El pequeño secreto de un gran corazón: el primer cardiograma de ballena azul de la historia

Es difícil discutir con la afirmación de que es la naturaleza la que tiene la imaginación más vívida. Cada uno de los representantes de la flora y la fauna tiene sus propias características únicas y, a veces, incluso extrañas que a menudo no caben en nuestras cabezas. Tomemos, por ejemplo, el mismo camarón mantis. Esta criatura depredadora es capaz de atacar a la víctima o al delincuente con sus poderosas garras a una velocidad de 83 km / h, y su sistema visual es uno de los más difíciles jamás estudiados por el hombre. Cangrejo de río Mantis, aunque furioso, pero no muy grande, hasta 35 cm de longitud. El habitante más grande de los mares y océanos, como en todo el planeta, es la ballena azul. La longitud de este mamífero puede alcanzar más de 30 metros y un peso de 150 toneladas. A pesar de las impresionantes dimensiones, es difícil llamar a los cazadores formidables de ballenas azules, ya que Prefieren el plancton.

La anatomía de las ballenas azules siempre ha interesado a los científicos que desean comprender mejor cómo funcionan en ella un organismo y órganos tan enormes. A pesar del hecho de que hemos sabido sobre la existencia de ballenas azules durante varios cientos de años (desde 1694, para ser más precisos), estos gigantes no han revelado todos sus secretos. Hoy nos reuniremos con usted en un estudio en el que un grupo de científicos de la Universidad de Stanford desarrolló un dispositivo con el que se obtuvieron los primeros registros del latido del corazón de una ballena azul. ¿Cómo funciona el corazón del señor de los mares, qué descubrimientos han hecho los científicos y por qué no puede existir un organismo más grande que una ballena azul? Aprendemos sobre esto del informe del grupo de investigación. Vamos

Héroe de investigación

La ballena azul es el mamífero más grande, el habitante más grande de los mares y océanos, el animal más grande, la ballena más grande. ¿Qué puedo decir? La ballena azul es realmente la más importante desde el punto de vista de las dimensiones: la longitud es de 33 metros y el peso es de 150 toneladas. Las cifras son aproximadas, pero no menos impresionantes.



Incluso el jefe de este gigante merece una línea separada en el Libro Guinness de los Récords, ya que ocupa alrededor del 27% de la longitud total del cuerpo. En este caso, los ojos de las ballenas azules son lo suficientemente pequeños, no más que la toronja. Si los ojos de la ballena son difíciles de ver, notará su boca de inmediato. La boca de una ballena azul puede acomodar hasta 100 personas (un ejemplo espeluznante, pero las ballenas azules no comen personas, al menos intencionalmente). El gran tamaño de la boca se debe a las preferencias gastronómicas: las ballenas comen plancton, tragan grandes volúmenes de agua, que luego liberan a través de un aparato de filtración, filtrando los alimentos. En circunstancias bastante favorables, una ballena azul absorbe alrededor de 6 toneladas de plancton por día.



Otra característica importante de las ballenas azules son sus pulmones. Son capaces de contener la respiración durante 1 hora y bucear a una profundidad de 100 m. Pero, al igual que otros mamíferos marinos, las ballenas azules emergen periódicamente en la superficie del agua para respirar. Al subir a la superficie del agua, las ballenas utilizan el orificio de respiración de dos orificios grandes (fosas nasales) en la parte posterior de la cabeza. La exhalación de ballenas a través de la espira a menudo va acompañada de una fuente vertical de agua de hasta 10 m de altura. Teniendo en cuenta las peculiaridades del hábitat de las ballenas, sus pulmones funcionan mucho más eficientemente que los nuestros: las ballenas ligeras absorben el 80-90% de oxígeno, y las nuestras solo alrededor del 15%. El volumen pulmonar es de aproximadamente 3 mil litros, en humanos, esta cifra varía en la región de 3-6 litros.


Modelo de un corazón de ballena azul en un museo en New Bedford (Estados Unidos).

El sistema circulatorio de la ballena azul también está lleno de parámetros récord. Por ejemplo, sus vasos son simplemente enormes, el diámetro de la aorta solo es de unos 40 cm. El corazón de las ballenas azules se considera el corazón más grande del mundo y pesa alrededor de una tonelada. Con un corazón tan grande, la ballena y la sangre tienen mucho: más de 8000 litros en un adulto.

Y así nos acercamos gradualmente a la esencia del estudio en sí. El corazón de la ballena azul es grande, como ya entendimos, pero late con bastante lentitud. Anteriormente, se creía que el pulso es de aproximadamente 5-10 latidos por minuto, en casos excepcionales, hasta 20. Pero hasta ahora nadie ha realizado mediciones precisas.

Los científicos de la Universidad de Stanford dicen que la escala en biología es de gran importancia, especialmente cuando se trata de determinar las características funcionales de los órganos de los seres vivos. El estudio de varias criaturas, desde ratones hasta ballenas, nos permite determinar las limitaciones en las dimensiones que un organismo vivo no puede exceder. Y el corazón y el sistema cardiovascular en su conjunto son atributos importantes de tales estudios.

En los mamíferos marinos, cuya fisiología está totalmente adaptada a su estilo de vida, las adaptaciones asociadas con el buceo y el paro respiratorio juegan un papel importante. Se ha encontrado que en muchas de esas criaturas, durante una inmersión, la frecuencia cardíaca disminuye a niveles por debajo del estado de reposo. Y subiendo a la superficie, el ritmo del corazón se vuelve más rápido.

Un latido cardíaco reducido durante el buceo es necesario para reducir la tasa de suministro de oxígeno a los tejidos y las células, agotando así el proceso de agotamiento de las reservas de oxígeno en la sangre y reduciendo el consumo de oxígeno por el propio corazón.

Existe la hipótesis de que el ejercicio (es decir, una mayor actividad física) modula la respuesta a la inmersión y aumenta la frecuencia cardíaca durante la inmersión. Esta hipótesis es especialmente importante para el estudio de las ballenas azules, ya que, en vista de un método de alimentación especial (una estocada aguda para tragar agua), la tasa metabólica, en teoría, debería ser 50 veces mayor que los valores de referencia (estado de reposo). Se sugiere que tales embestidas aceleran el agotamiento de oxígeno, por lo tanto, reducen la duración de la inmersión.

Un aumento de la frecuencia cardíaca y una mayor transferencia de oxígeno de la sangre a los músculos durante el pulmón pueden jugar un papel importante debido a los costos metabólicos durante dicha actividad física. Además, vale la pena considerar la baja concentración de mioglobina * (Mb) en las ballenas azules (5-10 veces menor que en otros mamíferos marinos: 0.8 g Mb por 100 g-1 de músculo en las ballenas azules y 1.8-10 g Mb en otras mamíferos marinos

La mioglobina * es una proteína que se une al oxígeno del músculo esquelético y del músculo cardíaco.

Como conclusión, la actividad física, la profundidad de inmersión y el control volitivo cambian la frecuencia cardíaca durante la inmersión a través del sistema nervioso autónomo.

Un factor adicional para reducir la frecuencia cardíaca puede ser la compresión / expansión de los pulmones durante la inmersión / ascenso.

Por lo tanto, la frecuencia cardíaca durante la inmersión y mientras está en la superficie se relaciona directamente con los modelos de hemodinámica arterial.


Finwal

Un estudio previo de las propiedades y tamaños biomecánicos de las paredes aórticas del finwal ( Balaenoptera physalus ) demostró que durante las inmersiones con una frecuencia cardíaca de ≤10 latidos / min, el arco aórtico se da cuenta del efecto de un reservorio ( Windkessel effekt ), que mantiene el flujo sanguíneo durante largos períodos diastólicos * entre contracciones cardíacas y reduce la pulsación del flujo sanguíneo hacia la rígida aorta distal.

Diástole * (período diastólico): el período de relajación del corazón entre las contracciones.

Todas las hipótesis, teorías y conclusiones anteriores deben tener evidencia material, es decir, ser confirmadas o refutadas en la práctica. Pero para esto, debe realizar una electrocardiografía a una ballena azul que se mueve libremente. Los métodos simples no funcionarán aquí, porque los científicos han creado su propio dispositivo para electrocardiografía.


Un video en el que los investigadores hablan brevemente sobre su trabajo.

El ECG de ballena se grabó utilizando un registrador de ECG hecho a medida integrado en una cápsula especial con 4 ventosas. Los electrodos de ECG de superficie se construyeron en dos de las ventosas. Los investigadores fueron en barco a la Bahía de Monterey (Océano Pacífico, cerca de California). Cuando los científicos finalmente se encontraron con una ballena azul que emergió a la superficie del agua, colocaron una grabadora de ECG en su cuerpo (al lado de la aleta izquierda). Según datos recopilados previamente, esta ballena es un macho a la edad de 15 años. Es importante tener en cuenta que este dispositivo no es invasivo, es decir, no requiere la introducción de sensores o electrodos en la piel del animal. Es decir, para una ballena, este procedimiento es completamente indoloro y con un estrés mínimo por el contacto con las personas, lo que también es extremadamente importante, dado que se toman las lecturas de los latidos del corazón, lo que podría distorsionarse debido al estrés. Como resultado, se obtuvo un registro de ECG de 8,5 horas, según el cual los científicos pudieron construir un perfil de ritmo cardíaco (imagen a continuación).


Imagen # 1: Perfil de frecuencia cardíaca de ballena azul.

La forma de la señal de ECG fue similar a la registrada en pequeñas ballenas en cautiverio usando el mismo dispositivo. El comportamiento de la ballena mientras buscaba comida era bastante común por su apariencia: bucear durante 16.5 minutos a una profundidad de 184 my intervalos de superficie de 1 a 4 minutos.

El perfil de frecuencia cardíaca, de acuerdo con la respuesta cardiovascular al buceo, mostró que una frecuencia cardíaca de 4 a 8 latidos por minuto prevaleció en la fase inferior de las inmersiones al buscar comida, independientemente de la duración de la inmersión o la profundidad máxima. La frecuencia cardíaca de la inmersión (calculada durante toda la duración de la inmersión) y la frecuencia cardíaca instantánea mínima durante la inmersión disminuyeron con la duración de la inmersión, mientras que la frecuencia cardíaca máxima de superficie después de la inmersión aumentó con la duración de la inmersión. Es decir, cuanto más tiempo estuvo la ballena bajo el agua, más lento será el latido del corazón durante la inmersión y más rápido después del ascenso.

A su vez, las ecuaciones alométricas para mamíferos indican que una ballena que pesa 70,000 kg tiene un corazón que pesa 319 kg, y su volumen sistólico (el volumen de sangre expulsada por golpe) es de aproximadamente 80 l, por lo tanto, la frecuencia cardíaca en reposo debe ser de 15 latidos / min

Durante las fases más bajas del buceo, la frecuencia cardíaca instantánea varió de 1/3 a 1/2 de la frecuencia cardíaca en reposo prevista. Sin embargo, la frecuencia cardíaca aumentó durante la fase de ascenso. A intervalos de superficie, la frecuencia cardíaca era aproximadamente dos veces mayor que la frecuencia cardíaca en reposo prevista y variaba predominantemente de 30 a 37 latidos por minuto después de inmersiones profundas (> 125 metros de profundidad) y de 20 a 30 latidos por minuto después de inmersiones más pequeñas.

Esta observación puede indicar que la aceleración de las contracciones cardíacas es necesaria para lograr el intercambio de gases respiratorios deseado y la reperfusión (restauración del flujo sanguíneo) de los tejidos entre inmersiones profundas.

Las inmersiones nocturnas poco profundas a corto plazo se asociaron con la relajación y, por lo tanto, son más características de un estado menos activo. Las frecuencias cardíacas típicas observadas con una inmersión nocturna de 5 minutos (8 latidos por minuto) y el intervalo de superficie de 2 minutos (25 latidos por minuto) pueden llevar a una frecuencia cardíaca de aproximadamente 13 latidos por minuto. Esta cifra, como podemos ver, es sorprendentemente cercana a las predicciones calculadas de los modelos alométricos.

Luego, los científicos crearon perfiles de frecuencia cardíaca, profundidad y volumen pulmonar relativo de 4 inmersiones separadas, cuyo análisis nos permitió estudiar el efecto potencial de la actividad física y la profundidad en la regulación del ritmo cardíaco.


Imagen No. 2: perfiles de frecuencia cardíaca, profundidad y volumen pulmonar relativo 4 inmersiones separadas.

Mientras come alimentos a grandes profundidades, la ballena realiza una cierta maniobra de embestida: abre bruscamente su boca para tragar agua con plancton y luego filtra la comida. Se observó que la frecuencia cardíaca en el momento de la ingestión de agua es 2.5 veces mayor que en el momento de la filtración. Esto indica directamente la dependencia de la frecuencia cardíaca de la actividad física.

En cuanto a los pulmones, su efecto sobre el ritmo cardíaco es extremadamente improbable, ya que no se observaron cambios significativos en el volumen relativo de los pulmones durante las inmersiones consideradas.

Además, en las fases inferiores de las inmersiones poco profundas, un aumento a corto plazo en la frecuencia cardíaca se asoció precisamente con cambios en el volumen relativo de los pulmones y podría ser causado por la activación del receptor de estiramiento pulmonar.

Resumiendo las observaciones anteriores, los científicos llegaron a la conclusión de que durante la alimentación a grandes profundidades hay un breve aumento en la frecuencia cardíaca de 2.5 veces. Sin embargo, la frecuencia cardíaca máxima promedio durante las estocadas en el momento de la alimentación todavía era solo la mitad del valor previsto en reposo. Estos datos son consistentes con la hipótesis de que los arcos aórticos flexibles de las grandes ballenas se dan cuenta del efecto de un reservorio durante una frecuencia cardíaca lenta durante una inmersión. Además, el rango de frecuencia cardíaca más alta después de la inmersión confirmó la hipótesis de que la impedancia aórtica y la carga cardíaca disminuyen durante el intervalo de superficie debido a la interferencia destructiva de las ondas de presión salientes y reflejadas en la aorta.

La fuerte bradicardia que observaron los investigadores se puede llamar un resultado inesperado del estudio, dado el enorme costo de las fuerzas de ballenas para atacar al tragar agua con plancton. Sin embargo, el costo metabólico de esta maniobra puede no corresponder a la frecuencia cardíaca o al transporte convectivo de oxígeno, en parte debido a la corta duración de la alimentación y la posible participación de fibras musculares glucolíticas que se contraen rápidamente.

Durante el ataque, las ballenas azules aceleran a gran velocidad y absorben un volumen de agua, que puede ser más grande que su propio cuerpo. Los científicos sugieren que la alta resistencia y la energía necesarias para maniobrar agotan rápidamente el suministro total de oxígeno en el cuerpo, lo que limita el tiempo de inmersión. Es probable que la fuerza mecánica requerida para absorber grandes volúmenes de agua supere con creces la fuerza metabólica aeróbica. Es por eso que, durante tales maniobras, la frecuencia cardíaca, aunque aumentó, fue muy breve.

Para una familiarización más detallada con los matices del estudio, le recomiendo que examine el informe de los científicos .

Epílogo

Una de las conclusiones más importantes es que para el intercambio de gases y la reperfusión durante intervalos cortos de superficie, las ballenas azules requieren una frecuencia cardíaca casi máxima, independientemente de la naturaleza del agotamiento de oxígeno en la sangre y los músculos durante el buceo. Si tenemos en cuenta que los individuos más grandes de ballenas azules necesitan invertir más trabajo durante un período de tiempo más corto (de acuerdo con las hipótesis de la alometría), inevitablemente encontrarán varias limitaciones fisiológicas tanto durante la inmersión como durante el intervalo de superficie. Esto significa que su tamaño corporal es evolutivamente limitado, ya que si fuera más grande, el proceso de obtención de alimentos sería muy costoso y no sería compensado por los alimentos recibidos. Los propios investigadores creen que el corazón de una ballena azul funciona al límite de sus capacidades.

En el futuro, los científicos planean expandir las capacidades de su dispositivo, incluida la adición de un acelerómetro para comprender mejor el efecto de diferentes actividades físicas en la frecuencia cardíaca. También planean usar su sensor de ECG en otra vida marina.

Como mostró este estudio, ser la criatura más grande con el corazón más grande no es tan simple. Sin embargo, sin importar el tamaño de los habitantes marinos, sin importar a qué dieta se adhieran, debemos entender que el espesor del agua que la gente usa para pescar, producir y transportar sigue siendo su hogar. Solo somos huéspedes y, por lo tanto, debemos comportarnos en consecuencia.


Gracias por su atención, tengan curiosidad y tengan un gran fin de semana a todos, muchachos. :)

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