来源:把科学带回家

图片来源:photostockeditor图片来源:photostockeditor

  撰文 七君

  心脏是什么形状?

  许多人会说,这道题我会,不就是心形的嘛。

  心脏的真正形态是个螺旋形的莫比乌斯环。

  再来一道题:心脏是怎么跳动的?

  你可能会说,这道题也很简单,像吹气球那样一鼓一缩的啊。

  啊不,其实心脏跳动时像悠悠球一样左右旋转,而这点也是心脏的螺旋形决定的。

  而人类意识到这两点,只有短短数十年的时间。

心脏并不是这样跳动的。图片来源:newstation心脏并不是这样跳动的。图片来源:newstation

  早在16世纪就有人发现了心脏整体的圆锥形态,也就是我们以为的心形。但是,为什么心形的心脏能跳动呢?心脏形态和心脏功能之间的关系在500年里一直是个迷,因此这个问题也曾被称为解剖学的戈耳狄俄斯之结(gordian knot of anatomy),也就是爆难没人知道答案的意思。

  后来在17世纪,有人在这个漏洞上打了个补丁,这个补丁版本也成了300年来人类对心脏的主流认识。这个人就是英国医生威廉·哈维(William Harvey)。哈维发现了循环系统,将心脏和肺接入了整个循环系统的闭环中。

循环系统之父威廉·哈维的肖像。图片来源:Royal College of Physicians Museum循环系统之父威廉·哈维的肖像。图片来源:Royal College of Physicians Museum

  哈维认为,人类的心脏是一块同质的肌肉,包含4个腔室,心肌收缩时排出血液,放松时充满血液。哈维也因此被视为循环系统之父,他的教条也被一代代医生传承,写入了教科书中。不过,哈维依然无法解开解剖学的戈耳狄俄斯之结,他的学说中也有一些矛盾之处。

  大约在50年前,解剖学的“心结”终于被一位西班牙医生解开。

Francisco Torrent-Guasp。图片来源:alchetronFrancisco Torrent-Guasp。图片来源:alchetron

  Francisco Torrent-Guasp 在学生时代就对哈维学说中的一些问题感到怀疑,比如他不太相信心脏肌肉放松时血液能大量涌入。在20世纪50年代,Torrent-Guasp 还是西班牙萨拉曼卡大学医学院的一位四年级的学生,那时起他就不断解剖各种动物的心脏。在25年的研究后,Torrent-Guasp 有了突破。

心脏是由一条心肌带扭成的。图片来源:David Geffen School of Medicine UCLA心脏是由一条心肌带扭成的。图片来源:David Geffen School of Medicine UCLA

  他发现,心脏整个就像一条筋道宽面一样,是一个由肌肉构成的橡皮带;更有趣的是,这根劲道肌肉条是以螺旋的形态组织成心脏的。后来这条肉带就被称为心肌带(ventricular myocardial band)。

  大家可以看一下 Torrent-Guasp 对牛心的解构——

图片来源:David Geffen School of Medicine UCLA图片来源:David Geffen School of Medicine UCLA

  这条肌肉带以螺旋线的方式绞成了心脏。也就是说,心脏是一个莫比乌斯环,是一个扭成了8字的螺旋。

心肌带以扭了3下的莫比乌斯环(A行中的3X)的形式构成了心脏(C)。图片来源:(DOI)10.1016/j.ejcts.2006.03.011心肌带以扭了3下的莫比乌斯环(A行中的3X)的形式构成了心脏(C)。图片来源:(DOI)10.1016/j.ejcts.2006.03.011

  实际上,这种螺旋结构遍布在哺乳动物和鸟类的心脏中,而螺旋线本身在大自然中很常见,贝壳、松果、向日葵都含有螺旋线。

心脏的螺旋线。图片来源:torrent-guasp.com心脏的螺旋线。图片来源:torrent-guasp.com

  Torrent-Guasp 认为,人类心脏的形态意味着心脏的跳动是从心底,也就是心脏最上部开始的,心肌的收缩沿着心肌带传播,最后让心脏的各个部位依次皱缩起来。

心底和心尖。图片来源:life-science-edu.net心底和心尖。图片来源:life-science-edu.net

  他的理论和以哈维为代表的经典理论有很多不同。在过去的理论中,心脏的运动是从心尖传到到心底的。但是新的成像证据显示,心脏的运动确实始于心底,符合 Torrent-Guasp 的观点。

 心肌带收缩信号的传导。图片来源:torrent-guasp.com 心肌带收缩信号的传导。图片来源:torrent-guasp.com

  后来其他研究者发现,心脏跳动的初始电信号始于一种特殊的细胞——窦房结(sinus node),这些细胞位于心底的右心房,这个信号在心肌带上一步步扩散,使其收缩。这些证据再次为Torrent-Guasp 提供了支持。

  Torrent-Guasp 的另一个新发现是,心脏的螺旋结构使得心脏跳动时会像悠悠球一样左右旋转,而心脏的这种扭旋让它像绞毛巾一样主动泵入和泵出血液,而不是像哈维理论描述的那样像气球胀缩一样被动吸入血液。

心脏的扭转像绞毛巾一样泵入和泵出血液。图片来源:helicalheart.com心脏的扭转像绞毛巾一样泵入和泵出血液。图片来源:helicalheart.com

  实际上,早在16世纪,达芬奇就曾描述过心脏跳动时的旋转。不过,Torrent-Guasp 是首个把心脏的螺旋结构和它的旋转联系到一起的人。

  这些新发现意味着,当心脏不够强大的时候,心脏的螺旋结构开始变形,扭旋的程度减少,泵入和泵出血液的效率也会下降。

  比如在2019年,英属哥伦比亚大学的心脏学家 Robert Shave 和同事发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究发现,人类心脏的扭转程度比人类的近亲黑猩猩的大得多,是黑猩猩的约2倍;人类如果运动量少了躺平活得轻松,心脏的各方面机能,比如扭转程度就会减少,向黑猩猩的心脏转变,心脏本身也会由小V脸转变为又大又圆。

和人类相比,黑猩猩的心脏(A)更像个球,而久坐不动的人的心脏(B)比常从事耐力运动的人的心脏(C)更浑圆,更像黑猩猩的心脏。图片来源:(DOI)10.1073/pnas.1906902116和人类相比,黑猩猩的心脏(A)更像个球,而久坐不动的人的心脏(B)比常从事耐力运动的人的心脏(C)更浑圆,更像黑猩猩的心脏。图片来源:(DOI)10.1073/pnas.1906902116

  因为心肌带的发现,1978年 Torrent-Guasp 被西班牙索菲亚王后和西班牙教育部提名诺贝尔医学奖,心肌带及其机制也被写入了解剖图谱经典 Anatomy, a Regional Atlas of the Human Body 第五版、Clinically Oriented Anatomy 第五版等众多医学教材中。

Anatomy, a Regional Atlas of the Human Body 中对心肌带的图示。Anatomy, a Regional Atlas of the Human Body 中对心肌带的图示。

  那么,为什么心脏会是这种螺旋结构呢?

  Torrent-Guasp 的假说是,人类心脏的原始形态是10亿年前的一条虫。这条虫没有现在的心室和心房,只能通过蠕动的方式使体液在全身流动。

  在4亿年前,演化成鱼的“小虫”终于有了一颗1.0版本的心脏,这个古老的心脏有一个泵血的心室。

  在2亿年前,鱼类的心脏得到了系统升级,演化为爬行动物的心脏,这个加强版的心脏出现了心室和心房。再后来才出现哺乳动物那种绞得更加复杂的心脏。

 从左到右:鱼(鲤鱼)、两栖动物(青蛙)、爬行动物(蛇)、鸟类(鸽子)和哺乳动物(兔子)的心脏比较。图片来源: Lucite Treasures 从左到右:鱼(鲤鱼)、两栖动物(青蛙)、爬行动物(蛇)、鸟类(鸽子)和哺乳动物(兔子)的心脏比较。图片来源: Lucite Treasures

  Torrent-Guasp 指出,在人类胚胎的发育过程中就可以观察到这种从虫体到鱼心脏、到爬行动物心脏、再到哺乳动物心脏的演变。

  比如在胚胎20天大的时候,人类心脏看起来就像一条虫——

  30天大的时候,心脏看起来像鱼心——

  40天大的时候像爬行动物心——

  在50天大的时候才成为你左胸口里那颗红心的样子。

  也就是说,在胚胎头50天的发育中,人类心脏还原了它的演化史。

 图片来源:David Geffen School of Medicine UCLA 图片来源:David Geffen School of Medicine UCLA

  Torrent-Guasp 认为,人类心脏依旧保留着小虫时代的动态,还延续着类似虫体一浪一浪的运动模式,因此才展现出沿着心肌带的收缩和舒张方式。当然了,这个假说还需要更多的证据支持。

  不过能确定的是,关于心的问题,值得一代代的研究者献出心脏。

  形容缺乏运动的现代人:人面兽心。


新闻来源:新浪