какое сердцебиение у кита
Ученые впервые в истории зафиксировали частоту сердечных сокращений у синего кита
Биологи из Стэнфордского университета впервые в истории зафиксировали частоту сердечных сокращений у синего кита в дикой природе. Результаты позволили определить, как работает сердечно-сосудистая система млекопитающего, которое на продолжительное время оказывается под водой без доступа к кислороду. Исследование опубликовано на сайте Национальной академии наук США.
Читайте «Хайтек» в
Синие киты — самые большие существа, которые когда-либо жили на планете. Эти водные млекопитающие могут достигать 30 м в длину и весить до 173 метрических тонн (172 365 кг). Для сравнения, это примерно равно весу 292 взрослых африканских слонов — самых больших наземных животных из живущих на Земле.
Жизнь в океане позволяет китам вырасти до размеров, которых не может достигнуть ни одно животное на суше — оно просто не сможет выжить. Самыми крупными наземными животными, когда-либо жившими на планете, являются титанозавры — эти травоядные ящеры с длинной шеей вырастали на 15 м в длину (вдвое меньше, чем у синих китов) и весили около 82 тыс. кг.
Авторы нового исследования выяснили, что синие киты достигают таких внушительных размеров из-за особого устройства сердечно-сосудистой системы. Чтобы определить ее строение, ученые прикрепили устройство для электрокардиограммы к плавнику 15-летнего самца синего кита в бухте Монтерей, штат Калифорния. Устройство отслеживало сердечные ритмы кита, когда он нырнул на глубину 184 м и оставался под водой в течение 17 минут.
Результаты измерений оказались удивительными — когда кит совершил погружение, частота его сердечных сокращений замедлилась до 4–8 ударов в минуту (для сравнения, у обычного человека сердце сокращается с частотой 60–100 ударов в минуту). Благодаря этому кит смог сохранить в крови достаточное количество кислорода, чтобы выдержать такое длительное погружение.
Ранее Международная комиссия по промыслу китов (IWC) заявила, что численность горбатых китов выросла до 30% от исходной до начала их добычи. Соответственно, теперь горбатые киты больше не находятся на грани вымирания.
Маленький секрет большого сердца: первая в истории кардиограмма синего кита
Сложно спорить с утверждением, что самым ярким воображением обладает именно природа. Каждый из представителей флоры и фауны обладает своими уникальными, а порой даже странными особенностями, которые частенько не укладываются у нас в голове. Взять, к примеру, того же рака-богомола. Это хищное создание способно атаковать жертву или обидчика своими мощными клешнями со скоростью 83 км/ч, а их зрительная система одна из сложнейших когда-либо изученных человеком. Раки-богомолы, хоть и яростные, но не особо крупные — до 35 см в длину. Самым же большим обитателей морей и океанов, как в общем и планеты, является синий кит. Длина этого млекопитающего может достигать более 30 метров, а вес 150 тонн. Несмотря на внушительные габариты, синих китов сложно назвать грозными охотниками, т.к. они предпочитают планктон.
Анатомия синих китов всегда интересовала ученых, желающих лучше понять, как работает столь огромный организм и органы в нем. Несмотря на то, что про существование синих китов мы знаем уже несколько сотен лет (с 1694 года, если точнее), эти гиганты раскрыли далеко не все свои секреты. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором группа ученых из Стэнфордского университета разработала устройство, с помощью которого были получены первые записи сердцебиения синего кита. Как же работает сердце повелителя морей, какие открытия сделали ученые, и почему не может существовать организм больший, чем синий кит? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.
Герой исследования
Синий кит — самое большое млекопитающее, самый большой обитатель морей и океанов, самое большое животное, самый большой кит. Что тут скажешь, синий кит действительно самый-самый с точки зрения габаритов — длина 33 метра, а вес 150 тонн. Цифры приблизительные, но от того не менее внушительные.
Даже голова этого гиганта заслуживает отдельной строчки в книге рекордов Гиннеса, поскольку занимает порядка 27% от общей длины тела. При этом глаза у синих китов достаточно маленькие, не больше грейпфрута. Если глаза кита вам увидеть будет сложно, то рот вы заметите сразу. Пасть синего кита может вместить до 100 человек (жутковатый пример, но людей синие киты не едят, по крайней мере, намеренно). Большой размер рта обусловлен гастрономическими предпочтениями: киты едят планктон, заглатывая огромные объемы воды, которую потом выпускают через цедильный аппарат, отфильтровывая пищу. При достаточно благоприятных обстоятельствах синий кит поглощает в день порядка 6 тонн планктона.
Другой важной особенностью синих китов являются их легкие. Они способны задерживать дыхание на 1 час и нырять на глубину до 100 м. Но, как и другие морские млекопитающие, синие киты периодически выныривают на поверхность воды, чтобы подышать. Поднявшись на поверхность воды, киты используют дыхало — дыхательное отверстие из двух больших отверстий (ноздрей) на задней части головы. Выдох кита через дыхало часто сопровождается вертикальным фонтаном воды высотой до 10 м. Учитывая особенности места обитания китов, их легкие работают значительно эффективнее наших — легкие кита поглощают 80-90% кислорода, а наши лишь около 15%. Объем легких составляет порядка 3 тысяч литров, у человека же этот показатель варьируется в районе 3-6 литров.
Модель сердца синего кита в музее в Нью-Бедфорде (США).
Кровеносная система синего кита также полна рекордных параметров. К примеру, сосуды у них просто огромные, диаметр одной только аорты составляет около 40 см. Сердце синих китов считается самым крупным сердцем в мире и весит около тонны. С таким большим сердцем у кита и крови много — более 8000 литров у взрослой особи.
И вот мы плавно подошли к сути самого исследования. Сердце синего кита большое, как мы уже поняли, но бьется оно достаточно медленно. Ранее считалось, что пульс составляет порядка 5-10 ударов в минуту, в редких случаях до 20. Но точных измерений никто не проводил, до сего момента.
Ученые из Стэнфордского университета заявляют, что масштаб в биологии имеет огромное значение, особенно если речь идет об определении функциональных особенностей органов живых существ. Изучение различных существ, от мышей до китов, позволяет определить ограничения по габаритам, которые живой организм не может превысить. А сердце и сердечно-сосудистая система в целом являются важными атрибутами таких исследований.
У морских млекопитающих, чья физиология полностью адаптировалась к их образу жизни, важную роль играют адаптации, связанные с нырянием и задержкой дыхания. Было установлено, что у многих таких существ во время погружения частота сердечного ритма снижается до уровней, ниже состояния покоя. А поднявшись на поверхность, ритм сердца становится более учащенным.
Пониженное сердцебиение во время погружений необходимо для снижения скорости доставки кислорода в ткани и клетки, тем самым замедляется процесс истощения кислородных запасов в крови и снижается потребление кислорода самим сердцем.
Существует гипотеза, что упражнения (т.е. повышенная физическая активность) модулируют реакцию на погружение и увеличивают частоту сердечных сокращений во время погружения. Эта гипотеза особенно важна для исследования синих китов, так как ввиду особого метода питания (резкого выпада для заглатывания воды) скорость метаболизма, в теории, должна превышать базовые значения (состояние покоя) в 50 раз. Предполагается, что такие выпады ускоряют истощение кислорода, следовательно, снижая продолжительность погружения.
Повышенная частота сердечного ритма и повышенная передача кислорода от крови к мышцам во время выпада могут играть важную роль из-за метаболических затрат во время такой физической активности. Кроме того, стоит учитывать и низкую концентрацию миоглобина* (Mb) у синих китов (в 5-10 раз ниже, чем у других морских млекопитающих: 0.8 г Mb на 100 г-1 мышцы у синих китов и 1.8-10 г Mb у других морских млекопитающих.
Миоглобин* — кислородосвязывающий белок скелетных мышц и мышцы сердца.
Как вывод, физическая нагрузка, глубина погружения и волевой контроль изменяют частоту сердечных сокращений во время погружения через вегетативную нервную систему.
Дополнительным фактором снижения частоты сердечного ритма может быть и сжатие/расширение легких во время погружения/всплытия.
Таким образом, частота сердечных сокращений в течение погружения и во время пребывания на поверхности напрямую относится к моделям артериальной гемодинамики.
Финвал
Ранее проведенное исследование биомеханических свойств и размеров стенок аорты у финвала (Balaenoptera physalus) показало, что во время погружений при частоте сердечных сокращений ≤10 уд/мин дуга аорты реализует эффект резервуара (Windkessel effekt), который поддерживает кровоток в течение длинных диастолических периодов* между сердечными сокращениями и уменьшает пульсацию кровяного потока в жесткую дистальную аорту.
Диастола* (диастолический период) — период расслабления сердца между сокращениями.
Все вышеописанные гипотезы, теории и умозаключения должны иметь материальные доказательства, то есть быть подтверждены или опровергнуты на практике. Но для этого нужно провести электрокардиографию свободно передвигающемуся синему киту. Простые методы тут не сработают, потому ученые создали свой прибор для электрокардиографии.
Видео, в котором исследователи вкратце рассказывают о своем труде.
ЭКГ кита регистрировалась с использованием изготовленного на заказ регистратора ЭКГ, встроенного в специальную капсулу на 4 присосках. Поверхностные электроды ЭКГ были встроены в две из присосок. Исследователи отправились на лодке в залив Монтерей (Тихий океан, рядом с Калифорнией). Когда ученым наконец повстречался синий кит, всплывший к поверхности воды, они прикрепили к его телу (рядом с левым плавником) ЭКГ-регистратор. По ранее собранным данным данный кит является самцом в возрасте 15 лет. Важно отметить, что данное устройство является неинвазивным, то есть не требует внедрения в кожу животного каких-либо датчиков или электродов. То есть для кита эта процедура совершенно безболезненна и с минимальным стрессом от контакта с людьми, что также крайне важно, учитывая, что снимаются показания сердцебиения, которые могли бы быть искажены ввиду стресса. В результате была получена 8.5-часовая ЭКГ запись, по которой ученые смогли построить профиль сердечного ритма (изображение ниже).
Изображение №1: профиль сердечного ритма синего кита.
Форма ЭКГ сигнала была аналогична той, которая была записана у мелких китов в неволе с помощью того же устройства. Поведение кита во время поисков пищи было вполне обычным для его вида: погружение в течение 16.5 минут до глубины 184 м и поверхностные интервалы от 1 до 4 минут.
Профиль сердечного ритма, в соответствии с сердечно-сосудистым ответом на погружение, показал, что частота сердечных сокращений от 4 до 8 ударов в минуту преобладала в нижней фазе погружений при поиске пищи, независимо от продолжительности погружения или максимальной глубины. Частота сердечных сокращений при погружении (рассчитывается по всей продолжительности погружения) и минимальная мгновенная частота сердечных сокращений во время погружения снижались с продолжительностью погружения, тогда как максимальная поверхностная частота сердечных сокращений после погружения увеличивалась с продолжительностью погружения. То есть, чем дольше кит был под водой, тем медленнее билось сердце во время погружения и тем быстрее после всплытия.
В свою очередь, аллометрические уравнения по млекопитающим утверждают, что кит весом 70000 кг имеет сердце весом 319 кг, а его ударный объем (объем крови, выбрасываемый за удар) равен около 80 л, следовательно, частоту сердечных сокращений в покое должна быть 15 уд/мин.
Во время нижних фаз погружений мгновенная частота сердечных сокращений составляла от 1/3 до 1/2 от прогнозируемой частоты сердечных сокращений в покое. Однако ритм сердца возрастал на этапе всплытия. В поверхностных интервалах частота сердечных сокращений примерно в два раза превышала прогнозируемую частоту сердечных сокращений в покое и преимущественно варьировалась от 30 до 37 ударов в минуту после глубоких погружений (> 125-метровой глубины) и от 20 до 30 ударов в минуту после более мелких погружений.
Данное наблюдение может говорить о том, что ускорение сердечных сокращений необходимо для достижения нужного дыхательного газообмена и реперфузии (восстановление тока крови) тканей между глубокими погружениями.
Неглубокие кратковременные ночные погружения были связаны с отдыхом и, следовательно, более характерны для менее активного состояния. Типичные частоты сердечных сокращений, наблюдаемые при 5-минутном ночном погружении (8 ударов в минуту) и сопровождающем его 2-минутном поверхностном интервале (25 ударов в минуту), могут в совокупности привести к тому, что ритм сердца будет порядка 13 ударов в минуту. Эта цифра, как мы можем видеть, удивительно близка к расчетным предсказаниям аллометрических моделей.
Далее ученые построили профили частоты сердечных сокращений, глубины и относительного объема легких 4 отдельных погружений, анализ которых позволил изучить потенциальное влияние физической активности и глубины на регуляцию сердечного ритма.
Изображение №2: профили частоты сердечных сокращений, глубины и относительного объема легких 4 отдельных погружений.
Во время употребления пищи на больших глубинах кит совершает определенный маневр выпада — резко раскрывает пасть для заглатывания воды с планктоном, а потом отфильтровывает пищу. Было замечено, что частота сердечных сокращений в момент заглатывания воды в 2.5 раза выше, чем в момент фильтрации. Это прямо говорит о зависимости ритма сердца от физической нагрузки.
Что касается легких, то их влияние на сердечный ритм крайне маловероятно, так как не было замечено значительных изменений относительного объема легких во время рассматриваемых погружений.
При этом в нижних фазах неглубоких погружений кратковременное увеличение частоты сердечных сокращений было связано именно с изменениями относительного объема легких и могло быть вызвано активацией рецептора растяжения легких.
Суммируя вышеописанные наблюдения, ученые пришли к выводу, что во время кормления на больших глубинах наблюдается непродолжительное увеличение частоты сердечных сокращений в 2.5 раза. Тем не менее, средняя пиковая частота сердечных сокращений во время выпадов в момент кормления все еще составляла лишь половину прогнозируемой величины в покое. Эти данные согласуются с гипотезой о том, что гибкие дуги аорты крупных китов реализуют эффект резервуара во время медленного сердечного ритма в период погружения. Помимо этого, диапазон более высоких сердечных сокращений в период после погружения подтвердил гипотезу о том, что импеданс аорты и нагрузка на сердце снижаются в течение поверхностного интервала из-за деструктивного вмешательства исходящих и отраженных волн давления в аорте.
Сильную брадикардию, которую наблюдали исследователи, можно назвать неожиданным результатом исследования, учитывая колоссальные затраты сил кита на маневр выпада во время заглатывания воды с планктоном. Однако, метаболические затраты этого маневра могут не соответствовать частоте сердечных сокращений или конвективному транспорту кислорода отчасти из-за короткой продолжительности кормления и возможного привлечения гликолитических, быстро сокращающихся мышечных волокон.
Во время выпада синие киты разгоняются до высокой скорости и поглощают объем воды, который может быть больше их собственного тела. Ученые предполагают, что высокое сопротивление и энергия, необходимая для маневра, быстро истощают общие запасы кислорода в организме, чем ограничивают время погружения. Механическая сила, необходимая для поглощения больших объемов воды, вероятно, намного превышает аэробную метаболическую силу. Именно потому во время совершения таких маневров частота сердечных сокращений хоть и увеличивалась, но на очень непродолжительное время.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
Одним из важнейших выводов является то, что для обмена газа и реперфузии во время коротких поверхностных интервалов синим китам требуется почти максимальная частота сердечных сокращений, независимо от характера истощения запасов кислорода в крови и мышцах во время погружений. Если же учесть, что более крупные особи синих китов для получения пищи должны вкладывать больше труда за меньший период времени (в соответствии с гипотезами аллометрии), то они неминуемо сталкиваются с несколькими физиологическими ограничениями как в течение погружения, так и во время поверхностного интервала. А это означает, что эволюционно размер их тела ограничен, так как будь оно больше, то процесс получения пищи был бы очень затратным и не компенсировался бы полученной пищей. Сами исследователи считают, что сердце синего кита работает на пределе своих возможностей.
В дальнейшем ученые планируют расширить возможности своего устройства, в том числе добавить акселерометр, чтобы лучше понимать влияние разной физической активности на сердечный ритм. Также они планируют применить свой ЭКГ-датчик на других морских обитателях.
Как показало это исследование, быть самым большим существом с самым большим сердцем — не так и просто. Тем не менее, каких бы габаритов не были морские обитатели, какой бы диеты они не придерживались, нам необходимо понимать, что толща воды, которая используется человеком для промысла, добычи и транспортировки, остается их домом. Мы же лишь гости, а потому должны вести себя соответствующе.
Почему сердцебиение китов так удивило ученых?
Команда биологов, занимающаяся изучением морских обитателей, провела ряд исследований, посвященных изучению крупнейшего существа на планете — синего кита. Результаты исследования сильно удивили экспертов, ведь выяснилось, что огромное животное способно жить всего при двух ударах сердца в минуту. Для того, чтобы получить необходимый результат, морским биологам пришлось прицепить к киту особые вакуумные присоски и пульсометр, который постоянно проводил измерения сердцебиения животного. Что же еще узнали ученые и какие факты их сильно удивили?
Синий кит является самым большим животным, которое когда-либо проживало на нашей планете
Самое большое сердце на Земле
Синий кит является представителем самого большого животного, которое когда-либо могло жить на планете Земля. Взрослый синий кит имеет длину до 33 метров и, для того, чтобы обеспечить полноценное кровоснабжение столь крупного организма, животному требуется сильное и крупное по размерам сердце. Есть версии, что сердце синего кита весит около 180 килограммов и выглядит примерно как гольф-кар.
Как сообщает журнал Proceedings of the National Academy of Sciences, во время проведения исследования, крупнейшее живое существо на Земле ныряло на глубину от 30 до 200 метров, периодически пополняя свои легкие воздухом, а желудок пищей. Известно, что во время глубоких погружений с целью охоты, частота пульса кита резко снижается. Таким образом, если на поверхности воды сердце животного сокращается до 34 раз в минуту, то в самых глубоких водах этот показатель достигает всего 2 удара в минуту.
Ученые уже давно выяснили, что пульс синего кита должен значительно замедляться на глубине для того, чтобы перераспределить потребление кислорода клетками всего организма. Когда дышащие воздухом млекопитающие ныряют под воду, их тела автоматически начинают направлять кислород таким образом, чтобы сердце и мозг получали больше кислорода, чем все остальные органы. Такая перестройка помогает животному долгое время обходиться без кислорода под водой, приводя к существенному замедлению сердечной деятельности.
Для того, чтобы подтвердить изменения пульса у синего кита во время погружения, эксперты поместили на одного из представителей крупнейших млекопитающих планеты специальный датчик, регистрирующий частоту сердцебиения самого большого в мире сердца. Уникальное исследование проводили на протяжении 9 часов, во время которых кит то погружался на глубину, то поднимался на поверхность. Падая до своего минимального значения, столь резкое снижение показателей сердечного ритма животного происходило из-за растягивающейся аортальной артерии кита, которая медленно сокращалась для того, чтобы кровь, обогащенная кислородом, перемещалась по телу животного.
Сердце кита весит около 180 килограмм
По возвращению на поверхность, частота сердечных сокращений синего кита резко ускоряется до 25-37 ударов в минуту, а сердце начинает быстро снабжать необходимой дозой кислорода весь организм. Ученые считают, что подобная частота сердечных сокращений является естественным физиологическим пределом для животного таких размеров. Возможно, именно по этой причине на нашей планете не существует другого вида животного, которое могло бы хотя бы немного превысить размеры крупнейшего млекопитающего планеты.
Сердцебиение синего кита: физиологические пределы
Сердцебиение синего кита(голубого) ограничивается необходимыми двумя ударами в минуту в глубинах океана. Относительно недавно впервые зарегистрировано сердцебиение синего кита.
Когда синий кит питается, его сердцебиение увеличивается, иногда до 30 ударов. Команда морских биологов обнаружила это после того, как смогла записать сердцебиение кита, на побережье недалеко от Калифорнии. Для этого на спине был установлен монитор импульсов.
Исследователи наблюдали, как морской гигант появлялся и снова погружался в течение почти 9 часов. Поочередно наполняя свои легкие воздухом, а живот — аппетитными стаями рыб в сотнях метров под поверхностью.
Сердцебиение синего кита регистрируется впервые
Во время погружений, сердце кита испытывает жестокие перепады. Которые «прыгают» от 34 ударов в минуту на поверхности моря до всего 2 ударов в минуту на больших глубинах. Это на 30-50% медленнее, чем предполагалось ранее. Согласно новому исследованию, простой акт открытия рта, чтобы поесть, выводит сердце кита на его физиологический предел. Это могло бы объяснить, почему на планете нет больших существ, чем синий кит.
Частота сердцебиения кита зависит от этапов его поведения. фото: belrynok.ru
«Животные, которые функционируют в экстремальных физиологических условиях. Могут помочь нам определить размеры биологических пределов». — сказал ведущий автор Джереми Голдбоген, доцент Стэнфордского университета в Калифорнии. «Другими словами: если сердце кита не может качать быстрее во время усилий, необходимых для поиска пищи. То как оно может поддерживать жизнь пожилого животного и обеспечивать его необходимой энергией?»
Самое большое животное в мире Синий кит
Синие киты — самые большие существа, которые когда-либо населяли океаны. (Динозавр Patagotitan mayorum был признан как самое большое наземное существо, вышедшее на сушу после его изучения и классификации в 2014 году). По достижении зрелости синий кит может иметь длину более 30 метров. Примерно, длину двух школьных автобусов, припаркованных один за другим. Требуется большое сердце, чтобы обеспечивать зверя такого размера. Но хотя этот орган не настолько большой, что человек может плавать в одной из его артерий, как гласит городская легенда. Правда в том, что сердце кита может достигать до 200 килограммов и размером с гольф-кар.
Патаготитан (Patagotitan mayorum) — самый большой (из существовавших) динозавр. фото: Yandex.ru
Когда млекопитающие погружаются, их тела в «автоматическом» режиме начинают перераспределять кислород. Сердце и мозг — это те части тела, которые больше всего нуждаются в кислороде. В то же время, их мышцы, кожа и другие органы получают меньше. Это позволяет животным дольше оставаться под водой с помощью одного вдоха. Что приводит к более низкой, чем обычно, частоте сердечных сокращений. Это так же действует и на людей, которые любят нырять. Однако, учитывая огромный размер кита и его способность достигать 300 метров глубины, их диапазон сердцебиения раздвигается шире человеческого.
Изменение сердцебиения синего кита с изменением глубины
В изученном существе его максимальное погружение длилось 16,5 минут, достигнув при этом глубины 184 метра. С другой стороны, он никогда не проводил более 4 минут на поверхности, чтобы наполнить легкие воздухом. Датчик, установленный учеными, показал. Что при самых глубоких погружениях сердце кита бьется в среднем со скоростью от 4 до 8 раз в минуту. Иногда достигая минимальных, всего двух ударов в минуту.
Сердцебиение гиганта варьируется от двух до 37 ударов в минуту. фото: interesnosti.mediasole.ru
«Во время этих ударов, которые были так замедлены, эластичная аортальная артерия животного сокращалась. Чтобы поддерживать замедленное движение насыщенной кислородом крови по всему телу», — пишут исследователи.
Вернувшись на поверхность, пульс быстро ускорялся до 25–37 ударов в минуту. Наполняя кровоток достаточным количеством кислорода для поддержки следующего погружения. «В это время сердце кита работало на пределе своих физических возможностей», — добавляют ученые. «Вряд ли чье то сердце сможет биться с такими перепадами».