Wie Überleben Pinguine & Dichtungen Tieftauchgänge

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Meine Forschungsschwerpunkte ist Physiologie in extremen Umgebungen, insbesondere solche mit niedrigen Konzentrationen von Sauerstoff.

Tiere, die in solchen "Hypoxie" Umgebungen gedeihen sind ideale Arten zu untersuchen, wie ihre Physiologie reagiert. Darüber hinaus kann Anpassungen an Hypoxie in Tiere des Hochgebirges, während des Winterschlafs, oder Tauchen Umgebungen zu studieren für das Verständnis und die Behandlung von menschlichen medizinischen Fragen, wie Herzinfarkt und Schlaganfall Einblicke.

Meine jüngsten Ph.d. Dissertation konzentrierte sich auf das Tauchen Physiologie der einige der besten Tauchen Tiere: Kaiserpinguine und Seeelefanten. Kaiserpinguine können fast 30 Minuten lang auf einem einzigen Atemzug Tauchen, und der Rekord Tauchgang eine nördliche See-Elefant ist fast zwei Stunden!

Beide Arten können in große Tiefen tauchen – mehr als 1.500 Fuß für den Kaiser-Pinguin – und fast 5.000 Fuß (fast eine Meile!) für die See-Elefanten. Es ist gut dokumentiert, dass Tiere, die gut tauchen können Sauerstoff-Speicherkapazität in ihrem Körper ein Kunststück vollbracht, erhöhte Blut-Volumen und höheren Ebenen der Proteine, die transportieren den Sauerstoff im Blut und im Muskel (Hämoglobin und Myoglobin) verbessert haben.

Im Labor von meinem Doktorvater, Paul Ponganis von der Scripps Institution of Oceanography an der UC San Diego, verwenden wir verschiedene Ansätze um zu studieren, wie diese Tiere ihren Sauerstoff-Läden um diese außergewöhnliche Tauchgänge zu erreichen verwalten.

In der Antarktis richten wir die Pinguin-Ranch auf dem Meereis des McMurdo-Sund. Während unseres Studiums Bohrungen wir zwei Tauchgang in das Eis auf unserem Campingplatz ermöglicht die Kaiserpinguine, frei in das Meer zu tauchen.

In Nordkalifornien studieren wir See-Elefanten, während sie auf dem Meer Tauchen sind. Wir setzen ein Rucksack-Stil-Recorder auf diese Tiere ihre physiologischen Reaktionen beim Tauchen zu dokumentieren.

Unsere Arbeit, finanziert von der National Science Foundation (NSF) hat ergeben, außergewöhnlichen physiologischen Reaktionen und Anpassungen, die das Tauchen Fähigkeit dieser Tiere beitragen.

Zum Beispiel zeigte eine Studie, dass Tauchen Kaiserpinguine Herzfrequenzen deutlich geringer als die ihrer Herzfrequenz in Ruhe. Während ein Kaiserpinguin beeindruckende 18-minütigen Tauchgang, seine Herzfrequenz sank auf so niedrig wie drei Schläge pro Minute, mit einer Rate von sechs Schlägen pro Minute Dauer länger als fünf Minuten während des Tauchgangs. Wie Herzfrequenz ein sehr guter Indikator ist für wie viel Sauerstoff genutzt wird, entsprechen verminderte Herzfrequenz während der Tauchgänge zur Erhaltung von Sauerstoff, so dass die Tiere für eine längere Zeit zu tauchen.

Um einen direkten Blick auf Sauerstoffmangel zu bieten, haben wir während des Tauchgangs mit einer Sauerstoffelektrode die Konzentrationen von Sauerstoff im Blut gemessen. Diese Elektrode kontinuierlich gemessen, die Menge an Sauerstoff im Blut, die Geschwindigkeit und das Ausmaß von Sauerstoffmangel während des Tauchgangs zu dokumentieren und uns wissen wie diese Tiere ihre Sauerstoff-Speicher verwalten.

Kaiserpinguine und See-Elefanten verträgt außergewöhnlich niedrige Konzentrationen von Sauerstoff im Blut, weit unter den Grenzwerten von Menschen und anderen Tieren. Dies unterstützt sie bei der Sauerstoff effizient zu managen und trägt zu ihrer Fähigkeit zum Tauchen und Essen erhalten. Kombiniert mit ihren verstärkten Sauerstoff-Läden, anderen physiologischen Reaktionen wie reduzierte Herzfrequenz und Faktoren wie Schwimmbad, Stile und deren hydrodynamischen Körperform, sind diese Tiere gut angepasst, in Unterwasser-Umgebung gedeihen.

Jetzt, wo ich meine Doktorarbeit mit Tauchen Tiere abgeschlossen haben, wird ich begeben Sie sich auf Studien mit einem anderen bemerkenswerten Arten: die hochfliegenden Bar-vorangegangene Gans. Dieser Vogel führt durch die außergewöhnliche Leistung des Fliegens direkt über das Himalaya-Gebirge während seiner halbjährlichen Migration vom Winterquartier in Indien zu Brutplätzen in Tibet.

Obwohl andere Zugvögel alternative, niedriger Höhe Strecken über Gebirgspässe verwenden, Schwärme von dieser außergewöhnlichen hoch fliegenden Gänse gesichtet über die Gipfel des Mt. Everest (29.000 Fuß) und Annapurna ich (26.500 Fuß). Übung in diesen Höhen während der Migration kann in einem einzigen, Nonstop-Flug mit keine Zulage zum akklimatisieren, fliegen von Meereshöhe in Indien zu den Höhen nähert sich 9.000 Meter in weniger als einem Tag abgeschlossen werden.

Sauerstoffgehalt in dieser Höhe sind nur etwa ein Fünftel, auf Höhe des Meeresspiegels, die unter der Leitung von Bar Gans seinen Sauerstoffverbrauch 10 - bis 20 - fache während des Fluges erhöht. Vögel sind in der Regel toleranter hoher Höhe als Säugetiere, aber nachhaltige Flug bei dieser reduzierten Konzentrationen von Sauerstoff ist sicherlich außergewöhnlich.

Das Ziel dieses Projektes ist es, erkunden die physiologischen Anpassungen in dieser Art, mit dem übergeordneten Zweck Verständnis Gewebe und zelluläre Hypoxie Toleranz in ein Tier, das speziell zur Aufrechterhaltung der Leistung in Hypoxie entwickelt hat.

Mit Unterstützung von einer NSF International Research Fellowship werde ich dieses Werk im Herbst 2009 in Zusammenarbeit mit Forschern an der University of British Columbia in Vancouver, Kanada initiieren. Wir untersuchen Sauerstofftransport aus den Atemwegen des Gewebes während des Fluges in die Bar geleitet Gans, mit besonderem Schwerpunkt auf Lieferung ins Herz.

Die nächste natürliche Frage nach dokumentieren, was sind diese beeindruckenden physiologischen Reaktionen in einer dieser Arten ist natürlich zu Fragen, wie sie erreicht werden. Wir werden die Mechanismen der Hypoxie Toleranz im Herzen der Bar-vorangegangene Gans mit einer Vielzahl von physiologischen, morphologischen und intrazellulären Ansätze ansprechen.

Diese Arbeit kann auch Hinweise über Anpassungen in diesen Tieren geben, die Menschen in der Zukunft profitieren könnten. Zum Beispiel wirkt sich Toleranz gegenüber Hypoxie nach besseren Methoden des Erntens und Erhaltung der Organe für die Transplantation und Behandlung von Herzinfarkt und Schlaganfall Opfer.

Diese Tiere standhalten irgendwie ernst geringe Mengen an Sauerstoff im Blut und Gewebe, die für den Menschen katastrophal sind. Die Frage der Reperfusion Verletzungen — Gewebeschäden durch freie Sauerstoff-Radikale verursacht, wenn der Blutfluss auf ein Organ nimmt das Blut entzogen worden ist, ist auch relevant. Dies gilt für eine Vielzahl von Themen in der Humanmedizin, wenn Tauchen Tiere immun gegen solche Bedenken scheinen.

Ein vollständiges Verständnis der Physiologie dieser Organismen ist auch wichtig, interpretieren ihre Rolle im Ökosystem. Dieses Wissen hat klare ökologische und Erhaltung Implikationen und ist besonders wichtig angesichts des globalen Klimawandels.

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Anmerkung der Redaktion: Diese Forschung wurde unterstützt durch die National Science Foundation (NSF), die Bundesagentur für angeklagt Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Sehen den Blick hinter die Kulissen Archiv.