סוד קטן של לב גדול: הקרדיוגרפיה הראשונה אי פעם של לווייתן כחול

קשה להתווכח עם האמירה שלטבע יש את הדמיון החי ביותר. לכל אחד מנציגי החי והצומח יש תכונות ייחודיות משלו, ולפעמים אפילו מוזרות, שלעתים קרובות אינן יכולות להיכנס לראשנו. קחו, למשל, את אותו סרטן גמל שלמה. היצור הטורף הזה מסוגל לתקוף קורבן או עבריין עם הטפרים החזקים שלו במהירות של 83 קמ"ש, ומערכת הראייה שלהם היא אחת המורכבות ביותר שנחקרו אי פעם על ידי בני אדם. סרטני גמל שלמה, למרות שהם עזים, אינם גדולים במיוחד - אורך של עד 35 ס"מ. התושב הגדול ביותר של הימים והאוקיינוסים, כמו גם כדור הארץ בכלל, הוא הלוויתן הכחול. אורכו של יונק זה יכול להגיע ליותר מ-30 מטר ומשקלו 150 טון. למרות גודלם המרשים, לווייתנים כחולים בקושי ניתן לכנות ציידים אדירים, כי... הם מעדיפים פלנקטון.

האנטומיה של לווייתנים כחולים תמיד עניינה מדענים שרוצים להבין טוב יותר כיצד אורגניזם כה ענק והאיברים שבו פועלים. למרות העובדה שאנו יודעים על קיומם של לווייתנים כחולים כבר כמה מאות שנים (מאז 1694, ליתר דיוק), הענקים הללו לא חשפו את כל סודותיהם. היום נסתכל על מחקר שבו קבוצת מדענים מאוניברסיטת סטנפורד פיתחה מכשיר ששימש להשגת הקלטות ראשונות של פעימות הלב של לווייתן כחול. כיצד פועל לבו של שליט הימים, אילו תגליות גילו מדענים, ומדוע לא יכול להתקיים אורגניזם גדול מלווייתן כחול? אנו למדים על כך מהדוח של קבוצת המחקר. ללכת.

גיבור מחקר

הלוויתן הכחול הוא היונק הגדול ביותר, התושב הגדול ביותר של הימים והאוקיינוסים, החיה הגדולה ביותר, הלוויתן הגדול ביותר. מה אני אגיד, הלוויתן הכחול הוא באמת הטוב ביותר מבחינת מידות - אורך 33 מטר ומשקל 150 טון. המספרים הם משוערים, אבל לא פחות מרשימים.

אפילו לראש הענק הזה מגיע שורה נפרדת בספר השיאים של גינס, מכיוון שהוא תופס כ-27% מאורך הגוף הכולל. יתר על כן, העיניים של לווייתנים כחולים די קטנות, לא גדולות מאשכולית. אם קשה לך לראות את העיניים של לוויתן, אז אתה תבחין בפה מיד. פיו של לווייתן כחול יכול להכיל עד 100 אנשים (דוגמה מצמררת, אבל לווייתנים כחולים לא אוכלים אנשים, לפחות לא בכוונה). גודלו הגדול של הפה נובע מהעדפות גסטרונומיות: לווייתנים אוכלים פלנקטון, בולעים כמויות עצומות של מים, שמשתחררים לאחר מכן דרך מנגנון סינון, ומסננים את המזון. בנסיבות נוחות למדי, הלוויתן הכחול צורך כ-6 טון פלנקטון ביום.

תכונה חשובה נוספת של לווייתנים כחולים היא הריאות שלהם. הם מסוגלים לעצור את נשימתם למשך שעה ולצלול לעומקים של עד 1 מ' אבל, כמו יונקים ימיים אחרים, לווייתנים כחולים מגיחים מעת לעת אל פני המים כדי לנשום. כאשר לווייתנים עולים אל פני המים, הם משתמשים בחור נשיפה, חור נשימה העשוי משני פתחים גדולים (נחיריים) בחלק האחורי של ראשם. נשיפה של לוויתן דרך חור הנשיפה שלו מלווה לרוב במזרקת מים אנכית בגובה של עד 100 מ'. בהתחשב במאפיינים של בית הגידול של הלווייתנים, הריאות שלהם עובדות הרבה יותר ביעילות משלנו - הריאות של הלוויתן סופגות 10-80% חמצן, ושלנו רק כ-90%. נפח הריאות הוא כ-15 ליטר, אך בבני אדם נתון זה משתנה סביב 3-3 ליטר.

דגם של לב לווייתן כחול במוזיאון בניו בדפורד (ארה"ב).

גם מערכת הדם של הלוויתן הכחול מלאה בפרמטרי שיא. למשל, הכלים שלהם פשוט ענקיים, קוטר אבי העורקים לבדו הוא כ-40 ס"מ. לבם של הלווייתנים הכחולים נחשב ללב הגדול בעולם ומשקלו כטון. עם לב כל כך גדול, ללווייתן יש הרבה דם - יותר מ-8000 ליטר באדם בוגר.

ועכשיו אנחנו מגיעים בצורה חלקה למהות הלימוד עצמו. ליבו של הלוויתן הכחול גדול, כפי שכבר הבנו, אבל הוא פועם לאט למדי. בעבר, האמינו שהדופק היה בערך 5-10 פעימות לדקה, במקרים נדירים עד 20. אבל אף אחד לא ערך מדידות מדויקות עד עכשיו.

מדענים מאוניברסיטת סטנפורד אומרים שלקנה מידה יש ​​חשיבות רבה בביולוגיה, במיוחד כשמדובר בקביעת התכונות התפקודיות של איברי היצורים החיים. חקר יצורים שונים, מעכברים ועד לווייתנים, מאפשר לנו לקבוע את גבולות הגודל שאורגניזם חי אינו יכול לחרוג מהם. והלב ומערכת הלב וכלי הדם בכלל הם תכונות חשובות של מחקרים כאלה.

אצל יונקים ימיים, שהפיזיולוגיה שלהם מותאמת לחלוטין לאורח חייהם, להתאמות הקשורות לצלילה ולעצירת נשימתם תפקיד חשוב. נמצא שלרבים מהיצורים הללו יש קצב לב שיורד לרמות מתחת למצב המנוחה שלהם במהלך צלילה. ולאחר שעלה אל פני השטח, קצב הלב הופך מהיר יותר.

קצב לב נמוך יותר במהלך הצלילה נחוץ כדי להפחית את קצב אספקת החמצן לרקמות ולתאים, ובכך להאט את תהליך דלדול מאגרי החמצן בדם ולהפחית את צריכת החמצן על ידי הלב עצמו.

ההשערה היא שפעילות גופנית (כלומר פעילות גופנית מוגברת) מווסתת את תגובת הצלילה ומגבירה את קצב הלב במהלך צלילה. השערה זו חשובה במיוחד לחקר הלווייתנים הכחולים, שכן בשל שיטת ההאכלה המיוחדת (זינוק פתאומי לבליעת מים), קצב חילוף החומרים, בתיאוריה, אמור לעלות על הערכים הבסיסיים​(מצב מנוחה) על ידי 50 פעמים. ההנחה היא שזריקות כאלה מאיצות את דלדול החמצן, ולכן מפחיתות את משך הצלילה.

קצב הלב המוגבר וההעברה המוגברת של החמצן מהדם לשרירים במהלך זריקה עשויים למלא תפקיד חשוב בשל העלויות המטבוליות של פעילות גופנית כזו. בנוסף, כדאי לקחת בחשבון את הריכוז הנמוך מיוגלובין* (Mb) בלווייתנים כחולים (פי 5-10 יותר מאשר ביונקים ימיים אחרים: 0.8 גרם מגה ל-100 גרם-1 שריר בלווייתנים כחולים ו-1.8-10 גרם מגה ביונקים אחרים.

מיוגלובין* - חלבון קושר חמצן של שרירי השלד ושרירי הלב.

לסיכום, פעילות גופנית, עומק צלילה ושליטה רצונית משנים את קצב הלב במהלך צלילה דרך מערכת העצבים האוטונומית.

גורם נוסף להפחתת קצב הלב עשוי להיות דחיסה/הרחבה של הריאות במהלך צלילה/עלייה.

לפיכך, קצב הלב במהלך צלילה ועל פני השטח קשור ישירות לדפוסים המודינמיים של העורקים.

לווייתן סנפיר

מחקר קודם של התכונות הביומכניות והממדים של דפנות אבי העורקים בלווייתני סנפיר (Balaenoptera physalus) הראו שבמהלך צלילה בקצב לב ≤10 פעימות לדקה, קשת אבי העורקים מיישמת אפקט מאגר (אפקט Windkessel), השומר על זרימת הדם לתקופות ארוכות תקופות דיאסטוליות* בין פעימות לב ומפחית את פעימות זרימת הדם לאבי העורקים הדיסטלי הנוקשה.

דִיאָסטוֹלָה* (תקופה דיאסטולית) - תקופת הרפיה של הלב בין התכווצויות.

כל ההשערות, התיאוריות והמסקנות המתוארות לעיל חייבות להיות בעלות ראיות מהותיות, כלומר להיות מאושרות או להפריך בפועל. אבל כדי לעשות זאת, אתה צריך לערוך אלקטרוקרדיוגרמה על לווייתן כחול שנע בחופשיות. שיטות פשוטות לא יעבדו כאן, אז מדענים יצרו מכשיר משלהם לאלקטרוקרדיוגרפיה.

סרטון בו החוקרים מספרים בקצרה על עבודתם.

הא.ק.ג של הלוויתן נרשם באמצעות מקליט א.ק.ג בהתאמה אישית המובנה בתוך קפסולה מיוחדת עם 4 כוסות יניקה. אלקטרודות א.ק.ג משטח נבנו בשתיים מכוסות היניקה. החוקרים לקחו סירה למפרץ מונטריי (האוקיינוס ​​השקט, ליד קליפורניה). כאשר מדענים פגשו סוף סוף לווייתן כחול שעלה, הם חיברו מכשיר אק"ג לגופו (ליד סנפירו השמאלי). על פי נתונים שנאספו בעבר, הלוויתן הזה הוא זכר בגיל 15 שנים. חשוב לציין שמכשיר זה אינו פולשני, כלומר אינו מצריך הכנסת חיישנים או אלקטרודות כלשהן לעור החיה. כלומר, עבור הלוויתן הליך זה אינו כואב לחלוטין ועם מתח מינימלי ממגע עם אנשים, וזה גם חשוב ביותר, בהתחשב בכך שנלקחות קריאות דופק, שעלולות להיות מעוותות עקב לחץ. התוצאה הייתה רישום אק"ג של 8.5 שעות שממנו הצליחו המדענים לבנות פרופיל דופק (תמונה למטה).

תמונה מס' 1: פרופיל דופק של לוויתן כחול.

צורת גל ה-ECG הייתה דומה לזו שנרשמה בלווייתנים קטנים בשבי באמצעות אותו מכשיר. התנהגותו של הלוויתן לחיפוש מזון הייתה נורמלית למדי למינו: צלילה של 16.5 דקות לעומק של 184 מ' ומרווחי שטח של 1 עד 4 דקות.

פרופיל הדופק, התואם את התגובה הקרדיווסקולרית לצלילה, הראה שדופקים בין 4 ל-8 פעימות לדקה היו שולטים בשלב התחתון של צלילות חיפוש מזון, ללא קשר למשך הצלילה או העומק המרבי. קצב לב צלילה (מחושב על פני כל משך הצלילה) וקצב לב צלילה מיידי מינימלי ירדו עם משך הצלילה, בעוד שהדופק המרבי על פני השטח לאחר הצלילה עלה עם משך הצלילה. כלומר, ככל שהלוויתן שהה זמן רב יותר מתחת למים, הלב פועם במהלך הצלילה לאט יותר ולאחר העלייה.

בתורם, משוואות אלומטריות ליונקים קובעות שללוויתן השוקל 70000 ק"ג יש לב השוקל 319 ק"ג, ונפח השבץ שלו (נפח הדם שנפלט לכל פעימה) הוא כ-80 ליטר, לכן, קצב הלב במנוחה צריך להיות 15 פעימות/ דקה

במהלך השלבים התחתונים של הצלילות, קצב הלב המיידי היה בין 1/3 ל-1/2 מקצב הלב החזוי במנוחה. עם זאת, קצב הלב עלה בשלב העלייה. במרווחי שטח פני השטח, קצב הלב היה כפול מדופק המנוחה החזוי ונעו בעיקר בין 30 ל-37 פעימות לדקה לאחר צלילות עמוקות (מעל 125 מ' עומק) ובין 20 ל-30 פעימות לדקה לאחר צלילות רדודות יותר.

תצפית זו עשויה להצביע על כך שהאצת קצב הלב נחוצה כדי להשיג את חילופי גזי הנשימה הרצויים וריפרפוזיה (שיקום זרימת הדם) של רקמות בין צלילות עמוקות.

צלילות לילה רדודות וקצרות היו קשורות למנוחה ולכן היו נפוצות יותר במצבים פחות פעילים. דופקים אופייניים שנצפו במהלך צלילת לילה של 5 דקות (8 פעימות לדקה) והמרווח הנלווה של 2 דקות פני השטח (25 פעימות לדקה) יכולים להשתלב כדי לגרום לדופק של כ-13 פעימות לדקה. נתון זה, כפי שאנו יכולים לראות, קרוב להפליא לתחזיות המשוערות של מודלים אלומטריים.

לאחר מכן, המדענים דיווחו על דופק, עומק ונפח ריאות יחסי מארבע צלילות נפרדות כדי לבחון את ההשפעות הפוטנציאליות של פעילות גופנית ועומק על ויסות קצב הלב.

תמונה מס' 2: פרופילי דופק, עומק ונפח ריאות יחסי של 4 צלילות נפרדות.

כאשר אוכלים מזון בעומקים גדולים, הלוויתן מבצע תמרון זריקה מסוים - הוא פותח בחדות את פיו כדי לבלוע מים עם פלנקטון, ואז מסנן את האוכל. נצפה כי קצב הלב ברגע בליעת מים גבוה פי 2.5 מאשר ברגע הסינון. זה מדבר ישירות על התלות של קצב הלב בפעילות גופנית.

באשר לריאות, השפעתן על קצב הלב אינה סבירה ביותר, שכן במהלך הצלילות המדוברות לא נצפו שינויים משמעותיים בנפח הריאות היחסי.

יתרה מכך, בשלבים התחתונים של צלילות רדודות, עלייה קצרת טווח בקצב הלב הייתה קשורה בדיוק לשינויים בנפח היחסי של הריאות ועלולה להיגרם על ידי הפעלה של קולטן מתיחת הריאות.

בסיכום התצפיות שתוארו לעיל, מדענים הגיעו למסקנה שבמהלך האכלה בעומקים גדולים יש עלייה קצרת טווח בקצב הלב פי 2.5. עם זאת, שיא הדופק הממוצע במהלך ריאות האכלה היה עדיין רק מחצית מערך המנוחה החזוי. נתונים אלה עולים בקנה אחד עם ההשערה שקשתות אבי העורקים הגמישות של לווייתנים גדולים מפעילות אפקט מאגר במהלך קצב הלב האיטי של הצלילה. בנוסף, טווח קצב הלב הגבוה יותר במהלך התקופה שלאחר הצלילה תמך בהשערה שעכבת אבי העורקים ועומס העבודה הלבבי מופחתים במהלך מרווח פני השטח עקב הפרעה הרסנית של גלי לחץ יוצאים ומשתקפים באבי העורקים.

ניתן לכנות את הברדיקרדיה החמורה שנצפתה על ידי החוקרים תוצאה בלתי צפויה של המחקר, בהתחשב בהוצאה האדירה של אנרגיה של הלוויתן על תמרון הזריקה בזמן בליעת מים עם פלנקטון. עם זאת, העלות המטבולית של תמרון זה עשויה שלא להתאים לקצב הלב או הובלת חמצן בהסעה, בין היתר בשל משך ההאכלה הקצר והגיוס האפשרי של סיבי שריר גליקוליטיים בעלי עוויתות מהירה.

במהלך זריקה, לווייתנים כחולים מאיצים למהירויות גבוהות וסופגים נפח מים שיכול להיות גדול יותר מהגוף שלהם. מדענים משערים שההתנגדות והאנרגיה הגבוהה הדרושים לתמרון מדללים במהירות את כל מאגרי החמצן של הגוף, ובכך מגבילים את זמן הצלילה. הכוח המכני הנדרש לקליטת כמויות גדולות של מים עשוי להיות גבוה בהרבה מהכוח המטבולי האירובי. לכן, במהלך תמרונים כאלה, קצב הלב עלה, אבל לזמן קצר מאוד.

להבנה מפורטת יותר של הניואנסים של המחקר, אני ממליץ להסתכל על מדענים מדווחים.

אפילוג

אחד הממצאים החשובים ביותר הוא שלווייתנים כחולים דורשים קצב לב כמעט מרבי לצורך חילופי גזים וריפרפוזיה במרווחי שטח קצרים, ללא קשר לאופי דלדול החמצן בדם ובשריר במהלך צלילות. אם ניקח בחשבון שלווייתנים כחולים גדולים יותר חייבים להשקיע יותר עבודה על פני פרק זמן קצר יותר כדי להשיג מזון (בהתאם להשערות אלומטריות), אז הם בהכרח מתמודדים עם מספר מגבלות פיזיולוגיות הן במהלך הצלילה והן במהלך מרווח פני השטח. המשמעות היא שמבחינה אבולוציונית גודל גופם מוגבל, שכן אילו היה גדול יותר, תהליך השגת המזון היה יקר מאוד ולא יפוצה במזון המתקבל. החוקרים עצמם מאמינים שלבו של הלוויתן הכחול פועל על גבול היכולות שלו.

בעתיד, מדענים מתכננים להרחיב את יכולות המכשיר שלהם, כולל הוספת מד תאוצה כדי להבין טוב יותר את ההשפעה של פעילויות גופניות שונות על קצב הלב. הם גם מתכננים להשתמש בחיישן ה-ECG שלהם על חיים ימיים אחרים.

כפי שמראה המחקר הזה, להיות היצור הכי גדול עם הלב הכי גדול זה לא קל. אולם, לא משנה מה גודלם של התושבים הימיים, לא משנה באיזו תזונה הם מקפידים, עלינו להבין שעמודת המים, המשמשת את בני האדם לדיג, מיצוי ותחבורה, נותרה ביתם. אנחנו רק אורחים, ולכן עלינו להתנהג בהתאם.

יום שישי מחוץ לראש:

סרט נדיר של לווייתן כחול המדגים את יכולת הפה שלו.

ענק נוסף של הימים הוא לוויתן הזרע. בסרטון זה, מדענים המשתמשים ב-ROV הנשלט מרחוק, הרקולס, צילמו לווייתן זרע סקרן בעומק של 598 מטרים.

תודה שצפיתם, תישארו סקרנים ושבוע טוב לכולם! 🙂

תודה שנשארת איתנו. האם אתה אוהב את המאמרים שלנו? רוצים לראות עוד תוכן מעניין? תמכו בנו על ידי ביצוע הזמנה או המלצה לחברים, Cloud VPS למפתחים החל מ-$4.99, 30% הנחה למשתמשי Habr על אנלוגי ייחודי של שרתים ברמת הכניסה, שהומצא על ידינו עבורכם: כל האמת על VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ליבות) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps החל מ-$20 או איך לשתף שרת? (זמין עם RAID1 ו-RAID10, עד 24 ליבות ועד 40GB DDR4).

Dell R730xd זול פי 2? רק כאן 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV החל מ-$199 בהולנד! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - החל מ-$99! לקרוא על כיצד לבנות תשתיות קורפ. מחלקה עם שימוש בשרתי Dell R730xd E5-2650 v4 בשווי 9000 יורו עבור אגורה?

מקור: www.habr.com