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Buceo profundo en mamíferos

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Los mamíferos como las focas suelen bucear y pueden permanecer bajo el agua durante más de 70 minutos.

¿Cómo saben las focas cuándo es el momento de subir?


Imagino que su respiración está controlada de la misma forma que la nuestra. Durante una inmersión, se consumirá oxígeno y se producirá dióxido de carbono, que se disolverá en la sangre como bicarbonato y tenderá a disminuir el pH de la sangre.

Los quimiorreceptores periféricos del sistema circulatorio detectan todos estos cambios y señalan la necesidad de respirar. Esto le diría a la foca que es hora de dirigirse a la superficie.

Los mamíferos buceadores tienen varias adaptaciones para el buceo prolongado, lo más importante son grandes depósitos de sangre que contienen hemoglobina que se oxigena antes de una inmersión, así como altas concentraciones de mioglobina en el músculo que también puede actuar como un depósito de oxígeno.


Los humanos se enferman al bucear en el océano, pero esta es la razón por la que los delfines no lo hacen

Por si necesitabas otra razón para estar celoso de los delfines.

Desde Flipper cautivó al público en la pantalla grande, nos han fascinado los delfines. Y una de las cosas más fascinantes de este mamífero marino es su capacidad para sumergirse profundamente en el océano.

Un nuevo estudio publicado el martes en Fronteras en fisiología arroja luz sobre cómo el delfín logra esta notable hazaña.

Tiempo de entrenamiento - En el estudio, los investigadores entrenaron a tres delfines mulares machos (Tursiops truncatus) para responder a tres señales manuales diferentes. Cada señal indicaba un intervalo de tiempo diferente en el que el delfín debía contener la respiración.

`` Al acondicionar o entrenar a los delfines para asociar tres señales diferentes a tres tipos de señales, con el tiempo, los delfines las asocian con las diferentes tareas de contener la respiración durante mucho tiempo, contener la respiración brevemente y contener la respiración, pero siempre que como quieras ”, comenta Andreas Fahlman, autor principal del estudio y director de la Fundación Oceanogràfic. Inverso.

Los investigadores les hicieron señas a los delfines aproximadamente entre 5 y 10 segundos antes de que se sumergieran, y cambiaron regularmente las señales entre inmersiones.

Los delfines parecen poder ajustar su frecuencia cardíaca en consecuencia, dependiendo del tipo de inmersión que señalaron los investigadores.

"Demostramos que hay una conexión entre lo que les pedimos que hagan y luego se preparan de manera diferente si les pedimos inmersiones largas o cortas", dice Fahlman.

"Lo que mostramos es que ambos tienen una frecuencia cardíaca más baja y una caída más rápida en la frecuencia cardíaca, y este [estudio] muestra que pueden variar su caída en la frecuencia cardíaca según la condición".

Al reducir su frecuencia cardíaca, los delfines evitan la típica enfermedad por descompresión, o las "curvas" que encuentran los buzos humanos cuando descienden a las profundidades del mar y enfrentan una presión de agua que aumenta rápidamente.

Cómo funciona - En un estudio anterior, el mismo equipo de investigadores estableció la hipótesis del Intercambio Selectivo de Gas, que explica cómo los mamíferos marinos, como los delfines, conservan oxígeno y evitan la enfermedad por descompresión.

"[La teoría] propuso que al manipular la cantidad de sangre que se dirige a los pulmones y a qué región del pulmón" los animales pueden "seleccionar qué gas intercambiar", dice Fahlman.

"Por lo tanto, aún pueden absorber oxígeno, eliminar el dióxido de carbono y evitar el intercambio de nitrógeno", la causa de la enfermedad por descompresión en los seres humanos.

Al observar las diferentes frecuencias cardíacas de los delfines en cada tipo de apnea, los científicos demuestran cómo la "respuesta de inmersión" única del delfín no es meramente un reflejo, sino un activo respuesta.

"Se supone que la llamada" respuesta de inmersión "es un reflejo. Como tal, debería ocurrir cada vez que un animal se zambulle, y debería ser más o menos lo mismo ”, dice Fahlman. "Lo que mostramos es que la respuesta de inmersión no es un reflejo y, con esta gran variación en las respuestas, pueden decidir hasta qué punto cambian la frecuencia cardíaca durante una inmersión".

Pero no está del todo claro si los delfines son conscientes de responder de esta manera a nivel cognitivo.

"Estamos tratando de evitar el mundo voluntario, cognitivo o consciente, ya que, actualmente, tal sugerencia no tiene evidencia", dice Fahlman. & quot

No hay evidencia anatómica o estructura similar a otras respuestas que son voluntarias, por ejemplo, la respiración. & quot

Una lección para los buceadores humanos - La capacidad de regular la frecuencia cardíaca y soportar la compresión de aguas profundas es esencial para la supervivencia de los delfines. Pero los humanos también amenazan a los delfines con nuestros ruidos artificiales, como las explosiones producidas durante las excavaciones petroleras submarinas.

Las explosiones estresan a los delfines. Y de acuerdo con la hipótesis del intercambio selectivo de gases, el estrés afecta la capacidad de estos animales para regular su frecuencia cardíaca en inmersiones largas.

"Cuando está estresado, esta capacidad de decidir la frecuencia cardíaca probablemente ya no funciona para ayudar a reducir el riesgo de enfermedad por descompresión o curvas", dice Fahlman.

Al comprender el efecto que tiene el estrés en la regulación de los latidos del corazón de los delfines, podemos modificar nuestras acciones en consecuencia para minimizar el daño, dice Fahlman. Por ejemplo, en lugar de explosiones repentinas, podríamos producir ruidos que aumentan gradualmente durante las exploraciones submarinas.

Los datos también tienen implicaciones para otras especies de mamíferos marinos.

"Estos datos son importantes, ya que muestran que es probable que esta capacidad exista en más especies de cetáceos", dice Fahlman.

Aunque los delfines viven en el agua y los humanos en la tierra, hay mucho que podemos aprender de nuestros amigos marinos.

"Si la hipótesis del Intercambio Selectivo de Gases es correcta, entonces sería difícil ver cómo esto podría ayudar directamente a los humanos", dice Fahlman. "Sin embargo, una mejor comprensión [de] cómo [los delfines] han encontrado formas de reducir el riesgo puede resultar en mecanismos alternativos que podrían conducir a resultados similares", dice.


Arritmias cardíacas detectadas en mamíferos marinos de buceo profundo

Foca de Weddell en la Antártida. Los investigadores estudiaron la frecuencia cardíaca de las focas durante inmersiones profundas bajo el hielo marino de la Antártida. Crédito: Peter Rejcek, NSF

Un nuevo estudio de delfines y focas muestra que, a pesar de sus notables adaptaciones a la vida acuática, hacer ejercicio mientras contiene la respiración sigue siendo un desafío fisiológico para los mamíferos marinos. El estudio, publicado el 15 de enero en Comunicaciones de la naturaleza, encontró una frecuencia sorprendentemente alta de arritmias cardíacas en delfines mulares y focas de Weddell durante las inmersiones más profundas.

Durante mucho tiempo se ha entendido que la respuesta normal al buceo en los mamíferos marinos implica una reducción marcada en la frecuencia cardíaca (llamada bradicardia) y otros cambios fisiológicos para conservar las reservas limitadas de oxígeno mientras los animales que respiran aire están bajo el agua. Sin embargo, no está claro cómo los mamíferos marinos hacen frente al esfuerzo necesario para perseguir a sus presas en profundidad, ya que la respuesta fisiológica normal al ejercicio es un aumento de la frecuencia cardíaca (llamado taquicardia). El nuevo estudio muestra que estas señales en conflicto al corazón pueden conducir a arritmias cardíacas, dijo la autora principal, Terrie Williams, profesora de ecología y biología evolutiva en UC Santa Cruz.

"Este estudio cambia nuestra comprensión de la bradicardia en los mamíferos marinos", dijo Williams. "El corazón recibe señales contradictorias cuando los animales se ejercitan intensamente en profundidad, lo que suele suceder cuando comienzan su ascenso. No estamos viendo arritmias letales, pero está poniendo al corazón en un estado inestable que podría hacerlo vulnerable a problemas. . "

En lugar de un solo nivel de frecuencia cardíaca reducida durante las inmersiones, los investigadores encontraron que la frecuencia cardíaca de los animales buceadores variaba tanto con la profundidad como con la intensidad del ejercicio, alternando a veces rápidamente entre períodos de bradicardia y taquicardia. Las arritmias cardíacas ocurrieron en más del 70 por ciento de las inmersiones profundas.

"Tendemos a pensar que los mamíferos marinos están completamente adaptados a la vida en el agua. Sin embargo, en términos de respuesta al buceo y frecuencia cardíaca, no es un sistema perfecto", dijo Williams. "Incluso 50 millones de años de evolución no han podido hacer que la respuesta básica de los mamíferos sea impermeable a los problemas".

El conflicto entre la bradicardia inducida por el buceo y la taquicardia inducida por el ejercicio involucra dos circuitos neuronales diferentes que regulan la frecuencia cardíaca, dijo. El sistema nervioso simpático estimula el corazón durante el ejercicio, mientras que el sistema nervioso parasimpático controla la desaceleración de la frecuencia cardíaca durante la respuesta de inmersión.

Los nuevos hallazgos tienen implicaciones para los esfuerzos por comprender los eventos de varamientos que involucran a mamíferos marinos que se sumergen profundamente, como los zifios. Los autores señalan que los comportamientos asociados con anomalías cardíacas en este estudio (mayor esfuerzo físico, buceo profundo y ascenso rápido desde la profundidad) son los mismos que los involucrados en la respuesta de vuelo de los zifios y las ballenas azules expuestas al ruido del envío y sonares de frecuencia.

"Este estudio no dice que estos animales que se sumergen profundamente morirán si se ejercitan mucho en profundidad", dijo Williams. "Más bien, plantea preguntas sobre lo que sucede fisiológicamente cuando los buzos extremos son molestados durante una inmersión, y necesita más investigación".

Los hallazgos del estudio también pueden ser relevantes en humanos, dijo. La respuesta o reflejo de inmersión de los mamíferos, aunque más pronunciada en los mamíferos marinos, también ocurre en humanos y otros animales terrestres y se activa cuando la cara entra en contacto con agua fría. Un estudio de 2010 de triatlones encontró que el segmento de natación de los triatlones de agua fría representa más del 90 por ciento de las muertes en los días de carrera. "Puede ser que las mismas señales contradictorias que vimos en delfines y focas estén causando arritmias en algunos triatletas", dijo Williams. Actualmente está trabajando con grupos de triatlón para ayudar a mitigar estos problemas durante las carreras.

Para realizar el estudio, los investigadores desarrollaron un dispositivo de monitoreo para registrar la frecuencia cardíaca, la frecuencia de los golpes de natación, la profundidad y el tiempo durante las inmersiones de delfines mulares entrenados que bucean en piscinas o aguas abiertas, así como focas de Weddell en libertad que nadan bajo el hielo. en McMurdo Sound, Antártida. Williams dijo que los animales generalmente usaban modos de natación de baja intensidad tanto como era posible durante las inmersiones. Al cazar peces bajo el hielo, las focas de Weddell alternaban entre deslizamientos fáciles y breves persecuciones en busca de presas. Este comportamiento pareció permitir a los mamíferos marinos evitar conflictos cardíacos y arritmias asociadas durante la caza.


Capítulo 4: Adaptaciones de mamíferos marinos para el buceo

Los mamíferos, por regla general, respiran aire de sangre caliente, y eso no es ideal para las condiciones de las profundidades marinas. Los pulmones llenos de aire son fácilmente aplastados por la presión de cien metros o más, exprimiendo el oxígeno que contenían. El agua tiene un calor específico alto y cualquiera que haya realizado & # 8220 una inmersión polar & # 8221 con fines benéficos sabe lo rápido que puede eliminar el calor de un animal de sangre caliente. Sin embargo, los mamíferos marinos han prosperado en el océano y han desarrollado adaptaciones que les permiten sumergirse a profundidades extraordinarias. Así es como lo hacen.

Los problemas de profundizar

Presión aumenta en una atmósfera por cada diez metros que desciende al océano. Al nivel del mar, experimentamos 14,7 libras de presión en cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo. Sin embargo, el agua de mar es mucho más densa y cuanto más se baja, mayor es la presión. La presión no afecta los tejidos llenos de líquido, pero reduce inmediatamente el volumen de los espacios llenos de aire. Tú y yo podemos sentir presión en los senos nasales llenos de aire de nuestra cara mientras nos sumergimos en el fondo de una piscina (unos tres metros). Un mamífero marino buceador tendrá todo el aire expulsado de sus pulmones en unas pocas docenas de metros. . La presión también aumenta la velocidad a la que los gases se disuelven en las porciones líquidas de nuestra sangre. Si un mamífero marino buceador intenta regresar a la superficie subiendo demasiado rápido, esos gases disueltos pueden formar burbujas que se alojan en los vasos sanguíneos de órganos críticos, creando una condición llamada enfermedad por descompresión o & # 8220 las curvas & # 8221. esta condición se dobla debido al intenso dolor articular que podría causar. Las curvas pueden ser debilitantes y mortales no solo en las personas, sino también en los mamíferos marinos. Haga clic para leer más sobre las curvas.

Consumo de oxigeno puede convertirse en un problema para usted y para mí en menos de un minuto si se le priva de nuevo oxígeno. Intente apretar la nariz y contener la respiración & # 8211 ¿cuánto tiempo puede durar? minutos.

Narcosis por nitrógeno. El aire es un 70% de nitrógeno, pero en condiciones atmosféricas normales casi nada se disuelve en nuestra sangre. Eso es bueno, porque cuando lo hace, puede causar una condición similar a la de un borracho llamada narcosis por nitrógeno. Bajo presiones más altas, mayores niveles de nitrógeno pueden disolverse en la sangre de un animal buceador y eventualmente volverse tóxico. Puede conducir a un juicio deteriorado y eventualmente a la muerte. La narcosis por nitrógeno típicamente limita a los buceadores que respiran aire a profundidades de cien pies o menos. Cualquier persona que bucee más allá de eso normalmente usa una mezcla de gas con menos nitrógeno.

El mar esta frio. Incluso en los trópicos, las temperaturas del agua del océano por debajo de los 200 metros se acercan al punto de congelación. Los mamíferos de sangre caliente necesitan mantener una temperatura corporal constante para sobrevivir. Además, la alta capacidad calorífica del agua puede eliminar el calor del cuerpo casi veinte veces más rápido que el aire.

Los cuerpos de los mamíferos flotan. ¿Alguna vez has intentado nadar hasta el fondo de una piscina? Se necesita mucho trabajo. Eso es porque el aire y la grasa en la mayoría de los tejidos de los mamíferos nos hacen flotar.

William Beebe y Otis Barber en la batisfera. Este primer sumergible de buceo profundo verdadero era poco más que una bola de acero unida a una línea gruesa, imagen de Wikipedia.

Cómo los humanos se adaptan a estos problemas

  1. Presión:La presión normalmente limita a los buceadores a menos de treinta metros. Los submarinos utilizan contenedores cerrados de acero y titanio con forma esférica con ventanas pequeñas y gruesas para resistir el aumento de la presión.
  2. Oxígeno: Los buceadores utilizan aire comprimido u otras mezclas de gases almacenadas en contenedores de robo.
  3. Narcosis por nitrógeno y enfermedad por descompresión: Los buzos siguen estrictas tablas de buceo con ascensos y descensos lentos. Los buzos que experimentan narcosis por nitrógeno o la enfermedad por descompresión pueden tener que pasar tiempo en cámaras de descompresión especializadas.
  4. El frío: Los buceadores usan trajes de neopreno grueso o trajes secos aislados.
  5. Flotabilidad: Los buzos usan pesos de plomo en sus cinturones y los sumergibles pueden tener miles de libras de pesos de plomo adheridos al submarino para ayudarlos a hundirse.

Adaptaciones de mamíferos marinos

El cachalote, que se ve en el diagrama de arriba, es el campeón de buceo de los mamíferos marinos. Los cachalotes pueden permanecer bajo el agua por más de 90 minutos y bucear a profundidades de casi 10,000 pies. Tiene una extraordinaria variedad de adaptaciones que le permiten bucear tan profundo. Todos los mamíferos marinos pueden realizar inmersiones profundas en comparación con los seres humanos. Así es como lo hacen.

Los elefantes marinos se sumergen a profundidades extraordinarias. Imagen de Wikipedia

Problema 1: presión

Si te sumerges hasta el fondo de una piscina, lo primero que notarás es que te duelen los oídos. Esto se debe a la diferencia de presión entre el aire de los oídos y el agua. El aire (como gas) se puede comprimir, mientras que el agua (como líquido) no. Al nivel del mar, un cuerpo experimenta 14,7 libras por pulgada cuadrada de presión (1 atmósfera). Para un mamífero marino buceador, se agrega otra atmósfera de presión cada diez metros que descienden. Por lo tanto, un elefante marino macho que se zambulle a 1.000 metros experimenta 100 veces la presión que experimentaría en la superficie.

A lo largo del tiempo evolutivo, la mayoría de los mamíferos marinos han perdido sus oídos y senos nasales externos. Sin orejas llenas de aire, un mamífero marino buceador no sufre los efectos del cambio de presión. Los leones marinos y los lobos marinos tienen orejas. Durante una inmersión, sus oídos se llenarán de un líquido sanguinolento, lo que obligará a salir el aire.

Los seres humanos almacenan oxígeno principalmente en sus pulmones que en cualquier otro lugar. En preparación para contener la respiración, tendría sentido que primero respire profundamente. Para los mamíferos marinos buceadores, esto presenta dos problemas. Primero, el aire es flotante, lo que dificulta el buceo. En segundo lugar, como se mencionó anteriormente, el aire se comprime fácilmente, lo que conduce a un posible colapso de los pulmones. La mayoría de los mamíferos marinos tienen pulmones que pueden colapsar y volver a inflarse fácilmente. Suelen ser largos y tubulares con anillos protectores incorporados para mantener las válvulas abiertas. Además, los mamíferos marinos tienden a exhalar justo antes de bucear. Tienen pulmones muy musculosos y eficientes que pueden exhalar hasta el 90% del aire de sus pulmones en cualquier respiración (un humano atlético puede hacerlo alrededor del 10%). Por lo tanto, al eliminar el aire de su cuerpo, un mamífero marino buceador ha muy pocos problemas con el cambio de presión. Sin aire, no hay problema.

La frecuencia cardíaca de una foca de Weddell buceando. Imagen de Alaska Sea Grant, usada con permiso

Problema 2: Almacenamiento de oxígeno

Entonces, si los mamíferos marinos exhalan antes de bucear, ¿cómo obtienen sus músculos el oxígeno que necesitan para trabajar? La respuesta es que almacenan oxígeno en la sangre y en los músculos en lugar de en los pulmones. Los mamíferos marinos tienen una proporción muy alta de volumen de sangre a cuerpo. Los mamíferos marinos también tienen un porcentaje más alto de glóbulos rojos que la mayoría de los mamíferos (humanos = 36%, focas = 50%). En comparación, esto hace que su sangre sea muy espesa y viscosa, pero mucho más hábil para el almacenamiento de oxígeno. Los mamíferos marinos también tienen una alta concentración de hemoglobina en la sangre y mioglobina en los músculos. Ambas moléculas tienen una alta afinidad por los átomos de oxígeno y se utilizan para almacenar oxígeno en el tejido corporal. Haga clic en el enlace para ver cómo los campeones humanos del buceo libre se enfrentan a los mamíferos marinos en las inmersiones en aguas profundas.

El reflejo de buceo de los mamíferos permite a los mamíferos reducir su frecuencia cardíaca y, en última instancia, sobrevivir a la inmersión en el agua durante períodos de tiempo prolongados. La bradicardia, como también se la conoce, se desencadena por el contacto del agua fría con los nervios de la cara. Ocurre en todos los mamíferos, pero en mucha mayor medida en los mamíferos marinos. Se ha medido que las focas de Weddell reducen su frecuencia cardíaca a tan solo cuatro latidos por minuto cuando se sumergen en agua fría.

Al hacer ejercicio, decimos que cuando los humanos se han quedado sin oxígeno se han vuelto anaeróbicos. Esto significa que las células musculares no tienen suficiente oxígeno para descomponer el azúcar a través de la respiración aeróbica. Esto es muy agotador para los músculos y provoca dolor y fatiga. En los mamíferos marinos, la mayoría de los órganos del cuerpo parecen cambiar a la respiración anaeróbica durante el buceo sin sufrir los mismos efectos nocivos. Todavía no sabemos exactamente cómo lo hacen.

Se muestra una foca de Weddell con una etiqueta de profundidad de temperatura de conductividad de la Unidad de Investigación de Mamíferos Marinos en la Antártida de McMurdo Sound. Fotografía de Dan Costa. Imagen de Actionbioscience.org

Problema 3: Enfermedad por descompresión y narcosis por nitrógeno

Los mamíferos marinos realizan inmersiones profundas con regularidad y regresan a la superficie muy rápidamente. Entonces, ¿por qué no tienen problemas con las curvas? Es simple, exhalan antes de sumergirse. Sin aire no hay problema. Además, muchos mamíferos marinos tienen un extenso & # 8220net & # 8221 de vasos sanguíneos que alimentan su cerebro. Se conoce como & # 8220retia mirabilia, & # 8221 y probablemente tenga varias funciones, pero una de ellas es capturar las burbujas que pueden formarse en el torrente sanguíneo. & # 8220Hasta hace poco, el dogma era que los mamíferos marinos tienen adaptaciones anatómicas, fisiológicas y de comportamiento para hacer que las curvas no sean un problema & # 8221, dijo el director de MMC, Michael Moore. & # 8220No hay evidencia de que los mamíferos marinos se doblen de forma rutinaria, pero una mirada a los estudios más recientes sugiere que están evitando activamente en lugar de simplemente no tener problemas con la descompresión. & # 8221 & # 8211 Instituto Oceanográfico Woods Hole.

Problema 4: El frío

Muchos buzos humanos han conocido el dolor y la incomodidad asociados con tener un pequeño agujero en su traje de neopreno durante una inmersión en agua fría. El agua disipa el calor del cuerpo mucho más rápido que el aire. Una persona que cae al agua cerca del punto de congelación sufrirá hipotermia en unos pocos minutos, sin embargo, los mamíferos marinos se sumergen a profundidades donde las temperaturas se acercan al punto de congelación.

La forma más obvia de que los mamíferos marinos se mantengan calientes es que tienden a ser grandes y más bien & # 8220 en forma de salchicha & # 8221. Esta forma les da una relación de superficie a volumen baja. Por unidad de volumen, hay menos piel expuesta al agua fría en movimiento. Los mamíferos marinos también tienen mucha sangre en relación con el tamaño de su cuerpo. El agua tiene una alta capacidad calorífica y hace un buen trabajo manteniendo la temperatura corporal. La mayoría de los mamíferos marinos tienen una capa gruesa de grasa conocida como & # 8220blubber & # 8221. Esta capa de grasa también sirve como almacenamiento de calorías para los mamíferos marinos que se someten a largos períodos de ayuno. Los mamíferos marinos más pequeños tienden a tener capas de piel muy aisladas. El ejemplo extremo de esto es la nutria marina. La piel de la nutria marina tiene dos capas de grosor y es muy eficaz para atrapar el aire para ayudar en el aislamiento. Las nutrias marinas pueden tener hasta un millón de pelos por pulgada cuadrada. Eso es diez veces más pelos que el humano promedio en toda su cabeza.

ARKive Image .. Ballena de Groenlandia capturada por cazadores de subsistencia. (estas ballenas tienen hasta dos pies de grasa aislante)

Problema 5: Flotabilidad

Ninguna parte de un mamífero es más flotante que el aire en sus pulmones. Para los mamíferos marinos, la clave para reducir esta flotabilidad es exhalar antes de bucear. La extracción de oxígeno de los pulmones hace que los animales tengan una flotabilidad ligeramente negativa. Para ahorrar energía en el buceo, los mamíferos marinos a menudo se hunden en un & # 8220 estado de sueño & # 8221 durante el descenso de una inmersión larga. Esto solo es posible después de que los pulmones se hayan colapsado.

Campeones de buceo marino

  • araos de pico grueso & # 8211 que pesan solo una libra o dos, pueden bucear hasta 100 metros
  • elefantes marinos & # 8211 a 1500 metros, más de 60 minutos, pasan el 90% del tiempo buceando en el mar
  • pingüinos emperador & # 8211 hasta 500 metros
  • tortugas laúd & # 8211 hasta 1200 metros
  • Cachalotes de hasta 2032 metros, permaneciendo regularmente durante 90 minutos.
  • Cuvier & # 8217s zifios & # 8211 hasta 2992 metros, y permanecieron bajo el agua unas asombrosas 3 horas y 42 minutos.
  • para leer más, vaya a BBC: Extreme Divers Defy Explanation

Preguntas para la investigación

  1. El mero hecho de que existan mamíferos & # 8221marinos & # 8221 es un ejemplo extraordinario de evolución. Para ilustrar esto, describa algunas de las dificultades fisiológicas de ser el superhéroe Aquaman.
  2. Describe la adaptación desarrollada recientemente que ha permitido a la gente de Bajau convertirse en mejores buceadores. Sea específico sobre cómo es útil la adaptación.
  3. ¿Cómo lidian los mamíferos marinos con la presión extrema que encuentran en sus inmersiones? Si el texto anterior no es suficiente, consulte este excelente artículo de Scientific American.
  4. ¿Cómo lidian los mamíferos marinos con el almacenamiento de oxígeno? Puede ayudarlo a aprender lo que los científicos han descubierto recientemente sobre la mioglobina que se encuentra en los mamíferos marinos. que han extendido mucho sus inmersiones? Según lo que ha leído y escuchado hasta ahora sobre los mamíferos marinos, ¿hay coincidencias en el comportamiento entre los mamíferos marinos y los buceadores libres humanos?
  5. Examine el diagrama adjunto de una inmersión de alimentación típica de un rorcual común. ? Mire el patrón fluking (estos son los latidos de su cola). ¿Qué tan fuerte están nadando cuando se sumergen? ¿Qué tan fuerte están nadando cuando regresan a la superficie?
  6. Recientemente hemos aprendido que las ballenas buceadoras pueden contraer la enfermedad por descompresión (también conocida como The Bends). ¿Qué hemos aprendido y cómo podría la marina de los EE. UU. Poner en peligro a los mamíferos marinos?
  7. Lea la descripción del cachalote y explique cómo el órgano de los espermaceti puede ayudar a regular la flotabilidad en los cachalotes.

Esta figura muestra el comportamiento de buceo de un elefante marino macho. Las inmersiones que duran entre 20 y 40 minutos de perfiles casi verticales van seguidas de pausas muy breves. Imagen del Laboratorio Nacional de Mamíferos Marinos, Centro de Ciencias Pesqueras de Alaska, Pesquerías de NOAA, usada con permiso.


¿Cómo soportan las criaturas marinas que se sumergen en las profundidades de los enormes cambios de presión?

Algunas criaturas marinas explotan grandes profundidades. Los mayores desafíos fisiológicos para adaptarse a la presión probablemente los enfrentan aquellos animales que deben viajar rutinariamente desde la superficie a grandes profundidades. Dos de estos animales son el cachalote y la ballena nariz de botella. Desde los días de la caza de ballenas, estos animales han sido reconocidos como buceadores excepcionales, con informes de inmersiones que duran hasta dos horas después de ser arponeados. Hoy en día, con el uso de rastreo por sonar y registradores de tiempo y profundidad adjuntos, se han medido inmersiones de hasta 6.000 pies (más de una milla por debajo de la superficie del océano). Las profundidades de inmersión de rutina suelen estar en el rango de 1,500 a 3,000 pies, y las inmersiones pueden durar entre 20 minutos y una hora.

Bucear a profundidad puede resultar en distorsión mecánica y compresión del tejido, especialmente en espacios llenos de gas en el cuerpo. Dichos espacios incluyen la cavidad del oído medio, los senos de aire en la cabeza y los pulmones. El desarrollo de incluso pequeñas diferencias de presión entre una cavidad de aire y el tejido circundante puede resultar en la distorsión y la interrupción del tejido, una condición en los buzos humanos conocida como "el apretón". En algunas especies de cetáceos, la cavidad del oído medio está revestida con un plexo venoso extenso, que se postula que se hincha en profundidad y, por lo tanto, reduce o borra el espacio aéreo y evita el desarrollo de la compresión. Los cetáceos también tienen grandes trompas de Eustaquio que se comunican con la cavidad timpánica de la oreja y los grandes senos pterigoideos de la cabeza. Estos senos aéreos de la cabeza tienen una vasculatura extensa, que se cree que funciona de manera similar a la del oído medio y facilita el equilibrio de la presión del aire dentro de estos espacios. Por último, la mayoría de los mamíferos marinos carecen de senos craneales frontales como los presentes en los mamíferos terrestres.

Otro órgano susceptible de sufrir daños por compresión es el pulmón. En las ballenas y focas que se sumergen profundamente, las vías respiratorias periféricas están reforzadas y se postula que esto permite que los pulmones colapsen durante el viaje a la profundidad. Dicho colapso se ha observado radiográficamente y se ha confirmado con análisis de nitrógeno en sangre en la foca de Weddell que se sumerge profundamente.

El colapso de los pulmones expulsa el aire de los alvéolos, donde se produce el intercambio de gases entre los pulmones y la sangre. Esta atenuación del intercambio de gases es importante en el buceador profundo porque evita la absorción de nitrógeno en la sangre y el posterior desarrollo de niveles elevados de nitrógeno en sangre. Las presiones elevadas de nitrógeno en sangre pueden ejercer un efecto narcótico (la denominada narcosis por nitrógeno) en el buceador. También puede conducir a la formación de burbujas de nitrógeno durante el fenómeno de ascenta conocido como enfermedad por descompresión o "las curvas". El colapso de los pulmones en el buceador profundo evita estos dos problemas.

La pérdida de intercambio de gases en profundidad tiene otra implicación importante: los pulmones del buceador profundo no pueden servir como fuente de oxígeno durante la inmersión. En cambio, las ballenas y focas que se sumergen en las profundidades dependen de grandes reservas de oxígeno en la sangre y los músculos. Varias adaptaciones permiten esto. Primero, estos animales tienen volúmenes de sangre específicos de masa que son de tres a cuatro veces los encontrados en los mamíferos terrestres (es decir, de 200 a 250 mililitros de sangre por kilogramo de masa corporal, en contraste con un valor humano de 70 mililitros de sangre por kilogramo). En segundo lugar, la concentración de hemoglobina (la proteína transportadora de oxígeno en la sangre) también se eleva a un nivel aproximadamente dos veces mayor al que se encuentra en los seres humanos. En tercer lugar, la concentración de mioglobina, la proteína de almacenamiento de oxígeno en el músculo, es extremadamente elevada en estos animales, y mide aproximadamente 10 veces la del músculo humano.

En resumen, las adaptaciones anatómicas primarias para la presión de un mamífero que se sumerge profundamente, como el cachalote, se centran en espacios que contienen aire y la prevención del barotrauma tisular. Las cavidades de aire, cuando están presentes, están revestidas con plexos venosos, que se cree que se llenan en profundidad, obliteran el espacio de aire y evitan "la compresión". Los pulmones colapsan, lo que evita la ruptura pulmonar y (importante en lo que respecta a la fisiología) bloquea el intercambio de gases en el pulmón. La falta de absorción de nitrógeno en profundidad previene el desarrollo de narcosis por nitrógeno y enfermedad por descompresión. Además, debido a que los pulmones no sirven como fuente de oxígeno en profundidad, los buzos de profundidad dependen de las reservas de oxígeno mejoradas en la sangre y los músculos.


Discusión

Composición corporal

La hipótesis del cuerpo económico predice que los mesoplodontos de buceo extremo invertirían un pequeño porcentaje de su TBM en tejidos costosos, como el cerebro y las vísceras, y un gran porcentaje de su TBM en huesos, tegumentos y músculos de bajo costo. Una comparación de la composición corporal de los mesoplodontes con la de la marsopa de puerto que bucea relativamente poco profunda (P. phocoena) y delfín mular (T. truncatus) apoya esta hipótesis (Tabla 3).

La masa cerebral relativa del mesoplodonte es pequeña, representa sólo el 0,2% de la TBM, en comparación con el 0,7–0,9% de los cetáceos buceadores más pequeños y poco profundos. Si bien este patrón general no es inesperado, ya que la masa cerebral muestra una alometría negativa en los mamíferos (revisado por Calder 1996), las masas cerebrales de mesoplodonto son más bajas de lo que se podría predecir. Para los tres mesoplodontos adultos (Tabla 1), la masa cerebral medida fue, en promedio, el 62% de la masa predicha (Worthy y Hickie 1986). La masa cerebral absoluta media de estos adultos (1,5 kg) es idéntica a la de T. truncatus (Mallette et al. 2015), aunque los mesoplodontos son 3,5 más masivos. Por lo tanto, según múltiples medidas, el tamaño del cerebro mesoplodonte es relativamente pequeño.

Los mesoplodontes también invierten un porcentaje muy pequeño de su TBM en vísceras abdominales y torácicas (Tabla 3). Nuevamente, este patrón general no es inesperado ya que algunos órganos, como el hígado, los riñones y el tracto gastrointestinal, muestran una alometría negativa en los mamíferos (Calder 1996). Sin embargo, las masas del hígado mesoplodonte y de los tractos gastrointestinales son mucho más pequeñas de lo que se podría predecir con base en estas relaciones de escala. Para los tres mesoplodontos adultos, la masa hepática medida fue, en promedio, el 73% de su masa predicha. Para los dos mesoplodontos adultos para los que se registró el tracto gastrointestinal (WAM 593, NCARI 020), las masas medidas fueron sólo el 27-31% de sus valores predichos. La longitud intestinal de los mesoplodontos también es más corta de lo que se podría predecir, basándose en una relación de escala para los mamíferos marinos (Williams et al. 2001). Aunque solo recopilamos datos para un adulto (KLC 112), su longitud intestinal, a 18 m, es solo el 43% de su longitud prevista. Curiosamente, la masa renal medida para los tres mesoplodontos adultos es un 32% más grande de lo que se podría predecir con base en la alometría y justifica una mayor investigación.

Si bien la masa cardíaca relativa es similar en los tres grupos, la masa pulmonar relativa en mesoplodontes es pequeña en comparación con los buzos poco profundos. Piscitelli y col. (2010) compararon la relación entre la masa pulmonar y la TBM entre los delfínidos y focoenidos de buceo superficial, y los kogiidos, fiseteridos y ziphiidos de buceo más profundos. Estos investigadores encontraron que para una masa corporal determinada, la masa pulmonar relativa de los buceadores profundos es la mitad que la de los buzos superficiales. Los modelos hidrodinámicos de resistencia y flotabilidad, que utilizaron datos de etiquetas de alta resolución, también han proporcionado evidencia de que los espermatozoides y la nariz de botella (Hyperoodon ampullatus) whales possess small lung volumes ( Miller et al. 2004 Miller et al. 2016).

In contrast to the expensive tissues described above, mesoplodonts invest a large percentage—almost 77%—of their TBM in locomotor muscle, post-cranial integument and bone. Bone and integument represent similar percentages across these odontocetes, but there are differences in the composition of their blubber. The blubber layers of P. phocoena y T. truncatus are composed of triacylglycerides, and have been demonstrated to function as a metabolic energy source during times of nutritional stress ( Koopman et al. 2002 Dunkin et al. 2005). In contrast, the blubber of mesoplodonts is formed almost exclusively of wax esters, a type of lipid not known to function as a metabolic energy source ( Koopman 2007). In addition, the blubber of beaked whales displays a lower density of microvasculature (capillaries, microarterioles, and microvenules) than that of T. truncatus ( McClelland et al. 2012). These differences suggest that the blubber of mesoplodonts is relatively inert as compared to those of shallow divers.

The inexpensive body compartment that differs dramatically between the shallow divers and mesoplodonts is muscle. Locomotor muscle represents almost 50% of TBM of mesoplodonts, as compared to 28–30% in the shallow divers. In their analysis of swimming forces produced by cetaceans, Arthur et al. (2015) present independent data that support this finding. These authors utilized vertebral skeletal features to estimate the cross-sectional area, and to calculate the maximal force output, of cetacean epaxial locomotor muscles. Estimates of maximal force outputs for the mesoplodont species included in their study (M. mirus, M. densirostris, y M. bidens) and for Cuvier’s beaked whale (Z. cavirostris) were all higher than predicted, based upon their body length ( Arthur et al. 2015). These results demonstrate that for their body size, mesoplodonts possess relatively large locomotor muscles.

Members of one other clade of cetaceans, the balaenopterids, also possess large relative muscle masses, ranging from 31–62% of TBM ( Lockyer 1976 Lockyer and Waters 1986), and generally display high maximal force outputs for their body lengths ( Arthur et al. 2015). The myoglobin content of balaenopterid muscle though, is only a quarter that of mesoplodont muscle ( Noren and Williams 2000). Balaenopterids are not deep divers, but rather are high speed swimmers that display an energetically expensive, lunge feeding style (e.g., Goldbogen et al. 2007). Thus, large investments in body muscle appear to serve multiple functions dependent upon the ecology of the species.

Two other studies provide data on the body composition of beaked whales. West et al. (2013) report the distribution of body mass for a single stranded, and very rare, Longman’s beaked whale (Indopacetus pacificus) as 0.5% brain, 5.5% viscera, and 87.1% bone, muscle and integument (of which, 44.2% was muscle). Mead (1989a) reports on the distribution of body mass for a sample of stranded individuals from multiple mesoplodont species as 0.1% brain, 4.4% viscera, and 79.3% bone, muscle and integument (of which, 49.4% was epaxial and hypaxial muscle). Thus, data from multiple beaked whale species support the inexpensive body hypothesis. Specifically, these whales appear to possess very small brain and selected visceral masses, and very large locomotor masses.

The extreme diving southern elephant seal (M. leonina) displays a similar body composition to that of mesoplodonts—it invests a small percentage of its TBM in brain and viscera, and a large percentage in bone, integument and muscle ( Table 3). Unlike mesoplodonts, though, M. leonina does not invest the largest percent of its body mass in locomotor muscle, but rather displays an equal distribution of mass between integument and muscle. Because we do not have access to the measured mass data for this species, we cannot determine whether body compartments scale allometrically. Regardless, the overall body composition of this extreme diving pinniped is inexpensive as compared to the shallow diving P. phocoena y T. truncatus.

The body composition of P. macrocephalus is unique among the marine mammals considered here ( Table 3). Like mesoplodonts and M. leonina, this species invests a small percentage of its TBM in expensive tissues. For example, its brain mass is only 30% of its predicted mass ( Worthy and Hickie 1986). Its relative visceral mass is also very small, and because Ohno and Fujino (1953) report individual organ and tissue masses, we can investigate whether this pattern is explainable based upon allometry ( Calder 1996). Interestingly, measured liver mass is 30% larger and measured kidney mass is almost 300% larger than predicted based upon scaling relationships for mammals. As was observed in mesoplodonts, though, the sperm whale GI tract is remarkably small, with a measured mass that is only 34% of its predicted mass. Heart mass is 62% of its predicted value, and as in mesoplodonts, relative lung mass is approximately half that of shallow divers ( Piscitelli et al. 2010). Por lo tanto, P. macrocephalus possesses relatively small brain and visceral masses, although selected organs are larger than would be predicted based upon allometry.

P. macrocephalus differs from all other species considered here, though, because only 50–54% of its TBM is represented by metabolically inexpensive post-cranial tissues ( Table 3). This difference is primarily driven by muscle, which represents just 19–23% of TBM. [Note that these percentages are lower than the 34% reported in table 3 of Lockyer (1976) but well within the range of values reported within this paper’s appendix.] Arthur et al. (2015) found that the estimated maximal force outputs of P. macrocephalus were also smaller than predicted based upon their body length. These authors hypothesized that the low force output estimated for this species may be due to the large percentage of the body length that is defined by their head (25–33%).

We similarly hypothesize that the relatively small mass of the inexpensive post-cranial body tissues may be due to the large investment in head tissues ( Fig. 1). Note for the four other species considered here that brain, viscera, bone, post-cranial integument and muscle represent between 77–82% of TBM ( Table 3). These combined body compartments represent only 53–58% of the TBM of P. macrocephalus. Ohno and Fujino (1953) provide data for the mass of selected head tissues, including blubber and specialized acoustic lipid structures, which are likely metabolically inexpensive. Combined, these tissues represent a remarkable 33% of TBM of P. macrocephalus. As a comparison, the intact head represents just 6.5% of TBM of T. truncatus ( Mallette et al. 2015). Thus, the deep diving sperm whale also invests a large percentage of its TBM in metabolically inexpensive tissues, but does so in an apparently unique, species-specific manner, by distributing those tissues across its enormous head as well as its post-cranial body.

Locomotor muscle morphology

Mammalian skeletal muscle has the third lowest resting metabolic rate of any body tissue ( Table 1). Marine mammals may achieve particularly low resting metabolic rates for this body compartment by building their locomotor muscles using large diameter muscle fibers, with low mitochondrial volume densities ( Kanatous et al. 2002 Kielhorn et al. 2013 Velten et al. 2013). Locomotor muscle is also the largest oxygen storage site in cetaceans, and the second largest in pinnipeds ( Davis and Kanatous 1999 Noren and Williams 2000). Thus, investing a large percentage of TBM in this body compartment, and possessing high muscle myoglobin concentrations, enhances onboard oxygen stores. Together, these features can extend the diving mammal’s ADL.

Comparative data demonstrate that large locomotor muscle fiber size is a feature shared by all long duration, deep diving marine mammals studied to date ( Fig. 3A). For comparison, typical mouse muscle fiber diameters are 30–40 μM ( Pathi et al. 2012). While there is not a one-to-one relationship between muscle fiber size and average dive duration, the two species on this list with the longest recorded dives—Z. cavirostris y M. angustirostris—possess the largest muscle fibers.

This observed difference in muscle fiber size can profoundly impact muscle resting metabolic rates because fibers must maintain an ionic gradient across their surface to function. The maintenance of the Na+/K+-ATPase pump represents 40–50% of skeletal muscle resting metabolic rate across a diversity of mammals, fishes, and crustaceans (reviewed in Jimenez et al. 2011). Jimenez et al. (2011, 2013) demonstrated that the cost of the Na+/K+-ATPase pump scales directly with muscle fiber surface area to volume ratio (SA:V) in a diversity of fishes and crustaceans. Thus, a doubling of muscle fiber diameter, and concomitant halving of the fiber’s SA:V, is associated with a halving of the energetic cost of this pump. If marine mammal muscle functions similarly, then Z. cavirostris y M. angustirostris are expending half, and mesoplodonts 69%, of the energy that T. truncatus must utilize to maintain this ion pump.

Within muscle, low mitochondrial volume densities limit tissue oxygen consumption rates (e.g., Burpee et al. 2010). The mitochondrial volume densities of the deep diving L. weddellii and mesoplodonts are both lower than those observed within the swimming muscles of a diversity of shallow diving pinnipeds (6.2–9.7% Kanatous et al. 1999). The 1.1% mitochondrial volume density within the fast muscle fibers of mesoplodonts, though, is the lowest value for any mammal of which we are aware, and is similar to the values (1.0–1.2%) reported for the white muscle of slow-moving fishes ( Burpee et al. 2010).

High muscle myoglobin concentration has been identified as a “hallmark” of being a deep diver ( Kooyman and Ponganis 1998). As expected, the locomotor muscle myoglobin contents for the deep divers are all higher than that of the shallow diving T. truncatus. Again, there is no one-to-one relationship between muscle myoglobin content and average dive duration, but mesoplodonts possess one of the highest values reported for any mammal.

This comparative review demonstrates that deep divers share a suite of locomotor muscular features that include large muscle fibers, high myoglobin contents, and for those species studied to date, low mitochondrial volume densities. There is, though, one feature of mesoplodont locomotor muscle that is unlike that of any deep diving mammal investigated thus far. Mesoplodont muscle is built like that of a sprinter, composed predominantly of fast, glycolytic fibers that represent 80% of its cross-sectional area ( Velten et al. 2013). It is likely that these very large, fast twitch fibers also have low protein synthesis and turn-over rates ( Van Wessel et al. 2010), which would contribute to a lower resting metabolic rate. In contrast, the locomotor muscles of other deep diving mammals are built like those of endurance athletes, composed either predominantly or exclusively of slow, oxidative fibers ( Kanatous et al. 2002 Williams et al. 2011 Kielhorn et al. 2013 Moore et al. 2014). Velten et al. (2013) have hypothesized that just as in sprinters, the large, fast fibers of mesoplodonts are likely inactive during routine locomotion and that the small percentage of slow, oxidative fibers aerobically power swimming. The differential use of these two muscle fiber types is consistent with swimming patterns recorded for beaked whales, which include more frequent, low amplitude strokes, but also abrupt, high amplitude, shorter duration strokes followed by gliding, which occur during deep dive ascents ( Martín López et al. 2015). These fast fibers, which are rich in myoglobin, do not utilize oxygen to fuel contraction, and possess very low mitochondrial volume densities ( Velten et al. 2013 Sierra et al. 2015). Velten et al. (2013) thus hypothesize that they may provide a large, metabolically inexpensive oxygen store for the slow oxidative fibers. These novel features of mesoplodont locomotor muscle suggest that it is likely a very inexpensive body compartment.


Deep diving mammals: Dive behavior and circulatory adjustments contribute to bends avoidance

A mathematical model was created that predicted blood and tissue N(2) tension (P(N2)) during breath-hold diving. Measured muscle P(N2) from the bottlenose dolphin after diving repeatedly to 100 m (Tursiops truncatus [Ridgway and Howard, 1979, Science, 4423, 1182-1183]) was compared with predictions from the model. Lung collapse was modelled as a 100% pulmonary shunt which yielded tissue P(N2) similar to those reported for the dolphin. On the other hand, predicted muscle P(N2) for an animal with a dive response, reducing cardiac output by 66% from surface values (20.5 to 6.8l x min(-1)), also agreed well with observed values in the absence of lung collapse. In fact, modelling indicated that both cardiovascular adjustments and dive behaviour are important in reducing N2 uptake during diving and enhancing safe transfer of tissue and blood N2 back to the lung immediately before coming to the surface. In particular, diving bradycardia during the descent and bottom phase together with a reduced ascent rate and increase in heart rate reduced mixed venous P(N2) upon return to the surface by as much as 45%. This has important implications as small reductions in inert gas load (approximately 5%) can substantially reduce decompression sickness (DCS) risk by as much as 50% (Fahlman et al., 2001, J. Appl. Physiol. 91, 2720-2729).


Elephant seals' extreme diving allows them to exploit deep ocean niche

Using data captured by video cameras and smart accelerometers attached to female elephant seals, Taiki Adachi and colleagues show that the animals spend at least 80% of their day foraging for fish, feeding between 1,000 and 2,000 times per day. The unique glimpse at elephant seal foraging strategy shows how these large marine mammals exploit a unique ocean niche filled with small fish. The findings also may offer a way to monitor the health of the mesopelagic zone, the dark and cold ocean "twilight zone" ecosystem at 200 to 1,000 meters deep. Small mesopelagic fish dominate the world's ocean biomass, but little is known about the mesopelagic zone or how it is affected by global climate change. Large marine mammals can dive deep to find food in this zone, but the bigger they are, the more food they need to sustain themselves. Massive marine mammals like sperm whale solve this problem by diving into the mesopelagic zone to eat large prey like jumbo squid. The data collected by Adachi et al. suggest that the smaller elephant seals solve the problem by eating abundant small mesopelagic fish, but the smaller mouthfuls mean they must dive repeatedly to maintain a positive energy balance. The researchers say that elephant seal foraging activity could be used to trace the future health of mesopelagic fish populations, as the mesopelagic zone is expected to undergo substantial changes in temperature and oxygenation by the end of the century.

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Why Deep-Diving Mammals Don't Black Out

Some seals and dolphins can hold their breath underwater for a cheek-popping hour or more without passing out from lack of oxygen.

Definitely don't try this at home. Humans can't make it more than a few minutes without breathing (at least without some sci-fi device).

The secret to the superhero animal feat is elevated levels of special oxygen-carrying proteins found in their brains, a new study reveals. But the research leaves puzzles.

Scientists have long wondered why marine mammals, such as dolphins, whales , Weddell seals and sea otters, are so tolerant of such low oxygen conditions. The simplest explanation had been that they evolved adaptations to boost oxygen delivery to the brain. But studies have shown that the oxygen levels in their blood vessels plummeted within minutes of dipping beneath the water's surface.

"The kinds of levels we were seeing in arterial blood would have caused us to black out under water," said lead study author Terrie Williams, professor of ecology and evolutionary biology at the University of California, Santa Cruz.

The research will be published in the Dec. 18 issue of the journal Actas de la Royal Society B.

Diving secret

Williams and her colleagues focused on two newly discovered proteins called neuroglobin and cytoglobin. They are similar to hemoglobin, an iron-containing molecule that carries oxygen in blood and circulates throughout the body and brain, but neuroglobins and cytoglobins (grouped together as brain globins) reside in brain tissues.

The scientists compared the amounts of hemoglobin and the brain globins in 16 mammal species, including land animals such as a bobcat and a mountain lion, shallow swimmers such as the bottlenose dolphin and California sea lion, and deep divers such as the pilot whale and Risso's dolphin.

The results were not clear-cut.

On average, the brains of marine mammals had more hemoglobin and brain globins than those of land animals, suggesting it's these proteins that keep the divers alive and alert during deep dives. The shallow-swimming and highly active dolphins, sea lions and sea otters had higher amounts of the brain globins than did the deep-diving whales. Williams suggests that the agile swimmers need to shuttle oxygen quickly to the brain and so they rely on the brain globins rather than the hemoglobin. The more hemoglobin in the blood, the more viscous the blood becomes, making transport to the brain slower.

And then there was the bobcat. Unlike the dog-related species, including foxes and coyotes, bobcat tissues showed high amounts of the brain globins. "Maybe it's not just breath-holding that stimulates these globins, but high levels of activity, such as sprinting," Williams said.

Human aging

The finding could shed light on strokes and aging in humans. For instance, boosting globin production in humans could potentially lessen brain damage due to disease and aging.

"If you're a wild animal you don't get the option of having a stroke. If you have a stroke, you're dead," Williams told LiveScience. "[The diving mammals] might be the group to look toward, because evolution and selective pressures would push them toward better protection."

Bowhead whales live 200-plus years, more than double the typical human lifetime. Williams asks, "What if you could do something that would keep your brain active for twice as long?"


How can I use the Diving Response?

If you are going to perform e.g. at a competition or at a business event, activating the diving reflex can help you relax. The diving reflex is activated by breath holds and by facial contact with cold water. If you cover your face, especially the forehead and the area around the nose (area of the trigeminal nerve) with a cold wet towel, the diving reflex will be activated. Because the diving reflex innervates the vagus nerve your pulse will drop and your body will relax. In this way, you can quickly calm your nerves before a performance.