大自然拥有最生动的想象力这一说法是很难反驳的。 每一种动植物的代表都有其独特的，有时甚至是奇怪的特征，这些特征往往无法融入我们的头脑。 以同样的螳螂蟹为例。 这种掠食性生物能够用强大的爪子以 83 公里/小时的速度攻击受害者或罪犯，它们的视觉系统是人类研究过的最复杂的系统之一。 螳螂小龙虾虽然凶猛，但体型并不是特别大——长达35厘米。 海洋以及地球上最大的居民是蓝鲸。 这种哺乳动物的长度可达30多米，体重150吨。 尽管蓝鲸的体型令人印象深刻，但它很难被称为强大的猎手，因为…… 他们更喜欢浮游生物。
蓝鲸的解剖结构一直引起科学家的兴趣，他们希望更好地了解如此巨大的生物体及其器官的工作原理。 尽管我们早在几百年前就知道蓝鲸的存在（更准确地说是从 1694 年开始），但这些庞然大物并没有透露它们的所有秘密。 今天我们来看看一项研究，斯坦福大学的一组科学家开发了一种设备，用于获取蓝鲸心跳的第一个记录。 海洋统治者的心脏是如何工作的，科学家有哪些发现，为什么比蓝鲸更大的生物体不能存在？ 我们从课题组的报告中了解到这一点。 去。
研究英雄
蓝鲸是最大的哺乳动物，最大的海洋居民，最大的动物，最大的鲸鱼。 不得不说，蓝鲸的体型确实是最顶尖的——长33米，重150吨。 这些数字是近似值，但同样令人印象深刻。
就连这个巨人的头部也值得在吉尼斯世界纪录中单独列出，因为它约占身体总长度的 27%。 而且，蓝鲸的眼睛相当小，不比柚子大。 如果你很难看到鲸鱼的眼睛，那么你会立即注意到鲸鱼的嘴。 蓝鲸的嘴最多可以容纳 100 个人（这是一个令人毛骨悚然的例子，但蓝鲸不会吃人，至少不是故意的）。 嘴巴的大尺寸是由于美食偏好：鲸鱼吃浮游生物，吞下大量的水，然后通过过滤装置释放出来，过滤掉食物。 在相当有利的情况下，蓝鲸每天消耗约6吨浮游生物。
蓝鲸的另一个重要特征是它们的肺部。 它们能够屏住呼吸 1 小时并潜入 100 m 的深度。但是，与其他海洋哺乳动物一样，蓝鲸会定期浮出水面呼吸。 当鲸鱼浮出水面时，它们使用气孔，这是由后脑勺两个大开口（鼻孔）组成的呼吸孔。 鲸鱼通过气孔呼气时，常常伴随着高达10m高的垂直喷泉。考虑到鲸鱼栖息地的特点，它们的肺的工作效率比我们的要高得多——鲸鱼的肺吸收80-90%的水。氧气，而我们的只有15%左右。 肺部的容积约为 3 升，但人类的这个数字约为 3-6 升。
新贝德福德（美国）博物馆内的蓝鲸心脏模型。
蓝鲸的循环系统也充满了创纪录的参数。 例如，它们的血管非常巨大，仅主动脉的直径就达40厘米左右。蓝鲸的心脏被认为是世界上最大的心脏，重约一吨。 鲸鱼的心脏如此之大，其血液量也很大——成年鲸的血液量超过8000升。
现在我们顺利地来到了研究本身的本质。 正如我们已经了解的那样，蓝鲸的心脏很大，但跳动却相当缓慢。 此前，人们认为脉搏约为每分钟 5 至 10 次，极少数情况下可达 20 次。但迄今为止，还没有人进行过准确测量。
斯坦福大学的科学家表示，尺度在生物学中非常重要，特别是在确定生物器官的功能特征时。 对从老鼠到鲸鱼等各种生物的研究使我们能够确定生物体不能超过的尺寸限制。 一般来说，心脏和心血管系统是此类研究的重要属性。
在海洋哺乳动物中，其生理机能完全适应其生活方式，与潜水和屏住呼吸相关的适应发挥着重要作用。 研究发现，许多这些生物的心率在潜水期间会降至低于静息状态的水平。 上升到水面后，心率变得更快。
潜水期间较低的心率对于降低向组织和细胞输送氧气的速度是必要的，从而减缓血液中氧气储备的消耗过程并减少心脏本身的耗氧量。
据推测，运动（即增加体力活动）可以调节潜水反应并增加潜水期间的心率。 这一假设对于蓝鲸的研究尤其重要，因为由于特殊的进食方式（突然猛冲吞水），理论上代谢率应该超过基本值（静息状态） 50次。 据推测，这种弓步会加速氧气消耗，从而减少潜水的持续时间。
由于此类身体活动的代谢成本，弓步期间心率的增加和从血液到肌肉的氧气转移的增加可能发挥重要作用。 此外，值得考虑的是低浓度 肌红蛋白* (Mb) 在蓝鲸中（比其他海洋哺乳动物低 5-10 倍：蓝鲸每 0.8 g-100 肌肉 1 g Mb，在其他海洋哺乳动物中每 1.8 g-10 肌肉 XNUMX-XNUMX g Mb。
肌红蛋白* - 骨骼肌和心肌的氧结合蛋白。
总之，体力活动、潜水深度和意志控制通过自主神经系统改变潜水过程中的心率。
降低心率的另一个因素可能是潜水/上升期间肺部的压缩/扩张。
因此，潜水期间和水面上的心率与动脉血流动力学模式直接相关。
长须鲸
先前对长须鲸主动脉壁的生物力学特性和尺寸的研究（平纹夜蛾）表明，在心率≤10次/分钟的潜水过程中，主动脉弓实现了蓄水池效应（风克塞尔效应），可长时间维持血液流动 舒张期* 心跳之间并减少流入僵硬的远端主动脉的血流脉动。
舒张期* （舒张期）- 收缩之间心脏舒张的时期。
上述所有假设、理论和结论都必须有实物证据，即在实践中得到证实或反驳。 但要做到这一点，你需要对自由移动的蓝鲸进行心电图检查。 简单的方法在这里行不通，因此科学家们创造了自己的心电图设备。
研究人员在视频中简要介绍了他们的工作。
鲸鱼的心电图是使用定制的心电图记录仪记录的，该记录仪内置在带有 4 个吸盘的特殊胶囊中。 表面心电图电极内置于两个吸盘中。 研究人员乘船前往蒙特利湾（太平洋，靠近加利福尼亚州）。 当科学家最终见到一头浮出水面的蓝鲸时，他们在它的身体上（靠近它的左鳍）安装了一个心电图记录仪。 根据之前收集的数据，这头鲸鱼是一头雄性，年龄15岁。 值得注意的是，该设备是非侵入性的，也就是说，它不需要将任何传感器或电极引入动物的皮肤中。 也就是说，对于鲸鱼来说，这个过程完全无痛，并且与人接触产生的压力最小，这一点也极其重要，因为要获取心跳读数，而心跳读数可能会因压力而失真。 结果是 8.5 小时的心电图记录，科学家们可以根据该记录建立心率曲线（下图）。
图片#1：蓝鲸心率曲线。
心电图波形与使用同一设备记录的圈养小鲸鱼的波形相似。 鲸鱼的觅食行为对其物种来说相当正常：潜水 16.5 分钟至 184 m 的深度，浮出水面的时间间隔为 1 至 4 分钟。
心率曲线与心血管对潜水的反应一致，表明在觅食潜水的较低阶段，无论潜水持续时间或最大深度如何，心率在每分钟 4 至 8 次之间占主导地位。 潜水心率（在整个潜水持续时间内计算）和最小瞬时潜水心率随着潜水持续时间的增加而降低，而潜水后最大水面心率则随着潜水持续时间的增加而增加。 也就是说，鲸鱼在水下的时间越长，潜水时心跳越慢，上浮后心跳越快。
反过来，哺乳动物的异速生长方程表明，重70000公斤的鲸鱼的心脏重319公斤，每搏输出量（每次跳动排出的血液量）约为80升，因此，静息心率应为15次/分钟。
在潜水的较低阶段，瞬时心率在预测静息心率的 1/3 到 1/2 之间。 然而，在上升阶段心率增加。 在水面间隔时，心率大约是预测静息心率的两倍，深潜（>30 m 深度）后心率主要为 37 至 125 bpm，较浅潜水后主要为 20 至 30 bpm。
这一观察结果可能表明，为了在深潜之间实现所需的呼吸气体交换和组织再灌注（恢复血流），心率加快是必要的。
浅层、短时间的夜间潜水与休息有关，因此在不太活跃的状态下更为常见。 在 5 分钟夜潜期间观察到的典型心率（每分钟 8 次）和伴随的 2 分钟水面间隔（每分钟 25 次）结合起来可得出每分钟约 13 次心率。 正如我们所看到的，这个数字非常接近异速生长模型的估计预测。
然后，科学家们分析了 4 次独立潜水的心率、深度和相对肺容量，以检查体力活动和深度对心率调节的潜在影响。
图片#2：4 次单独潜水的心率、深度和相对肺容量曲线。
当鲸鱼在很深的地方吃食物时，鲸鱼会执行某种弓步动作——它猛地张开嘴吞下带有浮游生物的水，然后过滤掉食物。 据观察，吞咽水时的心率比过滤时高2.5倍。 这直接说明了心率对身体活动的依赖性。
至于肺部，它们对心率的影响极不可能，因为在相关潜水期间没有观察到相对肺容量的显着变化。
此外，在浅潜的较低阶段，心率的短期增加与肺部相对体积的变化精确相关，并且可能是由肺部牵张感受器的激活引起的。
总结上述观察结果，科学家们得出的结论是，在深海进食期间，心率会在短期内增加 2.5 倍。 然而，喂食期间的平均峰值心率仍然只有预测静息值的一半。 这些数据与大型鲸鱼灵活的主动脉弓在潜水的慢心率期间发挥储库效应的假设是一致的。 此外，潜水后期间较高的心率范围支持了这样的假设：由于主动脉中传出和反射的压力波的破坏性干扰，主动脉阻抗和心脏工作负荷在水面间隔期间减少。
研究人员观察到的严重心动过缓可以说是一项意外的研究结果，因为鲸鱼在与浮游生物一起吞咽水的过程中进行弓步动作时消耗了巨大的能量。 然而，这种操作的代谢成本可能与心率或对流氧气输送不匹配，部分原因是喂养持续时间短以及可能招募糖酵解、快肌纤维。
在冲刺过程中，蓝鲸会加速并吸收比自身身体还大的水量。 科学家推测，机动所需的高阻力和能量会迅速耗尽身体的总氧气储备，从而限制潜水时间。 吸收大量水所需的机械力可能远远超过有氧代谢力。 这就是为什么在这样的操作过程中，心率会增加，但持续时间很短。
为了更详细地了解这项研究的细微差别，我建议查看 .
结语
最重要的发现之一是，无论潜水期间血液和肌肉缺氧的性质如何，蓝鲸在短的水面间隔期间都需要接近最大的心率来进行气体交换和再灌注。 如果我们认为较大的蓝鲸必须在更短的时间内投入更多的劳动力来获取食物（根据异速生长假设），那么它们在潜水和水面期间不可避免地面临一些生理限制。 这意味着从进化角度来说，它们的身体大小是有限的，因为如果身体更大，获取食物的过程将非常昂贵，并且无法通过收到的食物来补偿。 研究人员自己认为，蓝鲸的心脏正在发挥其能力的极限。
未来，科学家计划扩展其设备的功能，包括添加加速计，以更好地了解不同身体活动对心率的影响。 他们还计划将心电图传感器用于其他海洋生物。
正如这项研究表明的那样，成为拥有最大心脏的最大生物并不容易。 然而，无论海洋居民有多大，无论他们坚持什么饮食，我们都需要明白，人类用于捕鱼、开采和运输的水体仍然是他们的家园。 我们只是客人，因此我们必须表现得相应。
周五非顶：
蓝鲸展示其嘴巴容量的罕见镜头。
另一个海洋巨人是抹香鲸。 在这段视频中，科学家使用远程遥控 ROV Hercules 在 598 米深处拍摄到了一只好奇的抹香鲸。
感谢您的阅读，保持好奇心，祝大家周末愉快！ 🙂
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来源： habr.com