فسيولوجيا الغوص تحت الماء الثدييات البحرية
تُعدّ الحيتان البالينية، واسمها العلمي ميستيسيتي، رتبة فرعية من الحوتيات. وهي مجموعة واسعة الانتشار من الثدييات البحرية الآكلة للحوم وتضم فصائل: البالينات (الحيتان الحقيقية ومقوسة الرأس)، والهراكلة، والحوتيات الوحشية (الحوت الصائب القزم)، والحيتان الرمادية (الحوت الرمادي الصلب). يوجد حاليًا 15 نوعًا من الحيتان البالينية. وتتراوح أحجام الحيتان البالينية من الحوت الصائب القزم الذي يبلغ طوله 6 أمتار (20 قدمًا) ووزنه 3,000 كجم (6,600 رطل) إلى الحوت الأزرق الذي يبلغ طوله 31 مترًا (102 قدم) ووزنه 190 طنًا (210 أطنان قصيرة).
عند السباحة، تستخدم الحيتان البالينية زعانفها الأمامية بطريقة تشبه الجناح على غرار طيور البطريق والسلاحف البحرية للحركة والتوجيه، بينما تستخدم زعنفتها الذيلية لدفع نفسها إلى الأمام من خلال حركة رأسية متكررة. وبسبب حجمها الكبير، فإن الحيتان الصائبة ليست مرنة أو رشيقة مثل الدلافين، ولا يمكن لأي منها تحريك رقبتها بسبب اندماج الفقرات العنقية؛ وهذا يضحي بالسرعة مقابل الاستقرار في الماء. وتكون الأرجل الخلفية الأثرية مغلفة داخل الجسم.
تحتاج الحيتان الزعنفية إلى زيادة السرعة للتغذية، ولديها عدة تكيفات لتقليل المقاومة، بما في ذلك جسم انسيابي؛ وزعنفة ظهرية صغيرة، بالنسبة لحجمها؛ وعدم وجود آذان أو شعر خارجي. ويمكن للحوت الزعنفي، وهو الأسرع بين الحيتان البالينية، أن يسبح بسرعة 37 كيلومترًا في الساعة (23 ميلاً في الساعة). وأثناء التغذية، يتسع فم الحوت الزعنفي عن طريق تمديد طيات الحلق إلى حجم يمكن أن يكون أكبر من الحوت نفسه في حالة الراحة. ويتصل الفك السفلي بالجمجمة بألياف وكثافة من الغضاريف، مما يسمح للفك بالانفتاح بزاوية تقارب 90 درجة. ويكون الارتفاق الفكي السفلي أيضًا غضروفيًا ليفيًا، مما يسمح للفك بالانحناء مما يزيد من مساحة الفتحة. ولمنع تمدد الفم أكثر من اللازم، تمتلك الحيتان الزعنفية عضوًا حسيًا يقع في منتصف الفك لتنظيم هذه الوظائف.
مثل جميع الثدييات، تتنفس الحيتان البالينية الهواء ويجب أن تطفو على السطح بشكل دوري للقيام بذلك. وتقع فتحات أنفها، أو فتحات النفث، في الجزء العلوي من الجمجمة. وتمتلك الحيتان البالينية فتحتي نفث، على عكس الحيتان المسننة التي لديها فتحة واحدة. وتكون فتحتا النفث المزدوجتان شقين طوليين يتقاربان في الأمام ويتسعان في الخلف، مما يسبب نفثًا على شكل حرف V. وتحيط بهما حافة لحمية تبعد الماء أثناء تنفس الحوت. ويحتوي الحاجز الذي يفصل فتحتي النفث على سدادتين متصلتين به، مما يجعل فتحتي النفث محكمتين للماء أثناء غوص الحوت.
صُممت رئتا الحيتان البالينية لتنكمش تحت الضغط، مما يمكّن بعضها، مثل الحوت الزعنفي، من الغوص إلى عمق 470 مترًا تحت الصفر (-1,540 قدمًا). وتُعدّ رئتا الحوت فعالتين جدًا في استخلاص الأكسجين من الهواء، وعادةً ما تستخلص 80%، في حين أن البشر يستخلصون 20% فقط من الأكسجين من الهواء المستنشق. وحجم الرئة منخفض نسبيًا مقارنة بالثدييات البرية بسبب عدم قدرة الجهاز التنفسي على الاحتفاظ بالغاز أثناء الغوص. وقد يسبب القيام بذلك مضاعفات خطيرة مثل الانسداد. وعلى عكس الثدييات الأخرى، تفتقر رئتا الحيتان البالينية إلى الفصوص وتكون أكثر تكيسًا. وتكون الرئة اليسرى أصغر من اليمنى لإفساح المجال للقلب. وللحفاظ على الأكسجين، يُعاد توجيه الدم من الأنسجة التي تتحمل نقص الأكسجين إلى الأعضاء الأساسية، ولدى العضلات الهيكلية تركيز عالٍ من الميوغلوبين الذي يسمح لها بالعمل لفترة أطول دون إمداد من أكسجين الدم.
يعمل قلب الحيتان البالينية بشكل مشابه للثدييات الأخرى، ويتناسب مع حجم الحوت. ويتراوح معدل ضربات القلب في حالة الراحة من 60 إلى 140 نبضة في الدقيقة. وعند الغوص، ينخفض معدل ضربات القلب إلى 4 إلى 15 نبضة في الدقيقة للحفاظ على الأكسجين. ومثل الحيتان المسننة، لديها شبكة كثيفة من الأوعية الدموية (الشبكة الرائعة) التي تمنع فقدان الحرارة. وكما هو الحال في معظم الثدييات، تُفقَد الحرارة في أطرافها، لذا، تُحاط الشرايين بالأوردة لتقليل فقدان الحرارة أثناء النقل واستعادة الحرارة المنقولة من الشرايين إلى الأوردة المحيطة أثناء عودتها إلى المركز في التبادل المعاكس[الإنجليزية]. ولمعادلة ارتفاع درجة الحرارة أثناء وجودها في المياه الدافئة، تُعيد الحيتان البالينية توجيه الدم إلى الجلد لتسريع فقدان الحرارة. ولديها أكبر كريات دم (خلايا الدم الحمراء والبيضاء) لأي ثديي، حيث يبلغ قطرها 10 ميكرومتر (4.1 × 10−4 بوصة).
على عكس معظم الحيوانات، الحيتان تتنفس بوعي. وتنام جميع الثدييات، لكن الحيتان لا تستطيع تحمل فقدان الوعي لفترة طويلة لأنها قد تغرق. ويُعتقد أنها تُظهر نوم الموجة البطيئة في نصف الكرة المخية الواحد، حيث تنام بنصف دماغها بينما يظل النصف الآخر نشطًا. وقد وُثِّق هذا السلوك فقط في الحيتان المسننة حتى صُورت لقطات لحوت أحدب نائم (عموديًا) في عام 2014.
يُعَدّ كيفية إصدار الحيتان البالينية للأصوات غير معروف إلى حد كبير بسبب عدم وجود عضو البطيخ والأحبال الصوتية. وفي دراسة أجريت عام 2007، اُكتشف أن الحنجرة تحتوي على طيات على شكل حرف U يُعتقد أنها مشابهة للأحبال الصوتية. وتوضع هذه الطيات بشكل موازٍ لتدفق الهواء، على عكس الأحبال الصوتية العمودية للثدييات البرية. وقد تتحكم هذه الطيات في تدفق الهواء وتسبب اهتزازات. ويمكن لجدران الحنجرة أن تنقبض مما قد يولد صوتًا بدعم من الغضاريف الهرمية. وقد تطرد العضلات المحيطة بالحنجرة الهواء بسرعة أو تحافظ على حجم ثابت أثناء الغوص.
جميع الحيتان البالينية الحديثة هي مغذيات بالترشيح إجبارية، حيث تستخدم لوحاتها البالينية لتصفية الفرائس الصغيرة (بما في ذلك الأسماك الصغيرة، والكريل، ومجدافيات الأرجل، والعوالق الحيوانية) من مياه البحر. وعلى الرغم من نظامها الغذائي آكل اللحوم، فقد كشفت دراسة أجريت عام 2015 أنها تحتوي على نبيت جرثومي معوي مشابهة لتلك الموجودة في الحيوانات العاشبة البرية. وتوجد أنواع مختلفة من الفرائس بوفرة مختلفة اعتمادًا على الموقع، وكل نوع من الحيتان يتكيف مع طريقة متخصصة في البحث عن الطعام.
هناك نوعان من سلوكيات التغذية: التغذية بالمسح والتغذية بالاندفاع، ولكن بعض الأنواع تقوم بكليهما اعتمادًا على نوع وكمية الطعام. تتغذى الحيتان التي تندفع بشكل أساسي على الكريليات (الكريل)، على الرغم من أن بعض الحيتان الاندفاعية الأصغر (مثل حيتان المنك) تفترس أيضًا أسراب الأسماك. وتتغذى الحيتان التي تمسح، مثل الحيتان مقوسة الرأس، بشكل أساسي على العوالق الأصغر مثل مجدافيات الأرجل. وتتغذى منفردة أو في مجموعات صغيرة. وتحصل الحيتان البالينية على الماء الذي تحتاجه من طعامها، وتفرز كليتيها الملح الزائد.
الحيتان التي تندفع هي الهراكلة. وللتغذية، توسع الحيتان الاندفاعية حجم فكها إلى حجم أكبر من الحجم الأصلي للحوت نفسه. وللقيام بذلك، ينتفخ الفم، مما يتسبب في تمدد طيات الحلق، مما يزيد من كمية الماء التي يمكن للفم تخزينها. وقبل أن تصطدم بكرة الطعم مباشرة، ينفتح الفك بزاوية تقارب 90 درجة وينحني مما يسمح بدخول المزيد من الماء. ولمنع تمدد الفم أكثر من اللازم، تمتلك الهراكلة عضوًا حسيًا يقع في منتصف الفك لتنظيم هذه الوظائف. ثم يجب عليها أن تتباطأ. وتتطلب هذه العملية الكثير من العمل الميكانيكي، وتكون فعالة من حيث الطاقة فقط عند استخدامها ضد كرة طعم كبيرة. وتُعدّ التغذية بالاندفاع أكثر استهلاكًا للطاقة من التغذية بالمسح بسبب التسارع والتباطؤ المطلوبين.
الحيتان التي تمسح هي الحيتان الصائبة، والحيتان الرمادية، والحيتان الصائبة القزمة، وحيتان الساي (والتي تندفع أيضًا للتغذية). وللتغذية، تسبح الحيتان التي تمسح وفمها مفتوح، وتملؤه بالماء والفريسة. ويجب أن تكون الفريسة موجودة بأعداد كافية لإثارة اهتمام الحوت، وتكون ضمن نطاق حجم معين حتى تتمكن لوحات البالين من تصفيتها، وتكون بطيئة بما يكفي حتى لا تتمكن من الهروب. وقد يحدث "المسح" على السطح، أو تحت الماء، أو حتى في قاع المحيط، ويشير إلى ذلك الطين الذي يُلاحظ أحيانًا على أجسام الحيتان الصائبة. وتتغذى الحيتان الرمادية بشكل أساسي في قاع المحيط، وتتغذى على الكائنات القاعية.
تعتمد كفاءة البحث عن الطعام لكل من التغذية بالاندفاع والتغذية بالترشيح المستمرة بشكل كبير على كثافة الفريسة. وتكون كفاءة اندفاع الحوت الأزرق أعلى بحوالي 30 مرة عند كثافة كريل تبلغ 4.5 كجم/م3 مقارنة بكثافة كريل منخفضة تبلغ 0.15 كجم/م3. وقد لوحظ أن الحيتان البالينية تبحث عن مناطق محددة للغاية داخل البيئة المحلية من أجل البحث عن الطعام في تجمعات الفرائس ذات الكثافة الأعلى.
تُعدّ الخيلانيات رتبة من الثدييات العاشبة المائية بالكامل، التي تعيش في المستنقعات، والأنهار، ومصبات الأنهار، والأراضي الرطبة البحرية، والمياه البحرية الساحلية. وتتكون رتبة الخيلانيات حاليًا من فصيلتين: الأطومات (وتشمل الأطوم، وتاريخيًا بقرة البحر ستيلر)، وخراف البحر الحقيقية (وتشمل خراف البحر) بإجمالي أربعة أنواع.
يُشبه الذيل الزعنفي للأطوم في شكله ذيول الدلافين، بينما ذيل خراف البحر على شكل مجداف. ويتحرك الذيل الزعنفي صعودًا وهبوطًا بضربات طويلة لدفع الحيوان إلى الأمام، أو يُلْوَى للدوران. وتكون الأطراف الأمامية على شكل زعانف تشبه المجاديف تساعد في الدوران والتباطؤ. وتنزلق خراف البحر بشكل عام بسرعات تصل إلى 8 كيلومترات في الساعة (5 أميال في الساعة)، ولكن يمكنها الوصول إلى سرعات تصل إلى 24 كيلومترًا في الساعة (15 ميلاً في الساعة) في دفعات قصيرة. والجسم مغزلي الشكل لتقليل المقاومة في الماء. ومثل الحيتانيات، فإن الأطراف الخلفية داخلية وأثارية. أما الخطم فهو مائل إلى الأسفل للمساعدة في التغذية من القاع. تقوم الخيلانيات عادة بالغوص لمدة دقيقتين إلى ثلاث دقائق، ولكن يمكن لخراف البحر الحقيقية حبس أنفاسها لمدة تصل إلى 15 دقيقة أثناء الراحة، والأطوم لمدة تصل إلى ست دقائق. وقد تقف على ذيلها لتبقي رأسها فوق الماء.
تُظهِر الخيلانيات تضخمًا عظميًا، وهي حالة تكون فيها الأضلاع والعظام الطويلة الأخرى صلبة وتحتوي على القليل من نخاع العظم أو لا تحتوي عليه على الإطلاق. ولديها بعض من أكثر العظام كثافة في مملكة الحيوان، والتي قد تستخدم كثقل موازن، لمعادلة تأثير الطفو الناتج عن الشحم والمساعدة في إبقاء الخيلانيات معلقة أسفل سطح الماء بقليل. ولا تمتلك خراف البحر الحقيقية شحمًا بحد ذاته، بل لديها جلد سميك، وبالتالي، فهي حساسة لتغيرات درجات الحرارة. وبالمثل، غالبًا ما تهاجر إلى المياه الدافئة عندما تنخفض درجة حرارة الماء إلى أقل من 20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت). ورئتا الخيلانيات غير مفصصة؛ وهي، جنبًا إلى جنب مع الحجاب الحاجز، تمتد على طول العمود الفقري بأكمله، مما يساعدها على التحكم في طفوها وتقليل الميلان في الماء.
يُغطى جسم الخيلانيات بشكل متفرق بشعر قصير (شعيرات حسية)، باستثناء الخطم، مما قد يسمح بالتفسير اللمسي لبيئتها.
يصطاد ثعلب البحر في غوصات قصيرة، غالبًا إلى قاع البحر. ورغم أنه يستطيع حبس أنفاسه لمدة تصل إلى خمس دقائق، فإن غوصاته تستمر عادةً حوالي دقيقة واحدة ولا تزيد عن أربع دقائق. وهو الحيوان البحري الوحيد القادر على رفع وقلب الصخور، وهو ما يفعله غالبًا بمخالبه الأمامية عند البحث عن الفريسة. وقد يقتلع أيضًا الحلزون والكائنات الأخرى من عشب البحر ويحفر بعمق في الطين تحت الماء بحثًا عن المحار الملزمي. وهو الثديي البحري الوحيد الذي يصطاد الأسماك بمخالبه الأمامية بدلاً من أسنانه.
تحت كل طرف أمامي، يمتلك ثعلب البحر جيبًا جلديًا فضفاضًا يمتد عبر الصدر. وفي هذا الجيب (يفضل الأيسر)، يخزن الحيوان الطعام الذي يجمعه ليصعد به إلى السطح. ويحتفظ هذا الجيب أيضًا بصخرة، فريدة من نوعها لكل ثعلب بحر، تُستخدم لكسر الأصداف والمحار الملزمي. وهناك، يأكل ثعلب البحر وهو يطفو على ظهره، مستخدمًا مخالبه الأمامية لتمزيق الطعام ووضعه في فمه. ويمكنه مضغ وابتلاع بلح البحر الصغير مع قشوره، في حين قد تُفصل قشور بلح البحر الكبيرة عن بعضها. ويستخدم أسنانه القاطعة السفلية للوصول إلى اللحم داخل الرخويات. ولأكل قنافذ البحر الكبيرة، التي يغطيها الشوك في معظمها، يعض ثعلب البحر من الجانب السفلي حيث يكون الشوك أقصر ويلعق المحتويات اللينة من قوقعة القنفذ.
يُعدّ استخدام ثعلب البحر للصخور عند الصيد والتغذية سببًا في أنه أحد الأنواع القليلة من الثدييات التي تستخدم الأدوات. ولفتح القشور الصلبة، قد يضرب فريسته بكلتا مخالبه على صخرة على صدره. ولإزاحة الصفيلح من صخرته، يضرب قوقعة الصفيلح بحجر كبير، وقد لوحظ أنه يوجه 45 ضربة في 15 ثانية. وتتطلب إزاحة الصفيلح، التي يمكن أن تلتصق بالصخر بقوة تعادل 4,000 ضعف وزن جسمها، عدة غوصات.
يمكن للدببة القطبية السباحة لمسافات طويلة في البحر ويمكنها الغوص لفترات قصيرة. وتتبع الباحثون الدببة القطبية بأطواق نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وسجلوا سباحات لمسافات طويلة تصل إلى 354 كيلومترًا (220 ميلاً)، بمتوسط 155 كيلومترًا (96 ميلاً)، واستغرقت ما يصل إلى عشرة أيام. وقد يسبح الدب القطبي تحت الماء لمدة تصل إلى ثلاث دقائق للاقتراب من الفقمات على الشاطئ أو على الكتل الجليدية أثناء الصيد.