معلومة

الغوص العميق في الثدييات

الغوص العميق في الثدييات


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

غالبًا ما تغوص الثدييات مثل الفقمات ويمكن أن تظل تحت الماء لأكثر من 70 دقيقة.

كيف تعرف الأختام متى حان وقت الخروج؟


أتخيل أن تنفسهم يتم التحكم فيه بنفس طريقة تنفسنا. أثناء الغوص ، سيتم استخدام الأكسجين وسيتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون ، والذوبان في الدم على شكل بيكربونات ويميل إلى تقليل درجة الحموضة في الدم.

تكتشف المستقبلات الكيميائية الطرفية في الدورة الدموية كل هذه التغييرات وتشير إلى الحاجة إلى التنفس. هذا من شأنه أن يخبر الختم أن الوقت قد حان للتوجه إلى السطح.

تمتلك ثدييات الغوص تكيفات مختلفة للغطس لفترات طويلة ، وأهمها خزانات كبيرة من الدم تحتوي على الهيموجلوبين المؤكسج قبل الغوص ، بالإضافة إلى تركيزات عالية من الميوجلوبين في العضلات التي يمكن أن تعمل أيضًا كخزان للأكسجين.


يمرض البشر من الغوص في المحيط ، ولكن هذا هو السبب في أن الدلافين لا تفعل ذلك

في حال احتجت إلى سبب آخر للغيرة من الدلافين.

منذ ذلك الحين زعنفة أبهرنا الجماهير على الشاشة الكبيرة ، لقد فتننا بالدلافين. وأحد أكثر الأشياء الرائعة حول هذه الثدييات البحرية هو قدرتها على الغوص في أعماق المحيط.

نشرت دراسة جديدة الثلاثاء في الحدود في علم وظائف الأعضاء يسلط الضوء على كيفية إنجاز الدلفين لهذا العمل الفذ.

وقت التدريب - في الدراسة ، قام الباحثون بتدريب ثلاثة ذكور من الدلافين قارورية الأنف (Tursiops truncatus) للرد على ثلاث إشارات يدوية مختلفة. أشارت كل إشارة إلى فترة زمنية مختلفة يجب على الدلفين أن يحبس أنفاسه.

& quot من خلال التكييف أو التدريب ، تقوم الدلافين بربط ثلاث إشارات مختلفة بثلاثة أنواع من الإشارات ، مع مرور الوقت ، ثم تربط الدلافين هذه بالمهام المختلفة المتمثلة في حبس النفس الطويل وقصر النفس وحبس أنفاسك - ولكن لفترة طويلة. كما تريد ، يقول أندرياس فالمان ، المؤلف الرئيسي للدراسة ومدير مؤسسة Oceanogràfic Foundation ، معكوس.

أشار الباحثون إلى الدلافين ما يقرب من 5 إلى 10 ثوانٍ قبل أن تغرق تحت الماء ، وقاموا بتغيير الإشارات بانتظام بين الغطسات.

يبدو أن الدلافين قادرة على ضبط معدل ضربات قلبها وفقًا لذلك ، اعتمادًا على نوع الغوص الذي أشار إليه الباحثون.

& quot؛ نظهر أن هناك صلة بين ما نطلب منهم القيام به ، ثم يستعدون بشكل مختلف إذا طلبنا منهم الغوص لفترة طويلة أو قصيرة ، كما يقول فالمان.

& quot ما نظهره هو أن كلاهما لديه معدل ضربات قلب أقل وانخفاض أسرع في معدل ضربات القلب ، وتوضح هذه [الدراسة] أنه يمكنهما تغيير انخفاض معدل ضربات القلب وفقًا للحالة. & quot

من خلال خفض معدلات ضربات القلب ، تتجنب الدلافين مرض تخفيف الضغط النموذجي ، أو & quotbends ، & quot التي يواجهها الغواصون البشريون عندما ينزلون إلى أعماق البحار ويواجهون ارتفاعًا سريعًا في ضغط المياه.

كيف تعمل - في دراسة سابقة ، أسس نفس الفريق الباحثين فرضية التبادل الانتقائي للغازات ، والتي تشرح كيف تحافظ الثدييات البحرية - مثل الدلافين - على الأكسجين وتتجنب مرض تخفيف الضغط.

& quot [النظرية] اقترحت أنه من خلال التلاعب بكمية الدم الموجه إلى الرئتين وإلى أي منطقة من الرئة ، تستطيع الحيوانات & quot؛ اختيار الغاز الذي تريد استبداله & quot؛ يقول فالمان.

لذلك لا يزال بإمكانهم امتصاص الأكسجين ، وإزالة ثاني أكسيد الكربون ، وتجنب تبادل النيتروجين ، وهو سبب مرض تخفيف الضغط لدى البشر.

من خلال مراقبة معدلات ضربات القلب المختلفة للدلافين في كل نوع من حبس الأنفاس ، أوضح العلماء كيف أن استجابة الدلفين الفريدة والمتميزة ليست مجرد رد فعل ، ولكن نشيط استجابة.

& quot ما يسمى "استجابة الغوص" من المفترض أن يكون رد فعل. على هذا النحو ، يجب أن يحدث في كل مرة يغوص فيها حيوان ، ويجب أن يكون متشابهًا إلى حد ما ، كما يقول فالمان. & quot ما نظهره هو أن استجابة الغوص ليست انعكاسية ، ومع هذا الاختلاف الكبير في الاستجابات يمكنهم أن يقرروا إلى أي مدى يغيرون معدل ضربات القلب أثناء الغوص. & quot

لكن ليس من الواضح تمامًا ما إذا كانت الدلافين واعية للاستجابة بهذه الطريقة على المستوى المعرفي.

يقول فالمان: `` نحاول تجنب العالم طوعيًا أو معرفيًا أو واعيًا ، لأن مثل هذا الاقتراح حاليًا لا دليل عليه ''. & مثل

لا يوجد دليل تشريحي أو هيكل مشابه للاستجابات الأخرى الطوعية - على سبيل المثال ، التنفس. & مثل

درس للغواصين - تعد القدرة على تنظيم معدل ضربات القلب وتحمل ضغط أعماق البحار أمرًا ضروريًا لبقاء الدلافين على قيد الحياة. لكن البشر أيضًا يهددون الدلافين بأصواتنا من صنع الإنسان ، مثل الانفجارات التي تحدث أثناء التنقيب عن النفط تحت الماء.

الانفجارات تضغط على الدلافين. ووفقًا لفرضية التبادل الانتقائي للغازات ، فإن الإجهاد يؤثر على قدرة هذه الحيوانات على تنظيم معدل ضربات قلبها في الغطس الطويل.

"عند الإجهاد ، هذه القدرة على تحديد معدل ضربات القلب ربما لم تعد تعمل للمساعدة في تقليل مخاطر مرض تخفيف الضغط أو الانحناءات ،" يقول فالمان.

يقول فالمان إنه من خلال فهم تأثير الضغط على تنظيم ضربات قلب الدلافين ، يمكننا تعديل أفعالنا وفقًا لذلك لتقليل الضرر. على سبيل المثال ، بدلاً من الانفجارات المفاجئة ، يمكننا بدلاً من ذلك إنتاج ضوضاء متزايدة تدريجياً أثناء الاستكشافات تحت الماء.

تحمل البيانات أيضًا آثارًا على الأنواع الأخرى من الثدييات البحرية.

& quot هذه البيانات مهمة لأنها تظهر أن هذه القدرة من المحتمل أن توجد في المزيد من أنواع الحيتانيات ، كما يقول فالمان.

على الرغم من أن الدلافين تعيش في الماء والبشر على الأرض ، فهناك الكثير الذي يمكننا تعلمه من أصدقائنا البحريين.

& quot إذا كانت فرضية التبادل الانتقائي للغاز صحيحة ، فسيكون من الصعب رؤية كيف يمكن أن يساعد هذا البشر بشكل مباشر ، & quot؛ يقول فالمان. & quot ومع ذلك ، فإن الفهم الأفضل لكيفية اكتشاف [الدلافين] طرقًا لتقليل المخاطر قد يؤدي إلى آليات بديلة يمكن أن تؤدي إلى نتائج مماثلة ، كما يقول.


تم اكتشاف عدم انتظام ضربات القلب في الثدييات البحرية التي تغوص في الأعماق

فقمة ويديل في القارة القطبية الجنوبية. درس الباحثون معدلات ضربات قلب الفقمة أثناء الغوص العميق تحت الجليد البحري في القطب الجنوبي. الائتمان: بيتر Rejcek ، NSF

أظهرت دراسة جديدة للدلافين والفقمة أنه على الرغم من تكيفاتها الرائعة مع الحياة المائية ، فإن ممارسة الرياضة أثناء حبس أنفاسها تظل تحديًا فسيولوجيًا للثدييات البحرية. الدراسة ، التي نشرت في 15 يناير في اتصالات الطبيعة، وجد تواترًا مرتفعًا بشكل مدهش لاضطراب ضربات القلب في الدلافين ذات الأنف القاروري وفقمات Weddell أثناء الغوص العميق.

لطالما كان يُفهم أن استجابة الغوص الطبيعية في الثدييات البحرية تنطوي على انخفاض ملحوظ في معدل ضربات القلب (يُسمى بطء القلب) وتغيرات فسيولوجية أخرى للحفاظ على احتياطيات الأكسجين المحدودة أثناء وجود الحيوانات التي تتنفس الهواء تحت الماء. لم يكن من الواضح كيف تتعامل الثدييات البحرية مع الجهد المطلوب لملاحقة الفريسة في العمق ، نظرًا لأن الاستجابة الفسيولوجية الطبيعية للتمرين هي زيادة في معدل ضربات القلب (يسمى عدم انتظام دقات القلب). قال المؤلف الرئيسي تيري ويليامز ، أستاذ علم البيئة وعلم الأحياء التطوري في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز ، إن الدراسة الجديدة تظهر أن هذه الإشارات المتضاربة للقلب يمكن أن تؤدي إلى عدم انتظام ضربات القلب.

قال ويليامز: "هذه الدراسة تغير فهمنا لبطء القلب في الثدييات البحرية". "يتلقى القلب إشارات متضاربة عندما تمارس الحيوانات نشاطًا مكثفًا في العمق ، وهو ما يحدث غالبًا عندما يبدأون في الصعود. لا نشهد عدم انتظام ضربات القلب المميت ، ولكنه يضع القلب في حالة غير مستقرة مما قد يجعله عرضة للمشكلات. . "

بدلاً من مستوى واحد من انخفاض معدل ضربات القلب أثناء الغطس ، وجد الباحثون أن معدلات ضربات القلب لدى حيوانات الغوص تختلف في كل من العمق وكثافة التمرين ، وأحيانًا تتناوب بسرعة بين فترات بطء القلب وعدم انتظام دقات القلب. حدث عدم انتظام ضربات القلب في أكثر من 70 في المائة من حالات الغوص العميق.

قال ويليامز: "نميل إلى التفكير في الثدييات البحرية على أنها تكيفت تمامًا مع الحياة في الماء. ومع ذلك ، من حيث استجابة الغوص ومعدل ضربات القلب ، فإنه ليس نظامًا مثاليًا". "حتى 50 مليون سنة من التطور لم تكن قادرة على جعل الاستجابة الأساسية للثدييات منيعة أمام المشاكل."

وقالت إن الصراع بين بطء القلب الناجم عن الغوص وتسرع القلب الناجم عن ممارسة الرياضة يشمل دائرتين عصبيتين مختلفتين تنظمان معدل ضربات القلب. يحفز الجهاز العصبي الودي القلب أثناء التمرين ، بينما يتحكم الجهاز العصبي السمبتاوي في تباطؤ معدل ضربات القلب أثناء استجابة الغوص.

النتائج الجديدة لها آثار على الجهود المبذولة لفهم أحداث الجنوح التي تنطوي على ثدييات بحرية تغوص في الأعماق مثل الحيتان المنقارية. لاحظ المؤلفون أن السلوكيات المرتبطة بالتشوهات القلبية في هذه الدراسة (زيادة المجهود البدني ، والغوص العميق ، والصعود السريع من العمق) هي نفس السلوكيات المتضمنة في استجابة طيران الحيتان المنقارية والحيتان الزرقاء المعرضة لضوضاء الشحن والوسطى. تردد السونار.

وقال ويليامز: "هذه الدراسة لا تقول إن هذه الحيوانات التي تغوص في الأعماق ستموت إذا مارست الرياضة بعمق". "بدلا من ذلك ، فإنه يثير أسئلة حول ما يحدث من الناحية الفسيولوجية عندما يتم إزعاج الغواصين المتطرفين أثناء الغوص ، ويحتاج إلى مزيد من التحقيق."

وقالت إن نتائج الدراسة قد تكون ذات صلة أيضًا بالبشر. استجابة الغطس في الثدييات أو منعكس الغطس ، على الرغم من أنها أكثر وضوحًا في الثدييات البحرية ، تحدث أيضًا عند البشر والحيوانات البرية الأخرى ويتم تشغيلها عندما يتلامس الوجه مع الماء البارد. وجدت دراسة أجريت عام 2010 على الترياتلون أن جزء السباحة من سباقات الترياتلون في الماء البارد يمثل أكثر من 90 بالمائة من وفيات يوم السباق. وقال وليامز "ربما تكون نفس الإشارات المتضاربة التي رأيناها في الدلافين والفقمات تسبب عدم انتظام ضربات القلب في بعض الرياضيين." تعمل حاليًا مع مجموعات الترياتلون للمساعدة في التخفيف من مثل هذه المشكلات أثناء السباقات.

لإجراء الدراسة ، طور الباحثون جهاز مراقبة لتسجيل معدل ضربات القلب ، وتواتر ضربات السباحة ، والعمق ، والوقت خلال غطس الدلافين ذات الأنف القارورة المدربة على الغوص في أحواض السباحة أو المياه المفتوحة ، بالإضافة إلى فقمات ويديل المجانية التي تسبح تحت الجليد. في ماكموردو ساوند ، أنتاركتيكا. قال ويليامز إن الحيوانات عادة ما تستخدم أساليب سباحة منخفضة الكثافة قدر الإمكان أثناء الغطس. عند صيد الأسماك تحت الجليد ، تتناوب فقمات Weddell بين الانزلاق السهل والمطاردات القصيرة بحثًا عن الفريسة. ظهر هذا السلوك لتمكين الثدييات البحرية من تجنب الصراعات القلبية وما يرتبط بها من عدم انتظام ضربات القلب أثناء الصيد.


الفصل 4: الثدييات البحرية التكيف للغوص

الثدييات ، كقاعدة عامة ، تتنفس هواء دافئ ، وهذا ليس مثاليًا لظروف أعماق البحار. يتم سحق الرئتين المملوءتين بالهواء بسهولة بضغط مائة متر أو أكثر ، مما يؤدي إلى الضغط على أي أكسجين يحملانه. يتمتع الماء بدرجة حرارة عالية ومحددة وأي شخص أخذ & # 8220a غطس قطبي & # 8221 للأعمال الخيرية يعرف مدى السرعة التي يمكنه بها إزالة الحرارة من حيوان ذوات الدم الدافئ. ومع ذلك ، فقد ازدهرت الثدييات البحرية في المحيطات ، وطورت تكيفات تسمح لها بالغوص إلى أعماق غير عادية. هنا كيف يفعلون ذلك.

مشاكل التعمق

ضغط يزيد بمقدار جو واحد لكل عشرة أمتار تنزل بها في المحيط. عند مستوى سطح البحر ، نشعر بضغط يبلغ 14.7 رطلاً على كل بوصة مربعة من أجسامنا. ومع ذلك ، فإن مياه البحر تكون أكثر كثافة وكلما نزلت أكثر كلما زاد الضغط. الضغط ، لا يؤثر على الأنسجة المملوءة بالسوائل ، ولكنه يقلل على الفور من حجم الفراغات المملوءة بالهواء. أنا وأنت يمكن أن نشعر بالضغط في الجيوب الأنفية لوجهنا بينما نغوص في قاع بركة (حوالي ثلاثة أمتار). الثدييات البحرية الغاطسة ستخرج كل الهواء من رئتيها في غضون بضع عشرات من الأمتار . يزيد الضغط أيضًا من معدل إذابة الغازات في الأجزاء السائلة من دمنا. إذا حاول حيوان ثديي بحري غوص العودة إلى السطح وهو يرتفع بسرعة كبيرة جدًا ، فإن تلك الغازات الذائبة يمكن أن تشكل فقاعات تستقر في الأوعية الدموية للأعضاء الحرجة ، مما يؤدي إلى حالة تسمى مرض تخفيف الضغط أو الانحناءات. & # 8221 الغواصون في أعماق البحار المبكرة. هذه الحالة هي الانحناءات بسبب آلام المفاصل الشديدة التي يمكن أن تسببها. يمكن أن تكون الانحناءات منهكة ومميتة ليس فقط للبشر ، ولكن أيضًا في الثدييات البحرية. انقر لقراءة المزيد عن الانحناءات.

استهلاك الأوكسجين يمكن أن يصبح مشكلة بالنسبة لك وأنا في أقل من دقيقة إذا حرمت من الأكسجين الجديد. حاول الضغط على أنفك وحبس أنفاسك & # 8211 إلى متى يمكنك أن تدوم أفضل الغواصين الأحرار في العالم يمكنهم & # 8217t حبس أنفاسهم لمدة تزيد عن خمس دقائق ، ومع ذلك يمكن لبعض الثدييات البحرية البقاء في الأسفل دون أن تتنفس لمدة تصل إلى تسعين الدقائق.

تخدير النيتروجين. يتكون الهواء بنسبة 70٪ من النيتروجين ، ولكن في ظل الظروف الجوية العادية ، لا يذوب أيٌّ منه تقريبًا في دمائنا. هذا & # 8217s شيء جيد ، لأنه عندما يحدث ، يمكن أن يسبب حالة شبيهة بالسكر تسمى تخدير النيتروجين. تحت ضغوط أعلى ، يمكن أن تذوب مستويات أعلى من النيتروجين في دم حيوانات الغوص وتصبح سامة في النهاية. يمكن أن يؤدي إلى ضعف الحكم والموت في نهاية المطاف. عادة ما يحد تخدير النيتروجين من الغواصين الذين يتنفسون الهواء إلى أعماق تصل إلى مائة قدم أو أقل. عادة ما يستخدم أي شخص يغوص بعد ذلك خليط غاز يحتوي على نسبة أقل من النيتروجين.

المحيط بارد. حتى في المناطق الاستوائية ، تقترب درجات حرارة مياه المحيط التي تقل عن 200 متر من التجمد. تحتاج الثدييات ذوات الدم الدافئ إلى الحفاظ على درجة حرارة ثابتة للجسم للبقاء على قيد الحياة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تزيل السعة الحرارية العالية للماء & # 8217s الحرارة من الجسم أسرع بنحو عشرين مرة من الهواء.

أجسام الثدييات تطفو. هل سبق لك أن حاولت السباحة إلى قاع حوض السباحة؟ وسيتطلب الأمر الكثير من العمل. هذا لأن الهواء والدهون في معظم أنسجة الثدييات تجعلنا نطفو.

وليام بيب وأوتيس باربر في باثيسفير. كانت هذه الغواصة الأولى الحقيقية للغطس العميق أكثر بقليل من كرة فولاذية متصلة بخط ثقيل ، صورة من ويكيبيديا.

كيف يتكيف البشر مع هذه المشاكل

  1. ضغط:عادةً ما يحد الضغط من الغواصين إلى أقل من ثلاثين مترًا. تستخدم الغواصات حاويات مغلقة من الصلب والتيتانيوم بشكل كروي مع نوافذ صغيرة سميكة لتحمل الضغط المتزايد.
  2. الأكسجين: يستخدم الغواصون الهواء المضغوط أو مخاليط غاز أخرى مخزنة في حاويات سرقة.
  3. تخدير النيتروجين ومرض تخفيف الضغط: يتبع الغواصون مخططات غوص صارمة مع موافقات ونزول بطيء. قد يضطر الغواصون الذين يعانون من تخدير النيتروجين أو مرض تخفيف الضغط إلى قضاء بعض الوقت في غرف تخفيف الضغط المتخصصة.
  4. البرد: يرتدي الغواصون بدلات سميكة من النيوبرين المبللة أو بدلات جافة معزولة.
  5. الطفو: يرتدي الغواصون أوزانًا من الرصاص على أحزمةهم وقد تحتوي الغواصات على آلاف الجنيهات من أوزان الرصاص الملحقة بالغواصة لمساعدتهم على الغرق.

التكيفات الثدييات البحرية

حوت العنبر ، كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه ، هو بطل الغوص للثدييات البحرية. يمكن أن تبقى حيتان العنبر تحت الماء لأكثر من 90 دقيقة وتغطس إلى أعماق تصل إلى ما يقرب من 10000 قدم ، ولديها مجموعة غير عادية من التعديلات التي تسمح لها بالغوص في أعماق كبيرة. يمكن لجميع الثدييات البحرية الغوص بشكل عميق مقارنة بالبشر. هنا كيف يفعلون ذلك.

تغوص فقمات الفيل في أعماق غير عادية. صورة من ويكيبيديا

المشكلة الأولى: الضغط

إذا كنت تغوص في قاع حمام السباحة ، فإن أول شيء قد تلاحظه هو أن أذنيك تؤلمك. هذا بسبب اختلاف الضغط بين الهواء في أذنيك والماء. يمكن ضغط الهواء (كغاز) ، بينما لا يمكن ضغط الماء (كسائل). عند مستوى سطح البحر ، يتعرض الجسم لضغط 14.7 رطل لكل بوصة مربعة (1 ضغط جوي). بالنسبة للثدييات البحرية الغاطسة ، يضاف جو آخر من الضغط كل عشرة أمتار تنزل إليه. وهكذا ، فإن ذكر فقمة الفيل الذي يغوص على ارتفاع 1000 متر يتعرض 100 مرة للضغط الذي يتعرض له على السطح.

مع مرور الوقت التطوري ، فقدت معظم الثدييات البحرية آذانها وجيوبها الخارجية. بدون آذان مملوءة بالهواء ، لا تعاني الثدييات البحرية الغاطسة من آثار الضغط المتغير. لأسود البحر وفقمات الفراء آذان. أثناء الغوص ، تمتلئ آذانهم بسائل دموي ، مما يجبر الهواء على الخروج.

يخزن البشر الأكسجين بشكل أساسي في رئتيهم أكثر من أي مكان آخر. استعدادًا لحبس أنفاسك ، من المنطقي أن تأخذ نفسًا عميقًا أولاً. بالنسبة للثدييات البحرية للغوص ، فإن هذا يمثل مشكلتين. أولاً ، الهواء عائم ، مما يجعل الغوص صعبًا. ثانيًا ، كما ذكرنا سابقًا ، يتم ضغط الهواء بسهولة ، مما يؤدي إلى انهيار محتمل في الرئتين. تمتلك معظم الثدييات البحرية رئة قادرة على الانهيار وإعادة الانتفاخ بسهولة. تميل إلى أن تكون طويلة وأنبوبية مع حلقات واقية مدمجة لإبقاء الصمامات مفتوحة. تميل الثدييات البحرية أيضًا إلى الزفير قبل الغوص مباشرةً. لديهم رئتان عضليتان وفعالتان للغاية ويمكنهما إخراج ما يصل إلى 90٪ من الهواء في رئتيهما في أي نفس (يمكن للإنسان الرياضي القيام بحوالي 10٪). وهكذا ، عن طريق إزالة الهواء من الجسم ، فإن الثدييات البحرية الغاطسة لديها القليل جدا من المشاكل مع تغيير الضغط. لا هواء ، لا مشكلة.

معدل ضربات قلب غوص Weddell Seal. صورة من Alaska Sea Grant ، مستخدمة بإذن

المشكلة الثانية: تخزين الأكسجين

لذا إذا كانت الثدييات البحرية تخرج الزفير قبل أن تغوص ، فكيف تحصل عضلاتها على الأكسجين الذي تحتاجه للعمل؟ الجواب هو أنهم يخزنون الأكسجين في دمائهم وعضلاتهم وليس في رئتيهم. الثدييات البحرية لديها نسبة دم عالية جدًا إلى حجم الجسم. تحتوي الثدييات البحرية أيضًا على نسبة مئوية من خلايا الدم الحمراء أعلى من معظم الثدييات (الإنسان = 36٪ ، الفقمة = 50٪). وبالمقارنة ، فإن هذا يجعل دمها سميكًا ولزجًا للغاية ولكنه أكثر مهارة في تخزين الأكسجين. تحتوي الثدييات البحرية أيضًا على نسبة عالية من الهيموجلوبين في دمائها والميوجلوبين في عضلاتها. كلا هذين الجزيئين لهما صلة عالية بذرات الأكسجين ويستخدمان لتخزين الأكسجين في أنسجة الجسم. انقر فوق الرابط للتحقق من كيفية مواجهة أبطال الغوص الحر مع الثدييات البحرية للغوص في أعماق البحار.

يسمح منعكس الغوص في ثيماميال للثدييات بخفض معدل ضربات قلبها والبقاء في النهاية على قيد الحياة من الغمر في الماء لفترات طويلة من الزمن. بطء القلب ، كما هو معروف أيضًا ، ينجم عن ملامسة الماء البارد لأعصاب الوجه. يحدث في جميع الثدييات ، ولكن بدرجة أكبر بكثير في الثدييات البحرية. تم قياس فقمات Weddell لخفض معدل ضربات القلب إلى ما يصل إلى أربع ضربات في الدقيقة عند غمرها في الماء البارد.

عند ممارسة الرياضة ، نقول إنه عندما ينفد الأكسجين من البشر ، فإنهم يصبحون لاهوائيين. هذا يعني أن خلايا العضلات لا تحتوي على كمية كافية من الأكسجين لتفتيت السكر من خلال التنفس الهوائي. هذا مرهق للغاية للعضلات ويؤدي إلى الألم والإرهاق. في الثدييات البحرية ، يبدو أن معظم أعضاء الجسم تتحول إلى التنفس اللاهوائي أثناء الغوص دون التعرض لنفس الآثار السيئة. ما زلنا لا نعرف بالضبط كيف يفعلون ذلك.

يظهر ختم Weddell مرتديًا علامة عمق درجة حرارة الموصلية لوحدة أبحاث الثدييات البحرية في McMurdo Sound Antarctic. تصوير دان كوستا. صورة من Actionbioscience.org

المشكلة الثالثة: مرض تخفيف الضغط والتخدير بالنيتروجين

تقوم الثدييات البحرية بانتظام بالغوص العميق والعودة إلى السطح بسرعة كبيرة. فلماذا لا & # 8217t لديهم مشاكل مع & # 8220t الانحناءات؟ & # 8221 انها & # 8217s بسيطة & # 8211 يزفرون قبل أن يغوصوا. لا هواء يعني عدم وجود مشكلة. بالإضافة إلى ذلك ، تمتلك العديد من الثدييات البحرية شبكة واسعة النطاق & # 8220net & # 8221 من الأوعية الدموية التي تغذي الدماغ. يُعرف بـ & # 8220retia mirabilia ، & # 8221 ، ومن المحتمل أنه يخدم عدة وظائف ، ولكن أحدها هو التقاط الفقاعات التي قد تتشكل في مجرى الدم. & # 8220 حتى وقت قريب كانت العقيدة هي أن الثدييات البحرية لديها تكيفات تشريحية وفسيولوجية وسلوكية لجعل الانحناءات ليست مشكلة ، & # 8221 قال مدير MMC مايكل مور. & # 8220 لا يوجد دليل على أن الثدييات البحرية تحصل على الانحناءات بشكل روتيني ، ولكن نظرة على أحدث الدراسات تشير إلى أنها تتجنب بنشاط بدلاً من مجرد عدم وجود مشاكل في تخفيف الضغط. & # 8221 & # 8211 معهد وودز هول لعلوم المحيطات.

المشكلة 4: البرد

يعرف العديد من الغواصين من البشر الألم والانزعاج المرتبطين بوجود ثقب صغير في بذلة الغوص أثناء الغوص في الماء البارد. يبدد الماء الحرارة من الجسم أسرع بكثير من الهواء. سيكون الشخص الذي يسقط في الماء بالقرب من نقطة التجمد منخفضًا للحرارة في غضون بضع دقائق ، ومع ذلك تغوص الثدييات البحرية في الأعماق حيث تقترب درجات الحرارة من التجمد.

الطريقة الأكثر وضوحًا لتبقى الثدييات البحرية دافئة هي أنها تميل إلى أن تكون كبيرة الحجم وبدلاً من ذلك & # 8220 على شكل قصبي. & # 8221 هذا الشكل يمنحها مساحة سطح منخفضة إلى نسبة الحجم. لكل وحدة حجم ، هناك جلد أقل تعرضًا للماء البارد المتحرك. تحتوي الثدييات البحرية أيضًا على الكثير من الدم بالنسبة لحجم أجسامها. يتمتع الماء بسعة حرارية عالية ويقوم بعمل جيد في الحفاظ على درجة حرارة الجسم. تحتوي معظم الثدييات البحرية على طبقة سميكة من الدهون تعرف باسم & # 8220blubber. & # 8221 تعمل هذه الطبقة الدهنية أيضًا كمخزن للسعرات الحرارية للثدييات البحرية التي تمر بفترات طويلة من الصيام. تميل الثدييات البحرية الصغيرة إلى امتلاك طبقات شديدة العزل من الفراء. المثال المتطرف على ذلك هو ثعالب البحر. فراء قضاعة البحر عبارة عن طبقتين سميكتين ، وهي فعالة جدًا في حبس الهواء للمساعدة في العزل. قد تحتوي ثعالب البحر على ما يصل إلى مليون شعرة لكل بوصة مربعة. هذا & # 8217s أكبر بعشرة أضعاف من شعر الإنسان العادي على رأسه بالكامل.

ARKive Image .. حوت مقوس الرأس تم اصطياده من قبل صيادي الانقاذ. (هذه الحيتان لديها ما يصل إلى قدمين من الشحوم العازلة)

المشكلة 5: الطفو

لا يوجد جزء من الثدييات أكثر طفوًا من الهواء في رئتيهم. بالنسبة للثدييات البحرية ، فإن مفتاح تقليل هذا الطفو هو الزفير قبل الغوص. إزالة الأكسجين من الرئتين يجعل الحيوانات قادرة على الطفو بشكل سلبي. من أجل توفير الطاقة للغوص ، غالبًا ما تغرق الثدييات البحرية في & # 8220 حالة تشبه النوم & # 8221 أثناء هبوط الغوص الطويل. هذا ممكن فقط بعد انهيار الرئتين.

أبطال الغوص البحري

  • سمك المرّ ذو المنقار السميك & # 8211 الذي يزن رطلًا أو اثنين فقط ، ويمكنه الغوص حتى 100 متر
  • فقمة الفيل & # 8211 إلى 1500 متر ، أكثر من 60 دقيقة ، تقضي 90٪ من الوقت في الغوص البحري
  • بطاريق الإمبراطور & # 8211 حتى 500 متر
  • السلاحف البحرية الجلدية & # 8211 حتى 1200 متر
  • حيتان العنبر يصل ارتفاعها إلى 2032 مترًا ، وتبقى في الأسفل بانتظام لمدة 90 دقيقة
  • Cuvier & # 8217s beaked whales & # 8211 حتى 2992 مترًا ، وبقيت تحت الماء لمدة 3 ساعات و 42 دقيقة
  • لقراءة المزيد اذهب إلى BBC: Extreme Divers Defy Explanation

أسئلة للبحث

  1. إن حقيقة وجود & # 8221marine & # 8221 الثدييات هي مثال غير عادي على التطور. لتوضيح ذلك ، صف بعض الصعوبات الفسيولوجية لكونك البطل الخارق Aquaman.
  2. صف التكيف الذي تطور مؤخرًا والذي سمح لشعب الباجاو بأن يصبحوا غواصين أفضل. كن محددًا في كيفية مساعدة التكيف.
  3. كيف تتعامل الثدييات البحرية مع الضغط الشديد الذي تواجهه أثناء الغوص؟ إذا لم يكن النص أعلاه & # 8217t كافيًا ، فاطلع على هذه المقالة الرائعة من Scientific American.
  4. كيف تتعامل الثدييات البحرية مع تخزين الأكسجين؟ قد يساعدك في معرفة ما اكتشفه العلماء مؤخرًا حول الميوغلوبين الموجود في الثدييات البحرية. التي مددت غطساتهم بشكل كبير؟ بناءً على ما قرأته وسمعته حتى الآن عن الثدييات البحرية ، هل هناك أي تداخل في السلوك بين الثدييات البحرية والغواصين الأحرار؟
  5. افحص الرسم التخطيطي المرفق لغوص إطعام حوت الزعانف النموذجي. • انظر إلى النمط المتخبط (هذه دقات ذيلهم). ما مدى صعوبة السباحة عند الغوص؟ ما مدى صعوبة السباحة عند عودتهم إلى السطح؟
  6. لقد تعلمنا مؤخرًا أن حيتان الغوص يمكن أن تصاب بمرض تخفيف الضغط (المعروف أيضًا باسم The Bends) ما الذي تعلمناه ، وكيف يمكن للبحرية الأمريكية أن تعرض الثدييات البحرية للأذى؟
  7. اقرأ وصف حوت العنبر ، واشرح كيف يمكن لعضو الحيوانات المنوية أن يساعد في تنظيم الطفو في حيتان العنبر.

يوضح هذا الشكل سلوك الغطس لذكر فقمة الفيل. الغطس الذي يستمر من 20 إلى 40 دقيقة من الملامح العمودية تقريبًا يتبعه فترات راحة قصيرة جدًا. صورة من المختبر الوطني للثدييات البحرية ، مركز ألاسكا لعلوم مصايد الأسماك ، مصايد أسماك NOAA ، مستخدمة بإذن.


كيف تتحمل مخلوقات البحر العميقة تغيرات الضغط الهائلة؟

تستغل بعض الكائنات البحرية أعماق كبيرة. ربما تواجه أكبر التحديات الفسيولوجية في التكيف مع الضغط تلك الحيوانات التي يجب أن تنتقل بشكل روتيني من السطح إلى أعماق كبيرة. اثنان من هذه الحيوانات هما حوت العنبر والحوت قاروري الأنف. منذ أيام صيد الحيتان ، تم التعرف على هذه الحيوانات كغواصين استثنائيين ، مع تقارير عن الغوص لمدة تصل إلى ساعتين بعد اصطيادها. اليوم ، مع استخدام تتبع السونار ومسجلات عمق الوقت المرفقة ، تم قياس الغطس حتى عمق 6000 قدم (أكثر من ميل تحت سطح المحيط). تتراوح أعماق الغوص الروتينية عادة بين 1500 و 3000 قدم ، ويمكن أن تستمر الغطس ما بين 20 دقيقة وساعة.

يمكن أن يؤدي الغوص في الأعماق إلى تشويه ميكانيكي وضغط الأنسجة ، خاصة في المساحات المليئة بالغاز في الجسم. وتشمل هذه الفراغات تجويف الأذن الوسطى والجيوب الهوائية في الرأس والرئتين. يمكن أن يؤدي تطوير فروق ضغط صغيرة بين تجويف الهواء والأنسجة المحيطة به إلى تشوه الأنسجة واضطراب في حالة الغواصين البشريين المعروفة باسم "الضغط". في بعض أنواع الحوتيات ، يكون تجويف الأذن الوسطى مبطّنًا بضفيرة وريدية واسعة ، والتي يُفترض أن تصبح محتقنة في العمق وبالتالي تقلل أو تطمس الفضاء الجوي وتمنع تطور الضغط. تحتوي الحيتان أيضًا على قنوات استاكيوس كبيرة تتواصل مع التجويف الطبلي للأذن والجيوب الأنفية الكبيرة في الرأس. تحتوي الجيوب الهوائية في الرأس على أوعية دموية واسعة ، يُعتقد أنها تعمل بطريقة مشابهة لتلك الموجودة في الأذن الوسطى وتسهل موازنة ضغط الهواء داخل هذه المساحات. أخيرًا ، تفتقر معظم الثدييات البحرية إلى الجيوب القحفية الأمامية مثل تلك الموجودة في الثدييات الأرضية.

عضو آخر عرضة لتلف الضغط هو الرئة. في الحيتان والفقمات التي تغوص في الأعماق ، يتم تعزيز المسالك الهوائية المحيطية ، ومن المفترض أن هذا يسمح للرئتين بالانهيار أثناء السفر إلى الأعماق. وقد لوحظ هذا الانهيار شعاعيًا وتأكد من خلال تحليلات النيتروجين في الدم في ختم Weddell الغاطس.

يؤدي انهيار الرئتين إلى إبعاد الهواء عن الحويصلات الهوائية ، حيث يحدث تبادل الغازات بين الرئتين والدم. هذا التباطؤ في تبادل الغازات مهم في الغواص العميق لأنه يمنع امتصاص النيتروجين في الدم والتطور اللاحق لمستويات النيتروجين في الدم. يمكن أن يؤدي ارتفاع ضغط النيتروجين في الدم إلى تأثير مخدر (يسمى تخدير النيتروجين) على الغواص. قد يؤدي أيضًا إلى تكوين فقاعة نيتروجين أثناء ظاهرة الصعود المعروفة باسم مرض تخفيف الضغط أو "الانحناءات". يؤدي انهيار الرئتين في الغواص العميق إلى تجنب هاتين المشكلتين.

فقدان تبادل الغازات في العمق له تأثير مهم آخر: لا يمكن أن تعمل رئتي الغواص العميق كمصدر للأكسجين أثناء الغوص. وبدلاً من ذلك ، تعتمد الحيتان والفقمات التي تغوص في الأعماق على مخزون كبير من الأكسجين في الدم والعضلات. عدة تعديلات تمكن هذا. أولاً ، تحتوي هذه الحيوانات على أحجام دم محددة الكتلة تبلغ ثلاثة إلى أربعة أضعاف تلك الموجودة في الثدييات الأرضية (أي 200 إلى 250 مليلتر من الدم لكل كيلوغرام من كتلة الجسم ، على عكس القيمة البشرية التي تبلغ 70 مليلترًا من الدم لكل كيلوغرام). ثانيًا ، يرتفع أيضًا تركيز الهيموجلوبين (بروتين نقل الأكسجين في الدم) إلى مستوى ضعف ما هو موجود في البشر. ثالثًا ، تركيز الميوجلوبين ، وهو بروتين تخزين الأكسجين في العضلات ، مرتفع للغاية في هذه الحيوانات ، حيث يبلغ حوالي 10 أضعاف تركيزه في العضلات البشرية.

باختصار ، فإن التكيفات التشريحية الأولية للضغط من الثدييات الغاطسة في الأعماق مثل حوت العنبر تتركز على المساحات التي تحتوي على الهواء والوقاية من الرضح الضغطي للأنسجة. إن تجاويف الهواء ، عند وجودها ، تكون مبطنة بالضفائر الوريدية ، والتي يُعتقد أنها تملأ بعمق ، وتمحو المجال الجوي ، وتمنع "الانضغاط". تنهار الرئتين ، مما يمنع تمزق الرئة و (مهم فيما يتعلق بعلم وظائف الأعضاء) يمنع تبادل الغازات في الرئة. يمنع نقص امتصاص النيتروجين في العمق تطور تخدير النيتروجين ومرض تخفيف الضغط. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن الرئتين لا تعملان كمصدر للأكسجين في العمق ، فإن الغواصين العميقين يعتمدون على مخازن الأكسجين المعززة في الدم والعضلات.


مناقشة

تركيب الجسم

تتنبأ فرضية الجسم غير المكلفة بأن mesoplodonts الغاطسة الشديدة ستستثمر نسبة صغيرة من TBM في الأنسجة باهظة الثمن ، مثل الدماغ والأحشاء ، ونسبة كبيرة من TBM عظامها وتكاملها وعضلاتها غير المكلفة. مقارنة بين تكوين أجسام أسماك الميزوبودونت وتلك الموجودة في خنازير البحر الضحلة نسبيًا في ميناء الغوص (P. phocoena) والدلفين قاروري الأنف (T. truncatus) يدعم هذه الفرضية (الجدول 3).

كتلة الدماغ النسبية Mesoplodont صغيرة ، وتمثل 0.2٪ فقط من TBM ، مقارنة بـ 0.7–0.9٪ للحوتيات الضحلة الغاطسة الأصغر. في حين أن هذا النمط العام ليس غير متوقع ، حيث أن كتلة الدماغ تعرض قياس التباين السلبي عبر الثدييات (راجعه Calder 1996) ، فإن كتل دماغ mesoplodont أقل مما يمكن توقعه. بالنسبة لثلاثة بالغين متوسطي السن (الجدول 1) ، كانت كتلة الدماغ المقاسة ، في المتوسط ​​، 62 ٪ من الكتلة المتوقعة (Worthy and Hickie 1986). متوسط ​​كتلة الدماغ المطلقة لهؤلاء البالغين (1.5 كجم) مطابق لتلك الخاصة بـ T. truncatus (ماليت وآخرون ، 2015) ، على الرغم من أن طبقات الميزوبلودونت أكبر من 3.5. وبالتالي ، من خلال مقاييس متعددة ، يكون حجم دماغ ميزوبلودون صغيرًا نسبيًا.

تستثمر Mesoplodonts أيضًا نسبة صغيرة جدًا من TBM في أحشاء البطن والصدر (الجدول 3). مرة أخرى ، هذا النمط العام ليس غير متوقع لأن بعض الأعضاء ، مثل الكبد والكلى والجهاز الهضمي ، تظهر تباينًا سلبيًا عبر الثدييات (Calder 1996). ومع ذلك ، فإن كتل الكبد Mesoplodont والجهاز الهضمي أصغر بكثير مما يمكن توقعه بناءً على علاقات التحجيم هذه. بالنسبة لثلاثة بالغين ، كانت كتلة الكبد المقاسة ، في المتوسط ​​، 73٪ من كتلتها المتوقعة. بالنسبة إلى اثنين من الميزوبلودات البالغة التي تم تسجيل الجهاز الهضمي لها (WAM 593 ، NCARI 020) ، كانت الكتل المقاسة 27-31٪ فقط من قيمها المتوقعة. كما أن الطول المعوي للميزوبلودون أقصر مما يمكن توقعه ، بناءً على علاقة القياس للثدييات البحرية (Williams et al. 2001). على الرغم من أننا جمعنا البيانات لشخص بالغ واحد فقط (KLC 112) ، فإن طول الأمعاء ، عند 18 مترًا ، لا يمثل سوى 43 ٪ من طوله المتوقع. ومن المثير للاهتمام ، أن كتلة الكلى المقاسة لثلاثة بالغين هي أكبر بنسبة 32 ٪ مما يمكن توقعه بناءً على قياس التباين ويستدعي مزيدًا من التحقيق.

في حين أن كتلة القلب النسبية متشابهة في جميع المجموعات الثلاث ، فإن كتلة الرئة النسبية في الميزوبلودونتس صغيرة مقارنة بالغواصين الضحل. بيسيتيللي وآخرون (2010) مقارنة العلاقة بين كتلة الرئة و TBM بين دلفينيدات الغوص الضحلة و phocoenids والغوص الأعمق kogiids و physeterids و ziphiids. وجد هؤلاء المحققون أنه عند كتلة جسم معينة ، فإن الكتلة الرئوية النسبية للغواصين العميقين تساوي نصف كتلة الغواصين الضحل. النماذج الهيدروديناميكية للسحب والطفو ، والتي تستخدم بيانات علامات عالية الدقة ، قدمت أيضًا دليلاً على أن الحيوانات المنوية التي تغوص في الأعماق والأنف الزجاجي (Hyperoodon ampullatus) whales possess small lung volumes ( Miller et al. 2004 Miller et al. 2016).

In contrast to the expensive tissues described above, mesoplodonts invest a large percentage—almost 77%—of their TBM in locomotor muscle, post-cranial integument and bone. Bone and integument represent similar percentages across these odontocetes, but there are differences in the composition of their blubber. The blubber layers of P. phocoena و T. truncatus are composed of triacylglycerides, and have been demonstrated to function as a metabolic energy source during times of nutritional stress ( Koopman et al. 2002 Dunkin et al. 2005). In contrast, the blubber of mesoplodonts is formed almost exclusively of wax esters, a type of lipid not known to function as a metabolic energy source ( Koopman 2007). In addition, the blubber of beaked whales displays a lower density of microvasculature (capillaries, microarterioles, and microvenules) than that of T. truncatus ( McClelland et al. 2012). These differences suggest that the blubber of mesoplodonts is relatively inert as compared to those of shallow divers.

The inexpensive body compartment that differs dramatically between the shallow divers and mesoplodonts is muscle. Locomotor muscle represents almost 50% of TBM of mesoplodonts, as compared to 28–30% in the shallow divers. In their analysis of swimming forces produced by cetaceans, Arthur et al. (2015) present independent data that support this finding. These authors utilized vertebral skeletal features to estimate the cross-sectional area, and to calculate the maximal force output, of cetacean epaxial locomotor muscles. Estimates of maximal force outputs for the mesoplodont species included in their study (M. mirus, M. densirostris، و M. bidens) and for Cuvier’s beaked whale (Z. cavirostris) were all higher than predicted, based upon their body length ( Arthur et al. 2015). These results demonstrate that for their body size, mesoplodonts possess relatively large locomotor muscles.

Members of one other clade of cetaceans, the balaenopterids, also possess large relative muscle masses, ranging from 31–62% of TBM ( Lockyer 1976 Lockyer and Waters 1986), and generally display high maximal force outputs for their body lengths ( Arthur et al. 2015). The myoglobin content of balaenopterid muscle though, is only a quarter that of mesoplodont muscle ( Noren and Williams 2000). Balaenopterids are not deep divers, but rather are high speed swimmers that display an energetically expensive, lunge feeding style (e.g., Goldbogen et al. 2007). Thus, large investments in body muscle appear to serve multiple functions dependent upon the ecology of the species.

Two other studies provide data on the body composition of beaked whales. West et al. (2013) report the distribution of body mass for a single stranded, and very rare, Longman’s beaked whale (Indopacetus pacificus) as 0.5% brain, 5.5% viscera, and 87.1% bone, muscle and integument (of which, 44.2% was muscle). Mead (1989a) reports on the distribution of body mass for a sample of stranded individuals from multiple mesoplodont species as 0.1% brain, 4.4% viscera, and 79.3% bone, muscle and integument (of which, 49.4% was epaxial and hypaxial muscle). Thus, data from multiple beaked whale species support the inexpensive body hypothesis. Specifically, these whales appear to possess very small brain and selected visceral masses, and very large locomotor masses.

The extreme diving southern elephant seal (M. leonina) displays a similar body composition to that of mesoplodonts—it invests a small percentage of its TBM in brain and viscera, and a large percentage in bone, integument and muscle ( Table 3). Unlike mesoplodonts, though, M. leonina does not invest the largest percent of its body mass in locomotor muscle, but rather displays an equal distribution of mass between integument and muscle. Because we do not have access to the measured mass data for this species, we cannot determine whether body compartments scale allometrically. Regardless, the overall body composition of this extreme diving pinniped is inexpensive as compared to the shallow diving P. phocoena و T. truncatus.

The body composition of P. macrocephalus is unique among the marine mammals considered here ( Table 3). Like mesoplodonts and M. leonina, this species invests a small percentage of its TBM in expensive tissues. For example, its brain mass is only 30% of its predicted mass ( Worthy and Hickie 1986). Its relative visceral mass is also very small, and because Ohno and Fujino (1953) report individual organ and tissue masses, we can investigate whether this pattern is explainable based upon allometry ( Calder 1996). Interestingly, measured liver mass is 30% larger and measured kidney mass is almost 300% larger than predicted based upon scaling relationships for mammals. As was observed in mesoplodonts, though, the sperm whale GI tract is remarkably small, with a measured mass that is only 34% of its predicted mass. Heart mass is 62% of its predicted value, and as in mesoplodonts, relative lung mass is approximately half that of shallow divers ( Piscitelli et al. 2010). Thus, P. macrocephalus possesses relatively small brain and visceral masses, although selected organs are larger than would be predicted based upon allometry.

P. macrocephalus differs from all other species considered here, though, because only 50–54% of its TBM is represented by metabolically inexpensive post-cranial tissues ( Table 3). This difference is primarily driven by muscle, which represents just 19–23% of TBM. [Note that these percentages are lower than the 34% reported in table 3 of Lockyer (1976) but well within the range of values reported within this paper’s appendix.] Arthur et al. (2015) found that the estimated maximal force outputs of P. macrocephalus were also smaller than predicted based upon their body length. These authors hypothesized that the low force output estimated for this species may be due to the large percentage of the body length that is defined by their head (25–33%).

We similarly hypothesize that the relatively small mass of the inexpensive post-cranial body tissues may be due to the large investment in head tissues ( Fig. 1). Note for the four other species considered here that brain, viscera, bone, post-cranial integument and muscle represent between 77–82% of TBM ( Table 3). These combined body compartments represent only 53–58% of the TBM of P. macrocephalus. Ohno and Fujino (1953) provide data for the mass of selected head tissues, including blubber and specialized acoustic lipid structures, which are likely metabolically inexpensive. Combined, these tissues represent a remarkable 33% of TBM of P. macrocephalus. As a comparison, the intact head represents just 6.5% of TBM of T. truncatus ( Mallette et al. 2015). Thus, the deep diving sperm whale also invests a large percentage of its TBM in metabolically inexpensive tissues, but does so in an apparently unique, species-specific manner, by distributing those tissues across its enormous head as well as its post-cranial body.

Locomotor muscle morphology

Mammalian skeletal muscle has the third lowest resting metabolic rate of any body tissue ( Table 1). Marine mammals may achieve particularly low resting metabolic rates for this body compartment by building their locomotor muscles using large diameter muscle fibers, with low mitochondrial volume densities ( Kanatous et al. 2002 Kielhorn et al. 2013 Velten et al. 2013). Locomotor muscle is also the largest oxygen storage site in cetaceans, and the second largest in pinnipeds ( Davis and Kanatous 1999 Noren and Williams 2000). Thus, investing a large percentage of TBM in this body compartment, and possessing high muscle myoglobin concentrations, enhances onboard oxygen stores. Together, these features can extend the diving mammal’s ADL.

Comparative data demonstrate that large locomotor muscle fiber size is a feature shared by all long duration, deep diving marine mammals studied to date ( Fig. 3A). For comparison, typical mouse muscle fiber diameters are 30–40 μM ( Pathi et al. 2012). While there is not a one-to-one relationship between muscle fiber size and average dive duration, the two species on this list with the longest recorded dives—Z. cavirostris و M. angustirostris—possess the largest muscle fibers.

This observed difference in muscle fiber size can profoundly impact muscle resting metabolic rates because fibers must maintain an ionic gradient across their surface to function. The maintenance of the Na+/K+-ATPase pump represents 40–50% of skeletal muscle resting metabolic rate across a diversity of mammals, fishes, and crustaceans (reviewed in Jimenez et al. 2011). Jimenez et al. (2011, 2013) demonstrated that the cost of the Na+/K+-ATPase pump scales directly with muscle fiber surface area to volume ratio (SA:V) in a diversity of fishes and crustaceans. Thus, a doubling of muscle fiber diameter, and concomitant halving of the fiber’s SA:V, is associated with a halving of the energetic cost of this pump. If marine mammal muscle functions similarly, then Z. cavirostris و M. angustirostris are expending half, and mesoplodonts 69%, of the energy that T. truncatus must utilize to maintain this ion pump.

Within muscle, low mitochondrial volume densities limit tissue oxygen consumption rates (e.g., Burpee et al. 2010). The mitochondrial volume densities of the deep diving L. weddellii and mesoplodonts are both lower than those observed within the swimming muscles of a diversity of shallow diving pinnipeds (6.2–9.7% Kanatous et al. 1999). The 1.1% mitochondrial volume density within the fast muscle fibers of mesoplodonts, though, is the lowest value for any mammal of which we are aware, and is similar to the values (1.0–1.2%) reported for the white muscle of slow-moving fishes ( Burpee et al. 2010).

High muscle myoglobin concentration has been identified as a “hallmark” of being a deep diver ( Kooyman and Ponganis 1998). As expected, the locomotor muscle myoglobin contents for the deep divers are all higher than that of the shallow diving T. truncatus. Again, there is no one-to-one relationship between muscle myoglobin content and average dive duration, but mesoplodonts possess one of the highest values reported for any mammal.

This comparative review demonstrates that deep divers share a suite of locomotor muscular features that include large muscle fibers, high myoglobin contents, and for those species studied to date, low mitochondrial volume densities. There is, though, one feature of mesoplodont locomotor muscle that is unlike that of any deep diving mammal investigated thus far. Mesoplodont muscle is built like that of a sprinter, composed predominantly of fast, glycolytic fibers that represent 80% of its cross-sectional area ( Velten et al. 2013). It is likely that these very large, fast twitch fibers also have low protein synthesis and turn-over rates ( Van Wessel et al. 2010), which would contribute to a lower resting metabolic rate. In contrast, the locomotor muscles of other deep diving mammals are built like those of endurance athletes, composed either predominantly or exclusively of slow, oxidative fibers ( Kanatous et al. 2002 Williams et al. 2011 Kielhorn et al. 2013 Moore et al. 2014). Velten et al. (2013) have hypothesized that just as in sprinters, the large, fast fibers of mesoplodonts are likely inactive during routine locomotion and that the small percentage of slow, oxidative fibers aerobically power swimming. The differential use of these two muscle fiber types is consistent with swimming patterns recorded for beaked whales, which include more frequent, low amplitude strokes, but also abrupt, high amplitude, shorter duration strokes followed by gliding, which occur during deep dive ascents ( Martín López et al. 2015). These fast fibers, which are rich in myoglobin, do not utilize oxygen to fuel contraction, and possess very low mitochondrial volume densities ( Velten et al. 2013 Sierra et al. 2015). Velten et al. (2013) thus hypothesize that they may provide a large, metabolically inexpensive oxygen store for the slow oxidative fibers. These novel features of mesoplodont locomotor muscle suggest that it is likely a very inexpensive body compartment.


Deep diving mammals: Dive behavior and circulatory adjustments contribute to bends avoidance

A mathematical model was created that predicted blood and tissue N(2) tension (P(N2)) during breath-hold diving. Measured muscle P(N2) from the bottlenose dolphin after diving repeatedly to 100 m (Tursiops truncatus [Ridgway and Howard, 1979, Science, 4423, 1182-1183]) was compared with predictions from the model. Lung collapse was modelled as a 100% pulmonary shunt which yielded tissue P(N2) similar to those reported for the dolphin. On the other hand, predicted muscle P(N2) for an animal with a dive response, reducing cardiac output by 66% from surface values (20.5 to 6.8l x min(-1)), also agreed well with observed values in the absence of lung collapse. In fact, modelling indicated that both cardiovascular adjustments and dive behaviour are important in reducing N2 uptake during diving and enhancing safe transfer of tissue and blood N2 back to the lung immediately before coming to the surface. In particular, diving bradycardia during the descent and bottom phase together with a reduced ascent rate and increase in heart rate reduced mixed venous P(N2) upon return to the surface by as much as 45%. This has important implications as small reductions in inert gas load (approximately 5%) can substantially reduce decompression sickness (DCS) risk by as much as 50% (Fahlman et al., 2001, J. Appl. Physiol. 91, 2720-2729).


Elephant seals' extreme diving allows them to exploit deep ocean niche

Using data captured by video cameras and smart accelerometers attached to female elephant seals, Taiki Adachi and colleagues show that the animals spend at least 80% of their day foraging for fish, feeding between 1,000 and 2,000 times per day. The unique glimpse at elephant seal foraging strategy shows how these large marine mammals exploit a unique ocean niche filled with small fish. The findings also may offer a way to monitor the health of the mesopelagic zone, the dark and cold ocean "twilight zone" ecosystem at 200 to 1,000 meters deep. Small mesopelagic fish dominate the world's ocean biomass, but little is known about the mesopelagic zone or how it is affected by global climate change. Large marine mammals can dive deep to find food in this zone, but the bigger they are, the more food they need to sustain themselves. Massive marine mammals like sperm whale solve this problem by diving into the mesopelagic zone to eat large prey like jumbo squid. The data collected by Adachi et al. suggest that the smaller elephant seals solve the problem by eating abundant small mesopelagic fish, but the smaller mouthfuls mean they must dive repeatedly to maintain a positive energy balance. The researchers say that elephant seal foraging activity could be used to trace the future health of mesopelagic fish populations, as the mesopelagic zone is expected to undergo substantial changes in temperature and oxygenation by the end of the century.

تنصل: AAAS و EurekAlert! ليست مسؤولة عن دقة النشرات الإخبارية المرسلة على EurekAlert! من خلال المؤسسات المساهمة أو لاستخدام أي معلومات من خلال نظام EurekAlert.


Why Deep-Diving Mammals Don't Black Out

Some seals and dolphins can hold their breath underwater for a cheek-popping hour or more without passing out from lack of oxygen.

Definitely don't try this at home. Humans can't make it more than a few minutes without breathing (at least without some sci-fi device).

The secret to the superhero animal feat is elevated levels of special oxygen-carrying proteins found in their brains, a new study reveals. But the research leaves puzzles.

Scientists have long wondered why marine mammals, such as dolphins, whales , Weddell seals and sea otters, are so tolerant of such low oxygen conditions. The simplest explanation had been that they evolved adaptations to boost oxygen delivery to the brain. But studies have shown that the oxygen levels in their blood vessels plummeted within minutes of dipping beneath the water's surface.

"The kinds of levels we were seeing in arterial blood would have caused us to black out under water," said lead study author Terrie Williams, professor of ecology and evolutionary biology at the University of California, Santa Cruz.

The research will be published in the Dec. 18 issue of the journal وقائع الجمعية الملكية ب.

Diving secret

Williams and her colleagues focused on two newly discovered proteins called neuroglobin and cytoglobin. They are similar to hemoglobin, an iron-containing molecule that carries oxygen in blood and circulates throughout the body and brain, but neuroglobins and cytoglobins (grouped together as brain globins) reside in brain tissues.

The scientists compared the amounts of hemoglobin and the brain globins in 16 mammal species, including land animals such as a bobcat and a mountain lion, shallow swimmers such as the bottlenose dolphin and California sea lion, and deep divers such as the pilot whale and Risso's dolphin.

The results were not clear-cut.

On average, the brains of marine mammals had more hemoglobin and brain globins than those of land animals, suggesting it's these proteins that keep the divers alive and alert during deep dives. The shallow-swimming and highly active dolphins, sea lions and sea otters had higher amounts of the brain globins than did the deep-diving whales. Williams suggests that the agile swimmers need to shuttle oxygen quickly to the brain and so they rely on the brain globins rather than the hemoglobin. The more hemoglobin in the blood, the more viscous the blood becomes, making transport to the brain slower.

And then there was the bobcat. Unlike the dog-related species, including foxes and coyotes, bobcat tissues showed high amounts of the brain globins. "Maybe it's not just breath-holding that stimulates these globins, but high levels of activity, such as sprinting," Williams said.

Human aging

The finding could shed light on strokes and aging in humans. For instance, boosting globin production in humans could potentially lessen brain damage due to disease and aging.

"If you're a wild animal you don't get the option of having a stroke. If you have a stroke, you're dead," Williams told لايف ساينس. "[The diving mammals] might be the group to look toward, because evolution and selective pressures would push them toward better protection."

Bowhead whales live 200-plus years, more than double the typical human lifetime. Williams asks, "What if you could do something that would keep your brain active for twice as long?"


How can I use the Diving Response?

If you are going to perform e.g. at a competition or at a business event, activating the diving reflex can help you relax. The diving reflex is activated by breath holds and by facial contact with cold water. If you cover your face, especially the forehead and the area around the nose (area of the trigeminal nerve) with a cold wet towel, the diving reflex will be activated. Because the diving reflex innervates the vagus nerve your pulse will drop and your body will relax. In this way, you can quickly calm your nerves before a performance.


شاهد الفيديو: موسيقى الترميز المظلمة - عمل منتصف الليل - قائمة تشغيل الغوص (قد 2022).