A nagy szív kis titka: az első kardiogram a kék bálna történetében

Nehéz vitatkozni azzal az állítással, hogy a legélénkebb képzelőerővel maga a természet rendelkezik. A növény- és állatvilág minden egyes képviselője saját, egyedi, sokszor furcsa jellemzőkkel bír, amelyek gyakran nem férnek a fejünkbe. Vegyük például a tüskés rákot. Ez a ragadozó teremtmény képes áldozatát vagy ellenfelét megtámadni 83 km/h sebességgel, hatalmas csáprágóival, s látórendszere az egyik legbonyolultabb, amit valaha tanulmányoztak. A tüskés rákok, bár vadak, nem igazán nagyok – hosszuk legfeljebb 35 cm. A tengerek és óceánok, és általában a bolygó legnagyobb lakója a kék bálna. Emlősének hossza meghaladhatja a 30 métert, súlya pedig 150 tonna. A tekintélyes mérete ellenére a kék bálnákat nehéz feszítő vadászoknak nevezni, mivel azok a planktonra összpontosítanak.

A kék bálnák anatómiája mindig is érdekelte a tudósokat, akik jobban szeretnék megérteni, hogyan működik egy ilyen hatalmas organizmus és a benne lévő szervek. Annak ellenére, hogy a kék bálnák létezéséről már több száz éve tudunk (1694 óta, ha pontosak akarunk lenni), ezek a gigászok még nem fedtek fel minden titkukból. Ma megismerkedünk egy kutatással, amelyben a Stanford Egyetem tudósai egy olyan eszközt fejlesztettek ki, amellyel megszerezték az első felvételeket a kék bálna szívveréséről. Hogyan működik a tenger urának szíve, milyen felfedezéseket tettek a tudósok, és miért nem létezhet nagyobb organizmus, mint a kék bálna? Erről tájékoztat a kutatócsoport beszámolója. Indulás!

A kutatás hőse

A kék bálna a legnagyobb emlős, a legnagyobb tengeri és óceáni élőlény, a legnagyobb állat, a legnagyobb bálna. Mit is mondhatnánk, a kék bálna valóban a legnagyobb a méretei alapján – hossza 33 méter, súlya 150 tonna. A számok hozzávetőlegesek, de ezektől nem kevésbé impozánsak.

Még ennek a óriásnak a feje is külön fejezetet érdemel a Guinness Rekordok Könyvében, mivel a testhossza körülbelül 27%-át teszi ki. A kék bálnák szemei azonban meglehetősen kicsik, nem nagyobbak, mint egy grapefruit. Ha nehezen látja a bálna szemét, az állkapcsát azonnal észre fogja venni. A kék bálna szája akár 100 embert is el tud nyelni (ijesztő példaként, de a kék bálnák nem esznek embereket, legalábbis szándékosan). A nagy szájméret az étrendi preferenciáiknak köszönhető: a bálnák planktonnal táplálkoznak, hatalmas mennyiségű víz lenyelésével, amelyet később kiszűrő berendezésükön át engednek ki, így kiszűrve az ételt. Kedvező körülmények között a kék bálna naponta körülbelül 6 tonna planktonnal táplálkozik.

A kék bálnák másik fontos jellemzője a tüdő. Képesek akár 1 órán keresztül visszatartani a lélegzetüket, és akár 100 méter mélyre is lemerülni. De, mint más tengeri emlősök, a kék bálnák időnként feljönnek a víz felszínére levegőt venni. A vízfelszínre emelkedve a bálnák légzőnyílást használnak - ez a két nagy nyílás (orrlyuk) a fej hátsó részén. A bálna légzőnyílásán keresztül történő kilégzés gyakran 10 méter magasságú vízfakadással jár. Figyelembe véve a bálnák élőhelyének sajátosságait, a tüdejük sokkal hatékonyabban működik, mint a miénk – a bálna tüdeje 80-90% oxigént képes felvenni, míg a miénk csupán körülbelül 15%-ot. A tüdő térfogata körülbelül 3000 liter, míg az ember esetében ez a szám 3-6 liter között változik.

A kék bálna szívmodelle a New Bedford-i múzeumban (USA).

A kék bálna keringési rendszere is tele van rekordméretű paraméterekkel. Például az ereik hatalmasak, egyedül az aorta átmérője körülbelül 40 cm. A kék bálnák szíve a világ legnagyobb szívének számít, és körülbelül egy tonnát nyom. Ilyen nagy szívvel a bálnának rengeteg vérére is szüksége van – egy felnőtt példányban több mint 8000 liter.

Így szépen eljutottunk a kutatás lényegéhez. A kék bálna szíve nagy, ahogyan már megértettük, de meglehetősen lassan ver. Korábban úgy vélték, hogy a pulzusa körülbelül 5-10 ütés percenként, ritkábban akár 20 is lehet. De eddig senki sem végzett pontos méréseket.

A Stanford University study claims that scale is of great importance in biology, especially when it comes to defining the functional features of living organisms' organs. Studying various creatures, from mice to whales, allows researchers to determine the limits on sizes that a living organism cannot exceed. The heart and the cardiovascular system as a whole are important attributes of such studies.

In marine mammals whose physiology is fully adapted to their lifestyle, adaptations related to diving and breath-holding play a crucial role. It has been established that in many of these creatures, heart rate drops to levels below resting state during dives. Upon surfacing, the heart rate becomes more frequent.

Reduced heart rate during dives is necessary to decrease the rate of oxygen delivery to tissues and cells, thereby slowing down the depletion of oxygen reserves in the blood and reducing the oxygen consumption of the heart itself.

There is a hypothesis that exercise (i.e., increased physical activity) modulates the diving response and increases heart rate during dives. This hypothesis is particularly important for studying blue whales, as due to their unique feeding method (a sharp lunge to swallow water), the metabolic rate is theorized to exceed baseline (resting) values by 50 times. It is believed that such lunges accelerate oxygen depletion, thereby reducing dive duration.

Increased heart rate and enhanced oxygen transfer from blood to muscles during a lunge can play an important role due to the metabolic costs associated with such physical activity. Additionally, the low concentration myoglobin* (Mb) in blue whales (5-10 times lower than in other marine mammals: 0.8 g Mb per 100 g-1 muscle in blue whales and 1.8-10 g Mb in other marine mammals.

Myoglobin* is an oxygen-binding protein found in skeletal muscles and heart muscle.

In conclusion, physical exertion, dive depth, and voluntary control affect heart rate during diving through the autonomic nervous system.

A további tényező, amely csökkentheti a szívverések számát, lehet a tüdő összenyomódása/kitágulása a merülés/felúszás során.

Így a szívverések száma a merülés alatt és a felszínen való tartózkodás során közvetlenül összefügg az artériás hemodinamikai modellekkel.

Finwhale

A finwhale aorta falának biomechanikai tulajdonságairól és méreteiről korábban végzett kutatás azt mutatta, hogyBalaenoptera physalus) merülés során, amikor a szívverések száma ≤10 ütés/perc, az aorta íve Windkessel hatást valósít meg,Windkessel effekt), amely fenntartja a véráramlást hosszú diasztolikus periódusok* között a szívverések és csökkenti a véráramlás lüktetését a merev distális aortában.

Diasztola* (diasztolikus periódus) — a szív relaxációs időszaka a verések között.

Az összes fent említett hipotézisnek, elméletnek és következtetésnek anyagi bizonyítékokkal kell rendelkeznie, vagyis azt a gyakorlatban meg kell erősíteni vagy megcáfolni. Ehhez azonban elektrokardiogramot kell készíteni a szabadon mozgó kék bálnáról. Az egyszerű módszerek itt nem működnek, ezért a tudósok egy saját elektrokardiográf készüléket fejlesztettek ki.

A kék bálnák EKG-jét egy speciálisan elkészített, négy tapadókoronggal rendelkező EKG-regisztrátorral rögzítették, amely egy különleges kapszulába volt beépítve. A tapadókorongok közül kettőbe felületi EKG-elektródák voltak beépítve. A kutatók csónakkal indultak a Monterey-öbölbe (Csendes-óceán, Kalifornia közelében). Amikor a tudósok végre találkoztak a felszínre emelkedő kék bá-nával, az EKG-regisztrátort a testére (a bal uszony közelébe) rögzítették. A korábban gyűjtött adatok szerint ez a bálna egy 15 éves hím. Fontos megjegyezni, hogy ez az eszköz non-invazív, tehát nem igényel szenzorok vagy elektródák bőr alá történő beültetését. Ezért a bálna számára ez az eljárás teljesen fájdalommentes, és a kiváltott stressz miatt az emberi kapcsolattal járó minimális stressz is rendkívül fontos, figyelembe véve, hogy a szívverés méréseit történik, amelyeket a stressz miatt torzíthatnak. Ennek eredményeként 8,5 órás EKG-felvételt kaptak, amely alapján a tudósok képesek voltak felépíteni a szívritmus profilját (lásd az alábbi képet).

1. kép: a kék bálna szívritmusának profilja.

Az EKG-jel formája hasonló volt ahhoz, ami a fogságban élő kis ceteknél került rögzítésre ugyanazzal az eszközzel. A bálna táplálékkeresési viselkedése teljesen normális volt a fajtája számára: 16,5 perces merülés 184 méteres mélységig, 1-4 perces felszíni időszakokkal.

A szívritmus profila, a merülés alatti keringési válasz fényében, azt mutatta, hogy a szívverés 4-8 ütés/másodperc közötti gyakorisága a merülések alsó fázisában dominált, függetlenül a merülés időtartamától vagy maximális mélységétől. A merülés alatti szívverés (a merülés teljes tartamára számítva) és a merülés alatt mért minimális azonnali szívverés csökkent a merülés időtartamával, míg a merülés utáni maximális felszíni szívverés növekedett a merülés időtartamával. Tehát minél tovább volt a bálna a víz alatt, annál lassabban vert a szíve a merülés alatt, és annál gyorsabban a felszínre emelkedés után.

A allometrikus egyenletek szerint a 70000 kg súlyú bálnának 319 kg súlyú szíve van, és a percenkénti vérmennyisége (a pumpált vér térfogata) körülbelül 80 liter, így a nyugalmi szívverésének 15 ütés/percnek kell lennie.

A mélyebbre merülés alsó fázisaiban a pillanatnyi szívfrekvencia a nyugalmi állapotban előrejelzett szívfrekvencia 1/3 és 1/2 között volt. A szív ritmusa azonban a felemelkedés fázisában növekedett. A felszíni időszakokban a szívfrekvencia körülbelül kétszerese volt az előrejelzett nyugalmi szívfrekvenciának, és többnyire 30 és 37 ütés/perc között változott mélyebb merülések után (> 125 méter mély) és 20 és 30 ütés/perc között sekélyebb merülések után.

Ez a megfigyelés arra utalhat, hogy a szívverés felgyorsítása szükséges a megfelelő légzési gázcseréhez és a szövetek reperfúziójához (a véráramlás helyreállítása) a mélyebb merülések között.

A sekély, rövid ideig tartó éjszakai merülések pihenéssel voltak összefüggésben, így inkább a kevésbé aktív állapotra jellemzőek. Az 5 perces éjszakai merülés alatt megfigyelt tipikus szívfrekvencia (8 ütés/perc) és a hozzá társuló 2 perces felszíni időszak (25 ütés/perc) összességében a szív ritmusát körülbelül 13 ütés/perc körüli értékre csökkentheti. Ez a szám, ahogy láthatjuk, meglepően közel áll az allometrikus modellek előrejelzéseihez.

Ezt követően a tudósok négy különálló merülés szívfrekvencia, mélység és relatív tüdő térfogat profiljait állították össze, amelynek elemzése lehetővé tette a fizikai aktivitás és a mélység szívritmus-regulációra gyakorolt potenciális hatásának tanulmányozását.

2. kép: négy különálló merülés szívfrekvencia, mélység és relatív tüdő térfogat profiljai.

Étkezés közben nagy mélységekben a bálna egy speciális manővert hajt végre, amelyet a víz planktonnal való lenyelése során a szájának hirtelen kinyitásával végez, majd kiszűri az ételt. Megfigyelték, hogy a szívverés frekvenciája a víz lenyelésekor 2,5-szer magasabb, mint a szűrés során. Ez közvetlenül arra utal, hogy a szív ritmusa összefügg a fizikai terheléssel.

A tüdők szívritmusra gyakorolt hatásának minimálisnak kell lennie, mivel a vizsgált merülések során nem észleltek jelentős változásokat a tüdők relatív térfogatában.

A sekély merülések alsó fázisaiban a szívverés frekvenciájának rövid távú növekedése éppen a tüdők relatív térfogatának változásával volt összefüggésben, és valószínűleg a tüdő nyújtóreceptorának aktiválásából fakad.

Összegyűjtve a fenti megfigyeléseket, a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a nagy mélységekben történő táplálkozás során a szívverés frekvenciája átmenetileg 2,5-szeresére emelkedik. Ennek ellenére a táplálkozás során a manőverek során mért átlagos csúcs szívverés frekvencia még mindig csak a nyugalmi előrejelzett érték felét tette ki. Ezek az adatok összhangban vannak azzal a hipotézissel, miszerint a nagy bálna rugalmas aortája tároló hatást valósít meg a merülés során lassú szívritmus mellett. Ezen kívül a merülés utáni magasabb szívverés frekvencia megerősítette azt a hipotézist, hogy az aorta ellenállása és a szív terhelése csökken a felszíni intervallumban a kimenő és visszavert nyomáshullámok pusztító beavatkozása miatt.

Az erős bradikardia, amelyet a kutatók megfigyeltek, meglepő eredménynek számít a kutatásban, figyelembe véve a bálna hatalmas energiáját, amelyet a planktonnal teli víz lenyelése során jelentkező manőverhez fordít. Azonban a manőver anyagcsere-költségei nem feltétlenül felelnek meg a szívverés frekvenciájának vagy az oxigén konvekciós szállításának, részben a táplálkozás rövid időtartama és a glikolitikus, gyorsan összehúzódó izomrostok esetleges bevonása miatt.

A kék bálnák a kiugrás során nagy sebességre gyorsulnak, és olyan mennyiségű vizet nyelnek el, amely meghaladhatja a saját testüket. A tudósok úgy vélik, hogy a nagy ellenállás és a manőverezéshez szükséges energia gyorsan kimeríti a test oxigénkészleteit, ezzel korlátozva a merülési időt. A nagy mennyiségű víz elnyeléséhez szükséges mechanikai erő valószínűleg sokkal meghaladja az aerob anyagcsereerejét. Ezért a manőverezés közben a szívverések gyakorisága bár növekedhet, de csak nagyon rövid időre.

A kutatás részleteivel való alaposabb megismerkedéshez javaslom, hogy nézze meg a tudósok jelentését.

Epilógus

Az egyik legfontosabb megállapítás, hogy a gázcseréhez és a reperfúzióhoz a kék bálnáknak a rövid felszíni intervallumok alatt szinte maximális szívverési sebességre van szükségük, függetlenül attól, hogy milyen mértékben merülnek ki az oxigénkészleteik a vérben és az izmokban. Figyelembe véve azt is, hogy a nagyobb kék bálnák a táplálkozáshoz több munkát kell végezzenek rövidebb idő alatt (az allometriai hipotézisek szerint), elkerülhetetlenül több fiziológiai korláttal néznek szembe mind a merülés, mind a felszíni intervallum során. Ez azt jelenti, hogy evolúciós szempontból a testméretük korlátozott, mert ha nagyobbak lennének, az élelem megszerzése nagyon költséges lenne, és nem lenne kompenzálva a megszerzett táplálékkal. A kutatók szerint a kék bálna szíve a lehetőségei határán működik.

A jövőben a tudósok azt tervezik, hogy bővítik a készülékük lehetőségeit, többek között hozzáadnak egy gyorsulásmérőt, hogy jobban megértsék a különböző fizikai aktivitások hatását a szívritmusra. Emellett a saját EKG-érzékelőjüket más tengeri élőlényeken is tesztelni tervezik.

Ez a kutatás azt mutatta, hogy a legnagyobb élőlény lenni a legnagyobb szívvel nem olyan egyszerű. Mindazonáltal bármilyen méretűek is legyenek a tengeri élőlények, bármilyen diétát kövessenek, meg kell értenünk, hogy az a víztömeg, amelyet az ember a halászatra, bányászatra és szállításra használ, továbbra is az otthonuk marad. Mi csupán vendégek vagyunk, így ennek megfelelően kell viselkednünk.

Pénteki off-topic:

Köszönöm a figyelmet, maradjatok kíváncsiak, és kiváló hétvégét mindenkinek, srácok! 🙂

Köszönjük, hogy velünk maradtál. Tetszenek a cikkeink? Szeretnél több érdekes anyagot látni? Támogass minket, és rendelés leadásával vagy ismerősöknek ajánlással segíts nekünk. Felhőalapú VPS fejlesztőknek 4,99 dollártól, 30% kedvezmény a Habr felhasználóinak az egyedülálló entry-level szervereinkre, amelyet Önöknek találtunk ki: Az igazság a VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 mag) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps-tól 20 dollárig, vagy hogyan érdemes megosztani egy szervert? (elérhetők RAID1 és RAID10 opciók, akár 24 magig és 40GB DDR4-ig).

Dell R730xd két alkalommal olcsóbban? Csak nálunk 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TB 199 dollártól Hollandiában! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — 99 dollártól! Olvasd el ezt Hogyan építsünk vállalati szintű infrastruktúrát Dell R730xd E5-2650 v4 szerverekkel, amelyek költsége 9000 euróban van megszabva?

Forrás: habr.com