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我认可,我小瞧了心脏

4天前
导读
如何设计一个心脏?

pixabay.com

- 前 言 -

作为一个跨学科研究的工科配景研究员,我自博士以来 “跨界” 的东西都是大脑。直到三年前,我的 “跨界” 东西换成了心脏。我不得不认可,刚开始我有一点“看不起”心脏,究竟和庞大神秘的大脑比起来,心脏的成果和事情方法不是简单明了甚至有些无聊吗?然而,随着对心脏的了解逐渐加深,我才现自己真的小瞧了心脏。


撰文 | 李莘莘(帝国理工大学博士后研究员)
责编 | 陈晓雪
 
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对付大部分幸运的普通人而言,每一次心跳都平平无奇,不会也不大需要引起我们的注意。如果我们以心脏每分钟平均跳动80次计算,那么每小时就是4800次,一天就是115200次,一年就是42048000,80年的话就是3363840000……

单纯地看劳动量,我们的心脏交出的这份结果单是相当精彩。然而,在过去的十五年中,缺血性心脏病和中风一直稳居全球人口疾病死亡原因的前两位。2016年,这两种疾病一共夺取了1520万人的生命 [1]

那么,这是不是说明,心脏自己设计得欠好呢?


心脏设计究竟好欠好?怎么好?能不能更好?要找到这些问题答案,不如让我们把所有关于心脏结构的知识忘掉,从零开始,考虑一下如何为人体设计一个心脏。

从零开始

假如我们的手边有一些可以收缩的心肌细胞和其它须要的细胞组织,我们的目标是给全身供血,那么其实只需要 “捏” 一个弹性良好的球当泵,然后给球开两个孔,插上一根联通的管子。

心脏不就完工了吗?
 

最简单的泵配上最简单的管道

 
事实上,大部分鱼类的心血循环系屯是如此简单!把腮增补上去,我们就获得了大部分鱼类的心血循环系统:心室收缩将静脉血喷到腮部,血液通过腮部增补氧气之后,流遍全身,最后回到心室。
 

普通的鱼式循环

 
那么,人类能不能就使用这套循环系统呢?答案是,不能,除非是在一种特殊情况下。
 
这种情况虽然说是特殊,但又十分普遍:我们每小我私家都市经历这样一段类似鱼类的生活——没错,还在妈妈肚子里的时候。
 
我们还是一个四周大的胎儿时,就已经拥有了一个简易的单循环系统,只不外完成氧气置换的不是腮,而是通过胎盘连接的母亲的心肺系统。心脏一边为全身育运送养料,一边不绝地育成更庞大的结构,为我们的呱呱坠地的一刻做准备。
 
当我们出生之后,“鱼式”的单循环系屯过时了,原因就在于我们吸入的第一口空气。鱼类生活在水里,因此它们所处环境的压力要高得多,一套高压的单循环系屯可以包管全身的血液循环。而人类生活在空气中,压力要小得多。为了可以吸入空气,当我们扩张胸腔的时候,胸腔内的压力必须小于所处环境的气压。而血液中的氧气交换又必须要在肺部完成,因此,如果我们要包管血液从心脏直通脚趾的压力,困绕着肺泡周围的毛细血管就会把肺泡挤扁 [2,3]

用这样的简单系统,肺泡会被挤扁

 
为了解决压力的问题,我们要把一个循环剖析成两部分,一个泵卖力把血泵到肺里,一个泵卖力把血泵到全身,以降低肺部血压。
 

把一个泵改成两个泵接力为肺部减压

 
理论上来说,完全可以用两个单独的心脏来完成这两部分循环,但我们身体的各个零件都是在演化过程中修修补补完成的。在现有鱼类心脏的基础之上,比起凭空造出一个新的心脏,给现有的心脏打个隔间应该越发容易实现。这样一来,我们的心脏就被隔成了左右心。 
 

给一个心脏打了阻遏,约即是两个心


好了,现在我们的双循环系统是不是看起来很完美?但是好像还是没有真实的心脏庞大?那是差在哪里了呢?

那就是——

谁来给心脏供血呢? 

在单循环系统中,鱼儿身上经过全身循环后回到心脏的血液,氧气残存无几,只能勉强给心脏供能。这个简单的设计可以基本维持鱼儿的能量需要,但鱼儿还是能不动最好就不要动,宅着最宁静,剧烈运动导致的猝死的案例并不罕见:有很多鱼类被打捞上来之后现已经死了,这是因为在逃命过程中,肌肉和骨骼消耗掉了血液中大部分的氧气,心脏无法从返回的血液中获取足够氧气,无法事情,造成猝死 [4]。而人类的能量消耗比鱼要高得多,让人类心脏,特别是右心,靠静脉血里残留的氧气过活,恐怕心脏要随时歇工了。

两栖爬行动物的循环系统是双循环模式,但与人类的双循环系统差别的是,它们的两个心室是连通的,动脉血可以从左心室进入右心室,这样可以缓解右心室长期浸泡在静脉血中造成的缺氧问题。
 

两栖爬行动物的心脏设计:打完阻遏之后再开个门


不外,这两种心脏的自我补给方法对人类而言都不可取。

像两栖爬行动物那样买通心室,左心室的动脉血是可以进入右心室了,但右心室的动脉血也会进入左心室,这样心脏供给全身的就不再是元气满满、纯纯的动脉血,会造玉成身供氧不敷。

在实际情况中,这种由于左右心之间存在异常通道的情况被统称为紫绀型先天性心脏病,也被称为(先天性)蓝婴综合症(blue baby syndrome),由于静脉血和动脉血的混合,患有这种疾病的婴儿全身的血含氧量较正凡人低,身体,特别手指尖和脚趾尖,会呈蓝色。

静脉血进入全身循环有问题,那我们在左右心室之间安装一个单向阀,问题是不是就可以完美解决了?

听上去虽然机智,这样仍然行不通,原因就在于心脏的材质。

吃过鸡心或者猪心的朋友应该深有体会,心脏就是一块儿非常有嚼劲儿的肌肉。包罗我们在内,高等动物的心肌细胞排列得十分紧致,有足够的弹性,才华喷射出足够的血液满足机体活动的高能量需求。

然而,鱼类的心脏大不一样。好比深受英格兰国王亨喜爱的暗黑料理七鳃鳗,它们的心脏肌肉就像是松散的海绵,流入心脏的血液可以自由进入心肌组织为心脏自己供氧。而人类那种紧致的心肌细胞是无法从经过的血液(即便是动脉血)顺便获得氧气补给的,而必须仰赖于专门的供血系统。这时,心脏只能再伸出一套血管给自己,这就是冠状血管。

加上冠状血管就全了


 命悬一 “管”


冠状血管从主动脉的根部分支出来,以包管心脏可以有富裕的压力提供氧气含量最高的血液。冠状血管是鸟类以及包罗人类在内的哺乳动物生命存续的要害,是我们机体电源的电源的电源线,却也是整个心血管循环最脆弱的一环。

心脏处于收缩期的时候,冠状血管也会随着收缩,是无法给心脏供血的。当我们剧烈运动的时候,心跳加速,心脏处于收缩期的时间会加长,使得心脏给自己回血的时间减短,出现缺血的风险大大增高。换句话说,心脏越需要特别辛苦事情的时候,越难得到补给。除此之外,冠状血管像大树的根系一样遍布心脏外貌,通往差别的心肌细胞供血,就形成了一个一个的单向死胡同,血栓一旦进去了就出不来了。一旦冠状血管堵塞,相应的心肌细胞就会因缺血死亡,造成心脏成果不健全,引心律失常和心力衰竭。

现代人长期摄入高糖、高脂食品以及久坐,很容易造成血栓的形成,它们游走在心血管系统内,犹如像地雷一般,随时可能引爆我们的生命线(或者引爆大脑,造成中风),这也就是为什么心血管疾病是人类的头号杀手。

矛盾的三文鱼


大部分鱼类依靠返回心脏的血液给心脏供血,也有一部分鱼类拥有类似的冠状血管。好比我们再熟悉不外的三文鱼。

三文鱼的心肌细胞约60%是松散型的,40%是紧致型的。也就是说,大部分心肌细胞并不需要冠状血管供血。科学家们曾经实验在实验室环境下人为缚住三文鱼的冠状血管,结果现心脏仍然可以正常事情。

而在野外环境中,三文鱼的洄游路途特别艰苦,需要消耗巨大的能量,这时冠状血管的供血作用就至关重要。

科学研究现,三文鱼在洄游期间由于心脏事情负荷过大,会出现冠状动脉撕裂的病状,还会患上冠心病。富含Omega-3脂肪酸的三文鱼是健康食品届的扛把子,主打成果之一就是对付心血管健康的益处,可是三文鱼自己却像人类一样饱受冠心病的困扰。不得不说,无论是水里游的还是天上跑的,演化的门路上没有白来的能量,罹患冠心病的风险是我们和三文鱼为各自生活方法所需要支付的代价。

 

 改革心脏:一个字,难!


看到了这里,你会不会觉得心脏的设计差强人意?这种命悬一 “管” 的设计隐隐患着实太多,难道就没有什么步伐能分管冠状血管上的风险吗?
 
说起来虽然不难,仔细想想,设计出一个满足诸多条件的心血管结构并不那么容易。

我曾经认真地询问过四个从事心脏研究的同事。他们当中有两位是从事临床研究的心内科医生,有一位从事基础研究的研究员,还有一位专攻建模的工科配景研究员。

如果可以修改心脏的设计,你们会怎么做?或者简单点评一下现有的心脏?

临床研究员、心内科医生A:“人类的心脏我觉得非常合理、高效,你看那些长寿的人,他们/她们的心脏可以事情八九十年都没有问题……”

我:可是不是有很多心血管疾病吗?

A:那是我们使用心脏的方法不对。

我:……也可以这么说。

临床研究员、心内科医生B:“我觉得心脏唯一同时最大的问题就是不能自我修复,如果让我选我想要一个可以自我修复的心脏。”
 
基础研究员:“对,心脏最大的问题就是不能自我修复…… 或者我觉得不能修复的话,我认为像肾那样,如果我们有两个心脏就应该够用了。” 

工科配景研究员:“能自我修复虽然最好,不外让我说的话,或许我们可以实验多个漫衍式心脏供能?”

他们的答案总结起来无外乎多一(几)个备份的心脏,或者心脏可以自己备份更好,但并没有提出来设计上实质性的改造。备份这个要求又似乎有些超出心脏自身设计的领域了。

在大自然界确实有一些更奇特的产物。好比墨西哥钝口螈(Ambystoma mexicanum)的心脏就可以再生;章鱼有三个心脏,一个卖力全身供血,两个卖力向腮部运送血液完成氧气交换。

再好比肺鱼。肺鱼有一个鳃,还有一个肺,血液流经全身返回心脏之后,会被泵到腮部进行氧气交换,然后一部分血液进入全身循环,一部分进入肺部进行氧气交换,经过肺部处理惩罚的血液会直接回到心脏。这套循环系统乍看下去十分迂回,但来自美国犹他大学(University of Utah)的法默(Colleen G. Farmer's)教授认为,这套看似迂回低效的系统的存在有一个特殊的理由:肺鱼肺部的出现就是为心脏单独供氧。换句话说,虽然没有两个心脏,但是如果我们也能有一个专门为心脏办事的肺,似乎也是个不错的选择 [5]
 

肺鱼:没有两个心,但是多了一个肺


在这些范本启下,科学家也在不绝努力,寻求狙击人类健康头号杀手的新要领,但很多新的研究结果和实际临床应用还尚有一段距离。

在目前和可预见的未来,可供我们选择的仍是命悬一“管”的心血管系统。要正确使用并维护好这颗唯一且名贵的心脏,合理健康的饮食和生活习惯仍是最基本、最重要的要领。


参考资料

[1]https://www.who.int/zh/news-room/fact-sheets/detail/the-top-10-causes-of-death

[2]http://esi.stanford.edu/circulation/circulation3.htm

[3]The Incredible Unlikeliness of Being: Evolution and the Making of Us. Heron Books. 2014

[4]Body by Darwin: How Evolution Shapes Our Health and Transforms Medicine

[5]Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol. 2002 Aug; 132(4):723-35.Coronary arteriosclerosis in salmon: growing old or growing fast?Farrell AP1. Nature. 1997 Sep 18;389(6648):229-30. Efficient fish not faint-hearted. Brainerd E. PMID: 9305831;

 
制版编辑 | 皮皮鱼
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