É difícil discordar da afirmação de que a natureza possui a imaginação mais vívida. Cada representante da flora e fauna tem suas particularidades únicas, muitas vezes até excêntricas, que frequentemente não conseguimos compreender. Pegue, por exemplo, o camarão mantis. Esta criatura carnívora é capaz de atacar sua presa ou agressor com suas poderosas pinças a uma velocidade de 83 km/h, e seu sistema visual é um dos mais complexos já estudados pelo homem. Embora ferozes, os camarões mantis não são particularmente grandes — alcançam até 35 cm de comprimento. O maior habitante dos mares e oceanos, e do planeta em geral, é a baleia azul. O comprimento desse mamífero pode ultrapassar 30 metros, e seu peso chega a 150 toneladas. Apesar de seu tamanho impressionante, as baleias azuis não podem ser consideradas predadores ameaçadores, pois preferem se alimentar de plâncton.
A anatomia das baleias azuis sempre fascinou os cientistas que desejam entender melhor como funciona um organismo tão gigantesco e os órgãos que o compõem. Embora saibamos da existência das baleias azuis há várias centenas de anos (desde 1694, para ser mais preciso), esses gigantes ainda não revelaram todos os seus segredos. Hoje, vamos conhecer um estudo em que um grupo de cientistas da Universidade de Stanford desenvolveu um dispositivo que conseguiu registrar os primeiros batimentos cardíacos de uma baleia azul. Como funciona o coração do senhor dos mares, que descobertas os cientistas fizeram, e por que não pode existir um organismo maior que a baleia azul? Vamos descobrir no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá.
O Herói da Pesquisa
A baleia azul é o maior mamífero, o maior habitante dos mares e oceanos, o maior animal, o maior cetáceo. O que mais se pode dizer? A baleia azul é realmente a maior em termos de dimensões — 33 metros de comprimento e 150 toneladas. Os números são aproximados, mas não menos impressionantes.
A cabeça deste gigante merece uma menção especial no livro dos recordes, pois representa cerca de 27% do comprimento total do corpo. Seus olhos, no entanto, são relativamente pequenos, não maiores que um grapefruit. Se você tiver dificuldades em ver os olhos da baleia azul, a boca será facilmente perceptível. A mandíbula da baleia azul pode acomodar até 100 pessoas (um exemplo assustador, mas as baleias azuis não comem humanos, pelo menos não intencionalmente). O tamanho considerável da boca decorre de suas preferências alimentares: as baleias se alimentam de plâncton, engolindo grandes volumes de água, que depois expelirão através de um filtro, separando a comida. Em condições favoráveis, uma baleia azul pode consumir cerca de 6 toneladas de plâncton por dia.
Outra característica importante das baleias azuis são seus pulmões. Elas podem prender a respiração por até 1 hora e mergulhar a profundidades de até 100 m. No entanto, como outros mamíferos marinhos, as baleias azuis sobem periodicamente à superfície para respirar. Ao emergir, as baleias usam um espiráculo — uma abertura respiratória composta por duas grandes narinas localizadas na parte de trás da cabeça. O exalar da baleia através do espiráculo frequentemente resulta em um jato vertical de água que pode chegar a 10 m de altura. Considerando o habitat das baleias, seus pulmões funcionam de forma muito mais eficiente que os nossos — os pulmões das baleias absorvem 80-90% do oxigênio, enquanto os nossos absorvem apenas cerca de 15%. O volume dos pulmões das baleias é de aproximadamente 3 mil litros, enquanto em humanos esse valor varia de 3 a 6 litros.
Modelo do coração da baleia azul no museu de New Bedford (EUA).
O sistema circulatório da baleia azul também possui parâmetros impressionantes. Por exemplo, seus vasos são simplesmente enormes, com o diâmetro da aorta atingindo cerca de 40 cm. O coração das baleias azuis é considerado o maior do mundo e pesa cerca de uma tonelada. Com um coração desse tamanho, elas têm muito sangue — mais de 8000 litros em um adulto.
E assim chegamos ao cerne da pesquisa. O coração da baleia azul é grande, como já entendemos, mas seu batimento é relativamente lento. Anteriormente, acreditava-se que o pulso era de cerca de 5-10 batimentos por minuto, em raros casos chegando a 20. Mas ninguém havia realizado medições precisas, até agora.
Cientistas da Universidade de Stanford afirmam que a escala na biologia é de enorme importância, especialmente quando se trata de definir as características funcionais dos órgãos dos seres vivos. O estudo de diferentes criaturas, desde ratos até baleias, permite identificar os limites de tamanho que um organismo vivo não pode ultrapassar. O coração e o sistema cardiovascular, em geral, são atributos importantes dessas pesquisas.
Em mamíferos marinhos, cuja fisiologia foi totalmente adaptada ao seu modo de vida, as adaptações relacionadas ao mergulho e à apneia desempenham um papel importante. Foi estabelecido que muitos desses seres têm a frequência cardíaca reduzida a níveis abaixo do estado de repouso durante a imersão. Ao emergir na superfície, o ritmo cardíaco se torna mais acelerado.
A redução da frequência cardíaca durante os mergulhos é necessária para diminuir a taxa de entrega de oxigênio aos tecidos e células, atrasando assim o processo de exaustão das reservas de oxigênio no sangue e reduzindo o consumo de oxigênio pelo próprio coração.
Há uma hipótese de que o exercício (ou seja, a atividade física aumentada) modula a resposta ao mergulho e aumenta a frequência das batidas cardíacas durante a imersão. Esta hipótese é particularmente importante para o estudo das baleias azuis, pois, devido ao seu método alimentar único (mergulhos abruptos para engolir água), a taxa de metabolismo, em teoria, deve superar em 50 vezes os valores basais (estado de repouso). Presume-se que tais mergulhos aceleram a exaustão do oxigênio, diminuindo assim a duração da imersão.
Uma frequência cardíaca aumentada e uma maior transferência de oxigênio do sangue para os músculos durante o mergulho podem desempenhar um papel importante devido ao custo metabólico durante essa atividade física. Além disso, deve-se considerar a baixa concentração de mioglobina* (Mb) em baleias azuis (de 5 a 10 vezes menor do que em outros mamíferos marinhos: 0,8 g Mb por 100 g-1 de músculo em baleias azuis e 1,8-10 g Mb em outros mamíferos marinhos.
Mioglobina* — proteína de ligação ao oxigênio nos músculos esqueléticos e no músculo cardíaco.
Em conclusão, a carga física, a profundidade do mergulho e o controle voluntário alteram a frequência das batidas do coração durante o mergulho através do sistema nervoso autônomo.
Um fator adicional que pode reduzir a frequência cardíaca é a compressão/expansão dos pulmões durante a imersão/emersão.
Assim, a frequência cardíaca durante a imersão e enquanto está na superfície está diretamente relacionada aos modelos de hemodinâmica arterial.
Baleia-fin
Uma pesquisa anterior sobre as propriedades biomecânicas e o tamanho das paredes da aorta na baleia-fin (Balaenoptera physalus) mostrou que durante as imersões, quando a frequência cardíaca é ≤10 batimentos/min, o arco da aorta implementa o efeito reservatório (Windkessel effekt), que mantém o fluxo sanguíneo durante longos períodos diastólicos* entre as contrações cardíacas e reduz a pulsação do fluxo sanguíneo na aorta distal rígida.
Diástole* (período diastólico) — é o período de relaxamento do coração entre as contrações.
Todas as hipóteses, teorias e deduções descritas acima devem ter evidências materiais, ou seja, serem confirmadas ou refutadas na prática. Mas para isso, é necessário conduzir uma eletrocardiografia em uma baleia-azul que se move livremente. Métodos simples não funcionarão aqui, por isso os cientistas criaram seu próprio dispositivo para eletrocardiografia.
Vídeo em que os pesquisadores falam brevemente sobre seu trabalho.
A ECG of a whale was recorded using a custom-built ECG recorder embedded in a special capsule with 4 suction cups. Surface ECG electrodes were incorporated into two of the suction cups. The researchers traveled by boat to Monterey Bay (Pacific Ocean, near California). When the scientists finally encountered a blue whale that surfaced, they attached the ECG recorder to its body (near the left fin). Based on previously collected data, this whale is a 15-year-old male. Importantly, this device is non-invasive, meaning it does not require the insertion of any sensors or electrodes into the animal's skin. Therefore, this procedure is completely painless for the whale and causes minimal stress from human contact, which is also crucial considering that the heart rate readings could be distorted due to stress. As a result, an 8.5-hour ECG recording was obtained, allowing scientists to construct a heart rate profile (image below).
Imagem nº 1: perfil da frequência cardíaca da baleia azul.
O formato do sinal ECG foi semelhante ao registrado em pequenas baleias em cativeiro com o mesmo dispositivo. O comportamento da baleia durante a busca por alimento foi bastante típico de sua espécie: mergulhos de 16,5 minutos a uma profundidade de 184 m e intervalos de superfície de 1 a 4 minutos.
O perfil da frequência cardíaca, de acordo com a resposta cardiovascular ao mergulho, mostrou que a frequência cardíaca de 4 a 8 batimentos por minuto predominou na fase inferior dos mergulhos durante a busca por alimento, independentemente da duração do mergulho ou da profundidade máxima. A frequência cardíaca durante o mergulho (calculada durante toda a duração do mergulho) e a frequência cardíaca mínima instantânea durante o mergulho diminuíram com a duração do mergulho, enquanto a frequência cardíaca máxima na superfície após o mergulho aumentou com a duração do mergulho. Ou seja, quanto mais tempo a baleia passava debaixo d'água, mais devagar seu coração batia durante o mergulho e mais rápido depois de voltar à superfície.
Por sua vez, as equações alométricas em mamíferos afirmam que uma baleia com 70.000 kg tem um coração que pesa 319 kg, e seu volume de batimento (volume de sangue expelido por batida) é de cerca de 80 l, logo, a frequência cardíaca em repouso deve ser de 15 batimentos/min.
Durante as fases mais baixas das imersões, a frequência cardíaca instantânea variou de 1/3 a 1/2 da frequência cardíaca em repouso prevista. No entanto, o ritmo cardíaco aumentou na fase de subida. Nos intervalos de superfície, a frequência cardíaca era aproximadamente o dobro da frequência cardíaca em repouso prevista, variando predominantemente de 30 a 37 batimentos por minuto após imersões profundas (> 125 metros de profundidade) e de 20 a 30 batimentos por minuto após imersões mais rasas.
Essa observação pode indicar que a aceleração dos batimentos cardíacos é necessária para alcançar a troca gasosa desejada e a reperfusão (restauração do fluxo sanguíneo) dos tecidos entre as imersões profundas.
Imersões noturnas rasas e de curta duração estavam associadas ao descanso e, portanto, eram mais características de um estado menos ativo. As frequências cardíacas típicas observadas durante uma imersão noturna de 5 minutos (8 batimentos por minuto) e seu intervalo de superfície correspondente de 2 minutos (25 batimentos por minuto) podem, em conjunto, resultar em um ritmo cardíaco em torno de 13 batimentos por minuto. Este número, como podemos ver, está surpreendentemente próximo das previsões calculadas dos modelos alométricos.
Além disso, os cientistas construíram perfis de frequência cardíaca, profundidade e volume relativo dos pulmões de 4 imersões separadas, cuja análise permitiu estudar o potencial impacto da atividade física e da profundidade na regulação do ritmo cardíaco.
Imagem nº 2: perfis de frequência cardíaca, profundidade e volume relativo dos pulmões de 4 imersões separadas.
Durante a alimentação em grandes profundidades, a baleia realiza uma manobra específica chamada de queda — abre rapidamente a boca para engolir água com plâncton e depois filtra o alimento. Foi observado que a frequência cardíaca no momento da ingestão de água é 2,5 vezes maior do que durante a filtração. Isso indica diretamente a dependência do ritmo cardíaco em relação ao esforço físico.
No que diz respeito aos pulmões, sua influência sobre o ritmo cardíaco é extremamente improvável, uma vez que não foram observadas mudanças significativas no volume relativo dos pulmões durante os mergulhos considerados.
Nesse sentido, nas fases inferiores de mergulhos pouco profundos, o aumento temporário da frequência cardíaca estava precisamente relacionado a mudanças no volume relativo dos pulmões e poderia ter sido causado pela ativação dos receptores de estiramento pulmonar.
Resumindo as observações acima, os cientistas chegaram à conclusão de que durante a alimentação em grandes profundidades, há um aumento temporário da frequência cardíaca de 2,5 vezes. Contudo, a frequência cardíaca média máxima durante as quedas no momento da alimentação ainda era apenas metade do valor previsto em repouso. Esses dados estão em conformidade com a hipótese de que os arcos aórticos flexíveis das grandes baleias implementam o efeito reservatório durante o ritmo cardíaco lento no período de mergulho. Além disso, a amplitude mais alta da frequência cardíaca no período pós-mergulho confirmou a hipótese de que a impedância aórtica e a carga no coração diminuem durante o intervalo de superfície devido à interferência destrutiva das ondas de pressão saindo e refletidas na aorta.
A bradicardia intensa observada pelos pesquisadores pode ser considerada um resultado inesperado do estudo, considerando o enorme esforço da baleia na manobra de queda durante a ingestão de água com plâncton. No entanto, os custos metabólicos dessa manobra podem não corresponder à frequência cardíaca ou ao transporte convectivo de oxigênio, em parte devido à curta duração da alimentação e possível recrutamento de fibras musculares glicolíticas de contração rápida.
Durante o mergulho, as baleias azuis aceleram a altas velocidades e engolem volumes de água que podem ser maiores que seus próprios corpos. Cientistas sugerem que a alta resistência e a energia necessária para manobrar esgotam rapidamente os suprimentos gerais de oxigênio em seu corpo, limitando assim o tempo de imersão. A força mecânica necessária para absorver grandes volumes de água provavelmente excede em muito a força metabólica aeróbica. É por isso que, durante tais manobras, a frequência cardíaca aumenta, mas apenas por um curto período de tempo.
Para um conhecimento mais detalhado sobre as nuances da pesquisa, recomendo dar uma olhada em .
Epílogo
Uma das conclusões mais importantes é que, para a troca gasosa e reperfusão durante curtos intervalos na superfície, as baleias azuis precisam de quase a máxima frequência cardíaca, independentemente da natureza do esgotamento dos estoques de oxigênio no sangue e nos músculos durante os mergulhos. Se considerarmos que os indivíduos maiores de baleias azuis precisam empregar mais esforço para se alimentarem em um período de tempo mais curto (de acordo com hipóteses alomérricas), eles inevitavelmente enfrentam várias limitações fisiológicas tanto durante a imersão quanto durante o intervalo na superfície. Isso significa que, evolutivamente, o tamanho de seus corpos é limitado, pois se fossem maiores, o processo de obtenção de alimento se tornaria muito dispendioso e não seria compensado pela comida obtida. Os próprios pesquisadores acreditam que o coração da baleia azul opera no limite de suas capacidades.
Os cientistas planejam expandir as capacidades de seu dispositivo, incluindo a adição de um acelerômetro, para entender melhor o impacto de diferentes atividades físicas na frequência cardíaca. Eles também planejam aplicar seu sensor de ECG em outros habitantes marinhos.
Como demonstrou esta pesquisa, ser a maior criatura com o maior coração não é tão simples assim. No entanto, independentemente do tamanho dos habitantes marinhos ou da dieta que seguem, precisamos entender que a coluna de água que os humanos usam para pesca, extração e transporte continua a ser seu lar. Nós somos apenas visitantes, e devemos agir de acordo.
Off-topic de sexta-feira:
Imagens raras de uma baleia azul mostrando a capacidade de sua boca.
Outro gigante dos mares é o cachalote. Neste vídeo, cientistas utilizaram o ROV Hercules, controlado remotamente, a uma profundidade de 598 metros para filmar um curioso cachalote.
Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham um excelente fim de semana, pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com
