Po raz pierwszy naukowcy zarejestrowali aktywność mózgu żyjącego na wolności, dzikiego ssaka morskiego, ujawniając nawyki snu słoni morskich podczas miesięcy spędzonych na morzu.
Nowe odkrycia, opublikowane 20 kwietnia w Science, pokazują, że podczas gdy słonie morskie mogą spędzać 10 godzin dziennie śpiąc na plaży w sezonie lęgowym, średnio śpią tylko 2 godziny dziennie, gdy są na morzu podczas wielomiesięcznych wypraw w poszukiwaniu pożywienia . Śpią przez około 10 minut podczas głębokich, 30-minutowych nurkowań, często opadając spiralnie w dół podczas szybkiego snu, a czasem leżąc nieruchomo na dnie morskim.
Pierwsza autorka, Jessica Kendall-Bar, prowadziła badania jako absolwentka UC Santa Cruz, współpracując z Danielem Costą i Terriem Williamsem, profesorami ekologii i biologii ewolucyjnej na UCSC.
„Od lat jednym z głównych pytań dotyczących słoni morskich jest to, kiedy śpią” – powiedział Costa, który kieruje Instytutem Nauk Morskich UCSC. Laboratorium Costy od ponad 25 lat prowadzi program badawczy UCSC fok słoni w rezerwacie Año Nuevo, używając coraz bardziej wyrafinowanych znaczników do śledzenia ruchów i zachowania nurkowego fok podczas ich migracji w poszukiwaniu pożywienia, kiedy wyruszają one na północny Pacyfik na tak długo jako 8 miesięcy.
„Zapisy nurkowań pokazują, że nieustannie nurkują, więc pomyśleliśmy, że muszą spać podczas tak zwanych nurkowań dryfujących, kiedy przestają pływać i powoli toną, ale tak naprawdę nie wiedzieliśmy” – powiedział Costa. „Teraz w końcu możemy powiedzieć, że zdecydowanie śpią podczas tych nurkowań, a także odkryliśmy, że ogólnie nie śpią zbyt dużo w porównaniu z innymi ssakami”.
W rzeczywistości podczas miesięcy spędzonych na morzu słonie morskie rywalizują z rekordem najmniejszej ilości snu spośród wszystkich ssaków, obecnie trzymanym przez słonie afrykańskie, które wydają się spać tylko dwie godziny dziennie, biorąc pod uwagę ich wzorce ruchowe.
„Słonie morskie są niezwykłe, ponieważ na lądzie śpią dużo, ponad 10 godzin dziennie, a dwie godziny lub mniej, gdy są na morzu” – powiedział Kendall-Bar, który obecnie jest adiunkt w Scripps Institution of Oceanography na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego.
Słonie morskie są najbardziej narażone na drapieżniki, takie jak rekiny i orki, gdy znajdują się na powierzchni otwartego oceanu, więc spędzają na powierzchni tylko minutę lub dwie, oddychając między nurkowaniami.
„Są w stanie wstrzymać oddech na długi czas, więc mogą zapaść w głęboki sen podczas tych nurkowań głęboko pod powierzchnią, gdzie jest to bezpieczne” – powiedział Kendall-Bar.
Kendall-Bar opracował system, który może wiarygodnie rejestrować aktywność mózgu (jako elektroencefalogram lub EEG) dzikich słoni morskich podczas ich normalnego zachowania podczas nurkowania na morzu. Dzięki neoprenowej nasadce na głowę, która zabezpiecza czujniki EEG i małemu rejestratorowi danych do rejestrowania sygnałów, system można odzyskać, gdy zwierzęta wrócą na plażę w Año Nuevo.
„Użyliśmy tych samych czujników, których użyłbyś do badania snu na ludziach w klinice snu, oraz usuwalnego, elastycznego kleju do przymocowania nakrycia głowy, aby woda nie mogła dostać się do środka i zakłócić sygnałów” – powiedział Kendall-Bar.
Oprócz systemu EEG foki były wyposażone w rejestratory czasu, akcelerometry i inne instrumenty, które pozwoliły naukowcom śledzić ruchy fok wraz z odpowiadającą im aktywnością mózgu. Nagrania pokazują nurkujące foki przechodzące w fazę głębokiego snu, znaną jako sen wolnofalowy, z jednoczesnym utrzymaniem kontrolowanego schodzenia w dół, a następnie przechodzące w fazę REM, kiedy paraliż senny powoduje, że odwracają się do góry nogami i dryfują w dół w „spirala snu”.
„Wchodzą w sen wolnofalowy i utrzymują swoją postawę ciała przez kilka minut, zanim przejdą do snu REM, kiedy tracą kontrolę nad postawą i odwracają się do góry nogami” – powiedział Kendall-Bar.
Na głębokościach, na których to się dzieje, foki zwykle mają ujemną pływalność i nadal biernie opadają po spirali korkociągu „jak spadający liść” – powiedział Williams. W płytszych wodach szelfu kontynentalnego słonie morskie czasami śpią, odpoczywając na dnie morskim.
„Nie wydaje się możliwe, aby naprawdę zapadły w paraliżujący sen REM podczas nurkowania, ale mówi nam to coś o procesach decyzyjnych tych fok, aby zobaczyć, gdzie w słupie wody czują się wystarczająco bezpiecznie, aby zasnąć. ” powiedział Williams, który kieruje Laboratorium Neurofizjologii Porównawczej na UCSC.
Opracowując nowy instrument EEG, Kendall-Bar po raz pierwszy zastosował go na słoniach morskich przebywających tymczasowo w obiektach ssaków morskich w Long Marine Laboratory UCSC. Następnym krokiem było zastosowanie go na zwierzętach w kolonii słoni morskich w rezerwacie Año Nuevo na północ od Santa Cruz, gdzie naukowcy mogli obserwować zwierzęta na plaży.
„Spędziłem dużo czasu obserwując śpiące foki” – powiedział Kendall-Bar. „Nasz zespół monitorował oprzyrządowane foki, aby upewnić się, że są w stanie ponownie zintegrować się z kolonią i zachowują się naturalnie”.
Niektóre z tych fok odbywały krótkie wycieczki do wody, ale aby obserwować zachowanie podczas nurkowania, naukowcy wykorzystali procedurę translokacji opracowaną przez laboratorium Costy. Młode samice słoni morskich wyposażone w czujniki EEG i urządzenia śledzące zostały przetransportowane z Año Nuevo do Monterey i wypuszczone na plażę na południowym krańcu zatoki Monterey. W ciągu następnych kilku dni zwierzęta płynęły z powrotem do Año Nuevo przez głęboki kanion Monterey, gdzie ich zachowanie podczas nurkowania jest bardzo podobne do obserwowanego podczas znacznie dłuższych wypraw żerowych na otwartym oceanie.
Dysponując danymi na temat aktywności mózgu i zachowania nurkowego 13 młodych samic słoni morskich, w tym łącznie 104 nurkowań podczas snu, Kendall-Bar opracował bardzo dokładny algorytm do identyfikowania okresów snu na podstawie samych danych nurkowych. Umożliwiło jej to oszacowanie limitów snu dla 334 dorosłych fok na podstawie danych nurkowych zarejestrowanych przez kilka miesięcy podczas ich wypraw w poszukiwaniu pożywienia.
„Dzięki zbiorowi danych, którego kuratorem był Dan Costa przez 25 lat pracy ze słoniami morskimi w Año Nuevo, byłem w stanie ekstrapolować nasze wyniki na ponad 300 zwierząt i uzyskać spojrzenie na zachowanie podczas snu na poziomie populacji” – powiedział Kendall-Bar, który teraz planuje zastosować podobne metody do badania aktywności mózgu innych gatunków fok i lwów morskich oraz ludzi nurkujących na wolności.
Williams nazwał pracę Kendall-Bar nad projektem tour de force. „To niesamowity wyczyn, aby to zrobić” – powiedziała. „Opracowała system EEG do pracy na zwierzęciu nurkującym kilkaset metrów w oceanie. Następnie wykorzystuje dane do tworzenia animacji opartych na danych, dzięki czemu możemy naprawdę zwizualizować, co robi zwierzę, gdy nurkuje w słupie wody”.
Wyniki mogą być pomocne w działaniach ochronnych, ujawniając „senny krajobraz” preferowanych miejsc odpoczynku, powiedział Williams. „Zwykle troszczymy się o ochronę obszarów, w których zwierzęta idą się pożywić, ale być może miejsca, w których śpią, są równie ważne, jak każde inne krytyczne siedlisko” – powiedziała.
Oprócz Kendall-Bar, Costy i Williamsa współautorami artykułu są Daniel Lozano, Rachel Holser, Theresa Keates, Roxanne Beltran, Patrick Robinson i Taiki Adachi z UC Santa Cruz; Ritika Mukherji z Uniwersytetu Oksfordzkiego; Julie Pitman z Sleep Health MD w Santa Cruz; Daniela Crockera z Sonoma State University; Olega Lyamina z UCLA; oraz Alexei Vyssotski na Uniwersytecie w Zurychu i Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii. Ta praca została częściowo sfinansowana przez National Science Foundation i Office of Naval Research.
Wideo: https://youtu.be/df6iXzw8-vk