大自然擁有最生動的想像力這一說法是很難反駁的。 每一種動植物的代表都有其獨特的，有時甚至是奇怪的特徵，這些特徵往往無法融入我們的頭腦。 以同樣的螳螂蟹為例。 這種掠食性生物能夠用強大的爪子以 83 公里/小時的速度攻擊受害者或罪犯，它們的視覺系統是人類研究過的最複雜的系統之一。 螳螂小龍蝦雖然兇猛，但體型並不是特別大——長達35公分。 海洋以及地球上最大的居民是藍鯨。 這種哺乳動物的身長可達30多米，體重150噸。 儘管藍鯨的體型令人印象深刻，但它很難被稱為強大的獵手，因為… 他們更喜歡浮游生物。
藍鯨的解剖結構一直引起科學家的興趣，他們希望更了解如此巨大的生物體及其器官的工作原理。 儘管我們早在幾百年前就知道藍鯨的存在（更準確地說是從 1694 年開始），但這些龐然大物並沒有透露它們的所有秘密。 今天我們來看看一項研究，史丹佛大學的一組科學家開發了一種設備，用於獲取藍鯨心跳的第一個記錄。 海洋統治者的心臟是如何運作的，科學家有哪些發現，為什麼比藍鯨更大的生物體不能存在？ 我們從課題組的報告中了解到這一點。 去。
研究英雄
藍鯨是最大的哺乳類動物，最大的海洋居民，最大的動物，最大的鯨魚。 不得不說，藍鯨的體型確實是最頂尖的──長33米，重150噸。 這些數字是近似值，但同樣令人印象深刻。
就連這個巨人的頭部也值得在吉尼斯世界紀錄中單獨列出，因為它約佔身體總長度的 27%。 而且，藍鯨的眼睛相當小，不比柚子大。 如果你很難看到鯨魚的眼睛，那麼你會立刻注意到鯨魚的嘴。 藍鯨的嘴最多可以容納 100 個人（這是一個令人毛骨悚然的例子，但藍鯨不會吃人，至少不是故意的）。 嘴巴的大尺寸是由於美食偏好：鯨魚吃浮游生物，吞下大量的水，然後透過過濾裝置釋放出來，過濾掉食物。 在相當有利的情況下，藍鯨每天消耗約6噸浮游生物。
藍鯨的另一個重要特徵是它們的肺部。 它們能夠屏住呼吸 1 小時並潛入 100 m 的深度。但是，與其他海洋哺乳動物一樣，藍鯨會定期浮出水面呼吸。 當鯨魚浮出水面時，它們使用氣孔，這是由後腦勺兩個大開口（鼻孔）組成的呼吸孔。 當鯨魚透過氣孔呼氣時，常伴隨著高達10m高的垂直噴泉。考慮到鯨魚棲息地的特點，它們的肺的工作效率比我們的要高得多——鯨魚的肺吸收80-90%的水。氧氣，而我們的只有15%左右。 肺部的容積約為 3 公升，但人類的這個數字約為 3-6 公升。
新貝德福德（美國）博物館內的藍鯨心臟模型。
藍鯨的循環系統也充滿了創紀錄的參數。 例如，它們的血管非常巨大，光是主動脈的直徑就達40公分左右。藍鯨的心臟被認為是世界上最大的心臟，重約一噸。 鯨魚的心臟如此之大，其血液量也很大——成年鯨的血液量超過8000公升。
現在我們順利地來到了研究本身的本質。 正如我們已經了解的那樣，藍鯨的心臟很大，但跳動卻相當緩慢。 先前，人們認為脈搏約為每分鐘 5 至 10 次，極少數情況下可達 20 次。但迄今為止，還沒有人進行過準確測量。
史丹佛大學的科學家表示，尺度在生物學中非常重要，特別是在確定生物器官的功能特徵時。 從老鼠到鯨魚等各種生物的研究使我們能夠確定生物體不能超過的尺寸限制。 一般來說，心臟和心血管系統是此類研究的重要屬性。
在海洋哺乳動物中，其生理機能完全適應其生活方式，與潛水和屏住呼吸相關的適應發揮重要作用。 研究發現，許多此類生物的心率在潛水期間會降至低於靜止狀態的水平。 上升到水面後，心率變得更快。
潛水期間較低的心率對於降低向組織和細胞輸送氧氣的速度是必要的，從而減緩血液中氧氣儲備的消耗過程並減少心臟本身的耗氧量。
據推測，運動（即增加體力活動）可以調節潛水反應並增加潛水期間的心率。 這個假設對於藍鯨的研究尤其重要，因為由於特殊的進食方式（突然猛衝吞水），理論上代謝率應該超過基本值（靜止狀態） 50次。 據推測，這種弓步會加速氧氣消耗，從而減少潛水的持續時間。
由於此類身體活動的代謝成本，弓步期間心率的增加和從血液到肌肉的氧氣轉移的增加可能發揮重要作用。 此外，值得考慮的是低濃度 肌紅蛋白* (Mb) 在藍鯨（比其他海洋哺乳動物低 5-10 倍：藍鯨每 0.8 g-100 肌肉 1 g Mb，在其他海洋哺乳動物每 1.8 g-10 肌肉 XNUMX-XNUMX g Mb。
肌紅蛋白* - 骨骼肌和心肌的氧結合蛋白。
總之，體力活動、潛水深度和意志控制透過自主神經系統改變潛水過程中的心率。
降低心率的另一個因素可能是潛水/上升期間肺部的壓縮/擴張。
因此，潛水期間和水面上的心率與動脈血流動力學模式有直接關係。
長鬚鯨
先前對長鬚鯨主動脈壁的生物力學特性和尺寸的研究（鯨魚）表明，在心率≤10次/分鐘的潛水過程中，主動脈弓實現了蓄水池效應（風克塞爾效應），可長時間維持血液流動 舒張期* 心跳之間並減少流入僵硬的遠端主動脈的血流脈動。
舒張期* （舒張期）- 收縮之間心臟舒張的時期。
上述所有假設、理論和結論都必須有實物證據，即在實踐中得到證實或反駁。 但要做到這一點，你需要對自由移動的藍鯨進行心電圖檢查。 簡單的方法在這裡行不通，因此科學家創造了自己的心電圖設備。
研究人員在影片中簡要介紹了他們的工作。
鯨魚的心電圖是使用定制的心電圖記錄儀記錄的，該記錄儀內置在帶有 4 個吸盤的特殊膠囊中。 表面心電圖電極內建於兩個吸盤中。 研究人員乘船前往蒙特利灣（太平洋，靠近加利福尼亞州）。 當科學家最終見到一頭浮出水面的藍鯨時，他們在它的身體上（靠近它的左鰭）安裝了一個心電圖記錄器。 根據先前收集的數據，這頭鯨魚是一隻雄性，年齡15歲。 值得注意的是，該設備是非侵入性的，也就是說，它不需要將任何感測器或電極引入動物的皮膚中。 也就是說，對於鯨魚來說，這個過程完全無痛，並且與人接觸產生的壓力最小，這一點也極其重要，因為要獲取心跳讀數，而心跳讀數可能會因壓力而失真。 結果是 8.5 小時的心電圖記錄，科學家可以根據該記錄建立心率曲線（下圖）。
圖#1：藍鯨心率曲線。
心電圖波形與使用相同設備記錄的圈養小鯨魚的波形相似。 鯨魚的覓食行為對其物種來說相當正常：潛水 16.5 分鐘至 184 m 的深度，浮出水面的時間間隔為 1 至 4 分鐘。
心率曲線與心血管對潛水的反應一致，顯示在覓食潛水的較低階段，無論潛水持續時間或最大深度如何，心率在每分鐘 4 至 8 次之間占主導地位。 潛水心率（在整個潛水持續時間內計算）和最小瞬時潛水心率隨著潛水持續時間的增加而降低，而潛水後最大水面心率則隨著潛水持續時間的增加而增加。 也就是說，鯨魚在水下的時間越長，潛水時心跳越慢，上浮後心跳越快。
反過來，哺乳動物的異速生長方程式表明，重70000公斤的鯨魚的心臟重319公斤，每搏輸出量（每次跳動排出的血液量）約為80公升，因此，靜止心率應為15次/分鐘。
在潛水的較低階段，瞬時心率在預測靜止心率的 1/3 到 1/2 之間。 然而，在上升階段心率增加。 在水面間隔時，心率大約是預測靜止心率的兩倍，深潛（>30 m 深度）後心率主要為 37 至 125 bpm，較淺潛水後主要為 20 至 30 bpm。
這項觀察結果可能表明，為了在深潛之間實現所需的呼吸氣體交換和組織再灌注（恢復血流），心率加快是必要的。
淺層、短時間的夜間潛水與休息有關，因此在不太活躍的狀態下更為常見。 在 5 分鐘夜潛期間觀察到的典型心率（每分鐘 8 次）和伴隨的 2 分鐘水面間隔（每分鐘 25 次）結合起來可得出每分鐘約 13 次心率。 正如我們所看到的，這個數字非常接近異速生長模型的估計預測。
然後，科學家分析了 4 次獨立潛水的心率、深度和相對肺容量，以檢查體力活動和深度對心率調節的潛在影響。
圖#2：4 次單獨潛水的心率、深度和相對肺容量曲線。
當鯨魚在很深的地方吃食物時，鯨魚會執行某種弓箭步動作——它猛地張開嘴吞下帶有浮游生物的水，然後過濾掉食物。 據觀察，吞嚥水時的心率比過濾時高2.5倍。 這直接說明了心率對身體活動的依賴。
至於肺部，它們對心率的影響極不可能，因為在相關潛水期間沒有觀察到相對肺容量的顯著變化。
此外，在淺潛水的較低階段，心率的短期增加與肺部相對體積的變化精確相關，並且可能是由肺部牽張感受器的活化引起的。
總結上述觀察結果，科學家們得出的結論是，在深海進食期間，心率會在短期內增加 2.5 倍。 然而，餵食期間的平均峰值心率仍然只有預測靜止值的一半。 這些數據與大型鯨魚靈活的主動脈弓在潛水的慢心率期間發揮儲庫效應的假設是一致的。 此外，潛水後期間較高的心率範圍支持了這樣的假設：由於主動脈中傳出和反射的壓力波的破壞性幹擾，主動脈阻抗和心臟工作負荷在水面間隔期間減少。
研究人員觀察到的嚴重心搏過緩可以說是一項意外的研究結果，因為鯨魚在與浮游生物一起吞嚥水的過程中進行弓箭步動作時消耗了巨大的能量。 然而，這種操作的代謝成本可能與心率或對流氧氣輸送不匹配，部分原因是餵食持續時間短以及可能招募糖酵解、快肌纖維。
在衝刺過程中，藍鯨會加速並吸收比自身身體還要大的水量。 科學家推測，機動所需的高阻力和能量會迅速耗盡身體的總氧氣儲備，從而限制潛水時間。 吸收大量水分所需的機械力可能遠超過有氧代謝力。 這就是為什麼在這樣的操作過程中，心率會增加，但持續時間很短。
為了更詳細地了解這項研究的細微差別，我建議看看 .
尾聲
最重要的發現之一是，無論潛水期間血液和肌肉缺氧的性質如何，藍鯨在短的水面間隔期間都需要接近最大的心率來進行氣體交換和再灌注。 如果我們認為較大的藍鯨必須在更短的時間內投入更多的勞動力來獲取食物（根據異速生長假設），那麼它們在潛水和水面期間都不可避免地面臨一些生理限制。 這意味著從演化角度來說，它們的身體大小是有限的，因為如果身體更大，獲取食物的過程將非常昂貴，並且無法透過收到的食物來補償。 研究人員自己認為，藍鯨的心臟正在發揮能力的極限。
未來，科學家計劃擴展其設備的功能，包括添加加速計，以便更好地了解不同身體活動對心率的影響。 他們還計劃將心電圖感測器用於其他海洋生物。
正如這項研究表明的那樣，成為擁有最大心臟的最大生物並不容易。 然而，無論海洋居民有多大，無論他們堅持什麼飲食，我們都需要明白，人類用於捕魚、開採和運輸的水體仍然是他們的家。 我們只是客人，因此我們必須表現得相應。
週五關閉：
藍鯨展示其嘴巴容量的罕見鏡頭。
另一個海洋巨人是抹香鯨。 在這段影片中，科學家使用遠程遙控 ROV Hercules 在 598 公尺深處拍攝了一隻好奇的抹香鯨。
感謝收看，保持好奇心，祝大家週末愉快！ 🙂
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來源： www.habr.com