Il est difficile de contester l’affirmation selon laquelle la nature possède l’imagination la plus vive. Chacun des représentants de la flore et de la faune a ses propres caractéristiques uniques, et parfois même étranges, qui ne rentrent souvent pas dans nos têtes. Prenons, par exemple, le même crabe-mante. Cette créature prédatrice est capable d'attaquer une victime ou un délinquant avec ses puissantes griffes à une vitesse de 83 km/h, et son système visuel est l'un des plus complexes jamais étudiés par l'homme. Les écrevisses mantes, bien que féroces, ne sont pas particulièrement grandes - jusqu'à 35 cm de longueur. Le plus grand habitant des mers et des océans, ainsi que de la planète en général, est la baleine bleue. La longueur de ce mammifère peut atteindre plus de 30 mètres et peser 150 tonnes. Malgré leur taille impressionnante, les rorquals bleus peuvent difficilement être qualifiés de redoutables chasseurs, car... ils préfèrent le plancton.
L’anatomie des rorquals bleus a toujours intéressé les scientifiques qui souhaitent mieux comprendre le fonctionnement d’un organisme aussi énorme et de ses organes. Même si l'on connaît l'existence des baleines bleues depuis plusieurs centaines d'années (depuis 1694 pour être plus précis), ces géants n'ont pas encore livré tous leurs secrets. Aujourd'hui, nous allons examiner une étude dans laquelle un groupe de scientifiques de l'Université de Stanford a développé un appareil qui a été utilisé pour obtenir les premiers enregistrements du rythme cardiaque d'une baleine bleue. Comment fonctionne le cœur du souverain des mers, quelles découvertes les scientifiques ont-ils faites et pourquoi un organisme plus gros qu’une baleine bleue ne peut-il pas exister ? Nous l’apprenons grâce au rapport du groupe de recherche. Aller.
Héros de la recherche
La baleine bleue est le plus grand mammifère, le plus grand habitant des mers et des océans, le plus gros animal, la plus grande baleine. Que puis-je dire, la baleine bleue est vraiment la meilleure en termes de dimensions - longueur 33 mètres et poids 150 tonnes. Les chiffres sont approximatifs, mais non moins impressionnants.
Même la tête de ce géant mérite une ligne distincte dans le Livre Guinness des Records, puisqu'elle occupe environ 27 % de la longueur totale du corps. De plus, les yeux des rorquals bleus sont assez petits, pas plus gros qu’un pamplemousse. S'il vous est difficile de voir les yeux d'une baleine, vous remarquerez immédiatement sa bouche. La gueule d'une baleine bleue peut contenir jusqu'à 100 personnes (un exemple effrayant, mais les baleines bleues ne mangent pas les gens, du moins pas intentionnellement). La grande taille de la bouche est due à des préférences gastronomiques : les baleines mangent du plancton, avalant d'énormes volumes d'eau, qui est ensuite libérée à travers un appareil de filtration, filtrant la nourriture. Dans des circonstances assez favorables, la baleine bleue consomme environ 6 tonnes de plancton par jour.
Une autre caractéristique importante des rorquals bleus est leurs poumons. Ils sont capables de retenir leur souffle pendant 1 heure et de plonger jusqu'à 100 m de profondeur. Mais, comme les autres mammifères marins, les rorquals bleus émergent périodiquement à la surface de l'eau pour respirer. Lorsque les baleines remontent à la surface de l’eau, elles utilisent un évent, un trou de respiration composé de deux grandes ouvertures (narines) à l’arrière de la tête. L'expiration d'une baleine à travers son évent s'accompagne souvent d'une fontaine d'eau verticale atteignant 10 m de haut. Compte tenu des caractéristiques de l'habitat des baleines, leurs poumons fonctionnent beaucoup plus efficacement que les nôtres - les poumons de la baleine absorbent 80 à 90 % de l'eau. l'oxygène, et le nôtre seulement environ 15 %. Le volume des poumons est d'environ 3 3 litres, mais chez l'homme, ce chiffre varie autour de 6 à XNUMX litres.
Maquette d'un cœur de baleine bleue dans un musée de New Bedford (USA).
Le système circulatoire du rorqual bleu regorge également de paramètres records. Par exemple, leurs vaisseaux sont tout simplement énormes : le diamètre de l'aorte à elle seule est d'environ 40 cm. Le cœur des baleines bleues est considéré comme le plus gros cœur du monde et pèse environ une tonne. Avec un si gros cœur, la baleine a beaucoup de sang - plus de 8000 XNUMX litres chez un adulte.
Et maintenant, nous arrivons en douceur à l’essence de l’étude elle-même. Le cœur de la baleine bleue est gros, comme nous l'avons déjà compris, mais il bat assez lentement. Auparavant, on pensait que le pouls était d'environ 5 à 10 battements par minute, dans de rares cas jusqu'à 20. Mais jusqu'à présent, personne n'avait effectué de mesures précises.
Les scientifiques de l'Université de Stanford affirment que l'échelle revêt une grande importance en biologie, en particulier lorsqu'il s'agit de déterminer les caractéristiques fonctionnelles des organes des êtres vivants. L’étude de diverses créatures, de la souris aux baleines, permet de déterminer les limites de taille qu’un organisme vivant ne peut dépasser. Et le cœur et le système cardiovasculaire en général sont des attributs importants de telles études.
Chez les mammifères marins, dont la physiologie est totalement adaptée à leur mode de vie, les adaptations liées à la plongée et à la rétention de leur souffle jouent un rôle important. Il a été constaté que beaucoup de ces créatures ont une fréquence cardiaque qui chute à des niveaux inférieurs à leur état de repos lors d'une plongée. Et en remontant à la surface, le rythme cardiaque devient plus rapide.
Une fréquence cardiaque plus faible pendant la plongée est nécessaire pour réduire le taux d'apport d'oxygène aux tissus et aux cellules, ralentissant ainsi le processus d'épuisement des réserves d'oxygène dans le sang et réduisant la consommation d'oxygène par le cœur lui-même.
On suppose que l’exercice (c’est-à-dire une activité physique accrue) module la réponse en plongée et augmente la fréquence cardiaque pendant une plongée. Cette hypothèse est particulièrement importante pour l'étude des rorquals bleus, car en raison de la méthode particulière d'alimentation (une fente soudaine pour avaler de l'eau), le taux métabolique devrait en théorie dépasser les valeurs de base (état de repos) de 50 fois. On suppose que de telles fentes accélèrent la perte d’oxygène, réduisant ainsi la durée de la plongée.
L'augmentation de la fréquence cardiaque et le transfert accru d'oxygène du sang vers les muscles lors d'une fente peuvent jouer un rôle important en raison des coûts métaboliques d'une telle activité physique. De plus, il convient de considérer la faible concentration myoglobine* (Mb) chez les rorquals bleus (5 à 10 fois inférieur à celui des autres mammifères marins : 0.8 g de Mb pour 100 g-1 de muscle chez les rorquals bleus et 1.8 à 10 g de Mb chez les autres mammifères marins.
Myoglobine* - protéine liant l'oxygène des muscles squelettiques et des muscles cardiaques.
En conclusion, l’activité physique, la profondeur de plongée et le contrôle volontaire modifient la fréquence cardiaque pendant la plongée via le système nerveux autonome.
Un facteur supplémentaire de réduction de la fréquence cardiaque peut être la compression/expansion des poumons pendant une plongée/une remontée.
Ainsi, la fréquence cardiaque pendant une plongée et en surface est directement liée aux schémas hémodynamiques artériels.
Rorqual commun
Une étude antérieure sur les propriétés biomécaniques et les dimensions des parois aortiques chez les rorquals communs (Balaenoptera physalus) ont montré que lors d'une plongée à une fréquence cardiaque ≤ 10 battements/min, la crosse aortique met en œuvre un effet réservoir (Effet Windkessel), qui maintient le flux sanguin pendant de longues périodes périodes diastoliques* entre les battements cardiaques et réduit la pulsation du flux sanguin dans l'aorte distale rigide.
Diastole* (période diastolique) - la 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 dans la pratique. Mais pour ce faire, vous devez effectuer un électrocardiogramme sur une baleine bleue en mouvement libre. Les méthodes simples ne fonctionneront pas ici, c'est pourquoi les scientifiques ont créé leur propre appareil d'électrocardiographie.
Une vidéo dans laquelle les chercheurs parlent brièvement de leurs travaux.
L'ECG de la baleine a été enregistré à l'aide d'un enregistreur ECG sur mesure intégré dans une capsule spéciale dotée de 4 ventouses. Des électrodes ECG de surface ont été intégrées dans deux des ventouses. Les chercheurs ont pris un bateau jusqu'à la baie de Monterey (océan Pacifique, près de la Californie). Lorsque les scientifiques ont finalement rencontré une baleine bleue qui avait fait surface, ils ont attaché un enregistreur ECG à son corps (à côté de sa nageoire gauche). Selon les données recueillies précédemment, 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 l’introduction d’aucun capteur ou électrode dans la peau de l’animal. Autrement dit, pour la baleine, cette procédure est totalement indolore et avec un minimum de stress dû au contact avec les personnes, ce qui est également extrêmement important, étant donné que des lectures de battements cardiaques sont prises, qui pourraient être déformées en raison du stress. Le résultat a été un enregistrement ECG de 8.5 heures à partir duquel les scientifiques ont pu établir un profil de fréquence cardiaque (image ci-dessous).
Image n°1 : Profil de fréquence cardiaque du rorqual bleu.
La forme d’onde ECG était similaire à celle enregistrée chez les petites baleines captives utilisant le même appareil. Le comportement alimentaire de la baleine était tout à fait normal pour son espèce : plongée pendant 16.5 minutes jusqu'à une profondeur de 184 m et intervalles en surface de 1 à 4 minutes.
Le profil de fréquence cardiaque, cohérent avec la réponse cardiovasculaire à la plongée, a montré que des fréquences cardiaques comprises entre 4 et 8 battements par minute prédominaient pendant la phase inférieure des plongées de recherche de nourriture, quelle que soit la durée de la plongée ou la profondeur maximale. La fréquence cardiaque de plongée (calculée sur toute la durée de la plongée) et la fréquence cardiaque instantanée minimale de 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. Autrement dit, plus la baleine restait longtemps sous l'eau, plus le rythme cardiaque était lent pendant la plongée et plus rapide après la remontée.
À leur tour, les équations allométriques pour les mammifères indiquent qu'une baleine pesant 70000 319 kg a un cœur pesant 80 kg et que son volume systolique (le volume de sang éjecté par battement) est d'environ 15 l, par conséquent, la fréquence cardiaque au repos devrait être de XNUMX battements/ min.
Pendant les phases inférieures des plongées, la fréquence cardiaque instantanée était comprise entre 1/3 et 1/2 de la fréquence cardiaque au repos prévue. Cependant, la fréquence cardiaque a augmenté pendant la phase d’ascension. À intervalles de surface, les fréquences cardiaques étaient environ deux fois supérieures à la fréquence cardiaque au repos prévue et variaient principalement entre 30 et 37 bpm après des plongées profondes (> 125 m de profondeur) et entre 20 et 30 bpm après des plongées moins profondes.
Cette observation peut indiquer qu’une accélération de la fréquence cardiaque est nécessaire pour obtenir l’échange gazeux respiratoire et la reperfusion (restauration du flux sanguin) souhaités des tissus entre les plongées profondes.
Les plongées de nuit peu profondes et de courte durée étaient associées au repos et étaient donc plus courantes dans les états moins actifs. Les fréquences cardiaques typiques observées au cours d'une plongée de nuit de 5 minutes (8 battements par minute) et l'intervalle de surface de 2 minutes qui l'accompagne (25 battements par minute) peuvent se combiner pour donner une fréquence cardiaque d'environ 13 battements par minute. Ce chiffre, comme nous pouvons le constater, est remarquablement proche des prédictions estimées des modèles allométriques.
Les scientifiques ont ensuite analysé la fréquence cardiaque, la profondeur et le volume pulmonaire relatif lors de 4 plongées distinctes afin d'examiner les effets potentiels de l'activité physique et de la profondeur sur la régulation de la fréquence cardiaque.
Image n°2 : Profils de fréquence cardiaque, de profondeur et de volume pulmonaire relatif de 4 plongées individuelles.
Lorsqu'elle mange de la nourriture à de grandes profondeurs, la baleine effectue une certaine manœuvre de fente - elle ouvre brusquement la bouche pour avaler de l'eau avec du plancton, puis filtre la nourriture. Il a été observé que la fréquence cardiaque au moment de la déglutition de l'eau est 2.5 fois plus élevée qu'au moment de la filtration. Cela témoigne directement de la dépendance de la fréquence cardiaque à l'activité physique.
Quant aux poumons, leur effet sur la fréquence cardiaque est extrêmement improbable, puisqu'aucun changement significatif du volume relatif des poumons n'a été observé lors des plongées en question.
De plus, dans les phases inférieures des plongées peu profondes, une augmentation à court terme de la fréquence cardiaque était précisément associée à des modifications du volume relatif des poumons et pourrait être provoquée par l'activation du récepteur d'étirement pulmonaire.
En résumant les observations décrites ci-dessus, les scientifiques sont arrivés à la conclusion que lors d'une alimentation à de grandes profondeurs, la fréquence cardiaque augmente à court terme de 2.5 fois. Cependant, la fréquence cardiaque maximale moyenne lors des fentes d’alimentation n’était encore que la moitié de la valeur prévue au repos. Ces données concordent avec l'hypothèse selon laquelle les arcs aortiques flexibles des grandes baleines exercent un effet réservoir lors de la lenteur du rythme cardiaque de la plongée. De plus, la plage de fréquences cardiaques plus élevées au cours de la période post-plongée conforte l'hypothèse selon laquelle l'impédance aortique et la charge de travail cardiaque sont réduites pendant l'intervalle de surface en raison de l'interférence destructrice des ondes de pression sortantes et réfléchies dans l'aorte.
La bradycardie sévère observée par les chercheurs peut être qualifiée de résultat inattendu de l'étude, compte tenu de la dépense d'énergie colossale de la baleine lors de la manœuvre de fente en avalant de l'eau contenant du plancton. Cependant, le coût métabolique de cette manœuvre peut ne pas correspondre à la fréquence cardiaque ou au transport convectif de l'oxygène, en partie à cause de la courte durée de l'alimentation et du recrutement possible de fibres musculaires glycolytiques à contraction rapide.
Lors d'une fente, les rorquals bleus accélèrent à des vitesses élevées et absorbent un volume d'eau qui peut être plus grand que leur propre corps. Les scientifiques émettent l'hypothèse que la résistance élevée et l'énergie nécessaire à la manœuvre épuisent rapidement les réserves totales d'oxygène du corps, limitant ainsi la durée de la plongée. La force mécanique requise pour absorber de grands volumes d’eau est susceptible de dépasser de loin la force métabolique aérobie. C'est pourquoi, lors de telles manœuvres, la fréquence cardiaque augmente, mais pour une durée très courte.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je recommande de regarder .
Le final
L’une des découvertes les plus importantes est que les rorquals bleus ont besoin d’une fréquence cardiaque proche du maximum pour les échanges gazeux et la reperfusion pendant de courts intervalles en surface, quelle que soit la nature de l’épuisement de l’oxygène dans le sang et dans les muscles pendant les plongées. Si l’on considère que les plus grandes baleines bleues doivent investir plus de travail sur une période de temps plus courte pour obtenir de la nourriture (conformément aux hypothèses allométriques), alors elles sont inévitablement confrontées à plusieurs contraintes physiologiques tant lors de la plongée que pendant l’intervalle de surface. Cela signifie qu'au cours de l'évolution, la taille de leur corps est limitée, car s'il était plus grand, le processus d'obtention de nourriture serait très coûteux et ne serait pas compensé par la nourriture reçue. Les chercheurs eux-mêmes estiment que le cœur de la baleine bleue travaille à la limite de ses capacités.
À l’avenir, les scientifiques prévoient d’étendre les capacités de leur appareil, notamment en ajoutant un accéléromètre pour mieux comprendre l’effet de différentes activités physiques sur la fréquence cardiaque. Ils prévoient également d'utiliser leur capteur ECG sur d'autres espèces marines.
Comme le montre cette étude, être la plus grande créature avec le plus gros cœur n’est pas facile. Cependant, quelle que soit la taille des habitants marins et quel que soit leur régime alimentaire, nous devons comprendre que la colonne d’eau, utilisée par les humains pour la pêche, l’extraction et le transport, reste leur habitat. Nous ne sommes que des invités et nous devons donc nous comporter en conséquence.
Vendredi off-top :
Images rares d'une baleine bleue démontrant la capacité de sa bouche.
Un autre géant des mers est le cachalot. Dans cette vidéo, des scientifiques utilisant un ROV Hercules télécommandé ont filmé un curieux cachalot à une profondeur de 598 mètres.
Merci d'avoir regardé, restez curieux et bon week-end à tous ! 🙂
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Source: habr.com