Trudno nie zgodzić się ze stwierdzeniem, że przyroda ma najbujniejszą wyobraźnię. Każdy z przedstawicieli flory i fauny ma swoje unikalne, a czasem nawet dziwne cechy, które często nie mieszczą się w naszych głowach. Weźmy na przykład tego samego kraba modliszkowego. To drapieżne stworzenie jest w stanie zaatakować ofiarę lub przestępcę swoimi potężnymi pazurami z prędkością 83 km/h, a jego układ wzrokowy jest jednym z najbardziej skomplikowanych, jakie kiedykolwiek zbadał człowiek. Raki modliszkowe, choć groźne, nie są szczególnie duże - do 35 cm długości. Największym mieszkańcem mórz i oceanów, a także ogólnie planety, jest płetwal błękitny. Długość tego ssaka może sięgać ponad 30 metrów i ważyć 150 ton. Pomimo imponujących rozmiarów płetwal błękitny trudno nazwać groźnymi myśliwymi, ponieważ... wolą plankton.
Anatomia płetwali błękitnych zawsze była przedmiotem zainteresowania naukowców, którzy chcą lepiej zrozumieć, jak działa tak ogromny organizm i znajdujące się w nim narządy. Mimo że o istnieniu płetwali błękitnych wiemy już od kilkuset lat (dokładniej od 1694 r.), olbrzymy te nie ujawniły wszystkich swoich tajemnic. Dziś przyjrzymy się badaniu, w ramach którego grupa naukowców z Uniwersytetu Stanforda opracowała urządzenie, za pomocą którego uzyskano pierwsze nagrania bicia serca płetwal błękitny. Jak działa serce władcy mórz, jakich odkryć dokonali naukowcy i dlaczego nie może istnieć organizm większy od płetwala błękitnego? Dowiadujemy się o tym z raportu grupy badawczej. Iść.
Bohater badań
Płetwal błękitny to największy ssak, największy mieszkaniec mórz i oceanów, największe zwierzę, największy wieloryb. Cóż mogę powiedzieć, płetwal błękitny jest naprawdę najlepszy pod względem wymiarów – długość to 33 metry, a waga to 150 ton. Liczby są przybliżone, ale nie mniej imponujące.
Nawet głowa tego giganta zasługuje na osobną pozycję w Księdze Rekordów Guinnessa, ponieważ zajmuje około 27% całkowitej długości ciała. Co więcej, oczy błękitnego wieloryba są dość małe, nie większe niż grejpfrut. Jeśli trudno ci zobaczyć oczy wieloryba, natychmiast zauważysz usta. W paszczy płetwal błękitny może pomieścić do 100 osób (przerażający przykład, ale płetwal błękitny nie zjada ludzi, przynajmniej nie celowo). Duży rozmiar ust wynika z preferencji gastronomicznych: wieloryby zjadają plankton, połykając ogromne ilości wody, która następnie jest uwalniana przez aparat filtrujący, odfiltrowując pożywienie. W dość sprzyjających okolicznościach płetwal błękitny zjada około 6 ton planktonu dziennie.
Kolejną ważną cechą płetwali błękitnych są ich płuca. Są w stanie wstrzymać oddech na 1 godzinę i nurkować na głębokość do 100 m. Jednak podobnie jak inne ssaki morskie, płetwal błękitny okresowo wynurza się na powierzchnię wody, aby oddychać. Kiedy wieloryby wypływają na powierzchnię wody, korzystają z otworu oddechowego, czyli otworu oddechowego utworzonego przez dwa duże otwory (nozdrza) z tyłu głowy. Wydychaniu wieloryba przez otwór wentylacyjny często towarzyszy pionowa fontanna wody o wysokości do 10 m. Biorąc pod uwagę cechy siedliska wielorybów, ich płuca pracują znacznie wydajniej niż nasze - płuca wieloryba pochłaniają 80-90% tlen, a nasz tylko około 15%. Objętość płuc wynosi około 3 tysiące litrów, ale u ludzi liczba ta waha się w granicach 3-6 litrów.
Model serca płetwala błękitnego w muzeum w New Bedford (USA).
Układ krążenia płetwal błękitny jest również pełen rekordowych parametrów. Na przykład ich naczynia są po prostu ogromne, średnica samej aorty wynosi około 40 cm, serce płetwala błękitnego jest uważane za największe serce na świecie i waży około tony. Przy tak wielkim sercu wieloryb ma dużo krwi - u osoby dorosłej ponad 8000 XNUMX litrów.
I teraz płynnie dochodzimy do istoty samego badania. Serce płetwala błękitnego jest duże, jak już zrozumieliśmy, ale bije dość wolno. Wcześniej uważano, że puls wynosi około 5-10 uderzeń na minutę, w rzadkich przypadkach nawet do 20. Jednak do tej pory nikt nie dokonywał dokładnych pomiarów.
Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda twierdzą, że skala ma ogromne znaczenie w biologii, zwłaszcza jeśli chodzi o określenie cech funkcjonalnych narządów istot żywych. Badanie różnych stworzeń, od myszy po wieloryby, pozwala nam określić granice wielkości, których żywy organizm nie może przekroczyć. Serce i ogólnie układ sercowo-naczyniowy są ważnymi atrybutami takich badań.
U ssaków morskich, których fizjologia jest całkowicie dostosowana do ich trybu życia, ważną rolę odgrywają adaptacje związane z nurkowaniem i wstrzymywaniem oddechu. Stwierdzono, że częstość akcji serca wielu z tych stworzeń podczas nurkowania spada do poziomu poniżej stanu spoczynkowego. A po wypłynięciu na powierzchnię tętno staje się szybsze.
Niższe tętno podczas nurkowania jest konieczne, aby zmniejszyć szybkość dostarczania tlenu do tkanek i komórek, a tym samym spowolnić proces wyczerpywania się zapasów tlenu we krwi i zmniejszyć zużycie tlenu przez samo serce.
Przypuszcza się, że ćwiczenia (tj. zwiększona aktywność fizyczna) modulują reakcję nurkowania i zwiększają częstość akcji serca podczas nurkowania. Hipoteza ta jest szczególnie ważna w badaniach płetwali błękitnych, gdyż ze względu na specjalny sposób żywienia (nagłe rzucenie się w celu połknięcia wody) tempo metabolizmu w teorii powinno przekraczać wartości podstawowe (stan spoczynku) o 50 razy. Zakłada się, że takie wypady przyspieszają wyczerpywanie się tlenu, skracając tym samym czas trwania nurkowania.
Zwiększone tętno i zwiększony transport tlenu z krwi do mięśni podczas wypadu może odgrywać ważną rolę ze względu na koszty metaboliczne takiej aktywności fizycznej. Dodatkowo warto zwrócić uwagę na niskie stężenie mioglobina* (Mb) u płetwali błękitnych (5-10 razy mniej niż u innych ssaków morskich: 0.8 g Mb na 100 g-1 mięśnia u płetwala błękitnego i 1.8-10 g Mb u innych ssaków morskich).
Mioglobina* - białka wiążące tlen mięśni szkieletowych i mięśnia sercowego.
Podsumowując, aktywność fizyczna, głębokość nurkowania i kontrola wolicjonalna zmieniają częstość akcji serca podczas nurkowania poprzez autonomiczny układ nerwowy.
Dodatkowym czynnikiem zmniejszającym częstość akcji serca może być ucisk/rozszerzenie płuc podczas nurkowania/wynurzania.
Zatem tętno podczas nurkowania i na powierzchni jest bezpośrednio powiązane ze wzorcami hemodynamicznymi tętnic.
Finwal
Poprzednie badania właściwości biomechanicznych i wymiarów ścian aorty u płetwali (Physalus Balaenoptera) wykazało, że podczas nurkowania z częstością akcji serca ≤10 uderzeń/min łuk aorty realizuje efekt zbiornika (Efekt Windkessela), co utrzymuje przepływ krwi przez długi czas okresy rozkurczowe* pomiędzy uderzeniami serca i zmniejsza pulsację przepływu krwi do sztywnej dystalnej aorty.
Rozkurcz* (okres rozkurczowy) - okres rozluźnienia serca pomiędzy skurczami.
Wszystkie opisane powyżej hipotezy, teorie i wnioski muszą mieć materialne dowody, czyli zostać potwierdzone lub obalone w praktyce. Ale aby to zrobić, musisz przeprowadzić elektrokardiogram na swobodnie poruszającym się płetwal błękitny. Proste metody nie sprawdzą się tutaj, dlatego naukowcy stworzyli własne urządzenie do elektrokardiografii.
Film, w którym badacze krótko opowiadają o swojej pracy.
EKG wieloryba rejestrowano za pomocą wykonanego na zamówienie rejestratora EKG wbudowanego w specjalną kapsułę z 4 przyssawkami. Powierzchniowe elektrody EKG zostały wbudowane w dwie przyssawki. Naukowcy popłynęli łodzią do Monterey Bay (Ocean Spokojny, niedaleko Kalifornii). Kiedy naukowcy w końcu natknęli się na wynurzonego płetwala błękitnego, przyczepili do jego ciała rejestrator EKG (obok lewej płetwy). Według wcześniej zebranych danych wieloryb ten jest samcem w wieku 15 lat. Co ważne, urządzenie to jest bezinwazyjne, czyli nie wymaga wprowadzania żadnych czujników ani elektrod w skórę zwierzęcia. Oznacza to, że dla wieloryba ta procedura jest całkowicie bezbolesna i wymaga minimalnego stresu związanego z kontaktem z ludźmi, co jest również niezwykle ważne, biorąc pod uwagę, że pobierane są odczyty tętna, które może zostać zniekształcone ze względu na stres. W rezultacie powstał 8.5-godzinny zapis EKG, na podstawie którego naukowcy mogli zbudować profil tętna (zdjęcie poniżej).
Obraz nr 1: Profil tętna płetwala błękitnego.
Kształt fali EKG był podobny do fali zarejestrowanej u małych wielorybów trzymanych w niewoli za pomocą tego samego urządzenia. Zachowanie wieloryba podczas żerowania było całkiem normalne dla jego gatunku: nurkowanie przez 16.5 minuty na głębokość 184 m z przerwami na powierzchni od 1 do 4 minut.
Profil tętna, zgodny z reakcją układu krążenia na nurkowanie, pokazał, że w dolnej fazie nurkowań w poszukiwaniu pożywienia dominowało tętno od 4 do 8 uderzeń na minutę, niezależnie od czasu trwania nurkowania i maksymalnej głębokości. Tętno nurkowe (obliczone dla całego czasu nurkowania) i minimalne chwilowe tętno nurkowania zmniejszały się wraz z czasem trwania nurkowania, podczas gdy po nurkowaniu maksymalne tętno na powierzchni wzrastało wraz z czasem trwania nurkowania. Oznacza to, że im dłużej wieloryb przebywał pod wodą, tym wolniej bije serce podczas nurkowania i tym szybciej po wynurzeniu.
Z kolei równania allometryczne dla ssaków mówią, że wieloryb ważący 70000 319 kg ma serce ważące 80 kg, a jego objętość wyrzutowa (objętość krwi wyrzucanej na uderzenie) wynosi około 15 l, dlatego tętno spoczynkowe powinno wynosić XNUMX uderzeń/ min.
Podczas niższych faz nurkowań chwilowe tętno wynosiło od 1/3 do 1/2 przewidywanego tętna spoczynkowego. Jednakże tętno wzrosło podczas etapu wynurzania. Podczas interwałów na powierzchni częstość akcji serca była w przybliżeniu dwukrotnie większa od przewidywanej tętna spoczynkowego i wahała się głównie od 30 do 37 uderzeń na minutę po głębokich nurkowaniach (głębokość> 125 m) i od 20 do 30 uderzeń na minutę po płytszych nurkowaniach.
Obserwacja ta może wskazywać, że przyspieszenie akcji serca jest konieczne, aby osiągnąć pożądaną wymianę gazową oddechową i reperfuzję (przywrócenie przepływu krwi) tkanek pomiędzy głębokimi nurkowaniami.
Płytkie, krótkotrwałe nurkowania nocne kojarzono z odpoczynkiem i dlatego były częstsze w mniej aktywnych stanach. Typowe tętno obserwowane podczas 5-minutowego nurkowania nocnego (8 uderzeń na minutę) i towarzyszącej mu 2-minutowej przerwy na powierzchni (25 uderzeń na minutę) może łącznie dać tętno około 13 uderzeń na minutę. Liczba ta, jak widzimy, jest niezwykle zbliżona do szacunkowych przewidywań modeli allometrycznych.
Następnie naukowcy sprofilowali tętno, głębokość i względną objętość płuc z 4 oddzielnych nurkowań, aby zbadać potencjalny wpływ aktywności fizycznej i głębokości na regulację tętna.
Obraz nr 2: Profile tętna, głębokości i względnej objętości płuc dla 4 indywidualnych nurkowań.
Zjadając pokarm na dużych głębokościach, wieloryb wykonuje pewien manewr lonży – gwałtownie otwiera pysk, aby połknąć wodę z planktonem, a następnie odfiltrowuje pożywienie. Zaobserwowano, że tętno w momencie połykania wody jest 2.5 razy wyższe niż w momencie filtracji. To bezpośrednio przemawia za zależnością tętna od aktywności fizycznej.
Jeśli chodzi o płuca, ich wpływ na częstość akcji serca jest bardzo mało prawdopodobny, ponieważ podczas omawianych nurkowań nie zaobserwowano żadnych znaczących zmian w względnej objętości płuc.
Co więcej, w dolnych fazach płytkich nurkowań krótkotrwały wzrost częstości akcji serca był ściśle powiązany ze zmianami względnej objętości płuc i mógł być spowodowany aktywacją receptora rozciągania płuc.
Podsumowując opisane powyżej obserwacje, naukowcy doszli do wniosku, że podczas żerowania na dużych głębokościach następuje krótkotrwały wzrost częstości akcji serca o 2.5 razy. Jednak średnie szczytowe tętno podczas rzutów z karmieniem nadal stanowiło tylko połowę przewidywanej wartości spoczynkowej. Dane te są zgodne z hipotezą, że elastyczne łuki aorty dużych wielorybów wywierają efekt zbiornika podczas nurkowania z małą częstością akcji serca. Ponadto zakres wyższych częstości akcji serca w okresie po nurkowaniu potwierdził hipotezę, że impedancja aorty i obciążenie serca zmniejszają się podczas przerwy na powierzchni z powodu destrukcyjnej interferencji wychodzących i odbitych fal ciśnienia w aorcie.
Obserwowaną przez naukowców ciężką bradykardię można nazwać nieoczekiwanym wynikiem badań, biorąc pod uwagę kolosalny wydatek energii przez wieloryba na manewr lonży podczas połykania wody z planktonem. Jednakże koszt metaboliczny tego manewru może nie odpowiadać częstości akcji serca lub konwekcyjnemu transportowi tlenu, częściowo ze względu na krótki czas karmienia i możliwą rekrutację glikolitycznych, szybkokurczliwych włókien mięśniowych.
Podczas lonży płetwal błękitny przyspiesza do dużych prędkości i pochłania objętość wody, która może być większa niż ich własne ciało. Naukowcy wysuwają hipotezę, że wysoki opór i energia potrzebna do manewru szybko wyczerpują całkowite rezerwy tlenu w organizmie, ograniczając w ten sposób czas nurkowania. Siła mechaniczna wymagana do wchłonięcia dużych ilości wody prawdopodobnie znacznie przewyższa tlenową siłę metaboliczną. Dlatego podczas takich manewrów tętno wzrastało, ale na bardzo krótki czas.
Aby uzyskać bardziej szczegółową znajomość niuansów badania, polecam przyjrzeć się .
Epilog
Jednym z najważniejszych odkryć jest to, że płetwal błękitny wymaga tętna bliskiego maksymalnego do wymiany gazowej i reperfuzji podczas krótkich przerw na powierzchni, niezależnie od charakteru ubytku tlenu we krwi i mięśniach podczas nurkowań. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że większe płetwal błękitny musi włożyć więcej pracy w krótszym czasie, aby zdobyć pożywienie (zgodnie z hipotezami allometrycznymi), wówczas nieuchronnie stają przed kilkoma ograniczeniami fizjologicznymi zarówno podczas nurkowania, jak i podczas przerwy na powierzchni. Oznacza to, że ewolucyjnie wielkość ich ciała jest ograniczona, gdyż gdyby była większa, proces zdobywania pożywienia byłby bardzo kosztowny i nie byłby rekompensowany otrzymywanym pożywieniem. Sami badacze uważają, że serce płetwala błękitnego pracuje na granicy swoich możliwości.
W przyszłości naukowcy planują rozszerzyć możliwości swojego urządzenia, m.in. o dodanie akcelerometru, aby lepiej poznać wpływ różnych aktywności fizycznych na tętno. Planują także wykorzystać swój czujnik EKG do badania innych organizmów morskich.
Jak pokazuje to badanie, bycie największym stworzeniem o największym sercu nie jest łatwe. Jednak niezależnie od wielkości mieszkańców morza i jakiejkolwiek diety, którą przestrzegają, musimy zrozumieć, że słup wody, którego ludzie używają do rybołówstwa, wydobycia i transportu, pozostaje ich domem. Jesteśmy tylko gośćmi i dlatego musimy się odpowiednio zachowywać.
Piątek poza szczytem:
Rzadki materiał filmowy przedstawiający płetwal błękitny pokazujący pojemność jego pyska.
Kolejnym gigantem morskim jest kaszalot. Na tym filmie naukowcy korzystający ze zdalnie sterowanego pojazdu ROV Hercules sfilmowali ciekawego kaszalota na głębokości 598 metrów.
Dziękuję za przeczytanie, bądźcie ciekawi i miłego weekendu, chłopaki! 🙂
Dziękujemy za pobyt z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej ciekawych treści? Wesprzyj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, , 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów klasy podstawowej, który został przez nas wymyślony dla Ciebie: (dostępne z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 razy tańszy? Tylko tutaj w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB — od 99 USD! Czytać o
Źródło: www.habr.com