В природе сердца и системы кровообращения развились в эффективные формы внутренних перевозок, основные функции которых позволяют организмам обмениваться с внешней средой жизненно важными материалами: питательными веществами и газами. Однако мы, люди, опередили эволюцию нашей сердечно-сосудистой системы, проверяя пределы ее способности адаптироваться к нездоровой пище, токсинам, загрязнителям, курению и стрессу.

Медицинские исследования ответили на этот вызов. Например, в последние десятилетия мы наблюдаем рост количества диет с низким содержанием жиров; также все чаще проводятся высокотехнологичные медицинские процедуры, например коронарное шунтирование, при котором закупоренные коронарные артерии заменяются венами из руки или ноги пациента. Гораздо сложнее механические сердца. В 1982 году американский кардиохирург Уильям Деврис успешно имплантировал первое полностью искусственное сердце Jarvik-7 61-летнему стоматологу на пенсии по имени Барни Кларк. Кларк прожил 112 дней, перенеся ряд серьезных осложнений: дыхательную недостаточность, требующую трахеотомии, а также «лихорадку, инсульт, судороги, делирий, почечную недостаточность и кровотечение, вызванное нарушением свертываемости крови»¹⁶¹. В конце концов он умер от колита. Первоначально положительное освещение этой истории вскоре оказалось подпорчено нисходящей спиралью состояния Кларка, и последовавшие за этим негативные публикации сделали многое для того, чтобы превратить механические сердца из аппаратов длительного назначения в средства bridge-терапии для пациентов, ожидающих трансплантации.

Что касается пересадки сердца, первую успешную операцию сделал Кристиан Барнард (1922–2001) 3 декабря 1967 года. Во время пятичасовой операции 53-летний Луи Вашкански получил сердце Дениз Дарвал, 25-летней жертвы автомобильной аварии. Орган функционировал очень неплохо, но, к сожалению, иммунодепрессанты, которые предотвращали отторжение сердца, сделали Вашкански уязвимым для инфекции. Спустя 18 дней он умер от двухсторонней пневмонии.

В настоящее время подсчитано, что ежегодно во всем мире проводится около пяти тысяч операций по пересадке сердца, преимущественно в США. Но тем не менее каждый год миллионы людей погибают от болезней сердца и еще многие тысячи умирают в долгом ожидании очереди на трансплантацию сердца, печени или почек. Мы уже рассматривали историю ксенотрансплантатов и говорили о текущих усилиях по генетическому проектированию штамма свиней – доноров органов. Но, помимо того, возможно, природа может обеспечить нас новыми методами лечения неисправных сердец, также пришедшими из животного мира, но дружественными к животным. И в поисках этих методов все больше исследователей в наши дни возвращаются к природе и ее удивительным эволюционным модификациям.

Одна довольно примечательная адаптация, обнаруженная в животном царстве, – это способность некоторых сердец восстанавливаться после повреждения – особенность, которой катастрофически не хватает человеческим сердцам. Инфаркт миокарда обычно (по крайней мере, отчасти) происходит из-за закупорки одной или нескольких коронарных артерий, что отсекает кровоток как к области сердца, так и ко всем участкам, которые раньше снабжал сосуд. Лишенная кислорода, ткань сердечной мышцы в области снабжения этого сосуда погибает. Если пациент выживает, мертвая мышечная ткань заменяется рубцовой, которая не способна к сокращению и препятствует формированию новых клеток сердечной мышцы. В результате некоторые части этого сложного насоса больше не функционируют и прекрасно скоординированная работа сердца нарушается. Пережившие инфаркт часто сталкиваются с проблемами в будущем, в том числе с повторными инфарктами и в конечном счете сердечной недостаточностью.

Но что, если врачи смогут заменить утерянную или нефункционирующую сердечную ткань? Такое лечение могло бы стать переворотом, особенно учитывая, что ежегодно примерно у полумиллиона американцев диагностируется сердечная недостаточность и уровень смертности среди этих пациентов составляет почти 30 %¹⁶². Поскольку феномен регенерации сердца не встречается у людей (и, если уж на то пошло, у млекопитающих вообще), исследователи обратились за ответом к самому древнему из позвоночных – рыбе, в частности к данио-рерио (Danio rerio), обычному обитателю тропических пресноводных аквариумов.

Хотя исследования этих откладывающих яйца южноазиатских родственников пескаря начались в 1960-х годах, их популярность, особенно в качестве моделей для изучения заболеваний человека, резко возросла после 2013 года. Именно тогда исследователям стали доступны результаты десятилетнего квеста изучения последовательности их генома. Полностью секвенированный геном можно рассматривать как полный набор генетических инструкций, необходимых для развития, роста и поддержания организма.

Исследователи удивились, обнаружив, что более чем 70 % генов данио-рерио совпадают с человеческими и что 80 % генов, ассоциированных с человеческими заболеваниями, имеют свои аналоги у этих рыб¹⁶³. Еще у них есть эквивалент почти каждого человеческого органа и сотни прозрачных развивающихся во внешней среде эмбрионов. Это сочетание признаков позволяет исследователям моделировать состояние человека в быстрорастущем, простом в уходе, насквозь понятном виде. В экспериментальные линии рыбок данио-рерио можно ввести генные мутации, чтобы изучить развитие генетики человеческих заболеваний, например мышечной дистрофии¹⁶⁴, или создать модель сердечных аномалий, что позволит разработчикам лекарств протестировать соединения с возможным терапевтическим эффектом¹⁶⁵.

Однако самым захватывающим стало открытие, что сердца этих рыбок способны полностью регенерировать после ампутации до 20 % их единственного желудочка. По общему признанию, после того как мы не так давно отказались от гладиаторских боев и мародерства, подобные типы ранений стали несколько менее распространенными среди людей, но это открытие оказало огромное влияние на исследования сердца. Ученые отметили, что у данио-рерио, переживших подобную ампутацию, быстро образуется сгусток, предотвращающий катастрофическую потерю крови. Однако по-настоящему уникально то¹⁶⁶, что в течение 30–60 дней после травмы он заменяется полностью функциональными мышечными клетками¹⁶⁷.

В зрелом сердце млекопитающего клетки сердечной мышцы (кардиомиоциты) перестают размножаться, то есть производить новые клетки. Сердце данио-рерио, напротив, способно не только создавать новые функциональные мышечные клетки, но и делать это без вовлечения стволовых клеток. О стволовых клетках ниже мы узнаем гораздо больше, но пока мы можем думать о них как о классе эмбриональных или зрелых клеток, которые в зависимости от действующего стимула могут развиваться в различные типы клеток.

У взрослых рыбок новые клетки сердечной мышцы происходят из ранее существовавших миоцитов. Когда определенная область сердца травмирована, неповрежденные миоциты возвращаются в репродуктивную фазу своего жизненного цикла и начинают производить новые функциональные кардиомиоциты – мышечные клетки, готовые к действию. Эти новые миоциты мигрируют в поврежденную область и заменяют рубцовую ткань, первоначально сформовавшуюся в ответ на рану. Одновременно сердце данио-рерио на «сверхсветовых» скоростях создает каркас из соединительной ткани: в поврежденной области быстро отрастают кровеносные сосуды, которые приносят коллагенсекретирующие клетки фибробласты¹⁶⁸. Исследователи называют коллагеновый каркас, заложенный фибробластами, «регенеративным каркасом», и он служит структурной основой для формирования новой сердечной мышцы¹⁶⁹.

Учитывая положительные стороны возможности восстановления функциональной сердечной мышцы, логично задаться вопросом: почему сердца млекопитающих не могут такого?

С эволюционной точки зрения наиболее вероятная причина заключается в том, что отсутствие этой способности на самом деле полезно – или, по крайней мере, было полезно для наших древних предков. Поскольку кардиомиоциты перестают делиться вскоре после рождения, они не так восприимчивы к генетическим мутациям, вызывающим рак. В результате рак сердца встречается крайне редко. Поскольку все млекопитающие разделяют эту черту, очевидно, что она – древняя адаптация млекопитающих или, что вероятнее, еще более древнее приспособление, которое сформировалось у первых позвоночных, поскольку кроме данио-рерио только один вид, насколько известно, обладает способностью к регенерации сердца: разновидность североамериканского тритона (Notopthalamus viridescens).

Неспособность наших кардиомиоцитов делиться обнаруживает очевидный эволюционный смысл, если учесть, что наши далекие предки не были обременены дрянным питанием, основанным на фастфуде, ожирением, курением и другими недавно приобретенными плохими привычками, отягощающими сердце. Таким образом, эта адаптация служит прекрасным примером того, как наши органы развивались во время, сильно отличающееся от нашего собственного. Что до того, почему данио-рерио нарушают именно это правило позвоночных, – скорее всего, это результат полезной мутации, поскольку, если вы уродились крошечной, похожей на пескаря рыбкой (или таким же крошечным тритоном с красными пятнами), а значит, популярным пунктом меню для множества видов кусачих хищников, стоит иметь возможность починить свое сердце.

Но, независимо от того, как развивалась эта черта, неспособность человеческого сердца восстанавливаться для нас сейчас серьезная проблема, и наука предоставила нам возможность противостоять ей. Исследователи изучают несколько подходов, включающих идентификацию химических веществ, которые могли бы выполнять одно из следующих действий: стимулировать деление зрелых кардиомиоцитов; превращать клетки, например фибробласты, в кардиомиоциты; или заставлять сердечные стволовые клетки дифференцироваться в кардиомиоциты. Каждый из этих подходов – серьезная и сложная задача, особенно учитывая, что все они требуют и модификации поведения кровеносных сосудов сердца. В конце концов, любой потенциально омоложенной мышечной ткани понадобится полностью функциональное кровоснабжение, которое будет нести команде по восстановлению тканей питательные вещества и кислород.

Хотя удаление больших участков сердца данио-рерио вызывает мощную регенеративную реакцию, исследователям необходимо разработать модели рыбок, демонстрирующие аналогичную реакцию на более распространенные заболевания сердца человека. Поэтому сейчас ученые пытаются создать линии дарио-рерио для изучения аналогов нарушения функций сердечных клапанов, врожденных пороков сердца и проблем липидного обмена, например повышенного уровня холестерина¹⁷⁰.

Учиться приходится многому, но исследователи надеются, что полученные знания о сердцах данио-рерио и других видов, не относящихся к млекопитающим, помогут однажды начать новую эру в терапевтической регенерации сердца¹⁷¹.

Учитывая, что люди генетически ближе к рептилиям, чем к рыбам, вполне логично, что рептилии также чрезвычайно ценны для медицинского сообщества. Темный тигровый питон (Python bivittatus) – еще один пример того, как нечеловеческие сердца помогают ученым разрабатывать методы лечения некоторых очень человеческих заболеваний.

Змею, о которой идет речь, легко отличить по характерным отметинам на голове, напоминающим наконечник стрелы. Она обитает в травянистых болотах, лесах и пещерах Юго-Восточной Азии. Темный тигровый питон обычно считается вторым или третьим по величине видом змей в мире, самка может достигать длины более 6 метров, обхватом приближаясь к телефонному столбу. Питон такого размера может весить около 136 килограммов. Самцы намного меньше, обычно не длиннее 4,5 метра.

В детстве я держал одну из этих прекрасных рептилий, хотя моя была всего около 1,2 метра в длину. Тем не менее присутствие змеи в моем доме бесконечно восхищало меня и моих друзей, особенно во время кормления. Но не все так хорошо относились к il serpente, особенно моя мама и по крайней мере шестеро из восьми моих любимых тетушек Роуз. Я также живо помню, что после того, как им сообщили об Элис, ребята, перестраивавшие наш дом на Лонг-Айленде, избегали моей комнаты, как будто это чумное отделение. С другой стороны, я был очарован спокойным поведением удава, тем, как он периодически линяет, и его способностью раздвигать челюсти, чтобы проглотить еженедельный набор мышей, каждая из которых размером была больше головы питона. Однако интерес медицинского сообщества к этой змее связан с тем, чего я не знал в детстве. И никто не знал. Это наблюдение сделали в 2005 году исследователи из Калифорнийского университета в Ирвине: в течение трех дней после приема пищи сердце темного тигрового питона увеличивается на 40 %¹⁷².

Я поговорил с Лесли Лейнванд, исследовательницей из Университета Колорадо в Боулдере, которая более 10 лет изучала этот феномен у темных тигровых питонов. Она объяснила, что необычная адаптация – это побочный продукт странного графика питания питона. В своей родной среде эта змея может целый год обходиться без еды, почти не страдая от негативных последствий, в то время как любое млекопитающее, попытавшееся совершить такой подвиг, погибнет. «И поэтому эти животные приспособились к экстремальным вещам, – сказала мне Лейнванд. – Одна из них – съедать огромное количество пищи, когда представляется возможность».

Как удавы и анаконды, питоны душат жертв. Они охотятся из засады на добычу, которая нередко весит вполовину больше них. Тот малыш, которого я держал ребенком, ел грызунов, но в дикой природе темные тигровые питоны охотятся на свиней, оленей и даже некрупных людей. Змеи усмиряют жертв несмертельным укусом, а потом быстро захватывают их в толстые кольца своих мускулистых тел. Сокращение их мышц заставляет грудную полость жертвы сжиматься, мешая ей наполнять легкие во время вдоха. Затем следует смерть от удушья. Вскоре после этого змея разворачивается и расцепляет челюсти (действительно интересное зрелище). Затем, начиная с головы, удав «следует» вдоль тела жертвы, в конце концов проглатывая свою еду целиком.

Такой тип питания подвергает змею изрядной опасности со стороны хищников. Представьте на миг, что вы за один глоток съедаете что-то размером с датского дога, а потом переваливаетесь, ожидая, пока закончится пищеварение. С другой стороны, может быть, вам не стоит этого воображать. Суть в том, что способность питаться как можно реже, которую развили удавы, имеет смысл.

Но питоны разработали еще и феноменальный обходной путь, который позволяет им вернуться к подвижности как можно быстрее. Они не только могут переварить добычу массой до половины веса собственного тела всего за четыре-шесть дней, но и способны использовать это переваривание для роста тканей. Кроме мозга темного тигрового питона, который заключен в черепе, «почти каждый орган тела претерпевает чрезвычайно быстрое увеличение размеров и массы», – сказала мне Лейнванд.

Это изменение возникает не просто из-за накопления жидкости; обычно в течение 24 часов после употребления пищи происходит настоящий рост тканей. «То, что никогда не случится с млекопитающим», – добавила Лейнванд. Я подумывал было вспомнить одно пережитое мной взвешивание после Дня благодарения, но решил, что лучше не надо.

Первоначальный исследовательский интерес Лейнванд был связан с физиологическим ростом человеческого сердца, а именно с ростом, который происходит в сердцах спортсменов. Большинство людей считают увеличение сердца у людей исключительно симптомом заболевания, и действительно, оно может быть результатом таких состояний, как нелеченное высокое артериальное давление или ишемическая болезнь сердца. Этот тип роста сердца называется патологической гипертрофией. «Гипертрофия» означает увеличение размера определенных клеток – в данном случае клеток сердечной мышцы. А «патологическая» – травму или болезненное состояние. Чтобы было понятней, не всякая гипертрофия плоха, так как она, например, обычно возникает в результате силовых тренировок.

«В некоторых из этих [связанных с болезнью] случаев, – объяснила Лейнванд, – мышцы становятся очень-очень большими, но это происходит за счет камер сердца. Таким образом, вы получаете чрезвычайно толстые стенки сердца, но относительно небольшие камеры. Это отличается от того, что происходит у хорошо подготовленного спортсмена. Атлеты в конечном итоге пропорционально увеличивают как мышцы, так и камеры – большее количество мышц, но одновременно и большие камеры для притока и оттока крови». Именно такой рост она наблюдала у питонов.

Лейнванд рассказала, что ей пришла в голову идея: если ее команда сможет понять, каким образом сердце питона способно расти так быстро, они смогут обратить вспять или предотвратить сердечные заболевания у людей, в частности предложив спасительный вариант для тех, чье сердце стало слишком нездоровым, чтобы получать пользу от физических упражнений. (Для сердец, которые могут выдерживать физические нагрузки, преимущества последних включают улучшение кровообращения, увеличение подачи кислорода к тканям, снижение кровяного давления и уменьшение уровня триглицеридов в крови.)

К сожалению, однако, логистика экспериментов, связанных с питонами, быстро превратилась в кошмар. Где-то в 1990-е годы люди в Южной Флориде начали выпускать своих надоевших домашних питонов в Эверглейдс. Одно из самых богатых на разнообразие видов мест в США, Эверглейдс еще и идеальная среда обитания для теплолюбивых тропических питонов, что позволяет им выживать в течение всего года, не опасаясь холодной погоды или сезонной нехватки пищи. Хуже всего то, что меню, доступное в Эверглейдсе для пришлых змей, обширно и включает в себя исчезающие виды, например рысей, и других млекопитающих среднего размера: енотов, опоссумов и лис ¹⁷³. Чешуйчатые захватчики также стали доминирующим пожирателем болотных кроликов.

За три десятилетия популяция питонов во Флориде выросла до числа где-то между полумиллионом и миллионом особей. Это был экологический кошмар, который в 2012 году привел к тому, что Министерство внутренних дел США запретило продажу темных тигровых питонов, а другой федеральный запрет в том же году закрыл перевозку питонов через границы штатов. Эти запреты стали шагом в правильном направлении для Эверглейдса, хотя они мало чем помогли в сокращении быстрорастущей популяции змей, обитающих там. Но кризис сделал получение образцов для исследований Лейнванд и ее коллег почти невозможным.

Тем не менее, сказала мне Лейнванд, после почти трех лет борьбы с препятствием на пути транспортировки питонов ученые смогли обойти «паутину бюрократии», чтобы обеспечить необходимые образцы для исследований.

Они начали изучение сердца питона с особей, которые недавно ели. Среди самых ранних открытий группы – кровь, взятая у змей, которые недавно съели крупную пищу, оказалась белой. «Настолько наполненная жиром, что практически матовая», – сказала Лейнванд. У людей это было бы плохой новостью, поскольку жир, скорее всего, накапливался бы в органах и приводил к сердечным заболеваниям, при которых жировые бляшки образуются в стенках узких коронарных артерий, снабжающих сердце.

«Так что, когда мы увидели змеиную кровь, похожую на молоко, – сказала она, – я удивилась, почему у них не было никаких симптомов сердечных заболеваний, ведь их сердца, должно быть, заполнены жиром».

Но дальнейшее исследование показало, что сердца насытившихся питонов отнюдь не наполнены жиром. На самом деле в их сердцах было меньше жира, чем натощак. В конце концов исследовательская группа выяснила почему.

«Для нас с вами, – сказала Лейнванд, – или даже для здорового грызуна жир – это топливо, и он сжигается. Когда у вас начинаются сердечные заболевания, вы перестаете сжигать жир, и он накапливается в сердце».

Но у питонов происходит нечто другое. Организм питона на потребление суперогромного обеда реагирует так, что сердце превращается в машину для сжигания жира. Одновременно оно увеличивается в размерах, но не патологическим образом, что, учитывая своеобразные привычки питания животного, было бы неадаптивным. Лейнванд задумалась, что именно в физиологии змеи позволило ее сердцу развиваться подобно сердцу спортсмена, а не лежебоки.

Исследователи определили, что триггерным веществом для резкого увеличения размера сердца был жир в крови – точнее, три жирные кислоты, которые естественным образом содержатся в пище. Это миристиновая кислота, пальмитиновая кислота и пальмитолевая кислота. Люди принимают их в качестве пищевых добавок, например в виде рыбьего жира (кардиолог Патрик Макбрайд, вероятно, скорчил бы сейчас рожу).

Лейнванд и ее команда доказали роль жирных кислот, вводя эти три вещества голодающим змеям. В каждом случае их сердца увеличивались в размерах, как будто змеи недавно ели. Те же три вещества действовали и на мышей, чьи сердца в ответ увеличивались в размерах так же, как и сердца мышей, которые тренировались в течение нескольких недель без добавки жирных кислот. И, что примечательно, как у мышей, так и у змей натощак сердца сохраняли нормальные анатомические пропорции, а не демонстрировали увеличение, вызванное болезнью. Вы помните, что при патологическом увеличении сердца рост миокарда не отражается на увеличении объемов предсердий и желудочков. Наконец – и обнадеживающе – не обнаружилось никаких доказательств того, что коктейль из жирных кислот запускает механизмы каких-либо заболеваний.

Хотя первоначальные результаты были поразительными, ясно, что еще предстоит проделать значительный объем работы. На следующем этапе исследований Лейнванд проверит жирную кислоту на более крупных животных моделях сердечных заболеваний. Есть надежда, что каждый из этих шагов приблизит ученых к их реальной цели.

«В конечном счете, – сказала мне Лейнванд, – мы с коллегами надеемся использовать то, что узнали, не в качестве замены упражнений для здоровья сердца, а, например, в тех случаях, когда пациенты, страдающие сердечными заболеваниями, не могут заниматься спортом, и тогда терапевтическая альтернатива может предложить им более здоровое сердце и более долгую жизнь».

И, уже основав биомедицинскую компанию, Лесли Лейнванд надеется, что однажды она превратит продажи змеиного жира в хороший карьерный выбор. Это стало ясно в 2017 году, когда ученая получила премию Американской ассоциации кардиологов за выдающийся вклад в область здоровья сердца.