Hengityksen säätely

Hyvää päivää, Lykkers! Oletteko koskaan miettineet, miten hylkeet voivat pysyä veden alla yli tunnin hengittämättä?

Ihmiset voivat vain selviytyä muutaman minuutin, kun taas hylkeet sukeltavat syvälle jäisten vesien alle metsästämään helposti.

Tiedemiehet uskoivat aiemmin, että ne perustuivat samoille hengityssignaaleille kuin ihmiset. Uusi tutkimus paljastaa kuitenkin, että ne aistivat hengittämisen tarpeen täysin eri tavalla.

Ihmiset seuraavat hiilidioksidia, eivät happea

Monet ihmiset olettavat, että hengitystarve ilmenee, kun happi loppuu. Yllättäen näin ei ole, ihmisvartalo toimii. Sen sijaan erikoistuneet reseptorit seuraavat jatkuvasti hiilidioksidin (CO₂) määrää, joka kiertää veressä. Kun CO₂ kertyy, aivot luovat epämukavan tunteen, jota kutsutaan "ilmahädäksi". Tämä kasvava epämukavuus pakottaa meidät lopulta hengittämään, vaikka happea olisi runsaasti saatavilla.

Tämä selittää, miksi kokeneet vapaasukeltajat voivat joskus pidentää hengitysilman pidätyskykyään koulutuksen avulla. Tullakseen sietävämmiksi nouseville hiilidioksiditasoille he lykkäävät hengitystarvettaan. Tämä sopeutuminen kantaa kuitenkin vakavan riskin.

Hapen tasot saattavat pudota vaarallisiin lukemiin ennen kuin keho lähettää vahvan varoituksen, mikä voi johtaa hypoksiseen tajuttomuuteen - äkilliseen tajuttomuuteen, joka aiheutuu riittämättömästä hapen saapumisesta aivoihin. Kilpailulliset vapaasukellusjärjestöt noudattavat tiukkoja turvaohjeita, koska tämä tyyppinen tajuttomuus voi tapahtua vähäisellä varoitusajalla, etenkin syvillä tai pitkäkestoisilla sukelluksilla.

Tieteellinen kysymys, joka innoitti vapaasukeltajia

Skotlannin St Andrewsin yliopiston Sea Mammal Research Unitissa työskennelleet tutkijat alkoivat esittää tärkeää kysymystä havaittuaan huippuvapaasukeltajia. Johtava tutkija Chris McKnight huomasi, että ihmiset menettivät tajuntansa joskus, koska heidän hengitysvasteensa riippuu pääasiassa hiilidioksidista eikä hapesta. Jos hylkeet luottaisivat samaan järjestelmään, niiden ongelma selviytymisen kannalta olisi huomattava.

Tajuttomuus veden alla olisi lähes varmasti kohtalokas. Tämä havainto johti tiedemiehet epäilemään, että sukeltavilla nisäkkäillä on oltava aivan erilainen mekanismi - mekanismi joka kykenee valvomaan hapen itsessään, eikä odottamaan hiilidioksidin kertymistä. Tutkiakseen tätä mahdollisuutta, tiimi suoritti huolellisesti hallitun tutkimuksen, jonka myöhemmin julkaistiin Science-lehdessä.

Kuinka tutkijat testasivat villi Hylkeet

Sukeltamisen fysiologian tutkiminen merinisäkkäissä on paljon haastavampaa kuin ihmisten vapaaehtoisten testaaminen. Tutkijat työskentelivät kuuden nuoren villin harmaahylkeen (Halichoerus grypus) kanssa, jotka olivat väliaikaisesti sijoitettuina tutkimuslaitokseen. Sen sijaan, että olisivat pakottaneet eläimet epäluonnollisiin tilanteisiin, tiimi koulutti ne osallistumaan vapaaehtoisesti simuloituun ruokintaharjoitukseen.

Jokainen hylje ui hengityshuoneen ja vedenalaisen ruokintapaikan välillä, jossa ruokapalkinnot olivat saatavilla. Tämä asetelma mahdollisti tutkijoiden säätää ilman koostumusta, jota hylje hengittää, ennen jokaista sukellusta, häiritsemättä eläinten luonnollista uintikäyttäytymistä. Muuttamalla huolellisesti hapen pitoisuuksia ja samalla muuttamalla hiilidioksiditasoja, tutkijat pystyivät havainnoimaan, kumpi tekijä vaikutti todella sukelluksen kestoon.

Happi - ei hiilidioksidi - hallitsee heidän sukellustaan

Tulokset haastoivat vuosikymmenten oletuksia nisäkkäiden hengittämisen pidättämisestä. Kun happipitoisuudet vähenivät, hylkeet lyhensivät johdonmukaisesti sukelluksiaan. Kun happi oli saatavilla enemmän, ne pysyivät veden alla pidempään. Yllättäen hiilidioksidin nostaminen - jopa paljon korkeammalle tasolle kuin eläimet normaalisti kohtaavat luonnossa - oli lähes olematonta vaikutusta siihen, kuinka kauan ne pysyivät upoksissa.

Tämä selvä kaava osoitti, että hylkeet vastasivat suoraan happipitoisuuden saatavuuteen eivätkä hiilidioksidin kertymiseen. Tulokset tarjoavat vahvaa näyttöä siitä, että hylkeillä on sisäinen järjestelmä, joka kykenee havaitsemaan veren hapen tasot poikkeuksellisen tarkasti. Sen sijaan, että odottaisivat, että hiilidioksidi tuntuu epämukavalta, näyttää siltä, ​​että ne nousevat pinnalle ennen kuin happi saavuttaa vaarallisen alhaiset pitoisuudet.

Miksi tämä kyky antaa Hylkeille merkittävän selviytymisetuskan

Elämä merenpinnan alla vaatii tarkkaa energian hallintaa. Harmaahylkeet sukeltavat säännöllisesti satoja kertoja päivässä etsiessään saalista, joka on piilotettu merenpohjalle tai uiden syvissä vesissä. Jokainen sukellus vaatii tarkkaa tasapainoa hapen kulutuksen ja tarpeen välillä pysyä veden alla tarpeeksi kauan löytääkseen ruokaa. Seuratessaan happea suoraan, hylkeet voivat päättää tarkalleen, milloin pinnalle paluu on välttämätöntä.

Tämä vähentää merkittävästi tajuttomuuden riskiä sukelluksen aikana. Tällainen järjestelmä tarjoaa suuren evoluutiollisen edun. Merinisäkkäät, jotka kokevat toistuvasti hapen liittyvää tajunnan menetystä, kamppailisivat saalistuksen, petojen välttämisen tai nuoriensa hoitamisen kanssa. Miljoonien vuosien aikana luonnonvalinta suosii voimakkaasti yksilöitä, jotka pystyvät seuraamaan tarkasti jäljellä olevaa hapensaantiaan.

Tutkijat uskovat, että tämä sopeutuminen ei ehkä ole ainutlaatuinen harmaahyljeille. Muut taitavat sukeltajat - kuten elefanttihylkeet, merileijonat, valaat ja ehkä jopa jotkut sukeltavat linnut - saattavat omistaa samanlaisia happimonitorointijärjestelmiä, jotka kehittyivät itsenäisesti heidän esi-isiensä sopeutuessa merielämään.

Mitä Hylkeet voivat opettaa ihmistieteen

Ymmärtäminen, miten hylkeet säätelevät hengitystään, voisi lopulta hyödyttää ihmisen lääketiedettä ja fysiologiaa. Tiedemiehet ovat kiinnostuneita tunnistamaan biologiset anturit, jotka vastaavat happipitoista havaitsemisesta, koska samankaltaiset mekanismit voisivat parantaa tietämystä hengityselinsairauksista, anestesiasta, hätälääketieteestä ja hapenpuutetilanteita koskevista hoidoista.

Tulokset syventävät myös ymmärrystämme siitä, kuinka evoluutio voi muokata kehon perustavanlaatuisimpia selviytymisjärjestelmiä. Sen sijaan, että kehittäisivät yksinkertaisesti suurempia hapen varastoja, hylkeet kehittivät monipuolisemman tavan hallita niitä, mikä mahdollistaa näiden merinisäkkäiden viettää epätavallisen pitkiä aikoja meren alla välttäen ihmisten hengitysilmaa hallitsevat vaarat.

Seuraavan kerran kun katsot hyljettä katoavan aaltojen alle, muista, että sen uskomaton sukelluskyky riippuu paljon enemmän kuin voimakkaista keuhkoista. Näyttää siltä, että nämä eläimet omistavat tarkkaan hienostuneen biologisen järjestelmän, joka jatkuvasti seuraa hapen itsessään, jolloin jokainen sukellus päättyy juuri oikeaan hetkeen.