Билл Шутт - Пламенный насос. Естественная история сердца

Считается, что причина обладания относительно большим сердцем связана с образом жизни маленьких и гиперактивных. Например, колибри могут махать крыльями со скоростью 80 раз в секунду, а землеройки – настолько неустанные охотники, что, как мне объяснили в те дни, когда я был аспирантом в Корнеллском университете и специализировался на изучении млекопитающих, они умрут от голода, если их не вытащить из ловушки в течение часа. Маниакальное поведение этих крошечных животных вызывает чрезвычайно высокую потребность клеток как в энергии, так и в кислороде. Эти метаболические потребности удовлетворяются в том числе за счет увеличения частоты сердечных сокращений, что увеличивает и скорость, с которой насыщенная кислородом и питательными веществами кровь перекачивается в организм. В результате значения частоты сердечных сокращений поистине поражают. Частота сердечных сокращений колибри может достигать 1260 ударов в минуту, а землеройки держат рекорд среди позвоночных на уровне 1320 ударов в минуту – примерно в семь раз больше максимальной частоты сердечных сокращений 35-летнего человека.

Хотя это сногсшибательные цифры, возможность увеличения частоты сердечных сокращений не беспредельна, и исследователи считают, что существует максимальная частота, с которой может биться сердце. Для землеройки один удар сердца длится 43 миллисекунды – это 43 тысячных секунды. В течение этой доли секунды сердце должно наполниться венозной кровью, сжаться, выпустить ее и расслабиться, готовясь к следующему циклу наполнения. Все это должно происходить именно настолько быстро – и если землеройки и не находятся на верхнем пределе сердечного ритма, то они чертовски близки к нему. То есть если физическая конструкция сердца ограничивает его чем-то вроде максимума в 1400 ударов в минуту, то единственный способ прокачать больше крови – это увеличить размер сердца 4. Таким образом, бо́льшие камеры способны принимать и перекачивать относительно бо́льшее количество крови с каждым ударом [14] В человеке среднего роста содержится около 5 литров крови. В состоянии покоя сердечный выброс – примерно 5 литров в минуту, поэтому среднее время, которое требуется нашей крови, чтобы пройти полный цикл тела (от сердца к легким, обратно к сердцу, наружу к телу и обратно к сердцу), составляет примерно одну минуту. 5. Это объясняет сравнительно огромный размер сердца таких существ, как землеройки и колибри. Но, как мы скоро увидим, увеличение размера сердца у сверхмалышей тоже имеет свои пределы.

Но, прежде чем оставить в покое сердца синих китов в частности и китов вообще, следует подчеркнуть, что нам еще предстоит узнать гораздо больше: как именно эти сердца сжимаются и как их владельцы выживают, когда это происходит? Другие ныряющие млекопитающие, например тюлени, снижают частоту сердечных сокращений и перекрывают приток крови к различным областям тела. Обладают ли синие киты такими же кислородосберегающими приспособлениями? Предварительное изучение показывает, что такое возможно: недавнее исследование биолога Джереми Голдбогена и его коллег из Стэнфордского университета продемонстрировало, что частота сердечных сокращений синего кита может снижаться до двух ударов в минуту [15] Голдбоген и его команда с помощью присосок прикрепили монитор сердечного ритма к синему киту и смогли следить за сердечным ритмом животного в течение почти 9 часов. Они не стремились определить, перенаправляется ли кровоток в определенные области тела во время резкого падения частоты сердечных сокращений, которое они регистрировали. 6. Что касается анатомии, то остаются и другие серьезные вопросы, некоторые из них так же просты, как идентификация кровеносных сосудов в запутанном скоплении, прорастающем из ныне известного экспоната Королевского музея Онтарио. До тех пор пока не будут проведены дальнейшие исследования, большая часть физиологии сердца полосатиковых останется в области гипотез и предположений.

Для тех из вас, у кого тело меньше одного миллиметра в поперечнике: ничего существенного в этой книге о вас не сказано. Почему, спросите вы? Ответ заключается в том, что большая часть из уже описанного здесь и того, что последует далее, рассказывает о сердцах. По определению, сердце – это полый мышечный орган, который получает кровеносную жидкость из тела и ритмично откачивает ее обратно. В совокупности насос, жидкость и сосуды, по которым она движется, называются системой кровообращения… которой у вас нет. Благодаря вашему крошечному размеру питательные вещества и кислород могут распределяться по вашим клеткам (или клетке, если вы достаточно малы, чтобы иметь только одну), а отходы удаляться из них путем простого обмена с внешней средой, которая для большинства из вас, вероятно, состоит из воды.

Этот обмен называется «диффузия», жизненно важный процесс для всех живых существ, будь то микробы или синие киты. Обычно диффузия происходит, когда молекулы – например кислород, питательные вещества или отходы – находятся в различных концентрациях по разные стороны барьера. Представьте, что вы только что прибрались в комнате, запихнув все лишнее в шкаф и с силой закрыв дверь. Внутри шкафа концентрация барахла выше, чем снаружи, а дверь служит барьером. Если бы вы прорезали дыру в двери, все, что меньше ее, имело бы потенциал вырываться и вываливаться наружу, всегда перемещаясь из области более высокой концентрации (ваш шкаф) в область более низкой концентрации (ваша комната). Так что теперь, вместо того чтобы злиться всякий раз, когда вы открываете дверь шкафа и барахло вываливается, думайте о мини-лавине как о пожитках, следующих за градиентом концентрации.

Но что общего у шкафа и системы кровообращения? Как уже упоминалось ранее, ответ связан с одной из ее ключевых функций, которая состоит в доставке питательных веществ и кислорода извне к клеткам и тканям внутри тела. И наоборот, кровеносные системы помогают выводить потенциально вредные вещества, такие как токсины, клеточные отходы и углекислый газ, из организма, прежде чем те вызовут проблемы.

Организмы толщиной менее миллиметра обычно состоят из одной клетки. У этих микробов как хорошие вещи, поступающие внутрь, так и отходы, выходящие наружу, проникают через крошечные поры в клеточной мембране – барьере, который отделяет внутреннюю среду клетки от внешней. Эти промежутки эквивалентны дыре в нашей метафорической двери шкафа. Как и барахло из шкафа, вещество следует за его особым градиентом концентрации. Если снаружи микроба больше кислорода, чем внутри, то он диффундирует внутрь организма. Так же проникают внутрь питательные вещества, включая углеводы. А когда отходы внутри микроба накапливаются в большей концентрации, чем снаружи… Ну, вы поняли, что к чему [16] Описанное выше движение туда-сюда происходит практически без энергозатрат со стороны клетки, что делает диффузию «пассивным» процессом. Вещество также может перемещаться в любом направлении, если его поглощает клетка (как это происходит у таких организмов, как амебы) или упаковывает в крошечные мембранные мешочки, называемые везикулами, которые могут выбрасываться из клетки. Оба этих «активных» процесса требуют расхода энергии, как и перемещение вещества через мембрану против градиента его концентрации. . Наконец, как и в примере со шкафом, некоторые вещества не могут проникнуть через клеточную мембрану. Поэтому она считается «полупроницаемой». Это свойство объясняет, почему клеточные структуры – органеллы (ядро и митохондрии, например) – остаются внутри клетки: в основном потому, что они не пролезают в поры [17] Кроме ограничений по размеру некоторые вещества обладают и другими физическими свойствами, препятствующими перемещению через мембрану. Примером этого может быть молекула с электрическим зарядом, который отталкивает ее, если она слишком близко подходит к мембране с аналогичным зарядом. .