Мала тајна великог срца: први кардиограм плавог кита

Тешко је расправљати са тврдњом да природа има најживљу машту. Сваки од представника флоре и фауне има своје јединствене, а понекад чак и чудне особине које нам често не могу стати у главу. Узмите, на пример, исти рак богомољке. Ово предаторско створење способно је да нападне жртву или преступника својим моћним канџама при брзини од 83 км/х, а њихов визуелни систем је један од најсложенијих које су људи икада проучавали. Мантис рак, иако жесток, није нарочито велики - до 35 цм дужине. Највећи становник мора и океана, као и планете уопште, је плави кит. Дужина овог сисара може достићи више од 30 метара, а тежина 150 тона. Упркос импресивној величини, плави китови се тешко могу назвати страшним ловцима, јер... више воле планктон.

Анатомија плавих китова одувек је била интересантна научницима који желе да боље разумеју како функционише тако огроман организам и органи у њему. Упркос чињеници да за постојање плавих китова знамо већ неколико стотина година (тачније од 1694. године), ови дивови нису открили све своје тајне. Данас ћемо погледати студију у којој је група научника са Универзитета Станфорд развила уређај који је коришћен за добијање првих снимака откуцаја срца плавог кита. Како функционише срце владара мора, до којих открића су научници дошли и зашто не може постојати организам већи од плавог кита? О томе сазнајемо из извештаја истраживачке групе. Иди.

Херој истраживања

Плави кит је највећи сисар, највећи становник мора и океана, највећа животиња, највећи кит. Шта рећи, плави кит је заиста најбољи по димензијама - дужина је 33 метра, а тежина 150 тона. Бројке су приближне, али ништа мање импресивне.

Чак и глава овог дива заслужује посебну линију у Гинисовој књизи рекорда, јер заузима око 27% укупне дужине тела. Штавише, очи плавих китова су прилично мале, не веће од грејпфрута. Ако вам је тешко да видите очи кита, онда ћете одмах приметити уста. Уста плавог кита могу да приме до 100 људи (језив пример, али плави китови не једу људе, барем не намерно). Велика величина уста је због гастрономских преференција: китови једу планктон, гутају огромне количине воде, која се затим ослобађа кроз филтер апарат, филтрирајући храну. Под прилично повољним околностима, плави кит дневно троши око 6 тона планктона.

Још једна важна карактеристика плавих китова су њихова плућа. Они су у стању да задрже дах 1 сат и зароне до дубине до 100 м. Али, као и други морски сисари, плави китови повремено излазе на површину воде да дишу. Када китови испливају на површину воде, користе отвор за дисање, који се састоји од два велика отвора (ноздрва) на потиљку. Издисање кита кроз његов отвор често је праћено вертикалном фонтаном воде висине до 10 м. С обзиром на карактеристике станишта китова, њихова плућа раде много ефикасније од наших – китова плућа апсорбују 80-90% кисеоника, а наше свега око 15%. Запремина плућа је око 3 хиљаде литара, али код људи ова бројка варира око 3-6 литара.

Модел срца плавог кита у музеју у Њу Бедфорду (САД).

Циркулациони систем плавог кита такође је пун рекордних параметара. На пример, њихови судови су једноставно огромни, само пречник аорте је око 40 цм.Срце плавих китова сматра се највећим срцем на свету и тежи око тоне. Са тако великим срцем, кит има пуно крви - више од 8000 литара код одрасле особе.

И сада глатко долазимо до суштине саме студије. Срце плавог кита је велико, као што смо већ разумели, али куца прилично споро. Раније се веровало да је пулс око 5-10 откуцаја у минути, у ретким случајевима и до 20. Али до сада нико није правио тачна мерења.

Научници са Универзитета Стенфорд кажу да је скала од великог значаја у биологији, посебно када је у питању одређивање функционалних особина органа живих бића. Проучавање различитих створења, од мишева до китова, омогућава нам да одредимо границе величине које живи организам не може да пређе. А срце и кардиоваскуларни систем уопште су важни атрибути таквих студија.

Код морских сисара, чија је физиологија потпуно прилагођена њиховом начину живота, адаптације повезане са роњењем и задржавањем даха играју важну улогу. Утврђено је да многа од ових створења имају откуцаје срца који падају на нивое испод њиховог стања мировања током роњења. И када се издигне на површину, откуцаји срца постају бржи.

Нижи број откуцаја срца током роњења је неопходан да би се смањила брзина испоруке кисеоника у ткива и ћелије, чиме се успорава процес исцрпљивања резерви кисеоника у крви и смањује потрошња кисеоника у самом срцу.

Претпоставља се да вежба (тј. повећана физичка активност) модулира одговор на роњење и повећава број откуцаја срца током роњења. Ова хипотеза је посебно важна за проучавање плавих китова, јер би због посебног начина храњења (изненадни удар на гутање воде) брзина метаболизма, теоретски, требало да премаши основне вредности (стање мировања) за 50 пута. Претпоставља се да такви искораци убрзавају исцрпљивање кисеоника, чиме се скраћује трајање роњења.

Повећан број откуцаја срца и повећан трансфер кисеоника из крви у мишиће током искора могу играти важну улогу због метаболичких трошкова такве физичке активности. Поред тога, вреди узети у обзир ниску концентрацију миоглобин* (Мб) код плавих китова (5-10 пута мање него код других морских сисара: 0.8 г Мб на 100 г-1 мишића код плавих китова и 1.8-10 г Мб код других морских сисара.

миоглобин* - протеин који везује кисеоник скелетних мишића и срчаних мишића.

Као закључак, физичка активност, дубина роњења и вољна контрола мењају број откуцаја срца током роњења кроз аутономни нервни систем.

Додатни фактор у смањењу срчане фреквенције може бити компресија/ширење плућа током роњења/изрона.

Дакле, број откуцаја срца током роњења и на површини је директно повезан са артеријским хемодинамским обрасцима.

Фин кит

Претходна студија о биомеханичким особинама и димензијама зидова аорте код китова пераја (Балаеноптера пхисалус) су показали да током роњења при пулсу ≤10 откуцаја/мин, лук аорте спроводи ефекат резервоара (Виндкессел ефекат), који одржава проток крви у дугим периодима дијастолни периоди* између откуцаја срца и смањује пулсирање протока крви у круту дисталну аорту.

дијастола* (дијастолни период) - период опуштања срца између контракција.

Све горе описане хипотезе, теорије и закључци морају имати материјалне доказе, односно бити потврђене или оповргнуте у пракси. Али да бисте то урадили, потребно је да спроведете електрокардиограм на плавом киту који се слободно креће. Једноставне методе овде неће радити, па су научници направили сопствени уређај за електрокардиографију.

Видео у којем истраживачи укратко говоре о свом раду.

ЕКГ кита је снимљен коришћењем ЕКГ снимача по мери уграђеног у посебну капсулу са 4 вакуумске чаше. Површинске ЕКГ електроде су уграђене у две вакуумске чаше. Истраживачи су се чамцем упутили у залив Монтереј (Тихи океан, близу Калифорније). Када су научници коначно срели плавог кита који је изронио, причврстили су ЕКГ снимач на његово тело (поред његове леве пераје). Према раније прикупљеним подацима, овај кит је мужјак са 15 година. Важно је напоменути да је овај уређај неинвазиван, односно не захтева увођење сензора или електрода у кожу животиње. Односно, за кита је ова процедура потпуно безболна и са минималним стресом од контакта са људима, што је такође изузетно важно, с обзиром на то да се мере откуцаји срца, који би због стреса могли да буду искривљени. Резултат је био 8.5-часовни ЕКГ снимак из којег су научници могли да направе профил откуцаја срца (слика испод).

Слика #1: Профил откуцаја срца плавог кита.

ЕКГ таласни облик био је сличан оном забележеном код малих китова у заточеништву користећи исти уређај. Понашање кита у потрази за храном било је сасвим нормално за његову врсту: роњење у трајању од 16.5 минута до дубине од 184 м и површински интервали од 1 до 4 минута.

Профил откуцаја срца, у складу са кардиоваскуларним одговором на роњење, показао је да су откуцаји срца између 4 и 8 откуцаја у минути преовладавали током ниже фазе роњења у потрази за храном, без обзира на трајање роњења или максималну дубину. Брзина откуцаја срца зарона (израчуната током целог трајања роњења) и минимална тренутна брзина откуцаја срца роњења смањивали су се са трајањем роњења, док се максимални површински пулс након роњења повећавао са трајањем роњења. Односно, што је кит дуже био под водом, срце је спорије куцало током роњења и брже након успона.

Заузврат, алометријске једначине за сисаре наводе да кит тежине 70000 кг има срце тешко 319 кг, а његов ударни волумен (волумен крви која се избаци по откуцају) је око 80 л, па би откуцај срца у мировању требао бити 15 откуцаја/ мин.

Током нижих фаза роњења, тренутни број откуцаја срца био је између 1/3 и 1/2 предвиђеног откуцаја срца у мировању. Међутим, број откуцаја срца се повећао током фазе успона. У површинским интервалима, откуцаји срца су били приближно двоструко већи од предвиђених откуцаја срца у мировању и кретали су се углавном од 30 до 37 бпм након дубоких роњења (>125 м дубине) и од 20 до 30 бпм након плићих роњења.

Ово запажање може указивати на то да је убрзање откуцаја срца неопходно да би се постигла жељена размена респираторних гасова и реперфузија (обнављање крвотока) ткива између дубоких роњења.

Плитки, краткотрајни ноћни зарони били су повезани са одмором и стога су били чешћи у мање активним стањима. Типични откуцаји срца примећени током 5-минутног ноћног роњења (8 откуцаја у минути) и пратећи 2-минутни површински интервал (25 откуцаја у минути) могу се комбиновати да доведу до откуцаја срца од око 13 откуцаја у минути. Ова цифра је, као што видимо, изузетно блиска процењеним предвиђањима алометријских модела.

Научници су затим профилисали број откуцаја срца, дубину и релативни волумен плућа из 4 одвојена зарона како би испитали потенцијалне ефекте физичке активности и дубине на регулацију откуцаја срца.

Слика #2: Откуцаји срца, дубина и релативни профили запремине плућа за 4 одвојена зарона.

Када једе храну на великим дубинама, кит изводи одређени маневар искора - оштро отвара уста да прогута воду са планктоном, а затим филтрира храну. Уочено је да је број откуцаја срца у тренутку гутања воде 2.5 пута већи него у тренутку филтрације. Ово директно говори о зависности откуцаја срца од физичке активности.

Што се тиче плућа, њихов утицај на срчани ритам је крајње мало вероватан, пошто током предметних роњења нису примећене значајне промене у релативном волумену плућа.

Штавише, у нижим фазама плитких роњења, краткорочно повећање срчане фреквенције је повезано управо са променама релативног волумена плућа и могло би бити узроковано активацијом рецептора за истезање плућа.

Сумирајући горе описана запажања, научници су дошли до закључка да током храњења на великим дубинама долази до краткотрајног повећања срчане фреквенције за 2.5 пута. Међутим, просечни вршни број откуцаја срца током испадања и даље је био само половина предвиђене вредности у мировању. Ови подаци су у складу са хипотезом да флексибилни лукови аорте великих китова врше ефекат резервоара током спорог откуцаја срца роњења. Поред тога, опсег виших откуцаја срца током периода након роњења подржава хипотезу да су импеданса аорте и срчано оптерећење смањени током површинског интервала због деструктивне интерференције излазних и рефлектованих таласа притиска у аорти.

Тешка брадикардија коју су приметили истраживачи може се назвати неочекиваним резултатом студије, с обзиром на колосалну потрошњу енергије кита на маневар искора док гута воду са планктоном. Међутим, метаболички трошак овог маневра можда неће одговарати пулсу или конвективном транспорту кисеоника, делимично због кратког трајања храњења и могућег ангажовања гликолитичких, брзих мишићних влакана.

Током искора, плави китови убрзавају до великих брзина и апсорбују количину воде која може бити већа од сопственог тела. Научници претпостављају да велики отпор и енергија потребна за маневар брзо исцрпљују укупне резерве кисеоника у телу, чиме се ограничава време роњења. Механичка сила потребна за апсорпцију великих количина воде ће вероватно далеко премашити аеробну метаболичку силу. Због тога се током оваквих маневара број откуцаја срца повећавао, али за веома кратко време.

За детаљније упознавање са нијансама студије, препоручујем да погледате саопштавају научници.

Епилог

Један од најважнијих налаза је да плави китови захтевају скоро максималан број откуцаја срца за размену гасова и реперфузију током кратких површинских интервала, без обзира на природу исцрпљивања кисеоника у крви и мишићима током роњења. Ако узмемо у обзир да већи плави китови морају уложити више рада током краћег временског периода да би добили храну (у складу са алометријским хипотезама), онда се неизбежно суочавају са неколико физиолошких ограничења како током роњења тако и током површинског интервала. То значи да је еволутивно величина њиховог тела ограничена, јер да је веће, процес добијања хране био би веома скуп и не би био надокнађен примљеном храном. Сами истраживачи верују да срце плавог кита ради на граници својих могућности.

У будућности, научници планирају да прошире могућности свог уређаја, укључујући додавање акцелерометра како би боље разумели утицај различитих физичких активности на откуцаје срца. Такође планирају да користе свој ЕКГ сензор на другим морским животињама.

Као што ова студија показује, бити највеће створење са највећим срцем није лако. Међутим, без обзира на величину морских становника, ма које дијете се придржавали, морамо схватити да водени стуб, који људи користе за пецање, вађење и транспорт, остаје њихов дом. Ми смо само гости и зато се морамо понашати у складу са тим.

петак ван врха:

Ретки снимак плавог кита који показује капацитет његових уста.

Други гигант мора је кит сперматозоид. У овом видеу, научници су помоћу даљински управљаног РОВ Херцулес снимили радозналог кита сперматозоида на дубини од 598 метара.

Хвала на гледању, будите радознали и угодан викенд свима! 🙂

Хвала вам што сте остали са нама. Да ли вам се свиђају наши чланци? Желите да видите још занимљивијег садржаја? Подржите нас тако што ћете наручити или препоручити пријатељима, ВПС у облаку за програмере од 4.99 УСД, 30% попуста за кориснике Хабра на јединствени аналог сервера почетног нивоа, који смо ми измислили за вас: Цела истина о ВПС (КВМ) Е5-2650 в4 (6 језгара) 10ГБ ДДР4 240ГБ ССД 1Гбпс од 20 долара или како делити сервер? (доступно са РАИД1 и РАИД10, до 24 језгра и до 40 ГБ ДДР4).

Делл Р730кд 2 пута јефтинији? Само овде 2 к Интел ТетраДеца-Цоре Ксеон 2к Е5-2697в3 2.6ГХз 14Ц 64ГБ ДДР4 4к960ГБ ССД 1Гбпс 100 ТВ од 199 УСД у Холандији! Делл Р420 - 2к Е5-2430 2.2Гхз 6Ц 128ГБ ДДР3 2к960ГБ ССД 1Гбпс 100ТБ - од 99 долара! Читали о Како изградити инфраструктурну корпорацију. класе уз коришћење Делл Р730кд Е5-2650 в4 сервера у вредности од 9000 евра за пени?

Извор: ввв.хабр.цом