Dinosaurusten kuoltua sukupuuttoon noin 65 miljoonaa vuotta sitten maapallon valtasivat nisäkkäät. Nisäkkäät asustivat aluksi ainoastaan maalla, ja niiden monimuotoisuus lisääntyi ajan kuluessa. Maalla asusti tällöin mm. sorkkaeläimiä muistuttava nisäkäsryhmä, jota kutsutaan nimellä Mesonichydae; tähän ryhmään kuului useita eri lajeja, ja jotkut näistä pienistä tai keskisuurista nisäkkäistä alkoivat viihtyä yhä kosteammilla elinalueilla.

Dinosaurusten kuoltua sukupuuttoon elintilan valtaus tällaisilta uusilta ranta-alueilta oli helppoa, ja niinpä ne levittäytyivätkin laajoille alueille merenrantamatalikoille. Nämä vedessä osittain viihtyvät valaiden esi-isät alkoivat käyttää ravinnokseen pikkueliöitä ja kalaa, jota tuolloinkin oli saatavilla runsaasti. Näille nisäkkäille kehittyi sopeutumia, jotka helpottivat niiden liikkumista, saalistamista ja tärkeitä elintoimintoja merellisessä ympäristössä.

Tämä teoria nisäkkäiden maalta merelle siirtymisestä sai vahvistusta muutama vuosi sitten, kun Pakistanista löydettiin yli 50 miljoonaa vuotta vanhoja fossiileita. Niistä toiset muistuttivat enemmän maanisäkkäitä, toisille oli jo kehittynyt selviä merinisäkkäille ominaisia sopeutumia merielämään. Yhteistä näille fossiileille oli se, että ne olivat selvästi valaiden ja maalla elävien nisäkkäiden välimuotoja.

Näillä meren rannikot vallanneilla nisäkkäillä ei ollut muita kilpailijoita, ja ruokaa oli yllin kyllin saatavilla, joten ne valtasivat merestä yhä enemmän elintilaa. Jotkut niistä siirtyivätkin kokonaan meressä eläviksi. Näin nisäkkäät olivat vallanneet elintilakseen aivan uuden valtakunnan: meren.

Ensimmäisiä kokonaan meressä eläviä valaiden esi-isiä kutsutaan Archaeoceteiksi. Niiden pääkallo muistutti matelijoiden pääkalloa ja niillä oli raajojen sijasta evät. Ruumiinrakenne oli käärmemäinen ja ne saattoivat kasvaa jopa 20 metrin pituisiksi.

Kun meri oli kokonaisuudessaan vallattu, alkuvalaiden elintavat ja luonnonvalinta alkoi muokata niiden kehitystä eri suuntiin.

Noin 25 miljoonaa vuotta sitten kantamuoto Archaeoceti olikin kuollut sukupuuttoon, ja tilalle oli kehittynyt kaksi toisistaan selvästi poikkeavaa ryhmää: hammasvalaat (Odontoceti) ja hetulavalaat (Mysticeti). Nämä muistuttivat jo paljon nykypäivän valaita, ja pikkuhiljaa näihin alalahkoihin kehittyi yhä uusia lajeja, jotka ryhmittyivät uusiksi suvuiksi ja heimoiksi. Nykyään merissä uiskentelee miltei 80 erilaista valaslajia. Kuva: Harmaavalas.

Valaiden evoluutio

Kun valaiden esi-isät olivat siirtyneet merielämään, alkoi niistä erottua toisistaan poikkeavia tyyppejä. Toiset olivat petomaisia, niillä oli hampaat ja ne söivät suurikokoisempaa ravintoa kuin toiset, jotka käyttivät ravintonaan pääasiassa merten pieneliöstöä. Tällä tavalla varmistui se, että kaikille riitti ruokaa rajallisessa ekosysteemissä, joka merikin on.

Valaiden päivittäinen ruoantarve on erittäin suuri. Niinpä, jos kaikki tyypit olisivat käyttäneet amoja ruokaresursseja hyväkseen, niille olisi ennen pitkää voinut tulla pulaa ruoasta. Mutta eri tyypit erikoistuivatkin erilaiseen ravintoon, ja niille kehittyi adaptaatioita eli sopeutumia juuri tietynlaisen ravinnon syömiseen. Näin samalla alueella kykeni elämään monenlaisia lajeja, eikä kenellekään tullut kilpailua ravinnosta. Näin kehittyivät hammas- ja hetulavalaat, sekä sukupuuttoon jo kuolleet archaeocetit.

--ylös-

--- Sopeutumat

Tutkittaessa valaan luurankoa yhtäläisyydet maanisäkkäisiin ovat selvät; valailla on vielä ruumiin takaosassa lonkkaluun jäänteet, jotka ovat säilyneet muistona miljoonien vuosien takaisesta maalla elämisestä ja nelijalkaisuudesta.

Kaikilla valailla on eturaajoissaan edelleenkin jäljellä kaikki luun osat, jotka muodostavat maanisäkkäiden eturaajat, mutta ne ovat lyhentyneet ja muotoutuneet melamaisiksi ulokkeiksi, rintaeviksi. Sanotaankin, että meri-ja maanisäkkäiden eturaajat ovat homologisia, samansyntyisiä. Pyrstön alkuosassa on jäänteitä maanisäkkäiden hännästä.

Maanisäkäslajeilla on miltei poikkeuksetta suojanaan karvapeite; valailta tämä suoja on hävinnyt, sillä vedessä eläessä on tärkeää olla virtaviivainen, ja karvapeite vaikuttaisi suuresti uimistehokkuuteen. Valaille kehittyikin suojakseen paksu nahkan alainen rasvakerros, jota parempaa eristettä ei vesiolosuhteissa voisi olla. Kokonaan ei karvapeite valailtakaan sentään ole hävinnyt; esimerkiksi delfiinin poikasilla on vielä syntyessään kuonossaan viiksikarvoja, jotka häviävät pikkuhiljaa syntymän jälkeen.

Virtaviivaisuutta valailla on lisännyt myös se, että niiden korvalehdet ovat surkastuneet, ja silmien takana on vain pienet korva-aukot.

Kuva: Nuoli osoittaa delfiinin korvaa.

Korvalehdet ovat vesiympäristössä muutenkin tarpeettomat. Maanisäkkäillä korvalehti toimii ympäristön äänien kerääjänä ilmasta ja niiden korvaan ohjaajana, mutta vesi johtaa ääniä niin hyvin, että tällaista keräintä ja ohjainta ei tarvita.

Koska valaat hengittävät keuhkoilla, mutta ovat suurimman osan ajastaan sukelluksissa, on hapenoton ja -käytön oltava tarkoituksenmukaista. Valailla sieraimet ovatkin siirtyneet ajan kuluessa päälaelle, jolloin hapenottoprosessi on nopeutunut ja helpottunut. Hetulavalailla on säilynyt kaksi sierainaukkoa, hammasvalailla niitä on vain yksi.

Valaat ovat myös mestarisukeltajia; niille riittää keuhkollinen ilmaa pitkiinkin sukelluksiin, sillä ne voivat varastoida lihaksiensa happea sitovaan proteiiniin, myoglobiinin, ja veren punasolujen hemoglobiiniin runsaasti happea. Hapen käyttö tehostuu edelleen, kun verenkierto ohjautuu vain niille elimille, joille on elintärkeää saada jatkuvasti happea; esim. aivoihin ja sydämeen. Sydämen lyöntitiheys hidastuu sukelluksissa, mikä vähentää hapenkulutusta.

Paine lisääntyy veden pinnalta syvemmälle mentäessä jokaista kymmentä metriä kohti 1 barin. Koska valaat voivat sukeltaa jopa parin kilometrin syvyyteen, on valaiden elimistön kestettävä hyvinkin korkeaa painetta.

Sukeltajan tauti, joka uhkaa ihmissukeltajia syvästä vedestä liian nopeasti noustessa, on valaille tuntematon; typpikuplat, joita vereen voi syntyä äkillisessä pintaan nousussa, hajoavat valaiden elimistössä vaarattomiksi. Typen määrä valaiden elimistössä ei muutenkaan nouse sukelluksen aikana, sillä ne käyttävät ainoastaan sen ilman, jonka pinnalta sukeltamaan lähtiessään keuhkoihin hengittävät. Ihmissukeltajillahan typen määrä sukelluksen aikana nousee, sillä koko ajan keuhkoihin hengitetään paineilmalaitteista uutta ilmaa, joka koostuu hapesta (21 %), typestä (78%) ja muista kaasuista (1%).

--ylös-

--- Mestarisukeltajat

Merinisäkäslajit hylkeistä jättiläismäisiin valaisiin elävät monenlaisilla elinalueilla, ja elintavatkin ovat monenkirjavia. Yksi asia niille kaikille kuitenkin on yhteistä: kaikkien on noustava pintaan aika ajoin hengittämään happea.

Vasta viime aikoina on alettu paremmin ymmärtää nisäkkäiden sukellusfysiologiaa: miten on mahdollista, että merinisäkäs, esim. valas, pystyy yhden hengenvedon turvin sukeltamaan satojen metrien syvyyksiin, nappaamaan saaliin täydellisessä pimeydessä, syömään sen, ja vasta sitten palaamaan takaisin pinnalle vetämään muutaman hengenvedon ennen uutta sukellusta? Tärkeimmät tämän mahdollistavat tekijät ovat hyvä hapen varastointikyky, hapenkulutuksen minimointi ja korkeiden hiilidioksidimäärien sietäminen.

--- Hapen varastointi

Merinisäkkäät joutuvat pidättelemään henkeään pitkiä aikoja. Lajista riippuen hengitysten välillä voi olla minuutteja tai jopa tunti. Niinpä on selvää, että pitkille sukelluksille ei pieni määrä happea riittäisi: sitä on jollain tapaa pystyttävä varastoimaan elimistöön.

Hapen varastointikyky paranee suuren verimäärän ansiosta: merinisäkkäillä on verta paljon suurempi määrä suhteessa ruumiinpainoonsa kuin maanisäkkäillä. Täten myös happea sitovaa hemoglobiinia sisältäviä punasoluja on merinisäkkäillä suhteessa enemmän kuin muilla nisäkkäillä.

Merinisäkkäiden lihaksissa on hapensitomiskykyisiä myoglobiinimolekyylejä kymmenen kertaa enemmän kuin maanisäkkäillä. Täten pitkienkin sukellusten aikana lihakset säilyvät toimintakykyisinä saadessaan myoglobiiniin varastoitunutta happea käyttöönsä. Suurin osa hapekkaasta verestä nimitäin pakkautuu elintärkeiden elinten, aivojen ja sydämen ympärille, ja näin verenkierto lihaksissa heikkenee. Kun myoglobiiniinkin sitoutunut happi on käytetty, lihakset jatkavat toimintaansa anaerobisesti (ilman happea) maitohappokäymisen avulla. Ihmisillä maitohappokäymisen kuona-aineena syntyy maitohappoa, joka kerääntyy lihaksiin ja aiheuttaa voimakkaita lihaskipuja ja kramppeja. Merinisäkkäiden maitohaponsietokyky on kuitenkin erittäin hyvä, joten niiden lihakset kykenevät toimimaan pitkäänkin anaerobisesti.

--ylös-

--- Hapenkulutuksen minimointi

Merinisäkkäiden elimistö reagoi rajoittuneeseen hapensaantiin hapensäästömekanismeilla:

1. Sukelluksen aikana aineenvaihdunta hidastuu ja siirtyy "säästöliekille", jolloin hapenkulutus vähenee.
2. Sydämen lyöntitiheys hidastuu 10- 50 % normaaliin lepopulssiin verrattuna. Tämä bradykardiaksi nimetty tila helpottaa
3. hapekkaan veren virtauksen keskittymistä vain elintärkeille elimille, aivoille ja sydämelle.

Sydän ja aivot ovatkin hyvin herkkiä hapenpuutteelle, jo muutaman minuutin hapenpuute voi olla kohtalokas. Muut, vähemmän elintärkeät elimet voivat tulla toimeen ilman happea pitempiä aikoja ilman vahinkoa. Verenvirtauksen keskittyminen vain tietyille alueille osaltaan vähentää hapenkulutusta.

Bradykardiaa esiintyy myös ihmisillä silloin, kun kasvot tai koko keho joutuu vedenpinnan alapuolelle. Selvimmin tila ilmenee jääkylmässä vedessä

--- Veren korkeiden hiilidioksidipitoisuuksien sietäminen

Hapen varastointikyvyn lisäksi merinisäkkäiden on kestettävä korkeita hiilidioksidipitoisuuksia veressään pystyäkseen olemaan sukelluksissa pitkiä aikoja.

Maanisäkkäiden hengittäessä happi siirtyy keuhkorakkuloiden kautta verenkiertoon ja sieltä hiussuonien kautta elimille, jossa se käytetään hyväksi soluhengityksessä. Soluhengityksen kuona-aineena syntyy hiilidioksidia (CO2), joka poistuu verenkierron kautta keuhkoihin ja uloshengityksen mukana ulos. Hiilidioksidin määrä veressä määrää hengitysrytmin; kun taso veressä kohoaa tietyn kynnysrajan yläpuolelle, viesti kulkee hengityskeskukseen ja aiheuttaa sisäänhengitysrefleksin. Siksi emme voi pidättää hengitystä tiettyä aikaa pidempää, vaan hengitys tapahtuu refleksinomaisesti veren hiilidioksidipitoisuuden määräämänä.

Merinisäkkäillä hiilidioksidinsietokynnys on korkea, eli hengitysrefleksi laukeaa vasta hyvin korkeissa veren hiilidioksidipitoisuuksissa, joten ne voivat pidättää hengitystään ja näin olla sukelluksissa paljon pidempiä aikoja.

--ylös-

--- Miten merinisäkkäät välttyvät sukeltajantaudilta?

Meren pinnan tasolla ilmanpaine on 1 bar, joka vastaa ilmakehän painetta. Sukellettaessa veden pinnan alapuolelle paine kasvaa 1 barilla jokaista syvemmälle mentyä 10 metriä kohti. Kun paineilmalaitteilla sukeltava ihminen on esimerkiksi 14 metrin syvyydessä, häneen kohdistuu 2.4 ilmakehän (bar) paine, joka on merenpinnalla olevaa painetta 1.4 baria korkeampi. Kun sukeltaja nousee pintaa kohti, paine alenee pikkuhiljaa ( jokaista noustua 10 metriä kohden 1 baria). Jos sukeltaja kuitenkin nousee pintaan liian nopeasti, alenee paine liian nopeasti, ja sukeltajaa saattaa uhata sukeltajantauti.

Sukeltajantauti voi syntyä, kun sukeltaja hengittää kovassa paineessa ilmaa paineilmalaitteistaan. Hengitysilmasta liukenee vereen hapen lisäksi myös typpikaasua. Jos sukeltaja nousee pintaan liian nopeasti, jolloin paine alenee nopeasti, ei vereen liuennut tyyppi ehdi poistua hengityksen mukana pois, vaan muodostaa vereen kuplia. Nämä typpikuplat saattavat rikkoa hiussuonia, aiheuttaa eriasteisia nivelkipuja, tai mikä vaarallisinta, estää verenvirtauksen aivoihin. Sukeltajantauti voi olla hengenvaarallinen, ja se on aina hoidettava painekammiossa, missä typpikuplat saadaan poistettua verestä painetta hitaasti alentamalla.

Merinisäkkäillä ei ole sukeltajantaudin vaaraa, koska ne eivät hengitä sukelluksissa ollessaan koko ajan uutta ilmaa keuhkoihinsa, vaan pidättävät pinnalla ottamaansa ilmaa keuhkoissaan. Tällöin myös vereen liukeneva typpimäärä pysyy tietyissä rajoissa, eikä riitä aiheuttamaan vereen typpikuplia.
Vaikka useat asiat merinisäkkäiden sukellusfysiologiassa onkin selvitetty, on asiassa vielä paljon tutkittavaa. Tutkijat ovat kehittäneet apuvälineiksi mm. satelliittilähettimiä, joiden avulla saadaan tietoa sukeltavan eläimen fysiologisista muutoksista ja käyttäytymisestä sukelluksen aikana.

--- Tehtävä ---

--ylös-