大心脏的小秘密：历史上的第一个蓝鲸心电图

很难断定，自然是最生动的想象。 动植物的每个代表都有自己独特的，有时甚至是奇怪的特征，这些特征通常不适合我们的头脑。 以同一只螳螂虾为例。 这种掠夺性生物能够以83 km / h的速度用强大的爪子攻击受害者或罪犯，其视觉系统是人类研究过的最困难的系统之一。 螳螂小龙虾虽然生气，但不是很大-长达35厘米。 在整个地球上，最大的海洋栖息地是蓝鲸。 这种哺乳动物的长度可以超过30米，重达150吨。 尽管尺寸令人印象深刻，但很难将蓝鲸称为强大的猎人，因为 他们更喜欢浮游生物。

蓝鲸的解剖结构一直吸引着科学家，他们希望更好地了解如此巨大的生物和器官如何在其中工作。 尽管我们已经知道蓝鲸的存在已有数百年的历史（更确切地说，自1694年以来），但这些巨人并未透露所有秘密。 今天，我们将与您会面进行一项研究，斯坦福大学的一组科学家开发了一种装置，利用该装置获得了蓝鲸心跳的第一批记录。 海洋之王的心脏是如何工作的，科学家们做了什么发现？为什么生物体不能比蓝鲸大？ 我们从研究小组的报告中了解到这一点。 走吧

研究英雄

蓝鲸是最大的哺乳动物，最大的海洋生物，最大的动物，最大的鲸鱼。 我能说的是，从尺寸的角度来看，蓝鲸确实是最多的-长度为33米，重量为150吨。 这些数字是近似的，但同样令人印象深刻。



甚至这个巨人的头在吉尼斯世界纪录中也应该单独列出，因为它约占人体总长的27％。 在这种情况下，蓝鲸的眼睛足够小，只比葡萄柚小。 如果您看不见鲸鱼的眼睛，那么您会立即注意到您的嘴。 蓝鲸的嘴巴最多可容纳100人（令人毛骨悚然的示例，但蓝鲸至少在有意的情况下不会吞食人）。 嘴大是由于美食偏好：鲸鱼吃了浮游生物，吞下了大量的水，然后它们通过过滤器释放出来，过滤食物。 在相当有利的环境下，蓝鲸每天吸收约6吨浮游生物。



蓝鲸的另一个重要特征是它们的肺。 它们能够屏住呼吸1小时，然后潜入100 m的深度，但是像其他海洋哺乳动物一样，蓝鲸会定期出现在水面进行呼吸。 鲸鱼爬到水面时，使用了位于头后部的两个大洞（鼻孔）的呼吸孔。 鲸鱼通过螺旋藻呼出气时通常会伴有高达10 m高的垂直喷泉，考虑到鲸鱼栖息地的特殊性，它们的肺部工作效率比我们的高得多-轻鲸吸收了80-90％的氧气，而我们的只有15％的氧气。 在人类中，肺部容积约为3000升，这个数字在3到6升之间变化。


蓝鲸心脏的模型在一个博物馆在新贝德福德（美国）。

蓝鲸循环系统也充满了创纪录的参数。 例如，它们的血管非常巨大，仅主动脉的直径约为40厘米，蓝鲸的心脏被认为是世界上最大的心脏，重约一吨。 拥有如此宽阔的胸怀，鲸鱼和血液中有很多东西-一个成年人超过8000升。

因此，我们逐渐接近研究本身的本质。 正如我们已经了解的，蓝鲸的心脏很大，但是跳动很慢。 以前，人们认为脉搏约为每分钟5-10次，在极少数情况下可达20次。但是直到现在，还没有人进行过精确的测量。

斯坦福大学的科学家说，生物学的规模非常重要，特别是在确定生物器官的功能特征时。 对从老鼠到鲸鱼等各种生物的研究，使我们能够确定生物体不能超过的尺寸限制。 心脏和心血管系统整体是此类研究的重要属性。

在生理上完全适应其生活方式的海洋哺乳动物中，与潜水和呼吸停止相关的适应起着重要的作用。 已经发现，在许多这样的生物中，在潜水期间，心率降低到低于静止状态的水平。 并且上升到表面，心脏的节奏变得更快。

潜水期间必须降低心跳，以减少氧气输送到组织和细胞的速度，从而减少血液中氧气储备的消耗过程，并减少心脏自身的氧气消耗。

有一个假设是运动（即增加体育活动）调节对浸入的反应并增加浸入期间的心率。 该假设对于蓝鲸的研究尤为重要，因为鉴于一种特殊的喂养方法（吞食水的尖刺），理论上新陈代谢速率应超过基线值（静止状态）50倍。 建议这种弓步加速氧气的消耗，因此，减少了潜水的时间。

在肺部运动期间，由于这种体育活动中的代谢成本，增加的心率和增加的从血液到肌肉的氧气转移可能起重要作用。 此外，值得考虑的是蓝鲸中肌红蛋白* （Mb）的浓度低（比其他海洋哺乳动物低5-10倍：蓝鲸每100 g-1肌肉0.8 g Mb，其他鲸鱼中1.8-10 g Mb海洋哺乳动物。

肌红蛋白*是骨骼肌和心肌的氧结合蛋白。

结论是，身体活动，沉浸深度和意志控制会在通过自主神经系统浸入期间改变心率。

降低心率的另一个因素可能是在浸入/上升过程中肺部受压/扩张。

因此，在浸入过程中以及在表面时的心率直接与动脉血流动力学模型有关。


芬沃尔

先前对finwal（ Balaenoptera physalus ）主动脉壁的生物力学特性和大小的研究表明，在心率≤10次/ min的潜水过程中，主动脉弓可实现水库的作用（ Windkessel effekt ），可在舒张期之间保持较长的血液流动*心脏收缩并减少进入坚硬的远端主动脉的血流的脉动。

舒张期* （舒张期）- 两次收缩之间心脏的舒张期。

上述所有假设，理论和结论都必须有实质性证据，即在实践中得到证实或证明。 但是为此，您需要对自由移动的蓝鲸进行心电图检查。 简单的方法在这里行不通，因为科学家已经创建了自己的心电图设备。


研究人员简要介绍他们的工作的视频。

鲸鱼的ECG使用内置在带有4个吸盘的特殊胶囊中的定制ECG记录器记录。 表面ECG电极内置在两个吸盘中。 研究人员乘船前往蒙特利湾（加利福尼亚附近的太平洋）。 当科学家们最终遇见一条蓝鲸浮在水面时，他们将ECG记录仪附在他的身体上（左鳍旁边）。 根据先前收集的数据，这条鲸是15岁的雄性。 重要的是要注意，该设备是非侵入性的，也就是说，它不需要在动物的皮肤中引入任何传感器或电极。 也就是说，对于鲸鱼，此过程是完全无痛的，并且与人接触的压力很小，这也非常重要，因为要获取心跳的读数，该读数可能会因压力而失真。 结果，获得了8.5小时的ECG记录，据此科学家能够建立心律图（下图）。


图像＃1：蓝鲸心率配置文件。

ECG信号的形状类似于使用同一设备在圈养的小鲸鱼中记录的信号。 鲸鱼在寻找食物时的行为因其外观而非常普遍：潜水16.5分钟至184 m的深度，表面间隔1至4分钟。

根据潜水对心血管的反应，心率曲线显示，在寻找食物时，无论潜水时间长短或最大深度如何，在潜水的下半阶段心率通常为每分钟4到8次。 潜水心率（在整个潜水过程中计算）和潜水期间的最小瞬时心率随潜水时间而降低，而潜水后的最大表面心率随潜水时间而增加。 也就是说，鲸鱼在水下的时间越长，在潜水过程中的心跳越慢，在上升之后的跳动就越快。

反过来，哺乳动物的等速方程表明，重达70,000千克的鲸鱼的心脏重319千克，其搏动量（每次搏动排出的血液量）约为80升，因此，静息心率应为15次/分钟。

在潜水的较低阶段，瞬时心率在预期静息心率的1/3到1/2之间。 但是，在上升阶段心率增加。 在地表间隔，心率大约比预期的静息心率高出两倍，并且在深潜（> 125米深度）后，每分钟的搏动主要在30到37次搏动之间，而在小幅度跳水后，则是每分钟20至30次搏动。

此观察结果可能表明，加速心脏收缩对于深潜水之间实现组织所需的呼吸气体交换和再灌注（血流恢复）是必要的。

浅度的短夜潜与放松相关，因此，处于较不活跃状态的更多特征。 夜间潜水5分钟（每分钟8次）和伴随的2分钟表面间隔（每分钟25次）观察到的典型心率可共同导致每分钟约13次心跳。 正如我们所看到的，这个数字出乎意料地接近异速测量模型的计算预测。

接下来，科学家建立了4次独立潜水的心率，深度和相对肺容积的概况，对这些资料的分析使我们能够研究体育锻炼和深度对心律调节的潜在影响。


图片2：心率，深度和相对肺体积的概况4次独立潜水。

在大深度进食时，鲸鱼会做出一定的弓步动作-迅速张开嘴巴，用浮游生物吞下水，然后过滤掉食物。 需要注意的是，饮水时的心率是过滤时的2.5倍。 这直接表明了心率对身体活动的依赖性。

至于肺部，它们对心律的影响极不可能出现，因为在考虑的潜水中未观察到肺部相对体积的显着变化。

此外，在浅水潜水的较低阶段，心率的短期升高正好与肺部相对容积的变化有关，并且可能是由肺舒张受体的激活引起的。

总结以上观察结果，科学家得出的结论是，在深层进食期间，心率会短暂增加2.5倍。 但是，喂食时弓步期间的平均峰值心率仍仅为静止时预测值的一半。 这些数据与大鲸鱼的柔性主动脉弓在潜水过程中在心律缓慢时实现水库效应的假设相一致。 此外，浸入后心率较高的范围证实了以下假设：由于对主动脉内传出和反射的压力波的破坏性干预，在表面间隔期间主动脉阻抗和心负荷降低。

研究人员观察到的强烈的心动过缓可以被认为是这项研究的意外结果，因为鲸鱼在用浮游生物吞食水时需要付出巨大的代价。 但是，此操作的代谢成本可能与心率或对流氧气的运输不符，部分原因是进食时间短，并且糖酵解，迅速收缩的肌纤维可能参与其中。

在攻击过程中，蓝鲸加速运动并吸收大量水，这些水可能比它们的身体还大。 科学家认为，机动所需的高阻力和能量会很快耗尽体内的总氧气供应，从而限制了浸入时间。 吸收大量水所需的机械力可能远远超过有氧代谢强度。 这就是为什么在这种操作过程中，心率虽然会增加，但持续时间很短。

要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您研究一下科学家的报告 。

结语

最重要的结论之一是，对于短时间间隔内的气体交换和再灌注，无论潜水期间血液和肌肉中氧气消耗的性质如何，蓝鲸都需要几乎最大的心律。 如果我们考虑到较大的蓝鲸个体需要在较短的时间内投入更多的工作（根据异速测量法的假设），那么他们在潜水和水面停留期间不可避免地会遇到一些生理限制。 这意味着它们的体型在进化上受到限制，因为如果更大，则获取食物的过程将非常昂贵，并且不会因收到的食物而获得补偿。 研究人员自己认为，蓝鲸的心脏在其能力范围内发挥作用。

未来，科学家计划扩展其设备的功能，包括添加一个加速度计，以便更好地了解不同体育活动对心率的影响。 他们还计划将ECG传感器用于其他海洋生物。

正如这项研究表明的那样，要成为拥有最大心脏的最大生物并不是那么简单。 但是，无论海员的大小如何，无论他们坚持哪种饮食，我们都需要了解人们用于捕鱼，生产和运输的水的厚度仍然是他们的家。 我们只是客人，因此我们必须做出相应的举止。


谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家周末愉快！ :)

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