È difficile contestare l'affermazione che la natura possiede la fantasia più vivida. Ogni rappresentante della flora e della fauna ha le sue caratteristiche uniche e talvolta persino strane, che spesso non riusciamo a comprendere. Prendiamo, per esempio, il mantide granchio. Questa creatura predatrice è in grado di attaccare la preda o il molestatore con le sue potenti chele a una velocità di 83 km/h, e il loro sistema visivo è uno dei più complessi mai studiati dall'uomo. I mantidi granchio, sebbene siano feroci, non sono particolarmente grandi—raggiungono al massimo i 35 cm di lunghezza. Il più grande tra i residenti dei mari e degli oceani, così come dell'intero pianeta, è la balena blu. La lunghezza di questo mammifero può superare i 30 metri e il suo peso è di 150 tonnellate. Nonostante le sue dimensioni imponenti, è difficile definire le balene blu come temibili predatori, poiché preferiscono il plancton.
L'anatomia delle balene blu ha sempre interessato gli scienziati, desiderosi di comprendere meglio come funziona un organismo tanto enorme e i suoi organi. Sebbene sappiamo dell'esistenza delle balene blu da diverse centinaia di anni (dal 1694, per essere precisi), questi giganti non hanno ancora rivelato tutti i loro segreti. Oggi ci immergeremo in uno studio in cui un gruppo di ricercatori dell'Università di Stanford ha sviluppato un dispositivo che ha permesso di registrare per la prima volta il battito cardiaco di una balena blu. Come funziona il cuore del sovrano degli oceani, quali scoperte hanno fatto gli scienziati e perché non può esistere un organismo più grande della balena blu? Scopriremo tutto questo nel rapporto del gruppo di ricerca. Andiamo.
Eroe della ricerca
La balena blu è il mammifero più grande, il più grande abitante dei mari e degli oceani, l'animale più grande, la balena più grande. Cosa si può dire, la balena blu è davvero la più grande in termini di dimensioni—lunghezza di 33 metri e peso di 150 tonnellate. I numeri sono approssimativi, ma non meno impressionanti.
Anche la testa di questo gigante merita una propria riga nel libro dei record di Guinness, poiché occupa circa il 27% della lunghezza totale del corpo. Gli occhi delle balene blu, d'altra parte, sono piuttosto piccoli, non più grandi di un pompelmo. Se sarà difficile vedere gli occhi della balena, noterete subito la bocca. La mascella della balena blu può contenere fino a 100 persone (un esempio inquietante, ma le balene blu non mangiano le persone, almeno non intenzionalmente). La grande dimensione della bocca è dovuta alle preferenze gastronomiche: le balene mangiano il plancton, ingoiando enormi quantità d'acqua, che poi rilasciano attraverso un apparato di filtraggio per separare il cibo. In circostanze favorevoli, una balena blu consuma circa 6 tonnellate di plancton al giorno.
Un'altra caratteristica importante delle balene blu sono i loro polmoni. Possono trattenere il respiro per 1 ora e immergersi fino a 100 m di profondità. Ma, come altri mammiferi marini, le balene blu riemergono periodicamente in superficie per respirare. Emergendo in superficie, le balene utilizzano lo sfiatatoio, un'apertura respiratoria costituita da due grandi aperture (narici) situate sul retro della testa. L'espirazione della balena attraverso lo sfiatatoio è spesso accompagnata da un getto d'acqua verticale alto fino a 10 m. Considerando le caratteristiche dell'habitat delle balene, i loro polmoni funzionano in modo significativamente più efficiente dei nostri: i polmoni della balena assorbono l'80-90% dell'ossigeno, mentre i nostri solo circa il 15%. Il volume dei polmoni è di circa 3.000 litri, mentre per gli esseri umani questo valore varia da 3 a 6 litri.
Modello di cuore di una balena blu al museo di New Bedford (USA).
Anche il sistema circolatorio della balena blu è caratterizzato da parametri da record. Ad esempio, i loro vasi sanguigni sono enormi, con un diametro della sola aorta di circa 40 cm. Il cuore delle balene blu è considerato il più grande al mondo e pesa circa una tonnellata. Con un cuore così grande, una balena ha anche molto sangue: oltre 8000 litri in un esemplare adulto.
E così siamo giunti dolcemente al nocciolo della questione. Il cuore della balena blu è grande, come abbiamo già capito, ma batte piuttosto lentamente. In precedenza si pensava che il battito cardiaco fosse di circa 5-10 colpi al minuto, con rare eccezioni fino a 20. Tuttavia, nessuna misurazione precisa era stata effettuata fino ad ora.
Gli scienziati dell'Università di Stanford affermano che la scala in biologia ha un'importanza enorme, soprattutto quando si tratta di definire le caratteristiche funzionali degli organi degli esseri viventi. Lo studio di varie creature, dai topi alle balene, consente di definire i limiti dimensionali che un organismo vivente non può superare. Il cuore e il sistema cardiovascolare in generale sono attributi importanti per tali ricerche.
Negli mammiferi marini, la cui fisiologia si è completamente adattata al loro stile di vita, le adattamenti legati all'immersione e alla ritenzione del respiro giocano un ruolo cruciale. È stato stabilito che molti di questi esseri durante l'immersione vedono la loro frequenza cardiaca ridursi a livelli inferiori a quelli di riposo. Una volta tornati in superficie, il ritmo cardiaco tende a diventare più accelerato.
La riduzione della frequenza cardiaca durante le immersioni è necessaria per ridurre la velocità di consegna dell'ossigeno ai tessuti e alle cellule, rallentando così il processo di esaurimento delle riserve di ossigeno nel sangue e riducendo il consumo di ossigeno da parte del cuore stesso.
Esiste un'ipotesi secondo cui l'esercizio fisico (ovvero un'attività fisica aumentata) modula la risposta all'immersione e aumenta la frequenza cardiaca durante l'immersione. Questa ipotesi è particolarmente importante per lo studio delle balene blu, poiché, a causa del loro particolare metodo di alimentazione (un'improvvisa immersione per inghiottire acqua), la velocità del metabolismo, in teoria, dovrebbe superare i valori di base (stato di riposo) di 50 volte. Si presume che tali immersioni accelerino l'esaurimento dell'ossigeno, riducendo così la durata dell'immersione.
Un'aumentata frequenza cardiaca e un'aumentata trasmissione di ossigeno dal sangue ai muscoli durante l'immersione possono svolgere un ruolo fondamentale a causa dei costi metabolici durante tale attività fisica. Inoltre, va considerata anche la bassa concentrazione di mioglobina* (Mb) nelle balene blu (5-10 volte inferiore rispetto agli altri mammiferi marini: 0,8 g Mb su 100 g-1 di muscolo nelle balene blu e 1,8-10 g Mb negli altri mammiferi marini.
Mioglobina* è una proteina legante l'ossigeno dei muscoli scheletrici e del cuore.
In conclusione, il carico fisico, la profondità dell'immersione e il controllo volontario modificano la frequenza dei battiti cardiaci durante l'immersione attraverso il sistema nervoso autonomo.
Un ulteriore fattore che può ridurre la frequenza cardiaca è la compressione/ espansione dei polmoni durante l'immersione/ ascesa.
Pertanto, la frequenza cardiaca durante l'immersione e durante la permanenza in superficie è direttamente correlata ai modelli di emodinamica arteriosa.
Balena comune
Una precedente ricerca sulle proprietà biomeccaniche e le dimensioni delle pareti dell'aorta della balena comune (Balaenoptera physalus) ha mostrato che durante le immersioni a una frequenza cardiaca ≤10 bpm, l'arco aortico realizza l'effetto serbatoio (effetto Windkessel), che mantiene il flusso sanguigno durante lunghi periodi diastolici* tra le contrazioni cardiache e riduce la pulsazione del flusso sanguigno nell'aorta distale rigida.
Diastole* (periodo diastolico) — il periodo di rilassamento del cuore tra le contrazioni.
Tutte le ipotesi, teorie e conclusioni descritte sopra devono avere prove materiali, ovvero devono essere confermate o smentite nella pratica. Ma per questo è necessario effettuare un'elettrocardiografia a una balena blu in libertà. I metodi semplici non funzioneranno, quindi i ricercatori hanno creato il proprio dispositivo per l'elettrocardiografia.
Un video in cui i ricercatori raccontano brevemente del loro lavoro.
L'ECG della balena è stato registrato utilizzando un registratore ECG personalizzato, integrato in una speciale capsula con 4 ventose. Gli elettrodi superficiali ECG sono stati integrati in due delle ventose. I ricercatori si sono recati in barca nella baia di Monterey (Oceano Pacifico, vicino alla California). Quando gli scienziati hanno finalmente incontrato la balena blu in superficie, hanno attaccato il registratore ECG al suo corpo (vicino alla pinna sinistra). Secondo i dati precedentemente raccolti, questa balena è un maschio di 15 anni. È importante notare che questo dispositivo è non invasivo, ossia non richiede l'impianto nella pelle dell'animale di alcun sensore o elettrodo. Quindi, per la balena, questa procedura è completamente indolore e con stress minimo dal contatto con gli esseri umani, cosa che è particolarmente importante considerando che vengono rilevati i battiti cardiaci, che potrebbero essere distorti a causa dello stress. Di conseguenza, è stata ottenuta una registrazione ECG di 8,5 ore, sulla quale gli scienziati hanno potuto costruire un profilo del ritmo cardiaco (immagine sotto).
Immagine n. 1: profilo del ritmo cardiaco della balena blu.
La forma del segnale ECG era simile a quella registrata in balene di piccole dimensioni in cattività utilizzando lo stesso dispositivo. Il comportamento della balena durante la ricerca del cibo era del tutto normale per la sua specie: immersioni di 16,5 minuti a una profondità di 184 m e intervalli in superficie da 1 a 4 minuti.
Il profilo del ritmo cardiaco, secondo la risposta cardiovascolare all'immersione, ha mostrato che la frequenza cardiaca da 4 a 8 battiti al minuto predominava nella fase inferiore delle immersioni durante la ricerca del cibo, indipendentemente dalla durata dell'immersione o dalla profondità massima raggiunta. La frequenza cardiaca durante l'immersione (calcolata su tutta la durata dell'immersione) e la frequenza cardiaca minima istantanea durante l'immersione diminivano con la durata dell'immersione, mentre la frequenza cardiaca massima in superficie dopo l'immersione aumentava con la durata dell'immersione. Cioè, più a lungo la balena rimaneva sott'acqua, più lentamente batteva il cuore durante l'immersione e più velocemente dopo il riemersione.
A sua volta, le equazioni allometriche per i mammiferi affermano che una balena di 70000 kg ha un cuore che pesa 319 kg, e il suo volume di eiezione (volume di sangue espulso ad ogni battito) è di circa 80 litri; pertanto, la frequenza cardiaca a riposo deve essere di 15 battiti/min.
Durante le fasi inferiori delle immersioni, la frequenza cardiaca istantanea variava da 1/3 a 1/2 rispetto alla frequenza cardiaca prevista a riposo. Tuttavia, il ritmo del cuore aumentava durante la fase di risalita. Negli intervalli in superficie, la frequenza cardiaca era circa il doppio della frequenza cardiaca prevista a riposo e variava principalmente da 30 a 37 battiti al minuto dopo immersioni profonde (> 125 metri di profondità) e da 20 a 30 battiti al minuto dopo immersioni più superficiali.
Questa osservazione potrebbe indicare che l'accelerazione dei battiti cardiaci è necessaria per raggiungere il corretto scambio di gas respiratori e la reperfusione (ripristino del flusso sanguigno) dei tessuti tra immersioni profonde.
Le immersioni notturne brevi e non profonde erano associate al riposo e, pertanto, più tipiche di uno stato meno attivo. Le frequenze cardiache tipiche osservate durante un'immersione notturna di 5 minuti (8 battiti al minuto) e il relativo intervallo in superficie di 2 minuti (25 battiti al minuto) potrebbero complessivamente portare a una frequenza cardiaca di circa 13 battiti al minuto. Questa cifra, come possiamo vedere, è sorprendentemente vicina alle previsioni calcolate dei modelli allometrici.
Successivamente, i ricercatori hanno costruito profili di frequenza cardiaca, profondità e volume relativo dei polmoni di 4 immersioni separate, il cui analisi ha permesso di studiare il potenziale impatto dell'attività fisica e della profondità sulla regolazione del ritmo cardiaco.
Immagine n. 2: profili di frequenza cardiaca, profondità e volume relativo dei polmoni di 4 immersioni separate.
Durante il consumo di cibo a grandi profondità, la balena compie una specifica manovra di abboccamento: apre bruscamente la bocca per inghiottire acqua con plancton e poi filtra il cibo. È stato osservato che la frequenza cardiaca nel momento di inghiottire acqua è 2,5 volte più alta rispetto al momento della filtrazione. Questo indica chiaramente la dipendenza del ritmo cardiaco dal carico fisico.
Per quanto riguarda i polmoni, è molto improbabile che abbiano un'influenza sul ritmo cardiaco, poiché non sono state osservate significative variazioni nel volume relativo dei polmoni durante le immersioni considerate.
Nelle fasi inferiori delle immersioni poco profonde, l'aumento temporaneo della frequenza cardiaca era, infatti, legato ai cambiamenti nel volume relativo dei polmoni ed era potenzialmente causato dall'attivazione dei recettori di stiramento polmonare.
Riassumendo le osservazioni sopra descritte, gli scienziati sono giunti alla conclusione che durante l'alimentazione a grandi profondità si osserva un breve aumento della frequenza cardiaca di 2,5 volte. Tuttavia, la frequenza cardiaca media massima durante le abboccature al momento dell'alimentazione rimaneva ancora solo la metà del valore previsto a riposo. Questi dati sono in accordo con l'ipotesi che i tratti flessibili dell'aorta delle grandi balene realizzino l'effetto serbatoio durante il ritmo cardiaco lento durante l'immersione. Inoltre, il range di frequenze cardiache più elevate dopo l'immersione ha confermato l'ipotesi che l'impedenza aortica e il carico sul cuore diminuiscono durante l'intervallo di superficie a causa dell'interferenza distruttiva delle onde di pressione uscenti e riflesse nell'aorta.
La forte bradicardia osservata dai ricercatori può essere considerata un risultato inaspettato dello studio, data l'enorme quantità di energia richiesta dalla balena per la manovra di abboccamento durante l'ingestione di acqua con plancton. Tuttavia, i costi metabolici di questa manovra potrebbero non corrispondere alla frequenza cardiaca o al trasporto convettivo di ossigeno in parte a causa della breve durata dell'alimentazione e del possibile coinvolgimento delle fibre muscolari glicolitiche a contrazione rapida.
Durante l'immersione, le balene azzurre raggiungono elevate velocità e assimilano un volume d'acqua che può essere maggiore del proprio corpo. Gli scienziati ipotizzano che l'elevata resistenza e l'energia necessaria per manovrare esauriscano rapidamente le riserve totali di ossigeno nell'organismo, limitando così il tempo di immersione. La forza meccanica necessaria per assimilare grandi volumi d'acqua supera probabilmente di gran lunga quella del metabolismo aerobico. Proprio per questo, durante tali manovre, la frequenza cardiaca aumenta, ma per un tempo molto breve.
Per un approfondimento sulle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a .
Epilogo
Una delle conclusioni più importanti è che, per lo scambio di gas e la reperfusione durante i brevi intervalli in superficie, le balene azzurre necessitano di una frequenza cardiaca quasi massima, indipendentemente dalla natura dell'esaurimento delle riserve di ossigeno nel sangue e nei muscoli durante le immersioni. Considerando che gli esemplari più grandi di balene azzurre devono lavorare di più per ottenere cibo in un minor tempo (secondo le ipotesi dell'alometria), si trovano inevitabilmente a fronteggiare diverse limitazioni fisiologiche sia durante l'immersione sia durante l'intervallo in superficie. Questo significa che, a livello evolutivo, la loro taglia corporea è limitata, poiché se fosse maggiore, il processo di approvvigionamento di cibo sarebbe estremamente dispendioso e non compensato dal cibo ottenuto. Gli stessi ricercatori ritengono che il cuore della balena azzurra funzioni al limite delle sue capacità.
In futuro, gli scienziati pianificano di ampliare le funzionalità del loro dispositivo, inclusa l'aggiunta di un accelerometro per comprendere meglio l'impatto di diverse attività fisiche sul ritmo cardiaco. Inoltre, intendono applicare il loro sensore ECG su altri abitanti marini.
Come ha dimostrato questo studio, essere la creatura più grande con il cuore più grande non è affatto semplice. Tuttavia, indipendentemente dalle dimensioni degli abitanti marini e dalla dieta che seguono, dobbiamo capire che la colonna d'acqua utilizzata dall'uomo per la pesca, l'estrazione e il trasporto rimane la loro casa. Noi siamo solo ospiti e, pertanto, dobbiamo comportarci di conseguenza.
Off-topic del venerdì:
Scene rare in cui la balena azzurra dimostra la capienza della sua bocca.
Un altro gigante dei mari è il capodoglio. In questo video, gli scienziati hanno filmato un curioso capodoglio a una profondità di 598 metri utilizzando l'ROV Hercules telecomandato.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buon fine settimana a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
