Das kleine Geheimnis eines großen Herzens: das erste Blauwal-Kardiogramm der Geschichte

Es ist schwierig, mit der Behauptung zu argumentieren, dass es die Natur ist, die die lebendigste Vorstellungskraft besitzt. Jeder Vertreter der Flora und Fauna hat seine eigenen, einzigartigen und manchmal sogar seltsamen Merkmale, die oft nicht in unseren Kopf passen. Nehmen Sie zum Beispiel die gleiche Mantis-Garnele. Diese räuberische Kreatur ist in der Lage, das Opfer oder den Täter mit ihren mächtigen Klauen bei einer Geschwindigkeit von 83 km / h anzugreifen, und ihr visuelles System ist eines der schwierigsten, das jemals von Menschen untersucht wurde. Mantiskrebse sind zwar wütend, aber nicht sehr groß - bis zu 35 cm lang. Der größte Bewohner der Meere und Ozeane ist, wie auf dem ganzen Planeten, der Blauwal. Die Länge dieses Säugetiers kann mehr als 30 Meter und ein Gewicht von 150 Tonnen erreichen. Trotz der beeindruckenden Dimensionen ist es schwierig, Blauwale als gewaltige Jäger zu bezeichnen Sie bevorzugen Plankton.

Die Anatomie der Blauwale hat Wissenschaftler immer interessiert, die besser verstehen wollen, wie ein so großer Organismus und Organe darin arbeiten. Obwohl wir seit mehreren hundert Jahren (genauer gesagt seit 1694) über die Existenz von Blauwalen Bescheid wissen, haben diese Riesen nicht alle ihre Geheimnisse preisgegeben. Heute treffen wir uns mit Ihnen in einer Studie, in der eine Gruppe von Wissenschaftlern der Stanford University ein Gerät entwickelt hat, mit dem die ersten Aufzeichnungen des Herzschlags eines Blauwals erhalten wurden. Wie funktioniert das Herz des Herrn der Meere, welche Entdeckungen haben Wissenschaftler gemacht und warum kann ein Organismus nicht größer sein als ein Blauwal? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschergruppe. Lass uns gehen.

Forschungsheld

Der Blauwal ist das größte Säugetier, der größte Bewohner der Meere und Ozeane, das größte Tier, der größte Wal. Was kann ich sagen, der Blauwal ist vom Standpunkt der Dimensionen wirklich am meisten - die Länge beträgt 33 Meter und das Gewicht 150 Tonnen. Die Zahlen sind ungefähr, aber nicht weniger beeindruckend.



Sogar der Kopf dieses Riesen verdient eine eigene Zeile im Guinness-Buch der Rekorde, da er ungefähr 27% der gesamten Körperlänge einnimmt. In diesem Fall sind die Augen von Blauwalen klein genug, nicht mehr als Grapefruit. Wenn Sie die Augen des Wals nur schwer sehen können, werden Sie Ihren Mund sofort bemerken. Das Maul eines Blauwals kann bis zu 100 Menschen aufnehmen (ein gruseliges Beispiel, aber Blauwale fressen zumindest absichtlich keine Menschen). Die Größe des Mundes ist auf gastronomische Vorlieben zurückzuführen: Wale fressen Plankton und schlucken große Mengen Wasser, das sie dann durch den Filterapparat abgeben und das Futter filtern. Unter recht günstigen Umständen nimmt ein Blauwal täglich etwa 6 Tonnen Plankton auf.



Ein weiteres wichtiges Merkmal von Blauwalen ist ihre Lunge. Sie können 1 Stunde lang den Atem anhalten und bis zu einer Tiefe von 100 m tauchen, aber wie andere Meeressäugetiere tauchen auch Blauwale regelmäßig auf der Wasseroberfläche auf, um zu atmen. Die Wale klettern an die Wasseroberfläche und nutzen das Atemloch von zwei großen Löchern (Nasenlöcher) am Hinterkopf. Das Ausatmen der Wale durch die Spira wird häufig von einem bis zu 10 m hohen senkrechten Wasserbrunnen begleitet. Angesichts der Besonderheiten des Wallebensraums arbeiten ihre Lungen viel effizienter als unsere - leichte Wale nehmen 80-90% und unsere nur etwa 15% Sauerstoff auf. Das Lungenvolumen beträgt ca. 3.000 Liter, beim Menschen variiert diese Zahl im Bereich von 3-6 Litern.


Modell eines Blauwalherzens in einem Museum in New Bedford (USA).

Auch der Blauwalkreislauf steckt voller Rekordparameter. Beispielsweise sind ihre Gefäße einfach riesig, der Durchmesser der Aorta allein beträgt etwa 40 cm. Das Herz der Blauwale gilt als das größte Herz der Welt und wiegt etwa eine Tonne. Mit einem so großen Herzen haben der Wal und das Blut viel - mehr als 8000 Liter bei einem Erwachsenen.

Und so näherten wir uns allmählich dem Wesen der Studie. Das Herz des Blauwals ist, wie wir bereits verstanden haben, groß, aber es schlägt ziemlich langsam. Früher wurde angenommen, dass der Puls etwa 5-10 Schläge pro Minute beträgt, in seltenen Fällen bis zu 20. Bis jetzt hat jedoch niemand genaue Messungen durchgeführt.

Wissenschaftler der Stanford University sagen, dass die Skala in der Biologie von großer Bedeutung ist, insbesondere wenn es darum geht, die funktionellen Eigenschaften der Organe von Lebewesen zu bestimmen. Die Untersuchung verschiedener Lebewesen, von Mäusen bis zu Walen, ermöglicht es uns, die Grenzen der Dimensionen zu bestimmen, die ein lebender Organismus nicht überschreiten kann. Und das Herz und das Herz-Kreislauf-System als Ganzes sind wichtige Attribute solcher Studien.

Bei Meeressäugern, deren Physiologie vollständig auf ihren Lebensstil abgestimmt ist, spielen Anpassungen im Zusammenhang mit Tauchen und Atemstillstand eine wichtige Rolle. Es wurde festgestellt, dass bei vielen dieser Tiere die Herzfrequenz während eines Tauchgangs auf Werte unter dem Ruhezustand absinkt. Und wenn man sich zur Oberfläche erhebt, beschleunigt sich der Herzrhythmus.

Ein verringerter Herzschlag während des Tauchens ist erforderlich, um die Geschwindigkeit der Sauerstoffabgabe an Gewebe und Zellen zu verringern, wodurch der Prozess der Erschöpfung der Sauerstoffreserven im Blut und der Verringerung des Sauerstoffverbrauchs durch das Herz selbst erschöpft wird.

Es gibt eine Hypothese, dass Bewegung (d. H. Erhöhte körperliche Aktivität) die Reaktion auf Immersion moduliert und die Herzfrequenz während Immersion erhöht. Diese Hypothese ist besonders wichtig für die Untersuchung von Blauwalen, da im Hinblick auf eine spezielle Fütterungsmethode (ein scharfer Ausfallschritt für das Schlucken von Wasser) die Stoffwechselrate theoretisch die Grundwerte (Ruhezustand) um das 50-fache übersteigen sollte. Es wird vermutet, dass solche Ausfallschritte den Sauerstoffmangel beschleunigen und somit die Dauer des Tauchgangs verkürzen.

Eine erhöhte Herzfrequenz und ein erhöhter Sauerstofftransfer vom Blut zu den Muskeln während des Longierens können aufgrund der Stoffwechselkosten während einer solchen körperlichen Aktivität eine wichtige Rolle spielen. Darüber hinaus ist die geringe Konzentration von Myoglobin * (Mb) bei Blauwalen zu berücksichtigen (5-10-mal niedriger als bei anderen Meeressäugern: 0,8 g Mb pro 100 g-1 Muskel bei Blauwalen und 1,8-10 g Mb bei anderen Meeressäugetiere.

Myoglobin * ist ein sauerstoffbindendes Protein des Skelett- und Herzmuskels.

Folglich verändern körperliche Aktivität, Eintauchtiefe und Willenskontrolle die Herzfrequenz während des Eintauchens durch das autonome Nervensystem.

Ein zusätzlicher Faktor bei der Verringerung der Herzfrequenz kann die Kompression / Expansion der Lunge während des Eintauchens / Aufstiegs sein.

Die Herzfrequenz während des Eintauchens und an der Oberfläche steht somit in direktem Zusammenhang mit Modellen der arteriellen Hämodynamik.


Finwal

Eine frühere Untersuchung der biomechanischen Eigenschaften und Größen der Aortenwände des Finwal ( Balaenoptera physalus ) ergab, dass der Aortenbogen bei Tauchgängen mit einer Herzfrequenz von ≤ 10 Schlägen / min die Wirkung eines Reservoirs ( Windkessel-Effekt ) wahrnimmt , das den Blutfluss über lange diastolische Zeiträume aufrechterhält * zwischen Herzkontraktionen und reduziert Pulsation des Blutflusses in die steife distale Aorta.

Diastole * (diastolische Periode) - die Zeit der Entspannung des Herzens zwischen Kontraktionen.

Alle oben genannten Hypothesen, Theorien und Schlussfolgerungen müssen materielle Beweise haben, dh in der Praxis bestätigt oder widerlegt werden. Dazu müssen Sie die Elektrokardiographie an einem sich frei bewegenden Blauwal durchführen. Einfache Methoden werden hier nicht funktionieren, weil Wissenschaftler ein eigenes Gerät für die Elektrokardiographie entwickelt haben.


Ein Video, in dem Forscher kurz über ihre Arbeit sprechen.

Das Wal-EKG wurde mit einem speziell angefertigten EKG-Rekorder in einer Spezialkapsel mit 4 Saugnäpfen aufgezeichnet. Oberflächen-EKG-Elektroden wurden in zwei der Saugnäpfe eingebaut. Die Forscher fuhren mit dem Boot nach Monterey Bay (Pazifik, in der Nähe von Kalifornien). Als die Wissenschaftler schließlich einen Blauwal trafen, der an der Wasseroberfläche auftauchte, befestigten sie einen EKG-Rekorder an seinem Körper (neben der linken Flosse). Nach zuvor erhobenen Daten ist dieser Wal im Alter von 15 Jahren ein Männchen. Es ist wichtig zu beachten, dass dieses Gerät nicht-invasiv ist, dh dass keine Sensoren oder Elektroden in die Haut des Tieres eingeführt werden müssen. Das heißt, für einen Wal ist dieser Vorgang völlig schmerzfrei und mit minimalem Stress durch den Kontakt mit Menschen verbunden, was auch äußerst wichtig ist, da die Messwerte des Herzschlags gemessen werden, die aufgrund von Stress verzerrt sein können. Als Ergebnis wurde eine 8,5-Stunden-EKG-Aufzeichnung erstellt, anhand derer Wissenschaftler ein Herzrhythmusprofil erstellen konnten (Abbildung unten).


Bild # 1: Blauwal-Herzfrequenzprofil.

Die Form des EKG-Signals war ähnlich der, die bei kleinen Walen in Gefangenschaft mit demselben Gerät aufgezeichnet wurde. Das Verhalten des Wals bei der Futtersuche war für sein Erscheinungsbild weit verbreitet: 16,5 Minuten Tauchen bis zu einer Tiefe von 184 m und Oberflächenintervalle von 1 bis 4 Minuten.

Das Herzfrequenzprofil in Übereinstimmung mit der kardiovaskulären Reaktion auf das Tauchen zeigte, dass in der unteren Phase der Tauchgänge eine Herzfrequenz von 4 bis 8 Schlägen pro Minute herrschte, wenn nach Nahrung gesucht wurde, unabhängig von der Dauer des Tauchgangs oder der maximalen Tiefe. Die Tauchherzfrequenz (berechnet über die gesamte Tauchgangsdauer) und die minimale momentane Herzfrequenz während des Tauchgangs nahmen mit der Tauchgangsdauer ab, während die maximale Oberflächenherzfrequenz nach dem Tauchgang mit der Tauchgangsdauer zunahm. Das heißt, je länger der Wal unter Wasser war, desto langsamer schlug das Herz während des Tauchgangs und desto schneller nach dem Aufstieg.

Allometrische Gleichungen für Säugetiere besagen wiederum, dass ein Wal mit einem Gewicht von 70.000 kg ein Herz mit einem Gewicht von 319 kg hat und sein Schlagvolumen (das pro Schlag ausgestoßene Blutvolumen) etwa 80 l beträgt. Daher sollte die Ruheherzfrequenz 15 Schläge betragen. min

Während der unteren Phasen des Tauchens lag die augenblickliche Herzfrequenz im Bereich von 1/3 bis 1/2 der vorhergesagten Ruheherzfrequenz. Die Herzfrequenz stieg jedoch während der Aufstiegsphase an. In Oberflächenintervallen war die Herzfrequenz ungefähr zweimal höher als die vorhergesagte Ruheherzfrequenz und variierte vorwiegend von 30 bis 37 Schlägen pro Minute nach tiefen Tauchgängen (> 125 Meter Tiefe) und von 20 bis 30 Schlägen pro Minute nach kleineren Tauchgängen.

Diese Beobachtung kann darauf hindeuten, dass eine Beschleunigung der Herzkontraktionen erforderlich ist, um den gewünschten Atemgasaustausch und die Reperfusion (Wiederherstellung des Blutflusses) von Gewebe zwischen den Tiefen-Tauchgängen zu erreichen.

Flache Nachttauchgänge waren mit Entspannung verbunden und sind daher charakteristischer für einen weniger aktiven Zustand. Typische Herzfrequenzen, die bei einem 5-minütigen Nachttauchgang (8 Schläge pro Minute) und dem zugehörigen 2-minütigen Oberflächenintervall (25 Schläge pro Minute) beobachtet werden, können zusammen zu einer Herzfrequenz von etwa 13 Schlägen pro Minute führen. Wie wir sehen können, kommt diese Zahl den berechneten Vorhersagen allometrischer Modelle überraschend nahe.

Als Nächstes erstellten die Wissenschaftler Profile für Herzfrequenz, Tiefe und relatives Lungenvolumen von 4 verschiedenen Tauchgängen, deren Analyse es uns ermöglichte, die möglichen Auswirkungen von körperlicher Aktivität und Tiefe auf die Regulation des Herzrhythmus zu untersuchen.


Bild Nr. 2: Profile der Herzfrequenz, Tiefe und des relativen Lungenvolumens 4 separate Tauchgänge.

Beim Fressen in großer Tiefe führt der Wal ein bestimmtes Longe-Manöver durch - öffnet scharf den Mund, um Wasser mit Plankton zu schlucken, und filtert dann das Futter heraus. Es wurde festgestellt, dass die Herzfrequenz zum Zeitpunkt der Aufnahme von Wasser 2,5-mal höher ist als zum Zeitpunkt der Filtration. Dies zeigt direkt die Abhängigkeit der Herzfrequenz von der körperlichen Aktivität an.

Was die Lunge betrifft, ist ihre Auswirkung auf den Herzrhythmus äußerst unwahrscheinlich, da während der betrachteten Tauchgänge keine signifikanten Änderungen des relativen Volumens der Lunge beobachtet wurden.

Darüber hinaus war in den unteren Phasen von flachen Tauchgängen eine kurzfristige Erhöhung der Herzfrequenz genau mit Änderungen des relativen Lungenvolumens verbunden und konnte durch die Aktivierung des Lungenstretchrezeptors verursacht werden.

Zusammenfassend gelangten die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass während der Fütterung in großen Tiefen die Herzfrequenz kurzzeitig um das 2,5-fache ansteigt. Die durchschnittliche maximale Herzfrequenz während der Ausfallzeiten zum Zeitpunkt der Fütterung betrug jedoch nur die Hälfte des vorhergesagten Wertes in Ruhe. Diese Daten stimmen mit der Hypothese überein, dass die flexiblen Aortenbögen von Großwalen die Wirkung eines Reservoirs während einer langsamen Herzfrequenz während eines Tauchgangs realisieren. Darüber hinaus bestätigte der Bereich der höheren Herzfrequenz nach dem Eintauchen die Hypothese, dass die Aortenimpedanz und die Herzlast während des Oberflächenintervalls aufgrund der destruktiven Interferenz von ausgehenden und reflektierten Druckwellen in der Aorta abnehmen.

Die starke Bradykardie, die die Forscher beobachteten, kann als unerwartetes Ergebnis der Studie bezeichnet werden, da beim Schlucken von Wasser mit Plankton enorme Kosten für den Ausfall von Walkräften anfallen. Die metabolischen Kosten dieses Manövers entsprechen jedoch möglicherweise nicht der Herzfrequenz oder dem konvektiven Sauerstofftransport, was teilweise auf die kurze Fütterungsdauer und die mögliche Beteiligung glykolytischer, sich schnell zusammenziehender Muskelfasern zurückzuführen ist.

Während des Angriffs beschleunigen Blauwale auf eine hohe Geschwindigkeit und nehmen ein Wasservolumen auf, das größer sein kann als der eigene Körper. Wissenschaftler vermuten, dass der hohe Widerstand und die Energie, die für ein schnelles Manövrieren erforderlich sind, die gesamte Sauerstoffversorgung im Körper beeinträchtigen und damit die Eintauchzeit begrenzen. Die mechanische Kraft, die erforderlich ist, um große Wassermengen zu absorbieren, übersteigt wahrscheinlich die aerobe Stoffwechselstärke bei weitem. Deshalb war während solcher Manöver die Herzfrequenz, obwohl sie anstieg, für eine sehr kurze Zeit.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, in den Bericht der Wissenschaftler zu schauen.

Nachwort

Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen ist, dass Blauwale für den Gasaustausch und die Reperfusion in kurzen Oberflächenintervallen eine fast maximale Herzfrequenz benötigen, unabhängig von der Art des Sauerstoffmangels im Blut und in den Muskeln während des Tauchens. Wenn wir berücksichtigen, dass größere Individuen von Blauwalen mehr Arbeit für einen kürzeren Zeitraum investieren müssen (gemäß den Hypothesen der Allometrie), dann werden sie sowohl während des Tauchgangs als auch während des Oberflächenintervalls unvermeidlich auf mehrere physiologische Einschränkungen stoßen. Dies bedeutet, dass ihre Körpergröße evolutionär begrenzt ist, da bei einer größeren Größe der Prozess der Nahrungsbeschaffung sehr kostspielig wäre und nicht durch die aufgenommene Nahrung kompensiert würde. Die Forscher selbst glauben, dass das Herz eines Blauwals an seine Grenzen stößt.

In Zukunft planen die Wissenschaftler, die Fähigkeiten ihres Geräts zu erweitern, einschließlich eines Beschleunigungsmessers, um die Auswirkungen verschiedener körperlicher Aktivitäten auf die Herzfrequenz besser zu verstehen. Sie planen auch, ihren EKG-Sensor bei anderen Meereslebewesen einzusetzen.

Wie diese Studie gezeigt hat, ist es nicht so einfach, das größte Wesen mit dem größten Herzen zu sein. Unabhängig davon, wie groß die Meeresbewohner sind und welche Ernährung sie einhalten, müssen wir uns darüber im Klaren sein, dass die Dicke des Wassers, das die Menschen für Fischfang, Produktion und Transport verwenden, ihre Heimat bleibt. Wir sind nur Gäste und müssen uns dementsprechend verhalten.


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