Het is moeilijk om te argumenteren met de bewering dat de natuur de meest levendige verbeeldingskracht heeft. Elk van de vertegenwoordigers van flora en fauna heeft zijn eigen unieke en soms zelfs vreemde kenmerken die vaak niet in ons hoofd passen. Neem bijvoorbeeld dezelfde bidsprinkhaankrab. Dit roofzuchtige wezen is in staat een slachtoffer of dader aan te vallen met zijn krachtige klauwen met een snelheid van 83 km/u, en hun visuele systeem is een van de meest complexe die ooit door mensen zijn bestudeerd. Bidsprinkhaankreeften, hoewel fel, zijn niet bijzonder groot - tot 35 cm lang. De grootste bewoner van de zeeën en oceanen, en van de planeet in het algemeen, is de blauwe vinvis. De lengte van dit zoogdier kan meer dan 30 meter bedragen en 150 ton wegen. Ondanks hun indrukwekkende omvang kunnen blauwe vinvissen nauwelijks formidabele jagers worden genoemd, omdat... ze geven de voorkeur aan plankton.
De anatomie van blauwe vinvissen is altijd interessant geweest voor wetenschappers die beter willen begrijpen hoe zo’n enorm organisme en de organen daarin werken. Ondanks het feit dat we al honderden jaren op de hoogte zijn van het bestaan van blauwe vinvissen (sinds 1694 om preciezer te zijn), hebben deze reuzen niet al hun geheimen prijsgegeven. Vandaag bekijken we een onderzoek waarin een groep wetenschappers van Stanford University een apparaat ontwikkelde dat werd gebruikt om de eerste opnames van de hartslag van een blauwe vinvis te verkrijgen. Hoe werkt het hart van de heerser van de zeeën, welke ontdekkingen hebben wetenschappers gedaan en waarom kan er geen organisme groter dan een blauwe vinvis bestaan? Dat leren we uit het rapport van de onderzoeksgroep. Gaan.
Onderzoeksheld
De blauwe vinvis is het grootste zoogdier, de grootste bewoner van de zeeën en oceanen, het grootste dier, de grootste walvis. Wat kan ik zeggen, de blauwe vinvis is qua afmetingen echt de allerbeste - lengte is 33 meter en gewicht is 150 ton. De cijfers zijn bij benadering, maar daarom niet minder indrukwekkend.
Zelfs het hoofd van deze reus verdient een aparte regel in het Guinness Book of Records, aangezien het ongeveer 27% van de totale lichaamslengte beslaat. Bovendien zijn de ogen van blauwe vinvissen vrij klein, niet groter dan een grapefruit. Als het moeilijk voor je is om de ogen van een walvis te zien, dan zul je de mond onmiddellijk opmerken. De mond van een blauwe vinvis kan wel 100 mensen bevatten (een griezelig voorbeeld, maar blauwe vinvissen eten geen mensen, althans niet opzettelijk). De grote omvang van de mond is te wijten aan gastronomische voorkeuren: walvissen eten plankton, slikken enorme hoeveelheden water in, dat vervolgens door een filterapparaat wordt vrijgegeven en het voedsel eruit filtert. Onder redelijk gunstige omstandigheden consumeert de blauwe vinvis ongeveer 6 ton plankton per dag.
Een ander belangrijk kenmerk van blauwe vinvissen zijn hun longen. Ze kunnen hun adem 1 uur inhouden en duiken tot een diepte van maximaal 100 m. Maar net als andere zeezoogdieren komen blauwe vinvissen periodiek naar de oppervlakte van het water om te ademen. Wanneer walvissen naar de oppervlakte van het water komen, gebruiken ze een blaasgat, een ademgat gemaakt van twee grote openingen (neusgaten) op de achterkant van hun hoofd. De uitademing van een walvis door zijn blaasgat gaat vaak gepaard met een verticale fontein van water tot een hoogte van 10 m. Gezien de kenmerken van het leefgebied van de walvissen werken hun longen veel efficiënter dan die van ons: de longen van de walvis absorberen 80-90% van de zuurstof, en die van ons slechts ongeveer 15%. Het volume van de longen is ongeveer drieduizend liter, maar bij mensen varieert dit cijfer rond de 3-3 liter.
Model van het hart van een blauwe vinvis in een museum in New Bedford (VS).
De bloedsomloop van de blauwe vinvis zit ook vol met recordparameters. Hun schepen zijn bijvoorbeeld gewoon enorm: de diameter van de aorta alleen al is ongeveer 40 cm. Het hart van blauwe vinvissen wordt beschouwd als het grootste hart ter wereld en weegt ongeveer een ton. Met zo'n groot hart heeft de walvis veel bloed - meer dan 8000 liter bij een volwassene.
En nu komen we vlot bij de essentie van de studie zelf. Het hart van de blauwe vinvis is groot, zoals we al begrepen, maar klopt vrij langzaam. Vroeger werd aangenomen dat de hartslag ongeveer 5-10 slagen per minuut was, in zeldzame gevallen zelfs tot 20. Maar tot nu toe had niemand nauwkeurige metingen gedaan.
Wetenschappers van Stanford University zeggen dat schaal van groot belang is in de biologie, vooral als het gaat om het bepalen van de functionele kenmerken van de organen van levende wezens. De studie van verschillende wezens, van muizen tot walvissen, stelt ons in staat de maximale grootte te bepalen die een levend organisme niet kan overschrijden. En het hart en het cardiovasculaire systeem in het algemeen zijn belangrijke kenmerken van dergelijke onderzoeken.
Bij zeezoogdieren, waarvan de fysiologie volledig is aangepast aan hun levensstijl, spelen aanpassingen die verband houden met duiken en het inhouden van de adem een belangrijke rol. Het is gebleken dat veel van deze wezens tijdens een duik een hartslag hebben die onder hun rusttoestand daalt. En als we naar de oppervlakte zijn gestegen, wordt de hartslag sneller.
Een lagere hartslag tijdens het duiken is nodig om de zuurstoftoevoer naar weefsels en cellen te verminderen, waardoor het proces van uitputting van de zuurstofreserves in het bloed wordt vertraagd en het zuurstofverbruik door het hart zelf wordt verminderd.
Er wordt verondersteld dat inspanning (dat wil zeggen verhoogde fysieke activiteit) de duikrespons moduleert en de hartslag tijdens een duik verhoogt. Deze hypothese is vooral belangrijk voor de studie van blauwe vinvissen, omdat vanwege de speciale voedingsmethode (een plotselinge uitval om water in te slikken) de stofwisseling in theorie de basiswaarden (rusttoestand) zou moeten overschrijden met 50 keer. Er wordt aangenomen dat dergelijke lunges de zuurstofuitputting versnellen, waardoor de duur van de duik wordt verkort.
De verhoogde hartslag en de verhoogde overdracht van zuurstof van het bloed naar de spieren tijdens een uitval kunnen een belangrijke rol spelen vanwege de metabolische kosten van dergelijke fysieke activiteit. Bovendien is het de moeite waard om de lage concentratie te overwegen myoglobine* (Mb) bij blauwe vinvissen (5-10 keer lager dan bij andere zeezoogdieren: 0.8 g Mb per 100 g-1 spier bij blauwe vinvissen en 1.8-10 g Mb bij andere zeezoogdieren.
Myoglobine* - zuurstofbindend eiwit van skeletspieren en hartspieren.
Kortom, fysieke activiteit, duikdiepte en wilskracht veranderen de hartslag tijdens het duiken door het autonome zenuwstelsel.
Een extra factor bij het verlagen van de hartslag kan compressie/expansie van de longen tijdens een duik/opstijging zijn.
De hartslag tijdens een duik en aan de oppervlakte houdt dus rechtstreeks verband met arteriële hemodynamische patronen.
Vinvis
Een eerdere studie van de biomechanische eigenschappen en afmetingen van de aortawanden bij gewone vinvissen (Balaenoptera physalus) toonde aan dat tijdens duiken met een hartslag ≤ 10 slagen/min de aortaboog een reservoireffect teweegbrengt (Windkessel-effect), waardoor de bloedstroom gedurende lange perioden in stand wordt gehouden diastolische perioden* tussen de hartslagen en vermindert de pulsatie van de bloedstroom naar de stijve distale aorta.
Diastole* (diastolische periode) - de periode van ontspanning van het hart tussen de weeën.
Alle hierboven beschreven hypothesen, theorieën en conclusies moeten materieel bewijs hebben, dat wil zeggen in de praktijk worden bevestigd of weerlegd. Maar om dit te doen, moet je een elektrocardiogram uitvoeren op een vrij bewegende blauwe vinvis. Eenvoudige methoden zullen hier niet werken, dus hebben wetenschappers hun eigen apparaat voor elektrocardiografie gemaakt.
Een video waarin de onderzoekers kort vertellen over hun werk.
Het ECG van de walvis werd opgenomen met behulp van een op maat gemaakte ECG-recorder, ingebouwd in een speciale capsule met 4 zuignappen. Oppervlakte-ECG-elektroden werden in twee van de zuignappen ingebouwd. De onderzoekers namen een boot naar Monterey Bay (Stille Oceaan, nabij Californië). Toen wetenschappers eindelijk een blauwe vinvis ontmoetten die boven water was gekomen, bevestigden ze een ECG-recorder aan zijn lichaam (naast zijn linkervin). Volgens eerder verzamelde gegevens is deze walvis een mannetje van 15 jaar oud. Het is belangrijk op te merken dat dit apparaat niet-invasief is, dat wil zeggen dat er geen sensoren of elektroden in de huid van het dier hoeven te worden geplaatst. Dat wil zeggen dat deze procedure voor de walvis volledig pijnloos is en met minimale stress door contact met mensen, wat ook uiterst belangrijk is, aangezien er hartslagmetingen worden gedaan, die door stress vertekend kunnen zijn. Het resultaat was een ECG-opname van 8.5 uur waaruit de wetenschappers een hartslagprofiel konden opbouwen (afbeelding hieronder).
Afbeelding #1: Hartslagprofiel van de blauwe vinvis.
De ECG-golfvorm was vergelijkbaar met die opgenomen bij kleine walvissen in gevangenschap die hetzelfde apparaat gebruikten. Het foerageergedrag van de walvis was heel normaal voor zijn soort: 16.5 minuten duiken naar een diepte van 184 m en oppervlakte-intervallen van 1 tot 4 minuten.
Het hartslagprofiel, consistent met de cardiovasculaire respons op de duik, toonde aan dat tijdens de lagere fase van de foerageerduiken de hartslag tussen de 4 en 8 slagen per minuut overheerste, ongeacht de duikduur of de maximale diepte. De duikhartslag (berekend over de gehele duikduur) en de minimale momentane duikhartslag namen af met de duikduur, terwijl de maximale oppervlaktehartslag na de duik toenam met de duikduur. Dat wil zeggen: hoe langer de walvis onder water was, hoe langzamer het hart klopte tijdens de duik en hoe sneller na de opstijging.
Allometrische vergelijkingen voor zoogdieren stellen op hun beurt dat een walvis van 70000 kg een hart heeft van 319 kg en dat het slagvolume (het volume bloed dat per slag wordt uitgestoten) ongeveer 80 l bedraagt. Daarom moet de hartslag in rust 15 slagen/minuut zijn. min.
Tijdens de lagere fasen van de duiken lag de momentane hartslag tussen 1/3 en 1/2 van de voorspelde hartslag in rust. Tijdens de opstijgfase nam de hartslag echter toe. Op oppervlakte-intervallen was de hartslag ongeveer twee keer zo hoog als de voorspelde hartslag in rust en varieerde voornamelijk van 30 tot 37 bpm na diepe duiken (>125 m diepte) en van 20 tot 30 bpm na ondiepere duiken.
Deze waarneming kan erop duiden dat een versnelling van de hartslag noodzakelijk is om de gewenste ademhalingsgasuitwisseling en reperfusie (herstel van de bloedstroom) van weefsels tussen diepe duiken te bereiken.
Ondiepe nachtduiken van korte duur werden geassocieerd met rust en kwamen daarom vaker voor in minder actieve toestanden. Typische hartslagen die worden waargenomen tijdens een nachtduik van 5 minuten (8 slagen per minuut) en het bijbehorende oppervlakte-interval van 2 minuten (25 slagen per minuut) kunnen samen resulteren in een hartslag van ongeveer 13 slagen per minuut. Dit cijfer ligt, zoals we kunnen zien, opmerkelijk dicht bij de geschatte voorspellingen van allometrische modellen.
De wetenschappers profileerden vervolgens de hartslag, diepte en het relatieve longvolume van vier afzonderlijke duiken om de mogelijke effecten van fysieke activiteit en diepte op de hartslagregulatie te onderzoeken.
Afbeelding #2: Profielen voor hartslag, diepte en relatief longvolume van 4 afzonderlijke duiken.
Bij het eten van voedsel op grote diepte voert de walvis een bepaalde uitvalmanoeuvre uit: hij opent scherp zijn mond om water met plankton door te slikken en filtert vervolgens het voedsel eruit. Er werd waargenomen dat de hartslag op het moment van het inslikken van water 2.5 keer hoger is dan op het moment van filtratie. Dit spreekt direct over de afhankelijkheid van de hartslag van fysieke activiteit.
Wat de longen betreft: hun effect op de hartslag is uiterst onwaarschijnlijk, aangezien er tijdens de betreffende duiken geen significante veranderingen in het relatieve longvolume zijn waargenomen.
Bovendien werd in de lagere fasen van ondiepe duiken een kortetermijnverhoging van de hartslag precies in verband gebracht met veranderingen in het relatieve volume van de longen en zou deze kunnen worden veroorzaakt door activering van de longstrekreceptor.
Samenvattend de hierboven beschreven waarnemingen kwamen wetenschappers tot de conclusie dat tijdens het voeren op grote diepte er op korte termijn een toename van de hartslag met 2.5 keer optreedt. De gemiddelde piekhartslag tijdens voedingslunges was echter nog steeds slechts de helft van de voorspelde rustwaarde. Deze gegevens komen overeen met de hypothese dat de flexibele aortabogen van grote walvissen een reservoireffect uitoefenen tijdens de langzame hartslag van het duiken. Bovendien ondersteunde het bereik van hogere hartslagen tijdens de periode na de duik de hypothese dat de aorta-impedantie en de hartbelasting tijdens het oppervlakte-interval worden verminderd als gevolg van destructieve interferentie van uitgaande en gereflecteerde drukgolven in de aorta.
De door de onderzoekers waargenomen ernstige bradycardie kan een onverwacht resultaat van het onderzoek worden genoemd, gezien het enorme energieverbruik van de walvis bij de uitvalmanoeuvre terwijl hij water met plankton doorslikt. Het is echter mogelijk dat de metabolische kosten van deze manoeuvre niet overeenkomen met de hartslag of het convectieve zuurstoftransport, gedeeltelijk als gevolg van de korte duur van het voeden en de mogelijke rekrutering van glycolytische, snel samentrekkende spiervezels.
Tijdens een uitval accelereren blauwe vinvissen tot hoge snelheden en absorberen een volume water dat groter kan zijn dan hun eigen lichaam. Wetenschappers veronderstellen dat de hoge weerstand en energie die nodig zijn voor het manoeuvreren de totale zuurstofreserves van het lichaam snel uitputten, waardoor de duiktijd wordt beperkt. De mechanische kracht die nodig is om grote hoeveelheden water te absorberen zal waarschijnlijk de aërobe metabolische kracht ver overtreffen. Dat is de reden waarom tijdens dergelijke manoeuvres de hartslag steeg, maar voor een zeer korte tijd.
Voor een meer gedetailleerde kennismaking met de nuances van de studie raad ik aan om naar te kijken .
epiloog
Een van de belangrijkste bevindingen is dat blauwe vinvissen een bijna maximale hartslag nodig hebben voor gasuitwisseling en reperfusie tijdens korte oppervlakte-intervallen, ongeacht de aard van het zuurstoftekort in het bloed en de spieren tijdens duiken. Als we bedenken dat grotere blauwe vinvissen in een kortere tijd meer arbeid moeten investeren om aan voedsel te komen (in overeenstemming met allometrische hypothesen), dan worden ze onvermijdelijk geconfronteerd met verschillende fysiologische beperkingen, zowel tijdens de duik als tijdens het oppervlakte-interval. Dit betekent dat de omvang van hun lichaam evolutionair gezien beperkt is, omdat als het groter zou zijn, het proces van het verkrijgen van voedsel zeer kostbaar zou zijn en niet gecompenseerd zou worden door het ontvangen voedsel. De onderzoekers zelf zijn van mening dat het hart van de blauwe vinvis op de grens van zijn mogelijkheden werkt.
In de toekomst zijn wetenschappers van plan de mogelijkheden van hun apparaat uit te breiden, waaronder het toevoegen van een versnellingsmeter om het effect van verschillende fysieke activiteiten op de hartslag beter te begrijpen. Ze zijn ook van plan hun ECG-sensor op ander zeeleven te gebruiken.
Zoals uit dit onderzoek blijkt, is het niet eenvoudig om het grootste wezen met het grootste hart te zijn. Maar hoe groot de zeebewoners ook zijn, welk dieet ze ook volgen, we moeten begrijpen dat de waterkolom, die door mensen wordt gebruikt voor de visserij, winning en transport, hun thuis blijft. Wij zijn slechts gasten en daarom moeten wij ons dienovereenkomstig gedragen.
Vrijdag off-top:
Zeldzame beelden van een blauwe vinvis die de capaciteit van zijn mond demonstreert.
Een andere reus van de zeeën is de potvis. In deze video filmden wetenschappers met behulp van een op afstand bestuurbare ROV Hercules een nieuwsgierige potvis op een diepte van 598 meter.
Bedankt voor het lezen, blijf nieuwsgierig en een fijn weekend jongens! 🙂
Bedankt dat je bij ons bent gebleven. Vind je onze artikelen leuk? Wil je meer interessante inhoud zien? Steun ons door een bestelling te plaatsen of door vrienden aan te bevelen, , 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke analoog van instapservers, die door ons voor u is uitgevonden: (beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Alleen hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees over
Bron: www.habr.com