Пламенный насос. Естественная история сердца - Билл Шутт

Но, ребята, не поймите меня неправильно. Хотя у вас нет кровеносной и дыхательной систем и многие из вас ведут паразитический образ жизни, заражают 300 миллионов человек в год и испражняются изо рта, пожалуйста, знайте, что ничто из этого не должно заставить вас чувствовать неловкость[18]. Просто это книга не о вас – так что поговорим как-нибудь в другой раз, хорошо?

Ладно. Они ушли? Круто.

Теперь для тех из вас, кто немного толще в середине, чем наши крошечные друзья, и кто может жить где-то еще, кроме чьего-то кишечника или озерного ила. Вы должны знать, что во время вашего эволюционного пути от одноклеточных организмов до навозных жуков, пиявок и страховых агентов возникали реальные проблемы. Пожалуй, самая серьезная из них состоит в том, что диффузия плохо работает на больших расстояниях. На самом деле она не годится почти ни для чего толще миллиметра. Как следствие, сама по себе диффузия крайне неэффективна для перемещения жизненно важных веществ и отходов жизнедеятельности в существах с массивными трехмерными телами, состоящими из слоев толщиной в сотни и даже тысячи клеток.

Вы можете спросить, как же тогда организмы эволюционировали, чтобы стать такими большими?

Вопрос сложный.

Для начала я должен пояснить: из-за небольшого размера и мягкотелости чрезвычайно древних организмов, участвовавших в эволюционном процессе, ископаемая летопись тех времен довольно скудна. Тем не менее ученые считают, что первые многоклеточные формы жизни возникли где-то между 770 и 850 миллионами лет до нашей эры (до н. э.)7. К 600 миллионам лет до н. э. эволюционировала новая линия многоклеточных, которая могла похвастаться не только радиальной (то есть круглой) формой, но и одинаковыми правой и левой сторонами. А у их эмбрионов появился третий слой, добавившийся к ранее двуслойной планировке тела. Более древняя структура состояла из внешней эктодермы, которая развивалась в такие элементы, как кожа, нервная ткань, рот и анус, и более глубоко расположенной энтодермы, которой суждено было стать внутренней оболочкой пищеварительной и дыхательной систем. Недавно возникший третий слой, мезодерма, сформировался между первыми двумя и стал источником новых строительных блоков для более крупных и сложных организмов. В конечном счете он даст начало мышцам, соединительным тканям, таким как хрящи или жир, структурным элементам, таким как кости, и отнюдь не простому набору тканей, которые станут известны как сердце.

Следующий уровень организации после, собственно, клетки в многоклеточном организме – это ткань. Каждый тип ткани состоит из различных видов клеток и субстанции под названием «внеклеточный матрикс», находящейся снаружи этих клеток и между ними. Клетки и матрикс в ткани действуют сообща и слаженно, выполняя определенную функцию – или функции – например, поддерживают тело, преодолевая силу тяжести, или помогают жидкостям перетекать с места на место. Всего существует четыре типа тканей: соединительная (например, кровь, кости и хрящи), эпителиальная (которая покрывает поверхности тела и выстилает полые органы и кровеносные сосуды), нервная ткань (нейроны и их опорные клетки – глия) и мышечная. Существуют три подтипа мышечной ткани: гладкие мышцы (не контролируемые произвольно), скелетные мышцы (произвольно контролируемые) и сердечная мышца, которая, к счастью, тоже не контролируется произвольно, что освобождает нас от необходимости помнить о том, что сердце должно биться.

Следующий организационный уровень тела – это орган. Каждый из ваших органов выполняет как минимум одну определенную функцию, а часто намного больше. Каждый орган состоит по крайней мере из двух различных типов тканей, а некоторые более крупные органы, включая сердце, могут состоять из всех четырех типов. Хотя сердце, почки и печень проще воспринимать как органы, в эту категорию попадают и кровеносные сосуды, поскольку они состоят из эпителиальной, соединительной и мышечной тканей и выполняют функцию транспортировки и распределения крови.

На вершине этой иерархии организации тела находятся системы органов, такие как кровеносная или пищеварительная. Они состоят из множества органов, задействованных в какой-то общей функции или функциях. В случае нашей кровеносной системы органы – это сердце, артерии, капилляры и вены, участвующие в транспортировке крови по всему телу.

Как и другие органы, кровеносные сосуды состоят из слоев клеток. Мышечные клетки, чаще называемые мышечными волокнами или миоцитами, образуют внутренний слой, ограниченный с обеих сторон эпителиальной тканью. Когда мышечные волокна сокращаются, жидкость внутри сосуда сжимается и движется – представьте, что ваши пальцы сжимают центр вытянутого шара с водой. Ученые полагают, что именно так вода и в конечном счете кровь начали переноситься с места на место внутри организмов, которые с течением эволюционного времени становились все больше.

Как развивался этот процесс? По одной из гипотез, примерно 500 милионов лет назад некоторые клетки, получившиеся из свежевозникшей мезодермы какого-то неизвестного организма, развили способность уменьшать свою длину – то есть сокращаться. Чтобы это произошло, в какой-то момент сократительные белки внутри клетки должны были выстроиться рядом друг с другом. Получив источник энергии, эти белки (подобные актину и миозину, обнаруженным в мышцах человека, в том числе в сердечной мышце) начали скользить мимо друг друга в противоположных направлениях. Если миллионы молекул делали это одновременно, то клетки, в которых они собрались, сокращались вместе с окружающими структурами. Затем, когда сократительные белки скользили обратно в прежние положения, клетки расслаблялись и возвращались к своей изначальной, досократительной длине.

Однако 500 милионов лет назад первые сократительные клетки были намного проще, чем наши мышечные клетки – миоциты (или миофибриллы). Кроме того, они не могли впервые возникнуть в кровеносных сосудах, поскольку ни крови, ни сосудов, которые ее транспортируют, тогда не существоало – хотя, безусловно, существовала вода, и с ее помощью вещества могли перемещаться в организм и из него. Даже сейчас сократительные белки, которые находятся внутри нормальных клеток организма, образуют жизненно важную часть внутренней транспортной системы клетки. Ученые полагают, что у некоторых доисторических существ клетки, содержащие древние сократительные белки, могли собираться в трубки, образуя примитивные системы «кровообращения». Эти сократительные трубки позволили перемещать воду и вещества, содержащиеся в ней, – и, намного позже, кровь – с места на место внутри все более крупных организмов. С появлением таких новшеств, как система кровообращения с сократительным органом, новые «типы на районе» относительно быстро[19] разделялись на мириады форм, таких как сегментированные черви, моллюски и, через некоторое время, хордовые – подмножество которых, позвоночные, составляет подавляющее большинство читателей этой книги.