Teško je raspravljati s tvrdnjom da najživopisniju maštu ima priroda. Svaki od predstavnika flore i faune posjeduje svoje jedinstvene, a ponekad čak i neobične značajke koje često ne možemo razumjeti. Uzmimo, na primjer, rak-bogomola. Ova mesožderna vrsta može napasti svoju žrtvu ili neprijatelja svojim snažnim kandžama brzinom od 83 km/h, a njihov vidni sustav jedan je od najkompleksnijih koje je čovjek ikada proučavao. Rakovi-bogomoli, iako su žestoki, nisu osobito veliki — dostižu do 35 cm u dužinu. Najveći stanovnik mora i oceana te, općenito, planete je plavi kit. Dužina ovog sisavca može doseći više od 30 metara, a težina 150 tona. Unatoč impozantnim dimenzijama, plave kitove teško je nazvati zastrašujućim lovcima, jer preferiraju plankton.
Anatomija plavih kitova oduvijek je zanimala znanstvenike koji žele bolje razumjeti kako funkcionira tako ogroman organizam i njegovi organi. Iako znamo za postojanje plavih kitova već nekoliko stotina godina (otkako 1694. godine, ako budemo precizni), ovi divovi nisu otkrili sve svoje tajne. Danas ćemo se upoznati s istraživanjem u kojem je grupa znanstvenika sa Stanforda razvila uređaj koji je omogućio prve snimke otkucaja srca plavog kita. Kako točno srce vladara mora radi, kakva su otkrića napravili znanstvenici i zašto ne može postojati organizam veći od plavog kita? O tome ćemo saznati iz izvještaja istraživačke skupine. Krećemo.
Junak istraživanja
Plavi kit — najveće sisavce, najveći stanovnik mora i oceana, najveća životinja, najveći kit. Što reći, plavi kit zaista je naj-naj u pogledu dimenzija — dužina 33 metra, a težina 150 tona. Brojke su približne, ali od toga nisu ništa manje impresivne.
Čak i glava ovog divovskog stvorenja zaslužuje posebnu stavku u Guinnessovoj knjizi rekorda, jer čini oko 27% ukupne dužine tijela. Oči plavih kitova su prilično male, ne veće od grejpfruta. Ako vam bude teško ugledati oči kita, odmah ćete primijetiti njegovo veliko usta. Usta plavog kita mogu primiti do 100 ljudi (uznemirujući primjer, ali plavi kitovi ne jedu ljude, barem ne namjerno). Velika veličina usta rezultat je prehrambenih preferencija: kitovi jedu plankton, gutajući ogromne količine vode koju potom ispuštaju kroz filtar, filtrirajući hranu. Uz dovoljno povoljne okolnosti, plavi kit dnevno pojede oko 6 tona planktona.
Još jedna važna karakteristika plavih kitova su njihova pluća. Mogu zadržati dah do 1 sat i roniti do dubine od 100 m. No, kao i drugi morski sisavci, plavi kitovi povremeno izranjaju na površinu kako bi se opskrbili zrakom. Kada isplivaju na površinu, kitovi koriste dišni otvor — otvore na stražnjem dijelu glave s dva velika otvora (narušdeni). Ispuh kita kroz dišni otvor često prati vertikalni mlaz vode visine do 10 m. S obzirom na specifičnosti staništa kitova, njihova pluća rade značajno učinkovitije od naših — kitova pluća apsorbiraju 80-90% kisika, a naša samo oko 15%. Zapremina pluća iznosi oko 3 tisuće litara, dok taj broj kod čovjeka varira oko 3-6 litara.
Model srca plavog kita u muzeju u New Bedfordu (SAD).
Sistem krvotoka plavog kita također se može pohvaliti rekordnim parametrima. Na primjer, njihovi krvni sudovi su ogromni, a promjer same aorte iznosi oko 40 cm. Srce plavih kitova smatra se najvećim srcem na svijetu i teži oko jedne tone. S tako velikim srcem, kit ima i mnogo krvi — više od 8000 litara kod odrasle jedinke.
I evo, polako smo došli do suštine samog istraživanja. Srce plavog kita je veliko, kao što smo već shvatili, ali njegova frekvencija je prilično spora. Ranije se smatralo da pulz iznosi od 5-10 otkucaja u minuti, u rijetkim slučajevima do 20. No, do sada nitko nije proveo točna mjerenja.
Znanstvenici sa Stanfordskog sveučilišta tvrde da veličina u biologiji ima ogroman značaj, osobito kada je riječ o određivanju funkcionalnih značajki organa živih bića. Istraživanje različitih bića, od miševa do kitova, omogućava određivanje ograničenja dimenzija koja živi organizam ne može premašiti. Srce i kardiovaskularni sustav u cjelini važni su atributi takvih istraživanja.
Kod morskih sisavaca čija je fiziologija potpuno prilagođena njihovom načinu života, važnu ulogu igraju prilagodbe vezane uz ronjenje i zadržavanje daha. Utvrđeno je da kod mnogih takvih bića tijekom uranjanja srčana frekvencija opada na razine ispod stanja mirovanja. Kada isplivaju na površinu, ritam srca postaje ubrzan.
Smanjena srčana frekvencija tijekom uranjanja potrebna je za smanjenje brzine dostave kisika do tkiva i stanica, čime se usporava proces iscrpljivanja kisikovih zaliha u krvi i smanjuje potrošnja kisika od strane samog srca.
Postoji hipoteza da vježbanje (tj. povećana fizička aktivnost) modulira reakciju na uranjanje i povećava učestalost srčanih kontrakcija tijekom uranjanja. Ova hipoteza posebno je važna za istraživanje plavih kitova, jer zbog posebnog načina hranjenja (naglo otvaranje za gutanje vode) brzina metabolizma, u teoriji, trebala bi premašiti osnovne vrijednosti (stanje mirovanja) 50 puta. Pretpostavlja se da takvi izleti ubrzavaju iscrpljivanje kisika, čime se smanjuje trajanje uranjanja.
Povećana srčana frekvencija i povećana prijenos kisika iz krvi u mišiće tijekom izleta mogu igrati važnu ulogu zbog metaboličkih troškova tijekom takve fizičke aktivnosti. Osim toga, treba uzeti u obzir i nisku koncentraciju mioglobina* (Mb) kod plavih kitova (5-10 puta niža nego kod drugih morskih sisavaca: 0,8 g Mb na 100 g-1 mišića kod plavih kitova i 1,8-10 g Mb kod drugih morskih sisavaca).
Mioglobina* — protein koji veže kisik u skeletnim mišićima i mišiću srca.
Kao zaključak, fizičko opterećenje, dubina uranjanja i voljna kontrola mijenjaju učestalost srčanih kontrakcija tijekom uranjanja putem autonomnog živčanog sustava.
Dodatni faktor smanjenja srčanog ritma može biti i kompresija/ekspandiranje pluća tijekom uranjanja/izranjanja.
Tako, učestalost srčanih kontrakcija tijekom uranjanja i dok se nalazite na površini izravno se odnosi na modele arterijske hemodinamike.
Velika plavetnila
Ranija istraživanja biomehaničkih svojstava i dimenzija stijenki aorte kod velike plavetnila (Balaenoptera physalus) pokazala su da tijekom uranjanja sa srčanom frekvencijom ≤10 otkucaja/min aortna luka ostvaruje učinak rezervoara (Windkessel efekt), koji održava protok krvi tijekom dugih dijastoličkih perioda* između srčanih kontrakcija i smanjuje pulsiranje protoka krvi u tvrdu distalnu aortu.
Dijastola* (dijastolički period) — period opuštanja srca između kontrakcija.
Sve prethodno opisane hipoteze, teorije i zaključci trebaju imati materijalne dokaze, odnosno biti potvrđeni ili opovrgnuti u praksi. No, za to je potrebno provesti elektrokardiografiju slobodno pokretnom plavetnilu. Jednostavne metode ovdje neće uspjeti, pa su znanstvenici stvorili svoj uređaj za elektrokardiografiju.
Video u kojem istraživači ukratko govore o svom radu.
Ekokardiogram kita registriran je uz pomoć prilagođenog ekokardiografa, ugrađenog u posebnu kapsulu sa 4 usisne čašice. Površinski ekokardiografski elektrode bili su ugrađeni u dvije od usisnih čašica. Istraživači su otišli čamcem u zaljev Monterrey (Tihi ocean, blizu Kalifornije). Kada je znanstvenicima konačno naišao plavi kit, koji je isplivao na površinu vode, pričvrstili su ekokardiograf na njegovo tijelo (pored lijevog peraja). Prema prethodno prikupljenim podacima, ovaj kit je mužjak star 15 godina. Važno je napomenuti da je ovaj uređaj neinvazivan, što znači da ne zahtijeva umetanje senzora ili elektroda u kožu životinje. To jest, za kita je ova procedura potpuno bezbolna i s minimalnim stresom od kontakta s ljudima, što je također krajnje važno, s obzirom na to da se snimaju podaci o otkucajima srca, koji bi mogli biti iskrivljeni zbog stresa. Kao rezultat toga, dobivena je 8.5-satna ekokardiografska snimka, prema kojoj su znanstvenici mogli izraditi profil srčanog ritma (slika ispod).
Slika br. 1: profil srčanog ritma plavog kita.
Oblik ekokardiogramskog signala bio je sličan onome koji je zabilježen kod manjih kitova u zatočeništvu pomoću istog uređaja. Ponašanje kita tijekom traženja hrane bilo je sasvim uobičajeno za njegovu vrstu: uranjanje traje 16.5 minuta do dubine od 184 m i površinski intervali od 1 do 4 minute.
Profil srčanog ritma, u skladu s kardiovaskularnim odgovorom na uranjanje, pokazao je da je učestalost srčanih kontrakcija od 4 do 8 otkucaja u minuti prevladavala u donjoj fazi uranjanja tijekom traženja hrane, neovisno o trajanju uranjanja ili maksimalnoj dubini. Učestalost srčanih otkucaja pri uranjanju (izračunava se kroz cijelo trajanje uranjanja) i minimalna trenutna učestalost srčanih otkucaja tijekom uranjanja smanjivale su se s vremenom uranjanja, dok se maksimalna površinska učestalost srčanih otkucaja nakon uranjanja povećavala s vremenom uranjanja. To jest, što je duže kit bio pod vodom, to je srce sporije kucalo tijekom uranjanja i brže nakon isplivavanja.
S druge strane, allometrijske jednadžbe za sisavce tvrde da kit koji teži 70000 kg ima srce težine 319 kg, a njegov udarni volumen (količina krvi koja se izbacuje po otkucaju) iznosi oko 80 l, stoga bi učestalost srčanih otkucaja u mirovanju trebala biti 15 ud/min.
Za vrijeme donjih faza uranjanja, trenutačna učestalost srčanih otkucaja kretala se od 1/3 do 1/2 od predviđene učestalosti srčanih otkucaja u mirovanju. Međutim, ritam srca se povećavao tijekom faze izranjanja. U površinskim intervalima, učestalost srčanih otkucaja otprilike je bila dvostruko veća od predviđene učestalosti srčanih otkucaja u mirovanju i pretežno se kretala od 30 do 37 otkucaja u minuti nakon dubokih uranjanja (> 125 metara dubine) i od 20 do 30 otkucaja u minuti nakon plićih uranjanja.
Ovo zapažanje može ukazivati na to da je ubrzanje srčanih otkucaja potrebno za postizanje potrebne izmjene dišnih plinova i reperfuziju (obnavljanje protoka krvi) tkiva između dubokih uranjanja.
Plitka kratkotrajna noćna uranjanja bila su povezana s odmorom i stoga su više karakteristična za manje aktivno stanje. Tipične učestalosti srčanih otkucaja zabilježene tijekom 5-minutnog noćnog uranjanja (8 otkucaja u minuti) i pratećeg 2-minutnog površinskog intervala (25 otkucaja u minuti) mogu u zbroju dovesti do toga da ritam srca bude oko 13 otkucaja u minuti. Ova brojka, kao što možemo vidjeti, nevjerojatno je bliska proračunatim predikcijama allometrijskih modela.
Nadalje, znanstvenici su izradili profile učestalosti srčanih otkucaja, dubine i relativnog volumena pluća tijekom 4 odvojena uranjanja, čija je analiza omogućila proučavanje potencijalnog utjecaja tjelesne aktivnosti i dubine na regulaciju srčanog ritma.
Slika br. 2: profili učestalosti srčanih otkucaja, dubine i relativnog volumena pluća tijekom 4 odvojena uranjanja.
Tijekom hranjenja na velikim dubinama, kit izvodi određenu manevru otvaranja - naglo otvara usta kako bi progutao vodu s planktonom, a potom filtrira hranu. Primijećeno je da je brzina otkucaja srca u trenutku gutanja vode 2,5 puta veća nego u trenutku filtracije. To izravno ukazuje na povezanost ritma srca s fizičkom aktivnošću.
Što se tiče pluća, njihov utjecaj na srčani ritam je iznimno malo vjerojatan, jer nisu primijećene značajne promjene u relativnom volumenu pluća tijekom promatranih ronjenja.
Pri tome je u donjim fazama plitkih ronjenja kratkotrajno povećanje brzine otkucaja srca bilo povezano s promjenama relativnog volumena pluća i moglo je biti uzrokovano aktivacijom receptora za istezanje pluća.
Sažimajući prethodno opisane opservacije, znanstvenici su došli do zaključka da tijekom hranjenja na velikim dubinama postoji kratkotrajno povećanje brzine otkucaja srca od 2,5 puta. Ipak, prosječna vršna brzina otkucaja srca tijekom otvaranja prilikom hranjenja još uvijek je iznosila samo polovicu predviđene vrijednosti u mirovanju. Ovi podaci su u skladu s hipotezom da fleksibilne aortne lukove velikih kitova ostvaruju učinak rezervoara tijekom sporog ritma srca za vrijeme uranjanja. Osim toga, raspon viših otkucaja srca u razdoblju nakon uranjanja potvrdio je hipotezu da se impedance aorte i opterećenje srca smanjuju tijekom površinskog intervala zbog destruktivnog utjecaja odlaznih i reflektiranih valova pritiska u aorti.
Jaku bradikardiju koju su primijetili istraživači može se nazvati neočekivanim rezultatom istraživanja, s obzirom na ogromne napore koje kit ulaže u manevar otvaranja prilikom gutanja vode s planktonom. Međutim, metabolički troškovi ovog manevara možda ne odgovaraju brzini otkucaja srca ili konvektivnom transportu kisika dijelom zbog kratkog trajanja hranjenja i mogućeg angažiranja glikolitičkih, brzo kontraktilnih mišićnih vlakana.
Tijekom zaranja plavi kitovi dostižu visoku brzinu i apsorbiraju količinu vode koja može biti veća od njihovog vlastitog tijela. Znanstvenici smatraju da visoki otpor i energija potrebna za manevar brzo iscrpljuju ukupne zalihe kisika u organizmu, čime se ograničava vrijeme uranjanja. Mehanička sila potrebna za apsorpciju velikih količina vode vjerojatno značajno premašuje aerobnu metaboličku snagu. Stoga, tijekom ovih manevara, iako se učestalost otkucaja srca povećava, to je samo na vrlo kratko vrijeme.
Za detaljnije upoznavanje s nijansama istraživanja preporučujem da zavirite u .
Epilog
Jedan od najvažnijih zaključaka je da za razmjenu plinova i reperfuziju tijekom kratkih površinskih intervala plavi kitovi trebaju gotovo maksimalnu frekvenciju otkucaja srca, bez obzira na prirodu iscrpljivanja zaliha kisika u krvi i mišićima tijekom uranjanja. Ako uzmemo u obzir da veći primjerci plavih kitova moraju uložiti više truda za manje vremensko razdoblje (prema hipotezama alometrije), neizbježno se susreću s brojnim fiziološkim ograničenjima i tijekom uranjanja i tijekom površinskih intervala. To znači da je evolucijski njihov tjelesni razmjer ograničen, jer bi veći veličine proces dobivanja hrane bio preskup i ne bi se kompenzirao dobivenom hranom. Istraživači sami smatraju da srce plavog kita radi na granici svojih mogućnosti.
U budućnosti znanstvenici planiraju proširiti mogućnosti svog uređaja, uključujući dodavanje akcelerometra, kako bi bolje razumjeli utjecaj različitih fizičkih aktivnosti na srčani ritam. Također planiraju primijeniti svoj ECG senzor na drugim morskim stvorenjima.
Kako pokazuje ovo istraživanje, biti najveće biće s najvećim srcem nije jednostavno. Ipak, bez obzira na veličinu morskih stanica i na kakvoj se prehrani temelje, moramo razumjeti da je voda koju ljudi koriste za ribolov, ekstrakciju i transport njihov dom. Mi smo samo gosti, stoga se trebamo ponašati odgovarajuće.
Petak Off-Topic:
Rijetki trenuci kada plavi kit pokazuje kapacitet svoje usne.
Još jedan div mora je spermatoid. U ovom videu, znanstvenici su pomoću daljinski upravljanog ROV Hercules snimili znatiželjnog spermatoida na dubini od 598 metara.
Hvala na pažnji, ostanite znatiželjni i želim svima odličan vikend, ljudi! 🙂
Hvala što ostajete s nama. Sviđa li vam se naše članke? Želite li vidjeti više zanimljivih materijala? Podržite nas narudžbom ili preporučite prijateljima, , 30% popusta za korisnike Habr-a na jedinstveni analog entry-level servera, koji smo stvorili za vas: (dostupne opcije s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40GB DDR4).
Dell R730xd za pola cijene? Samo kod nas u Nizozemskoj! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Pročitajte o tome
Izvor: habr.com
