Rahasia kecil hati besar: kardiogram paus biru pertama dalam sejarah

Sulit untuk berdebat dengan pernyataan bahwa alamlah yang memiliki imajinasi paling jelas. Masing-masing perwakilan flora dan fauna memiliki keunikannya sendiri, dan kadang-kadang bahkan ciri-ciri aneh yang sering tidak sesuai dengan kepala kita. Ambil, misalnya, udang mantis yang sama. Makhluk predator ini mampu menyerang korban atau pelaku dengan cakar yang kuat dengan kecepatan 83 km / jam, dan sistem visual mereka adalah salah satu yang paling sulit dipelajari oleh manusia. Lobster belalang, meskipun geram, tetapi tidak terlalu besar - panjangnya mencapai 35 cm. Penghuni laut dan samudera terbesar, seperti di seluruh planet ini, adalah paus biru. Panjang mamalia ini bisa mencapai lebih dari 30 meter dan berat 150 ton. Meskipun dimensi yang mengesankan, sulit untuk memanggil pemburu tangguh paus biru, sebagai mereka lebih suka plankton.

Anatomi paus biru selalu menarik perhatian para ilmuwan yang ingin lebih memahami bagaimana organisme dan organ yang sangat besar itu bekerja di dalamnya. Terlepas dari kenyataan bahwa kita telah mengetahui tentang keberadaan paus biru selama beberapa ratus tahun (sejak 1694, lebih tepatnya), raksasa ini belum mengungkapkan semua rahasia mereka. Hari ini kita akan bertemu dengan Anda sebuah studi di mana sekelompok ilmuwan dari Stanford University mengembangkan perangkat yang dengannya catatan pertama detak jantung paus biru diperoleh. Bagaimana cara jantung penguasa laut bekerja, penemuan apa yang telah dibuat para ilmuwan, dan mengapa organisme tidak bisa lebih besar dari paus biru? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Pahlawan penelitian

Paus biru adalah mamalia terbesar, penghuni laut dan samudera terbesar, hewan terbesar, paus terbesar. Apa yang bisa saya katakan, paus biru benar-benar yang paling dari sudut pandang dimensi - panjangnya 33 meter dan beratnya 150 ton. Angka-angka perkiraan, tetapi tidak kalah mengesankan.



Bahkan kepala raksasa ini layak mendapat baris terpisah dalam Guinness Book of Records, karena menempati sekitar 27% dari total panjang tubuh. Dalam hal ini, mata paus biru cukup kecil, tidak lebih dari grapefruit. Jika mata paus sulit untuk Anda lihat, maka Anda akan segera melihat mulut Anda. Mulut paus biru dapat menampung hingga 100 orang (contoh menyeramkan, tetapi paus biru tidak memakan manusia, setidaknya dengan sengaja). Ukuran besar mulut adalah karena preferensi gastronomi: paus memakan plankton, menelan air dalam jumlah besar, yang kemudian mereka lepaskan melalui alat penyaring, menyaring makanan. Dalam keadaan yang cukup menguntungkan, paus biru menyerap sekitar 6 ton plankton per hari.



Ciri penting lainnya dari paus biru adalah paru-parunya. Mereka mampu menahan napas selama 1 jam dan menyelam hingga kedalaman 100 m. Namun, seperti mamalia laut lainnya, paus biru secara berkala muncul di permukaan air untuk bernafas. Memanjat ke permukaan air, paus menggunakan lubang pernapasan dua lubang besar (lubang hidung) di bagian belakang kepala. Pengeluaran paus melalui spira sering disertai dengan air mancur vertikal setinggi 10 m, mengingat kekhasan habitat paus, paru-paru mereka bekerja lebih efisien daripada kita - paus ringan menyerap 80-90% oksigen, dan kita hanya sekitar 15%. Volume paru-paru sekitar 3 ribu liter, pada manusia, angka ini bervariasi di wilayah 3-6 liter.


Model hati paus biru di sebuah museum di New Bedford (AS).

Sistem sirkulasi paus biru juga penuh dengan parameter pemecah rekor. Misalnya, pembuluh mereka sangat besar, diameter aorta saja sekitar 40 cm, jantung paus biru dianggap sebagai jantung terbesar di dunia dan beratnya sekitar satu ton. Dengan hati yang begitu besar, paus dan darah memiliki banyak - lebih dari 8000 liter pada orang dewasa.

Jadi kami secara bertahap mendekati esensi dari penelitian itu sendiri. Jantung paus biru itu besar, seperti yang sudah kita pahami, tetapi berdetak agak lambat. Sebelumnya, diyakini bahwa denyut nadi sekitar 5-10 denyut per menit, dalam kasus yang jarang terjadi, hingga 20. Tapi tidak ada yang melakukan pengukuran yang akurat, sampai sekarang.

Para ilmuwan dari Stanford University mengatakan bahwa skala dalam biologi sangat penting, terutama ketika menentukan karakteristik fungsional organ-organ makhluk hidup. Studi tentang berbagai makhluk, dari tikus hingga paus, memungkinkan kita untuk menentukan batasan dimensi yang tidak bisa dilampaui oleh organisme hidup. Dan jantung dan sistem kardiovaskular secara keseluruhan adalah atribut penting dari studi tersebut.

Pada mamalia laut, yang fisiologinya sepenuhnya disesuaikan dengan gaya hidup mereka, adaptasi yang terkait dengan menyelam dan henti pernapasan memainkan peran penting. Telah ditemukan bahwa pada banyak makhluk seperti itu, selama menyelam, detak jantung menurun ke tingkat di bawah kondisi istirahat. Dan naik ke permukaan, irama jantung menjadi lebih cepat.

Detak jantung yang lebih rendah selama penyelaman diperlukan untuk mengurangi laju pengiriman oksigen ke jaringan dan sel, sehingga menipiskan proses penipisan cadangan oksigen dalam darah dan mengurangi konsumsi oksigen oleh jantung.

Ada hipotesis bahwa olahraga (yaitu meningkatkan aktivitas fisik) memodulasi respons terhadap pencelupan dan meningkatkan denyut jantung selama pencelupan. Hipotesis ini sangat penting untuk studi paus biru, karena, mengingat metode pemberian makan khusus (lunge tajam untuk menelan air), laju metabolisme, secara teori, harus 50 kali lebih tinggi daripada nilai dasar (keadaan istirahat). Disarankan bahwa lunges semacam itu mempercepat penipisan oksigen, oleh karena itu, mengurangi durasi penyelaman.

Peningkatan denyut jantung dan peningkatan transfer oksigen dari darah ke otot selama menerjang dapat memainkan peran penting karena biaya metabolisme selama aktivitas fisik tersebut. Selain itu, ada baiknya mempertimbangkan konsentrasi rendah mioglobin * (Mb) pada paus biru (5-10 kali lebih rendah daripada mamalia laut lainnya: 0,8 g Mb per 100 g-1 otot pada paus biru dan 1,8-10 g Mb pada lainnya mamalia laut.

Myoglobin * adalah protein pengikat oksigen dari otot rangka dan otot jantung.

Sebagai kesimpulan, aktivitas fisik, kedalaman perendaman dan kontrol kehendak mengubah denyut jantung selama perendaman melalui sistem saraf otonom.

Faktor tambahan dalam mengurangi denyut jantung mungkin kompresi / ekspansi paru-paru selama perendaman / pendakian.

Dengan demikian, denyut jantung selama perendaman dan saat di permukaan secara langsung berkaitan dengan model hemodinamik arteri.


Finwal

Penelitian sebelumnya mengenai sifat-sifat biomekanik dan ukuran dinding aorta finwal ( Balaenoptera physalus ) menunjukkan bahwa selama penyelaman dengan detak jantung ≤10 detak / menit, lengkung aorta menyadari efek reservoir ( Windkessel effekt ), yang mempertahankan aliran darah untuk periode diastolik yang panjang * antara kontraksi jantung dan mengurangi pulsasi aliran darah ke aorta distal yang kaku.

Diastole * (periode diastolik) - periode relaksasi jantung antara kontraksi.

Semua hipotesis, teori, dan kesimpulan di atas harus memiliki bukti material, yaitu, dikonfirmasi atau dibantah dalam praktik. Tetapi untuk ini, Anda perlu melakukan elektrokardiografi pada paus biru yang bergerak bebas. Metode sederhana tidak akan berfungsi di sini, karena para ilmuwan telah menciptakan perangkat mereka sendiri untuk elektrokardiografi.


Sebuah video di mana peneliti secara singkat berbicara tentang pekerjaan mereka.

EKG paus direkam menggunakan perekam EKG custom-made yang dibuat dalam kapsul khusus dengan 4 cangkir hisap. Permukaan elektroda EKG dibangun ke dalam dua cangkir hisap. Para peneliti naik perahu ke Monterey Bay (Samudra Pasifik, dekat California). Ketika para ilmuwan akhirnya bertemu paus biru yang muncul ke permukaan air, mereka menempelkan perekam EKG ke tubuhnya (di sebelah sirip kiri). Menurut data yang dikumpulkan sebelumnya, paus ini adalah jantan pada usia 15 tahun. Penting untuk dicatat bahwa perangkat ini non-invasif, yaitu, itu tidak memerlukan pengenalan sensor atau elektroda ke dalam kulit binatang. Yaitu, untuk ikan paus, prosedur ini sama sekali tidak menyakitkan dan dengan stres minimal dari kontak dengan orang-orang, yang juga sangat penting, mengingat pembacaan denyut jantung diambil, yang dapat terdistorsi karena stres. Hasilnya, catatan EKG 8,5 jam diperoleh, yang menurutnya para ilmuwan dapat membangun profil irama jantung (gambar di bawah).


Gambar # 1: Profil Detak Jantung Paus Biru.

Bentuk sinyal EKG mirip dengan yang direkam dalam paus kecil di penangkaran menggunakan perangkat yang sama. Perilaku paus saat mencari makanan cukup umum untuk penampilannya: menyelam selama 16,5 menit hingga kedalaman 184 m dan interval permukaan dari 1 hingga 4 menit.

Profil detak jantung, sesuai dengan respons kardiovaskular terhadap penyelaman, menunjukkan bahwa detak jantung 4 hingga 8 kali per menit terjadi pada fase penyelaman yang lebih rendah ketika mencari makanan, terlepas dari durasi penyelaman atau kedalaman maksimum. Denyut jantung menyelam (dihitung selama seluruh durasi penyelaman) dan detak jantung instan minimum selama penyelaman menurun dengan durasi penyelaman, sedangkan denyut jantung permukaan maksimum setelah penyelaman meningkat dengan durasi penyelaman. Artinya, semakin lama paus berada di bawah air, semakin lambat detak jantung selama menyelam dan semakin cepat setelah pendakian.

Pada gilirannya, persamaan alometrik untuk mamalia menyatakan bahwa paus dengan berat 70.000 kg memiliki jantung dengan berat 319 kg, dan volume strokenya (volume darah yang dikeluarkan per stroke) adalah sekitar 80 l, oleh karena itu, denyut jantung istirahat harus 15 kali / min

Selama fase menyelam yang lebih rendah, detak jantung instan berkisar antara 1/3 hingga 1/2 dari detak jantung istirahat yang diprediksi. Namun, denyut jantung meningkat selama fase pendakian. Pada interval permukaan, detak jantung kira-kira dua kali lebih tinggi daripada detak jantung istirahat yang diprediksi dan secara dominan bervariasi dari 30 hingga 37 detak per menit setelah penyelaman dalam (> kedalaman 125 meter) dan dari 20 hingga 30 detak per menit setelah penyelaman yang lebih kecil.

Pengamatan ini dapat menunjukkan bahwa percepatan kontraksi jantung diperlukan untuk mencapai pertukaran gas pernapasan yang diinginkan dan reperfusi (pemulihan aliran darah) jaringan antara penyelaman yang dalam.

Penyelaman malam jangka pendek yang dangkal dikaitkan dengan relaksasi dan, oleh karena itu, lebih merupakan karakteristik dari keadaan yang kurang aktif. Denyut jantung khas yang diamati dengan penyelaman malam 5 menit (8 denyut per menit) dan interval permukaan 2 menit yang menyertai (25 denyut per menit) bersama-sama dapat menyebabkan denyut jantung sekitar 13 denyut per menit. Angka ini, seperti yang dapat kita lihat, secara mengejutkan mendekati prediksi yang dihitung dari model-model alometrik.

Selanjutnya, para ilmuwan membuat profil detak jantung, kedalaman, dan volume paru-paru relatif dari 4 penyelaman terpisah, analisis yang memungkinkan kami untuk mempelajari efek potensial dari aktivitas fisik dan kedalaman pada pengaturan irama jantung.


Gambar No. 2: profil detak jantung, kedalaman dan volume paru relatif 4 penyelaman terpisah.

Sambil makan makanan di kedalaman, paus melakukan manuver lunge tertentu - dengan tajam membuka mulutnya untuk menelan air dengan plankton, dan kemudian menyaring makanan. Tercatat bahwa detak jantung pada saat menelan air 2,5 kali lebih tinggi daripada pada saat penyaringan. Ini secara langsung menunjukkan ketergantungan detak jantung pada aktivitas fisik.

Sedangkan untuk paru-paru, efeknya pada irama jantung sangat tidak mungkin, karena tidak ada perubahan signifikan dalam volume relatif paru-paru yang diamati selama penyelaman yang dipertimbangkan.

Selain itu, dalam fase yang lebih rendah dari penyelaman dangkal, peningkatan jangka pendek dalam denyut jantung dikaitkan dengan perubahan volume relatif paru-paru dan dapat disebabkan oleh aktivasi reseptor peregangan paru-paru.

Merangkum pengamatan di atas, para ilmuwan sampai pada kesimpulan bahwa selama memberi makan pada kedalaman yang hebat ada peningkatan singkat dalam denyut jantung sebesar 2,5 kali. Namun, rata-rata denyut jantung puncak selama lunges pada saat menyusui masih hanya setengah dari nilai yang diprediksi saat istirahat. Data ini konsisten dengan hipotesis bahwa lengkungan aorta fleksibel paus besar menyadari efek reservoir selama detak jantung lambat selama menyelam. Selain itu, kisaran denyut jantung yang lebih tinggi setelah pencelupan mengkonfirmasi hipotesis bahwa impedansi aorta dan beban jantung menurun selama interval permukaan karena gangguan destruktif dari gelombang tekanan keluar dan yang direfleksikan di aorta.

Bradikardia yang kuat yang diamati oleh para peneliti dapat disebut sebagai hasil yang tidak terduga dari penelitian ini, mengingat besarnya biaya pasukan paus untuk terjatuh selama menelan air dengan plankton. Namun, biaya metabolisme dari manuver ini mungkin tidak sesuai dengan detak jantung atau transportasi oksigen konvektif, sebagian karena durasi pemberian yang pendek dan kemungkinan keterlibatan serat otot glikolitik yang berkontraksi dengan cepat.

Selama serangan, paus biru berakselerasi ke kecepatan tinggi dan menyerap volume air, yang mungkin lebih besar dari tubuhnya sendiri. Para ilmuwan menyarankan bahwa resistensi tinggi dan energi yang dibutuhkan untuk bermanuver dengan cepat menghabiskan pasokan oksigen total dalam tubuh, sehingga membatasi waktu perendaman. Kekuatan mekanis yang dibutuhkan untuk menyerap air dalam volume besar cenderung jauh melebihi kekuatan metabolisme aerobik. Itu sebabnya, selama manuver seperti itu, detak jantung, meskipun meningkat, adalah untuk waktu yang sangat singkat.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda membaca laporan para ilmuwan .

Epilog

Salah satu kesimpulan paling penting adalah bahwa untuk pertukaran gas dan reperfusi selama interval permukaan pendek, paus biru membutuhkan detak jantung yang hampir maksimal, terlepas dari sifat menipisnya oksigen dalam darah dan otot selama menyelam. Jika kita memperhitungkan bahwa individu yang lebih besar dari paus biru perlu menginvestasikan lebih banyak pekerjaan untuk periode waktu yang lebih pendek (sesuai dengan hipotesis allometry), maka mereka pasti akan menghadapi beberapa keterbatasan fisiologis baik selama penyelaman dan selama interval permukaan. Ini berarti bahwa ukuran tubuh mereka secara evolusi terbatas, karena jika lebih besar, proses memperoleh makanan akan sangat mahal dan tidak akan dikompensasi oleh makanan yang diterima. Para peneliti sendiri percaya bahwa jantung paus biru bekerja sampai batas kemampuannya.

Di masa depan, para ilmuwan berencana untuk memperluas kemampuan perangkat mereka, termasuk menambahkan accelerometer untuk lebih memahami efek dari berbagai aktivitas fisik pada detak jantung. Mereka juga berencana untuk menggunakan sensor EKG mereka pada kehidupan laut lainnya.

Seperti yang ditunjukkan dalam penelitian ini, menjadi makhluk terbesar dengan hati terbesar tidaklah sesederhana itu. Namun demikian, tidak peduli apa ukuran penghuni laut itu, tidak peduli apa pun pola makan yang mereka patuhi, kita perlu memahami bahwa ketebalan air yang digunakan orang untuk memancing, produksi dan transportasi tetap menjadi rumah mereka. Kami hanya tamu, dan oleh karena itu kami harus berperilaku sesuai.


Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran dan selamat berakhir pekan, semuanya! :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda, cloud VPS untuk pengembang mulai dari $ 4,99 , diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami ciptakan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Core) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana cara berbagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?