Este greu de argumentat cu afirmația că natura are cea mai vie imaginație. Fiecare dintre reprezentanții florei și faunei are propriile sale trăsături unice, și uneori chiar ciudate, care adesea nu se potrivesc în capul nostru. Luați, de exemplu, același crab mantis. Această creatură prădătoare este capabilă să atace o victimă sau un infractor cu ghearele sale puternice la o viteză de 83 km/h, iar sistemul lor vizual este unul dintre cele mai complexe studiate vreodată de oameni. Racii Mantis, deși fioroși, nu sunt deosebit de mari - până la 35 cm lungime. Cel mai mare locuitor al mărilor și oceanelor, precum și al planetei în general, este balena albastră. Lungimea acestui mamifer poate ajunge la mai mult de 30 de metri și cântărește 150 de tone. În ciuda dimensiunilor lor impresionante, balenele albastre cu greu pot fi numite vânători redutabili, deoarece... ei preferă planctonul.
Anatomia balenelor albastre a fost întotdeauna de interes pentru oamenii de știință care doresc să înțeleagă mai bine cum funcționează un astfel de organism uriaș și organele din el. În ciuda faptului că știm despre existența balenelor albastre de câteva sute de ani (din 1694, pentru a fi mai precis), acești giganți nu și-au dezvăluit toate secretele. Astăzi vom arunca o privire asupra unui studiu în care un grup de oameni de știință de la Universitatea Stanford a dezvoltat un dispozitiv care a fost folosit pentru a obține primele înregistrări ale bătăilor inimii unei balene albastre. Cum funcționează inima conducătorului mărilor, ce descoperiri au făcut oamenii de știință și de ce nu poate exista un organism mai mare decât o balenă albastră? Aflăm despre acest lucru din raportul grupului de cercetare. Merge.
Erou de cercetare
Balena albastră este cel mai mare mamifer, cel mai mare locuitor al mărilor și oceanelor, cel mai mare animal, cea mai mare balenă. Ce pot să spun, balena albastră este într-adevăr cea mai bună în ceea ce privește dimensiunile - lungimea este de 33 de metri și greutatea este de 150 de tone. Cifrele sunt aproximative, dar nu mai puțin impresionante.
Chiar și capul acestui gigant merită o linie separată în Cartea Recordurilor Guinness, deoarece ocupă aproximativ 27% din lungimea totală a corpului. În plus, ochii balenelor albastre sunt destul de mici, nu mai mari decât un grapefruit. Dacă îți este greu să vezi ochii unei balene, atunci vei observa imediat gura. Gura unei balene albastre poate ține până la 100 de persoane (un exemplu înfiorător, dar balenele albastre nu mănâncă oameni, cel puțin nu intenționat). Dimensiunea mare a gurii se datorează preferințelor gastronomice: balenele mănâncă plancton, înghițind cantități uriașe de apă, care este apoi eliberată printr-un aparat de filtrare, eliminând hrana. În circumstanțe destul de favorabile, balena albastră consumă aproximativ 6 tone de plancton pe zi.
O altă caracteristică importantă a balenelor albastre sunt plămânii lor. Sunt capabili să-și 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 suprafața apei pentru a respira. Când balenele se ridică la suprafața apei, ele folosesc o suflare, o gaură de respirație făcută din două deschideri mari (nări) pe spatele capului. Expirația unei balene prin suflarea ei este adesea însoțită de o fântână verticală cu apă înălțime de până la 10 m. Având în vedere caracteristicile habitatului balenelor, plămânii acestora funcționează mult mai eficient decât ai noștri - plămânii unei balene absorb 80-90% din oxigen, iar al nostru doar aproximativ 15%. Volumul plămânilor este de aproximativ 3 mii de litri, dar la om această cifră variază în jur de 3-6 litri.
Model al inimii unei balene albastre într-un muzeu din New Bedford (SUA).
Sistemul circulator al balenei albastre este, de asemenea, plin de parametri record. De exemplu, vasele lor sunt pur și simplu uriașe, doar diametrul aortei este 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, balena are mult sânge - peste 8000 de litri la un adult.
Și acum ajungem fără probleme la esența studiului în sine. Inima balenei albastre este mare, așa cum am înțeles deja, dar bate destul de încet. Anterior, se credea că pulsul era de aproximativ 5-10 bătăi pe minut, în cazuri rare până la 20. Dar nimeni nu făcuse măsurători precise până acum.
Oamenii de știință de la Universitatea Stanford spun că scara este de mare importanță în biologie, mai ales când vine vorba de determinarea caracteristicilor funcționale ale organelor viețuitoarelor. Studiul diferitelor creaturi, de la șoareci la balene, ne permite să determinăm limitele de dimensiune pe care un organism viu nu le poate depăși. Și inima și sistemul cardiovascular în general sunt atribute importante ale unor astfel de studii.
La mamiferele marine, a căror fiziologie este complet adaptată stilului lor de viață, adaptările asociate cu scufundarea și ținerea respirației joacă un rol important. S-a descoperit că multe dintre aceste creaturi au ritmuri cardiace care scad la niveluri sub starea lor de repaus în timpul unei scufundări. Și, după ce s-a ridicat la suprafață, ritmul cardiac devine mai rapid.
O frecvență cardiacă mai mică în timpul scufundărilor este necesară pentru a reduce rata de livrare a oxigenului către țesuturi și celule, încetinind astfel procesul de epuizare a rezervelor de oxigen din sânge și reducând consumul de oxigen de către inima însăși.
Se presupune că exercițiul fizic (adică creșterea activității fizice) modulează răspunsul la scufundare și crește ritmul cardiac în timpul unei scufundări. Această ipoteză este deosebit de importantă pentru studiul balenelor albastre, deoarece datorită metodei speciale de hrănire (o pasă bruscă pentru a înghiți apă), rata metabolică, în teorie, ar trebui să depășească valorile de bază (starea de repaus) cu de 50 de ori. Se presupune că astfel de fante accelerează epuizarea oxigenului, reducând astfel durata scufundării.
Frecvența cardiacă crescută și transferul crescut de oxigen din sânge către mușchi în timpul unei fante pot juca un rol important datorită costurilor metabolice ale unei astfel de activități fizice. În plus, merită luată în considerare concentrația scăzută mioglobina* (Mb) la balenele albastre (de 5-10 ori mai mic decât la alte mamifere marine: 0.8 g Mb per 100 g-1 muşchi la balenele albastre şi 1.8-10 g Mb la alte mamifere marine.
Mioglobina* - proteina de legare a oxigenului a muschilor scheletici si a muschilor cardiaci.
În concluzie, activitatea fizică, adâncimea scufundării și controlul volițional modifică ritmul cardiac în timpul scufundării prin sistemul nervos autonom.
Un factor suplimentar în reducerea frecvenței cardiace poate fi compresia/expansiunea plămânilor în timpul unei scufundări/ascensiuni.
Astfel, frecvența cardiacă în timpul unei scufundări și în timp ce se află la suprafață este direct legată de modelele hemodinamice arteriale.
Balenă cu aripioare
Un studiu anterior al proprietăților biomecanice și dimensiunilor pereților aorticii la balene comune (Balaenoptera physalus) au arătat că în timpul scufundării la o frecvență cardiacă ≤10 bătăi/min, arcul aortic implementează un efect de rezervor (Efectul Windkessel), care menține fluxul sanguin pentru perioade lungi perioade diastolice* între bătăile inimii și reduce pulsația fluxului sanguin în aorta distală rigidă.
Diastolă* (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 în practică. Dar pentru a face acest lucru, trebuie să efectuați o electrocardiogramă pe o balenă albastră care se mișcă liber. Metodele simple nu vor funcționa aici, așa că oamenii de știință și-au creat propriul dispozitiv pentru electrocardiografie.
Un videoclip în care cercetătorii vorbesc pe scurt despre munca lor.
ECG-ul balenei a fost înregistrat folosind un reportofon ECG personalizat construit într-o capsulă specială cu 4 ventuze. Electrozii ECG de suprafață au fost încorporați în două dintre ventuze. Cercetătorii au luat o barcă spre Golful Monterey (Oceanul Pacific, lângă California). Când oamenii de știință au întâlnit în sfârșit o balenă albastră care a ieșit la suprafață, au atașat un reportofon ECG pe corpul ei (lângă aripa sa stângă). Conform datelor colectate anterior, această balenă este un mascul la vârsta de 15 ani. Este important de reținut că acest dispozitiv este neinvaziv, adică nu necesită introducerea niciunui senzor sau electrozi în pielea animalului. Adică pentru balenă această procedură este complet nedureroasă și cu stres minim de la contactul cu oamenii, lucru extrem de important, având în vedere că se fac citiri ale bătăilor inimii, care ar putea fi distorsionate din cauza stresului. Rezultatul a fost o înregistrare ECG de 8.5 ore din care oamenii de știință au reușit să construiască un profil al ritmului cardiac (imaginea de mai jos).
Imaginea #1: Profilul ritmului cardiac al balenei albastre.
Forma de undă ECG a fost similară cu cea înregistrată la balene mici captive folosind același dispozitiv. Comportamentul de hrană al balenei a fost destul de normal pentru specia sa: scufundări timp de 16.5 minute la o adâncime de 184 m și intervale de suprafață de 1 până la 4 minute.
Profilul ritmului cardiac, în concordanță cu răspunsul cardiovascular la scufundare, a arătat că frecvența cardiacă între 4 și 8 bătăi pe minut predomină în timpul fazei inferioare a scufundărilor de hrană, indiferent de durata scufundării sau adâncimea maximă. Frecvența cardiacă de scufundare (calculată pe toată durata scufundării) și ritmul cardiac instantaneu minim de scufundare au scăzut odată cu durata scufundării, în timp ce ritmul cardiac de suprafață maxim după scufundare a crescut odată cu durata scufundării. Adică, cu cât balena a stat mai mult sub apă, cu atât inima bate mai încet în timpul scufundării și cu atât mai repede după ascensiune.
La rândul lor, ecuațiile alometrice pentru mamifere afirmă că o balenă care cântărește 70000 kg are o inimă care cântărește 319 kg, iar volumul ei accidental (volumul de sânge ejectat pe bătaie) este de aproximativ 80 l, prin urmare, ritmul cardiac în repaus ar trebui să fie de 15 bătăi/ min.
În fazele inferioare ale scufundărilor, ritmul cardiac instantaneu a fost între 1/3 și 1/2 din ritmul cardiac de repaus prezis. Cu toate acestea, ritmul cardiac a crescut în timpul etapei de ascensiune. La intervale de suprafață, frecvența cardiacă a fost de aproximativ de două ori mai mare decât ritmul cardiac de repaus prezis și a variat predominant de la 30 la 37 bpm după scufundări adânci (>125 m adâncime) și de la 20 la 30 bpm după scufundări mai puțin adânci.
Această observație poate indica faptul că accelerarea ritmului cardiac este necesară pentru a realiza schimbul de gaze respirator și reperfuzia dorită (restabilirea fluxului sanguin) a țesuturilor între scufundări adânci.
Scufundările de noapte de mică adâncime, de scurtă durată, au fost asociate cu odihna și, prin urmare, au fost mai frecvente în stările mai puțin active. Frecvența cardiacă tipică observată în timpul unei scufundări de noapte de 5 minute (8 bătăi pe minut) și intervalul de suprafață de 2 minute însoțitor (25 bătăi pe minut) se pot combina pentru a duce la o frecvență cardiacă de aproximativ 13 bătăi pe minut. Această cifră, după cum putem vedea, este remarcabil de aproape de predicțiile estimate ale modelelor alometrice.
Oamenii de știință au analizat apoi ritmul cardiac, adâncimea și volumul pulmonar relativ din 4 scufundări separate pentru a examina efectele potențiale ale activității fizice și adâncimea asupra reglării ritmului cardiac.
Imaginea #2: Profilul ritmului cardiac, adâncimea și volumul pulmonar relativ a 4 scufundări individuale.
Când mănâncă alimente la adâncimi mari, balena efectuează o anumită manevră de fante - își deschide brusc gura pentru a înghiți apă cu plancton și apoi filtrează hrana. S-a observat că ritmul cardiac în momentul înghițirii apei este de 2.5 ori mai mare decât în momentul filtrării. Aceasta vorbește direct despre dependența ritmului cardiac de activitatea fizică.
În ceea ce privește plămânii, efectul lor asupra ritmului cardiac este extrem de puțin probabil, deoarece nu au fost observate modificări semnificative ale volumului pulmonar relativ în timpul scufundărilor în cauză.
Mai mult, în fazele inferioare ale scufundărilor de mică adâncime, o creștere pe termen scurt a ritmului cardiac a fost asociată tocmai cu modificări ale volumului relativ al plămânilor și ar putea fi cauzată de activarea receptorului de întindere pulmonară.
Rezumând observațiile descrise mai sus, oamenii de știință au ajuns la concluzia că în timpul hrănirii la adâncimi mari există o creștere pe termen scurt a ritmului cardiac de 2.5 ori. Cu toate acestea, ritmul cardiac de vârf mediu în timpul fandarilor de hrănire a fost încă doar jumătate din valoarea de repaus prezisă. Aceste date sunt în concordanță cu ipoteza că arcadele aortice flexibile ale balenelor mari exercită un efect de rezervor în timpul ritmului cardiac lent al scufundărilor. În plus, intervalul de frecvență cardiacă mai mare în timpul perioadei de după scufundare a susținut ipoteza că impedanța aortică și sarcina de lucru cardiacă sunt reduse în timpul intervalului de suprafață din cauza interferenței distructive a undelor de presiune de ieșire și reflectate în aortă.
Bradicardia severă observată de cercetători poate fi numită un rezultat neașteptat al studiului, având în vedere cheltuiala colosală de energie de către balenă în manevra de fante în timp ce înghiți apă cu plancton. Cu toate acestea, costul metabolic al acestei manevre poate să nu se potrivească cu ritmul cardiac sau transportul convectiv de oxigen, în parte din cauza duratei scurte de hrănire și a posibilului recrutare de fibre musculare glicolitice, cu contracție rapidă.
În timpul unei fante, balenele albastre accelerează la viteze mari și absorb un volum de apă care poate fi mai mare decât propriul corp. Oamenii de știință presupun că rezistența ridicată și energia necesară pentru manevră epuizează rapid rezervele totale de oxigen ale corpului, limitând astfel timpul de scufundare. Forța mecanică necesară pentru a absorbi cantități mari de apă este probabil să depășească cu mult forța metabolică aerobă. De aceea, în timpul unor astfel de manevre, ritmul cardiac a crescut, dar pentru o perioadă foarte scurtă de timp.
Pentru o cunoaștere mai detaliată a nuanțelor studiului, vă recomand să vă uitați la .
Epilog
Una dintre cele mai importante descoperiri este că balenele albastre au nevoie de frecvențe cardiace aproape maxime pentru schimbul de gaze și reperfuzie pe intervale scurte de suprafață, indiferent de natura epuizării oxigenului din sânge și mușchi în timpul scufundărilor. Dacă avem în vedere că balenele albastre mai mari trebuie să investească mai multă muncă într-o perioadă mai scurtă de timp pentru a obține hrană (în conformitate cu ipotezele alometrice), atunci ele se confruntă inevitabil cu mai multe constrângeri fiziologice atât în timpul scufundării, cât și în intervalul de suprafață. Aceasta înseamnă că evolutiv dimensiunea corpului lor este limitată, deoarece dacă ar fi mai mare, procesul de obținere a hranei ar fi foarte costisitor și nu ar fi compensat de hrana primită. Cercetătorii înșiși cred că inima balenei albastre lucrează la limita capacităților sale.
În viitor, oamenii de știință intenționează să extindă capacitățile dispozitivului lor, inclusiv adăugarea unui accelerometru pentru a înțelege mai bine efectul diferitelor activități fizice asupra ritmului cardiac. De asemenea, intenționează să-și folosească senzorul ECG pe alte vieți marine.
După cum arată acest studiu, a fi cea mai mare creatură cu cea mai mare inimă nu este ușor. Oricum, indiferent de dimensiunea locuitorilor marini, indiferent de dieta la care aderă, trebuie să înțelegem că coloana de apă, care este folosită de oameni pentru pescuit, extracție și transport, rămâne casa lor. Suntem doar oaspeți și, prin urmare, trebuie să ne comportăm în consecință.
Vineri off-top:
Filmări rare cu o balenă albastră care demonstrează capacitatea gurii sale.
Un alt gigant al mărilor este cașalot. În acest videoclip, oamenii de știință care folosesc un ROV Hercules controlat de la distanță au filmat un cașalot curios la o adâncime de 598 de metri.
Mulțumesc pentru citit, rămâneți curioși și să aveți un weekend minunat băieți! 🙂
Vă mulțumim că ați rămas cu noi. Vă plac articolele noastre? Vrei să vezi mai mult conținut interesant? Susține-ne plasând o comandă sau recomandând prietenilor, , Reducere de 30% pentru utilizatorii Habr la un analog unic de servere entry-level, care a fost inventat de noi pentru tine: (disponibil cu RAID1 și RAID10, până la 24 de nuclee și până la 40 GB DDR4).
Dell R730xd de 2 ori mai ieftin? Numai aici in Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - de la 99 USD! Citește despre
Sursa: www.habr.com