我承認，我小瞧了心臟

知識分子

2020年06月07日 08:07:12?來自湖南省

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-?前 言?-

作為一個跨學(xué)科研究的工科背景研究員，我自博士以來 “跨界” 的對象都是大腦。直到三年前，我的 “跨界” 對象換成了心臟。我不得不承認，剛開始我有一點“看不起”心臟，畢竟和復(fù)雜神秘的大腦比起來，心臟的功能和工作方式不是簡單明了甚至有些無聊嗎？然而，隨著對心臟的了解逐漸加深，我才發(fā)現(xiàn)自己真的小瞧了心臟。

撰文 | 李莘莘（帝國理工大學(xué)博士后研究員）

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對于大部分幸運的普通人而言，每一次心跳都平平無奇，不會也不大需要引起我們的注意。如果我們以心臟每分鐘平均跳動80次計算，那么每小時就是4800次，一天就是115200次，一年就是42048000，80年的話就是3363840000……

單純地看勞動量，我們的心臟交出的這份成績單是相當(dāng)出色。然而，在過去的十五年中，缺血性心臟病和中風(fēng)一直穩(wěn)居全球人口疾病死亡原因的前兩位。2016年，這兩種疾病一共奪取了1520萬人的生命 [1] 。

那么，這是不是說明，心臟本身設(shè)計得不好呢？

心臟設(shè)計究竟好不好？怎么好？能不能更好？要找到這些問題答案，不如讓我們把所有關(guān)于心臟結(jié)構(gòu)的知識忘掉，從零開始，考慮一下如何為人體設(shè)計一個心臟。

從零開始

假如我們的手邊有一些可以收縮的心肌細胞和其它必要的細胞組織，我們的目標(biāo)是給全身供血，那么其實只需要 “捏” 一個彈性良好的球當(dāng)泵，然后給球開兩個孔，插上一根聯(lián)通的管子。

心臟不就完工了嗎？

最簡單的泵配上最簡單的管道

事實上，大部分魚類的心血循環(huán)系統(tǒng)就是如此簡單！把腮補充上去，我們就獲得了大部分魚類的心血循環(huán)系統(tǒng)：心室收縮將靜脈血噴到腮部，血液通過腮部補充氧氣之后，流遍全身，最后回到心室。

普通的魚式循環(huán)

那么，人類能不能就使用這套循環(huán)系統(tǒng)呢？答案是，不能，除非是在一種特殊情況下。

這種情況雖然說是特殊，但又十分普遍：我們每個人都會經(jīng)歷這樣一段類似魚類的生活——沒錯，還在媽媽肚子里的時候。

我們還是一個四周大的胎兒時，就已經(jīng)擁有了一個簡易的單循環(huán)系統(tǒng)，只不過完成氧氣置換的不是腮，而是通過胎盤連接的母親的心肺系統(tǒng)。心臟一邊為全身發(fā)育運送養(yǎng)料，一邊不斷地發(fā)育成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，為我們的呱呱墜地的一刻做準(zhǔn)備。

當(dāng)我們出生之后，“魚式”的單循環(huán)系統(tǒng)就過時了，原因就在于我們吸入的第一口空氣。魚類生活在水里，因此它們所處環(huán)境的壓力要高得多，一套高壓的單循環(huán)系統(tǒng)就可以保證全身的血液循環(huán)。而人類生活在空氣中，壓力要小得多。為了可以吸入空氣，當(dāng)我們擴張胸腔的時候，胸腔內(nèi)的壓力必須小于所處環(huán)境的氣壓。而血液中的氧氣交換又必須要在肺部完成，因此，如果我們要保證血液從心臟直通腳趾的壓力，包圍著肺泡周圍的毛細血管就會把肺泡擠扁 [2,3] 。

用這樣的簡單系統(tǒng)，肺泡會被擠扁

為了解決壓力的問題，我們要把一個循環(huán)分解成兩部分，一個泵負責(zé)把血泵到肺里，一個泵負責(zé)把血泵到全身，以降低肺部血壓。

把一個泵改成兩個泵接力為肺部減壓

理論上來說，完全可以用兩個單獨的心臟來完成這兩部分循環(huán)，但我們身體的各個零件都是在演化過程中修修補補完成的。在現(xiàn)有魚類心臟的基礎(chǔ)之上，比起憑空造出一個新的心臟，給現(xiàn)有的心臟打個隔間應(yīng)該更加容易實現(xiàn)。這樣一來，我們的心臟就被隔成了左右心。

給一個心臟打了隔斷，約等于兩個心

好了，現(xiàn)在我們的雙循環(huán)系統(tǒng)是不是看起來很完美？但是好像還是沒有真實的心臟復(fù)雜？那是差在哪里了呢？

那就是——

誰來給心臟供血呢？

在單循環(huán)系統(tǒng)中，魚兒身上經(jīng)過全身循環(huán)后回到心臟的血液，氧氣殘存無幾，只能勉強給心臟供能。這個簡單的設(shè)計可以基本維持魚兒的能量需要，但魚兒還是能不動最好就不要動，宅著最安全，劇烈運動導(dǎo)致的猝死的案例并不罕見：有很多魚類被打撈上來之后發(fā)現(xiàn)已經(jīng)死了，這是因為在逃命過程中，肌肉和骨骼消耗掉了血液中大部分的氧氣，心臟無法從返回的血液中獲取足夠氧氣，無法工作，造成猝死 [4] 。而人類的能量消耗比魚要高得多，讓人類心臟，特別是右心，靠靜脈血里殘留的氧氣過活，恐怕心臟要隨時罷工了。

兩棲爬行動物的循環(huán)系統(tǒng)是雙循環(huán)模式，但與人類的雙循環(huán)系統(tǒng)不同的是，它們的兩個心室是連通的，動脈血可以從左心室進入右心室，這樣可以緩解右心室長期浸泡在靜脈血中造成的缺氧問題。

兩棲爬行動物的心臟設(shè)計：打完隔斷之后再開個門

不過，這兩種心臟的自我補給方式對人類而言都不可取。

像兩棲爬行動物那樣打通心室，左心室的動脈血是可以進入右心室了，但右心室的動脈血也會進入左心室，這樣心臟供給全身的就不再是元氣滿滿、純純的動脈血，會造成全身供氧不足。

在實際情況中，這種由于左右心之間存在異常通道的情況被統(tǒng)稱為紫紺型先天性心臟病，也被稱為 （先天性） 藍嬰綜合癥 （blue baby syndrome） ，由于靜脈血和動脈血的混合，患有這種疾病的嬰兒全身的血含氧量較正常人低，身體，特別手指尖和腳趾尖，會呈藍色。

靜脈血進入全身循環(huán)有問題，那我們在左右心室之間安裝一個單向閥，問題是不是就可以完美解決了？

聽上去雖然機智，這樣仍然行不通，原因就在于心臟的材質(zhì)。

吃過雞心或者豬心的朋友應(yīng)該深有體會，心臟就是一塊兒非常有嚼勁兒的肌肉。包括我們在內(nèi)，高等動物的心肌細胞排列得十分緊致，有足夠的彈性，才能噴射出足夠的血液滿足機體活動的高能量需求。

然而，魚類的心臟大不一樣。比如深受英格蘭國王亨喜愛的暗黑料理七鰓鰻，它們的心臟肌肉就像是松散的海綿，流入心臟的血液可以自由進入心肌組織為心臟本身供氧。而人類那種緊致的心肌細胞是無法從經(jīng)過的血液 （即便是動脈血） 順便獲得氧氣補給的，而必須仰賴于專門的供血系統(tǒng)。這時，心臟只能再伸出一套血管給自己，這就是冠狀血管。

加上冠狀血管就全了

命懸一 “管”

冠狀血管從主動脈的根部分支出來，以保證心臟可以有充足的壓力提供氧氣含量最高的血液。冠狀血管是鳥類以及包括人類在內(nèi)的哺乳動物生命存續(xù)的關(guān)鍵，是我們機體電源的電源的電源線，卻也是整個心血管循環(huán)最脆弱的一環(huán)。

心臟處于收縮期的時候，冠狀血管也會跟著收縮，是無法給心臟供血的。當(dāng)我們劇烈運動的時候，心跳加速，心臟處于收縮期的時間會加長，使得心臟給自己回血的時間減短，出現(xiàn)缺血的風(fēng)險大大增高。換句話說，心臟越需要額外辛苦工作的時候，越難得到補給。除此之外，冠狀血管像大樹的根系一樣遍布心臟表面，通往不同的心肌細胞供血，就形成了一個一個的單向死胡同，血栓一旦進去了就出不來了。一旦冠狀血管堵塞，相應(yīng)的心肌細胞就會因缺血死亡，造成心臟功能不健全，引發(fā)心律失常和心力衰竭。

現(xiàn)代人長期攝入高糖、高脂食品以及久坐，很容易造成血栓的形成，它們游走在心血管系統(tǒng)內(nèi)，猶如像地雷一般，隨時可能引爆我們的生命線 （或者引爆大腦，造成中風(fēng)） ，這也就是為什么心血管疾病是人類的頭號殺手。

矛盾的三文魚

大部分魚類依靠返回心臟的血液給心臟供血，也有一部分魚類擁有類似的冠狀血管。比如我們再熟悉不過的三文魚。

三文魚的心肌細胞約60%是松散型的，40%是緊致型的。也就是說，大部分心肌細胞并不需要冠狀血管供血?？茖W(xué)家們曾經(jīng)嘗試在實驗室環(huán)境下人為縛住三文魚的冠狀血管，結(jié)果發(fā)現(xiàn)心臟仍然可以正常工作。

而在野外環(huán)境中，三文魚的洄游路途額外艱苦，需要消耗巨大的能量，這時冠狀血管的供血作用就至關(guān)重要。

科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，三文魚在洄游期間由于心臟工作負荷過大，會出現(xiàn)冠狀動脈撕裂的病狀，還會患上冠心病。富含Omega-3脂肪酸的三文魚是健康食品屆的扛把子，主打功效之一就是對于心血管健康的益處，可是三文魚自己卻像人類一樣飽受冠心病的困擾。不得不說，無論是水里游的還是天上跑的，演化的道路上沒有白來的能量，罹患冠心病的風(fēng)險是我們和三文魚為各自生活方式所需要付出的代價。

改造心臟：一個字，難！

看到了這里，你會不會覺得心臟的設(shè)計差強人意？這種命懸一 “管” 的設(shè)計隱隱患著實太多，難道就沒有什么辦法能分擔(dān)冠狀血管上的風(fēng)險嗎？

說起來雖然不難，仔細想想，設(shè)計出一個滿足諸多條件的心血管結(jié)構(gòu)并不那么容易。

我曾經(jīng)認真地詢問過四個從事心臟研究的同事。他們當(dāng)中有兩位是從事臨床研究的心內(nèi)科醫(yī)生，有一位從事基礎(chǔ)研究的研究員，還有一位專攻建模的工科背景研究員。

如果可以修改心臟的設(shè)計，你們會怎么做？或者簡單點評一下現(xiàn)有的心臟？

臨床研究員、心內(nèi)科醫(yī)生A：“人類的心臟我覺得非常合理、高效，你看那些長壽的人，他們/她們的心臟可以工作八九十年都沒有問題……”

我：可是不是有很多心血管疾病嗎？

A：那是我們使用心臟的方式不對。

我：……也可以這么說。

臨床研究員、心內(nèi)科醫(yī)生B：“我覺得心臟唯一同時最大的問題就是不能自我修復(fù)，如果讓我選我想要一個可以自我修復(fù)的心臟?！?/p>

基礎(chǔ)研究員：“對，心臟最大的問題就是不能自我修復(fù)…… 或者我覺得不能修復(fù)的話，我認為像腎那樣，如果我們有兩個心臟就應(yīng)該夠用了。”

工科背景研究員：“能自我修復(fù)當(dāng)然最好，不過讓我說的話，或許我們可以嘗試多個分布式心臟供能？”

他們的答案總結(jié)起來無外乎多一 （幾） 個備份的心臟，或者心臟可以自己備份更好，但并沒有提出來設(shè)計上實質(zhì)性的改進。備份這個要求又似乎有些超出心臟自身設(shè)計的范疇了。

在大自然界確實有一些更奇特的產(chǎn)品。比如墨西哥鈍口螈 （Ambystoma mexicanum） 的心臟就可以再生；章魚有三個心臟，一個負責(zé)全身供血，兩個負責(zé)向腮部運送血液完成氧氣交換。

再比如肺魚。肺魚有一個鰓，還有一個肺，血液流經(jīng)全身返回心臟之后，會被泵到腮部進行氧氣交換，然后一部分血液進入全身循環(huán)，一部分進入肺部進行氧氣交換，經(jīng)過肺部處理的血液會直接回到心臟。這套循環(huán)系統(tǒng)乍看下去十分迂回，但來自美國猶他大學(xué) （University of Utah） 的法默 （Colleen G. Farmer's） 教授認為，這套看似迂回低效的系統(tǒng)的存在有一個特殊的理由：肺魚肺部的出現(xiàn)就是為心臟單獨供氧。換句話說，雖然沒有兩個心臟，但是如果我們也能有一個專門為心臟服務(wù)的肺，似乎也是個不錯的選擇 [5] 。

肺魚：沒有兩個心，但是多了一個肺

在這些范本啟發(fā)下，科學(xué)家也在不斷努力，尋求狙擊人類健康頭號殺手的新方法，但很多新的研究結(jié)果和實際臨床應(yīng)用還尚有一段距離。

在目前和可預(yù)見的未來，可供我們選擇的仍是命懸一“管”的心血管系統(tǒng)。要正確使用并維護好這顆唯一且寶貴的心臟，合理健康的飲食和生活習(xí)慣仍是最基本、最重要的方法。

參考資料

[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;

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