Мала тајна на големото срце: првиот кардиограм на син кит

Тешко е да се расправаме со изјавата дека природата има најживописна имагинација. Секој од претставниците на флората и фауната има свои уникатни, а понекогаш дури и чудни карактеристики кои често не можат да се вклопат во нашите глави. Земете, на пример, истиот рак од богомолка. Ова предаторско суштество е способно да нападне жртва или престапник со своите моќни канџи со брзина од 83 км/ч, а нивниот визуелен систем е еден од најкомплексните што некогаш ги проучувале луѓето. Раковите од богомолка, иако се жестоки, не се особено големи - до 35 см во должина. Најголемиот жител на морињата и океаните, како и на планетата воопшто, е синиот кит. Должината на овој цицач може да достигне повеќе од 30 метри и тежина од 150 тони. И покрај нивната импресивна големина, сините китови тешко можат да се наречат застрашувачки ловци, бидејќи... претпочитаат планктон.

Анатомијата на сините китови отсекогаш била интересна за научниците кои сакаат подобро да разберат како функционира таков огромен организам и органите во него. И покрај фактот дека за постоењето на сините китови знаеме неколку стотици години (поточно од 1694 година), овие џинови не ги открија сите нивни тајни. Денеска ќе погледнеме студија во која група научници од Универзитетот Стенфорд развиле уред со кој се добиваат првите снимки од отчукувањата на срцето на синиот кит. Како функционира срцето на владетелот на морињата, какви откритија дошле научниците и зошто не може да постои организам поголем од син кит? За ова дознаваме од извештајот на истражувачката група. Оди.

Истражувачки херој

Синиот кит е најголемиот цицач, најголемиот жител на морињата и океаните, најголемото животно, најголемиот кит. Што да кажам, синиот кит е навистина најдобар во однос на димензиите - должината е 33 метри и тежината е 150 тони. Бројките се приближни, но не помалку импресивни.

Дури и главата на овој гигант заслужува посебна линија во Гинисовата книга на рекорди, бидејќи зафаќа околу 27% од вкупната должина на телото. Покрај тоа, очите на сините китови се прилично мали, не поголеми од грејпфрут. Ако ви е тешко да ги видите очите на кит, тогаш веднаш ќе ја забележите устата. Устата на синиот кит може да собере до 100 луѓе (морничав пример, но сините китови не јадат луѓе, барем не намерно). Големата големина на устата се должи на гастрономските преференции: китовите јадат планктони, голтајќи огромни количини на вода, која потоа се ослободува преку филтер апарат, филтрирање на храната. Под прилично поволни околности, синиот кит троши околу 6 тони планктон дневно.

Друга важна карактеристика на сините китови се нивните бели дробови. Тие се способни да го задржат здивот 1 час и да нуркаат до длабочина до 100 m Но, како и другите морски цицачи, сините китови периодично излегуваат на површината на водата за да дишат. Кога китовите се издигнуваат на површината на водата, тие користат дупка за дување, дупка за дишење направена од два големи отвори (ноздри) на задниот дел од главите. Издишувањето на кит преку неговата дупка често е придружено со вертикална фонтана со вода висока до 10 m. Имајќи ги предвид карактеристиките на живеалиштето на китовите, нивните бели дробови работат многу поефикасно од нашите - белите дробови на кит апсорбираат 80-90% од кислород, а нашиот само околу 15%. Волуменот на белите дробови е околу 3 илјади литри, но кај луѓето оваа бројка варира околу 3-6 литри.

Модел на срце на син кит во музеј во Њу Бедфорд (САД).

Циркулаторниот систем на синиот кит исто така е полн со рекордни параметри. На пример, нивните садови се едноставно огромни, само дијаметарот на аортата е околу 40 см Срцето на сините китови се смета за најголемо срце во светот и тежи околу еден тон. Со толку големо срце, китот има многу крв - повеќе од 8000 литри кај возрасен.

И сега непречено доаѓаме до суштината на самата студија. Срцето на синиот кит е големо, како што веќе разбравме, но чука прилично бавно. Претходно се веруваше дека пулсот е околу 5-10 отчукувања во минута, во ретки случаи и до 20. Но, никој до сега не направил точни мерења.

Научниците од Универзитетот Стенфорд велат дека вагата е од големо значење во биологијата, особено кога станува збор за одредување на функционалните карактеристики на органите на живите суштества. Студијата на различни суштества, од глувци до китови, ни овозможува да ги одредиме границите на големината што живиот организам не може да ги надмине. И срцето и кардиоваскуларниот систем воопшто се важни атрибути на ваквите студии.

Кај морските цицачи, чија физиологија е целосно прилагодена на нивниот начин на живот, адаптациите поврзани со нуркање и задржување на здивот играат важна улога. Откриено е дека многу од овие суштества имаат отчукувања на срцето кои паѓаат на нивоа под нивната состојба на одмор за време на нуркање. И откако се издигна на површината, пулсот станува побрз.

Понискиот пулс за време на нуркањето е неопходен за да се намали стапката на испорака на кислород до ткивата и клетките, а со тоа да се забави процесот на исцрпување на резервите на кислород во крвта и да се намали потрошувачката на кислород од самото срце.

Се претпоставува дека вежбањето (т.е. зголемена физичка активност) го модулира одговорот на нуркање и го зголемува отчукувањата на срцето за време на нуркањето. Оваа хипотеза е особено важна за проучување на сините китови, бидејќи поради посебниот начин на хранење (ненадеен налет за голтање вода), стапката на метаболизам, во теорија, треба да ги надмине основните вредности (состојба на одмор) за 50 пати. Се претпоставува дека таквите скокови го забрзуваат исцрпувањето на кислородот, па затоа го намалуваат времетраењето на нуркањето.

Зголемениот пулс и зголемениот трансфер на кислород од крвта во мускулите за време на скокот може да играат важна улога поради метаболичките трошоци на таквата физичка активност. Покрај тоа, вреди да се земе предвид ниската концентрација миоглобин * (Mb) кај сините китови (5-10 пати пониско отколку кај другите морски цицачи: 0.8 g Mb на 100 g-1 мускул кај сините китови и 1.8-10 g Mb кај другите морски цицачи.

миоглобин * - протеин за врзување на кислород на скелетните мускули и срцевите мускули.

Како заклучок, физичката активност, длабочината на нуркање и волната контрола го менуваат срцевиот ритам за време на нуркањето низ автономниот нервен систем.

Дополнителен фактор за намалување на отчукувањата на срцето може да биде компресија/проширување на белите дробови за време на нуркање/искачување.

Така, отчукувањата на срцето за време на нуркање и додека се на површината се директно поврзани со артериските хемодинамски модели.

Кит на перка

Претходна студија за биомеханичките својства и димензиите на ѕидовите на аортата кај перките китови (Balaenoptera Physalus) покажа дека за време на нуркање со срцев ритам ≤10 отчукувања/мин., аортниот лак спроведува ефект на резервоар (Windkessel ефект), кој го одржува протокот на крв за долги периоди дијастолни периоди * помеѓу отчукувањата на срцето и го намалува пулсирањето на протокот на крв во вкочанетата дистална аорта.

Дијастола* (дијастолен период) - период на релаксација на срцето помеѓу контракциите.

Сите гореопишани хипотези, теории и заклучоци мора да имаат материјални докази, односно да бидат потврдени или побиени во пракса. Но, за да го направите ова, треба да спроведете електрокардиограм на слободно движење на син кит. Едноставните методи нема да функционираат овде, па затоа научниците создадоа сопствен уред за електрокардиографија.

Видео во кое истражувачите накратко зборуваат за нивната работа.

ЕКГ-то на китот е снимено со помош на специјално изработен рекордер за ЕКГ вграден во специјална капсула со 4 вшмукување чаши. Површинските ЕКГ електроди беа вградени во две од вшмукувачките чаши. Истражувачите зедоа брод до заливот Монтереј (Тихиот Океан, во близина на Калифорнија). Кога научниците конечно сретнале син кит кој се појавил на површина, тие прикачиле рекордер за ЕКГ на неговото тело (до неговата лева перка). Според претходно собраните податоци, овој кит е мажјак на возраст од 15 години. Важно е да се напомене дека овој уред е неинвазивен, односно не бара воведување сензори или електроди во кожата на животното. Односно, за китот оваа постапка е потполно безболна и со минимален стрес од контакт со луѓе, што е исто така исклучително важно, со оглед на тоа што се земаат отчитувања на отчукувањата на срцето, кои би можеле да бидат искривени поради стрес. Резултатот беше 8.5-часовно снимање на ЕКГ од кое научниците успеаја да изградат профил на отчукувањата на срцето (слика подолу).

Слика #1: Профил на срцевиот ритам на синиот кит.

Брановата форма на ЕКГ беше слична на онаа снимена кај малите китови во заробеништво користејќи го истиот уред. Однесувањето на китот во потрага по храна било сосема нормално за неговиот вид: нуркање 16.5 минути до длабочина од 184 m и површински интервали од 1 до 4 минути.

Профилот на отчукувањата на срцето, во согласност со кардиоваскуларниот одговор на нуркањето, покажа дека отчукувањата на срцето помеѓу 4 и 8 отчукувања во минута преовладуваат за време на долната фаза на нуркање за барање храна, без оглед на времетраењето на нуркањето или максималната длабочина. Срцевиот ритам на нуркање (пресметан во текот на целото времетраење на нуркањето) и минималниот моментален пулс на нуркање се намалуваат со времетраењето на нуркањето, додека максималната површинска срцева фрекфенција после нуркање се зголемува со времетраењето на нуркањето. Односно, колку подолго китот бил под вода, толку побавно чукало срцето за време на нуркањето и побрзо по искачувањето.

За возврат, алометриските равенки за цицачите наведуваат дека кит со тежина од 70000 кг има срце со тежина од 319 кг, а неговиот ударен волумен (волуменот на крв што се исфрла по отчукување) е околу 80 l, затоа, пулсот во мирување треба да биде 15 отчукувања/ мин.

За време на пониските фази на нуркањето, моменталниот пулс беше помеѓу 1/3 и 1/2 од предвидениот пулс во мирување. Сепак, отчукувањата на срцето се зголемија за време на фазата на искачување. Во површинските интервали, отчукувањата на срцето беа приближно двапати од предвидените отчукувања на срцето во мирување и се движеа претежно од 30 до 37 отчукувања во минута по длабоки нуркања (длабочина> 125 m) и од 20 до 30 отчукувања во минута по поплитки нуркања.

Оваа опсервација може да укаже дека е неопходно забрзување на отчукувањата на срцето за да се постигне саканата размена на респираторни гасови и реперфузија (обновување на протокот на крв) на ткивата помеѓу длабоките нуркања.

Плитки, краткотрајни ноќни нуркања беа поврзани со одмор и затоа беа почести во помалку активни состојби. Типичните отчукувања на срцето забележани за време на 5-минутно ноќно нуркање (8 отчукувања во минута) и придружниот површински интервал од 2 минути (25 отчукувања во минута) може да се комбинираат за да резултираат со отчукување на срцето од околу 13 отчукувања во минута. Оваа бројка, како што можеме да видиме, е неверојатно блиску до проценетите предвидувања на алометриските модели.

Научниците потоа го профилираа отчукувањата на срцето, длабочината и релативниот волумен на белите дробови од 4 одделни нуркања за да ги испитаат потенцијалните ефекти на физичката активност и длабочината врз регулацијата на срцевиот ритам.

Слика бр. 2: Срцеви отчукувања, длабочина и профили на релативен волумен на белите дробови од 4 поединечни нуркања.

Кога јаде храна на големи длабочини, китот изведува одреден маневар на лунге - остро ја отвора устата за да проголта вода со планктон, а потоа ја филтрира храната. Забележано е дека пулсот во моментот на голтање вода е 2.5 пати поголем отколку во моментот на филтрација. Ова директно зборува за зависноста на отчукувањата на срцето од физичката активност.

Што се однесува до белите дробови, нивниот ефект врз отчукувањата на срцето е крајно неверојатно, бидејќи не беа забележани значителни промени во релативниот волумен на белите дробови за време на предметните нуркања.

Покрај тоа, во долните фази на плитки нуркања, краткорочното зголемување на отчукувањата на срцето беше поврзано токму со промените во релативниот волумен на белите дробови и може да биде предизвикано од активирање на рецепторот за истегнување на белите дробови.

Сумирајќи ги набљудувањата опишани погоре, научниците дојдоа до заклучок дека при хранење на големи длабочини има краткорочно зголемување на отчукувањата на срцето за 2.5 пати. Сепак, просечниот врвен пулс за време на хранењето беше само половина од предвидената вредност за одмор. Овие податоци се во согласност со хипотезата дека флексибилните аортни лаци на големите китови имаат ефект на резервоар за време на бавниот пулс на нуркање. Дополнително, опсегот на повисоки отчукувања на срцето за време на периодот по нуркањето ја поддржа хипотезата дека аортната импеданса и срцевиот обем на работа се намалуваат за време на површинскиот интервал поради деструктивната интерференција на појдовните и рефлектираните бранови на притисок во аортата.

Тешката брадикардија забележана од истражувачите може да се нарече неочекуван резултат од студијата, со оглед на колосалното трошење на енергија од страна на китот на маневарот на луге додека голта вода со планктон. Сепак, метаболичките трошоци на овој маневар можеби не одговараат на отчукувањата на срцето или на конвективниот транспорт на кислород, делумно поради краткото времетраење на хранењето и можното регрутирање на гликолитични мускулни влакна кои брзо се грчат.

За време на летот, сините китови забрзуваат до големи брзини и апсорбираат волумен на вода што може да биде поголем од нивното тело. Научниците претпоставуваат дека високиот отпор и енергијата потребна за маневрирање брзо ги исцрпува вкупните резерви на кислород на телото, а со тоа го ограничува времето на нуркање. Механичката сила потребна за апсорпција на големи количества вода веројатно далеку ќе ја надмине аеробната метаболичка сила. Токму затоа, при вакви маневри, пулсот се зголемувал, но за многу кратко време.

За подетално запознавање со нијансите на студијата, препорачувам да погледнете известуваат научниците.

Епилог

Едно од најважните откритија е дека на сините китови им е потребен речиси максимален пулс за размена на гасови и реперфузија за време на кратки површински интервали, без оглед на природата на исцрпувањето на кислородот во крвта и мускулите за време на нуркањето. Ако земеме предвид дека поголемите сини китови мора да вложат повеќе труд во пократок временски период за да добијат храна (во согласност со алометриските хипотези), тогаш тие неизбежно се соочуваат со неколку физиолошки ограничувања и за време на нуркањето и за време на површинскиот интервал. Тоа значи дека еволутивно големината на нивното тело е ограничена, бидејќи кога би било поголемо, процесот на добивање храна би бил многу скап и не би се компензирал со добиената храна. Самите истражувачи веруваат дека срцето на синиот кит работи на границата на своите можности.

Во иднина, научниците планираат да ги прошират можностите на нивниот уред, вклучително и додавање акцелерометар за подобро да го разберат ефектот на различни физички активности врз отчукувањата на срцето. Тие, исто така, планираат да го користат својот ЕКГ сензор за други морски животни.

Како што покажува оваа студија, да се биде најголемото суштество со најголемо срце не е лесно. Сепак, без оглед на големината на морските жители, без разлика на која диета се придржуваат, треба да разбереме дека водната колона, која луѓето ја користат за риболов, екстракција и транспорт, останува нивниот дом. Ние сме само гости и затоа мора да се однесуваме соодветно.

Петок надвор од врвот:

Ретка снимка од син кит што го демонстрира капацитетот на неговата уста.

Друг џин на морињата е сперматозоидниот кит. Во ова видео, научниците со помош на далечински управуван ROV Hercules снимија љубопитен сперматозоид кит на длабочина од 598 метри.

Ви благодариме за читањето, останете љубопитни и имајте одличен викенд момци! 🙂

Ви благодариме што останавте со нас. Дали ви се допаѓаат нашите написи? Сакате да видите поинтересна содржина? Поддржете не со нарачка или препорака на пријатели, облак VPS за програмери од 4.99 долари, 30% попуст за корисниците на Habr на уникатен аналог на сервери на почетно ниво, кој го измисливме ние за вас: Целата вистина за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 јадра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps од 20 долари или како да споделите сервер? (достапен со RAID1 и RAID10, до 24 јадра и до 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2 пати поевтин? Само овде 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 телевизор од 199 долари во Холандија! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - од 99 долари! Прочитајте за Како да се изгради инфраструктурна корп. класа со употреба на сервери Dell R730xd E5-2650 v4 вредни 9000 евра за денар?

Извор: www.habr.com