Težko je oporekati trditvi, da je narava tista, ki ima najbolj živo domišljijo. Vsak izmed predstavnikov flore in favne se ponaša s svojimi edinstvenimi, včasih celo čudnimi lastnostmi, ki pogosto ne zmoremo dojeti. Vzemimo na primer raka bogomola. To mesojedo bitje je sposobno napasti svoj otrok ali nasprotnika s svojimi močnimi klešči s hitrostjo 83 km/h, njihov vid pa je ena najkompleksnejših sistemov, ki jih je človek kdaj preučil. Raki bogomoli, čeprav so srditi, niso posebej veliki — dolgi so do 35 cm. Največji prebivalec morij in oceanov, pa tudi planeta, pa je modri kit. Dolžina tega sesalca lahko doseže več kot 30 metrov, težak pa je 150 ton. Kljub impresivnim dimenzijam modrih kitov ne moremo imenovati strašni lovci, saj dajejo prednost planktonu.
Anatomija modrih kitov je vedno zanimala znanstvenike, ki želijo bolje razumeti delovanje tako ogromnega organizma in njegovih organov. Kljub temu, da o obstoju modrih kitov vemo že nekaj sto let (od leta 1694, natančneje), ti velikani niso razkrili vseh svojih skrivnosti. Danes se bomo seznanili z raziskavo, v kateri je skupina znanstvenikov iz Stanfordove univerze razvila napravo, s pomočjo katere so pridobili prve posnetke srčnega utripa modrega kita. Kako deluje srce vladarja morij, kakšna odkritja so znanstveniki naredili in zakaj ne more obstajati organizem, večji od modrega kita? O tem bomo izvedeli iz poročila raziskovalne skupine. Potegnimo naprej.
Junak raziskave
Modri kit — največje sesalce, največji prebivalec morij in oceanov, največja žival, največji kit. Kaj naj rečem, modri kit je resnično največji glede dimenzij — dolžina 33 metrov, težak 150 ton. Številke so približne, vendar nič manj impresivne.
Tudi glava tega velikana zasluži omembo v Guinnessovi knjigi rekordov, saj zavzema približno 27 % skupne dolžine telesa. Kljub temu so oči modrih kitov razmeroma majhne, ne večje od grejpfruta. Če boste težko opazili oči kita, pa boste usta zagotovo opazili takoj. Usta modrega kita lahko sprejme do 100 ljudi (kar je nekoliko grozljivo, a ljudje ne spadajo na jedilnik modrih kitov, vsaj ne namerno). Velikost ust je posledica prehranskih preferenc: kiti jedo plankton, požirajo velike količine vode, ki jo nato izpustijo skozi filtrirni aparat in pri tem ločijo hrano. Pri dovolj ugodnih okoliščinah modri kit poje vsak dan približno 6 ton planktona.
Druga pomembna značilnost modrih kitov so njihova pljuča. Zadržijo dih do 1 uro in potonejo do globine 100 m. Toda, kot ostala morska sesalci, modri kiti občasno priplavajo na površje, da zadihajo. Ko priplavajo na površje, kiti uporabijo dihalno odprtino — dva velika odprtina (nosnici) na zadnjem delu glave. Izdih kita skozi dihalno odprtino pogosto spremlja navpični vodni curek visoko do 10 m. Glede na značilnosti habitata kitov delujejo njihova pljuča bistveno učinkoviteje od naših — pljuča kita absorbirajo 80-90 % kisika, naša pa le približno 15 %. Prostornina pljuč znaša okoli 3 tisoč litrov, pri človeku pa se ta vrednost giblje okoli 3-6 litrov.
Model srca modrega kita v muzeju v New Bedfordu (ZDA).
Krvni sistem modrega kita je prav tako poln rekordnih parametrov. Na primer, njihovi krvni žile so preprosto ogromne, premer same aorte znaša okoli 40 cm. Srce modrih kitov velja za največje srce na svetu in tehta okoli tone. S tako velikim srcem ima kit tudi veliko krvi — več kot 8000 litrov pri odrasli žival.
In tako smo se postopoma približali bistvu samega raziskovanja. Srce modrega kita je veliko, kot smo že razumeli, a bije razmeroma počasi. Prej je bilo menjeno, da pulz znaša približno 5-10 utripov na minuto, v redkih primerih do 20. Vendar pa nihče ni izvajal natančnih meritev, do zdaj.
Znanstveniki s Stanforda trdijo, da ima velikost v biologiji ogromen pomen, zlasti ko gre za določanje funkcionalnih značilnosti organov živega organizma. Preučevanje različnih bitij, od miši do kitov, omogoča določitev omejitev velikosti, ki jih živi organizem ne more preseči. Srce in srčno-žilni sistem kot celota sta vse pomembnejša za takšna raziskovanja.
Pri morskih sesalcih, katerih fiziologija se je popolnoma prilagodila njihovemu načinu življenja, imajo pomembno vlogo prilagoditve, povezane z potapljanjem in zadrževanjem diha. Ugotovljeno je bilo, da se pri mnogih teh bitjih med potopom srčno utripanje zmanjša na ravni, ki so nižje od stanja mirovanja. Ko pridejo na površje, se srčni utrip poveča.
Zmanjšano srčno utripanje med potopi je potrebno za zmanjšanje hitrosti dostave kisika v tkiva in celice, kar upočasni proces izčrpavanja zalog kisika v krvi ter zmanjša porabo kisika s samim srcem.
Obstaja hipoteza, da telesna aktivnost (tj. povečana fizična aktivnost) modulira reakcijo na potop in povečuje frekvenco srčnih kontrakcij med potopom. Ta hipoteza je še posebej pomembna za raziskovanje modrih kitov, saj bi morala zaradi posebne metode hranjenja (nenadni izpadi za požiranje vode) stopnja presnovne aktivnosti v teoriji presegati osnovne vrednosti (stanje mirovanja) 50-krat. Predvideva se, da takšni izpadi pospešijo izčrpavanje kisika, s čimer se skrajša trajanje potopa.
Povečan srčni utrip in povečana prenosnost kisika iz krvi do mišic med izpadom lahko igrata pomembno vlogo zaradi presnovnih stroškov med to fizično aktivnostjo. Poleg tega je treba upoštevati tudi nizko koncentracijo mioglobina* (Mb) pri modrih kitih (5-10-krat nižja kot pri drugih morskih sesalcih: 0,8 g Mb na 100 g-1 mišice pri modrih kitih in 1,8-10 g Mb pri drugih morskih sesalcih).
Mioglobin* je beljakovina, ki veže kisik v skeletnih mišicah in mišicah srca.
Kot zaključek fizična obremenitev, globina potopa in voljna kontrola spreminjajo frekvenco srčnih kontrakcij med potopom preko avtonomnega živčnega sistema.
Dodatnim faktorom smanjenja frekvencije srčanog ritma može biti i kompresija/ekspanzija pluća tokom uranjanja/izranjanja.
Dakle, frekvencija srčanih kontrakcija tokom uranjanja i dok se nalazi na površini direktno se odnosi na modele arterijske hemodinamike.
Plavi kit
Prethodna istraživanja biomehaničkih svojstava i dimenzija zidova aorte kod plavog kita (Balaenoptera physalus) su pokazala da tokom uranjanja pri frekvenciji srčanih kontrakcija ≤10 ud/min luk aorte ostvaruje efekat rezervoara (Windkessel efekt), koji održava protok krvi tokom dugih dijastoličkih perioda* između srčanih kontrakcija i smanjuje pulsaciju protoka krvi u čvrstu distalnu aortu.
Dijastola* (dijastolički period) — period opuštanja srca između kontrakcija.
Sve gore opisane hipoteze, teoretiziranja i zaključci moraju imati materijalne dokaze, to jest biti potvrđeni ili opovrgnuti u praksi. Ali za to je potrebno sprovesti elektrokardiografiju slobodno se krećućem plavom kitu. Jednostavne metode ovde neće raditi, zato su naučnici stvorili svoj uređaj za elektrokardiografiju.
Video u kojem istraživači ukratko govore o svom radu.
EKG kita je zabeležen koristeći prilagođeni EKG uređaj, ugrađen u specijalnu kapsulu sa 4 usisne čašice. Površinski EKG elektrode su bile ugrađene u dve od usisnih čašica. Istraživači su se uputili čamcem u zaliv Monterey (Tihi okean, blizu Kalifornije). Kada su naučnici konačno naišli na plavog kita koji se izronio na površinu, pričvrstili su EKG uređaj na njegovo telo (pored levog peraja). Prema ranije prikupljenim podacima, ovaj kit je mužjak star 15 godina. Važno je napomenuti da je ovaj uređaj neinvazivan, što znači da ne zahteva ugradnju senzora ili elektroda u kožu životinje. Dakle, za kita je ova procedura potpuno bezbolna i uzrokuje minimalni stres od kontakta s ljudima, što je takođe izuzetno važno, s obzirom na to da se snimaju podaci o otkucajima srca koji bi mogli biti iskrivljeni zbog stresa. Kao rezultat toga, dobijena je 8.5-satna EKG snimka, na osnovu koje su naučnici mogli izgraditi profil srčanog ritma (slika ispod).
Slika br. 1: profil srčanog ritma plavog kita.
Oblik EKG signala bio je sličan onom koji je zabeležen kod malih kitova u zatočeništvu pomoću istog uređaja. Ponašanje kita tokom traženja hrane bilo je u potpunosti uobičajeno za njegovu vrstu: zaranjanje tokom 16.5 minuta do dubine od 184 m i površinski intervali od 1 do 4 minuta.
Profil srčanog ritma, u skladu sa kardiovaskularnim odgovorom na zaranjanje, pokazao je da je učestalost srčanih kontrakcija od 4 do 8 otkucaja u minutu dominirala tokom faze zaranjanja prilikom traženja hrane, bez obzira na trajanje zaranjanja ili maksimalnu dubinu. Učestalost srčanih kontrakcija tokom zaranjanja (izračunata tokom celokupnog trajanja zaranjanja) i minimalna trenutna učestalost srčanih kontrakcija tokom zaranjanja su opadale s trajanjem zaranjanja, dok se maksimalna površinska učestalost srčanih kontrakcija nakon zaranjanja povećavala s trajanjem zaranjanja. Drugim rečima, što je duže kit bio pod vodom, to je srce sporije kucalo tokom zaranjanja i brže nakon izranjanja.
Po drugi strani, allometrijske enačbe za sesalce trdijo, da ima kit, težak 70000 kg, srce, ki tehta 319 kg, njegova udarna prostornina (prostor krvi, ki ga izpusti pri vsakem utripu) pa znaša približno 80 l; zato bi morala biti srčna frekvenca v mirovanju 15 ud/min.
Med spodnjimi fazami potopitev je trenutna srčna frekvenca znašala od 1/3 do 1/2 pričakovane srčne frekvence v mirovanju. Vendar se je ritem srca povečal v fazi dvigovanja. V površinskih intervalih je srčna frekvenca približno dvakrat presegla pričakovano srčno frekvenco v mirovanju in se večinoma gibala od 30 do 37 utripov na minuto po globokih potopitvah (> 125-metrska globina) in od 20 do 30 utripov na minuto po bolj plitkih potopitvah.
To opazovanje lahko pomeni, da je pospešitev srčnih utripov potrebna za dosego ustrezne izmenjave dihalnih plinov in reperfuzije (obnovitve pretoka krvi) tkiv med globokimi potopitvami.
Plitvi, kratkotrajni nočni potopi so bili povezani z počitkom in so zato bolj značilni za manj aktivno stanje. Tipične srčne frekvence, ki so jih opazili pri 5-minutnem nočnem potopu (8 utripov na minuto) in spremljajočem 2-minutnem površinskem intervalu (25 utripov na minuto), lahko skupaj pripeljejo do tega, da bo ritem srca okoli 13 utripov na minuto. Ta številka je, kot lahko vidimo, neverjetno blizu izračunanim napovedim allometrijskih modelov.
Nato so znanstveniki sestavili profile srčne frekvence, globine in relativnega volumna pljuč 4 posameznih potopitev, katerih analiza je omogočila preučitev potencialnega vpliva telesne aktivnosti in globine na regulacijo srčnega ritma.
Slika št. 2: profili srčne frekvence, globine in relativnega volumna pljuč 4 posameznih potopitev.
Med jedocah na velikih globinah kit izvede določen manever, imenovan izpad — nenadoma odpre usta, da zaužije vodo s planktonom, nato pa filtrira hrano. Opazili so, da je frekvenca srčnih utripov ob zaužitju vode 2,5-krat višja kot ob filtraciji. To jasno kaže na odvisnost srčnega ritma od fizične obremenitve.
Kar zadeva pljuča, je njihova vloga pri srčnem ritmu izredno malo verjetna, saj niso opazili pomembnih sprememb v relativnem volumnu pljuč med obravnavanimi potopi.
Pri tem je bilo v spodnjih fazah plitvega potopa kratkotrajno povečanje frekvence srčnih utripov povezano ravno s spremembami v relativnem volumnu pljuč in bi lahko bilo posledica aktivacije receptorjev za raztezanje pljuč.
S povzemanjem zgoraj opisanih opazovanj so znanstveniki zaključili, da med hranjenjem na velikih globinah opazimo kratkotrajno povečanje frekvence srčnih utripov za 2,5-krat. Kljub temu je povprečna najvišja frekvenca srčnih utripov med izpadi pri hranjenju še vedno znašala le polovico pričakovane vrednosti v mirovanju. Ti podatki so v skladu s hipotezo, da fleksibilne aortne krivine velikih kitov uresničujejo učinek rezervoarja med počasnim srčnim ritmom med potopom. Poleg tega je območje višjih srčnih utripov po potopu potrdilo hipotezo, da se impedanca aorte in obremenitev srca zmanjšata med površinskim intervallom zaradi destruktivnega posredovanja izhodnih in odsevanih valov pritiska v aorti.
Močno bradikardijo, ki so jo opazovali raziskovalci, lahko imenujemo nepričakovan rezultat raziskave, ob upoštevanju ogromnih energijskih stroškov kita pri manevru izpada med zaužitjem vode s planktonom. Vendar pa metabolični stroški tega manevra morda niso v skladu s frekvenco srčnih utripov ali konvekcijskim transportom kisika deloma zaradi kratkega trajanja hranjenja in možne angažiranosti glikolitičnih, hitro skrčenih mišičnih vlaken.
Med plavanjem modri kitovi dosežejo visoke hitrosti in požirajo količine vode, ki so lahko večje od njihovega lastnega telesa. Znanstveniki domnevajo, da visoka odpornost in energija potrebna za manevriranje hitro izčrpata skupne zaloge kisika v telesu, kar omejuje čas potapljanja. Mehanična sila, potrebna za požiranje velikih količin vode, je verjetno daleč nad aerobno presnovo. Zato se med takšnimi manevri pogostost srčnih utripov povečuje, a le za zelo kratek čas.
Za podrobnejše spoznavanje podrobnosti raziskave priporočam, da si ogledate .
Epilog
Ena od najpomembnejših ugotovitev je, da za izmenjavo plinov in reperfuzijo med kratkimi površinskimi intervali modrim kitom skoraj maksimalna srčna frekvenca, ne glede na naravo izčrpavanja zalog kisika v krvi in mišicah med potapljanjem. Če upoštevamo, da morajo večji posamezniki modrih kitov za pridobivanje hrane vložiti več truda v krajšem času (v skladu z allometrijskimi hipotezami), se neizogibno srečujejo z več fiziološkimi omejitvami tako med potapljanjem kot med površinskimi intervali. To pomeni, da je evolucijsko velikost njihovega telesa omejena, saj bi bil postopek pridobivanja hrane, če bi bil večji, zelo dragocen in ne bi bil izravnan s pridobljeno hrano. Raziskovalci sami menijo, da srce modrega kita deluje na svojem maksimumu.
V prihodnje načrtujejo znanstveniki razširitev zmožnosti svoje naprave, vključno z dodajanjem akcelerometra, da bi bolje razumeli vpliv raznolike fizične aktivnosti na srčni ritem. Prav tako nameravajo uporabiti svoj EKG senzor na drugih morskih bitjih.
Kot je pokazala ta raziskava, biti največje bitje z največjim srcem ni tako enostavno. Kljub temu, ne glede na velikost morskih bitij in kakršne koli diete, se moramo zavedati, da je voda, ki jo človek uporablja za ribolov, pridobivanje in transport, njihov dom. Mi smo le gostje in se moramo ustrezno obnašati.
Petkova offtop tema:
Redke posnetke, na katerih modri kit prikazuje prostornino svoje ustne votline.
Še en velikank morij je kaskalot. V tem videu so znanstveniki s pomočjo daljinsko vodenega ROV Hercules na globini 598 metrov posneli radovednega kaskalota.
Hvala za pozornost, ostanite radovedni in lep vikend, fantje! 🙂
Hvala što ostajete s nama. Da li vam se sviđaju naši članci? Želite li videti više zanimljivih materijala? Podržite nas tako što ćete naručiti ili preporučiti prijateljima, , 30% discount for Habra users on our unique entry-level server alternative designed for you: (options available with RAID1 and RAID10, up to 24 cores and up to 40GB DDR4).
Dell R730xd at half the price? Only with us in the Netherlands! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — from $99! Read about how
Izvor: habr.com
