È difficile discutere l'affermazione che la natura possieda l'immaginazione più vivida. Ogni rappresentante della flora e della fauna ha le sue caratteristiche uniche e talvolta strane, che spesso non riusciamo a comprendere. Prendiamo, ad esempio, il gambero mantide. Questa creatura predatrice è in grado di attaccare una preda o un aggressore 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. Anche se feroci, i gamberi mantide non sono particolarmente grandi, arrivando a una lunghezza di 35 cm. L'abitante più grande dei mari e degli oceani, così come del pianeta, è il cetaceo blu. La lunghezza di questo mammifero può superare i 30 metri e il peso raggiungere le 150 tonnellate. Nonostante le sue dimensioni impressionanti, non si possono definire i cetacei blu dei predatori temibili, poiché preferiscono nutrirsi di plancton.
L'anatomia delle balene blu ha sempre suscitato l'interesse degli scienziati, desiderosi di capire meglio come funziona un organismo così enorme e i suoi organi. Anche se conosciamo l'esistenza delle balene blu da diversi secoli (dal 1694, per essere precisi), questi giganti non hanno svelato tutti i loro segreti. Oggi esploreremo uno studio in cui un gruppo di ricercatori dell'Università di Stanford ha sviluppato un dispositivo che ha registrato per la prima volta il battito cardiaco di una balena blu. Come funziona il cuore del signore degli oceani, quali scoperte hanno fatto gli scienziati e perché non può esistere un organismo più grande della balena blu? Lo scopriremo dal report del gruppo di ricerca. Iniziamo.
Il protagonista 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 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 per questo meno impressionanti.
Anche la testa di questo gigante meriterebbe una voce a sé nel libro dei record, poiché occupa circa il 27% della lunghezza totale del corpo. I suoi occhi, tuttavia, sono piuttosto piccoli, non più grandi di un pompelmo. Se sarà difficile vedere gli occhi della balenottera azzurra, noterai immediatamente la sua bocca. La fauci della balenottera azzurra può contenere fino a 100 persone (un esempio inquietante, ma le balenottere azzurre non mangiano le persone, almeno non intenzionalmente). Le grandi dimensioni della bocca sono dovute alle preferenze gastronomiche: i cetacei si nutrono di plancton, inghiottendo enormi volumi d'acqua che poi rilasciano attraverso un apparato di filtraggio, separando il cibo. In condizioni favorevoli, una balenottera azzurra può consumare circa 6 tonnellate di plancton al giorno.
Un'altra importante caratteristica delle balene blu è rappresentata dai loro polmoni. Possono trattenere il respiro per un'ora e immergersi a una profondità di 100 metri. Tuttavia, come altri mammiferi marini, le balene blu emergono periodicamente in superficie per respirare. Una volta in superficie, le balene utilizzano lo sfiatatoio — l'apertura respiratoria costituita da due grandi aperture (narici) sulla parte posteriore della testa. L'espirazione della balena attraverso lo sfiatatoio è spesso accompagnata da un getto d'acqua verticale alto fino a 10 metri. 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%. La capacità polmonare è di circa 3.000 litri, mentre per l'uomo questo valore varia tra 3 e 6 litri.
Modello del cuore di una balena blu al museo di New Bedford (Stati Uniti).
Il sistema circolatorio della balenottera azzurra presenta anche parametri da record. Ad esempio, i loro vasi sanguigni sono enormi, con un diametro della sola aorta che misura circa 40 cm. Il cuore delle balenottere azzurre è considerato il più grande del mondo e pesa circa una tonnellata. Con un cuore così grande, la balenottera ha anche tantissimo sangue: oltre 8000 litri per un esemplare adulto.
E così siamo giunti al punto centrale della ricerca. Il cuore della balenottera azzurra è grande, come abbiamo già capito, ma batte piuttosto lentamente. Si pensava in precedenza che il battito fosse di circa 5-10 colpi al minuto, e in rari casi fino a 20. Ma non erano state effettuate misurazioni precise fino a questo momento.
Gli scienziati dell'Università di Stanford affermano che la scala in biologia ha un'importanza enorme, specialmente quando si tratta di determinare le caratteristiche funzionali degli organi degli organismi viventi. Studiare diverse 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 fondamentali di tali ricerche.
Negli animali marini, la cui fisiologia si è completamente adattata al loro stile di vita, le adattamenti legati all'immersione e alla ritenzione del respiro rivestono un ruolo cruciale. È stato dimostrato che durante l'immersione, molti di questi esseri riducono la loro frequenza cardiaca a livelli inferiori a quelli di riposo. Una volta tornati in superficie, il ritmo del cuore diventa più accelerato.
La diminuzione della frequenza cardiaca durante l'immersione 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 diminuendo il consumo di ossigeno da parte del cuore stesso.
Esiste un'ipotesi secondo cui l'esercizio fisico (cioè l'aumento dell'attività fisica) modula la risposta all'immersione e aumenta la frequenza cardiaca durante l'immersione. Questa ipotesi è particolarmente importante nello studio delle balene blu, poiché, a causa del particolare metodo di alimentazione (un'improvvisa immersione per inghiottire acqua), la velocità del metabolismo dovrebbe teoricamente 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.
L'aumento della frequenza cardiaca e il maggiore trasferimento di ossigeno dal sangue ai muscoli durante l'immersione possono giocare un ruolo importante a causa dei costi metabolici durante tale attività fisica. Inoltre, è importante considerare anche la bassa concentrazione di mioglobina* (Mb) nelle balene blu (5-10 volte inferiore rispetto ad altri mammiferi marini: 0,8 g Mb su 100 g di muscolo per le balene blu e 1,8-10 g Mb per altri mammiferi marini.
Mioglobina* è una proteina legante l'ossigeno presente nei muscoli scheletrici e nel cuore.
In sintesi, il carico fisico, la profondità di immersione e il controllo volontario influenzano la frequenza cardiaca 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/riemersione.
Pertanto, la frequenza cardiaca durante l'immersione e la permanenza in superficie è direttamente correlata ai modelli di emodinamica arteriosa.
Fin whale
Uno studio precedente sulle proprietà biomeccaniche e sulle dimensioni delle pareti dell'aorta della balenottera comune (Balaenoptera physalus) ha mostrato che durante le immersioni con una frequenza cardiaca ≤10 bpm, l'arco aortico realizza l'effetto serbatoio (Windkessel effekt), che mantiene il flusso sanguigno durante lunghi periodi diastolici* tra le contrazioni cardiache e riduce la pulsazione del flusso sanguigno nella dura aorta distale.
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 devono essere confermate o smentite nella pratica. Ma per questo è necessario eseguire un'elettrocardiografia a una balena azzurra in movimento. I metodi semplici qui non funzioneranno, quindi gli scienziati hanno creato il loro dispositivo per l'elettrocardiografia.
Un video in cui i ricercatori parlano brevemente del loro lavoro.
L'ECG della balena blu è stato registrato utilizzando un registratore ECG personalizzato, incorporato in una speciale capsula con 4 ventose. Gli elettrodi superficiali dell'ECG erano 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 avvistato la balena blu che emergeva in superficie, hanno attaccato il registratore ECG al suo corpo (vicino alla pinna sinistra). Dai dati raccolti in precedenza, si è stabilito che questa balena è un maschio di 15 anni. È importante notare che questo dispositivo è non invasivo, ovvero non richiede l'inserimento di sensori o elettrodi nella pelle dell'animale. Pertanto, per la balena questa procedura è completamente indolore e comporta un minimo stress da contatto umano, il che è estremamente importante, dato che le misurazioni del battito cardiaco potrebbero essere distorte a causa dello stress. Di conseguenza, è stata ottenuta una registrazione ECG di 8,5 ore, sulla quale gli scienziati sono stati in grado di 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 nei piccoli cetacei in cattività con lo stesso dispositivo. Il comportamento della balena durante la ricerca del cibo era piuttosto tipico per la sua specie: immersioni di 16,5 minuti a una profondità di 184 m, con intervalli in superficie da 1 a 4 minuti.
Il profilo della frequenza cardiaca, in base alla risposta cardiovascolare all'immersione, ha mostrato che la frequenza cardiaca di 4-8 battiti al minuto predominava nella fase di immersione durante la ricerca di cibo, indipendentemente dalla durata dell'immersione o dalla profondità massima. La frequenza cardiaca durante l'immersione (calcolata su tutta la durata dell'immersione) e la frequenza cardiaca minima istantanea durante l'immersione diminuivano con l'aumentare della durata dell'immersione, mentre la massima frequenza cardiaca in superficie dopo l'immersione aumentava con la durata dell'immersione. Vale a dire, più a lungo la balena rimaneva sott'acqua, più lentamente batteva il cuore durante l'immersione e più rapidamente dopo l'emersione.
Le equazioni alometrice sugli mammiferi affermano che una balena di 70.000 kg ha un cuore che pesa 319 kg e il suo volume di eiezione (volume di sangue espulso in un battito) è di circa 80 litri; pertanto, la frequenza cardiaca a riposo dovrebbe essere di 15 battiti al minuto.
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, il ritmo cardiaco aumentava durante la fase di risalita. Durante gli intervalli superficiali, la frequenza cardiaca era circa il doppio di quella prevista per il riposo e variava prevalentemente 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 della frequenza cardiaca è necessaria per raggiungere il corretto scambio di gas respiratori e la reperfusione (ripristino del flusso sanguigno) dei tessuti tra le immersioni profonde.
Le immersioni notturne di breve durata sono state associate al riposo e, di conseguenza, sono più caratterizzate da uno stato di minore attivazione. Le tipiche frequenze cardiache osservate durante un'immersione notturna di 5 minuti (8 battiti al minuto) e il successivo intervallo di superficie di 2 minuti (25 battiti al minuto) possono complessivamente portare a un ritmo cardiaco di circa 13 battiti al minuto. Questa cifra, come possiamo osservare, è sorprendentemente vicina alle previsioni calcolate dei modelli allometrici.
Successivamente, i ricercatori hanno costruito profili della frequenza cardiaca, della profondità e del volume relativo dei polmoni di 4 immersioni separate, l'analisi delle quali ha permesso di studiare l'influenza potenziale dell'attività fisica e della profondità sulla regolazione del ritmo cardiaco.
Immagine n. 2: profili della frequenza cardiaca, della profondità e del volume relativo dei polmoni di 4 immersioni separate.
Durante l'assunzione di cibo a grandi profondità, la balena esegue una manovra chiamata 'infiltrazione' – apre bruscamente la bocca per ingoiare acqua con plancton, per poi filtrare il cibo. È stato notato che la frequenza cardiaca al momento dell'ingestione dell'acqua è 2,5 volte superiore rispetto a quella durante la filtrazione. Questo indica chiaramente una dipendenza del ritmo cardiaco dalla carica fisica.
Per quanto riguarda i polmoni, la loro influenza sul ritmo cardiaco è estremamente improbabile, poiché non sono stati osservati cambiamenti significativi nel volume relativo dei polmoni durante le immersioni considerate.
Tuttavia, nelle fasi inferiori delle immersioni poco profonde, un temporaneo aumento della frequenza cardiaca è stato associato specificamente ai cambiamenti nel volume relativo dei polmoni e potrebbe essere stato causato dall'attivazione dei recettori di stiramento polmonare.
Riassumendo le osservazioni descritte, gli scienziati sono giunti alla conclusione che durante l'alimentazione a grandi profondità si verifica un breve aumento della frequenza cardiaca fino a 2,5 volte. Tuttavia, la frequenza cardiaca media di picco durante le cadute al momento dell'alimentazione era ancora solo la metà del valore previsto a riposo. Questi dati supportano l'ipotesi che gli archi aortici flessibili dei grandi cetacei realizzino un effetto serbatoio durante il ritmo cardiaco lento in fase di immersione. Inoltre, l'intervallo 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 superficiale a causa dell'interferenza distruttiva delle onde di pressione in uscita e riflesse nell'aorta.
La bradicardia severa osservata dai ricercatori può essere considerata un risultato inaspettato dello studio, considerando l'immenso dispendio di energie del cetaceo durante la manovra di immersione per ingerire acqua con il plancton. Tuttavia, i costi metabolici di questa manovra potrebbero non allinearsi con la frequenza cardiaca o con il trasporto convettivo di ossigeno, in parte a causa della breve durata dell'alimentazione e della possibile attivazione delle fibre muscolari glicolitiche, a contrazione rapida.
Durante l'immersione, le balene blu accelerano a velocità elevate e assorbono volumi d'acqua che possono superare le loro stesse dimensioni. Gli scienziati ipotizzano che l'elevata resistenza e l'energia necessaria per la manovra esauriscano rapidamente le riserve totali di ossigeno nell'organismo, limitando così il tempo di immersione. La forza meccanica necessaria per assorbire grandi volumi d'acqua supera probabilmente di gran lunga la potenza metabolica aerobica. È per questo motivo che, durante tali manovre, la frequenza cardiaca, sebbene aumentata, lo fa solo per un brevissimo periodo.
Per una comprensione più dettagliata delle 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 brevi intervalli in superficie, le balene blu necessitano di una frequenza cardiaca quasi massima, indipendentemente dalla natura dell'esaurimento delle riserve di ossigeno nel sangue e nei muscoli durante i tuffi. Inoltre, considerando che gli esemplari più grandi di balena blu devono investire più energia per ottenere cibo in un periodo di tempo minore (in base alle ipotesi di allometria), si trovano inevitabilmente di fronte a diverse limitazioni fisiologiche sia durante il tuffo che durante l'intervallo in superficie. Ciò significa che evolutivamente la loro dimensione corporea è limitata, poiché se fosse più grande, il processo di acquisizione del cibo sarebbe molto dispendioso e non compensato dal cibo ottenuto. Gli stessi ricercatori ritengono che il cuore della balena blu lavori al limite delle proprie capacità.
In futuro, gli scienziati prevedono di ampliare le funzionalità del proprio dispositivo, inclusa l'aggiunta di un accelerometro, per comprendere meglio l'impatto delle diverse attività fisiche sulla frequenza cardiaca. Inoltre, intendono applicare il proprio sensore ECG su altre creature marine.
Come dimostra questo studio, essere la creatura più grande con il cuore più grande non è così semplice. Tuttavia, indipendentemente dalle dimensioni degli abitanti marini e dalla dieta che seguono, è fondamentale comprendere 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 quindi dobbiamo comportarci di conseguenza.
Off-topic del venerdì:
Rari filmati in cui una balena blu mostra la capacità della sua bocca.
Un altro gigante dei mari è il capodoglio. In questo video, gli scienziati hanno ripreso un curioso capodoglio a 598 metri di profondità con l'aiuto del ROV Hercules.
Grazie per l'attenzione, continuate a essere curiosi e buon fine settimana a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
