Как дельфины задерживают дыхание при глубоких погружениях?

При глубоких погружениях за добычей у дельфинов останавливается дыхание и замедляется сердцебиение, но они сохраняют способность охотиться. Механизм этого явления до конца не изучен, поскольку ранее не удавалось измерить уровень насыщения крови кислородом (сатурацию) во время таких погружений. Существующие методы сбора данных — например, использование неопреновых ремней с мониторами сердечного ритма — были ограниченными.

Этой весной исследователи из Университета Дьюка разработали новые датчики для сбора этой жизненно важной информации. Они работают по принципу пульсоксиметра: свет отражается через дерму в богатую кровью ткань и возвращается на фотодетектор на поверхности кожи. Датчик включает «солёноводный выключатель», который определяет, когда начинать и прекращать запись данных, а также когда передавать информацию исследователям по беспроводной связи. Устройство должно быть лёгким, энергоэффективным и помещаться внутри присоски размером с блюдце, которая крепится к телу животного.

Особенность проекта в том, что датчики разработали не профессора, а студенты-бакалавры курса по проектированию в области электротехники и вычислительной техники (Electrical and Computer Engineering, ECE). Курс, который уже 23 года ведут профессор Нэн Джокерст и доцент Мартин Брук, синтезирует фундаментальные знания ECE через практические задачи.

В этом семестре они сотрудничали с Дейвом Хаасом, аспирантом в области морских наук и охраны природы, чьи исследования сосредоточены на измерении вариабельности сердечного ритма и сатурации у китообразных (дельфинов, китов и морских свиней). Хаас выступил в роли ассистента преподавателя, а работы студентов используют в его собственном проекте по созданию датчиков физиологии китообразных, которые также включают датчики давления и акселерометры для отслеживания глубины и ориентации тела животного.

«Я совершил скачок вперёд благодаря их работе, — сказал Хаас. — Я могу взять их био-оптические конструкции датчиков, интегрировать их с моей системой меток и сбора данных и использовать на живых дельфинах».

Студенты, в свою очередь, получили доступ к уникальным ресурсам, например, к образцам кожи дельфина из Университета Северной Каролины в Уилмингтоне, хранящимся в морозильной камере Duke's Shared Materials Instrumentation Facility. Это позволило тестировать датчики на реальной ткани, оценивая, например, соотношение сигнал/шум и прохождение света через толстую кожу дельфина.

Студенты работали в командах над прототипами, соревнуясь в создании наиболее экономичного датчика с самым низким энергопотреблением, малым размером и лучшей производительностью. Они также столкнулись с реальными производственными проблемами: сроками поставки компонентов, ошибками в заказах и жёстким графиком еженедельных презентаций перед «высшим руководством» — своими преподавателями.

Несмотря на высокую нагрузку, обе команды превзошли ожидания, получив высшие баллы и бонусные очки за дизайн и работу датчиков на финальной демонстрации. Студентка Кимберли Эддлман отметила ценность еженедельных отчётов и руководства Хааса: «Без такого amazing наставника, как Дейв, всё заняло бы больше времени и было бы более стрессовым. Мы могли обсуждать с ним идеи и задавать вопросы, ответы на которые не могли найти в интернете».