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蓝鲸心跳的秘密!潜水时最低每分钟只跳2次,这“天生异禀”靠啥?

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 Evelyn Zhang • 2019-12-02 17:14:48 来源:前瞻网 E2378G0

科学家们第一次在野外环境成功记录下了蓝鲸的心率,发现了有关世界上最大哺乳动物的生物学新信息。

作为一种哺乳动物,蓝鲸是体现悖论的一个代名词——它们生活在水中,却要不时浮上茫茫海面呼吸空气。它们的身形如此巨大,却以小磷虾为食生存。它身上的诸多秘密长期以来一直让生理学家深深着迷。

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上周一发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一项新研究显示,蓝鲸这种海洋里的庞然大物,在深潜入水期间,心率可能会下降两倍!潜水过程中,它们的心率最高为每分钟37次,最低则降至每分钟仅有2次!

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这样的数字描绘了一只动物不断逼近自身极限的情况。这表明鲸鱼不仅是有史以来最大的动物,而且可能是具有循环系统的动物中最庞大的。

在研究的过程中,一组研究人员首次将心电图标签吸盘贴在自由潜水的蓝鲸身上(左尾鳍),以追踪其心率。斯坦福大学海洋生物学家、论文的主要作者杰里米·戈德博根(Jeremy Goldbogen)领导了一个团队,该团队将加州蒙特雷湾的蓝鲸作为追踪标本,这头鲸是至少15岁的雄性,于2003年首次被发现。

心电图标签包含电极、深度测量传感器和GPS跟踪器。它在蓝鲸的身上停留了8个半小时,并记录了多次潜水的数据,然后才被冲走并漂浮到水面。研究人员随后对其进行了追踪并查看了读数。

这样的标签是一系列技术的一部分,可使研究人员更轻松地研究鲸鱼的生活,而又不会过多地干扰它们。戈德博根表示,贴上标签后,鲸鱼可能会感觉就像在肩膀上轻拍一下。

数据显示,当这头鲸下潜时,它的心率也会下降。在潜水至深海底部时,鲸鱼的心率每分钟徘徊在4-8次左右。有时,它会一路下降到每分钟仅有两次——真是一个超强调节能力的生动例子!

通常,在潜水时坚持慢节奏可使海洋哺乳动物节省氧气,因此它们可以在水下呆更长的时间。但是仅有2-8次就让人感觉数值“非常低”,远远低于科学家们预测的每分钟11次跳动。

事实上,即使在鲸鱼进食的情况下,它也能保持每分钟心跳8.5拍然后逐渐慢下来,但其实这本是一个耗能高的过程,毕竟要将磷虾吞食咀嚼和消化。

那么,蓝鲸具有如此“天赋异禀”的关键究竟是什么?

戈德博根称,这或许归功于蓝鲸的柔性主动脉弓——即使在心脏没有活跃跳动的情况下,它也可以容纳动物90%的血液并缓慢释放,保持血液流动。

当鲸鱼爬升至水面时,其心率又会再度加速。这是因为到达水面的时候,它的血液运动得更快,为进行下一次潜水准备而重新充氧。实验中那头蓝鲸的心率这时达到每分钟37次跳动的峰值。“潜水后的地表心率则为25至37bpm…这大约相当于心脏跳动的速度。”

心率曲线与心血管潜水反应一致,表明在觅食潜水的底部阶段,心跳频率为4至8 bpm,无论潜水时间长短或最大深度如何。潜水时的潜水心率(在整个潜水时间中计算)和最小瞬时心率随潜水时间而降低,而潜水后最大地表心率随潜水时间而增加(图1)。根据哺乳动物的等速方程(18-20),一头70,000公斤的鲸鱼的心脏为319公斤,每搏量(每次搏动排出的血液量)为80 L,静息心律为15(bpm) 。假设成年蓝鲸的平均体长(23 m)和估计体重约70,000千克(21),则潜水心率低于经异体预测的静息心律15 bpm。

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在潜水的最低阶段,瞬时心率约为预期静息心率的1/3至1/2。实际上,即使是报告的最大蓝鲸(200,000千克),大多数这些处于下阶段的心率也低于预期的静息心率(11 bpm)(21)。与其他潜水员(1)相似,潜水时心跳率也会上升。在水面间隔期间,心率约为静息心率的两倍,深度潜水(> 125-m深度)后的心率主要在30至37 bpm,而浅层潜水后的心率在20至30 bpm。该研究构建了4次独立潜水的心率、深度和相对肺容积分布(图2),以检查运动和深度对心率调节的潜在影响。

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这些快速变化发生得非常快,这样的调节速度甚至让人讶异,但却是蓝鲸这种哺乳生物身上每天都在真实上演的日常。

“如此大的心脏缓慢跳动的悖论和其捕食的高能耗动作,挑战了对我们对心脏功能、血液动力学和人体生理极限的理解。”

除了了解到蓝鲸心率上的这一奇特现象,科学家们对于它心脏的秘密还有诸多好奇和探索之处。坎特伯雷大学基督城分校的副教授特拉维斯·霍顿(Travis Horton)说:“知道鲸鱼的神经系统如何控制心率的这种快速变化是很有趣的。”他自己使用无人机和红外线对座头鲸心率的调查正在推进这一研究。

戈德博根和他的团队则希望探究其他未曾想到的深度。他说:“抹香鲸、喙鲸——其中一些可以潜入一个小时或更长时间。” “我们想了解他们的心脏在这个过程中发生了什么样的作用。”

地球上最微小的生物和最大的鲸鱼之间,极端的生理机能可能会揭示对体型的限制。特别地,在这些极端情况下了解心脏功能仍然是生理学中的主要挑战,它涉及自然环境中的能量需求。

“在极端生理条件下工作的动物可以帮助我们了解不同体型大小的物种生物学极限。”戈德博根表示,“它们还可能特别容易受到环境变化的影响,这可能影响他们的食物供应……因此,这些研究可能对蓝鲸等濒危物种的保护和管理产生重要影响。”

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