Складно сперечатися із твердженням, що найяскравішою уявою має саме природа. Кожен із представників флори і фауни має свої унікальні, а часом навіть дивні особливості, які часто не вкладаються у нас в голові. Взяти, наприклад, того ж раку-богомола. Це хижа створення здатне атакувати жертву або кривдника своїми потужними клешнями зі швидкістю 83 км/год, а їх зорова система одна з найскладніших вивчених людиною. Раки-богомоли, хоч і затяті, але не особливо великі - до 35 см завдовжки. Найбільшим ж мешканців морів та океанів, як загалом і планети, є синій кит. Довжина цього ссавця може сягати понад 30 метрів, а вага 150 тонн. Попри значні габарити, синіх китів важко назвати грізними мисливцями, т.к. вони віддають перевагу планктону.
Анатомія синіх китів завжди цікавила вчених, які бажають краще зрозуміти, як працює такий величезний організм та органи у ньому. Незважаючи на те, що про існування синіх китів ми знаємо вже кілька сотень років (з 1694, якщо точніше), ці гіганти розкрили далеко не всі свої секрети. Сьогодні ми з вами познайомимося з дослідженням, у якому група вчених зі Стенфордського університету розробила пристрій, за допомогою якого було отримано перші записи серцебиття синього кита. Як же працює серце повелителя морів, які відкриття зробили вчені, і чому не може існувати більший організм, ніж синій кит? Про це ми дізнаємось із доповіді дослідницької групи. Поїхали.
Герой дослідження
Синій кит - найбільше ссавець, найбільший мешканець морів і океанів, найбільша тварина, найбільший кит. Що тут скажеш, синій кит дійсно самий з погляду габаритів - довжина 33 метри, а вага 150 тонн. Цифри приблизні, але від того не менш значні.
Навіть голова цього гіганта заслуговує на окремий рядок у книзі рекордів Гіннеса, оскільки займає близько 27% від загальної довжини тіла. При цьому очі у синіх китів досить маленькі, не більше за грейпфрут. Якщо очі кита вам побачити буде складно, то рота ви помітите відразу. Паща синього кита може вмістити до 100 осіб (жахливий приклад, але людей сині кити не їдять, принаймні, навмисно). Великий розмір рота обумовлений гастрономічними уподобаннями: кити їдять планктон, заковтуючи величезні обсяги води, яку потім випускають через цедильний апарат, фільтруючи їжу. За досить сприятливих обставин синій кит поглинає щодня близько 6 тонн планктону.
Іншою важливою особливістю синіх китів є їхні легені. Вони здатні затримувати дихання на 1 годину і пірнати на глибину до 100 м. Але, як і інші морські ссавці, сині кити періодично виринають на поверхню води, щоб подихати. Піднявшись на поверхню води, кити використовують дихало - дихальний отвір з двох великих отворів (ніздрів) на задній частині голови. Видих кита через дихало часто супроводжується вертикальним фонтаном води висотою до 10 м. Враховуючи особливості житла китів, їх легені працюють значно ефективніше за наші — легені кита поглинають 80-90% кисню, а наші лише близько 15%. Об'єм легень складає близько 3 тисяч літрів, у людини цей показник варіюється в районі 3-6 літрів.
Модель серця синього кита в музеї Нью-Бедфорд (США).
Кровоносна система синього кита також сповнена рекордних параметрів. Наприклад, судини у них просто величезні, діаметр однієї лише аорти становить близько 40 см. Серце синіх китів вважається найбільшим серцем у світі і важить близько тонни. З таким великим серцем у кита та крові багато – понад 8000 літрів у дорослої особини.
І ось ми плавно підійшли до суті самого дослідження. Серце синього кита велике, як ми зрозуміли, але б'ється воно досить повільно. Раніше вважалося, що пульс становить близько 5-10 ударів на хвилину, в окремих випадках до 20. Але точних вимірів ніхто не проводив, досі.
Вчені зі Стенфордського університету заявляють, що масштаб у біології має величезне значення, якщо йдеться про визначення функціональних особливостей органів живих істот. Вивчення різних істот, від мишей до китів, дозволяє визначити обмеження щодо габаритів, які живий організм не може перевищити. А серце та серцево-судинна система загалом є важливими атрибутами таких досліджень.
У морських ссавців, фізіологія яких повністю адаптувалася до їхнього способу життя, важливу роль відіграють адаптації, пов'язані з пірнанням і затримкою дихання. Було встановлено, що у багатьох таких істот під час занурення частота серцевого ритму знижується до рівнів нижче стану спокою. А піднявшись на поверхню, ритм серця стає більш прискореним.
Знижене серцебиття під час занурень необхідне зниження швидкості доставки кисню у тканини і клітини, цим уповільнюється процес виснаження кисневих запасів у крові та знижуючи споживання кисню самим серцем.
Існує гіпотеза, що вправи (тобто підвищена фізична активність) модулюють реакцію на занурення та збільшують частоту серцевих скорочень під час занурення. Ця гіпотеза особливо важлива для дослідження синіх китів, так як через особливий спосіб харчування (різкого випаду для заковтування води) швидкість метаболізму, в теорії, повинна перевищувати базові значення (стан спокою) в 50 разів. Передбачається, що такі випади прискорюють виснаження кисню, отже, знижуючи тривалість занурення.
Підвищена частота серцевого ритму та підвищена передача кисню від крові до м'язів під час випаду можуть відігравати важливу роль через метаболічні витрати під час такої фізичної активності. Крім того, варто враховувати і низьку концентрацію міоглобіну* (Mb) у синіх китів (у 5-10 разів нижче, ніж у інших морських ссавців: 0.8 г Mb на 100 г-1 м'язи у синіх китів та 1.8-10 г Mb у інших морських ссавців.
Міоглобін* — киснезв'язуючий білок скелетних м'язів та м'язи серця.
Як висновок, фізичне навантаження, глибина занурення та вольовий контроль змінюють частоту серцевих скорочень під час занурення через вегетативну нервову систему.
Додатковим фактором зниження частоти серцевого ритму може бути стиснення/розширення легенів під час занурення/спливання.
Таким чином, частота серцевих скорочень протягом занурення та під час перебування на поверхні безпосередньо відноситься до моделей артеріальної гемодинаміки.
Финвал
Раніше проведене дослідження біомеханічних властивостей та розмірів стінок аорти у фіналі (Balaenoptera physalus) показало, що під час занурень при частоті серцевих скорочень ≤10 уд/хв дуга аорти реалізує ефект резервуару (Windkessel effekt), який підтримує кровотік протягом довгих діастолічних періодів* між серцевими скороченнями та зменшує пульсацію кров'яного потоку у жорстку дистальну аорту.
Діастола* (Діастолічний період) - період розслаблення серця між скороченнями.
Усі вищеописані гіпотези, теорії та умовиводи повинні мати матеріальні докази, тобто бути підтверджені чи спростовані практично. Але для цього потрібно провести електрокардіографію синього кита, що вільно пересувається. Прості методи тут не спрацюють, тому вчені створили свій прилад для електрокардіографії.
Відео, в якому дослідники коротко розповідають про свою працю.
ЕКГ кита реєструвалася з використанням виготовленого на замовлення реєстратора ЕКГ, вбудованого у спеціальну капсулу на 4 присосках. Поверхневі електроди ЕКГ були вбудовані в дві присоски. Дослідники вирушили на човні до затоки Монтерей (Тихий океан, поруч із Каліфорнією). Коли вченим нарешті зустрівся синій кит, що сплив до поверхні води, вони прикріпили до його тіла (поруч із лівим плавцем) ЕКГ-реєстратор. За раніше зібраними даними, цей кит є самцем у віці 15 років. Важливо, що цей пристрій є неінвазивним, тобто не вимагає впровадження в шкіру тварини будь-яких датчиків або електродів. Тобто для кита ця процедура абсолютно безболісна і з мінімальним стресом від контакту з людьми, що також вкрай важливо з огляду на те, що знімаються показання серцебиття, які могли б бути спотворені через стрес. В результаті було отримано 8.5-годинний ЕКГ запис, за яким вчені змогли побудувати профіль серцевого ритму (зображення нижче).
Зображення №1: профіль серцевого ритму синього кита.
Форма ЕКГ сигналу була аналогічна до тієї, яка була записана у дрібних китів у неволі за допомогою того ж пристрою. Поведінка кита під час пошуків їжі була цілком звичайною для його виду: занурення протягом 16.5 хвилин до глибини 184 м і поверхневі інтервали від 1 до 4 хвилин.
Профіль серцевого ритму, відповідно до серцево-судинної відповіді на занурення, показав, що частота серцевих скорочень від 4 до 8 ударів на хвилину переважала в нижній фазі занурень при пошуку їжі незалежно від тривалості занурення або максимальної глибини. Частота серцевих скорочень при зануренні (розраховується по всій тривалості занурення) і мінімальна миттєва частота серцевих скорочень під час занурення знижувалися тривалістю занурення, тоді як максимальна поверхнева частота серцевих скорочень після занурення збільшувалася з тривалістю занурення. Тобто чим довше кит був під водою, тим повільніше билося серце під час занурення і швидше після випливання.
У свою чергу, аллометричні рівняння по ссавцям стверджують, що кит вагою 70000 кг має серце вагою 319 кг, а його ударний об'єм (об'єм крові, що викидається за удар) дорівнює близько 80 л, отже, частоту серцевих скорочень у спокої має бути 15 уд/ хв.
Під час нижніх фаз занурень миттєва частота серцевих скорочень становила від 1/3 до 1/2 прогнозованої частоти серцевих скорочень у спокої. Проте ритм серця зростав етапі спливання. У поверхневих інтервалах частота серцевих скорочень приблизно вдвічі перевищувала прогнозовану частоту серцевих скорочень у спокої і переважно варіювалася від 30 до 37 ударів на хвилину після глибоких занурень (> 125-метрової глибини) і від 20 до 30 ударів на хвилину після дрібніших пог.
Дане спостереження може говорити про те, що прискорення серцевих скорочень необхідне досягнення потрібного дихального газообміну та реперфузії (відновлення струму крові) тканин між глибокими зануреннями.
Неглибокі короткочасні нічні занурення пов'язані з відпочинком і, отже, більш характерні менш активного стану. Типові частоти серцевих скорочень, що спостерігаються при 5-хвилинному нічному зануренні (8 ударів на хвилину) і супроводжує його 2-хвилинному поверхневому інтервалі (25 ударів на хвилину), можуть у сукупності призвести до того, що ритм серця буде близько 13 ударів на хвилину. Ця цифра, як ми можемо бачити, напрочуд близька до розрахункових передбачень аллометричних моделей.
Далі вчені побудували профілі частоти серцевих скорочень, глибини та відносного обсягу легких 4 окремих занурень, аналіз яких дозволив вивчити потенційний вплив фізичної активності та глибини на регуляцію серцевого ритму.
Зображення №2: профілі частоти серцевих скорочень, глибини та відносного об'єму легких 4 окремих занурень.
Під час вживання їжі на великих глибинах кит робить певний маневр випаду - різко розкриває пащу для заковтування води з планктоном, а потім відфільтровує їжу. Було помічено, що частота серцевих скорочень у момент заковтування води у 2.5 рази вище, ніж у момент фільтрації. Це прямо говорить про залежність ритму серця від фізичного навантаження.
Що ж до легенів, їх вплив на серцевий ритм вкрай малоймовірно, оскільки був помічено значних змін відносного обсягу легень під час аналізованих занурень.
При цьому в нижніх фазах неглибоких занурень короткочасне збільшення частоти серцевих скорочень було пов'язане саме зі змінами відносного об'єму легень та могло бути спричинене активацією рецептора розтягування легень.
Підсумовуючи вищеописані спостереження, вчені дійшли висновку, що під час годівлі великих глибинах спостерігається нетривале збільшення частоти серцевих скорочень в 2.5 разу. Тим не менш, середня пікова частота серцевих скорочень під час випадів у момент годування все ще становила лише половину прогнозованої величини у спокої. Ці дані узгоджуються з гіпотезою у тому, що гнучкі дуги аорти великих китів реалізують ефект резервуара під час повільного серцевого ритму під час занурення. Крім цього, діапазон вищих серцевих скорочень у період після занурення підтвердив гіпотезу про те, що імпеданс аорти та навантаження на серце знижуються протягом поверхневого інтервалу через деструктивне втручання вихідних та відбитих хвиль тиску в аорті.
Сильну брадикардію, яку спостерігали дослідники, можна назвати несподіваним результатом дослідження з огляду на колосальну витрату сил кита на маневр випаду під час заковтування води з планктоном. Однак, метаболічні витрати цього маневру можуть не відповідати частоті серцевих скорочень або конвективному транспорту кисню частково через коротку тривалість годування і можливого залучення гліколітичних м'язових волокон, що швидко скорочуються.
Під час випаду сині кити розганяються до високої швидкості і поглинають об'єм води, який може бути більшим за їх власне тіло. Вчені припускають, що високий опір та енергія, необхідна для маневру, швидко виснажують загальні запаси кисню в організмі, ніж обмежують час занурення. Механічна сила, необхідна поглинання великих обсягів води, ймовірно, набагато перевищує аеробну метаболічну силу. Саме тому під час таких маневрів частота серцевих скорочень хоч і збільшувалася, але на дуже нетривалий час.
Для більш детального ознайомлення з нюансами дослідження рекомендую заглянути у .
Епілог
Одним із найважливіших висновків є те, що для обміну газу та реперфузії під час коротких поверхневих інтервалів синім китам потрібна майже максимальна частота серцевих скорочень, незалежно від характеру виснаження запасів кисню в крові та м'язах під час занурень. Якщо ж врахувати, що більші особини синіх китів для отримання їжі повинні вкладати більше праці за менший період часу (відповідно до гіпотез аллометрії), то вони неминуче стикаються з декількома фізіологічними обмеженнями як протягом занурення, так і під час поверхневого інтервалу. А це означає, що еволюційно розмір їх тіла обмежений, оскільки якби воно більше, то процес отримання їжі був би дуже витратним і не компенсувався отриманою їжею. Самі дослідники вважають, що серце синього кита працює на межі своїх можливостей.
Надалі вчені планують розширити можливості свого пристрою, зокрема додати акселерометр, щоб краще розуміти вплив різної фізичної активності на серцевий ритм. Також вони планують застосувати свій ЕКГ-датчик інших морських жителях.
Як показало це дослідження, бути найбільшою істотою з найбільшим серцем — не так просто. Тим не менш, яких би габаритів не були морські жителі, якої б дієти вони не дотримувалися, нам необхідно розуміти, що товща води, яка використовується людиною для промислу, видобутку та транспортування, залишається їхньою домівкою. Ми ж лише гості, а тому маємо поводитися відповідно.
П'ятничний офф-топ:
Рідкісні кадри, на яких синій кит демонструє місткість свого рота.
Ще одним велетнем морів є кашалот. У цьому відео вчені за допомогою дистанційно керованого ROV Hercules на глибині 598 метрів зняли цікавого кашалоту.
Дякую за увагу, залишайтесь цікавими та відмінними всім вихідними, хлопці! 🙂
Дякую, що залишаєтеся з нами. Вам подобаються наші статті? Бажаєте бачити більше цікавих матеріалів? Підтримайте нас, оформивши замовлення або порекомендувавши знайомим, , 30% знижка для користувачів Хабра на унікальний аналог entry-level серверів, який був винайдений нами для Вас: (Доступні варіанти з RAID1 і RAID10, до 24 ядер і до 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 рази дешевше? Тільки в нас у Нідерландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – від $99! Читайте про те
Джерело: habr.com