Det är svårt att argumentera med påståendet att naturen har den mest levande fantasin. Var och en av representanterna för flora och fauna har sina egna unika, och ibland till och med konstiga, egenskaper som ofta inte kan passa in i våra huvuden. Ta till exempel samma mantiskrabba. Denna rovdjur är kapabel att attackera ett offer eller förövare med sina kraftfulla klor i en hastighet av 83 km/h, och deras synsystem är ett av de mest komplexa som någonsin studerats av människor. Mantiskräftor, även om de är hårda, är inte särskilt stora - upp till 35 cm långa. Den största invånaren i haven och haven, såväl som planeten i allmänhet, är blåvalen. Längden på detta däggdjur kan nå mer än 30 meter och väga 150 ton. Trots sin imponerande storlek kan blåvalar knappast kallas formidable jägare, eftersom... de föredrar plankton.
Blåvalarnas anatomi har alltid varit av intresse för forskare som vill bättre förstå hur en så enorm organism och organen i den fungerar. Trots det faktum att vi har vetat om förekomsten av blåvalar i flera hundra år (sedan 1694, för att vara mer exakt), har dessa jättar inte avslöjat alla sina hemligheter. Idag ska vi ta en titt på en studie där en grupp forskare från Stanford University utvecklade en enhet som användes för att få de första inspelningarna av en blåvals hjärtslag. Hur fungerar hjärtat av havens härskare, vilka upptäckter har forskare gjort, och varför kan det inte finnas en organism större än en blåval? Vi lär oss om detta från forskargruppens rapport. Gå.
Forskningshjälte
Blåvalen är det största däggdjuret, den största invånaren i haven och oceanerna, det största djuret, den största valen. Vad kan jag säga, blåvalen är verkligen den allra bästa när det gäller dimensioner - längden är 33 meter och vikten är 150 ton. Siffrorna är ungefärliga, men inte mindre imponerande.
Till och med huvudet på denna jätte förtjänar en separat rad i Guinness Book of Records, eftersom den upptar cirka 27% av den totala kroppslängden. Dessutom är ögonen på blåvalar ganska små, inte större än en grapefrukt. Om det är svårt för dig att se ögonen på en val, kommer du att märka munnen direkt. En blåvals mun kan rymma upp till 100 personer (ett läskigt exempel, men blåvalar äter inte människor, åtminstone inte avsiktligt). Den stora storleken på munnen beror på gastronomiska preferenser: valar äter plankton, sväljer stora volymer vatten, som sedan släpps ut genom en filterapparat och filtrerar bort maten. Under ganska gynnsamma omständigheter förbrukar blåvalen cirka 6 ton plankton per dag.
En annan viktig egenskap hos blåvalar är deras lungor. De kan hålla andan i 1 timme och dyka till djup på upp till 100 m. Men precis som andra marina däggdjur kommer blåvalar med jämna mellanrum upp till vattenytan för att andas. När valar stiger upp till vattenytan använder de ett blåshål, ett andningshål som består av två stora öppningar (näsborrar) på bakhuvudet. Utandningen av en val genom dess blåshål åtföljs ofta av en vertikal fontän med vatten upp till 10 m hög. Med tanke på egenskaperna hos valarnas livsmiljö fungerar deras lungor mycket mer effektivt än våra - en vals lungor absorberar 80-90 % av syre, och vårt endast cirka 15%. Lungornas volym är cirka 3 tusen liter, men hos människor varierar denna siffra runt 3-6 liter.
Modell av en blåvals hjärta i ett museum i New Bedford (USA).
Blåvalens cirkulationssystem är också fullt av rekordparametrar. Till exempel är deras kärl helt enkelt enorma, endast aortans diameter är cirka 40 cm. Hjärtat hos blåvalar anses vara det största hjärtat i världen och väger ungefär ett ton. Med ett så stort hjärta har valen mycket blod - mer än 8000 XNUMX liter hos en vuxen.
Och nu kommer vi smidigt till själva essensen av själva studien. Blåvalens hjärta är stort, som vi redan förstått, men det slår ganska långsamt. Tidigare trodde man att pulsen låg på cirka 5-10 slag per minut, i sällsynta fall upp till 20. Men ingen hade gjort exakta mätningar förrän nu.
Forskare från Stanford University säger att skalan är av stor betydelse inom biologin, särskilt när det gäller att bestämma funktionella egenskaper hos levande varelsers organ. Studiet av olika varelser, från möss till valar, gör att vi kan bestämma storleksgränserna som en levande organism inte kan överskrida. Och hjärtat och det kardiovaskulära systemet i allmänhet är viktiga attribut för sådana studier.
Hos marina däggdjur, vars fysiologi är helt anpassad till deras livsstil, spelar anpassningar i samband med dykning och att hålla andan en viktig roll. Det har visat sig att många av dessa varelser har hjärtfrekvenser som sjunker till nivåer under deras vilotillstånd under ett dyk. Och efter att ha stigit upp till ytan blir pulsen snabbare.
En lägre hjärtfrekvens under dykning är nödvändig för att minska hastigheten för syretillförseln till vävnader och celler, och därigenom sakta ner processen med utarmning av syrereserver i blodet och minska syreförbrukningen av hjärtat självt.
Det antas att träning (dvs ökad fysisk aktivitet) modulerar dykresponsen och ökar hjärtfrekvensen under ett dyk. Denna hypotes är särskilt viktig för studiet av blåvalar, eftersom på grund av den speciella matningsmetoden (ett plötsligt utfall för att svälja vatten), bör ämnesomsättningen i teorin överstiga de grundläggande värdena(vilotillstånd) med 50 gånger. Det antas att sådana utfall påskyndar syrebrist, och därför minskar dykets varaktighet.
Den ökade hjärtfrekvensen och ökade överföringen av syre från blodet till musklerna under ett utfall kan spela en viktig roll på grund av de metaboliska kostnaderna för sådan fysisk aktivitet. Dessutom är det värt att överväga den låga koncentrationen myoglobin* (Mb) hos blåvalar (5-10 gånger lägre än hos andra marina däggdjur: 0.8 g Mb per 100 g-1 muskel hos blåvalar och 1.8-10 g Mb hos andra marina däggdjur.
Myoglobin* - syrebindande protein i skelettmuskler och hjärtmuskler.
Som en slutsats kan fysisk aktivitet, dykdjup och frivillig kontroll ändra hjärtfrekvensen under dykning genom det autonoma nervsystemet.
En ytterligare faktor för att minska hjärtfrekvensen kan vara kompression/expansion av lungorna under ett dyk/uppstigning.
Således är hjärtfrekvensen under ett dyk och på ytan direkt relaterad till arteriella hemodynamiska mönster.
Finval
En tidigare studie av de biomekaniska egenskaperna och dimensionerna hos aortaväggarna hos finvalar (Balaenoptera physalus) visade att under dykning med en hjärtfrekvens ≤10 slag/min, implementerar aortabågen en reservoareffekt (Windkessel effekt), som upprätthåller blodflödet under långa perioder diastoliska perioder* mellan hjärtslag och minskar pulsering av blodflödet in i den stela distala aortan.
Diastole* (diastolisk period) - perioden för avslappning av hjärtat mellan sammandragningar.
Alla ovan beskrivna hypoteser, teorier och slutsatser måste ha materiella bevis, det vill säga bekräftas eller vederläggas i praktiken. Men för att göra detta måste du utföra ett elektrokardiogram på en fritt rörlig blåval. Enkla metoder kommer inte att fungera här, så forskare har skapat sin egen enhet för elektrokardiografi.
En video där forskarna kort berättar om sitt arbete.
Valens EKG registrerades med hjälp av en skräddarsydd EKG-inspelare inbyggd i en speciell kapsel med 4 sugkoppar. Yt-EKG-elektroder byggdes in i två av sugkopparna. Forskarna tog en båt till Monterey Bay (Stilla havet, nära Kalifornien). När forskare äntligen träffade en blåval som hade dykt upp, fäste de en EKG-registrator på kroppen (bredvid dess vänstra fena). Enligt tidigare insamlade data är denna val en hane vid en ålder av 15 år. Det är viktigt att notera att denna enhet är icke-invasiv, det vill säga att den inte kräver införande av några sensorer eller elektroder i djurets hud. Det vill säga, för valen är denna procedur helt smärtfri och med minimal stress från kontakt med människor, vilket också är extremt viktigt, med tanke på att hjärtslagsavläsningar tas, vilket kan förvrängas på grund av stress. Resultatet blev en 8.5-timmars EKG-inspelning från vilken forskarna kunde bygga en pulsprofil (bild nedan).
Bild #1: Blåvals pulsprofil.
EKG-vågformen liknade den som registrerades hos små valar i fångenskap med samma enhet. Valens födosöksbeteende var ganska normalt för sin art: dykning i 16.5 minuter till ett djup av 184 m och ytintervall på 1 till 4 minuter.
Pulsprofilen, i överensstämmelse med det kardiovaskulära svaret på dyket, visade att hjärtfrekvenser mellan 4 och 8 slag per minut dominerade under den nedre fasen av födosöksdyken, oavsett dyklängd eller maximalt djup. Dykpuls (beräknad över hela dyktiden) och minsta momentana dykpuls minskade med dykets varaktighet, medan maximal ytpuls efter dyk ökade med dyktiden. Det vill säga, ju längre valen var under vatten, desto långsammare slog hjärtat under dyket och desto snabbare efter uppstigningen.
I sin tur anger allometriska ekvationer för däggdjur att en val som väger 70000 319 kg har ett hjärta som väger 80 kg, och dess slagvolym (volymen blod som kastas ut per slag) är cirka 15 l, därför bör vilopulsen vara XNUMX slag/ min.
Under dykens lägre faser var den momentana hjärtfrekvensen mellan 1/3 och 1/2 av den förutspådda vilopulsen. Pulsen ökade dock under uppstigningsstadiet. Vid ytintervaller var hjärtfrekvensen ungefär två gånger den förutsagda vilopulsen och varierade huvudsakligen från 30 till 37 bpm efter djupa dyk (>125 m djup) och från 20 till 30 bpm efter grundare dyk.
Denna observation kan indikera att acceleration av hjärtfrekvensen är nödvändig för att uppnå önskat andningsgasutbyte och reperfusion (återställande av blodflödet) av vävnader mellan djupdykning.
Grunda, kortvariga nattdyk var förknippade med vila och var därför vanligare i mindre aktiva tillstånd. Typiska hjärtfrekvenser som observeras under ett 5-minuters nattdyk (8 slag per minut) och det medföljande 2-minuters ytintervallet (25 slag per minut) kan kombineras för att resultera i en hjärtfrekvens på cirka 13 slag per minut. Denna siffra, som vi kan se, ligger anmärkningsvärt nära de uppskattade förutsägelserna av allometriska modeller.
Forskarna profilerade sedan hjärtfrekvens, djup och relativ lungvolym från fyra separata dyk för att undersöka de potentiella effekterna av fysisk aktivitet och djup på hjärtfrekvensreglering.
Bild #2: Hjärtfrekvens, djup och relativ lungvolymprofiler för 4 individuella dyk.
När valen äter mat på stora djup utför valen en viss utfallsmanöver - den öppnar skarpt munnen för att svälja vatten med plankton och filtrerar sedan bort maten. Det observerades att hjärtfrekvensen vid ögonblicket för att svälja vatten är 2.5 gånger högre än vid tidpunkten för filtrering. Detta talar direkt om hjärtfrekvensens beroende av fysisk aktivitet.
När det gäller lungorna är deras effekt på hjärtfrekvensen extremt osannolik, eftersom inga signifikanta förändringar i relativ lungvolym observerades under dyken i fråga.
Dessutom, i de lägre faserna av grunda dyk, var en kortvarig ökning av hjärtfrekvensen associerad just med förändringar i den relativa volymen av lungorna och kunde orsakas av aktivering av lungsträckreceptorn.
Genom att sammanfatta observationerna som beskrivits ovan kom forskare till slutsatsen att under matning på stora djup finns en kortvarig ökning av hjärtfrekvensen med 2.5 gånger. Den genomsnittliga topppulsen under matningsutfall var dock fortfarande bara hälften av det förväntade vilovärdet. Dessa data överensstämmer med hypotesen att de flexibla aortabågarna hos stora valar utövar en reservoareffekt under den långsamma hjärtfrekvensen vid dykning. Dessutom stödde utbudet av högre hjärtfrekvenser under perioden efter dyk hypotesen att aortaimpedans och hjärtarbetsbelastning minskar under ytintervallet på grund av destruktiv interferens av utgående och reflekterade tryckvågor i aortan.
Den svåra bradykardi som observerats av forskarna kan kallas ett oväntat resultat av studien, med tanke på valens enorma energiförbrukning på utfallsmanövern när den sväljer vatten med plankton. Men den metaboliska kostnaden för denna manöver kanske inte matchar hjärtfrekvensen eller konvektiv syretransport, delvis på grund av den korta matningstiden och den möjliga rekryteringen av glykolytiska, snabba muskelfibrer.
Under ett utfall accelererar blåvalar till höga hastigheter och absorberar en volym vatten som kan vara större än deras egen kropp. Forskare antar att det höga motståndet och energin som krävs för manöver snabbt tömmer ut kroppens totala syrereserver, vilket begränsar dyktiden. Den mekaniska kraft som krävs för att absorbera stora volymer vatten kommer sannolikt att vida överstiga den aeroba metaboliska kraften. Det är därför, under sådana manövrar, hjärtfrekvensen ökade, men under en mycket kort tid.
För en mer detaljerad bekantskap med studiens nyanser rekommenderar jag att titta på .
Epilog
Ett av de viktigaste fynden är att blåvalar kräver nästan maximala hjärtfrekvenser för gasutbyte och reperfusion under korta ytintervall, oavsett arten av blod- och muskelsyrebrist under dyk. Om vi anser att större blåvalar måste investera mer arbete under en kortare tidsperiod för att få mat (i enlighet med allometriska hypoteser), då möter de oundvikligen flera fysiologiska begränsningar både under dyket och under ytintervallet. Detta innebär att evolutionärt sett är storleken på deras kropp begränsad, eftersom om den var större skulle processen att skaffa mat bli mycket kostsam och inte kompenseras av den mat som tas emot. Forskarna själva tror att blåvalens hjärta arbetar på gränsen för dess förmåga.
I framtiden planerar forskare att utöka funktionerna för sin enhet, inklusive att lägga till en accelerometer för att bättre förstå effekten av olika fysiska aktiviteter på hjärtfrekvensen. De planerar också att använda sin EKG-sensor på annat marint liv.
Som den här studien visar är det inte lätt att vara den största varelsen med det största hjärtat. Men oavsett storleken på de marina invånarna, oavsett vilken diet de följer, måste vi förstå att vattenpelaren, som används av människor för fiske, utvinning och transport, förblir deras hem. Vi är bara gäster, och därför måste vi bete oss därefter.
Fredag off-top:
Sällsynta bilder av en blåval som visar kapaciteten i dess mun.
En annan jätte av haven är kaskeloten. I den här videon filmade forskare som använder en fjärrstyrd ROV Hercules en nyfiken kaskelot på ett djup av 598 meter.
Tack för att du läser, håll dig nyfiken och ha en trevlig helg grabbar! 🙂
Tack för att du stannar hos oss. Gillar du våra artiklar? Vill du se mer intressant innehåll? Stöd oss genom att lägga en beställning eller rekommendera till vänner, , 30 % rabatt för Habr-användare på en unik analog av nybörjarservrar, som uppfanns av oss för dig: (tillgänglig med RAID1 och RAID10, upp till 24 kärnor och upp till 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gånger billigare? Bara här i Nederländerna! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - från $99! Läs om
Källa: will.com