Magas, de lassú: mi a zsiráfok a magukért fizetni? • Varvara Vedenina • Tudományos hírek az "Elemekről" • Élettani, Neurobiológiai, Zoológiai

Magas, de lassú: mi a zsiráfok a magukért fizetni?

A legmagasabb emlős. Kép a ru.wikipedia.org-tól

A külső ingerekre adott reflexválasz esetén két paraméter rendkívül fontos: az inger meghatározásának pontossága és az ingerre való reagáláshoz szükséges idő. Hogyan szembesülnek ezekkel a feladatokkal a legmagasabb szárazföldi emlősök, a zsiráf? Kiderül, hogy magas növekedést kell fizetnie: a zsiráfok lassabban és kevésbé pontosabban reagálnak a külső ingerekre, mint a többi testvér zsiráfhoz hasonló más emlősök.

Mindenki tudja, hogy a zsiráfok a legmagasabb szárazföldi emlősök. Nem is titok, hogy a magas növekedés a zsiráfok számára óriási előnyökkel jár, mint más növényevő emlősök: a zsiráfok elérhetik a leveleken lévő leveleket, amelyeket egyetlen más versenyző sem érhet el. De kevesen gondolunk arra a kényelmetlenségre, amelyet ez a magas növekedés hoz ezekre az állatokra. Különösen felmerül a kérdés: hosszú végtagok megakadályozzák a szaggatott (neuromuszkuláris) irányítást a zsiráktól? Mozgás közben az állatnak ellenőriznie kell a talaj egyenetlenségét és gyorsan reagálnia kell rájuk. A reakció sebessége elsősorban az idegimpulzusok sebességétől függ, amelyet nagymértékben az idegrostok mérete határoz meg, és másodszor,a reakció pontosságáról, amely az ideg és izomrostok sűrűségétől és számától függ. (A reakció pontossága az inger lokalizációjának pontosságát és az ezen ingerre adott válasz pontosságát jelenti.)

A Simon Fraser Egyetem kanadai és a dán Aarhus Egyetem fiziológusainak és zoológusainak egy csoportja részletesen tanulmányozta ezeket a paramétereket a zsiráf hátsó végtagjai mozgatásakor. Mivel a zsiráktól csaknem kétszer olyan hosszúak a végtagok, mint az azonos tömegű állatok, a szerzők azt sugallták, hogy az ideg és az izomrost mentén a jel továbbításához szükséges időnek is kétszeresnek kell lennie, feltéve, hogy a szálak mérete és száma az állatokban hasonlóak.

Az ingerre való reagáláshoz szükséges idő függ az úgynevezett reflex ív elemeinek számától. A reflex ív az idegimpulzusok útja, amelyet egy reflex gyakorlásában hajtanak végre; A reflex egy élő szervezet sztereotipikus reakciója az idegrendszer részvételével zajló ingerhez. Az egyik legegyszerűbb reflex ív a 3. ábrán látható. 1. A végtag végén lévő bőrreceptorok jelét az érzékszervi idegen keresztül továbbítják a gerincvelőhöz.A gerincvelőben a jel továbbadódik a motoneuronná, és a vázizomba megy, ennek következtében csökken. A neuromuszkuláris transzmisszió fiziológiájaként szokásos egy reflex ív egyes eseményeit leírni késleltetésként. Például ha egy receptort ingerként érzékelnek, ezt az időt érzékszervi késleltetésnek nevezik; Az idegimpulzus vezetése az érzéki ideg vagy motoneuron mentén, meghatározza a vezetés késleltetését, az idegimpulzus átadását a szinapszison keresztül az érzékelő neuronról a motoneuronra – szinaptikus késleltetésként.

Az izomösszehúzódás a membrán izomrostjának gerjesztésével, a szálon belüli akciós potenciál terjedésével és a keresztirányú hidak aktiválásával kezdődik – a miozin filamentumok aktinhoz való kötődése. Ezt az időszakot elektromechanikus késleltetésnek hívják. Ezután az izomban feszültség alakul ki az aktin és a miozin filamentumok egymáshoz viszonyított csúszása következtében. A feszültség kialakulását általában az izom hossza csökken. Ezt az időszakot az erő generálásának késleltetése jelenti.

Ábra. 1. A monoszinaptikus reflex szenzomotor késleltetésének forrásai a zsiráfban.A késleltetés a következő események miatt következik be: ingerérzékelés (érzékelési késleltetés), idegimpulzus-vezetés az érzéki idegben (idegvezetési késleltetés), idegimpulzus átvitel szinapszison át a gerincvelőhöz (szinaptikus késleltetés), idegvezetési késleltetés, impulzus átvitel egy motoros neuronról az izomrostokra (neuromuszkuláris kapcsolódási késleltetés), az izomszálon keresztül érkező impulzus (elektromechanikus késleltetés) és az izomerő (erő generációs késleltetés) generálása. Ábra a tárgyalt cikkből Journal of Experimental Biology.

Néhány felsorolt ​​késleltetés, például szenzoros vagy szinaptikus, nagyon rövid (néhány milliszekundum), és szinte elhanyagolhatóak, míg mások, például a szálakkal való késleltetés hosszabbak és tízmásodpercek. Az idegimpulzusok sebessége nagymértékben függ az állat méretétől. Minél nagyobb az állat, annál hosszabb az idegrost; annál hosszabb az idegrost, annál hosszabb ideig tart, hogy jelet tartson.

A reakció pontosságát az ideg- és izomrostok sűrűsége határozza meg a szervezetben. Ha az állat egységnyi területre több receptor ideggel rendelkezik, akkor pontosan meghatározhatja az irritáció forrását; és hasonlóképpen, ha több izomszál van, akkor az állat kisebb motoros képességeket fejleszthet.Így a reakció pontossága részben a test méretétől, vagy inkább a térfogatától függ. Ha két állatot hasonlítunk össze, amelyeknek a testhossza kétszer különbözik, akkor egy nagyobb állat térfogata nyolcszor nagyobb lesz, következésképpen nyolcszor annyi idegrostra lesz szüksége a szövetek beidegzéséhez.

Az állatoknak folyamatosan kompromisszumot kell találniuk a reakció gyorsasága és pontossága között, és ez a probléma súlyosbodik az állat méretének növekedésével. Az idegszálak mentén történő vezetés sebessége az átmérőtől függ: minél nagyobb az átmérő, annál gyorsabb a jel. De ha megnöveli a szálak átmérőjét, ez elkerülhetetlenül csökkenti a számukat, következésképpen a reakció pontosságának csökkenéséhez vezet. A tudósok becslése szerint, ha egy elefánt ugyanolyan pontossággal és gyorsasággal reagál, mint egy csillogás, akkor az ülőidegének átmérője körülbelül 30 méter!

A stretch reflex zsiráfban való vizsgálata során a szerzők megmérték az idegi jel sebességét az ülőideg mentén, amely a gastrocnemius izomát idézi (2. Az idegesség ösztönzésével elektromiogramot (elektromos izomaktivitást, EMG) lövelltek.Ezenkívül maga a gastrocnemius izomzat elektromosan stimulálja az izom által kifejlesztett erőt. Az elektródákat anesztézia alatt állatokba implantálták, a kísérlet során az állatot immobilizálták; A kísérlet során a pulzust, a vérnyomást, a rektális hőmérsékletet és a normális életaktivitás egyéb mutatóit is megfigyelték. Elektrofiziológiai kísérleteket követően az állatokat sajnos megölték, mert szövettani vizsgálatokra volt szükség – a szerzők a szálak számát és méretét tekintették az ülőidegben. A szerzők hangsúlyozzák, hogy mind a nyolc, a tanulmányhoz használt állatot egy sor szakember tanulmányozta, akik teljesen más projekteken dolgoztak. Számunkra továbbra is megnyugtató az a tény, hogy a zsiráfok teljes mértékben szolgáltak a tudománynak.

Ábra. 2. Az idegi jel sebességének mérése. A – az ülőideg stimulálását két ponton végeztük, amit bemutatunk kék és kék nyilak. A stimulációra adott választ elektromiogrammal (EMG) határoztuk meg, amelyet eltávolítottunk a borjú izomzatából (fekete nyíl). B – két EMG példája, melyet az ülőideg stimulálásának eredményeként kaptunk két ponton.A jel sebessége a stimuláló elektródok (Δd) közötti távolsággal lett kiszámítva, osztva az ideg két pontján (Δt) a stimulációra adott válaszok közötti különbséggel. Ábra a tárgyalt cikkből Journal of Experimental Biology

Mit mutattak a kísérletek? Az ülőidegben a jel sebessége átlagosan 50 m / másodperc volt. Összehasonlításképpen, a patkányokban az impulzusok átlagos sebessége 59 m másodpercenként, vagyis a jel sebessége a zsiráfban és a patkányban közel azonos. Mennyi időbe telik, amíg a jel továbbadja a bőr receptorokat az érzékelési ideg mentén a gerincvelőig? A számítások azt mutatják, hogy ez a távolság (közepes méretű zsiráf esetében 2,3 méter), az impulzus 46 ms. Ez az érték nagyobb, mint más szárazföldi emlősöké.

A vizsgálat eredményei azt is mutatják, hogy az elektromechanikus késleltetés (az izomszövetben lévõ impulzus vezetése) és az erõ generálásának késleltetése nagyobb a zsiráfokban, mint a kisebb állatoknál. Az elektromechanikus késleltetés háromszor nagyobb volt, mint a patkányé, és az erő generálásának késleltetése körülbelül kétszer akkora volt, mint a patkányé. A kapott kísérleti adatok alapján a szerzők számolják ki, hogy a zsiráf milyen gyorsan képes reagálni a talaj egyenetlenségére.A gastrocnemius ín receptorainak stimulálásakor a reflex reakciója körülbelül 100 ms-ot vesz igénybe. Ezen idő mintegy 4% -a érzékeli az érzékszervi és a szinaptikus késéseket, 16% az izom idegvezetésén keresztül, 22% a szenzoros idegi jelvezetéshez, 13% az izomrost mentén történő jelvezetéshez, majd 45% (3.

Ábra. 3. A külső ingerre adott válasz különböző összetevőinek időtartamát ábrázoló diagram, például a borjú ín fújása. Fekete görbék – elektromiogram (EMG) és izomerő (erő). 1 – az inger észlelése (érzékelési késleltetés), 2 – idegimpulzusok vezetése az érzékszervi és a motor idegei mentén (szenzoros idegvezetési késleltetés, motor idegvezetési késleltetés), 3 – idegimpulzusok átadása a szinapszison keresztül a gerincvelőhöz (szinaptikus késleltetés), 4 – impulzus átvitel a motoros neuronoktól az izomrostokig (neuromuszkuláris kapcsolódási késleltetés), 5 – impulzusvezetés az izomrost mentén (elektromechanikus késleltetés), 6 – izomerő kifejlesztése (erő generációs késleltetés). Ábra a tárgyalt cikkből Journal of Experimental Biology

A zsiráfban az ülőidegben lévő axonok száma megközelítőleg 100 000. Összehasonlításképpen ez a szám 4000 egy egérben és 23 500 egy kutyában. Ha figyelembe vesszük a rostok számának és a test méretének arányát, a zsiráf beleillik a vizsgált állatok sorába.De ha figyelembe vesszük a rostok és a testtömeg arányát, akkor más képet kapunk. Ha a zsiráfnak ugyanakkora rostjai vannak, mint a patkány, akkor több mint 5,6 millió szálat kell az ülőidegben, vagyis 50-ször többet, mint amit a szövettani eredmények alapján mérnek.

Tehát, ahogy azt a szerzők javasolják, a zsirátaknak több időre van szükségük ahhoz, hogy a jelet továbbítsák, mint a kisebb állatok. Ráadásul a zsiráfok kevesebb reakció pontossággal rendelkeznek, mint a kisebb állatok. Ez azt jelenti, hogy a giraffák kevésbé pontosan és pontosan érzékelik a bőrre ható ingereket és válaszolnak rájuk. De ez nem akadályozza meg őket abban, hogy sikeresen túlélhessék az afrikai savannákat és versenyezzenek más állatokkal.

Forrás: Heather L. More, Shawn M. O'Connor, Emil Brøndum, Tobias Wang, Mads F. Bertelsen és mtsai. Sensorimotor reakcióképesség és felbontás a zsiráfban // A Journal of Experimental Biology. 2013. V. 216. P. 1003-1011.

Varvara Vedenina


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: