Je ťažké polemizovať s tvrdením, že príroda má najživšiu predstavivosť. Každý zo zástupcov flóry a fauny má svoje jedinečné a niekedy až zvláštne črty, ktoré sa nám často nezmestia do hlavy. Vezmite si napríklad toho istého kraba mantis. Tento dravý tvor je schopný zaútočiť na obeť alebo páchateľa svojimi silnými pazúrmi rýchlosťou 83 km/h a ich zrakový systém je jedným z najkomplexnejších, aké kedy ľudia skúmali. Raky mantis, aj keď sú divoké, nie sú obzvlášť veľké - až 35 cm na dĺžku. Najväčším obyvateľom morí a oceánov, ako aj planéty vo všeobecnosti, je modrá veľryba. Dĺžka tohto cicavca môže dosiahnuť viac ako 30 metrov a hmotnosť 150 ton. Napriek ich pôsobivej veľkosti možno modré veľryby len ťažko nazvať impozantnými lovcami, pretože... uprednostňujú planktón.
Anatómia modrých veľrýb vždy zaujímala vedcov, ktorí chcú lepšie pochopiť, ako funguje taký obrovský organizmus a orgány v ňom. Napriek tomu, že o existencii modrých veľrýb vieme už niekoľko stoviek rokov (presnejšie od roku 1694), títo obri neodhalili všetky svoje tajomstvá. Dnes sa pozrieme na štúdiu, v rámci ktorej skupina vedcov zo Stanfordskej univerzity vyvinula zariadenie, ktoré slúžilo na získanie prvých nahrávok tlkotu srdca modrej veľryby. Ako funguje srdce vládcu morí, aké objavy vedci urobili a prečo nemôže existovať organizmus väčší ako modrá veľryba? Dozvedáme sa o tom zo správy výskumnej skupiny. Choď.
Výskumný hrdina
Modrá veľryba je najväčší cicavec, najväčší obyvateľ morí a oceánov, najväčšie zviera, najväčšia veľryba. Čo poviem, modrá veľryba je na tom rozmerovo naozaj úplne najlepšie - dĺžka je 33 metrov a hmotnosť 150 ton. Čísla sú približné, ale nie menej pôsobivé.
Dokonca aj hlava tohto obra si zaslúži samostatný riadok v Guinessovej knihe rekordov, pretože zaberá asi 27% celkovej dĺžky tela. Okrem toho sú oči modrých veľrýb dosť malé, nie väčšie ako grapefruit. Ak je pre vás ťažké vidieť oči veľryby, okamžite si všimnete ústa. Do tlamy modrej veľryby sa zmestí až 100 ľudí (strašidelný príklad, ale modré veľryby nejedia ľudí, aspoň nie úmyselne). Veľká veľkosť úst je spôsobená gastronomickými preferenciami: veľryby jedia planktón, prehĺtajú obrovské objemy vody, ktorá sa potom uvoľňuje cez filtračný prístroj a odfiltruje potravu. Za celkom priaznivých okolností skonzumuje modrá veľryba denne asi 6 ton planktónu.
Ďalšou dôležitou vlastnosťou modrých veľrýb sú ich pľúca. Dokážu zadržať dych na 1 hodinu a ponoriť sa do hĺbky až 100 m, ale ako iné morské cicavce, aj modré veľryby sa pravidelne vynárajú na hladinu, aby sa nadýchli. Keď veľryby stúpajú na hladinu vody, používajú dúchadlo, dýchací otvor vytvorený z dvoch veľkých otvorov (nozdier) na zadnej strane hlavy. Výdych veľryby cez dúchadlo je často sprevádzaný vertikálnou fontánou vody s výškou až 10 m. Vzhľadom na vlastnosti biotopu veľrýb pracujú ich pľúca oveľa efektívnejšie ako naše – pľúca veľryby absorbujú 80 – 90 % kyslík, a ten náš len asi 15%. Objem pľúc je asi 3 tisíc litrov, ale u ľudí sa tento údaj pohybuje okolo 3-6 litrov.
Model srdca modrej veľryby v múzeu v New Bedford (USA).
Rekordnými parametrami je nabitý aj obehový systém modrej veľryby. Napríklad ich cievy sú jednoducho obrovské, priemer samotnej aorty je asi 40 cm.Srdce modrých veľrýb sa považuje za najväčšie srdce na svete a váži asi tonu. S takým veľkým srdcom má veľryba veľa krvi - viac ako 8000 XNUMX litrov u dospelého človeka.
A teraz sa plynule dostávame k podstate samotného štúdia. Srdce modrej veľryby je veľké, ako sme už pochopili, ale bije dosť pomaly. Predtým sa verilo, že pulz je asi 5-10 úderov za minútu, v ojedinelých prípadoch až 20. Ale presné merania doteraz nikto neurobil.
Vedci zo Stanfordskej univerzity tvrdia, že mierka má v biológii veľký význam, najmä pokiaľ ide o určovanie funkčných vlastností orgánov živých organizmov. Štúdium rôznych tvorov, od myší po veľryby, nám umožňuje určiť limity veľkosti, ktoré živý organizmus nemôže prekročiť. A srdce a kardiovaskulárny systém vo všeobecnosti sú dôležitými atribútmi takýchto štúdií.
U morských cicavcov, ktorých fyziológia je úplne prispôsobená ich životnému štýlu, zohrávajú dôležitú úlohu adaptácie spojené s potápaním a zadržiavaním dychu. Zistilo sa, že mnohé z týchto tvorov majú počas ponoru srdcovú frekvenciu, ktorá klesá na úroveň pod ich pokojovým stavom. A keď vystúpi na povrch, srdcová frekvencia sa zrýchli.
Nižšia srdcová frekvencia počas potápania je nevyhnutná na zníženie rýchlosti dodávania kyslíka do tkanív a buniek, čím sa spomalí proces vyčerpania zásob kyslíka v krvi a zníži sa spotreba kyslíka samotným srdcom.
Predpokladá sa, že cvičenie (t.j. zvýšená fyzická aktivita) moduluje odozvu na ponor a zvyšuje srdcovú frekvenciu počas ponoru. Táto hypotéza je obzvlášť dôležitá pre štúdium modrých veľrýb, pretože v dôsledku špeciálnej metódy kŕmenia (náhly výpad na prehltnutie vody) by rýchlosť metabolizmu teoreticky mala prekročiť základné hodnoty (kľudový stav) o 50 krát. Predpokladá sa, že takéto výpady urýchľujú vyčerpanie kyslíka, čím sa skracuje trvanie ponoru.
Zvýšená srdcová frekvencia a zvýšený prenos kyslíka z krvi do svalov počas výpadu môžu hrať dôležitú úlohu v dôsledku metabolických nákladov na takúto fyzickú aktivitu. Okrem toho stojí za zváženie nízka koncentrácia myoglobín* (Mb) u modrých veľrýb (5-10-krát menej ako u iných morských cicavcov: 0.8 g Mb na 100 g-1 svalu u modrých veľrýb a 1.8-10 g Mb u iných morských cicavcov.
myoglobín* - bielkovina kostrového svalstva a srdcového svalu viažuca kyslík.
Na záver, fyzická aktivita, hĺbka ponoru a vôľová kontrola menia srdcovú frekvenciu počas potápania prostredníctvom autonómneho nervového systému.
Ďalším faktorom pri znižovaní srdcovej frekvencie môže byť kompresia/expanzia pľúc počas ponoru/výstupu.
Srdcová frekvencia počas ponoru a pobytu na povrchu teda priamo súvisí s arteriálnymi hemodynamickými vzormi.
Finwhal
Predchádzajúca štúdia biomechanických vlastností a rozmerov stien aorty u veľrýb (Balaenoptera physalus) ukázali, že počas potápania pri srdcovej frekvencii ≤ 10 úderov/min oblúk aorty implementuje rezervoárový efekt (Windkesselov efekt), ktorý udržuje prietok krvi na dlhú dobu diastolické obdobia* medzi údermi srdca a znižuje pulzáciu prietoku krvi do stuhnutej distálnej aorty.
diastola* (diastolické obdobie) - obdobie relaxácie srdca medzi kontrakciami.
Všetky vyššie popísané hypotézy, teórie a závery musia mať vecné dôkazy, to znamená byť potvrdené alebo vyvrátené v praxi. Aby ste to dosiahli, musíte vykonať elektrokardiogram na voľne sa pohybujúcej modrej veľrybe. Jednoduché metódy tu nebudú fungovať, preto vedci vytvorili vlastné zariadenie na elektrokardiografiu.
Video, v ktorom vedci stručne hovoria o svojej práci.
EKG veľryby bolo zaznamenané pomocou na mieru vyrobeného EKG záznamníka zabudovaného v špeciálnej kapsule so 4 prísavkami. Do dvoch prísaviek boli zabudované povrchové elektródy EKG. Výskumníci sa loďou dostali do Monterey Bay (Tichý oceán neďaleko Kalifornie). Keď vedci konečne stretli modrú veľrybu, ktorá sa vynorila, pripevnili jej na telo (vedľa ľavej plutvy) EKG záznamník. Podľa predtým zozbieraných údajov je táto veľryba samec vo veku 15 rokov. Je dôležité poznamenať, že toto zariadenie je neinvazívne, to znamená, že nevyžaduje zavedenie akýchkoľvek senzorov alebo elektród do kože zvieraťa. To znamená, že pre veľrybu je tento postup úplne bezbolestný a s minimálnym stresom z kontaktu s ľuďmi, čo je tiež mimoriadne dôležité vzhľadom na to, že sa snímajú hodnoty srdcového tepu, ktoré môžu byť v dôsledku stresu skreslené. Výsledkom bol 8.5-hodinový záznam EKG, z ktorého vedci dokázali zostaviť profil srdcovej frekvencie (obrázok nižšie).
Obrázok č. 1: Profil srdcovej frekvencie modrej veľryby.
EKG krivka bola podobná tej, ktorá bola zaznamenaná u malých veľrýb v zajatí pomocou rovnakého zariadenia. Správanie veľryby pri hľadaní potravy bolo pre jej druh celkom normálne: potápanie sa na 16.5 minúty do hĺbky 184 m a povrchové intervaly 1 až 4 minúty.
Profil srdcovej frekvencie, v súlade s kardiovaskulárnou odozvou na ponor, ukázal, že srdcová frekvencia medzi 4 a 8 údermi za minútu prevládala počas spodnej fázy ponorov s hľadaním potravy, bez ohľadu na trvanie ponoru alebo maximálnu hĺbku. Srdcová frekvencia ponoru (vypočítaná počas celého trvania ponoru) a minimálna okamžitá srdcová frekvencia ponoru klesali s trvaním ponoru, zatiaľ čo maximálna srdcová frekvencia po ponore sa s trvaním ponoru zvýšila. To znamená, že čím dlhšie bola veľryba pod vodou, tým pomalšie bije srdce počas ponoru a rýchlejšie po výstupe.
Na druhej strane alometrické rovnice pre cicavce uvádzajú, že veľryba s hmotnosťou 70000 319 kg má srdce s hmotnosťou 80 kg a jej zdvihový objem (objem krvi vyvrhnutej na jeden úder) je asi 15 l, preto by pokojová srdcová frekvencia mala byť XNUMX úderov/ min.
Počas spodných fáz ponorov bola okamžitá srdcová frekvencia medzi 1/3 a 1/2 predpokladanej pokojovej srdcovej frekvencie. Srdcová frekvencia sa však počas fázy výstupu zvýšila. V povrchových intervaloch bola srdcová frekvencia približne dvojnásobkom predpokladanej pokojovej srdcovej frekvencie a pohybovala sa prevažne od 30 do 37 tepov za minútu po hlbokých ponoroch (hĺbka > 125 m) a od 20 do 30 tepov za minútu po plytších ponoroch.
Toto pozorovanie môže naznačovať, že zrýchlenie srdcovej frekvencie je nevyhnutné na dosiahnutie požadovanej výmeny dýchacích plynov a reperfúzie (obnovenie prietoku krvi) tkanív medzi hlbokými ponormi.
Plytké, krátkodobé nočné ponory boli spojené s odpočinkom, a preto boli častejšie v menej aktívnych stavoch. Typická srdcová frekvencia pozorovaná počas 5-minútového nočného ponoru (8 úderov za minútu) a sprievodný 2-minútový povrchový interval (25 úderov za minútu) sa môžu kombinovať, aby výsledkom bola srdcová frekvencia približne 13 úderov za minútu. Tento údaj, ako vidíme, je pozoruhodne blízky odhadovaným predpovediam alometrických modelov.
Výskumníci potom profilovali srdcovú frekvenciu, hĺbku a relatívny objem pľúc zo 4 samostatných ponorov, aby preskúmali potenciálne účinky fyzickej aktivity a hĺbky na reguláciu srdcovej frekvencie.
Obrázok č. 2: Profily srdcovej frekvencie, hĺbky a relatívneho objemu pľúc pri 4 jednotlivých ponoroch.
Pri konzumácii potravy vo veľkých hĺbkach veľryba vykoná určitý výpadový manéver - prudko otvorí ústa, aby prehltla vodu s planktónom a potom potravu odfiltruje. Bolo pozorované, že srdcová frekvencia v momente prehĺtania vody je 2.5-krát vyššia ako v momente filtrácie. To priamo hovorí o závislosti srdcovej frekvencie od fyzickej aktivity.
Pokiaľ ide o pľúca, ich vplyv na srdcovú frekvenciu je mimoriadne nepravdepodobný, pretože počas predmetných ponorov neboli pozorované žiadne významné zmeny relatívneho objemu pľúc.
Navyše, v nižších fázach plytkých ponorov bolo krátkodobé zvýšenie srdcovej frekvencie spojené práve so zmenami relatívneho objemu pľúc a mohlo byť spôsobené aktiváciou receptora natiahnutia pľúc.
Zhrnutím vyššie popísaných pozorovaní vedci dospeli k záveru, že počas kŕmenia vo veľkých hĺbkach dochádza krátkodobo k 2.5-násobnému zvýšeniu srdcovej frekvencie. Priemerná maximálna srdcová frekvencia počas výpadov pri kŕmení však bola stále len polovica predpokladanej pokojovej hodnoty. Tieto údaje sú v súlade s hypotézou, že flexibilné aortálne oblúky veľkých veľrýb majú rezervoárový efekt počas pomalej srdcovej frekvencie pri potápaní. Okrem toho rozsah vyšších srdcovej frekvencie počas obdobia po ponore podporil hypotézu, že impedancia aorty a srdcová záťaž sú počas povrchového intervalu znížené v dôsledku deštruktívnej interferencie odchádzajúcich a odrazených tlakových vĺn v aorte.
Ťažkú bradykardiu pozorovanú výskumníkmi možno nazvať neočakávaným výsledkom štúdie, vzhľadom na kolosálny výdaj energie veľrybou pri manévri výpadu pri prehĺtaní vody s planktónom. Metabolické náklady na tento manéver však nemusia zodpovedať srdcovej frekvencii alebo konvekčnému transportu kyslíka, čiastočne kvôli krátkemu trvaniu kŕmenia a možnému náboru glykolytických rýchlych svalových vlákien.
Počas výpadu sa modré veľryby zrýchľujú na vysoké rýchlosti a absorbujú objem vody, ktorý môže byť väčší ako ich vlastné telo. Vedci predpokladajú, že vysoký odpor a energia potrebná na manéver rýchlo vyčerpáva celkové zásoby kyslíka v tele, čím sa obmedzuje čas ponoru. Mechanická sila potrebná na absorbovanie veľkých objemov vody pravdepodobne ďaleko prevyšuje aeróbnu metabolickú silu. Preto sa pri takýchto manévroch zrýchlil tep, no na veľmi krátky čas.
Pre podrobnejšie oboznámenie sa s nuansami štúdie odporúčam pozrieť .
Epilóg
Jedným z najdôležitejších zistení je, že modré veľryby vyžadujú takmer maximálnu srdcovú frekvenciu na výmenu plynov a reperfúziu počas krátkych povrchových intervalov, bez ohľadu na charakter vyčerpania krvi a svalového kyslíka počas ponorov. Ak vezmeme do úvahy, že väčšie modré veľryby musia investovať viac práce za kratší čas na získanie potravy (v súlade s alometrickými hypotézami), potom nevyhnutne čelia niekoľkým fyziologickým obmedzeniam tak počas ponoru, ako aj počas povrchového intervalu. To znamená, že evolučne je veľkosť ich tela obmedzená, keďže ak by bolo väčšie, proces získavania potravy by bol veľmi nákladný a nebol by kompenzovaný prijatou potravou. Sami vedci veria, že srdce modrej veľryby pracuje na hranici svojich možností.
V budúcnosti vedci plánujú rozšíriť možnosti svojho zariadenia vrátane pridania akcelerometra, aby lepšie pochopili vplyv rôznych fyzických aktivít na srdcovú frekvenciu. Svoj EKG senzor plánujú použiť aj na iné morské živočíchy.
Ako ukazuje táto štúdia, byť najväčším tvorom s najväčším srdcom nie je ľahké. Bez ohľadu na veľkosť morských obyvateľov, bez ohľadu na to, akú stravu dodržiavajú, musíme pochopiť, že vodný stĺpec, ktorý ľudia používajú na rybolov, ťažbu a prepravu, zostáva ich domovom. Sme len hostia, a preto sa musíme podľa toho aj správať.
Piatok mimo:
Vzácne zábery modrej veľryby demonštrujúce kapacitu jej tlamy.
Ďalším obrom morí je vorvaň. V tomto videu vedci pomocou diaľkovo ovládaného ROV Hercules natočili zvedavého vorvaňa v hĺbke 598 metrov.
Ďakujeme za sledovanie, buďte zvedaví a prajeme všetkým pekný víkend! 🙂
Ďakujeme, že ste zostali s nami. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavého obsahu? Podporte nás zadaním objednávky alebo odporučením priateľom, , 30% zľava pre užívateľov Habr na unikátny analóg serverov základnej úrovne, ktorý sme pre vás vymysleli: (k dispozícii s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 krát lacnejší? Len tu v Holandsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 USD! Čítať o
Zdroj: hab.com