Este dificil să contrazici afirmația că natura are cea mai vibrantă imaginație. Fiecare dintre reprezentanții florei și faunei are propriile sale trăsături unice, uneori chiar ciudate, care adesea nu se potrivesc în mintea noastră. Să luăm, de exemplu, crevetele-mantidă. Această creatură prădătoare este capabilă să atace victima sau agresorul cu cleștii săi puternici la o viteză de 83 km/h, iar sistemul său vizual este unul dintre cele mai complexe studiate vreodată de oameni. Crevetele-mantidă, deși furioase, nu sunt foarte mari – cresc până la 35 cm în lungime. Cel mai mare locuitor al mărilor și oceanelor, precum și al planetei în ansamblu, este balena albastră. Lungimea acestui mamifer poate depăși 30 de metri, iar greutatea este de 150 de tone. În ciuda dimensiunilor sale impresionante, balenele albastre nu pot fi considerate prădători temători, întrucât ele preferă planctonul.
Anatomia balenelor albastre i-a interesat întotdeauna pe oamenii de știință care doresc să înțeleagă mai bine cum funcționează un organism atât de uriaș și organele sale. Deși știm de existența balenelor albastre de câteva sute de ani (din 1694, dacă vrem să fim mai exacți), acești giganți nu au dezvăluit toate secretele lor. Astăzi ne vom familiariza cu un studiu în care un grup de cercetători de la Universitatea Stanford a dezvoltat un dispozitiv prin care au obținut primele înregistrări ale bătăilor inimii unei balene albastre. Cum funcționează inima stăpânului mărilor, ce descoperiri au făcut cercetătorii și de ce nu poate exista un organism mai mare decât balena albastră? Vom afla din raportul grupului de cercetare. Să începem.
Eroul cercetării
Balena albastră este cel mai mare mamifer, cel mai mare locuitor al mărilor și oceanelor, cel mai mare animal, cea mai mare balenă. Ce putem spune? Balena albastră este într-adevăr cea mai mare în ceea ce privește dimensiunile – lungimea de 33 de metri și greutatea de 150 de tone. Aceste cifre sunt aproximative, dar nu mai puțin impresionante.
Chiar și capul acestui gigant merită o mențiune separată în Cartea Recordurilor Guinness, deoarece constituie aproximativ 27% din lungimea totală a corpului. Cu toate acestea, ochii balenelor albastre sunt destul de mici, nu mai mari decât un grapefruit. Dacă vă va fi greu să vedeți ochii unei balene, botul îi veți observa imediat. Botul unei balene albastre poate găzdui până la 100 de oameni (un exemplu înfricoșător, dar balenele albastre nu mănâncă oameni, cel puțin intenționat). Dimensiunea mare a botului se datorează preferințelor gastronomice: balenele mănâncă plancton, înghițind cantități enorme de apă pe care ulterior le eliberează printr-un aparat de filtrare, filtrând hrana. În condiții favorabile, o balenă albastră poate absorbi aproximativ 6 tone de plancton pe zi.
O altă caracteristică importantă a balenelor albastre este plămânii lor. Ele pot să își țină respirația timp de 1 oră și să se scufunde la adâncimi de până la 100 m. Dar, ca și alte mamifere marine, balenele albastre ies periodic la suprafață pentru a respira. Când ajung la suprafață, balenele folosesc un orificiu de respirație - un deschizător respirator format din două găuri mari (nări) pe partea din spate a capului. Expirația unei balene prin orificiu este adesea însoțită de un jet vertical de apă cu o înălțime de până la 10 m. Având în vedere caracteristicile habitatului balenelor, plămânii lor funcționează mult mai eficient decât ai noștri - plămânii unei balene absorb 80-90% din oxigen, în timp ce ai noștri doar aproximativ 15%. Volumul plămânilor este de circa 3000 de litri, în timp ce acest indicator pentru oameni variază în jur de 3-6 litri.
Modelul inimii unei balene albastre la un muzeu din New Bedford (SUA).
Sistemul circulator al balenei albastre este, de asemenea, plin de parametrii record. De exemplu, vasele lor sunt pur și simplu uriașe, diametrul unei singure aorte fiind de aproximativ 40 cm. Inima balenelor albastre este considerată cea mai mare inimă din lume și cântărește aproximativ o tonă. Cu o inimă atât de mare, o balenă are și mult sânge - peste 8000 de litri la un adult.
Și astfel am ajuns treptat la esența cercetării. Inima balenei albastre este mare, așa cum am înțeles deja, dar bate destul de lent. Se considera anterior că pulsul este de aproximativ 5-10 bătăi pe minut, în cazuri rare până la 20. Dar nimeni nu a efectuat măsurători precise, până în acest moment.
Cercetătorii de la Universitatea Stanford afirmă că scala în biologie are o mare importanță, în special când vine vorba de definirea caracteristicilor funcționale ale organelor ființelor vii. Studiul diferitelor ființe, de la șoareci la balene, permite identificarea limitărilor dimensionale pe care un organism viu nu le poate depăși. Inima și sistemul cardiovascular, în general, sunt atribute importante ale acestor cercetări.
La mamiferele marine, a căror fiziologie s-a adaptat complet la stilul lor de viață, adaptările legate de scufundare și de retenția respirației joacă un rol important. S-a constatat că, în timpul scufundărilor, ritmul cardiac a multor asemenea ființe scade la niveluri sub starea de repaus. La revenirea la suprafață, ritmul inimii devine mai rapid.
Scăderea ritmului cardiac în timpul scufundării este necesară pentru a reduce viteza de livrare a oxigenului către țesuturi și celule, astfel încât procesul de epuizare a rezervelor de oxigen din sânge să fie încetinit, iar consumul de oxigen de către inimă să scadă.
Există o ipoteză conform căreia exercițiile (adică activitatea fizică crescută) modulează răspunsul la scufundare și cresc frecvența contracțiilor cardiace în timpul scufundării. Această ipoteză este deosebit de importantă pentru studiul balenelor albastre, deoarece, datorită metodei lor speciale de hrănire (un salt brusc pentru a înghiți apă), viteza metabolismului ar trebui teoretic să depășească valorile de bază (starea de repaus) de 50 de ori. Se presupune că astfel de salturi accelerează epuizarea oxigenului, reducând astfel durata scufundării.
Creșterea frecvenței cardiace și creșterea transferului de oxigen din sânge către mușchi în timpul saltului pot juca un rol important din cauza costurilor metabolice în timpul unei astfel de activități fizice. De asemenea, trebuie avut în vedere și nivelul scăzut de mioglobină* (Mb) la balenele albastre (de 5-10 ori mai scăzut decât la alte mamifere marine: 0.8 g Mb la 100 g-1 de mușchi la balenele albastre și 1.8-10 g Mb la alte mamifere marine.
Mioglobina* — o proteină legătoare de oxigen din mușchii scheletici și mușchiul cardiac.
Ca concluzie, efortul fizic, adâncimea scufundării și controlul voinței schimbă frecvența contracțiilor cardiace în timpul scufundării prin intermediul sistemului nervos autonom.
Un alt factor care poate reduce frecvența ritmului cardiac este comprimarea/extinderea plămânilor în timpul scufundării/ieșirii.
Astfel, frecvența bătăilor inimii în timpul scufundării și pe parcursul șederii la suprafață se leagă direct de modelele hemodinamicii arteriale.
Balena fină
Un studiu anterior efectuat asupra proprietăților biomecanice și dimensiunilor pereților aortei la balena fină (Balaenoptera physalus) a arătat că, în timpul scufundărilor cu o frecvență a bătăilor inimii ≤10 bătăi/min, arcul aortei realizează efectul rezervor (Windkessel effekt), care susține fluxul sanguin pe perioade lungi de diastolă* între contracțiile cardiace și reduce pulsația fluxului de sânge în aorta distală rigidă.
Diastola* (perioada diastolică) – perioada de relaxare a inimii între contracții.
Toate ipotezele, teoriile și concluziile descrise mai sus trebuie să aibă dovezi materiale, adică să fie confirmate sau infirmate prin practică. Dar pentru aceasta, este necesară efectuarea electrocardiografiei unei balene albastre care se mișcă liber. Metodele simple nu vor funcționa, așa că oamenii de știință au creat propriul dispozitiv pentru electrocardiografie.
Un videoclip în care cercetătorii povestesc pe scurt despre munca lor.
ECG-ul unei balene a fost înregistrat folosind un dispozitiv ECG personalizat, integrat într-o capsulă specială cu 4 ventuze. Electrozii de suprafață ai ECG-ului au fost integrați în două din ventuze. Cercetătorii au plecat cu o barcă în golful Monterey (Oceanul Pacific, lângă California). Când, în sfârșit, au întâlnit balena albastră care a ieșit la suprafață, au atașat dispozitivul ECG de corpul său (aproape de înotătoarea stângă). Conform datelor colectate anterior, această balenă este un mascul de 15 ani. Este important de menționat că acest dispozitiv este neinvaziv, adică nu necesită implantarea în pielea animalului a vreunor senzori sau electrozi. Cu alte cuvinte, pentru balenă, această procedură este complet nedureroasă și cu un stres minim de contact cu oamenii, ceea ce este deosebit de important, având în vedere că se măsoară bătăile inimii, care ar putea fi distorsionate din cauza stresului. În rezultat, a fost obținută o înregistrare ECG de 8.5 ore, pe baza căreia cercetătorii au reușit să construiască un profil al ritmului cardiac (imaginea de mai jos).
Imaginea nr. 1: profilul ritmului cardiac al balenei albastre.
Forma semnalului ECG a fost similară cu cea înregistrată la balenele mici în captivitate, folosind același dispozitiv. Comportamentul balenei în timpul căutării hranei a fost destul de obișnuit pentru specia sa: scufundări timp de 16.5 minute până la o adâncime de 184 m și intervale de suprafață între 1 și 4 minute.
Profilul ritmului cardiac, conform răspunsului cardiovascular la scufundare, a arătat că frecvența bătăilor inimii de la 4 la 8 bătăi pe minut a predominat în faza de jos a scufundărilor în căutarea hranei, indiferent de durata scufundării sau de adâncimea maximă. Frecvența bătăilor inimii în timpul scufundării (calculată pe toată durata scufundării) și frecvența minimă instantanee a bătăilor inimii în timpul scufundării au scăzut odată cu durata scufundării, în timp ce frecvența maximă a bătăilor inimii la suprafață după scufundare a crescut odată cu durata scufundării. Așadar, cu cât balena a stat mai mult sub apă, cu atât inima bătea mai încet în timpul scufundării și mai repede după ieșire.
Ecuațiile alometrică pentru mamifere afirmă că o balenă de 70000 kg are un inimă care cântărește 319 kg, iar volumul său de bătaie (volumul de sânge ejectat la fiecare bătaie) este de aproximativ 80 l, prin urmare, frecvența bătăilor inimii în repaus ar trebui să fie de 15 bătăi/min.
În timpul fazelor inferioare ale scufundărilor, frecvența imediată a bătăilor inimii varia de la 1/3 la 1/2 din frecvența prevăzută a bătăilor inimii în repaus. Cu toate acestea, ritmul cardiac a crescut în timpul etapei de urcare. În intervalele de suprafață, frecvența bătăilor inimii a fost de aproximativ două ori mai mare decât frecvența prevăzută pentru repaus și a variat în principal între 30 și 37 de bătăi pe minut după scufundări profunde (> 125 metri adâncime) și între 20 și 30 de bătăi pe minut după scufundări mai puțin adânci.
Această observație poate indica faptul că accelerarea bătăilor inimii este necesară pentru a obține schimbul de gaze respirator necesar și reperfuzia (restaurarea fluxului de sânge) țesuturilor între scufundările profunde.
Scufundările nocturne de scurtă durată au fost legate de odihnă și, prin urmare, sunt mai caracteristice pentru un stadiu mai puțin activ. Frecvențele tipice ale bătăilor inimii observate în timpul unei scufundări nocturne de 5 minute (8 bătăi pe minut) și intervalul de 2 minute de suprafață (25 bătăi pe minut) pot, în ansamblu, conduce la o frecvență a ritmului cardiac de aproximativ 13 bătăi pe minut. Acest număr, după cum putem vedea, este surprinzător de aproape de predicțiile calculate ale modelelor alometrice.
Ulterior, cercetătorii au construit profile ale frecvenței bătăilor inimii, adâncimii și volumului relativ al plămânilor în 4 scufundări separate, analiza cărora a permis studierea influenței potențiale a activității fizice și adâncimii asupra reguării ritmului cardiac.
Imaginea nr. 2: profilele frecvenței bătăilor inimii, adâncimii și volumului relativ al plămânilor în 4 scufundări separate.
În timpul consumului de hrană la mari adâncimi, balena execută o manevră specifică de deschidere — își deschide brusc gura pentru a înghiți apă cu plancton, iar apoi filtrează hrana. S-a observat că frecvența bătăilor inimii în momentul înghițirii apei este de 2,5 ori mai mare decât în momentul filtrării. Acest lucru indică în mod direct dependența ritmului cardiac de efortul fizic.
În ceea ce privește plămânii, influența lor asupra ritmului cardiac este extrem de improbabilă, deoarece nu s-au observat modificări semnificative ale volumului relativ al plămânilor în timpul imersiunilor analizate.
În plus, în fazele inferioare ale imersiunilor mai puțin adânci, creșterea temporară a frecvenței bătăilor inimii a fost asociată tocmai cu modificările volumului relativ al plămânilor și ar fi putut fi provocată de activarea receptorului de întindere al plămânilor.
Rezumând observațiile de mai sus, oamenii de știință au concluzionat că în timpul hrănirii la mari adâncimi se observă o creștere temporară a frecvenței bătăilor inimii de 2,5 ori. Cu toate acestea, frecvența medie maximă a bătăilor inimii în timpul manevrelor de hrănire era doar jumătate din valoarea prognozată în repaus. Aceste date sunt în conformitate cu ipoteza că arcurile flexibile ale aortei balenelor mari realizează efectul de rezervor în timpul ritmului cardiac lent în perioada de imersiune. În plus, intervalul mai ridicat al frecvențelor cardiace după imersiune a confirmat ipoteza că impedanța aortei și sarcina asupra inimii scad în timpul intervalului de suprafață din cauza intervenției distructive a valurilor de presiune care se reflectă și ies din aortă.
Bradicardia severă observată de cercetători poate fi considerată un rezultat neașteptat al studiului, având în vedere costurile colosale de energie ale balenei în timpul manevrei de deschidere pentru a înghiți apă cu plancton. Cu toate acestea, costurile metabolice ale acestei manevre ar putea să nu corespundă frecvenței bătăilor inimii sau transportului convectiv de oxigen, parțial din cauza duratei scurte a hrănirii și posibilității implicării fibrelor musculare glicolitice, cu contracții rapide.
În timpul diving-ului, balenele albastre accelerează la o viteză mare și absorb o cantitate de apă care poate depăși volumul propriului corp. Oamenii de știință sugerează că rezistența mare și energia necesară pentru manevrare epuizează rapid rezervele totale de oxigen din organism, limitând astfel timpul de scufundare. Forța mecanică necesară pentru a absorbi volume mari de apă depășește probabil considerabil puterea metabolică aerobă. Din acest motiv, în timpul acestor manevre, ritmul cardiac crește, dar doar pentru o perioadă foarte scurtă de timp.
Pentru o mai bună înțelegere a nuanțelor cercetării, vă recomand să consultați .
Epilog
Una dintre cele mai importante concluzii este că, pentru schimbul de gaze și reperfuzie în timpul intervalelor scurte de suprafață, balenele albastre necesită aproape ritmul maxim al frecvenței inimii, indiferent de natura epuizării rezervelor de oxigen din sânge și mușchi în timpul scufundării. Având în vedere că indivizii mai mari ai balenei albastre trebuie să depună un efort mai mare pentru a se hrăni în perioade mai scurte de timp (conform ipotezelor alometrice), aceștia se confruntă inevitabil cu mai multe limitări fiziologice atât în timpul scufundării, cât și în timpul intervalului de suprafață. Acest lucru indică că, din punct de vedere evoluționar, dimensiunea corpului lor este limitată; dacă ar fi fost mai mari, procesul de hrănire ar fi fost extrem de costisitor și nu ar fi fost compensat de hrana obținută. În sine, cercetătorii consideră că inima balenei albastre lucrează la limita capacităților sale.
În continuare, oamenii de știință intenționează să extindă capabilitățile dispozitivului lor, inclusiv prin adăugarea unui accelerometru pentru a înțelege mai bine impactul diferitelor activități fizice asupra ritmului cardiac. De asemenea, planifică să aplice senzorul lor ECG pe alte creaturi marine.
Așa cum arată această cercetare, a fi cel mai mare organism cu cea mai mare inimă nu este atât de ușor. Cu toate acestea, indiferent de dimensiunile pe care le au creaturile marine sau de dieta pe care o urmează, trebuie să înțelegem că coloana de apă folosită de om pentru pescuit, extracție și transport rămâne casa lor. Noi suntem doar oaspeți, așa că trebuie să ne comportăm corespunzător.
Off-topic de vineri:
Imagini rare în care balena albastră își demonstrează capacitatea de a-și deschide gura.
Un alt gigant al mărilor este cașalotul. În acest videoclip, cercetătorii, folosind un ROV Hercules controlat de la distanță, au filmat un cașalot curios la o adâncime de 598 de metri.
Mulțumesc pentru atenție, rămâneți curioși și să aveți un weekend minunat, băieți! 🙂
Mulțumim că rămâneți cu noi. Vă plac articolele noastre? Doriți să vedeți mai multe materiale interesante? Susțineți-ne, efectuând o comandă sau recomandându-ne prietenilor, , 30% reducere pentru utilizatorii Habr pentru un server entry-level unic, creat special pentru tine: (sunt disponibile opțiuni cu RAID1 și RAID10, până la 24 nuclee și până la 40GB DDR4).
Dell R730xd la jumătate de preț? Numai la noi în Olanda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — de la 99 $! Citiți despre
Sursa: habr.com
