Det er vanskelig å argumentere med påstanden om at naturen har den mest levende fantasien. Hver av representantene for flora og fauna har sine egne unike, og noen ganger til og med merkelige, funksjoner som ofte ikke passer inn i hodene våre. Ta for eksempel den samme mantiskrabben. Denne rovdyra er i stand til å angripe et offer eller lovbryter med sine kraftige klør i en hastighet på 83 km/t, og deres visuelle system er et av de mest komplekse som noen gang er studert av mennesker. Mantis-kreps, selv om den er voldsom, er ikke spesielt stor - opptil 35 cm i lengde. Den største innbyggeren i hav og hav, så vel som planeten generelt, er blåhvalen. Lengden på dette pattedyret kan nå mer enn 30 meter og veie 150 tonn. Til tross for sin imponerende størrelse kan blåhval knapt kalles formidable jegere, fordi... de foretrekker plankton.
Anatomien til blåhvaler har alltid vært av interesse for forskere som ønsker å bedre forstå hvordan en så enorm organisme og organene i den fungerer. Til tross for at vi har visst om eksistensen av blåhvaler i flere hundre år (siden 1694, for å være mer presis), har disse gigantene ikke avslørt alle sine hemmeligheter. I dag skal vi ta en titt på en studie der en gruppe forskere fra Stanford University utviklet en enhet som ble brukt til å få de første registreringene av hjerteslag til en blåhval. Hvordan fungerer hjertet til havets hersker, hvilke funn har forskere gjort, og hvorfor kan det ikke eksistere en organisme som er større enn en blåhval? Vi lærer om dette fra rapporten fra forskergruppen. Gå.
Forskningshelt
Blåhvalen er det største pattedyret, den største innbyggeren i hav og hav, det største dyret, den største hvalen. Hva kan jeg si, blåhvalen er egentlig den aller beste når det gjelder dimensjoner - lengden er 33 meter og vekten er 150 tonn. Tallene er omtrentlige, men ikke mindre imponerende.
Selv hodet til denne giganten fortjener en egen linje i Guinness Book of Records, siden den opptar omtrent 27% av den totale kroppslengden. Dessuten er øynene til blåhvaler ganske små, ikke større enn en grapefrukt. Hvis det er vanskelig for deg å se øynene til en hval, vil du legge merke til munnen umiddelbart. En blåhvals munn kan holde opptil 100 personer (et skummelt eksempel, men blåhval spiser ikke mennesker, i hvert fall ikke med vilje). Den store størrelsen på munnen skyldes gastronomiske preferanser: hvaler spiser plankton, svelger store mengder vann, som deretter slippes ut gjennom et filterapparat og filtrerer ut maten. Under ganske gunstige omstendigheter forbruker blåhvalen ca. 6 tonn plankton per dag.
Et annet viktig trekk ved blåhval er lungene deres. De er i stand til å holde pusten i 1 time og dykke til dybder på opptil 100 m. Men, som andre sjøpattedyr, dukker blåhvaler med jevne mellomrom opp til overflaten av vannet for å puste. Når hvaler stiger opp til vannoverflaten, bruker de et blåsehull, et pustehull laget av to store åpninger (nesebor) på bakhodet. Utåndingen av en hval gjennom blåsehullet er ofte ledsaget av en vertikal vannfontene på opptil 10 m. Med tanke på egenskapene til hvalens habitat, fungerer lungene deres mye mer effektivt enn våre – en hvals lunger absorberer 80-90 % av oksygen, og vår bare ca. 15%. Volumet av lungene er omtrent 3 tusen liter, men hos mennesker varierer dette tallet rundt 3-6 liter.
Modell av et blåhvals hjerte i et museum i New Bedford (USA).
Blåhvalens sirkulasjonssystem er også fullt av rekordparametere. For eksempel er karene deres rett og slett enorme; diameteren på aorta alene er omtrent 40 cm. Hjertet til blåhval regnes som det største hjertet i verden og veier omtrent et tonn. Med et så stort hjerte har hvalen mye blod - mer enn 8000 liter hos en voksen.
Og nå kommer vi jevnt til essensen av selve studien. Hjertet til blåhvalen er stort, som vi allerede har forstått, men det slår ganske sakte. Tidligere trodde man at pulsen var rundt 5-10 slag i minuttet, i sjeldne tilfeller opp mot 20. Men ingen hadde gjort nøyaktige målinger før nå.
Forskere fra Stanford University sier at skala er av stor betydning i biologi, spesielt når det gjelder å bestemme funksjonelle trekk ved organene til levende ting. Studiet av ulike skapninger, fra mus til hvaler, lar oss bestemme størrelsesgrensene som en levende organisme ikke kan overskride. Og hjertet og kardiovaskulærsystemet generelt er viktige egenskaper ved slike studier.
Hos sjøpattedyr, hvis fysiologi er fullstendig tilpasset deres livsstil, spiller tilpasninger knyttet til dykking og å holde pusten en viktig rolle. Det har blitt funnet at mange av disse skapningene har hjertefrekvenser som faller til nivåer under hviletilstanden under et dykk. Og etter å ha steget til overflaten, blir hjertefrekvensen raskere.
En lavere hjertefrekvens under dykking er nødvendig for å redusere hastigheten på oksygentilførselen til vev og celler, og dermed bremse prosessen med utarming av oksygenreserver i blodet og redusere oksygenforbruket i hjertet selv.
Det er antatt at trening (dvs. økt fysisk aktivitet) modulerer dykkeresponsen og øker hjertefrekvensen under et dykk. Denne hypotesen er spesielt viktig for studiet av blåhval, siden på grunn av den spesielle matemetoden (et plutselig utfall for å svelge vann), bør stoffskiftet i teorien overstige de grunnleggende verdiene(hviletilstand) med 50 ganger. Det antas at slike utfall akselererer oksygenmangel, og reduserer derfor varigheten av dykket.
Økt hjertefrekvens og økt overføring av oksygen fra blodet til musklene under et utfall kan spille en viktig rolle på grunn av de metabolske kostnadene ved slik fysisk aktivitet. I tillegg er det verdt å vurdere den lave konsentrasjonen myoglobin* (Mb) hos blåhval (5-10 ganger lavere enn hos andre sjøpattedyr: 0.8 g Mb per 100 g-1 muskel hos blåhval og 1.8-10 g Mb hos andre sjøpattedyr.
Myoglobin* - oksygenbindende protein i skjelettmuskulatur og hjertemuskulatur.
Som en konklusjon endrer fysisk aktivitet, dykkedybde og viljekontroll hjertefrekvensen under dykking gjennom det autonome nervesystemet.
En tilleggsfaktor for å redusere hjertefrekvensen kan være kompresjon/utvidelse av lungene under et dykk/oppstigning.
Dermed er hjertefrekvens under et dykk og mens du er på overflaten direkte relatert til arterielle hemodynamiske mønstre.
Finnhval
En tidligere studie av de biomekaniske egenskapene og dimensjonene til aortaveggene hos finnhval (Balaenoptera physalus) viste at under dykking med en hjertefrekvens ≤10 slag/min, implementerer aortabuen en reservoareffekt (Windkessel-effekt), som opprettholder blodstrømmen i lange perioder diastoliske perioder* mellom hjerteslag og reduserer pulsering av blodstrømmen inn i den stive distale aorta.
Diastole* (diastolisk periode) - perioden med avslapning av hjertet mellom sammentrekninger.
Alle de ovenfor beskrevne hypotesene, teoriene og konklusjonene må ha materielle bevis, det vil si bekreftes eller tilbakevises i praksis. Men for å gjøre dette, må du utføre et elektrokardiogram på en fritt bevegelig blåhval. Enkle metoder vil ikke fungere her, så forskere har laget sin egen enhet for elektrokardiografi.
En video der forskerne kort forteller om arbeidet sitt.
Hvalens EKG ble registrert ved hjelp av en spesiallaget EKG-opptaker innebygd i en spesiell kapsel med 4 sugekopper. Overflate-EKG-elektroder ble bygget inn i to av sugekoppene. Forskerne tok en båt til Monterey Bay (Stillehavet, nær California). Da forskerne endelig møtte en blåhval som hadde dukket opp, festet de en EKG-opptaker til kroppen (ved siden av venstre finne). I følge tidligere innsamlede data er denne hvalen en hann i en alder av 15 år. Det er viktig å merke seg at denne enheten er ikke-invasiv, det vil si at den ikke krever innføring av noen sensorer eller elektroder i dyrets hud. Det vil si at for hvalen er denne prosedyren helt smertefri og med minimalt stress fra kontakt med mennesker, noe som også er ekstremt viktig, gitt at hjerteslagsavlesninger tas, som kan bli forvrengt på grunn av stress. Resultatet var en 8.5-timers EKG-registrering som forskerne var i stand til å bygge en hjertefrekvensprofil fra (bilde nedenfor).
Bilde #1: Blåhval-pulsprofil.
EKG-bølgeformen var lik den som ble registrert hos små hvaler i fangenskap ved bruk av samme enhet. Hvalens søkingsadferd var ganske normal for arten: dykking i 16.5 minutter til en dybde på 184 m og overflateintervaller på 1 til 4 minutter.
Hjertefrekvensprofilen, i samsvar med den kardiovaskulære responsen på dykket, viste at hjertefrekvenser mellom 4 og 8 slag per minutt dominerte under den nedre fasen av søkingsdykk, uavhengig av dykkets varighet eller maksimal dybde. Dykkepuls (beregnet over hele dykkets varighet) og minimum øyeblikkelig dykkepuls reduserte med dykkets varighet, mens maksimal overflatepuls etter dykket økte med dykkets varighet. Det vil si at jo lenger hvalen var under vann, jo saktere slo hjertet under dykket og jo raskere etter oppstigningen.
I sin tur angir allometriske ligninger for pattedyr at en hval som veier 70000 319 kg har et hjerte som veier 80 kg, og slagvolumet (volumet blod som kastes ut per slag) er omtrent 15 l, derfor bør hvilepulsen være XNUMX slag/ min.
Under de nedre fasene av dykkene var den øyeblikkelige hjertefrekvensen mellom 1/3 og 1/2 av forventet hvilepuls. Imidlertid økte hjertefrekvensen under oppstigningsstadiet. Ved overflateintervaller var hjertefrekvensene omtrent det dobbelte av den forutsagte hvilepulsen og varierte hovedsakelig fra 30 til 37 bpm etter dype dykk (>125 m dybde) og fra 20 til 30 bpm etter grunnere dykk.
Denne observasjonen kan indikere at akselerasjon av hjertefrekvensen er nødvendig for å oppnå ønsket respiratorisk gassutveksling og reperfusjon (gjenoppretting av blodstrøm) av vev mellom dype dykk.
Grunne, kortvarige nattdykk var assosiert med hvile og var derfor mer vanlig i mindre aktive tilstander. Typiske hjertefrekvenser observert under et 5-minutters nattdykk (8 slag per minutt) og det medfølgende 2-minutters overflateintervallet (25 slag per minutt) kan kombineres for å resultere i en hjertefrekvens på ca. 13 slag per minutt. Denne figuren, som vi kan se, er bemerkelsesverdig nær de estimerte spådommene til allometriske modeller.
Forskerne profilerte deretter hjertefrekvens, dybde og relativ lungevolum fra 4 separate dykk for å undersøke potensielle effekter av fysisk aktivitet og dybde på hjertefrekvensregulering.
Bilde #2: Hjertefrekvens, dybde og relative lungevolumprofiler for 4 separate dykk.
Når den spiser mat på store dyp, utfører hvalen en viss utfallsmanøver - den åpner munnen skarpt for å svelge vann med plankton, og filtrerer deretter ut maten. Det ble observert at hjertefrekvensen ved svelging av vann er 2.5 ganger høyere enn ved filtreringsøyeblikket. Dette taler direkte til hjertefrekvensens avhengighet av fysisk aktivitet.
Når det gjelder lungene, er deres effekt på hjertefrekvensen ekstremt usannsynlig, siden det ikke ble observert signifikante endringer i det relative lungevolum under de aktuelle dykkene.
Dessuten, i de nedre fasene av grunne dykk, var en kortvarig økning i hjertefrekvensen assosiert nettopp med endringer i det relative volumet av lungene og kunne være forårsaket av aktivering av lungestrekkreseptoren.
Ved å oppsummere observasjonene beskrevet ovenfor, kom forskerne til den konklusjon at under fôring på store dyp er det en kortsiktig økning i hjertefrekvensen med 2.5 ganger. Imidlertid var den gjennomsnittlige topppulsen under fôringsutfall fortsatt bare halvparten av den anslåtte hvileverdien. Disse dataene stemmer overens med hypotesen om at de fleksible aortabuene til store hvaler utøver en reservoareffekt under den langsomme hjertefrekvensen ved dykking. I tillegg støttet utvalget av høyere hjertefrekvenser i perioden etter dykk hypotesen om at aortaimpedans og hjertearbeidsbelastning reduseres under overflateintervallet på grunn av destruktiv interferens av utgående og reflekterte trykkbølger i aorta.
Den alvorlige bradykardien observert av forskerne kan kalles et uventet resultat av studien, gitt hvalens kolossale energiforbruk på utfallsmanøveren mens den svelger vann med plankton. Imidlertid kan det hende at de metabolske kostnadene ved denne manøveren ikke stemmer overens med hjertefrekvens eller konvektiv oksygentransport, delvis på grunn av den korte varigheten av fôring og mulig rekruttering av glykolytiske, raske muskelfibre.
Under et utfall akselererer blåhval til høye hastigheter og absorberer et volum vann som kan være større enn deres egen kropp. Forskere antar at den høye motstanden og energien som kreves for manøvrering raskt tømmer kroppens totale oksygenreserver, og dermed begrenser dykketiden. Den mekaniske kraften som kreves for å absorbere store mengder vann vil sannsynligvis langt overstige den aerobe metabolske kraften. Derfor økte hjertefrekvensen under slike manøvrer, men i svært kort tid.
For en mer detaljert forståelse av nyansene i studien anbefaler jeg å ta en titt på .
Epilog
Et av de viktigste funnene er at blåhval krever nesten maksimal hjertefrekvens for gassutveksling og reperfusjon under korte overflateintervaller, uavhengig av arten av blod- og muskeloksygenmangel under dykk. Hvis vi tenker på at større blåhvaler må investere mer arbeidskraft over en kortere periode for å få mat (i samsvar med allometriske hypoteser), så møter de uunngåelig flere fysiologiske begrensninger både under dykket og under overflateintervallet. Dette betyr at evolusjonært sett er størrelsen på kroppen deres begrenset, siden hvis den var større, ville prosessen med å skaffe mat være svært kostbar og ville ikke bli kompensert av maten som mottas. Forskerne mener selv at hjertet til blåhvalen jobber på grensen av dens evner.
I fremtiden planlegger forskerne å utvide funksjonene til enheten deres, inkludert å legge til et akselerometer for bedre å forstå effekten av ulike fysiske aktiviteter på hjertefrekvensen. De planlegger også å bruke EKG-sensoren sin på annet marint liv.
Som denne studien viser, er det ikke lett å være den største skapningen med det største hjertet. Men uansett størrelsen på de marine innbyggerne, uansett hvilken diett de følger, må vi forstå at vannsøylen, som brukes av mennesker til fiske, utvinning og transport, forblir deres hjem. Vi er kun gjester, og derfor må vi oppføre oss deretter.
Fredag off-top:
Sjeldne opptak av en blåhval som viser kapasiteten til munnen.
En annen gigant av havene er spermhvalen. I denne videoen filmet forskere som brukte en fjernstyrt ROV Hercules en nysgjerrig spermhval på 598 meters dyp.
Takk for at du leser, vær nysgjerrig og ha en flott helg folkens! 🙂
Takk for at du bor hos oss. Liker du artiklene våre? Vil du se mer interessant innhold? Støtt oss ved å legge inn en bestilling eller anbefale til venner, , 30 % rabatt for Habr-brukere på en unik analog av inngangsnivåservere, som ble oppfunnet av oss for deg: (tilgjengelig med RAID1 og RAID10, opptil 24 kjerner og opptil 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 ganger billigere? Bare her i Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Lese om
Kilde: www.habr.com