Það er erfitt að halda því fram að náttúran hafi líflegasta ímyndunarafl. Hver fulltrúi gróðurs og dýralífs hefur sína einstöku, og stundum jafnvel undarlega, eiginleika sem oft geta ekki passað inn í höfuðið á okkur. Tökum sem dæmi sama mantiskrabbann. Þessi rándýra skepna er fær um að ráðast á fórnarlamb eða afbrotamann með kröftugum klóm sínum á 83 km/klst hraða og sjónkerfi þeirra er eitt það flóknasta sem menn hafa rannsakað. Mantis krabbar, þó grimmir, eru ekki sérstaklega stórir - allt að 35 cm að lengd. Stærsti íbúi hafsins og hafsins, sem og plánetunnar almennt, er steypireyður. Lengd þessa spendýrs getur orðið meira en 30 metrar og vegið 150 tonn. Þrátt fyrir tilkomumikla stærð er varla hægt að kalla steypireyðar veiðimenn því... þeir kjósa svif.
Líffærafræði steypireyðar hefur alltaf verið áhugaverð fyrir vísindamenn sem vilja skilja betur hvernig svo risastór lífvera og líffærin í henni virka. Þrátt fyrir þá staðreynd að við höfum vitað um tilvist steypireyðar í nokkur hundruð ár (síðan 1694, nánar tiltekið), hafa þessir risar ekki opinberað öll leyndarmál sín. Í dag munum við skoða rannsókn þar sem hópur vísindamanna frá Stanford háskóla þróaði tæki sem notað var til að ná fyrstu upptökunum af hjartslætti steypireyðar. Hvernig virkar hjarta höfðingja hafsins, hvaða uppgötvanir hafa vísindamenn gert og hvers vegna getur ekki verið til lífvera stærri en steypireyður? Við lærum um þetta af skýrslu rannsóknarhópsins. Farðu.
Rannsóknarhetja
Steypireyður er stærsta spendýrið, stærsti íbúi hafsins og hafsins, stærsta dýrið, stærsti hvalurinn. Hvað get ég sagt, steypireyður er í raun sá allra besti hvað varðar stærðir - lengd er 33 metrar og þyngd er 150 tonn. Tölurnar eru áætluð, en ekki síður áhrifamiklar.
Jafnvel höfuð þessa risa á skilið sérstaka línu í Guinness Book of Records, þar sem það tekur um 27% af heildar líkamslengd. Auk þess eru augu steypireyðar frekar lítil, ekki stærri en greipaldin. Ef það er erfitt fyrir þig að sjá augu hvals, muntu strax taka eftir munninum. Munnur steypireyðar getur tekið allt að 100 manns (hrollvekjandi dæmi, en steypireyðar éta fólk ekki, að minnsta kosti ekki viljandi). Stærð munnsins stafar af matarfræðilegum óskum: hvalir borða svif, gleypa mikið magn af vatni, sem síðan er sleppt í gegnum síubúnað og síar fæðuna út. Við nokkuð hagstæðar aðstæður eyðir steypireyður um 6 tonn af svifi á dag.
Annar mikilvægur eiginleiki steypireyðar er lungun þeirra. Þeir geta haldið niðri í sér andanum í 1 klukkustund og kafað niður á allt að 100 m dýpi. En eins og önnur sjávarspendýr koma steypireyðar reglulega upp á yfirborð vatnsins til að anda. Þegar hvalir stíga upp á yfirborð vatnsins nota þeir blásturshol, öndunargat úr tveimur stórum opum (nösum) aftan á höfðinu. Útöndun hvala í gegnum blásturshol hans fylgir oft lóðréttur vatnsbrunnur allt að 10 m hár Miðað við eiginleika búsvæðis hvalanna vinna lungun þeirra mun skilvirkari en okkar - lungu hvala gleypa 80-90% af súrefni, og okkar aðeins um 15%. Rúmmál lungna er um 3 þúsund lítrar, en hjá mönnum er þessi tala breytileg um 3-6 lítrar.
Líkan af hjarta steypireyðar á safni í New Bedford (Bandaríkjunum).
Blóðrásarkerfi steypireyðar er einnig fullt af metbreytum. Til dæmis eru æðar þeirra einfaldlega risastór, þvermál ósæðar einnar er um 40 cm. Hjarta steypireyðar er talið stærsta hjarta í heimi og vegur um tonn. Með svo stórt hjarta er hvalurinn með mikið blóð - meira en 8000 lítrar hjá fullorðnum.
Og nú komum við vel að kjarna rannsóknarinnar sjálfrar. Hjarta steypireyðar er stórt, eins og við höfum þegar skilið, en það slær frekar hægt. Áður var talið að púlsinn væri um 5-10 slög á mínútu, í einstaka tilfellum allt að 20. En enginn hafði gert nákvæmar mælingar fyrr en nú.
Vísindamenn frá Stanford háskóla segja að mælikvarði skipti miklu máli í líffræði, sérstaklega þegar kemur að því að ákvarða virkni líffæra líffæra. Rannsóknir á ýmsum verum, allt frá músum til hvala, gerir okkur kleift að ákvarða stærðarmörkin sem lifandi lífvera getur ekki farið yfir. Og hjartað og hjarta- og æðakerfið almennt eru mikilvægir eiginleikar slíkra rannsókna.
Hjá sjávarspendýrum, þar sem lífeðlisfræði er algjörlega aðlöguð að lífsstíl þeirra, gegna aðlögun í tengslum við köfun og halda niðri í sér andanum mikilvægu hlutverki. Það hefur komið í ljós að margar af þessum verum eru með hjartsláttartíðni sem lækkar niður í hvíldarstig meðan á kafa stendur. Og eftir að hafa farið upp á yfirborðið verður hjartsláttur hraðari.
Lægri hjartsláttartíðni við köfun er nauðsynleg til að draga úr hraða súrefnisflutnings til vefja og frumna og hægja þannig á tæmingu súrefnisforða í blóði og draga úr súrefnisnotkun hjartans sjálfs.
Tilgátan er sú að hreyfing (þ.e. aukin líkamsrækt) stýri köfunarsvöruninni og auki hjartsláttartíðni meðan á kafi stendur. Þessi tilgáta er sérstaklega mikilvæg fyrir rannsóknir á steypireyði, þar sem vegna sérstakra fóðrunaraðferðar (skyndilegt stökk til að gleypa vatn), ætti efnaskiptahraðinn, fræðilega séð, að fara yfir grunngildin(hvíldarástand) með 50 sinnum. Gert er ráð fyrir að slík lungun flýti fyrir súrefnisþurrð og dregur því úr lengd kafsins.
Aukinn hjartsláttur og aukinn flutningur súrefnis úr blóði til vöðva við lungun getur gegnt mikilvægu hlutverki vegna efnaskiptakostnaðar slíkrar hreyfingar. Að auki er þess virði að íhuga lágan styrk myoglobin* (Mb) í steypireyði (5-10 sinnum lægra en í öðrum sjávarspendýrum: 0.8 g Mb á 100 g-1 vöðva í steypireyði og 1.8-10 g Mb í öðrum sjávarspendýrum.
Myoglobin* - súrefnisbindandi prótein í beinagrindarvöðvum og hjartavöðvum.
Niðurstaðan er sú að líkamleg áreynsla, köfunardýpt og viljug stjórn breyta hjartsláttartíðni við köfun í gegnum ósjálfráða taugakerfið.
Viðbótarþáttur til að draga úr hjartslætti getur verið þjöppun/útþensla lungna við köfun/uppgöngu.
Þannig er hjartsláttur í köfun og á yfirborði beintengdur við blóðaflfræðileg mynstur slagæða.
Langreyður
Fyrri rannsókn á lífmekanískum eiginleikum og stærð ósæðarveggja í langreyðum (Balaenoptera physalus) sýndi að við köfun með hjartsláttartíðni ≤10 slög/mín, framkvæmir ósæðarboginn lónáhrif (Windkessel áhrif), sem viðheldur blóðflæði í langan tíma þanbilar* á milli hjartslátta og dregur úr púls blóðflæðis inn í stífa distal ósæð.
Diastole* (bilunartímabil) - slökunartímabil hjartans á milli samdrætti.
Allar ofangreindar tilgátur, kenningar og ályktanir verða að hafa efnislegar sannanir, það er að segja að þær séu staðfestar eða hrekjaðar í framkvæmd. En til að gera þetta þarftu að framkvæma hjartalínuriti á steypireyður sem hreyfist frjálslega. Einfaldar aðferðir munu ekki virka hér, svo vísindamenn hafa búið til sitt eigið tæki fyrir hjartalínurit.
Myndband þar sem rannsakendur segja stuttlega frá starfi sínu.
Hjartalínurit hvalsins var tekið með sérsmíðuðum hjartalínuriti sem var innbyggður í sérstakt hylki með 4 sogskálum. Yfirborðs-EKG rafskaut voru byggð í tvo sogskála. Rannsakendur fóru með bát til Monterey Bay (Kyrrahafs, nálægt Kaliforníu). Þegar vísindamenn hittu loksins steypireyði sem hafði komið upp á yfirborðið festu þeir hjartalínurit við líkama hans (við hlið vinstri ugga hans). Samkvæmt áður söfnuðum gögnum er þessi hvalur karlmaður á aldrinum 15 ára. Það er mikilvægt að hafa í huga að þetta tæki er ekki ífarandi, það er að segja að það þarf ekki að setja neina skynjara eða rafskaut í húð dýrsins. Það er að segja, fyrir hvalinn er þessi aðferð algjörlega sársaukalaus og með lágmarks streitu vegna snertingar við fólk, sem er líka afar mikilvægt í ljósi þess að hjartsláttarlestur er tekinn, sem gæti brenglast vegna streitu. Niðurstaðan var 8.5 klukkustunda hjartalínuriti upptaka sem vísindamennirnir gátu byggt upp hjartsláttartíðni (mynd að neðan).
Mynd #1: Púlsprófíl steypireyðar.
Hjartalínuritsbylgjuformið var svipað því sem skráð var hjá smáhvölum í haldi með sama tæki. Fóðurleitarhegðun hvalsins var nokkuð eðlileg fyrir tegund hans: köfun í 16.5 mínútur á 184 m dýpi og 1 til 4 mínútur á yfirborði.
Hjartsláttarsniðið, sem var í samræmi við svörun hjarta- og æðakerfisins við köfun, sýndi að hjartsláttartíðni á milli 4 og 8 slög á mínútu var ríkjandi á neðri áfanga köfunar í fæðuöflun, óháð lengd köfunar eða hámarksdýpt. Köfunarhjartsláttur (reiknaður yfir allan köfunartímann) og lágmarks hjartsláttartíðni strax í köfun lækkuðu með lengd köfunar, en hámarks yfirborðshjartsláttur eftir köf jókst með lengd köfunar. Það er, því lengur sem hvalurinn var undir vatni, því hægar sló hjartsláttinn í köfuninni og því hraðar eftir uppgönguna.
Aftur á móti segja allómetrískar jöfnur fyrir spendýr að hvalur sem er 70000 kg að þyngd hafi hjarta sem vegur 319 kg og slagrúmmál hans (rúmmál blóðs sem kastað er út á hvert slag) er um 80 l, þess vegna ætti hjartsláttur í hvíld að vera 15 slög/ mín.
Á neðri stigum kafanna var tafarlaus hjartsláttur á bilinu 1/3 til 1/2 af áætluðum hvíldarpúlsi. Hins vegar jókst hjartsláttur á uppstiginu. Á yfirborðsbili var hjartsláttur um það bil tvöfaldur áætluðum hvíldarpúlsi og var aðallega á bilinu 30 til 37 slög á mínútu eftir djúpar köfun (>125 m dýpi) og frá 20 til 30 slög á mínútu eftir grynnri köfun.
Þessi athugun gæti bent til þess að hröðun hjartsláttartíðni sé nauðsynleg til að ná æskilegum gasskiptum í öndunarfærum og endurflæði (endurheimt blóðflæðis) vefja á milli djúpkafa.
Grunnar, stuttar næturköfun tengdust hvíld og voru því algengari í minna virku ástandi. Dæmigert hjartsláttur sem sést í 5 mínútna næturköfun (8 slög á mínútu) og meðfylgjandi 2-mínútna yfirborðsbil (25 slög á mínútu) geta leitt til hjartsláttar upp á um 13 slög á mínútu. Þessi tala, eins og við sjáum, er ótrúlega nálægt áætluðum spám allometric líkana.
Vísindamennirnir greindu síðan hjartsláttartíðni, dýpt og hlutfallslegt lungnarúmmál úr 4 aðskildum kafunum til að kanna hugsanleg áhrif líkamlegrar áreynslu og dýpt á hjartsláttartíðni.
Mynd #2: Hjartsláttartíðni, dýpt og hlutfallslegt lungnarúmmál í 4 aðskildum kafunum.
Þegar hvalurinn borðar mat á miklu dýpi framkvæmir hvalurinn ákveðna lungnaaðgerð - hann opnar munninn skarpt til að gleypa vatn með svifi og síar síðan fæðuna út. Í ljós kom að hjartsláttur á því augnabliki sem vatn er kyngt er 2.5 sinnum hærri en við síun. Þetta talar beint um hversu háð hjartsláttartíðni er líkamleg áreynsla.
Hvað lungun varðar eru áhrif þeirra á hjartsláttartíðni afar ólíkleg þar sem engar marktækar breytingar á hlutfallslegu lungnarúmmáli sáust við umræddar köfun.
Þar að auki, í neðri stigum grunnra kafa, var skammtímaaukning á hjartslætti einmitt tengd breytingum á hlutfallslegu rúmmáli lungna og gæti stafað af virkjun lungnateygjuviðtakans.
Með því að draga saman athuganirnar sem lýst er hér að ofan komust vísindamenn að þeirri niðurstöðu að við fóðrun á miklu dýpi er skammtímaaukning á hjartslætti um 2.5 sinnum. Hins vegar var meðalhámarks hjartsláttartíðni meðan á brjóstakasti stóð enn aðeins helmingur þess hvíldargildis sem spáð var fyrir um. Þessi gögn eru í samræmi við tilgátuna um að sveigjanlegir ósæðarbogar stórra hvala hafi lónáhrif við hægan hjartslátt við köfun. Auk þess studdi svið hærri hjartsláttartíðni á tímabilinu eftir köfun þá tilgátu að ósæðarviðnám og vinnuálag á hjarta minnki á yfirborðsbilinu vegna eyðileggjandi truflunar á útrásar- og endurspegluðum þrýstingsbylgjum í ósæðinni.
Hið alvarlega hægsláttur sem rannsakendur sáu má kalla óvænta niðurstöðu rannsóknarinnar, í ljósi þess að hvalurinn eyðir gríðarlegum orku í lungnahreyfinguna á meðan hann kyngir vatni með svifi. Hins vegar gæti efnaskiptakostnaður þessarar hreyfingar ekki verið í samræmi við hjartsláttartíðni eða flutning súrefnis í flutningi, að hluta til vegna skamms tíma fóðrunar og mögulegrar nýliðunar á glýkólýsandi vöðvaþráðum með hröðum kippum.
Þegar steypireyður er steypist steypireyður upp á mikinn hraða og gleypir vatnsmagn sem getur verið stærra en þeirra eigin líkami. Vísindamenn halda því fram að mikil viðnám og orka sem þarf til að stjórna tæmi fljótt á heildarsúrefnisforða líkamans og takmarkar þar með köfunartímann. Vélrænni krafturinn sem þarf til að gleypa mikið magn af vatni er líklega langt umfram loftháðan efnaskiptakraft. Þess vegna jókst hjartslátturinn við slíkar hreyfingar, en í mjög stuttan tíma.
Fyrir ítarlegri kynningu á blæbrigðum rannsóknarinnar mæli ég með að skoða .
Eftirmáli
Ein mikilvægasta niðurstaðan er sú að steypireyðir þurfa nær hámarkshjartslátt fyrir gasskipti og endurflæði á stuttu yfirborði, óháð eðli súrefnisskorts í blóði og vöðvum við köfun. Ef við lítum svo á að stærri steypireyðar verði að leggja meira vinnuafl yfir styttri tíma til að afla sér fæðu (í samræmi við allómetrískar tilgátur), þá standa þeir óhjákvæmilega frammi fyrir ýmsum lífeðlisfræðilegum takmörkunum bæði við köfun og á yfirborðsbilinu. Þetta þýðir að þróunarfræðilega stærð líkama þeirra er takmörkuð, þar sem ef hann væri stærri væri ferlið við að afla matar mjög kostnaðarsamt og yrði ekki bætt upp með matnum sem þeir fengu. Vísindamennirnir sjálfir telja að hjarta steypireyðar sé að vinna á takmörkum getu hans.
Í framtíðinni ætla vísindamenn að auka getu tækisins síns, þar á meðal að bæta við hröðunarmæli til að skilja betur áhrif mismunandi hreyfingar á hjartsláttartíðni. Þeir ætla einnig að nota hjartalínurit skynjara sinn á annað sjávarlíf.
Eins og þessi rannsókn sýnir er ekki auðvelt að vera stærsta veran með stærsta hjartað. Hins vegar, sama hversu stór íbúar sjávar eru, sama hvaða mataræði þeir halda sig við, þá þurfum við að skilja að vatnssúlan, sem er notuð af mönnum til veiða, vinnslu og flutninga, er áfram heimili þeirra. Við erum aðeins gestir og því verðum við að haga okkur í samræmi við það.
Föstudagur off-top:
Sjaldgæft myndefni af steypireyði sem sýnir getu munnsins.
Annar risi hafsins er búrhvalur. Í þessu myndbandi mynduðu vísindamenn sem notuðu fjarstýrðan ROV Hercules forvitinn búrhvali á 598 metra dýpi.
Takk fyrir að horfa, vertu forvitin og eigið frábæra helgi allir! 🙂
Þakka þér fyrir að vera hjá okkur. Líkar þér við greinarnar okkar? Viltu sjá meira áhugavert efni? Styðjið okkur með því að leggja inn pöntun eða mæla með því við vini, , 30% afsláttur fyrir Habr notendur á einstökum hliðstæðum upphafsþjónum, sem var fundið upp af okkur fyrir þig: (fáanlegt með RAID1 og RAID10, allt að 24 kjarna og allt að 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 sinnum ódýrari? Aðeins hér í Hollandi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - frá $99! Lestu um
Heimild: www.habr.com