Trudno nie согласиться с утверждением, что самым ярким воображением обладает именно природа. Каждый из представителей флоры и фауны имеет свои уникальные, а порой даже странные особенности, которые часто не укладываются у нас в голове. Возьмем, к примеру, рака-богомола. Это хищное создание способно атаковать жертву или обидчика своими мощными клешнями со скоростью 83 км/h, а их зрительная система одна из самых сложных, когда-либо изученных человеком. Раки-богомолы, хоть и яростные, но не особенно крупные — до 35 см в длину. Самым же большим обитателем морей и океанов, как и планеты, является синий кит. Длина этого млекопитающего может достигать более 30 метров, а вес 150 тонн. Несмотря на внушительные размеры, синих китов сложно назвать грозными охотниками, так как они предпочитают планктон.
Anatomia niebieskich wielorybów zawsze interesowała naukowców, którzy chcą lepiej zrozumieć, jak działa tak ogromny organizm i jego narządy. Pomimo że o istnieniu niebieskich wielorybów wiemy już od kilku setek lat (od 1694 roku, jeśli dokładnie), te giganty nie ujawniły jeszcze wszystkich swoich sekretów. Dziś zapoznamy się z badaniem, w którym grupa naukowców ze Stanforda opracowała urządzenie, dzięki któremu uzyskano pierwsze nagrania bicia serca niebieskiego wieloryba. Jak działa serce władcy mórz, jakie odkrycia poczynili naukowcy, i dlaczego nie może istnieć organizm większy niż niebieski wieloryb? O tym dowiemy się z raportu grupy badawczej. Zaczynajmy.
Bohater badania
Niebieski wieloryb — to największe ssak, największy mieszkaniec mórz i oceanów, największe zwierzę, największy wieloryb. Co tu dużo mówić, niebieski wieloryb jest naprawdę największy pod względem rozmiarów — długość 33 metry, a waga 150 ton. Liczby są przybliżone, ale od tego nie mniej imponujące.
Nawet głowa tego giganta zasługuje na osobny wpis w Księdze Rekordów Guinnessa, ponieważ stanowi około 27% całkowitej długości ciała. Oczy niebieskich wielorybów są jednak dość małe, nie większe niż grejpfrut. Jeśli trudno będzie zobaczyć oczy wieloryba, to paszczę zauważysz od razu. Paszcza niebieskiego wieloryba może pomieścić do 100 osób (przykład dość przerażający, ale niebieskie wieloryby nie jedzą ludzi, przynajmniej niecelowo). Duży rozmiar paszczy jest związany z preferencjami żywieniowymi: wieloryby jedzą plankton, połykając ogromne ilości wody, którą potem wydmuchują przez filtrujący aparat, oddzielając pożywienie. Przy stosunkowo sprzyjających warunkach niebieski wieloryb spożywa dziennie około 6 ton planktonu.
Inną ważną cechą niebieskich wielorybów są ich płuca. Potrafią wstrzymywać oddech przez 1 godzinę i zanurzać się na głębokość do 100 m. Jednak, podobnie jak inne morskie ssaki, niebieskie wieloryby okresowo wynurzają się na powierzchnię wody, aby zaczerpnąć powietrza. Wpływając na powierzchnię wody, wieloryby używają blowhole — otworu oddechowego z dwóch dużych dziur (nostrzy) na tylnej części głowy. Wydech wieloryba przez blowhole często towarzyszy pionowy strumień wody o wysokości do 10 m. Biorąc pod uwagę charakterystykę środowiska, w którym żyją wieloryby, ich płuca działają znacznie wydajniej niż nasze — płuca wieloryba pochłaniają 80-90% tlenu, a nasze tylko około 15%. Objętość płuc wynosi około 3 tysięcy litrów, podczas gdy dla człowieka ten wskaźnik waha się w granicach 3-6 litrów.
Model serca niebieskiego wieloryba w muzeum w New Bedford (USA).
Układ krwionośny niebieskiego wieloryba również posiada rekordowe parametry. Na przykład ich naczynia są po prostu ogromne, średnica samej aorty wynosi około 40 cm. Serce niebieskich wielorybów uznawane jest za największe serce na świecie i waży około tony. Z takim dużym sercem wieloryb ma także dużo krwi — ponad 8000 litrów u dorosłej osobnika.
I oto płynnie przeszliśmy do istoty samego badania. Serce niebieskiego wieloryba jest duże, jak już zrozumieliśmy, ale bije dość wolno. Wcześniej uważano, że puls wynosi około 5-10 uderzeń na minutę, w rzadkich przypadkach do 20. Jednak nikt nie przeprowadzał dokładnych pomiarów, aż do teraz.
Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda twierdzą, że skala w biologii ma ogromne znaczenie, szczególnie gdy chodzi o określenie funkcjonalnych cech narządów organizmów żywych. Badanie różnych organizmów, od myszy po wieloryby, pozwala ustalić ograniczenia wymiarowe, które organizm żywy nie może przekroczyć. Serce i układ sercowo-naczyniowy są kluczowymi atrybutami takich badań.
U morskich ssaków, których fizjologia jest w pełni dostosowana do ich stylu życia, ważną rolę odgrywają adaptacje związane z nurkowaniem i wstrzymywaniem oddechu. Ustalone zostało, że u wielu z takich organizmów podczas zanurzenia częstość akcji serca spada do poziomów poniżej stanu spoczynku. Po wynurzeniu się na powierzchnię, rytm serca staje się szybszy.
Obniżona częstość akcji serca podczas nurkowań jest niezbędna do zmniejszenia tempa dostarczania tlenu do tkanek i komórek, co spowalnia proces wyczerpywania zapasów tlenu we krwi i zmniejsza zużycie tlenu przez samo serce.
Istnieje hipoteza, że ćwiczenia (tj. zwiększona aktywność fizyczna) modulują reakcję na zanurzenie i zwiększają częstość skurczów serca podczas nurkowania. Hipoteza ta jest szczególnie ważna w badaniach nad wielorybami błękitnymi, ponieważ z uwagi na ich unikalny sposób odżywiania (nagłe zanurzanie się w celu połknięcia wody) tempo metabolizmu teoretycznie powinno przekraczać wartości podstawowe (stan spoczynku) pięćdziesięciokrotnie. Zakłada się, że takie zanurzenia przyspieszają wyczerpywanie tlenu, co w konsekwencji skraca czas nurkowania.
Zwiększona częstość akcji serca oraz zwiększone dostarczanie tlenu z krwi do mięśni podczas zanurzenia mogą odgrywać ważną rolę ze względu na metaboliczne koszty związane z tą aktywnością fizyczną. Ponadto należy wziąć pod uwagę niską koncentrację mioglobiny* (Mb) u wielorybów błękitnych (5-10 razy niższą niż u innych morskich ssaków: 0,8 g Mb na 100 g-1 mięśni u wielorybów błękitnych i 1,8-10 g Mb u innych morskich ssaków.
Mioglobina* — białko wiążące tlen w mięśniach szkieletowych oraz w sercu.
Wnioskując, obciążenie fizyczne, głębokość zanurzenia i kontrola woli wpływają na częstość skurczów serca podczas nurkowania poprzez autonomiczny układ nerwowy.
Dodatkowym czynnikiem wpływającym na częstość akcji serca może być również skurcz/rozszerzenie płuc podczas zanurzenia/wypływania.
W związku z tym częstość skurczów serca podczas zanurzenia i w czasie pobytu na powierzchni ma bezpośredni związek z modelami hemodynamiki tętniczej.
Finwal
Wcześniejsze badanie właściwości biomechanicznych i wymiarów ścian aorty u finwala (Balaenoptera physalus) wykazało, że podczas zanurzeń przy częstości skurczów serca ≤10 uderzeń/min aorta realizuje efekt rezerwuaru (efekt Windkessela), który utrzymuje przepływ krwi przez długie okresy diastoliczne* pomiędzy skurczami serca i zmniejsza pulsację przepływu krwi w sztywnej dystalnej aorcie.
Diastola* (okres diastoliczny) — okres relaksacji serca pomiędzy skurczami.
Wszystkie wyżej opisane hipotezy, teorie i wnioski powinny mieć materialne dowody, to znaczy być potwierdzone lub obalone w praktyce. Ale do tego potrzebne jest przeprowadzenie elektroencefalografii swobodnie poruszającego się błękitnego walenia. Proste metody tutaj się nie sprawdzą, dlatego naukowcy stworzyli swoje urządzenie do elektroencefalografii.
Film, w którym badacze krótko opowiadają o swojej pracy.
EKG wieloryba rejestrowano przy użyciu specjalnie zaprojektowanego rejestratora EKG, który był wbudowany w specjalną kapsułę na 4 przystawkach. Powierzchniowe elektrody EKG były umieszczone w dwóch z przystawek. Naukowcy wypłynęli łodzią do zatoki Monterey (Pacyfik, blisko Kalifornii). Kiedy naukowcy w końcu spotkali niebieskiego wieloryba, który wypłynął na powierzchnię wody, przymocowali do jego ciała (obok lewego płetwy) rejestrator EKG. Z wcześniejszych danych wynika, że ten wieloryb to samiec w wieku 15 lat. Ważne jest, że to urządzenie jest nieinwazyjne, co oznacza, że nie wymaga wszczepienia w skórę zwierzęcia jakichkolwiek czujników czy elektrod. Dla wieloryba ta procedura jest całkowicie bezbolesna i wiąże się z minimalnym stresem związanym z kontaktem z ludźmi, co również ma kluczowe znaczenie, biorąc pod uwagę, że rejestrowane są dane o rytmie serca, które mogłyby być zniekształcone z powodu stresu. W rezultacie uzyskano 8,5-godzinny zapis EKG, na podstawie którego naukowcy mogli opracować profil rytmu serca (zdjęcie poniżej).
Obrazek nr 1: profil rytmu serca niebieskiego wieloryba.
Kształt sygnału EKG był podobny do tego, który został zarejestrowany u małych wielorybów w niewoli za pomocą tego samego urządzenia. Zachowanie wieloryba podczas poszukiwania pokarmu było całkowicie typowe dla jego gatunku: nurkowanie przez 16,5 minuty na głębokość 184 m i przerwy na powierzchni od 1 do 4 minut.
Profil rytmu serca, zgodnie z reakcją układu krążenia na nurkowanie, wykazał, że częstość akcji serca wahała się od 4 do 8 uderzeń na minutę, przeważając w fazach nurkowych podczas poszukiwania pokarmu, niezależnie od czasu trwania nurkowania czy maksymalnej głębokości. Częstość akcji serca podczas nurkowania (obliczana na całym okresie nurkowania) i minimalna natychmiastowa częstość akcji serca w trakcie nurkowania malały wraz z czasem trwania nurkowania, podczas gdy maksymalna powierzchniowa częstość akcji serca po nurkowaniu wzrastała z długością nurkowania. Oznacza to, że im dłużej wieloryb był pod wodą, tym wolniej biło serce podczas nurkowania, a tym szybciej po wynurzeniu.
Z kolei równania allometryczne dla ssaków wskazują, że wieloryb ważący 70000 kg ma serce ważące 319 kg, a jego objętość wyrzutowa (objętość krwi wydobywanej podczas skurczu) wynosi około 80 l, dlatego też częstość akcji serca w spoczynku powinna wynosić 15 uderzeń/min.
Podczas dolnych faz zanurzeń chwilowa częstość akcji serca wynosiła od 1/3 do 1/2 prognozowanej częstości akcji serca w spoczynku. Jednak rytm serca wzrastał na etapie wynurzania. W przerwach na powierzchni częstość akcji serca była mniej więcej dwa razy wyższa od prognozowanej częstości akcji serca w spoczynku i głównie wahała się od 30 do 37 uderzeń na minutę po głębokich zanurzeniach (> 125 metrów głębokości) oraz od 20 do 30 uderzeń na minutę po płytszych zanurzeniach.
To obserwacja może sugerować, że przyspieszenie akcji serca jest konieczne do osiągnięcia wymaganego gazowego wymiany oddechowego oraz reperfuzji (przywrócenie przepływu krwi) tkanek pomiędzy głębokimi zanurzeniami.
Płytkie krótkotrwałe nocne zanurzenia były związane z odpoczynkiem i w związku z tym były bardziej charakterystyczne dla mniej aktywnego stanu. Typowe częstości akcji serca, obserwowane podczas 5-minutowego nocnego zanurzenia (8 uderzeń na minutę) i towarzyszącej mu 2-minutowej przerwy na powierzchni (25 uderzeń na minutę), mogą w sumie prowadzić do rytmu serca wynoszącego około 13 uderzeń na minutę. Ta liczba, jak widzimy, jest zaskakująco bliska obliczeniowym prognozom modeli allometrycznych.
Następnie naukowcy zbudowali profile częstości akcji serca, głębokości oraz względnej objętości płuc 4 indywidualnych zanurzeń, a analiza tych danych pozwoliła zbadać potencjalny wpływ aktywności fizycznej i głębokości na regulację rytmu serca.
Obraz nr 2: profile częstości akcji serca, głębokości oraz względnej objętości płuc 4 indywidualnych zanurzeń.
Podczas jedzenia na dużych głębokościach wieloryb wykonuje pewien manewr zanurzenia — nagle otwiera paszczę, aby połknąć wodę z planktonem, a następnie filtruje pokarm. Zauważono, że częstość akcji serca w momencie połknięcia wody jest 2,5 razy wyższa niż w momencie filtracji. To jednoznacznie wskazuje na zależność rytmu serca od obciążenia fizycznego.
Jeśli chodzi o płuca, ich wpływ na rytm serca jest mało prawdopodobny, ponieważ nie zaobserwowano znaczących zmian względnej objętości płuc podczas omawianych zanurzeń.
Jednak w dolnych fazach płytkich zanurzeń krótkotrwałe zwiększenie częstości akcji serca było związane ze zmianami względnej objętości płuc i mogło być spowodowane aktywacją receptorów rozciągania płuc.
Podsumowując powyższe obserwacje, naukowcy doszli do wniosku, że podczas karmienia na dużych głębokościach występuje krótkotrwałe zwiększenie częstości akcji serca o 2,5 razy. Niemniej jednak, średnia szczytowa częstość akcji serca podczas zanurzeń w momencie karmienia wynosiła tylko połowę prognozowanej wartości w spoczynku. Te dane są zgodne z hipotezą, że elastyczne łuki aorty dużych wielorybów realizują efekt zbiornika podczas wolnego rytmu serca w trakcie zanurzenia. Ponadto zakres wyższych częstości akcji serca po zanurzeniu potwierdził hipotezę, że opór aorty i obciążenie serca maleją podczas powierzchniowego okresu z powodu destrukcyjnej interakcji wychodzących i odbitych fal ciśnienia w aorcie.
Silna bradykardia, którą obserwowali badacze, można uznać za niespodziewany wynik badania, biorąc pod uwagę ogromne wydatki energetyczne wieloryba podczas manewru zanurzenia przy połykaniu wody z planktonem. Jednak koszty metaboliczne tego manewru mogą nie odpowiadać częstości akcji serca ani konwekcyjnemu transportowi tlenu częściowo z powodu krótkiego czasu trwania karmienia oraz możliwego zaangażowania glikolitycznych, szybko kurczących się włókien mięśniowych.
Podczas nurkowania niebieskie wieloryby osiągają wysoką prędkość i pochłaniają ilość wody, która może przewyższać ich własne ciało. Naukowcy sugerują, że wysokie opory i energia potrzebna do manewrów szybko wyczerpują ogólne zapasy tlenu w organizmie, przez co ograniczają czas nurkowania. Siła mechaniczna potrzebna do pochłonięcia dużych ilości wody prawdopodobnie znacznie przewyższa wydolność aerobową. To dlatego podczas takich manewrów częstość akcji serca wzrasta, ale tylko na bardzo krótki czas.
Aby dokładniej zapoznać się z niuansami badania, polecam zajrzeć do .
Epilog
Jednym z najważniejszych wniosków jest to, że do wymiany gazowej i reperfuzji podczas krótkich przerw na powierzchni, niebieskie wieloryby potrzebują niemal maksymalnej częstości akcji serca, niezależnie od charakteru wyczerpania zapasów tlenu we krwi i mięśniach w trakcie nurkowania. Uwzględniając, że większe osobniki niebieskich wielorybów muszą włożyć więcej wysiłku w zdobywanie pożywienia w krótszym czasie (zgodnie z hipotezami allometrii), nieuchronnie napotykają na kilka ograniczeń fizjologicznych zarówno podczas nurkowania, jak i w trakcie przerw na powierzchni. Oznacza to, że ewolucyjnie ich rozmiar ciała jest ograniczony, ponieważ gdyby był większy, proces zdobywania pożywienia byłby niezwykle kosztowny i nie byłby rekompensowany przez pozyskiwaną żywność. Sami badacze uważają, że serce niebieskiego wieloryba pracuje na granicy swoich możliwości.
W przyszłości naukowcy planują rozszerzyć możliwości swojego urządzenia, w tym dodać akcelerometr, aby lepiej zrozumieć wpływ różnorodnej aktywności fizycznej na rytm serca. Planują również zastosować swój czujnik EKG u innych morskich mieszkańców.
Jak wykazało to badanie, bycie największym stworzeniem z największym sercem – to nie taka prosta sprawa. Niemniej jednak, niezależnie od rozmiaru morski mieszkańcy i sposobu odżywiania, musimy rozumieć, że woda, którą człowiek wykorzystuje do połowu, wydobywania i transportowania, pozostaje ich domem. My jesteśmy tylko gośćmi, dlatego powinniśmy zachowywać się odpowiednio.
Piątkowy offtop:
Rzadkie ujęcia, na których niebieski wieloryb pokazuje pojemność swojej paszczy.
Kolejnym gigantem mórz jest kaszalot. W tym filmie naukowcy za pomocą zdalnie sterowanego ROV Hercules uchwycili ciekawskiego kaszalota na głębokości 598 metrów.
Dziękuję za uwagę, bądźcie ciekawi i życzę wszystkim udanego weekendu, chłopaki! 🙂
Dziękujemy, że jesteś z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej interesujących materiałów? Wspieraj nas składając zamówienie lub polecając nas znajomym, , 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów entry-level, który został stworzony przez nas dla Ciebie: (dostępne opcje z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40GB DDR4).
Dell R730xd dwa razy tańszy? Tylko u nas w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 dolarów! Czytaj o tym
Źródło: habr.com
