Пламенный насос. Естественная история сердца - Билл Шутт

Система, конечно, изящная, но, как объяснил Лесли и мне эксперт по мечехвостам, профессор зоологии Университета Нью-Гэмпшира Уин Уотсон, кровообращение мечехвостов поддерживается работой другой системы органов и в манере, которая выглядит довольно знакомой. Открытие это началось с наблюдения, что так называемые листоватые жабры мечехвостов колеблются туда-сюда в ритме, который синхронизирован с движением крови в перикардиальной полости.

Когда Уотсон описывал механику процесса, я вспомнил статью о скачущих лошадях, которую читал во время подготовки докторской диссертации в Корнелле в 1990-х годах. В том исследовании функциональные морфологи Деннис Брэмбл и Дэвид Кэрриер предположили, что во время галопа (аллюр, при котором все четыре ноги одновременно отрываются от земли) сопутствующее движение печени лошади вперед-назад в брюшной полости превращает этот массивный орган в «висцеральный поршень», который помогает процессу дыхания и, следовательно, эффективному обмену кислорода и углекислого газа17.

Брэмбл и Кэрриер предположили, что, когда громоздкая печень скользит назад (см. рис. А), она тянет за собой и куполообразную диафрагму, к которой прикреплена связкой. Поскольку диафрагма составляет заднюю стенку грудной полости (герметичной камеры, окружающей легкие и сердце), объем этого пространства при движении диафрагмы увеличивается. Физика говорит нам, что, когда пространство становится больше, давление воздуха внутри его уменьшается – в данных условиях это означает, что атмосферное давление воздуха снаружи лошади внезапно становится выше, чем давление внутри грудной полости. Воздух устремляется в рот и нос, чтобы выровнять давление, таким образом помогая наполнить легкие, когда лошадь вдыхает.

Звучит знакомо? Это соотношение объема и давления – именно то, что помогает опорожнить наше сердце от крови во время желудочковой систолы, когда сокращение желудочков увеличивает давление, вытесняя кровь из сердца. Во время желудочковой диастолы происходит прямо противоположное. Когда желудочки расслабляются, давление внутри их падает, объем увеличивается, и камеры наполняются кровью, поступающей из предсердий.

Держа это в уме, легко понять, как работает висцеральный насос во время выдоха. Брэмбл и Кэрриер объяснили, что, когда передние конечности лошади выбрасываются вперед (см. рис. А и Б), печень движется в том же направлении, ударяясь о диафрагму и заставляя ее также смещаться вперед. Это уменьшает объем грудной полости и, как вы поняли, увеличивает давление внутри ее. Давление сжимает легкие лошади, как рука выжимает воду из губки. Но вместо воды сжатые легкие выдавливают в атмосферу насыщенный СО2 воздух[33].

Так в чем же смысл этого приспособительного механизма? Как мы уже поняли, мышечное сокращение требует энергии. Согласно Брэмблу и Кэрриеру, ключевое преимущество висцерального поршня заключается в том, что во время скачки вдох и выдох происходят с меньшими затратами энергии для лошади.

Точно так же кровь мечехвоста возвращается к сердцу благодаря листоватым жабрам, которые уже заняты тем, что обмениваются кислородом и углекислым газом с водной средой. Подобно возвратно-поступательным движениям лошадиной печени, возвратно-поступательные движения жабр мечехвоста направляют кровь к перикарду, тем самым уменьшая энергию, необходимую для ее перемещения.

Открытые системы кровообращения долгое время считались относительно простыми и поэтому в какой-то мере неэффективными. Но, как мы только что видели на примере довольно сложной работы кровеносной системы мечехвоста, это не так. На самом деле подобное мнение – всего лишь еще одно неудачное предубеждение, неспособность увидеть красоту почти в любом организме, который не носит джинсы и сотовый телефон[34].

Еще одна сложная и уникальная особенность кровеносной системы мечехвоста связана с иммунитетом. У беспозвоночных нет эквивалента приобретенного иммунитета млекопитающих: той части иммунной системы, в которой специализированные клетки, лимфоциты, и частицы белка, антитела, распознают чужеродных захватчиков, наподобие бактерий, грибов и других патогенов, и борются с ними. Этот иммунный ответ выключается (или «подавляется»), как только захватчики исчезают, но остаются клетки памяти, которые могут быстро запустить иммунный ответ, если снова столкнутся с тем же патогеном. Вот почему, к примеру, вы не заразитесь дважды одним и тем же штаммом гриппа – ваш уже запущенный иммунный ответ уничтожает патоген, и вы не заболеваете снова. Хотя иммунные системы беспозвоночных различны, ученые теперь понимают: по-своему они весьма впечатляющи. Например, мечехвосты развили собственную версию иммунных клеток. И хотя эти клетки не похожи ни на что, виденное у людей, они, несомненно, спасли тысячи человеческих жизней.

Впервые атлантический мечехвост приобрел медицинскую значимость в 1956 году. Именно тогда патобиолог Океанографического института Вудс-Хоул Фред Бэнг обнаружил, что определенные виды бактерий заставляют кровь мечехвостов сворачиваться в тягучие массы. Он и его коллеги предположили, что это древняя форма иммунной защиты18. В конце концов, они выявили, что за образование сгустка отвечает тип клеток крови под названием «амебоциты»[35] 19. Как следует из названия, они напоминают амеб, каплевидных одноклеточных простейших, которые сделали столь популярными ложноножки и столь непопулярной дизентерию.

Бэнг и последующие исследователи предположили, что способность амебоцитов к свертыванию крови развилась в ответ на богатую бактериями и патогенами жижу, в которой мечехвосты ползают почти всю жизнь. Их армия кровеносных амебоцитов может отгородиться от чужеродных захватчиков, изолируя тех в тюрьмах из желатиновой слизи, прежде чем они смогут распространить инфекцию.

В результате мечехвосты не только устойчивы к болезням, но и обладают впечатляющей способностью выживать при экстремальных физических повреждениях. Самые смертоносные раны быстро закупориваются сгустками амебоцитов, что позволяет раненым экземплярам вести себя так, как будто не они только что потеряли кусок оболочки размером с кулак от винта лодочного мотора. Эта уникальная система защиты и восстановления, возможно, хотя бы отчасти ответственна за то, что мечехвосты просуществовали почти 500 миллионов лет, пережив в общей сложности пять глобальных массовых вымираний.