È difficile discutere con l'affermazione secondo cui la natura ha l'immaginazione più vivida. Ciascuno dei rappresentanti della flora e della fauna ha le sue caratteristiche uniche, e talvolta anche strane, che spesso non riescono ad adattarsi alle nostre teste. Prendi, ad esempio, la stessa granceola di mantide. Questa creatura predatrice è in grado di attaccare la vittima o il colpevole con i suoi potenti artigli a una velocità di 83 km/h e il suo sistema visivo è uno dei più complessi mai studiati dall'uomo. I gamberi mantide, sebbene feroci, non sono particolarmente grandi, fino a 35 cm di lunghezza. Il più grande abitante dei mari e degli oceani, così come del pianeta in generale, è la balenottera azzurra. La lunghezza di questo mammifero può raggiungere più di 30 metri e pesare 150 tonnellate. Nonostante le loro dimensioni impressionanti, le balenottere azzurre difficilmente possono essere definite formidabili cacciatrici, perché... preferiscono il plancton.
L'anatomia delle balene blu è sempre stata di interesse per gli scienziati che vogliono capire meglio come funzionano un organismo così grande e gli organi in esso contenuti. Nonostante sappiamo dell'esistenza delle balenottere azzurre da diverse centinaia di anni (dal 1694, per essere più precisi), questi giganti non hanno rivelato tutti i loro segreti. Oggi daremo uno sguardo ad uno studio in cui un gruppo di scienziati dell'Università di Stanford ha sviluppato un dispositivo che è stato utilizzato per ottenere le prime registrazioni del battito cardiaco di una balenottera azzurra. Come funziona il cuore del sovrano dei mari, quali scoperte hanno fatto gli scienziati e perché non può esistere un organismo più grande di una balenottera azzurra? Lo apprendiamo dal rapporto del gruppo di ricerca. Andare.
Eroe della ricerca
La balenottera azzurra è il mammifero più grande, il più grande abitante dei mari e degli oceani, l'animale più grande, la balena più grande. Cosa posso dire, la balenottera azzurra è davvero la migliore in termini di dimensioni: la lunghezza è di 33 metri e il peso è di 150 tonnellate. I numeri sono approssimativi, ma non per questo meno impressionanti.
Anche la testa di questo gigante merita una riga a parte nel Guinness dei primati, poiché occupa circa il 27% della lunghezza totale del corpo. Inoltre, gli occhi delle balenottere azzurre sono piuttosto piccoli, non più grandi di un pompelmo. Se è difficile per te vedere gli occhi di una balena, noterai immediatamente la bocca. La bocca di una balenottera azzurra può contenere fino a 100 persone (un esempio inquietante, ma le balene blu non mangiano le persone, almeno non intenzionalmente). Le grandi dimensioni della bocca sono dovute alle preferenze gastronomiche: le balene mangiano plancton, ingoiando enormi quantità di acqua, che viene poi rilasciata attraverso un apparato filtrante, filtrando il cibo. In circostanze abbastanza favorevoli, la balenottera azzurra consuma circa 6 tonnellate di plancton al giorno.
Un'altra caratteristica importante delle balene blu sono i loro polmoni. Sono in grado di trattenere il respiro per 1 ora e di immergersi fino a una profondità di 100 m, ma, come altri mammiferi marini, le balene blu emergono periodicamente sulla superficie dell'acqua per respirare. Quando le balene salgono sulla superficie dell'acqua, usano uno sfiatatoio, un foro per respirare costituito da due grandi aperture (narici) sulla parte posteriore della testa. L'espirazione di una balena attraverso lo sfiatatoio è spesso accompagnata da una fontana d'acqua verticale alta fino a 10 m. Considerando le caratteristiche dell'habitat delle balene, i loro polmoni funzionano in modo molto più efficiente dei nostri: i polmoni di una balena assorbono l'80-90% dell'acqua ossigeno, e il nostro solo circa il 15%. Il volume dei polmoni è di circa 3mila litri, ma nell'uomo questa cifra varia intorno ai 3-6 litri.
Modello del cuore di una balenottera azzurra in un museo a New Bedford (USA).
Anche il sistema circolatorio della balenottera azzurra è pieno di parametri record. Ad esempio, i loro vasi sanguigni sono semplicemente enormi, il diametro della sola aorta è di circa 40 cm, il cuore delle balene blu è considerato il cuore più grande del mondo e pesa circa una tonnellata. Con un cuore così grande, la balena ha molto sangue: più di 8000 litri in un adulto.
E ora arriviamo senza intoppi all'essenza dello studio stesso. Il cuore della balenottera azzurra è grande, come abbiamo già capito, ma batte abbastanza lentamente. In precedenza, si credeva che il polso fosse di circa 5-10 battiti al minuto, in rari casi fino a 20. Ma fino ad ora nessuno aveva effettuato misurazioni accurate.
Gli scienziati dell'Università di Stanford affermano che la scala è di grande importanza in biologia, soprattutto quando si tratta di determinare le caratteristiche funzionali degli organi degli esseri viventi. Lo studio di varie creature, dai topi alle balene, permette di determinare i limiti dimensionali che un organismo vivente non può superare. E il cuore e il sistema cardiovascolare in generale sono attributi importanti di tali studi.
Nei mammiferi marini, la cui fisiologia è completamente adattata al loro stile di vita, gli adattamenti associati all'immersione e al trattenimento del respiro svolgono un ruolo importante. È stato scoperto che molte di queste creature hanno una frequenza cardiaca che scende a livelli inferiori al loro stato di riposo durante un'immersione. E dopo essere risaliti in superficie, la frequenza cardiaca diventa più rapida.
Una frequenza cardiaca più bassa durante l'immersione è necessaria per ridurre la velocità di apporto di 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.
Si ipotizza che l’esercizio (cioè l’aumento dell’attività fisica) moduli la risposta all’immersione e aumenti la frequenza cardiaca durante un’immersione. Questa ipotesi è particolarmente importante per lo studio delle balenottere azzurre, poiché a causa del metodo speciale di alimentazione (un improvviso affondo per ingoiare acqua), il tasso metabolico, in teoria, dovrebbe superare i valori di base(stato di riposo) di 50 volte. Si presume che tali affondi accelerino il consumo di ossigeno, riducendo quindi la durata dell'immersione.
L’aumento della frequenza cardiaca e il maggiore trasferimento di ossigeno dal sangue ai muscoli durante un affondo possono svolgere un ruolo importante a causa dei costi metabolici di tale attività fisica. Inoltre, vale la pena considerare la bassa concentrazione mioglobina* (Mb) nelle balenottere azzurre (5-10 volte inferiore rispetto ad altri mammiferi marini: 0.8 g Mb per 100 g-1 muscolo nelle balene blu e 1.8-10 g Mb in altri mammiferi marini.
Mioglobina* - proteine che legano l'ossigeno dei muscoli scheletrici e dei muscoli cardiaci.
In conclusione, l'attività fisica, la profondità di immersione e il controllo volontario modificano la frequenza cardiaca durante l'immersione attraverso il sistema nervoso autonomo.
Un ulteriore fattore che riduce la frequenza cardiaca può essere la compressione/espansione dei polmoni durante un'immersione/risalita.
Pertanto, la frequenza cardiaca durante un'immersione e in superficie è direttamente correlata ai modelli emodinamici arteriosi.
Balenottera comune
Uno studio precedente sulle proprietà biomeccaniche e sulle dimensioni delle pareti aortiche nelle balenottere comuni (Balaenoptera physalus) hanno dimostrato che durante l'immersione con una frequenza cardiaca ≤10 battiti/min, l'arco aortico attua un effetto serbatoio (Effetto Windkessel), che mantiene il flusso sanguigno per lunghi periodi periodi diastolici* tra i battiti cardiaci 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 sopra descritte devono avere prove materiali, cioè essere confermate o confutate nella pratica. Ma per fare questo, devi condurre un elettrocardiogramma su una balenottera azzurra che si muove liberamente. I metodi semplici non funzioneranno qui, quindi gli scienziati hanno creato il proprio dispositivo per l'elettrocardiografia.
Un video in cui i ricercatori parlano brevemente del loro lavoro.
L'ECG della balena è stato registrato utilizzando un registratore ECG personalizzato integrato in una capsula speciale con 4 ventose. Gli elettrodi ECG di superficie sono stati integrati in due ventose. I ricercatori hanno preso una barca per Monterey Bay (Oceano Pacifico, vicino alla California). Quando gli scienziati finalmente incontrarono una balenottera azzurra che era emersa, attaccarono un registratore ECG al suo corpo (accanto alla pinna sinistra). Secondo i dati raccolti in precedenza, questa balena è un maschio e ha 15 anni. È importante notare che questo dispositivo non è invasivo, ovvero non richiede l’introduzione di alcun sensore o elettrodo nella pelle dell’animale. Cioè per la balena questa procedura è completamente indolore e con il minimo stress derivante dal contatto con le persone, cosa anche estremamente importante, dato che vengono rilevate le letture del battito cardiaco, che potrebbe essere distorto a causa dello stress. Il risultato è stato una registrazione ECG di 8.5 ore da cui gli scienziati sono stati in grado di costruire un profilo della frequenza cardiaca (immagine sotto).
Immagine n. 1: profilo della frequenza cardiaca della balenottera azzurra.
La forma d'onda dell'ECG era simile a quella registrata nelle piccole balene in cattività utilizzando lo stesso dispositivo. Il comportamento di foraggiamento della balena era abbastanza normale per la sua specie: immersioni per 16.5 minuti a una profondità di 184 metri e intervalli in superficie da 1 a 4 minuti.
Il profilo della frequenza cardiaca, coerente con la risposta cardiovascolare all'immersione, ha mostrato che frequenze cardiache comprese tra 4 e 8 battiti al minuto predominavano durante la fase inferiore delle immersioni di foraggiamento, indipendentemente dalla durata dell'immersione o dalla profondità massima. La frequenza cardiaca in immersione (calcolata sull'intera durata dell'immersione) e la frequenza cardiaca minima istantanea diminuiscono con la durata dell'immersione, mentre la frequenza cardiaca massima di superficie postimmersione aumenta con la durata dell'immersione. Cioè, più a lungo la balena è rimasta sott'acqua, più lento è stato il battito cardiaco durante l'immersione e più veloce dopo la risalita.
A loro volta, le equazioni allometriche per i mammiferi affermano che una balena che pesa 70000 kg ha un cuore che pesa 319 kg e il suo volume sistolico (il volume di sangue espulso per battito) è di circa 80 l, quindi la frequenza cardiaca a riposo dovrebbe essere di 15 battiti/ min.
Durante le fasi inferiori delle immersioni, la frequenza cardiaca istantanea era compresa tra 1/3 e 1/2 della frequenza cardiaca a riposo prevista. Tuttavia, la frequenza cardiaca è aumentata durante la fase di salita. A intervalli di superficie, la frequenza cardiaca era circa il doppio della frequenza cardiaca a riposo prevista e variava prevalentemente da 30 a 37 bpm dopo immersioni profonde (profondità >125 m) e da 20 a 30 bpm dopo immersioni poco profonde.
Questa osservazione può indicare che l'accelerazione della frequenza cardiaca è necessaria per ottenere lo scambio gassoso respiratorio desiderato e la riperfusione (ripristino del flusso sanguigno) dei tessuti tra le immersioni profonde.
Le immersioni notturne poco profonde e di breve durata erano associate al riposo ed erano quindi più comuni negli stati meno attivi. La frequenza cardiaca tipica osservata durante un'immersione notturna di 5 minuti (8 battiti al minuto) e il relativo intervallo di superficie di 2 minuti (25 battiti al minuto) possono combinarsi per determinare una frequenza cardiaca di circa 13 battiti al minuto. Questo dato, come possiamo vedere, è notevolmente vicino alle previsioni stimate dei modelli allometrici.
Gli scienziati hanno quindi profilato la frequenza cardiaca, la profondità e il volume polmonare relativo di 4 immersioni separate per esaminare i potenziali effetti dell'attività fisica e della profondità sulla regolazione della frequenza cardiaca.
Immagine n.2: Profili di frequenza cardiaca, profondità e volume polmonare relativo di 4 immersioni separate.
Quando mangia cibo a grandi profondità, la balena esegue una certa manovra di affondo: apre bruscamente la bocca per ingoiare l'acqua con il plancton, quindi filtra il cibo. È stato osservato che la frequenza cardiaca al momento della deglutizione dell'acqua è 2.5 volte superiore rispetto al momento della filtrazione. Ciò parla direttamente della dipendenza della frequenza cardiaca dall'attività fisica.
Per quanto riguarda i polmoni, il loro effetto sulla frequenza cardiaca è estremamente improbabile, poiché durante le immersioni in questione non sono state osservate variazioni significative del volume polmonare relativo.
Inoltre, nelle fasi inferiori delle immersioni poco profonde, un aumento a breve termine della frequenza cardiaca era associato proprio a cambiamenti nel volume relativo dei polmoni e poteva essere causato dall'attivazione del recettore dello stiramento polmonare.
Riassumendo le osservazioni sopra descritte, gli scienziati sono giunti alla conclusione che durante l'alimentazione a grandi profondità si verifica un aumento a breve termine della frequenza cardiaca di 2.5 volte. Tuttavia, il picco medio della frequenza cardiaca durante gli affondi di alimentazione era ancora solo la metà del valore di riposo previsto. Questi dati sono coerenti con l’ipotesi che gli archi aortici flessibili delle grandi balene esercitino un effetto serbatoio durante la lenta frequenza cardiaca delle immersioni. Inoltre, l’intervallo di frequenze cardiache più elevate durante il periodo post-immersione ha supportato l’ipotesi che l’impedenza aortica e il carico di lavoro cardiaco siano ridotti durante l’intervallo di superficie a causa dell’interferenza distruttiva delle onde di pressione in uscita e riflesse nell’aorta.
La grave bradicardia osservata dai ricercatori può essere definita un risultato inaspettato dello studio, dato il colossale dispendio di energia della balena nella manovra di affondo mentre ingoia acqua con plancton. Tuttavia, il costo metabolico di questa manovra potrebbe non corrispondere alla frequenza cardiaca o al trasporto convettivo dell’ossigeno, in parte a causa della breve durata dell’alimentazione e del possibile reclutamento di fibre muscolari glicolitiche a contrazione rapida.
Durante un affondo, le balenottere azzurre accelerano ad alta velocità e assorbono un volume d'acqua che può essere più grande del loro stesso corpo. Gli scienziati ipotizzano che l'elevata resistenza e l'energia necessarie per la manovra esauriscano rapidamente le riserve totali di ossigeno del corpo, limitando così il tempo di immersione. È probabile che la forza meccanica richiesta per assorbire grandi volumi di acqua superi di gran lunga la forza metabolica aerobica. Ecco perché durante tali manovre la frequenza cardiaca aumenta, ma per un tempo molto breve.
Per una conoscenza più dettagliata delle sfumature dello studio, consiglio di guardare .
Finale
Una delle scoperte più importanti è che le balenottere azzurre richiedono frequenze cardiache quasi massime per lo scambio di gas e la riperfusione durante brevi intervalli di superficie, indipendentemente dalla natura della carenza di ossigeno nel sangue e nei muscoli durante le immersioni. Se consideriamo che le balenottere azzurre più grandi devono investire più lavoro in un periodo di tempo più breve per procurarsi il cibo (secondo le ipotesi allometriche), allora inevitabilmente devono affrontare diversi vincoli fisiologici sia durante l'immersione che durante l'intervallo di superficie. Ciò significa che evolutivamente la dimensione del loro corpo è limitata, poiché se fosse più grande, il processo per ottenere il cibo sarebbe molto costoso e non sarebbe compensato dal cibo ricevuto. Gli stessi ricercatori ritengono che il cuore della balenottera azzurra funzioni al limite delle sue capacità.
In futuro, gli scienziati prevedono di espandere le capacità del loro dispositivo, inclusa l’aggiunta di un accelerometro per comprendere meglio l’effetto delle diverse attività fisiche sulla frequenza cardiaca. Hanno anche in programma di utilizzare il loro sensore ECG su altra vita marina.
Come dimostra questo studio, essere la creatura più grande con il cuore più grande non è facile. Tuttavia, indipendentemente dalle dimensioni degli abitanti marini, indipendentemente dalla dieta che seguono, dobbiamo capire che la colonna d’acqua, utilizzata dagli esseri umani per la pesca, l’estrazione e il trasporto, rimane la loro casa. Siamo solo ospiti, e quindi dobbiamo comportarci di conseguenza.
Venerdì in anteprima:
Raro filmato di una balenottera azzurra che dimostra la capacità della sua bocca.
Un altro gigante dei mari è il capodoglio. In questo video, gli scienziati che utilizzano un ROV Hercules telecomandato hanno filmato un curioso capodoglio a una profondità di 598 metri.
Grazie per la visione, rimanete curiosi e buon fine settimana a tutti! 🙂
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Fonte: habr.com