Antarktický tučňák císařský se dokáže za potravou ponořit i na více než 20 minut. Zvládne i hloubku  300 metrů, aniž by trpěl dekompresní nemocí nebo rozsáhlým poškozením tkání. Umí totiž pod hladinou „přepnout“ svůj metabolismus tak, aby fungoval bez kyslíku. Vědci jsou fascinováni jeho efektivitou.

Američtí vědci nedávno  zveřejnili svůj fascinující a inspirativní objev – tučňák dokáže regulovat a přepínat svůj metabolismus a efektivně hospodařit s kyslíkem. Výzkum zvláštních schopností tučňáků, které jim umožňují bez poškození přežívat dlouhé doby bez kyslíku hluboko pod vodou, nezajímá jen zoology, ale i lékaře.

Ti si totiž od výzkumu slibují nápovědu, jak minimalizovat rizika poškození lidských tkání při narkóze.

Bez-křídla-potápěč

Potápěčské schopnosti tučňáků jsou fascinující. Největšího z nich, právě tučňáka císařského popsal v roce 1844 anglický zoolog George Robert Gray, který jeho rodové jméno Aptenodytes sestavil ze starořeckých slov „a-ptēno-dytēs“ („bez-křídla-potápěč“).

Tučňáka císařského můžete vidět, jak se jako závodní plavec zhluboka nadechuje na okraji otvoru v ledu a připravuje se na potápění. Poslední doušek vzduchu, tučňák mizí pod hladinou zelené ledové vody a – objeví se znovu až téměř za půl hodiny. Jak to dokáže?

Kde má tučňák přepínač?

Tučňák zpočátku udržuje dostatek kyslíku ve třech systémech – v krvi, plících a v myoglobinu (podobně jako hemoglobin v krvi přenáší myoglobin kyslík ve svalech), aby mohl fungovat metabolismus, který využívá kyslík (tzv.

aerobní metabolismus). Pak ale tučňák změní názor a metabolismus přepne na anaerobní (ten který kyslík nepotřebuje). Asi 5,6 minuty po opuštění povrchu se začne v krevním oběhu tučňáka objevovat sůl kyseliny mléčné, laktát.

To znamená, že tučňák některé tkáně přepíná na tzv. „anaerobní potápěcí režim“. Tedy na regulérní anaerobní metabolismus. Jak tučňákům přepínač funguje?

Kyslíku pořád na rozdávání

Cassondra Williamsová ze Scripps Institution of Oceanography Kalifornské univerzity v San Diegu vysvětluje, že jejich hypotéza vycházela z toho, že tučňáci přepínají svůj metabolismus, až když se dostanou na „aerobní rozhraní“. Tedy když se jeden ze tří kyslíkových „okruhů“ zcela vyčerpá.

Když fyziologové měřili hladiny kyslíku v krvi a plicích tučňáků po dlouhé době pod vodou, byli však překvapeni. Zjistili totiž, že tučňák má kyslíku na rozdávání. Cassondra Williamsová se svými kolegy přišla na to, jak je to možné.

Po potopení zvířata izolují své svaly od oběhového systému, takže kyslík uložených ve svalových tkáních zůstává jediným zdrojem aerobního metabolismu. Pokles jeho koncentrace pak zafunguje jako signál k přechodu na anaerobní dýchání.

Malý přístroj pod kůží

Antarktická expedice se pak vydala ověřit svou hypotézu a měřit hladinu svalového kyslíku u tučňáků císařských potápějících se ve svém přirozeném prostředí. Na expedici se vědci důkladně připravili, zpracovali a prověřili metodu pro měření koncentrace svalového kyslíku u tučňáků potápějících se ve volné přírodě.

Jako základní princip využili spektrofotometrii, tedy měření koncentrace látky v roztoku na základě pohlcování světla v různých vlnových délkách spektra.

Po dvou letech technického vývoje a testování byla kompletní metoda připravena k použití. Vědci pak chirurgicky vložili spektrofotometry odchyceným tučňákům pod kůži do prsních svalů, které při plavání podávají největší výkon.

Malý přístroj nijak neomezoval tučňáky v pohybu a navíc byl díky přídavnému zařízení schopen zaznamenávat čas a hloubku potápění. To umožňovalo vědcům vytvořit si detailní představu o změnách sledovaných parametrů v průběhu jednotlivých ponorů.

Korupce v Antarktidě

Vědci navíc dokázali přesvědčit tučňáky, aby se s voperovanými přístroji vraceli na stejné místo, což – jak s nadsázkou tvrdili – byl stejně těžký úkol jako příprava celé expedice. Vsadili na uspokojení základních potřeb a u vyvrtané díry v ledu tučňákům dva dny podstrojovali vybranou krmi.

Jejich odhad byl správný. Poté, co se tučňáci s přístroji potápěli dostatečně dlouho, se skutečně podařilo je do jednoho odchytit na původním místě a přístrojů s cennými naměřenými údaji je bez újmy na zdraví zbavit.

Tučňáky vědci ošetřili a odškodnili mimořádnou porcí lahůdek a poté je vrátili do jejich kolonií. Další práce spočívala v analýze dat z padesáti ponorů a prvním překvapením bylo zjištění, že v 31 případech doba ponoru překročila předpokládaný limit.

Všechno podle předpokladů…

Cassondra Williamsová překreslila pak data jednotlivých naměřených profilů do podoby grafu. S překvapením zjistila, že se v nich objevují křivky dvou typů. Podle toho, jak vypadal průběh první z nich, se potvrdilo, že hladina kyslíku ve svalech tučňáků se opravdu snižuje spojitě.

Postupně a plynule se od počátku snižuje až do okamžiku, kdy ptáci dosáhnou hranice aerobního rozhraní. „Tento profil samozřejmě podporuje hypotézu, že koncentrace svalového kyslíku je spouštěč pro přepnutí do anaerobního režimu,“ konstatuje Williamsová.

… nebo ne tak docela?

Druhý typ grafu ale vědce mírně překvapil. Poté, co zpočátku křivka grafu vypovídala o poklesu hladiny svalového kyslíku, následovalo pak tzv. plató, tedy fáze, během níž se koncentrace svalového kyslíku neměnila.  Teprve po několika minutách poklesla téměř na nulu.

Tučňáci však po celou dobu plavali a není pravděpodobné, že by kyslík nespotřebovávali. To znamená, že do svalu musel být během onoho krátkého období setrvání na stejné hodnotě kyslík přinášený krví. Není zatím zcela jasné, proč se to děje, ale ani toto zjištění není nijak v rozporu s původním předpokladem.

Narkóza podle tučňáků

Cassondra Williamsová také spočítala spotřebu kyslíku při ponoru a podle svých slov byla ohromena. Podle naměřených dat došla k číslu 12,4 ml kyslíku na kilogram svalové hmoty za minutu. To byla desetina hodnoty propočítané pro tučňáky v umělých nádržích a jen dvoj- až trojnásobek jejich bazálního metabolismu.

„Myslím, že účinnost metabolismu tučňáků je impozantní. Můžete vidět, jak tvrdě pracují pod vodou, ale jsou to nesmírně efektivní plavci a dokonale využívají všechny hydrodynamické zákony,“ říká Cassondra Williamsová.

Nejstrašnější expedice na světě

Fascinace tučňáky císařskými se datuje do počátku 20. století. V mylném přesvědčení, že vývoj embrya tučňáka císařského by mohl vrhnout světlo na evoluční vztahy mezi plazy a ptáky, se vydali tři britští průzkumníci mezi 27. červnem a 2. srpnem roku 1911 na saních se psím spřežením do nekonečné tmy a nesnesitelného chladu antarktické zimy.

Chtěli v místě hnízdění tučňáků, na Cape Crozier, získat jejich vejce s vyvíjejícími se embryi. Popis expedice jako „nejhorší cesty na světě“ se stal klasickým výrokem polární literatury. „Zkoumání Antarktidy je málokdy tak špatné, jak si to představujete,“ napsal autor cestopisu Apsley Cherry-Garrard.

„Ale na popis této cesty nestačí náš slovník: žádné slovo nemůže vyjádřit takový horor.“ Tři vejce sice dovezli nerozbitá, ale teorie se nepotvrdila a vědecký přínos nakonec neměla expedice žádný.

Tučňák císařský je, když:

je nejvyšší (až 122 cm) a nejtěžší (až 45 kg) ze všech tučňáků

dožívá se průměrně 20 let, ale prý žijí i padesátiletí kmeti

dávno vyřešil spory obou pohlaví, samci i samice mají stejnou velikost i barvu

snáší jedno vejce ročně, ze kterého se asi po dvou měsících líhne mládě vážící 315 g

během období rozmnožování, kdy samec dva měsíce antarktické zimy chrání vejce před mrazem, prakticky nejí

s potápěním pomáhají tučňákům i kosti, na rozdíl od létavých ptáků je nemají vyplněné vzduchem ale kompaktní, těžké

ani na suchu není tak nemotorný jak by se mohlo zdát, když se sklouzne na ledu po břiše, jezdí s překvapující lehkostí jako závodní boby

nejstarší známý fosilní nález předka dnešních tučňáků Waimanu manneringi z Nového Zélandu je starý 61,6 milionu let (střední paleocén)