Det Ă€r svĂ„rt att motsĂ€ga pĂ„stĂ„endet att naturen har den mest livliga fantasin. Varje vĂ€xtart och djurart har sina unika, och ibland till och med underliga egenskaper, som ofta Ă€r svĂ„ra att förstĂ„. Ta till exempel mantisrĂ€kan. Detta rovdjur kan attackera sitt byte eller en fiende med sina kraftfulla klor med en hastighet av 83 km/h, och deras synsystem Ă€r ett av de mest komplexa som nĂ„gonsin har studerats av mĂ€nniskan. MantisrĂ€kor, trots sin aggressivitet, Ă€r inte sĂ€rskilt stora â upp till 35 cm lĂ„nga. Den största invĂ„naren i haven och oceanerna, och pĂ„ planeten i allmĂ€nhet, Ă€r den blĂ„valen. Detta dĂ€ggdjur kan nĂ„ en lĂ€ngd av över 30 meter och vĂ€ga 150 ton. Trots sina imponerande mĂ„tt kan man inte kalla blĂ„valar för fruktade jĂ€gare, dĂ„ de föredrar att Ă€ta planktont.
Anatomin hos blÄvalar har alltid intresserat forskare som vill förstÄ hur en sÄ stor organism och dess organ fungerar. Trots att vi har kÀnt till blÄvalarnas existens i flera hundra Är (sedan 1694, för att vara exakt) har dessa jÀttar inte avslöjat alla sina hemligheter. Idag kommer vi att bekanta oss med en studie dÀr en grupp forskare frÄn Stanford University har utvecklat en enhet som gjorde det möjligt att fÄ de första inspelningarna av en blÄvals hjÀrtslag. Hur fungerar havets hÀrskare, vilka upptÀckter har forskarna gjort och varför kan det inte finnas nÄgon organism som Àr större Àn en blÄval? Det kommer vi att ta reda pÄ i forskargruppens rapport. LÄt oss börja.
ForskningshjÀlten
BlĂ„valen Ă€r det största dĂ€ggdjuret, den största invĂ„naren i haven och oceanerna, det största djuret, den största valen. Vad ska man sĂ€ga, blĂ„valen Ă€r verkligen den största nĂ€r det kommer till dimensioner â lĂ€ngden Ă€r 33 meter och vikten 150 ton. Siffrorna Ă€r approximativa, men dĂ€refter inte mindre imponerande.
Till och med huvudet pĂ„ denna gigant förtjĂ€nar en egen rad i Guinness rekordbok, eftersom det utgör cirka 27% av den totala kroppslĂ€ngden. Ăgonen hos blĂ„valar Ă€r samtidigt ganska smĂ„ och inte större Ă€n en grapefrukt. Om du har svĂ„rt att se valens ögon, kommer du dĂ€remot att mĂ€rka munnen direkt. En blĂ„vals kĂ€ke kan rymma upp till 100 mĂ€nniskor (en skrĂ€mmande jĂ€mförelse, men blĂ„valar Ă€ter inte mĂ€nniskor, Ă„tminstone inte avsiktligt). Den stora storleken pĂ„ munnen beror pĂ„ deras kostpreferenser: valarna Ă€ter plankton genom att svĂ€lja enorma mĂ€ngder vatten, som de sedan slĂ€pper ut genom sitt filtreringssystem för att fĂ„nga maten. Under gynnsamma omstĂ€ndigheter kan en blĂ„val konsumera cirka 6 ton plankton om dagen.
En annan viktig egenskap hos blĂ„valar Ă€r deras lungor. De kan hĂ„lla andan i upp till 1 timme och dyka ner till ett djup av 100 meter. Men precis som andra marina dĂ€ggdjur kommer blĂ„valar regelbundet upp till ytan för att andas. NĂ€r de nĂ„r ytan anvĂ€nder valarna sitt blĂ„shĂ„l â ett andningshĂ„l med tvĂ„ stora öppningar (nasor) pĂ„ baksidan av huvudet. Valens utandning genom blĂ„shĂ„let Ă„tföljs ofta av en vertikal vattenfontĂ€n som kan nĂ„ upp till 10 meter. Med tanke pĂ„ deras livsmiljö fungerar deras lungor betydligt mer effektivt Ă€n vĂ„ra â en val har en syreupptagningsgrad pĂ„ 80-90%, medan vĂ„r Ă€r omkring 15%. Volymen av lungorna Ă€r cirka 3000 liter, medan mĂ€nniskan har ett vĂ€rde som varierar mellan 3-6 liter.
Modellen av blÄvalens hjÀrta i ett museum i New Bedford (USA).
Cirkulationssystemet hos blĂ„valar har ocksĂ„ rekordstora parametrar. Till exempel har deras blodkĂ€rl en enorm storlek, dĂ€r diametern pĂ„ enbart aortan uppgĂ„r till cirka 40 cm. HjĂ€rta hos blĂ„valar anses vara det största hjĂ€rtat i vĂ€rlden och vĂ€ger omkring ett ton. Med ett sĂ„ stort hjĂ€rta har en val ocksĂ„ mycket blod â mer Ă€n 8000 liter hos en vuxen individ.
Och nu har vi smidigt kommit till kÀrnan av sjÀlva forskningen. HjÀrta hos blÄvalar Àr stort, som vi redan har förstÄtt, men det slÄr relativt lÄngsamt. Tidigare troddes pulsen uppgÄ till cirka 5-10 slag per minut, ibland upp till 20. Men ingen har gjort exakta mÀtningar fram till nu.
Forskare frÄn Stanford University pÄstÄr att skala inom biologi har en enorm betydelse, sÀrskilt nÀr det gÀller att definiera funktionella egenskaper hos organen hos levande varelser. Att studera olika organismer, frÄn möss till valar, möjliggör att faststÀlla grÀnser för storlek som en levande organism inte kan överskrida. HjÀrtat och det kardiovaskulÀra systemet som helhet Àr viktiga attribut i sÄdana studier.
Hos sjölevande dÀggdjur, vars fysiologi helt har anpassats till deras livsstil, spelar anpassningar relaterade till dykning och att hÄlla andan en viktig roll. Det har faststÀllts att hos mÄnga av dessa varelser sjunker hjÀrtfrekvensen under nedsÀnkning till nivÄer som Àr lÀgre Àn de vid vila. NÀr de sedan kommer upp till ytan ökar hjÀrtfrekvensen.
Den sÀnkta hjÀrtfrekvensen under dykningar Àr nödvÀndig för att minska hastigheten för syretransporten till vÀvnader och celler, vilket dÀrmed saktar ner processen avsedda att uttömma syreslagren i blodet och minskar syreförbrukningen av sjÀlva hjÀrtat.
Det finns en hypotes om att trÀning (d.v.s. ökad fysisk aktivitet) modulerar dykspÀnningen och ökar hjÀrtfrekvensen under dykning. Denna hypotes Àr sÀrskilt viktig för studier av blÄvalar, eftersom pÄ grund av deras speciella födometod (plötslig dykning för att svÀlja vatten) borde metabolismen teoretiskt sett överstiga basala nivÄer (vilostatus) med 50 gÄnger. Det antas att sÄdana dykningar pÄskyndar uttömning av syre, vilket i sin tur minskar dykningens varaktighet.
Den ökade hjĂ€rtfrekvensen och den ökade syreöverföringen frĂ„n blodet till musklerna under dykning kan spela en viktig roll pĂ„ grund av de metaboliska kostnaderna under sĂ„dan fysisk aktivitet. Dessutom bör man ta hĂ€nsyn till den lĂ„ga koncentrationen myoglobin* (Mb) hos blĂ„valar (5â10 gĂ„nger lĂ€gre Ă€n hos andra sjölevande dĂ€ggdjur: 0,8 g Mb per 100 g-1 muskel hos blĂ„valar och 1,8â10 g Mb hos andra sjölevande dĂ€ggdjur.
Myoglobin* Àr ett syrebÀrande protein i skelettmuskler och hjÀrtmuskler.
Sammanfattningsvis pÄverkar fysisk belastning, dykdjup och viljekontroll hjÀrtfrekvensen under nedsÀnkning genom det autonoma nervsystemet.
En ytterligare faktor som kan minska hjÀrtfrekvensen Àr kompression/utvidgning av lungorna under dykning/uppstigning.
DÀrmed relaterar hjÀrtfrekvensen under dykning och medan man Àr pÄ ytan direkt till modeller av arteriell hemodynamik.
Finval
En tidigare genomförd studie av de biomekaniska egenskaperna och storleken pĂ„ aortavĂ€ggarna hos finvalen (Balaenoptera physalus) visade att under dykningar med en hjĂ€rtfrekvens â€10 slag/min implementerar aortabĂ„gen en reservoir-effekt (Windkessel effekt) som upprĂ€tthĂ„ller blodflödet under lĂ„nga diastoliska perioder* mellan hjĂ€rtslag och minskar pulseringen av blodflödet i den styva distala aortan.
Diastola* (diastolisk period) â perioden av avslappning av hjĂ€rtat mellan sammandragningarna.
Alla ovanstÄende hypoteser, teorier och slutsatser mÄste ha materiella bevis, det vill sÀga bekrÀftas eller motbevisas i praktiken. Men för detta krÀvs det att man genomför elektrokardiografi pÄ en fritt rörlig blÄval. Enkla metoder fungerar inte hÀr, sÄ forskarna har skapat sin egen apparat för elektrokardiografi.
En video dÀr forskarna kort berÀttar om sitt arbete.
EKG frÄn blÄvalen registrerades med en specialdesignad EKG-enhet som var inbyggd i en speciell kapsel med 4 sugkoppar. Yt-EKG-elektroderna var inbyggda i tvÄ av sugkopparna. Forskarna Äkte bÄt till Montereybukten (Stilla havet, nÀra Kalifornien). NÀr forskarna till sist stötte pÄ den blÄval som dök upp till ytan, fÀste de EKG-registratorn pÄ dess kropp (nÀra den vÀnstra fenan). Enligt tidigare insamlade data Àr denna val en 15-Ärig hane. Det Àr viktigt att notera att denna enhet Àr icke-invasiv, vilket betyder att den inte krÀver att nÄgra sensorer eller elektroder injiceras i djurets hud. Det innebÀr att denna procedur Àr helt smÀrtfri för valen och med minimal stress frÄn kontakten med mÀnniskor, vilket ocksÄ Àr mycket viktigt, med tanke pÄ att hjÀrtfrekvensdata registreras och kan förvrÀngas pÄ grund av stress. Resultatet var en 8,5-timmars EKG-inspelning, utifrÄn vilken forskarna kunde bygga en hjÀrtfrekvensprofil (bilden nedan).
Bild nr 1: hjÀrtfrekvensprofil av blÄvalen.
Formen pÄ EKG-signalen var lik den som registrerades hos delfiner i fÄngenskap med samma enhet. Valens beteende under födosök var helt normalt för arten: dykningar i 16,5 minuter ned till 184 meters djup och ytfrekvenser frÄn 1 till 4 minuter.
HjÀrtfrekvensprofilen, i enlighet med kardiovaskulÀrt svar pÄ dykningar, visade att hjÀrtfrekvenser pÄ mellan 4 och 8 slag per minut dominerade under dykens nedre fas vid födosök, oavsett dykens lÀngd eller maximala djup. HjÀrtfrekvensen under dyken (berÀknad över hela dykens lÀngd) och den minimi ögonblickliga hjÀrtfrekvensen under dykningen minskade med dykens lÀngd, medan den maximala ytfrekvensen efter dyket ökade med dykens lÀngd. Det vill sÀga, ju lÀngre valen var under vatten, desto lÄngsammare slog hjÀrtat under dykningen och desto snabbare efter att den kommit upp till ytan.
Allometriska ekvationer för dÀggdjur pÄstÄr att en 70000 kg tung val har ett hjÀrta som vÀger 319 kg, och dess slagvolym (volymen blod som pumpas ut per slag) Àr ungefÀr 80 l, vilket innebÀr att vilopulsen borde vara 15 slag/minut.
Under de nedre faserna av dykningen var den omedelbara pulsen mellan 1/3 och 1/2 av den förvÀntade vilopulsen. Men hjÀrtrytmen ökade under uppstigningsfasen. Under ytvila var pulsen ungefÀr dubbelt sÄ hög som den förvÀntade vilopulsen och varierade huvudsakligen mellan 30 och 37 slag per minut efter djupa dyk (> 125 meters djup) och mellan 20 och 30 slag per minut efter grundare dyk.
Denna observation tyder pÄ att en ökning av hjÀrtfrekvensen Àr nödvÀndig för att uppnÄ nödvÀndig gasutbyte och reperfusion (ÄterstÀllande av blodflödet) i vÀvnader mellan djupa dykningar.
Grunda kortvariga nattdyk var kopplade till vila och Àr dÀrför mer typiska för ett mindre aktivt tillstÄnd. Typiska hjÀrtfrekvenser som observerades vid ett 5-minuters nattdyk (8 slag per minut) och den följande 2-minuters ytvila (25 slag per minut) kan tillsammans leda till en hjÀrtfrekvens pÄ cirka 13 slag per minut. Denna siffra Àr, som vi kan se, överraskande nÀra de berÀknade förutsÀgelserna frÄn allometriska modeller.
DÀrefter skapade forskarna profiler av hjÀrtfrekvenser, djup och relativ lungvolym för 4 separata dykningar, vars analys gjorde det möjligt att undersöka den potentiella pÄverkan av fysisk aktivitet och djup pÄ reglering av hjÀrtrytmen.
Bild Nr 2: profiler av hjÀrtfrekvens, djup och relativ lungvolym för 4 separata dyk.
NÀr en val Àter pÄ stora djup utför den en sÀrskild rörelse dÀr den plötsligt öppnar sin mun för att svÀlja vatten med plankton, och sedan filtrerar den maten. Man har observerat att hjÀrtfrekvensen vid svÀljning av vatten Àr 2,5 gÄnger högre Àn vid filtrering. Detta antyder att hjÀrtrytmen beror pÄ den fysiska belastningen.
Vad gÀller lungorna, Àr deras pÄverkan pÄ hjÀrtrytmen mycket osannolik, eftersom inga betydande förÀndringar i lungvolymen har observerats under de aktuella dykningarna.
Vid de lÀgre faserna av grunt dykande, var en tillfÀllig ökning av hjÀrtfrekvensen kopplad till förÀndringar i lungvolymen och kan ha orsakats av aktivering av lungans strÀckreceptorer.
Sammanfattar de ovan beskrivna observationerna, kom forskarna fram till att det under födointag pÄ stora djup sker en tillfÀllig ökning av hjÀrtfrekvensen med 2,5 gÄnger. Trots detta var den genomsnittliga maximala hjÀrtfrekvensen vid svÀljning under födointag fortfarande bara hÀlften av den berÀknade vilovÀrdet. Dessa data stöder hypotesen att de flexibla aorta-bÄgarna hos stora valar möjliggör en reservoareffekt under den lÄngsamma hjÀrtrytmen under dykning. Dessutom bekrÀftade intervallet av högre hjÀrtfrekvenser efter dykningen hypotesen att aortans impedans och hjÀrtbelastning minskar under ytfasen pÄ grund av destruktiv pÄverkan frÄn utgÄende och reflekterade tryckvÄgor i aortan.
Den kraftiga bradykardin som forskarna observerade kan ses som ett ovÀntat resultat av studien, med tanke pÄ de enorma anstrÀngningarna en val gör under rörelsen av att svÀlja vatten med plankton. Men de metaboliska kostnaderna för denna rörelse stÀmmer kanske inte överens med hjÀrtfrekvensen eller den konvektiva transporten av syre, delvis pÄ grund av den korta varaktigheten av födointaget och den eventuella anvÀndningen av glykolytiska, snabbt sammandragande muskelfibrer.
Under utfall accelererar blÄvalar till hög hastighet och absorberar en mÀngd vatten som kan vara större Àn deras egen kropp. Forskare föreslÄr att det höga motstÄndet och den energi som krÀvs för att manövrera snabbt tömmer de totala syrereserverna i kroppen, vilket begrÀnsar dykningstiden. Den mekaniska kraft som krÀvs för att absorbera stora mÀngder vatten överstiger sannolikt den aerobiska metaboliska kraften. DÀrför ökar pulsfrequenten under sÄdana manövrar, men bara under en mycket kort tid.
För en mer detaljerad förstÄelse av forskningsdetaljerna rekommenderar jag att du tittar in i .
Epilog
En av de viktigaste slutsatserna Àr att nÀstan maximala pulsfrequenten krÀvs för gasutbyte och reperfusion under korta ytvÀrden, oavsett karaktÀren av syreutarmningen i blod och muskler under dykningarna. Om man beaktar att större individer av blÄvalar mÄste lÀgga ner mer arbete för att fÄ mat pÄ kortare tid (enligt allometriska hypoteser), sÄ stÀlls de oundvikligen inför flera fysiologiska begrÀnsningar bÄde under dykning och under ytvÀrden. Detta innebÀr att kroppens storlek Àr evolutionÀrt begrÀnsad, eftersom om den var större, skulle matprocessen vara mycket kostsam och inte kompenseras av den föda som erhÄlls. Forskare anser att blÄvalens hjÀrta arbetar vid grÀnsen av sina möjligheter.
I framtiden planerar forskarna att utöka kapabiliteterna för sin enhet, inklusive att lÀgga till en accelerometer för att bÀttre förstÄ hur olika fysiska aktiviteter pÄverkar hjÀrtfrekvensen. De planerar ocksÄ att anvÀnda sin EKG-sensor pÄ andra marina invÄnare.
Som denna studie visar, Àr det inte sÄ enkelt att vara den största varelsen med det största hjÀrtat. Oavsett storlek eller kost, mÄste vi förstÄ att den vattenmassa som mÀnniskan anvÀnder för fiske, utvinning och transport förblir deras hem. Vi Àr bara gÀster, och dÀrför mÄste vi agera dÀrefter.
Fredags-off-topic:
SÀllsynta bilder dÀr blÄvalen visar sin mun kapacitet.
En annan jÀtte i haven Àr kaskeloten. I denna video har forskare med hjÀlp av fjÀrrstyrd ROV Hercules filmat en nyfiken kaskelot pÄ ett djup av 598 meter.
Tack för er uppmĂ€rksamhet, förbli nyfikna och ha en fantastisk helg, grabbar! đ
Tack för att ni stannar kvar hos oss. Gillar ni vÄra artiklar? Vill ni se fler intressanta material? Stöd oss genom att göra en bestÀllning eller rekommendera oss till era vÀnner, , 30% rabatt för Habr-anvÀndare pÄ vÄrt unika alternativ till entry-level servrar, som vi har designat för er: (alternativ med RAID1 och RAID10 finns tillgÀngliga, upp till 24 kÀrnor och upp till 40GB DDR4).
Dell R730xd till halva priset? Bara hos oss i NederlĂ€nderna! Dell R420 â 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB â frĂ„n $99! LĂ€s om
KĂ€lla: habr.com
