur volume pulmonaire est d'environ 3 000 litres, tandis que celui d'un humain varie entre 3 et 6 litres.
Modèle de cœur de baleine bleue au musée de New Bedford (États-Unis).
Le système circulatoire des baleines bleues est également rempli de paramètres record. Par exemple, leurs vaisseaux sont tout simplement énormes, le diamètre de l'aorte seule atteignant environ 40 cm. Le cœur des baleines bleues est considéré comme le plus gros cœur du monde et pèse environ une tonne. Avec un cœur aussi gros, une baleine a aussi beaucoup de sang — plus de 8 000 litres chez un adulte.
Et nous en venons maintenant à l'essentiel de l'étude. Le cœur de la baleine bleue est grand, comme nous l'avons compris, mais il bat assez lentement. Il était précédemment considéré que le pouls était d'environ 5 à 10 battements par minute, dans de rares cas jusqu'à 20. Mais personne n'avait effectué de mesures précises jusqu'à présent.
Des chercheurs de l'Université de Stanford affirment que l'échelle en biologie est d'une grande importance, surtout lorsqu'il s'agit de définir les caractéristiques fonctionnelles des organes des êtres vivants. L'étude de diverses espèces, des souris aux baleines, permet de déterminer les limites de taille qu'un organisme vivant ne peut pas dépasser. Le cœur et le système cardiovasculaire dans leur ensemble sont des attributs importants de ce type de recherche.
Chez les mammifères marins, dont la physiologie est complètement adaptée à leur mode de vie, les adaptations liées à la plongée et à la rétention de la respiration jouent un rôle important. Il a été établi que chez de nombreuses de ces espèces, pendant la plongée, la fréquence cardiaque diminue à des niveaux inférieurs à ceux de l'état de repos. En remontant à la surface, le rythme cardiaque devient plus rapide.
Une diminution de la fréquence cardiaque pendant les plongées est nécessaire pour réduire la vitesse de livraison de l'oxygène aux tissus et cellules, ralentissant ainsi le processus d'épuisement des réserves d'oxygène dans le sang et diminuant la consommation d'oxygène par le cœur lui-même.
Il existe une hypothèse selon laquelle les exercices (c'est-à-dire une activité physique accrue) moduleraient la réponse à la plongée et augmenteraient la fréquence cardiaque pendant la plongée. Cette hypothèse est particulièrement importante pour l'étude des baleines bleues, car en raison de leur méthode d'alimentation particulière (une plongée brusque pour ingérer de l'eau), la vitesse du métabolisme, en théorie, devrait dépasser les valeurs de base (état de repos) de 50 fois. Il est supposé que ces plongées accélèrent l'épuisement de l'oxygène, réduisant ainsi la durée de la plongée.
Une fréquence cardiaque élevée et un transfert accru d'oxygène du sang vers les muscles pendant la plongée peuvent jouer un rôle important en raison des coûts métaboliques impliqués dans une telle activité physique. De plus, il convient de prendre en compte la faible concentration de myoglobine* (Mb) chez les baleines bleues (5 à 10 fois inférieure à celle des autres mammifères marins : 0,8 g Mb pour 100 g-1 de muscle chez les baleines bleues et 1,8 à 10 g Mb chez d'autres mammifères marins.
La myoglobine* est une protéine de liaison de l'oxygène présente dans les muscles squelettiques et le muscle cardiaque.
En conclusion, l'exercice physique, la profondeur de la plongée et le contrôle volontaire modifient la fréquence cardiaque pendant la plongée à travers le système nerveux autonome.
Un facteur supplémentaire pouvant réduire la fréquence cardiaque est la compression/dilatation des poumons lors de la plongée/remontée.
Ainsi, la fréquence des contractions cardiaques pendant la plongée et durant la surface est directement liée aux modèles de l'hémodynamique artérielle.
Rorqual commun
Une étude antérieure sur les propriétés biomécaniques et les dimensions des parois de l'aorte chez le rorqual commun (Balaenoptera physalus) a montré que pendant les plongées à une fréquence cardiaque ≤10 battements/min, l'arc aortique réalise un effet réservoir (effet Windkessel), qui soutient le flux sanguin pendant de longues périodes diastoliques* entre les contractions cardiaques et réduit la pulsation du flux sanguin dans l'aorte distale rigide.
Diastole* (période diastolique) — période de relaxation du cœur entre les contractions.
Toutes les hypothèses, théories et conclusions décrites ci-dessus doivent avoir des preuves matérielles, c'est-à-dire être confirmées ou infirmées par la pratique. Mais pour cela, il est nécessaire de réaliser une électrocardiographie chez la baleine bleue se déplaçant librement. Des méthodes simples ne fonctionneront pas ici, c'est pourquoi les chercheurs ont créé leur propre appareil pour l'électrocardiographie.
Une vidéo dans laquelle les chercheurs expliquent brièvement leur travail.
L'ECG de la baleine a été enregistré à l'aide d'un enregistreur ECG sur mesure intégré dans une capsule spéciale avec 4 ventouses. Les électrodes de surface de l'ECG étaient intégrées dans deux des ventouses. Les chercheurs ont navigué en bateau dans la baie de Monterey (Océan Pacifique, près de la Californie). Lorsque les scientifiques ont enfin croisé une baleine bleue remontant à la surface, ils ont fixé l'enregistreur ECG à son corps (près de la nageoire gauche). Selon les données précédemment recueillies, cette baleine est un mâle âgé de 15 ans. Il est important de noter que cet appareil est non invasif, c'est-à-dire qu'il ne nécessite pas l'insertion de capteurs ou d'électrodes dans la peau de l'animal. Pour la baleine, cette procédure est complètement indolore et constitue un stress minimal en raison du contact avec les humains, ce qui est également crucial, compte tenu que les mesures du rythme cardiaque pourraient être altérées en raison du stress. En conséquence, un enregistrement ECG de 8,5 heures a été obtenu, permettant aux chercheurs de construire un profil de rythme cardiaque (image ci-dessous).
Image n°1 : profil du rythme cardiaque de la baleine bleue.
La forme du signal ECG était similaire à celle enregistrée chez de petites baleines en captivité à l'aide du même appareil. Le comportement de la baleine lors de la recherche de nourriture était tout à fait normal pour son espèce : immersion pendant 16,5 minutes à une profondeur de 184 m et intervalles de surface de 1 à 4 minutes.
Le profil du rythme cardiaque, en accord avec la réponse cardiovasculaire à l'immersion, a montré que la fréquence cardiaque oscillait entre 4 et 8 battements par minute, prédominant dans la phase inférieure des plongées à la recherche de nourriture, indépendamment de la durée de la plongée ou de la profondeur maximale. La fréquence cardiaque pendant la plongée (calculée sur la durée totale de la plongée) et la fréquence cardiaque minimale instantanée pendant la plongée diminuaient avec la durée de la plongée, tandis que la fréquence cardiaque maximale en surface après la plongée augmentait avec la durée de la plongée. En d'autres termes, plus la baleine passait de temps sous l'eau, plus son cœur battait lentement pendant la plongée et plus il battait rapidement après la remontée.
Les équations allométriques pour les mammifères affirment qu'une baleine pesant 70 000 kg a un cœur pesant 319 kg, et que son volume d'éjection (volume de sang expulsé par battement) est d'environ 80 l. Par conséquent, la fréquence cardiaque au repos devrait être de 15 battements/minute.
Lors des phases inférieures de la plongée, la fréquence cardiaque instantanée variait de 1/3 à 1/2 de la fréquence cardiaque prédite au repos. Cependant, le rythme cardiaque augmentait lors de la remontée. Pendant les intervalles de surface, la fréquence cardiaque était environ deux fois supérieure à la fréquence cardiaque prédite au repos, variant principalement de 30 à 37 battements par minute après des plongées profondes (> 125 mètres de profondeur) et de 20 à 30 battements par minute après des plongées moins profondes.
Cette observation pourrait indiquer que l'accélération des battements cardiaques est nécessaire pour atteindre un échange gazeux adéquat et une reperfusion (rétablissement du flux sanguin) des tissus entre les plongées profondes.
Les plongées nocturnes peu profondes et de courte durée étaient associées au repos et étaient donc plus caractéristiques d'un état moins actif. Les fréquences cardiaques typiques observées lors d'une plongée nocturne de 5 minutes (8 battements par minute) et d'un intervalle de surface de 2 minutes (25 battements par minute) peuvent ensemble conduire à un rythme cardiaque d'environ 13 battements par minute. Ce chiffre, comme nous pouvons le voir, est étonnamment proche des prévisions calculées par les modèles allométriques.
Ensuite, les chercheurs ont établi des profils de fréquence cardiaque, de profondeur et de volume pulmonaire relatif pour 4 plongées distinctes, dont l'analyse a permis d'étudier l'influence potentielle de l'activité physique et de la profondeur sur la régulation du rythme cardiaque.
Image n°2 : profils de la fréquence cardiaque, de la profondeur et du volume pulmonaire relatif pour 4 plongées distinctes.
Lorsqu'il se nourrit en profondeurs importantes, la baleine effectue un certain manœuvre d'engloutissement — elle ouvre brusquement sa bouche pour avaler de l'eau chargée de plancton, avant de filtrer sa nourriture. Il a été observé que la fréquence cardiaque au moment de l'engloutissement de l'eau est 2,5 fois plus élevée que pendant la filtration. Cela indique clairement une dépendance du rythme cardiaque à la charge physique.
En ce qui concerne les poumons, leur influence sur le rythme cardiaque est très improbable, car aucune variation significative du volume pulmonaire n'a été remarquée lors des immersions étudiées.
Cependant, dans les phases basses des immersions peu profondes, l'augmentation temporaire de la fréquence cardiaque était liée à des variations du volume pulmonaire relatif et pouvait être due à l'activation des récepteurs d'étirement des poumons.
En résumant les observations décrites ci-dessus, les scientifiques ont conclu que pendant l'alimentation à de grandes profondeurs, il y a une augmentation temporaire de la fréquence cardiaque de 2,5 fois. Néanmoins, la fréquence cardiaque pic moyenne lors des manœuvres d'engloutissement durant l'alimentation ne représentait encore que la moitié de la valeur prédite au repos. Ces données sont compatibles avec l'hypothèse selon laquelle les arcs aortiques flexibles des grandes baleines implémentent un effet de réservoir pendant le rythme cardiaque lent lors de l'immersion. De plus, la gamme de fréquences cardiaques plus élevées après l'immersion a confirmé l'hypothèse selon laquelle l'impédance aortique et la charge sur le cœur diminuent pendant l'intervalle de surface en raison de l'interférence destructive des vagues de pression sortantes et réfléchies dans l'aorte.
La bradycardie importante observée par les chercheurs peut être considérée comme un résultat inattendu de l'étude, compte tenu des énormes dépenses d'énergie de la baleine lors de la manœuvre d'engloutissement de l'eau chargée de plancton. Cependant, les coûts métaboliques de cette manœuvre peuvent ne pas correspondre à la fréquence cardiaque ou au transport convectif de l'oxygène en partie en raison de la courte durée de l'alimentation et de l'activation possible des fibres musculaires glycolytiques et à contraction rapide.
Lors de leur plongée, les baleines bleues accélèrent à une vitesse élevée et absorbent un volume d'eau qui peut surpasser leur propre corps. Les chercheurs suggèrent que la résistance élevée et l'énergie nécessaires pour manœuvrer épuisent rapidement les réserves totales d'oxygène dans le corps, limitant ainsi le temps de plongée. La force mécanique requise pour absorber de grandes quantités d'eau dépasse probablement de loin la puissance métabolique aérobie. C'est pourquoi, lors de manœuvres de ce type, la fréquence cardiaque augmente, mais seulement pour une très courte durée.
Pour une compréhension plus approfondie des nuances de l'étude, je recommande de consulter le .
Épilogue
L'un des principaux résultats est que pour l'échange gazeux et la reperfusion pendant de courts intervalles de surface, les baleines bleues nécessitent presque une fréquence cardiaque maximale, quel que soit l’épuisement des réserves d'oxygène dans le sang et les muscles durant les plongées. De plus, étant donné que les spécimens plus grands de baleines bleues doivent investir plus d'efforts pour se nourrir sur une période plus courte (selon les hypothèses d'allométrie), ils rencontrent inévitablement plusieurs limitations physiologiques, tant durant la plongée que lors des intervalles de surface. Cela signifie que, sur le plan évolutif, leur taille corporelle est limitée, car si elles étaient plus grandes, le processus d'alimentation serait très coûteux et ne serait pas compensé par la nourriture obtenue. Les chercheurs estiment que le cœur de la baleine bleue fonctionne à la limite de ses capacités.
À l'avenir, les scientifiques prévoient d'élargir les fonctionnalités de leur dispositif, y compris l'ajout d'un accéléromètre pour mieux comprendre l'impact de différentes activités physiques sur le rythme cardiaque. Ils envisagent également d'appliquer leur capteur ECG à d'autres habitants de la mer.
Comme le montre cette étude, être le plus grand être vivant avec le plus grand cœur n'est pas si simple. Cependant, peu importe la taille des habitants marins ou la diète qu'ils adoptent, nous devons comprendre que la colonne d'eau que l'homme utilise pour la pêche, l'extraction et le transport reste leur domicile. Nous ne sommes que des invités, et nous devons donc nous comporter en conséquence.
Hors sujet du vendredi :
Des images rares montrant la capacité de la bouche d'une baleine bleue.
Un autre géant des mers est le cachalot. Dans cette vidéo, des chercheurs ont filmé un cachalot curieux à 598 mètres de profondeur à l'aide d'un ROV Hercules télécommandé.
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Source : habr.com
