Le petit secret d'un grand cœur: le premier cardiogramme de la baleine bleue de l'histoire

Il est difficile de contester l'affirmation selon laquelle c'est la nature qui a l'imagination la plus vive. Chacun des représentants de la flore et de la faune a ses propres caractéristiques uniques, et parfois même étranges, qui souvent ne nous conviennent pas. Prenez, par exemple, la même crevette mante. Cette créature prédatrice est capable d'attaquer la victime ou le délinquant avec ses griffes puissantes à une vitesse de 83 km / h, et leur système visuel est l'un des plus difficiles jamais étudié par l'homme. Écrevisse mante, bien que furieuse, mais pas très grande - jusqu'à 35 cm de long. Le plus grand habitant des mers et des océans, comme sur toute la planète, est le rorqual bleu. La longueur de ce mammifère peut atteindre plus de 30 mètres et un poids de 150 tonnes. Malgré les dimensions impressionnantes, il est difficile d'appeler les rorquals bleus de formidables chasseurs, car ils préfèrent le plancton.

L'anatomie des rorquals bleus a toujours intéressé les scientifiques qui veulent mieux comprendre comment un organisme et des organes aussi gigantesques y travaillent. Malgré le fait que nous connaissions l'existence des rorquals bleus depuis plusieurs centaines d'années (depuis 1694, pour être plus précis), ces géants n'ont pas révélé tous leurs secrets. Aujourd'hui, nous vous rencontrerons une étude dans laquelle un groupe de scientifiques de l'Université de Stanford a développé un appareil avec lequel les premiers enregistrements du rythme cardiaque d'une baleine bleue ont été obtenus. Comment fonctionne le cœur du seigneur des mers, quelles découvertes les scientifiques ont-elles faites et pourquoi un organisme ne peut-il pas exister plus grand qu'une baleine bleue? Nous en apprenons à travers le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Héros de la recherche

La baleine bleue est le plus grand mammifère, le plus grand habitant des mers et des océans, le plus grand animal, la plus grande baleine. Que puis-je dire, le rorqual bleu est vraiment le plus du point de vue des dimensions - la longueur est de 33 mètres et le poids est de 150 tonnes. Les chiffres sont approximatifs, mais non moins impressionnants.



Même la tête de ce géant mérite une ligne distincte dans le livre Guinness des records, car elle occupe environ 27% de la longueur totale du corps. Dans ce cas, les yeux des rorquals bleus sont assez petits, pas plus que le pamplemousse. Si les yeux de la baleine sont difficiles à voir, vous remarquerez immédiatement votre bouche. La bouche d'une baleine bleue peut accueillir jusqu'à 100 personnes (un exemple effrayant, mais les rorquals bleus ne mangent pas les gens, au moins intentionnellement). La grande taille de la bouche est due aux préférences gastronomiques: les baleines mangent du plancton, avalent d'énormes volumes d'eau, qu'elles libèrent ensuite à travers un appareil de filtrage, filtrant les aliments. Dans des circonstances assez favorables, une baleine bleue absorbe environ 6 tonnes de plancton par jour.



Une autre caractéristique importante des rorquals bleus est leurs poumons. Ils sont capables de retenir leur souffle pendant 1 heure et de plonger à une profondeur de 100 m mais, comme d'autres mammifères marins, les rorquals bleus émergent périodiquement à la surface de l'eau pour respirer. Grimpant à la surface de l'eau, les baleines utilisent le trou de respiration - respiration de deux grands trous (narines) à l'arrière de la tête. L'expiration des baleines à travers la spira s'accompagne souvent d'une fontaine d'eau verticale pouvant atteindre 10 m de haut. Compte tenu des particularités de l'habitat des baleines, leurs poumons fonctionnent beaucoup plus efficacement que les nôtres - les baleines légères absorbent 80 à 90% de l'oxygène et les nôtres seulement environ 15%. Le volume pulmonaire est d'environ 3 000 litres, chez l'homme, ce chiffre varie de l'ordre de 3 à 6 litres.


Modèle d'un cœur de baleine bleue dans un musée à New Bedford (USA).

Le système circulatoire du rorqual bleu regorge également de paramètres records. Par exemple, leurs vaisseaux sont tout simplement énormes, le diamètre de l'aorte à lui seul est d'environ 40 cm Le cœur des baleines bleues est considéré comme le plus grand cœur du monde et pèse environ une tonne. Avec un cœur aussi gros, la baleine et le sang en ont beaucoup - plus de 8000 litres chez un adulte.

Et nous avons donc progressivement abordé l'essence de l'étude elle-même. Le cœur de la baleine bleue est grand, comme nous l'avons déjà compris, mais il bat assez lentement. Auparavant, on pensait que le pouls était d'environ 5 à 10 battements par minute, dans de rares cas, jusqu'à 20. Mais personne n'a fait de mesures précises jusqu'à présent.

Les scientifiques de l'Université de Stanford disent que l'échelle en biologie est d'une grande importance, surtout quand il s'agit de déterminer les caractéristiques fonctionnelles des organes des êtres vivants. L'étude de diverses créatures, de la souris à la baleine, nous permet de déterminer les limites de dimensions qu'un organisme vivant ne peut dépasser. Et le cœur et le système cardiovasculaire dans son ensemble sont des attributs importants de ces études.

Chez les mammifères marins, dont la physiologie est parfaitement adaptée à leur mode de vie, les adaptations associées à la plongée et à l'arrêt respiratoire jouent un rôle important. Il a été constaté que dans de nombreuses créatures de ce type, lors d'une plongée, la fréquence cardiaque diminue à des niveaux inférieurs à l'état de repos. Et remontant à la surface, le rythme cardiaque devient plus rapide.

Un rythme cardiaque abaissé pendant la plongée est nécessaire pour réduire le taux de livraison d'oxygène aux tissus et aux cellules, épuisant ainsi le processus d'épuisement des réserves d'oxygène dans le sang et réduisant la consommation d'oxygène par le cœur lui-même.

Il existe une hypothèse selon laquelle l'exercice (c'est-à-dire une activité physique accrue) module la réponse à l'immersion et augmente la fréquence cardiaque pendant l'immersion. Cette hypothèse est particulièrement importante pour l'étude des rorquals bleus, car, compte tenu d'une méthode d'alimentation spéciale (une forte fente pour avaler de l'eau), le taux métabolique, en théorie, devrait être 50 fois plus élevé que la valeur de base (état de repos). Il est suggéré que de telles fentes accélèrent l'appauvrissement en oxygène, réduisant ainsi la durée de la plongée.

Une accélération du rythme cardiaque et une augmentation du transfert d'oxygène du sang vers les muscles pendant les poumons peuvent jouer un rôle important en raison des coûts métaboliques lors d'une telle activité physique. De plus, il convient de considérer la faible concentration de myoglobine * (Mb) chez les rorquals bleus (5 à 10 fois plus faible que chez les autres mammifères marins: 0,8 g Mb par muscle 100 g-1 chez les rorquals bleus et 1,8-10 g Mb chez les autres) mammifères marins.

La myoglobine * est une protéine se liant à l'oxygène du muscle squelettique et du muscle cardiaque.

En conclusion, l'activité physique, la profondeur d'immersion et le contrôle volitif modifient la fréquence cardiaque pendant l'immersion à travers le système nerveux autonome.

Un facteur supplémentaire de réduction de la fréquence cardiaque peut être la compression / expansion des poumons pendant l'immersion / la remontée.

Ainsi, la fréquence cardiaque pendant l'immersion et à la surface est directement liée aux modèles d'hémodynamique artérielle.


Finwal

Une étude précédente des propriétés biomécaniques et des tailles des parois aortiques du finwal ( Balaenoptera physalus ) a montré que lors des plongées avec une fréquence cardiaque ≤10 battements / min, l'arc aortique réalise l'effet d'un réservoir ( Windkessel effekt ), qui maintient le flux sanguin pendant de longues périodes diastoliques * entre contractions cardiaques et réduit la pulsation du flux sanguin dans l'aorte distale rigide.

Diastole * (période diastolique) - la période de relaxation du cœur entre les contractions.

Toutes les hypothèses, théories et conclusions ci-dessus doivent avoir des preuves matérielles, c'est-à-dire être confirmées ou infirmées dans la pratique. Mais pour cela, vous devez effectuer une électrocardiographie sur une baleine bleue qui se déplace librement. Les méthodes simples ne fonctionneront pas ici, car les scientifiques ont créé leur propre appareil d'électrocardiographie.


Une vidéo dans laquelle les chercheurs parlent brièvement de leur travail.

L'ECG de baleine a été enregistré à l'aide d'un enregistreur d'ECG sur mesure intégré dans une capsule spéciale avec 4 ventouses. Des électrodes ECG de surface ont été intégrées dans deux des ventouses. Les chercheurs se sont rendus en bateau à la baie de Monterey (océan Pacifique, près de la Californie). Lorsque les scientifiques ont finalement rencontré une baleine bleue qui a émergé à la surface de l'eau, ils ont attaché un enregistreur ECG à son corps (à côté de la nageoire gauche). Selon les données précédemment collectées, cette baleine est un mâle à l'âge de 15 ans. Il est important de noter que cet appareil est non invasif, c'est-à-dire qu'il ne nécessite pas l'introduction de capteurs ou d'électrodes dans la peau de l'animal. C'est-à-dire que pour une baleine, cette procédure est complètement indolore et avec un stress minimal dû au contact avec des personnes, ce qui est également extrêmement important, étant donné que les lectures du rythme cardiaque sont prises, ce qui pourrait être déformé en raison du stress. En conséquence, un enregistrement ECG de 8,5 heures a été obtenu, selon lequel les scientifiques ont pu construire un profil de rythme cardiaque (image ci-dessous).


Image n ° 1: Profil de fréquence cardiaque de la baleine bleue.

La forme du signal ECG était similaire à celle enregistrée chez les petites baleines en captivité utilisant le même appareil. Le comportement de la baleine lors de la recherche de nourriture était assez courant pour son apparence: plongée de 16,5 minutes à une profondeur de 184 m et intervalles de surface de 1 à 4 minutes.

Le profil de la fréquence cardiaque, conformément à la réponse cardiovasculaire à la plongée, a montré qu'une fréquence cardiaque de 4 à 8 battements par minute prévalait dans la phase inférieure des plongées lors de la recherche de nourriture, quelle que soit la durée de la plongée ou la profondeur maximale. La fréquence cardiaque de plongée (calculée sur toute la durée de la plongée) et la fréquence cardiaque instantanée minimale pendant la plongée ont diminué avec la durée de la plongée, tandis que la fréquence cardiaque de surface maximale après la plongée a augmenté avec la durée de la plongée. C'est-à-dire que plus la baleine était sous l'eau, plus le cœur battait lentement pendant la plongée et plus vite après l'ascension.

À son tour, les équations allométriques pour les mammifères disent qu'une baleine pesant 70000 kg a un cœur pesant 319 kg, et son volume systolique (le volume de sang éjecté par cycle) est d'environ 80 l, par conséquent, la fréquence cardiaque au repos devrait être de 15 battements / min

Pendant les phases inférieures de la plongée, la fréquence cardiaque instantanée variait de 1/3 à 1/2 de la fréquence cardiaque au repos prévue. Cependant, la fréquence cardiaque a augmenté pendant la phase de remontée. Dans les intervalles de surface, la fréquence cardiaque était environ deux fois plus élevée que la fréquence cardiaque au repos prévue et variait principalement de 30 à 37 battements par minute après des plongées profondes (> 125 mètres de profondeur) et de 20 à 30 battements par minute après des plongées plus petites.

Cette observation peut indiquer qu'une accélération des contractions cardiaques est nécessaire pour obtenir l'échange de gaz respiratoire et la reperfusion (restauration du flux sanguin) des tissus désirés entre les plongées profondes.

Les plongées de nuit de courte durée et peu profondes étaient associées à la relaxation et, par conséquent, sont plus caractéristiques d'un état moins actif. Les fréquences cardiaques typiques observées avec une plongée de nuit de 5 minutes (8 battements par minute) et l'intervalle de surface de 2 minutes qui l'accompagne (25 battements par minute) peuvent ensemble conduire à une fréquence cardiaque d'environ 13 battements par minute. Comme nous pouvons le voir, ce chiffre est étonnamment proche des prédictions calculées des modèles allométriques.

Ensuite, les scientifiques ont établi des profils de fréquence cardiaque, de profondeur et de volume pulmonaire relatif de 4 plongées distinctes, dont l'analyse nous a permis d'étudier l'effet potentiel de l'activité physique et de la profondeur sur la régulation du rythme cardiaque.


Image n ° 2: profils de la fréquence cardiaque, de la profondeur et du volume pulmonaire relatif 4 plongées distinctes.

Tout en mangeant de la nourriture à grande profondeur, la baleine effectue une certaine manœuvre de fente - ouvre brusquement la bouche pour avaler de l'eau avec du plancton, puis filtre la nourriture. Il a été constaté que la fréquence cardiaque au moment de l'ingestion d'eau est 2,5 fois plus élevée qu'au moment de la filtration. Cela indique directement la dépendance de la fréquence cardiaque à l'activité physique.

Quant aux poumons, leur effet sur le rythme cardiaque est extrêmement improbable, car aucun changement significatif du volume relatif des poumons n'a été observé au cours des plongées considérées.

De plus, dans les phases inférieures des plongées peu profondes, une augmentation à court terme de la fréquence cardiaque était précisément associée à des changements dans le volume relatif des poumons et pouvait être causée par l'activation du récepteur d'étirement pulmonaire.

En résumant les observations ci-dessus, les scientifiques sont parvenus à la conclusion que pendant l'alimentation à grande profondeur, la fréquence cardiaque augmente brièvement de 2,5 fois. Cependant, la fréquence cardiaque maximale moyenne pendant les fentes au moment de l'alimentation n'était encore que la moitié de la valeur prévue au repos. Ces données sont cohérentes avec l'hypothèse que les arcs aortiques flexibles des grosses baleines réalisent l'effet d'un réservoir lors d'un rythme cardiaque lent lors d'une plongée. De plus, la plage de fréquence cardiaque plus élevée après immersion a confirmé l'hypothèse selon laquelle l'impédance aortique et la charge cardiaque diminuent pendant l'intervalle de surface en raison de l'intervention destructrice des ondes de pression sortantes et réfléchies dans l'aorte.

La forte bradycardie observée par les chercheurs peut être qualifiée de résultat inattendu de l'étude, étant donné le coût énorme des forces des baleines pour se fendre lors de l'ingestion d'eau avec du plancton. Cependant, le coût métabolique de cette manœuvre peut ne pas correspondre à la fréquence cardiaque ou au transport d'oxygène convectif, en partie en raison de la courte durée de l'alimentation et de l'implication possible de fibres musculaires glycolytiques qui se contractent rapidement.

Pendant l'attaque, les rorquals bleus accélèrent à grande vitesse et absorbent un volume d'eau, qui peut être plus grand que leur propre corps. Les scientifiques suggèrent que la haute résistance et l'énergie nécessaires pour manœuvrer épuisent rapidement l'apport total d'oxygène dans le corps, limitant ainsi le temps d'immersion. La force mécanique requise pour absorber de grands volumes d'eau est susceptible de dépasser de loin la force métabolique aérobie. C'est pourquoi, lors de telles manœuvres, la fréquence cardiaque, bien qu'en augmentation, a été pendant très peu de temps.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques .

Épilogue

L'une des conclusions les plus importantes est que pour l'échange de gaz et la reperfusion pendant de courts intervalles de surface, les rorquals bleus nécessitent une fréquence cardiaque presque maximale, quelle que soit la nature de l'appauvrissement en oxygène dans le sang et les muscles pendant la plongée. Si nous tenons compte du fait que les individus plus grands de rorquals bleus doivent investir plus de travail pour une période plus courte (conformément aux hypothèses de l'allométrie), ils rencontreront inévitablement plusieurs limitations physiologiques à la fois pendant la plongée et pendant l'intervalle de surface. Cela signifie que leur taille corporelle est évolutivement limitée, car si elle était plus grande, le processus d'obtention de nourriture serait très coûteux et ne serait pas compensé par la nourriture reçue. Les chercheurs eux-mêmes pensent que le cœur d'une baleine bleue fonctionne à la limite de ses capacités.

À l'avenir, les scientifiques prévoient d'étendre les capacités de leur appareil, notamment en ajoutant un accéléromètre afin de mieux comprendre l'effet des différentes activités physiques sur la fréquence cardiaque. Ils prévoient également d'utiliser leur capteur ECG sur d'autres formes de vie marine.

Comme cette étude l'a montré, être la plus grande créature avec le plus grand cœur n'est pas si simple. Néanmoins, quelle que soit la taille des habitants marins, quel que soit le régime alimentaire auquel ils adhèrent, nous devons comprendre que l'épaisseur de l'eau que les gens utilisent pour la pêche, la production et le transport reste leur maison. Nous ne sommes que des invités et nous devons donc nous comporter en conséquence.


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