گوش‌ سپردن به ضربان قلب بزرگ‌ترین حیوان روی زمین به دانشمندان چه می‌آموزد؟

قلب حشره‌خوار اتروسی، یکی از کوچک‌ترین پستانداران روی زمین، بسیار سریع و تا حد ۱۵۰۰ بار در دقیقه یا ۲۵ بار در ثانیه می‌تپد. درمقابل، قلب انسان کندتر است و ۶۰ تا ۱۰۰ بار در دقیقه می‌تپد.

حال نهنگ آبی، بزرگ‌ترین جانوری را که تابه‌حال زندگی کرده است، درنظر بگیرید. این جانوران غول‌پیکر دریایی می‌توانند طویل‌تر از دو اتوبوس مدرسه باشند و قلب آن‌ها که تقریباً به اندازه یک مبل راحتی دونفره است و بیش از ۴۵۰ کیلوگرم وزن دارد، در هر دقیقه دو بار می‌تپد. اگر می‌توانستید گوشی پزشکی بزرگی را روی سینه نهنگ آبی در زیر آب قرار دهید، ممکن بود چیزی شبیه این صدا را بشنوید:

کلیپ فوق با استفاده از داده‌های واقعی که دانشمندان چند سال پیش از یک نهنگ آبی در خلیج مونتری در کالیفرنیا جمع‌آوری کردند، تولید شده است. وقتی حیوان در آب شیرجه می‌زد، ضربان قلب او پایین بود، اما وقتی برای تنفس به سطح آب می‌آمد، سرعت آن به‌طور چشمگیری افزایش پیدا می‌کرد و به ۳۷ ضربان در دقیقه می‌رسید.

در چند سال گذشته، دانشمندان متوجه شده‌اند که چگونه به ضربان قلب نهنگ‌های وحشی گوش کنند. البته هدف آن‌ها بررسی ضربان قلب این جانوران نیست، بلکه می‌خواهند به یکی از اساسی‌ترین سوالات زیست‌شناسی پاسخ بدهند: یک حیوان تا چه حد می‌تواند بزرگ شود؟

اندازه‌گیری ضربان قلب نهنگ‌های آبی که از دایناسورها بزرگ‌تر هستند، نشان می‌دهد که اندازه قلب ممکن است اندازه بدن را محدود کند. همچنین به کمک ابزارهای نظارتی پیشرفته‌تر، این یافته‌ها می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا از این غول‌های دریایی دربرابر یکی از مرموزترین تهدیدهای اقیانوس محافظت کنند.

پاسخ کوتاه: غذا. چندین میلیون سال پیش، نهنگ‌های آبی تکامل پیدا کردند تا سخت‌پوستان کوچکی به نام کریل را بخورند که در بخش‌هایی از سال در برخی از مناطق ساحلی فراوان هستند. این غذاها می‌تواند به ایجاد بدن بزرگ کمک کند و بزرگ بودن به این حیوانات اجازه داده است که لقمه‌های بزرگ‌تری را بخورند و بهتر بتوانند از یک بوفه کریل به بوفه کریل بعدی بروند.

اما چیزی که جالب است این است که کریل و موجودات آبزی دیگر به اندازه کافی در اقیانوس وجود دارد تا نهنگ‌ها حتی بزرگ‌تر شوند. ماکس زاپانسکی، پژوهشگر دانشگاه استنفورد که پستانداران دریایی را مطالعه می‌کند، می‌گوید: «به‌نظر نمی‌رسد غذا به تنهایی اندازه بدن نهنگ‌ها را محدود کند. باید چیزی در ارتباط با بدن آن‌ها وجود داشته باشد که از بزرگ‌تر شدن آن‌ها جلوگیری کند.»

دانشمندان گمان می‌کنند که پاسخ ممکن است در قلب نهفته باشد.

قلب نهنگ آبی توسط تکنیکی به نام پلاستینه‌سازی حفظ شده است که طی آن پلاستیک جایگزین آب و چربی می‌شود.

نهنگ‌ها حین تغذیه از کریل‌ها که معمولاً صدها فوت زیر آب جمع می‌شوند، نفس خود را حبس می‌کنند. این امر موجب تجمع کربن‌دی‌اکسید در خون آن‌ها می‌شود. وقتی این حیوانات برای نفس کشیدن به سطح آب برمی‌گردند، ضربان قلب آن‌ها تند می‌شود تا بدنشان از کربن‌دی‌اکسید رهایی پیدا کند و آن را با اکسیژن تازه جایگزین کند تا آن‌ها بتوانند دوباره در آب شیرجه بزنند و جستجوی غذا را ادامه دهند.

قلب‌های بزرگ‌تر آهسته‌تر می‌تپند و تأمین مجدد اکسیژن بدن زمان بیشتری طول می‌کشد. این بدان معنا است که نهنگ‌ها باید زمان بیشتری را در سطح آب بگذرانند و نفس بگیرند که زمان ارزشمندی را که برای تغذیه از منابع فصلی مانند کریل‌ها دارند، می‌گیرد. اگر این جانوران قلب خیلی بزرگی داشته باشند، ممکن است زمان کافی برای خوردن غذا پیدا نکنند.

اگر اندازه‌ی قلب، به نوعی نهنگ‌ها را محدود کند، از نظر تئوری، قلب آن‌ها باید وقتی حیوانات درمعرض هوا قرار می‌گیرند، در حداکثر سرعت ممکن کار کند. این موضوعی است که دانشمندان وقتی اندازه‌گیری ضربان قلب نهنگ آبی را در سال ۲۰۱۸ آغاز کردند، می‌خواستند به آن پی ببرند.

روش‌های زیادی برای اندازه‌گیری ضربان قلب خود ما وجود دارد، از گوشی‌های پزشکی ساده تا پوشیدنی‌هایی مانند فیت‌بیت و اپل‌واچ‌ها. اما اندازه‌گیری ضربان قلب نهنگ‌ها بسیار سخت است.

نهنگ‌ها در لایه‌ی ضخیمی از چربی بلابر پوشانده شده‌اند و تا چند صد فوت زیر آب شیرجه می‌زنند. فشار آب در این اعماق زیاد است. حتی اگر مانیتور ضربان قلب بتواند در این شرایط کار کند، دانشمندان باید نهنگی را پیدا کنند، دستگاه را به آن متصل کنند و سپس آن را دوباره بازیابی کنند. دانشمندان در سال ۲۰۱۸ موفق به انجام این کار شدند. در اواخر تابستان، پژوهشگران در آب‌های خلیج مونتری درحال مطالعه گروه بزرگی از نهنگ های آبی بودند.

پژوهشگران از روی قایق بادی تحقیقاتی خود، به یکی از نهنگ‌ها نزدیک شدند و با استفاده از یک میله ۲۰ فوتی حسگر تخصصی EKG را پشت باله سمت چپ نهنگ چسباندند. نهنگ به زیر آب رفت و چند ساعت بعد دستگاه روی سطح آب شناور شد و پژوهشگران توانستند آن را بازیابی کنند.

حسگر EKG که سیگنال‌های الکتریکی را اندازه‌گیری می‌کند، ضربان قلب حیوانات را برای چند ساعت ثبت کرد. کلیپ بالا از همین داده‌ها حاصل شده است: جسیکا کندال-بار، دانشمندی که درزمینه‌ی پستانداران دریایی مطالعه می‌کند، قطعه‌ای از داده‌های ضربان قلب را به فایل صوتی تبدیل کرد و دراختیار وب‌سایت وُکس قرار داد.

زاپانسکی که یکی از نویسندگان مقاله سال ۲۰۱۹ براساس بررسی‌ EKG بود، گفت، البته این رویکرد دارای اشکالات جدی است. او با اشاره به اینکه آب شور در کار حسگرهای الکتریکی اختلال ایجاد می‌کند، گفت نرخ خرابی واقعاً بالا است. به همین دلیل، دانشمندان به‌دنبال رویکردهای دیگری بوده‌اند. در مقاله‌ای که زاپانسکی در ماه می منتشر کرد، نشان داد دستگاهی به نام شتاب‌سنج (که حرکت حیوان را اندازه می‌گیرد) می‌تواند ضربان قلب را نیز تشخیص دهد.

ماکس زاپانسکی، پژوهشگر دانشگاه استنفورد، در سپتامبر ۲۰۲۱ حسگری را روی نهنگ گوژپشت قرار می‌دهد

با هر ضربان قلب نهنگ، موجی از خون به بیرون از قلب فرستاده می‌شود که موجب می‌شود بدن نهنگ تکان‌های خفیفی بخورد (شبیه موقعی که وقتی شیر آب را باز می‌کنید و شیلنگ به سمت عقب حرکت می‌کند). وقتی نهنگ حرکت دیگری نداشته باشد، شتاب‌سنج می‌تواند آن حرکات ظریف را ثبت کند.

همچون حسگر EKG، شتاب‌‌سنج فقط در صورتی کار می‌کند که به نهنگ متصل باشد. اما این دستگاه‌ها مزیت بزرگی دارند: دانشمندان تقریباً ۲۰ سال است که آن‌ها را روی نهنگ‌ها قرار می‌دهند تا موارد دیگری را اندازه‌گیری کنند، بنابراین داده‌های ضربان قلب زیادی وجود دارد که می‌تواند مورد تجزیه‌و‌تحلیل قرار گیرد.

داده‌های ضربان قلب نهنگ آبی نشان می‌دهد این جانوران اساساً دو ضربان قلب متفاوت دارند. یکی از آن‌ها کند است؛ مانند کلیپی که در بالا شنیدید و مربوط به زمانی است که نهنگ در آب شیرجه می‌زند و بدن او تلاش می‌کند اکسیژن را حفظ کند. ضربان دیگر تند است و مربوط به زمانی است که نهنگ به سطح آب بازگشته و قلب او تلاش می‌کند اکسیژن را تجدید کند.

همان‌طور که پژوهشگران حدس می‌زدند، روی سطح آب است که داشتن بدن بزرگ می‌تواند به مشکل تبدیل شود. داده‌های EKG نشان می‌دهد که یک ضربان قلب نهنگ آبی حدود ۱٫۸ ثانیه طول می‌کشد که به این معنی است که قلب او می‌تواند فقط حدود ۳۳ بار در دقیقه بزند. اما وقتی نهنگ درحال نفس گرفتن بود، ضربان قلب او کمی بالاتر از این حد بود. این امر موضوع مهمی را نشان می‌دهد: قلب نهنگ آبی در عملکرد حداکثری خود قرار دارد و نمی‌تواند سریع‌تر از آن بزند.

به همین علت است که برای زاپانسکی حتی از تصور اینکه یک حیوان فرضی از نهنگ آبی بزرگ‌تر باشد، دشوار است. این حیوانات در محیطی زندگی می‌کنند که غذای فراوانی در آن وجود دارد، اما بدن آن‌ها سرعت مصرف غذا توسط حیوان را محدود می‌کند.

مگر اینکه منبع جدید و عظیمی از غذای غنی از مواد مغذی ظاهر شود (یا حیوانی فیزیولوژی جدید و بسیار کارآمدی را تکامل دهد)، نهنگ آبی ممکن است نه‌تنها بزرگ‌ترین حیوانی باشد که تا به‌حال زندگی کرده است، بلکه بزرگ‌ترین جانور ممکن باشد.

البته، جرمی گولدبوگن، دانشیار دانشگاه استنفورد و نویسنده مقاله EKG که سال ۲۰۱۹ منتشر شد، گفت عوامل دیگری مانند توزیع و فروانی فصلی کریل‌ها نیز وجود دارند که ممکن است اندازه بدن را محدود کنند. همچنین سؤالات بی‌پاسخی درمورد بوم‌شناسی نهنگ‌های آبی وجود دارد مانند اینکه آن‌ها چقدر زمان را صرف تغذیه می‌کنند. این‌جا است که پژوهش‌های دیگر و داده‌های شتاب‌سنج زاپانسکی احتمالاً به کار می‌آیند.

تجهیز نهنگ‌ها به مانیتور ضربان قلب می‌تواند برای خود این حیوانات نیز مفید باشد. درست همان‌طور که اپل‌واچ‌ها افزایش ضربان قلب را وقتی عصبانی هستیم یا ترسیده‌ایم، تشخیص می‌دهند، حسگرهای روی نهنگ‌ها نیز می‌توانند نشان دهند که چه موقع این حیوانات در شرایط استرس‌زا قرار دارند.

دیو هاس، دانشمند علوم دریایی و هم‌بنیانگذار شرکت FaunaLabs که دستگاه‌های شبیه فیت‌بیت را برای نهنگ‌ها، دلفین‌ها و جانوران دیگر می‌سازد، گفت این دستگاه‌ها می‌توانند حتی به حل معمای دیرینه به گل نشستن یا خودکشی نهنگ‌ها کمک کنند.

هر سال هزاران نهنگ خود را به ساحل می‌اندازند، اما دانشمندان دلیل آن را نمی‌دانند. حداقل در برخی موارد، به‌نظر می‌رسد این رفتار با فعالیت‌های دریانوردی مرتبط باشد به‌طوری‌که برخی از دانشمندان حدس می‌زنند که ممکن است سونار در مسیریابی برخی از نهنگ‌ها و دلفین‌ها اختلال ایجاد کند. هاس می‌گوید: «اگر بتوانیم فیزیولوژی آن‌ها را اندازه‌گیری کنیم، می‌توانیم در زمان واقعی ببینیم که این سیگنال‌ها چه تأثیری روی ضربان قلب آن‌ها دارند.»

دانشمندان ممکن است بتوانند به کمک دستگاه‌های پایشگر ضربان قلب تعیین کنند که چه چیزی موجب استرس نهنگ‌ها می‌شود و حتی راه‌حل‌های بالقوه را آزمایش کنند. هاس گفت، در بهترین سناریو، ممکن است مشخص شود که تغییری کوچک در فرکانس یا شدت صدایی که توسط کشتی‌ها منتشر می‌شود، موجب می‌شود که این صداها برای نهنگ‌ها بی‌خطر شود.

به این شیوه، گوش دادن به ضربان قلب نهنگ‌ها به ما می‌آموزد که این حیوانات چقدر استثنایی هستند و آناتومی آن‌ها چقدر منحصر‌به‌فرد است. اما ممکن است به ما در حفظ این غول‌های دریایی یعنی بزرگ‌ترین جانورانی که تا‌به‌حال روی زمین زیسته‌اند، نیز کمک کند.