빅 하트의 작은 비밀: 대왕 고래의 최초 심전도

자연이 가장 생생한 상상력을 가지고 있다는 말에 논쟁하기는 어렵습니다. 동식물의 각 대표자는 종종 우리 머리에 맞지 않는 독특하고 때로는 이상한 특징을 가지고 있습니다. 예를 들어, 동일한 사마귀 게를 생각해보십시오. 이 포식성 생물은 시속 83km의 속도로 강력한 발톱으로 피해자나 범죄자를 공격할 수 있으며, 이들의 시각 시스템은 인간이 연구한 것 중 가장 복잡한 것 중 하나입니다. 사마귀 가재는 사납지만 길이가 최대 35cm로 특별히 크지는 않습니다. 바다와 바다, 그리고 일반적으로 행성의 가장 큰 주민은 푸른 고래입니다. 이 포유동물의 길이는 30미터가 넘고 무게는 150톤에 이릅니다. 인상적인 크기에도 불구하고 대왕고래는 강력한 사냥꾼이라고 할 수 없습니다. 그들은 플랑크톤을 선호합니다.

푸른 고래의 해부학은 그러한 거대한 유기체와 그 안에 있는 기관이 어떻게 작동하는지 더 잘 이해하려는 과학자들에게 항상 관심을 불러일으켰습니다. 우리가 흰긴수염고래의 존재에 대해 수백 년 동안(더 정확하게 말하면 1694년부터) 알고 있었음에도 불구하고, 이 거인들은 그들의 비밀을 모두 밝히지 않았습니다. 오늘 우리는 스탠포드 대학의 과학자 그룹이 대왕고래의 심장 박동을 최초로 기록하는 데 사용된 장치를 개발한 연구를 살펴보겠습니다. 바다의 지배자의 심장은 어떻게 작동하며, 과학자들은 어떤 발견을 했으며, 대왕고래보다 큰 유기체는 왜 존재할 수 없습니까? 우리는 연구 그룹의 보고서에서 이에 대해 배웁니다. 가다.

연구 영웅

푸른 고래는 가장 큰 포유류, 바다와 바다의 가장 큰 주민, 가장 큰 동물, 가장 큰 고래입니다. 내가 말할 수 있는 것은 대왕고래는 크기 측면에서 정말 최고입니다. 길이는 33미터, 무게는 150톤입니다. 숫자는 대략적인 수치이지만 그다지 인상적이지는 않습니다.

이 거인의 머리조차도 전체 몸 길이의 약 27%를 차지하므로 기네스북에 별도의 줄로 등재될 자격이 있습니다. 게다가 푸른 고래의 눈은 아주 작으며 자몽보다 크지 않습니다. 고래의 눈을 보는 것이 어렵다면, 즉시 입을 알아차릴 것입니다. 대왕고래의 입에는 최대 100명의 사람이 들어갈 수 있습니다(소름 끼치는 예이지만 대왕고래는 적어도 의도적으로는 아니지만 사람을 잡아먹지 않습니다). 입의 크기가 큰 것은 미식 선호도 때문입니다. 고래는 플랑크톤을 먹고 엄청난 양의 물을 삼킨 다음 필터 장치를 통해 방출되어 음식을 걸러냅니다. 상당히 유리한 환경에서 흰수염고래는 하루에 약 6톤의 플랑크톤을 소비합니다.

흰긴수염고래의 또 다른 중요한 특징은 폐입니다. 흰긴수염고래는 1시간 동안 숨을 참을 수 있고 최대 100m 깊이까지 잠수할 수 있지만, 다른 해양 포유류와 마찬가지로 주기적으로 푸른 고래도 숨을 쉬기 위해 수면으로 올라옵니다. 고래는 물 표면으로 올라갈 때 머리 뒤쪽에 있는 두 개의 큰 구멍(콧구멍)으로 이루어진 호흡 구멍인 블로우홀을 사용합니다. 고래가 숨을 내쉴 때 높이 10m까지 수직으로 솟아오르는 경우가 많은데, 고래 서식지의 특성상 고래의 폐는 인간보다 훨씬 더 효율적으로 작용합니다. 산소는 약 80%에 불과합니다. 폐의 부피는 약 90리터이지만 인간의 경우 이 수치는 약 15-3리터입니다.

미국 뉴베드포드 박물관에 있는 대왕고래 심장 모형.

흰긴수염고래의 순환계 역시 기록적인 매개변수로 가득 차 있습니다. 예를 들어, 그들의 혈관은 단순히 거대하고 대동맥의 직경은 약 40cm이며 푸른 고래의 심장은 세계에서 가장 큰 심장으로 간주되며 무게는 약 8000톤입니다. 이렇게 큰 심장을 가진 고래는 성인의 혈액량이 XNUMX리터가 넘는 엄청난 양의 혈액을 가지고 있습니다.

이제 우리는 연구 자체의 본질에 원활하게 도달합니다. 우리가 이미 알고 있듯이 푸른 고래의 심장은 크지 만 아주 천천히 뛰고 있습니다. 이전에는 맥박이 분당 약 5-10회, 드물게 최대 20회라고 생각되었습니다. 그러나 지금까지 정확한 측정을 한 사람은 아무도 없었습니다.

스탠포드 대학의 과학자들은 규모가 생물학, 특히 생물 기관의 기능적 특징을 결정하는 데 있어서 매우 중요하다고 말합니다. 쥐부터 고래까지 다양한 생물에 대한 연구를 통해 우리는 살아있는 유기체가 초과할 수 없는 크기 제한을 결정할 수 있습니다. 그리고 일반적으로 심장과 심혈관계는 그러한 연구의 중요한 속성입니다.

생리가 생활 방식에 완전히 적응된 해양 포유류에서는 다이빙 및 숨 참기와 관련된 적응이 중요한 역할을 합니다. 이들 생물 중 상당수는 다이빙 중에 휴식 상태보다 낮은 수준으로 심박수가 떨어지는 것으로 밝혀졌습니다. 그리고 표면으로 올라오면 심박수가 더욱 빨라집니다.

다이빙 중 심박수를 낮추는 것은 조직과 세포에 산소가 전달되는 속도를 줄여 혈액 내 산소 보유량이 고갈되는 과정을 늦추고 심장 자체의 산소 소비를 줄이는 데 필요합니다.

운동(즉, 신체 활동 증가)은 다이빙 중 다이빙 반응을 조절하고 심박수를 증가시키는 것으로 가정됩니다. 이 가설은 대왕고래 연구에 특히 중요합니다. 왜냐하면 이론적으로 특별한 먹이 방법(물을 삼키기 위해 돌진하는 것)으로 인해 신진대사율은 기본 값(휴식 상태)을 초과해야 하기 때문입니다. 50번. 이러한 런지는 산소 고갈을 가속화하여 다이빙 시간을 단축시키는 것으로 추정됩니다.

런지 동안 심박수 증가와 혈액에서 근육으로의 산소 전달 증가는 신체 활동에 따른 대사 비용으로 인해 중요한 역할을 할 수 있습니다. 또한 농도가 낮다는 점을 고려해 볼 가치가 있습니다. 미오글로빈* (Mb) 대왕고래의 경우(다른 해양 포유류보다 5~10배 낮음: 대왕고래의 근육 0.8g당 100g Mb, 기타 해양 포유류의 경우 1~1.8g Mb)

미오글로빈* - 골격근과 심장 근육의 산소 결합 단백질.

결론적으로 신체 활동, 다이빙 깊이 및 의지 조절은 자율신경계를 통해 다이빙 중 심박수를 변화시킵니다.

심박수를 감소시키는 추가 요인은 다이빙/상승 중 폐의 압축/팽창일 수 있습니다.

따라서 다이빙 중과 수면에 있는 동안의 심박수는 동맥 혈류역학적 패턴과 직접적인 관련이 있습니다.

지느러미고래

참고래의 대동맥 벽의 생체역학적 특성과 크기에 대한 이전 연구(Balaenoptera physalus)는 심박수 10회/분 이하로 다이빙하는 동안 대동맥 궁이 저장 효과를 구현한다는 것을 보여주었습니다(윈드케셀 효과), 혈액의 흐름을 장기간 유지합니다. 확장기* 심장 박동 사이에 뻣뻣한 원위 대동맥으로 흐르는 혈류의 맥동을 감소시킵니다.

음절 연장* (이완기) - 수축 사이의 심장 이완 기간.

위에서 설명한 모든 가설, 이론 및 결론에는 실질적인 증거가 있어야 합니다. 즉, 실제로 확인되거나 반박되어야 합니다. 하지만 이렇게하려면 자유롭게 움직이는 흰긴수염고래에 대해 심전도를 실시해야 합니다. 간단한 방법은 여기서는 작동하지 않으므로 과학자들은 심전도 검사를 위한 자체 장치를 만들었습니다.

연구자들이 자신의 연구에 대해 간략하게 이야기하는 영상입니다.

고래의 ECG는 4개의 흡입 컵이 있는 특수 캡슐에 내장된 맞춤형 ECG 기록기를 사용하여 기록되었습니다. 표면 ECG 전극은 두 개의 흡입 컵에 내장되었습니다. 연구자들은 보트를 타고 몬테레이 만(캘리포니아 근처 태평양)으로 갔습니다. 과학자들은 마침내 표면으로 올라온 대왕고래를 만났을 때 ECG 기록 장치를 몸(왼쪽 지느러미 옆)에 부착했습니다. 이전에 수집된 자료에 따르면 이 고래는 15세의 수컷이다. 이 장치는 비침습적입니다. 즉, 동물의 피부에 센서나 전극을 삽입할 필요가 없습니다. 즉, 고래의 경우 이 절차는 완전히 고통스럽지 않으며 사람과의 접촉으로 인한 스트레스가 최소화됩니다. 이는 스트레스로 인해 왜곡될 수 있는 심장 박동 판독을 수행한다는 점을 고려하면 매우 중요합니다. 그 결과 과학자들은 심박수 프로필을 구축할 수 있는 8.5시간 ECG 기록을 얻었습니다(아래 이미지).

이미지 #1: 흰긴수염고래 심박수 프로필.

ECG 파형은 동일한 장치를 사용하여 포획된 작은 고래에서 기록된 것과 유사했습니다. 고래의 먹이 활동 행동은 동종에 있어서 매우 정상적인 것으로, 수심 16.5m까지 184분 동안 잠수하고 수면 간격은 1~4분이었습니다.

다이빙에 대한 심혈관 반응과 일치하는 심박수 프로필은 다이빙 기간이나 최대 수심에 관계없이 수렵 다이빙의 낮은 단계에서 분당 4~8비트의 심박수가 우세한 것으로 나타났습니다. 다이빙 심박수(전체 다이빙 기간에 걸쳐 계산) 및 최소 순간 다이빙 심박수는 다이빙 지속 시간에 따라 감소하는 반면, 다이빙 후 최대 표면 심박수는 다이빙 지속 시간에 따라 증가합니다. 즉, 고래가 물 속에 오래 있을수록 다이빙 중에는 심장 박동이 느려지고 상승 후에는 심장 박동이 빨라집니다.

결과적으로, 포유류에 대한 동량 방정식에서는 무게가 70000kg인 고래의 심장 무게는 319kg이고, 박동량(박동당 분출되는 혈액의 양)은 약 80l이므로 안정시 심박수는 15박/초가 되어야 합니다. 분.

다이빙의 낮은 단계에서 순간 심박수는 예상 안정 심박수의 1/3에서 1/2 사이였습니다. 그러나 상승 단계에서는 심박수가 증가했습니다. 수면 간격에서 심박수는 예상 안정시 심박수의 약 30배였으며 주로 깊은 다이빙(>37m 수심) 후에는 125~20bpm이었고 얕은 다이빙 후에는 30~XNUMXbpm이었습니다.

이러한 관찰은 심해 다이빙 사이에 원하는 호흡 가스 교환 및 조직의 재관류(혈류 회복)를 달성하기 위해 심박수의 가속이 필요하다는 것을 나타낼 수 있습니다.

얕은 단시간 야간 다이빙은 휴식과 관련이 있으며 따라서 덜 활동적인 상태에서 더 흔했습니다. 5분간의 야간 다이빙(분당 8회)과 그에 수반되는 2분간의 수면 간격(분당 25회) 동안 관찰된 일반적인 심박수를 합치면 분당 약 13회의 심박수가 나올 수 있습니다. 우리가 볼 수 있듯이 이 수치는 상대측량 모델의 ​​예상 예측과 매우 유사합니다.

그런 다음 과학자들은 신체 활동과 깊이가 심박수 조절에 미치는 잠재적 영향을 조사하기 위해 4번의 개별 다이빙에서 심박수, 수심 및 상대적 폐 용적을 프로파일링했습니다.

이미지 #2: 4회 개별 다이빙의 심박수, 수심 및 상대 폐용적 프로필.

깊은 곳에서 음식을 먹을 때 고래는 특정 돌진 동작을 수행합니다. 입을 크게 벌려 플랑크톤과 함께 물을 삼킨 다음 음식을 걸러냅니다. 물을 삼키는 순간의 심박수는 여과하는 순간보다 2.5배 더 높은 것으로 관찰됐다. 이는 신체 활동에 대한 심박수의 의존성을 직접적으로 나타냅니다.

폐의 경우, 문제의 다이빙 동안 상대 폐 용적에 큰 변화가 관찰되지 않았기 때문에 심박수에 미치는 영향은 극히 낮습니다.

더욱이 얕은 다이빙의 낮은 단계에서 심박수의 단기적인 증가는 폐의 상대적 용적 변화와 정확히 연관되어 있으며 폐 신장 수용체의 활성화로 인해 발생할 수 있습니다.

위에서 설명한 관찰 내용을 요약하면 과학자들은 깊은 수심에서 수유하는 동안 심박수가 단기적으로 2.5배 증가한다는 결론에 도달했습니다. 그러나 수유 런지 동안의 평균 최대 심박수는 여전히 예상 휴식 값의 절반에 불과했습니다. 이러한 데이터는 큰 고래의 유연한 대동맥궁이 다이빙의 느린 심박수 동안 저장 효과를 발휘한다는 가설과 일치합니다. 또한, 다이빙 후 높은 심박수의 범위는 대동맥에서 나가는 압력파와 반사되는 압력파의 파괴적인 간섭으로 인해 수면 휴식 시간 동안 대동맥 임피던스와 심장 작업 부하가 감소한다는 가설을 뒷받침했습니다.

연구진이 관찰한 심한 서맥은 고래가 플랑크톤과 함께 물을 삼키며 런지 동작을 할 때 막대한 에너지를 소비한다는 점을 고려하면 의외의 연구 결과라고 할 수 있다. 그러나 이 방법의 대사 비용은 부분적으로 짧은 수유 기간과 해당과정의 속근 섬유 동원 가능성으로 인해 심박수나 대류 산소 수송과 일치하지 않을 수 있습니다.

돌진하는 동안 흰긴수염고래는 빠른 속도로 가속하고 자신의 몸보다 더 큰 양의 물을 흡수합니다. 과학자들은 기동에 필요한 높은 저항과 에너지가 신체의 총 산소 보유량을 빠르게 고갈시켜 다이빙 시간을 제한한다고 가정합니다. 많은 양의 물을 흡수하는 데 필요한 기계적 힘은 호기성 대사력을 훨씬 초과할 가능성이 높습니다. 그렇기 때문에 그러한 기동 중에 심박수가 증가했지만 매우 짧은 시간 동안이었습니다.

연구의 뉘앙스에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하는 것이 좋습니다. 과학자 보고서.

커튼콜

가장 중요한 발견 중 하나는 대왕고래가 다이빙 중 혈액 및 근육 산소 고갈의 특성에 관계없이 짧은 수면 간격 동안 가스 교환 및 재관류를 위해 거의 최대 심박수가 필요하다는 것입니다. 더 큰 흰긴수염고래가 먹이를 얻기 위해 더 짧은 시간에 더 많은 노동을 투자해야 한다는 점을 고려하면(비교적 가설에 따라) 다이빙 중과 수면 휴식 시간 동안 필연적으로 몇 가지 생리학적 제약에 직면하게 됩니다. 이는 진화론적으로 몸의 크기가 제한되어 있음을 의미합니다. 몸이 더 크면 음식을 얻는 과정에 많은 비용이 들고 받은 음식으로 보상되지 않기 때문입니다. 연구원들은 대왕고래의 심장이 그 능력의 한계에 도달해 작동하고 있다고 믿습니다.

앞으로 과학자들은 다양한 신체 활동이 심박수에 미치는 영향을 더 잘 이해하기 위해 가속도계를 추가하는 등 장치의 기능을 확장할 계획입니다. 그들은 또한 ECG 센서를 다른 해양 생물에도 사용할 계획입니다.

이 연구에서 알 수 있듯이 가장 큰 마음을 가진 가장 큰 생물이 되는 것은 쉽지 않습니다. 그러나 해양 생물의 크기와 상관없이, 그들이 어떤 식습관을 고수하더라도 우리는 인간이 낚시, 추출 및 운송을 위해 사용하는 물기둥이 그들의 보금자리로 남아 있다는 것을 이해해야 합니다. 우리는 손님일 뿐이므로 그에 따라 행동해야 합니다.

금요일 오프탑:

입의 용량을 보여주는 대왕고래의 희귀한 영상입니다.

바다의 또 다른 거인은 향유고래입니다. 이 비디오에서 과학자들은 원격 조종 ROV Hercules를 사용하여 598미터 깊이에서 호기심 많은 향유고래를 촬영했습니다.

읽어주셔서 감사합니다. 호기심을 갖고 즐거운 주말 보내세요! 🙂

우리와 함께있어 주셔서 감사합니다. 우리 기사가 마음에 드십니까? 더 재미있는 콘텐츠를 보고 싶다면? 주문하거나 친구에게 추천하여 우리를 지원하십시오. $4.99부터 시작하는 개발자용 클라우드 VPS, 귀사를 위해 당사가 개발한 고유한 보급형 서버 아날로그에서 Habr 사용자를 위한 30% 할인: VPS(KVM) E5-2650 v4(6코어) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps에 대한 전체 진실 또는 서버 공유 방법은? (RAID1 및 RAID10에서 사용 가능, 최대 24개 코어 및 최대 40GB DDR4).

Dell R730xd가 2배 더 저렴합니까? 여기서 만 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV $199부터 네덜란드에서! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 최저 $99! 에 대해 읽다 인프라 공사를 구축하는 방법. 730페니에 5유로 상당의 Dell R2650xd E4-9000 vXNUMX 서버를 사용하는 클래스?

출처 : habr.com