克里斯·麦克奈特
海洋哺乳动物研究单位(SMRU)，圣安德鲁斯大学苏格兰海洋研究所，法夫KY16 8LB，英国。电子邮件:(电子邮件保护)
像海豹、海豚、水獭、海龟和企鹅这样的潜水动物，当我们回到进化的家园——海洋时，和我们人类有着同样的生理限制。如果你把头埋在水下，最明显的限制当然是无法呼吸和随之而来的进行性窒息。动物在哪里度过大部分时间和在哪里呼吸之间的划分对潜水动物的生理能力产生了重大影响。把像海豹这样的潜水动物视为“只是偶尔短暂地进入‘我们的世界’呼吸的水下动物”是很重要的。它们不是“来自‘我们的世界’的定期潜入水下的动物”。这不仅仅是语义上的区别。相反，有必要从上下文中理解潜水动物的生理和生活方式之间的关系。
让像海豹这样的潜水员适应这种截然不同的生活方式的一个基本生理先决条件是更大的全身氧气储存量。然而，单靠更多的氧气储备并不能造就一个完美的潜水员。潜水时心血管的一系列反应有助于减少氧气的消耗，这些反应被称为“潜水反应”，是精英潜水生理学的重要组成部分。潜水反应最典型的特征是心率降低，即心动过缓。仅仅降低心率并不能降低耗氧量。相反，心率的降低伴随着血液在身体周围的重新分配，因此流向身体某些部位(如皮肤、四肢和某些器官)的血液减少。这是潜水反应的组成部分，它真正地保存了氧气。从本质上讲，这是通过减少向身体某些部位输送血氧来实现的，否则这些部位会消耗和消耗氧气储备。相反，潜水反应有助于确保保存并将充满氧气的血液输送到优先器官，其中大脑当然是最优先考虑的。任何一个经历过中风的人，或者一看到针就晕倒的人，都非常清楚大脑血氧供应中断的极端影响。 The associated reduction in heart rate that goes along with blood redistribution during diving avoids a precipitous rise in blood pressure.
虽然这种血液再分配成分是促进潜水反应的基本“工具”，但令人惊讶的是，我们对潜水动物的血液再分配知之甚少。在很大程度上，这是由于缺乏非侵入性和可穿戴技术来测量血液再分配的变化，以及已知的来自动物被迫非自愿潜水的致命实验。由于潜水动物的天性——它们既会潜水又会游泳——这意味着技术必须是可穿戴的、非侵入性的，这样才能部署在动物身上，让它们自由选择潜水和游泳;因为在这种自愿自由潜水的状态下，我们可以了解心血管系统的真正动态，并了解潜水动物如何利用它们的环境来管理它。基本上，我们想做的是让动物告诉我们他们的生理“故事”，而不需要我们干预，当然也避免不道德或侵入性的手术。一项提供对血液再分配的深入了解的技术是显著的非侵入性、可穿戴的近红外(NIR)光谱光学技术。半岛综合体育官方APP下载德甲近红外光半岛综合体育官方APP下载德甲谱利用与皮肤接触时发出的光来测量皮下组织的血容量和氧合(图1)。这两个指标为自愿潜水海豹的血液再分配动力学提供了一个引人注目的新见解。
图1所示。三个发光二极管(B)在与探测器(A)的不同距离处发出含氧和脱氧血红蛋白波长的光。在到达与海豹皮肤接触的探测器(A)之前，光穿过底层组织。增加led和检测器之间的距离可以在底层组织中提供不同的光学穿透深度。根据知识共享署名许可从参考资料1复制。
在自动潜水密封装置上安装光学光谱设备半岛综合体育官方APP下载德甲远非一个简单的技术步骤，需要进行一些重要的机械调整。两个关键的适应是浸泡设备和使其适合连接到密封。从商用近红外系统(Artinis PortaLite-mini, Artinis Medical Systems BV, Einsteinweg, Netherlands)开始，我们使用了经常用于容纳一套现有动物携带仪器的灌封技术，这些仪器部署在从北极到南极的深潜海豹身上。2传感器体被安置在一个铝制外壳内，带有一个可拆卸的o形圈密封盖，提供防水和耐压功能，但也使系统坚固耐用，我们期望在非驯养动物身上使用系统。传感器头部的发光二极管、光电二极管接收器和印刷电路板(pcb)被封装在光学不透明的聚甲醛外壳中，外壳中填充了光谱透明的环氧树脂。为了确保环氧树脂封装电子器件，但不覆盖光电器件上的光学窗口，传感器头部被固定在定制的硅胶模具中。这使得内部组件被环氧树脂填充和防水，但确保外部表面和led保持暴露，以避免影响led的基本光学性能。
为了将系统连接到密封上，我们结合了现有的密封仪器实践，并开发了专门用于密封载近红外光谱的新型连接方法。半岛综合体育官方APP下载德甲像许多海豹携带的装置一样，传感器体用强力胶粘在海豹的皮毛尾端和头骨底部。传感器头必须在光学元件和皮肤之间提供接触，因此需要一种新的附着方法。一小部分皮毛被移除到皮肤的水平，这提供了一个无皮毛的光学窗口。在这个暴露皮肤的窗口周围，一个3D打印的传感器头支架粘在海豹的皮毛上，将光学元件固定在无皮毛的窗口上，并为光学元件对皮肤提供轻微的正压。
该研究的中心重点是测试近红外光谱作为动物传播工具的功效。半岛综合体育官方APP下载德甲因此，基本的技术和依恋问题，以及如何克服这些问题，是研究范围的中心。考虑到这一点，以及这项技术的新应用，我们不得不依赖于海豹组织和血红蛋白的光学特性与人类相同的假设，因为这一信息尚未发表。也就是说，这些假设有生物学上的相关基础。首先，圣安德鲁斯大学物理系的初步工作表明，从刚死的动物(皮肤和脂肪)中提取的海豹组织的光学特性与已发表的人类皮肤和脂肪组织的光学特性相同。同样，公布的数据3.在北象海豹血红蛋白的光学特性上显示了与牛、羊和其他多种哺乳动物(包括人类)相同的吸收峰。
在自愿潜水的幼海豹(英国海豹的两种之一)上部署了海洋近红外系统，见图2。从收集的近红外数据中，我们第一次能够捕捉到我们不知道海豹拥有的心血管控制水平，坦率地说，我们根本不知道它的存在。具体来说，我们发现在海豹中，潜水反应的血液再分配部分是在某种程度上的认知控制下的，而不是刺激的结果，比如面部浸泡或呼吸停止，这在其他动物和人类中是激活的。我们发现海豹在每次潜水前15秒左右就开始将血液从周围组织(在这种情况下是脂肪和皮肤)中移走。这使得海豹可以为潜水做准备，在潜水前进入氧气保护状态，这样当它们潜水时，它们就不会在潜水的早期阶段“浪费”氧气。如果你像海豹一样，把90%的时间花在海上潜水上，那么这些看似微不足道的节省累积起来，在数小时、数天、数周、有时甚至数月的海上潜水中，会节省很多钱——尤其是像海象那样，每次潜水2公里，每次潜水2小时。从这个意义上说，对血液在体内流动的认知控制的发现很有意义，特别是考虑到对心率的认知控制已经在海豹身上得到证实。海豹已经被证明能够根据指令降低心率，并且在接下来的潜水中预期的持续时间内降低心率。有趣的是，当海豹打算进行更长时间的潜水时，心率的降低幅度更大，并且与预期的潜水时间相当吻合。
图2。斑海豹(Phoca vitulina)。图片:Monica Arso Civil和SMRU
近红外光半岛综合体育官方APP下载德甲谱技术可以提供一种新的工具来了解在海上自主活动的潜水哺乳动物的生理包络。动物携带的仪器是生态学的基本工具，它提供了对行为、运动和环境的洞察，而这些是通过标准观察技术无法测量的。然而，我们对潜水哺乳动物生理学的理解落后于我们对行为的理解几十年。然而，对于那些必须屏住呼吸才能在环境中生存的动物来说，它们如何管理氧气对于理解人类活动对海洋的影响和反应至关重要。近红外光谱的非侵入性和小型特性使其成为整合现有动物传播技术的理想工具。半岛综合体育官方APP下载德甲
致谢
我要感谢SMRU仪器集团的Steve Balfour和Sean McHugh开发了海洋化系统。Simon Moss, Ryan Milne和Matt Bivins开发了依恋方法论。感谢参考文献1的每一位合著者。
参考文献
- J.C. McKnight, K.A. Bennett, M. Bronkhorst, D.J.F. Russell, S. Balfour, R. Milne, M. Bivins, S.E.W. Moss, W. Colier, A.J. Hall和D. Thompson，“利用可穿戴近红外光谱研究哺乳动物潜水生理学”，半岛综合体育官方APP下载德甲公共科学图书馆杂志。17 (6),e3000306(2019)。https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000306
- SMRU仪器．http://www.smru.st-andrews.ac.uk/Instrumentation/Overview/
- M.S. Tift, P.J. Ponganis和D.E. Crocker，“海洋哺乳动物北象海豹的碳氧血红蛋白升高”，J.实验生物学。217年,1752 - 1757(2014)。https://doi.org/10.1242/jeb.100677
