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去年,戈德博根的团队利用精心设计的心率仪测量了一只雄性蓝鲸的心率,他们惊奇地发现,蓝鲸的心跳似乎常常处于极端过缓或极端过速的状态中。研究人员在今年11月发表于《美国科学院院刊》(PNAS)的一篇论文中,对这些数据进行了详细解读,为我们揭开了有关蓝鲸心脏的更多奥秘,以及为什么蓝鲸没有演化成更大生物的原因。
斯坦福大学霍普金斯海洋站位于加利福尼亚州蒙特雷湾,紧邻广阔的太平洋。这里是海洋生物学家杰里米·戈德博根(Jeremy Goldbogen)工作的地方,运气好的时候,他站在自己办公室窗前,能看到游弋的巨鲸。
戈德博根在纽约州的农村长大,周围有4万平方米的广袤土地供他玩耍,探索。从小喜欢户外探险的他,至今还记得参加附近大学举办的科学营,第一次在显微镜下看到河水中微观世界时的震撼。高中时,戈德博根又幸运地遇到了一位擅长用讲故事的方式教授生物学原理的老师,从此,在他内心埋下了思考和探索生物学的种子。
在得克萨斯大学奥斯汀分校上大学时,沐鸣主管戈德博根很自然地选择了动物学专业,但当时的他肯定没有想的到,自己未来的研究对象居然是世界上最大的动物——蓝鲸(一道)。
根据美国海洋和大气管理局的数据,最大的蓝鲸身长可达33米,体重约150吨。虽然在长度上,蓝鲸可能会败给某些长着细长脖子和尾巴的恐龙,但论体积和重量,它们绝对是地球上有史以来最大的“巨无霸”(也有说法认为,易碎双腔龙是有史以来最大的动物)。
去年,戈德博根的团队利用精心设计的心率仪测量了一只雄性蓝鲸的心率,他们惊奇地发现,蓝鲸的心跳似乎常常处于极端过缓或极端过速的状态中。研究人员在今年11月发表于《美国科学院院刊》(PNAS)的一篇论文中,对这些数据进行了详细解读,为我们揭开了有关蓝鲸心脏的更多奥秘,以及为什么蓝鲸没有演化成更大生物的原因。
骑着蓝鲸游大海
蓝鲸身材修长,身体为蓝灰色,带有浅灰色斑点,在海水中看起来呈淡蓝色,因此得名蓝鲸。对人类来说,它们是一种颇为神秘的生物:蓝鲸属于哺乳动物,却生活在大海中;身形巨大,却以回形针大小的鳞虾为食;夏季在极地海域觅食,冬季却迁徙数千千米,到几乎没有食物的热带海域繁殖。
为了更好地了解蓝鲸的习性,近二十年来,海洋生物学家开始使用传感器,记录蓝鲸生活的方方面面。戈德博根的工作之一,就是通过将吸盘式传感器贴在蓝鲸身,上了解蓝鲸游弋,潜水和觅食时的位置,速度和加速度。
吸盘式传感器只有饭盒大小,内置有加速度计,磁力计以及压力和声音记录器等仪器。它依靠底部的4个吸盘粘在蓝鲸身上,采集数据后会自动脱落,对蓝鲸的干扰很小。戈德博根说,把吸盘式传感器粘到蓝鲸身上的过程,就像有人用手指在你的肩上敲了一下。你可能会愣一下或转下头,然后继续埋头做自己的事。
2016年,戈德博根实验室的研究人员与其他鲸类研究人员和工程师一起,开发了一种传感器套件,其中装有可记录蓝鲸3 d运动的微型版仪器和新的水下相机。新视频为研究人员提供了令人难以置信的视野,观看视频时,你就像正坐在蓝鲸背上畅游大海,会感到肾上腺素飙升。
这次的视频为生物学家解答了一个肌肉力学方面的问题:蓝鲸是在速度最大时张开嘴摄食,而不是在达到最大速度前几秒张开嘴。
给蓝鲸测心率
能否再设计一套可以测量深度和心率的传感器套件,记录蓝鲸摄食时的心率呢?十年前,戈德博根在斯克里普斯海洋研究所读博期间,曾测量过南极帝企鹅潜水时的心率。现在,他想在蓝鲸身上做同样的事。相比企鹅,检测蓝鲸的心率显然要难得多,虽然戈德博根和同事并不是十分有把握,但他们还是决定试一试。
这是一次漫长的尝试,他们必须做很多事情:找到一头蓝鲸,将传感器放在正确的位置,当然,还要确保传感器正常工作。
在开发心率传感器时,研究人员在圣迭戈海洋世界进行了多次试验。在驯鲸师的调教下,海洋世界的圈养小型鲸会把肚皮往上翻,以降低研究人员粘传感器的难度,但是,研究人员很清楚,真正“实战”时,生活在野外的蓝鲸肯定不会这么配合。
2018年,戈德博根和同事终于将目标锁定在了出现在蒙特雷湾的一头雄性蓝鲸上。这条蓝鲸体长23米,体重70吨,根据它身上的斑点,研究人员认出曾在2003年见过它,所以它当时的年龄至少是15岁(就像人类的指纹一样,蓝鲸的斑点特征可用来识别不同的个体)。
关键的时刻到了。那一天,戈德博根实验室的博士生戴维·卡德(David凯德现已毕业,他也是这项研究的第一作者),乘着一艘充气快艇驶向浮出水面打算“喘口气”的蓝鲸。只见他手持一根长6米的碳纤维管,站在充气艇前部定制的平台上,在与蓝鲸交汇的瞬间,熟练地将管子未端的吸盘式传感器,粘在了蓝鲸身上。
给蓝鲸“贴标签”是一项艰苦的工作,当蓝鲸浮出水面时,留给研究人员的时间只有几秒钟,他们必须将传感器放置在正确的位置(尽量靠前,在蓝鲸身体的左侧下方),因为只有靠近蓝鲸的心脏,传感器才能收到信号。
卡德非常幸运,第一次尝试就成功了,随着时间的推移,传感器滑到了蓝鲸的左鳍下侧,检测到了心跳。
逼近身体极限
研究人员根据哺乳动物异速生长公式(描述哺乳动物身体部位大小与整个身体大小之间比例关系的函数)计算得出,这头70吨重的蓝鲸心脏重量大约为319年千克(大小相当于游乐场的两人座碰碰车)、每搏输出量(每次心脏搏动排出的血液量)大约为80升,静息心律(清醒,不活动的安静状态下的心率)为15次/分钟。
根据从传感器获得的8.5小时的心电图和深度记录,沐鸣主管研究人员构建了蓝鲸的心率图。结果让研究人员感到非常意外:虽然蓝鲸在夜间休息(浅潜)时的平均心率为13次/分钟,非常接近预测的15次/分钟,但在摄食(深潜)时,心率却走向了两个极端,不是极端心动过缓就是极端心动过速。
当蓝鲸潜入海底时,它的心率会降到4 ~ 8次/分钟,最低时只有2次/分钟,即使在中间的摄食过程中,心率也只比潜水心率最低值高2.5倍;当它摄食后返回海面时,为给血液补充氧气,心率又会迅速上升至25 ~ 35次/分钟,最高时甚至达到37次/分钟,中间几乎没有过渡。
在这8.5个小时内,蓝鲸进行了数十次潜水摄食活动,潜水时间最长为16.5分钟,到达的最大深度为184米,期间每次浮出水面呼吸的时间从未超过4分钟。
蓝鲸属于须鲸(须鲸科)的一种。须鲸有一个共同特点:下颔到腹部间的皮肤上有许多沟状的喉褶(喉咙槽)。以蓝鲸为例,摄食时,蓝鲸会一个“箭”步冲向鳞虾群,同时展开喉褶将口腔容积扩大到正常大小的4倍,将重量超过自己体重的海水和鳞虾一口吞下,接着,闭上嘴,通过长在上颔的梳状结构将海水排出,水中所含的鳞虾便会留在口中。
这种摄食方式被称为“冲刺摄食”(刺喂养),非常消耗体能。戈德博根和同事之前曾通过分析265头蓝鲸的数据,得出单次“冲刺摄食”的能量成本为3226年至8071年千焦,所以,虽然科学家早就知道,哺乳动物在潜水时会因无法呼吸,而节省氧气,降低心率,但摄食时出现如此低的心率还是让他们感到非常意外
蓝鲸表现出的最高心率,也给研究人员留下了很深的印象。一般来说,恒温哺乳动物体型越大,心率会越低。蓝鲸巨大的心脏居然能达到37次/分钟的跳动频率,戈德博根认为,这可能已经逼近蓝鲸心脏的承受极限。
更大的生物不可能存在吗?
蓝鲸捕食常常需要在水下停留十多分钟,它是如何做到保持低心率同时高效捕食呢?秘诀在于,在蓝鲸两次心跳之间的停顿期,身体中的血液仍能保持流动。
蓝鲸心脏外部的主动脉弓(主动脉弓)有着令人难以置信的弹性,可以像气球一样膨胀,储存心脏搏出的约90%的血液,然后再缓慢收缩,将血液释放到循环系统的其余部分。这个机制保证了蓝鲸在潜水觅食期间,可以不断向各个器官输送血液,即使是在心跳之间的长时间休息期也是如此。
蓝鲸在心率和血流控制方面具有非凡的能力,这可能有助于解释,为什么蓝鲸成为了地球上最大的动物。但研究人员认为,从另一个角度来看,这也可能是它们没有演化得更大的原因。
万大约在450年前,冰川融化带来的泾流,导致海洋深处的冷水上升,同时也将海底的有机物带到海洋表面,浮游生物开始大量繁殖,而这又进一步促进了鳞虾的生长。从那时起,擅长潜水,拥有无限量”自助餐”的蓝鲸开始变得越来越大,并逐渐成长为有史以来最大的动物。
戈德博根曾思考过一个问题,如果食物不受限制,蓝鲸会在未来几百万年演化得更大吗?现在,他的答案似乎是否定的。
早前的一项针对蓝鲸,鳍鲸、座头鲸(都属于须鲸)的研究表明,不同大小的须鲸在最长潜水时间和最大潜水深度上并没有显著差异,但摄食后过滤海水所需的时间,会随体型增大而增加,所以,体型越大的须鲸,每次潜水时进行“冲刺摄食”的次数会越低。这意味着在潜水觅食期间,体形更大的须鲸必须在较短的时间内完成更多的工作,才能满足能量需求。
现在,只是应付日常的觅食行为,蓝鲸的心脏就已经拼尽全力,逼近生理极限。如果存在比蓝鲸更大的鲸,那这个更大生物的心脏可能无法在潜水后跳动得足够快,以补充血液中失去的氧气。这或许是为什么我们目前看不到任何比蓝鲸大的动物的一个原因。
蓝鲸是地球上有史以来最大的生物,未来也可能是。
近年来,由于气候变化改变了磷虾的分布,蓝鲸的活动“热点“从南加州变成了蒙特雷湾,也就是霍普金斯海洋站的“后院”。戈德博根实验室拥有得天独厚的地利条件,研究人员已经在数百头鲸身上部署了传感器,每一次部署传感器后,他们都会得到一些有趣的新东西。
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