Het is moeilijk om te betwisten dat de meest levendige verbeelding de natuur heeft. Elk lid van de flora en fauna heeft zijn unieke, en soms zelfs vreemde kenmerken die vaak moeilijk te bevatten zijn. Neem bijvoorbeeld de Zeuskrab. Dit roofdier kan zijn prooi of aanvaller aanvallen met zijn krachtige scharen met een snelheid van 83 km/u, en hun visuele systeem is een van de meest complexe die ooit door de mens is bestudeerd. Zeuskrabs zijn weliswaar woest, maar niet bijzonder grootātot 35 cm lang. De grootste bewoners van zeeĆ«n en oceanen, evenals van de planeet, zijn de blauwe walvissen. De lengte van dit zoogdier kan meer dan 30 meter bereiken, en het weegt 150 ton. Ondanks hun enorme formaat zijn blauwe walvissen moeilijk te beschouwen als geduchte jagers, omdat ze de voorkeur geven aan plankton.
De anatomie van blauwe walvissen heeft altijd wetenschappers geĆÆnteresseerd die beter willen begrijpen hoe zo'n enorm organisme en de organen daarin functioneren. Ondanks dat we al enkele honderden jaren (vanaf 1694, om precies te zijn) weten van het bestaan van blauwe walvissen, hebben deze reuzen nog lang niet al hun geheimen onthuld. Vandaag maken we kennis met een studie waarbij een groep wetenschappers van de Stanford Universiteit een apparaat heeft ontwikkeld waarmee de eerste opnames van het hartslag van een blauwe walvis zijn verkregen. Hoe werkt het hart van de heerser der zeeĆ«n, welke ontdekkingen hebben de wetenschappers gedaan, en waarom kan er geen organisme groter bestaan dan de blauwe walvis? Dit zullen we leren uit het verslag van de onderzoeksgroep. Laten we beginnen.
Held van het onderzoek
De blauwe walvis is het grootste zoogdier, het grootste bewoner van de zeeĆ«n en oceanen, het grootste dier, de grootste walvis. Wat moet je erover zeggen, de blauwe walvis is inderdaad de grootste in termen van afmetingenā33 meter lang en 150 ton zwaar. De cijfers zijn bij benadering, maar nog steeds indrukwekkend.
Zelfs het hoofd van deze gigant verdient een aparte vermelding in het Guinness Book of Records, aangezien het ongeveer 27% van de totale lichaamslengte beslaat. De ogen van blauwe walvissen zijn daarentegen relatief klein, niet groter dan een grapefruit. Als het moeilijk is om de ogen van de walvis te zien, zal je de mond onmiddellijk opvallen. De bek van een blauwe walvis kan tot 100 mensen bevatten (een griezelig voorbeeld, maar blauwe walvissen eten geen mensen, althans niet opzettelijk). De grote mondomvang is te wijten aan hun eetgewoonten: walvissen eten plankton door enorme hoeveelheden water binnen te slikken, dat ze vervolgens door hun filtermechanisme weer uitstoten, waarbij ze het voedsel eruit filteren. Onder gunstige omstandigheden kan een blauwe walvis dagelijks ongeveer 6 ton plankton consumeren.
Een andere belangrijke eigenschap van blauwe walvissen zijn hun longen. Ze kunnen tot 1 uur hun adem inhouden en tot 100 m diep duiken. Maar net als andere zeezoogdieren komen blauwe walvissen af en toe boven water om te ademen. Bij het bovenkomen gebruiken walvissen hun blaasgat ā een ademopening met twee grote gaten (neusgaten) aan de achterkant van hun hoofd. De uitademing van een walvis via het blaasgat gaat vaak gepaard met een verticale waterfontein tot 10 m hoog. Gezien de kenmerken van de leefomgeving van walvissen, werken hun longen veel efficiĆ«nter dan die van ons ā de longen van een walvis absorberen 80-90% zuurstof, terwijl wij slechts ongeveer 15% opvangen. Het longvolume bedraagt ongeveer 3000 liter, terwijl dit bij mensen tussen de 3 en 6 liter ligt.
Het model van het hart van een blauwe walvis in een museum in New Bedford (VS).
Het bloedvatenstelsel van de blauwe walvis heeft ook recordparameters. Bijvoorbeeld, hun bloedvaten zijn enorm, met een diameter van slechts de aorta van ongeveer 40 cm. Het hart van blauwe walvissen wordt beschouwd als het grootste hart ter wereld en weegt ongeveer een ton. Met zo'n groot hart heeft een walvis ook veel bloed ā meer dan 8000 liter bij een volwassen exemplaar.
En zo zijn we soepel bij de kern van het onderzoek aangekomen. Het hart van de blauwe walvis is groot, zoals we al hebben begrepen, maar het klopt vrij langzaam. Eerder werd gedacht dat de hartslag ongeveer 5-10 slagen per minuut is, in zeldzame gevallen tot 20. Maar niemand heeft daar vroeger nauwkeurige metingen van gedaan, tot nu toe.
Wetenschappers van de Stanford University beweren dat schaalgrootte in de biologie enorm belangrijk is, vooral als het gaat om het bepalen van de functionele kenmerken van de organen van levende wezens. Het bestuderen van verschillende organismen, van muizen tot walvissen, maakt het mogelijk om de beperkingen in afmetingen vast te stellen die een levend organisme niet kan overschrijden. Het hart en het cardiovasculaire systeem in het algemeen zijn belangrijke elementen van dergelijk onderzoek.
Bij zeezoogdieren, waarvan de fysiologie volledig is aangepast aan hun levensstijl, spelen aanpassingen met betrekking tot duiken en ademhalingsretentie een belangrijke rol. Het is vastgesteld dat bij veel van deze wezens de hartslag tijdens het duiken daalt tot niveaus lager dan de rusttoestand. Bij het opkomen aan de oppervlakte neemt de hartslag weer toe.
Een lagere hartslag tijdens het duiken is noodzakelijk om de snelheid van zuurstoftoevoer naar de weefsels en cellen te verlagen, waardoor het proces van uitputting van de zuurstofvoorraden in het bloed wordt vertraagd en het zuurstofverbruik door het hart zelf vermindert.
Er is een hypothese dat oefeningen (d.w.z. verhoogde fysieke activiteit) de reactie op duiken moduleren en de hartslagen tijdens het duiken verhogen. Deze hypothese is bijzonder belangrijk voor het onderzoek naar blauwe walvissen, aangezien door de speciale voedingsmethode (een scherpe duik om water te slikken) de stofwisselingssnelheid theoretisch tot 50 keer de basale waarden (rusttoestand) zou moeten zijn. Het wordt verondersteld dat dergelijke duiken de zuurstofuitputting versnellen, zodat de duiktijd wordt verkort.
Een verhoogde hartslag en een hogere zuurstofoverdracht van het bloed naar de spieren tijdens de duik kunnen een belangrijke rol spelen vanwege de metabolische kosten tijdens dergelijke fysieke activiteit. Daarnaast moet rekening worden gehouden met de lage concentratie myoglobine* (Mb) bij blauwe walvissen (5-10 keer lager dan bij andere zeezoogdieren: 0,8 g Mb per 100 g-1 spier bij blauwe walvissen en 1,8-10 g Mb bij andere zeezoogdieren.
Myoglobine* is een zuurstofbindend eiwit in de skeletspieren en de hartspier.
Concluderend, fysieke activiteit, diepte van het duiken en wilskracht veranderen de hartslagen tijdens het duiken via het autonome zenuwstelsel.
Een aanvullende factor die de hartslag kan verlagen, is de samentrekking/uitbreiding van de longen tijdens het duiken/opduiken.
Daardoor staat de hartslag tijdens het duiken en tijdens het verblijf aan de oppervlakte in directe relatie tot de modellen van de arteriƫle hemodynamiek.
Vinvis
Eerder onderzoek naar de biomechanische eigenschappen en afmetingen van de wanden van de aorta bij de vinvis (Balaenoptera physalus) heeft aangetoond dat tijdens duiken bij een hartslag van ā¤10 slagen/min de aortaboog het reservoir-effect (Windkessel effekt) realiseert, wat de bloedstroom gedurende lange diastolische periodes* tussen de hartslagen ondersteunt en de pulsatie van de bloedstroom in de stijve distale aorta vermindert.
Diastole* (diastolische periode) is de periode van ontspanning van het hart tussen de samentrekkingen.
Alle eerder genoemde hypothesen, theorieƫn en redeneringen moeten materiƫle bewijzen hebben, dat wil zeggen bevestigd of weerlegd moeten worden in de praktijk. Maar hiervoor moet er een elektrocardiografie worden uitgevoerd bij een vrij bewegende blauwe vinvis. Eenvoudige methoden zullen hier niet werken, daarom hebben wetenschappers hun eigen apparaat voor elektrocardiografie ontwikkeld.
Een video waarin onderzoekers kort over hun werk vertellen.
De ECG van de blauwe vinvis werd geregistreerd met behulp van een op maat gemaakte ECG-registrator, ingebouwd in een speciale capsule met 4 zuignappen. De oppervlakkige ECG-elektroden waren ingebouwd in twee van de zuignappen. De onderzoekers gingen met een boot naar de Monterey Bay (Stille Oceaan, dichtbij Californiƫ). Toen de wetenschappers eindelijk de blauwe vinvis tegenkwamen die naar de oppervlakte kwam, bevestigden ze de ECG-registrator aan zijn lichaam (naast de linkervin). Op basis van eerder verzamelde gegevens is deze walvis een mannetje van 15 jaar oud. Het is belangrijk op te merken dat dit apparaat niet-invasief is, wat betekent dat er geen sensoren of elektroden in de huid van het dier hoeven te worden ingebracht. Dit betekent dat de procedure volledig pijnloos is voor de walvis en met minimale stress van het contact met mensen, wat ook cruciaal is, aangezien de hartslag wordt gemeten, die verstoord kan worden door stress. Het resultaat was een ECG-opname van 8,5 uur, waaruit de wetenschappers een hartslag-profiel konden opbouwen (afbeelding hieronder).
Afbeelding ā1: hartslagprofiel van de blauwe vinvis.
De vorm van het ECG-signaal was vergelijkbaar met diegene die werd geregistreerd bij kleinere walvissen in gevangenschap met behulp van hetzelfde apparaat. Het gedrag van de walvis tijdens het zoeken naar voedsel was volstrekt normaal voor zijn soort: duiken gedurende 16,5 minuten tot op een diepte van 184 m en oppervlaktetijden van 1 tot 4 minuten.
Het hartslagprofiel, overeenkomstig het cardiovasculaire antwoord op duiken, toonde aan dat de hartfrequentie van 4 tot 8 slagen per minuut domineerde in de onderste fase van de duiken tijdens het zoeken naar voedsel, ongeacht de duur van het duiken of de maximale diepte. De hartfrequentie tijdens het duiken (berekend over de totale duiktijd) en de minimale onmiddellijke hartfrequentie tijdens het duiken nam af naarmate de duurd meer tijd in beslag nam, terwijl de maximale oppervlaktede hartfrequentie na het duiken toenam met de duur van het duiken. Dat betekent dat, hoe langer de walvis onder water was, hoe langzamer zijn hart sloeg tijdens het duiken en hoe sneller het na het oplaten was.
Allometrische vergelijkingen bij zoogdieren stellen dat een walvis van 70.000 kg een hart heeft dat 319 kg weegt, en dat het slagvolume (de hoeveelheid bloed die per slag wordt uitgepompt) ongeveer 80 liter bedraagt; derhalve moet de hartslag in rust 15 slagen/minuut zijn.
Tijdens de lagere fasen van de duiken varieerde de instantane hartslag van 1/3 tot 1/2 van de voorspelde hartslag in rust. Echter, het hartritme steeg tijdens de opstijgfase. In de oppervlakkige intervallen was de hartslag ongeveer twee keer zo hoog als de voorspelde hartslag in rust en varieerde voornamelijk van 30 tot 37 slagen per minuut na diepe duiken (> 125 meter diepte) en van 20 tot 30 slagen per minuut na ondiepere duiken.
Deze observatie kan aangeven dat een versnelde hartslag nodig is om de benodigde gaswisseling en reperfusie (herstel van de bloedstroom) van weefsels tussen diepe duiken te bereiken.
Ondiepe, kortdurende nachtelijke duiken waren geassocieerd met ontspanning en zijn daarom meer kenmerkend voor een minder actieve toestand. Typische hartslagen, waargenomen tijdens een 5-minuten durende nachtelijke duik (8 slagen per minuut) en de bijbehorende 2-minuten durende oppervlakkige interval (25 slagen per minuut), kunnen samen leiden tot een hartslag van ongeveer 13 slagen per minuut. Dit cijfer komt, zoals we kunnen zien, opmerkelijk dicht bij de berekende voorspellingen van allometrische modellen.
Vervolgens hebben wetenschappers profielen van hartslag, diepte en relatief longvolume voor 4 aparte duiken samengesteld, waarvan de analyse mogelijk de potentiƫle invloed van fysieke activiteit en diepte op de regulatie van het hartritme heeft bestudeerd.
Afbeelding ā2: profielen van hartslag, diepte en relatief longvolume voor 4 aparte duiken.
Tijdens het eten op grote diepten maakt de walvis een bepaalde manoeuvre waarbij hij zijn mond snel opent om water met plankton in te slikken, waarna hij het voedsel filtert. Er is opgemerkt dat de hartslag tijdens het inslikken van water 2,5 keer hoger is dan tijdens het filteren. Dit wijst direct op de afhankelijkheid van de hartslag van de fysieke belasting.
Wat de longen betreft, is de invloed ervan op het hartritme uiterst onwaarschijnlijk, aangezien er geen significante veranderingen in het relatieve longvolume zijn waargenomen tijdens de onderzochte duiken.
In de lagere fasen van ondiepe duiken was de tijdelijke verhoging van de hartslag echter gerelateerd aan veranderingen in het relatieve longvolume en zou kunnen zijn veroorzaakt door de activatie van de rekreceptoren in de longen.
Samenvattend zijn de wetenschappers tot de conclusie gekomen dat tijdens het voeden op grote diepten er een kortstondige verhoging van de hartslag van 2,5 keer wordt waargenomen. Desondanks bleef de gemiddelde piek hartslag tijdens de manoeuvres tijdens het voeden slechts de helft van de voorspelde waarde in rust. Deze gegevens komen overeen met de hypothese dat de flexibele aorta-helften van grote walvissen het buffereffect realiseren tijdens de langzame hartslag tijdens de duiktijd. Daarnaast bevestigde het bereik van hogere hartslagen na de duik de hypothese dat de weerstand van de aorta en de belasting van het hart tijdens de oppervlakterepetitie verminderen als gevolg van destructieve interferentie van inkomende en teruggekaatste drukgolven in de aorta.
De sterke bradycardie die onderzoekers observeerden, kan een onverwacht resultaat van het onderzoek worden genoemd, gezien de enorme energie-inspanningen van de walvis tijdens de manoeuvre van het inslikken van water met plankton. De metabolische kosten van deze manoeuvre kunnen echter niet in lijn zijn met de hartslag of het convectieve transport van zuurstof, deels vanwege de korte duur van de voeding en mogelijke betrokkenheid van glycolytische, snel samentrekkende spiervezels.
Tijdens een sprongetje versnellen blauwe vinden tot hoge snelheden en absorberen ze een watervolume dat groter kan zijn dan hun eigen lichaam. Wetenschappers vermoeden dat de hoge weerstand en de energie die nodig is voor manouvreren de algemene zuurstofvoorraden in het lichaam snel uitputten, waardoor de duiktijd wordt beperkt. De mechanische kracht die nodig is om grote hoeveelheden water op te nemen, overschreed waarschijnlijk ver de aerobe metabolische kracht. Daarom steeg de hartslag tijdens dergelijke manoeuvres, maar slechts voor een zeer korte tijd.
Voor een meer gedetailleerd inzicht in de nuances van het onderzoek raad ik aan om te kijken naar .
Epilog
Een van de belangrijkste conclusies is dat voor gaswisseling en reperfusie tijdens korte oppervlakte-intervallen blauwe vinden bijna een maximale hartslag nodig hebben, ongeacht de aard van de uitputting van zuurstofvoorraden in het bloed en de spieren tijdens duiken. Rekening houdend met het feit dat grotere exemplaren van blauwe vinden meer inspanning moeten leveren om voedsel te verkrijgen in een kortere tijd (volgens allometrische hypothesen), worden ze onvermijdelijk geconfronteerd met verschillende fysiologische beperkingen zowel tijdens de duik als tijdens het oppervlakte-interval. Dit betekent dat hun lichaamsgrootte evolutionair beperkt is; als het groter was, zou het verkrijgen van voedsel zeer kostbaar zijn en niet gecompenseerd worden door de verkregen voeding. De onderzoekers zelf denken dat het hart van de blauwe vinvissen op de limiet van zijn capaciteiten werkt.
In de toekomst zijn de wetenschappers van plan de mogelijkheden van hun apparaat uit te breiden, waaronder het toevoegen van een versnellingsmeter om beter te begrijpen hoe verschillende fysieke activiteiten de hartslag beĆÆnvloeden. Ook zijn ze van plan hun ECG-sensor op andere zeewezens toe te passen.
Dit onderzoek toont aan dat het niet eenvoudig is om het grootste wezen met het grootste hart te zijn. Toch, ongeacht de grootte van de zeedieren of het dieet dat ze volgen, moeten we begrijpen dat de waterlaag die door de mens wordt gebruikt voor vissen, winning en transport, hun huis blijft. Wij zijn slechts gasten en moeten ons dienovereenkomstig gedragen.
Vrijdag off-topic:
Zeldzame beelden waarop een blauwe walvis de capaciteit van zijn mond demonstreert.
Een andere reus van de zee is de potvis. In deze video hebben wetenschappers met behulp van de afstand bestuurbare ROV Hercules op een diepte van 598 meter een nieuwsgierige potvis gefilmd.
Bedankt voor uw aandacht, blijf nieuwsgierig en een fijn weekend, allemaal! š
Bedankt dat je bij ons blijft. Houd je van onze artikelen? Wil je meer interessante inhoud zien? Ondersteun ons door een bestelling te plaatsen of ons aan vrienden aan te bevelen, , 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke variant van entry-level servers, speciaal voor jou ontworpen: (opties beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd voor de helft van de prijs? Alleen bij ons in Nederland! Dell R420 ā 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB ā vanaf $99! Lees over hoe
Bron: habr.com
