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. 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.

Теперь я знаю, что кое-кто из вас думает – или думал бы, если бы у него была центральная нервная система. «Некоторые из нас гораздо толще миллиметра, но без того хлама внутри вроде системы кровообращения, о которой вы только что упомянули. Так объясните же это, мистер Наука».

Ну, ладно, но только быстро.

Действительно, некоторые из вас – плоские черви, например – могут образовывать цепи длиной до 2,5 метра. И да, все они прекрасно обходятся без кровеносной системы – слишком прекрасно, если кого-то интересует мое мнение. Но, как и другие живые существа, около 20 тысяч видов, принадлежащих к команде плоских червей, живут припеваючи, потому что они приспособились к специфическим требованиям окружающей среды (так называемое давление отбора). У некоторых плоских червей это привело к возникновению ворсинчатых тел или длинных нитевидных форм. Точно так же, как грецкий орех имеет бо́льшую площадь поверхности, чем гладкий шарик того же размера, плоский червь с ворсинчатым телом имеет бо́льшую площадь поверхности для обмена газом, питательными веществами и отходами, чем гладкий плоский червь того же размера и формы. Распространим эту концепцию на пример шкафа: у двери в виде гармошки площадь поверхности будет больше, чем у плоской, так что в ней получится прорезать больше отверстий.

Но успех плоских червей – это нечто большее, чем просто форма. Примечательно, что среди них нет высокоактивных спринтеров. Ни быстрых пловцов, ни летунов. Их жизнь становится куда полнее, едва они прикрепляют изображающий голову сколекс к внутренней оболочке чьей-то толстой кишки. Другие коротают время, лежа на дне ручья или, может быть, в тени какого-нибудь влажного листового мусора. Это ленивое существование, и в результате таким домоседам нужно меньше энергии и кислорода, чтобы прожить день.

Но, ребята, не поймите меня неправильно. Хотя у вас нет кровеносной и дыхательной систем и многие из вас ведут паразитический образ жизни, заражают 300 миллионов человек в год и испражняются изо рта, пожалуйста, знайте, что ничто из этого не должно заставить вас чувствовать неловкость. Просто это книга не о вас – так что поговорим как-нибудь в другой раз, хорошо?

Ладно. Они ушли? Круто.

Теперь для тех из вас, кто немного толще в середине, чем наши крошечные друзья, и кто может жить где-то еще, кроме чьего-то кишечника или озерного ила. Вы должны знать, что во время вашего эволюционного пути от одноклеточных организмов до навозных жуков, пиявок и страховых агентов возникали реальные проблемы. Пожалуй, самая серьезная из них состоит в том, что диффузия плохо работает на больших расстояниях. На самом деле она не годится почти ни для чего толще миллиметра. Как следствие, сама по себе диффузия крайне неэффективна для перемещения жизненно важных веществ и отходов жизнедеятельности в существах с массивными трехмерными телами, состоящими из слоев толщиной в сотни и даже тысячи клеток.

Вы можете спросить, как же тогда организмы эволюционировали, чтобы стать такими большими?

Вопрос сложный.

Для начала я должен пояснить: из-за небольшого размера и мягкотелости чрезвычайно древних организмов, участвовавших в эволюционном процессе, ископаемая летопись тех времен довольно скудна. Тем не менее ученые считают, что первые многоклеточные формы жизни возникли где-то между 770 и 850 миллионами лет до нашей эры (до н. э.)⁷. К 600 миллионам лет до н. э. эволюционировала новая линия многоклеточных, которая могла похвастаться не только радиальной (то есть круглой) формой, но и одинаковыми правой и левой сторонами. А у их эмбрионов появился третий слой, добавившийся к ранее двуслойной планировке тела. Более древняя структура состояла из внешней эктодермы, которая развивалась в такие элементы, как кожа, нервная ткань, рот и анус, и более глубоко расположенной энтодермы, которой суждено было стать внутренней оболочкой пищеварительной и дыхательной систем. Недавно возникший третий слой, мезодерма, сформировался между первыми двумя и стал источником новых строительных блоков для более крупных и сложных организмов. В конечном счете он даст начало мышцам, соединительным тканям, таким как хрящи или жир, структурным элементам, таким как кости, и отнюдь не простому набору тканей, которые станут известны как сердце.

Следующий уровень организации после, собственно, клетки в многоклеточном организме – это ткань. Каждый тип ткани состоит из различных видов клеток и субстанции под названием «внеклеточный матрикс», находящейся снаружи этих клеток и между ними. Клетки и матрикс в ткани действуют сообща и слаженно, выполняя определенную функцию – или функции – например, поддерживают тело, преодолевая силу тяжести, или помогают жидкостям перетекать с места на место. Всего существует четыре типа тканей: соединительная (например, кровь, кости и хрящи), эпителиальная (которая покрывает поверхности тела и выстилает полые органы и кровеносные сосуды), нервная ткань (нейроны и их опорные клетки – глия) и мышечная. Существуют три подтипа мышечной ткани: гладкие мышцы (не контролируемые произвольно), скелетные мышцы (произвольно контролируемые) и сердечная мышца, которая, к счастью, тоже не контролируется произвольно, что освобождает нас от необходимости помнить о том, что сердце должно биться.

Следующий организационный уровень тела – это орган. Каждый из ваших органов выполняет как минимум одну определенную функцию, а часто намного больше. Каждый орган состоит по крайней мере из двух различных типов тканей, а некоторые более крупные органы, включая сердце, могут состоять из всех четырех типов. Хотя сердце, почки и печень проще воспринимать как органы, в эту категорию попадают и кровеносные сосуды, поскольку они состоят из эпителиальной, соединительной и мышечной тканей и выполняют функцию транспортировки и распределения крови.

На вершине этой иерархии организации тела находятся системы органов, такие как кровеносная или пищеварительная. Они состоят из множества органов, задействованных в какой-то общей функции или функциях. В случае нашей кровеносной системы органы – это сердце, артерии, капилляры и вены, участвующие в транспортировке крови по всему телу.

Как и другие органы, кровеносные сосуды состоят из слоев клеток. Мышечные клетки, чаще называемые мышечными волокнами или миоцитами, образуют внутренний слой, ограниченный с обеих сторон эпителиальной тканью. Когда мышечные волокна сокращаются, жидкость внутри сосуда сжимается и движется – представьте, что ваши пальцы сжимают центр вытянутого шара с водой. Ученые полагают, что именно так вода и в конечном счете кровь начали переноситься с места на место внутри организмов, которые с течением эволюционного времени становились все больше.

Как развивался этот процесс? По одной из гипотез, примерно 500 милионов лет назад некоторые клетки, получившиеся из свежевозникшей мезодермы какого-то неизвестного организма, развили способность уменьшать свою длину – то есть сокращаться. Чтобы это произошло, в какой-то момент сократительные белки внутри клетки должны были выстроиться рядом друг с другом. Получив источник энергии, эти белки (подобные актину и миозину, обнаруженным в мышцах человека, в том числе в сердечной мышце) начали скользить мимо друг друга в противоположных направлениях. Если миллионы молекул делали это одновременно, то клетки, в которых они собрались, сокращались вместе с окружающими структурами. Затем, когда сократительные белки скользили обратно в прежние положения, клетки расслаблялись и возвращались к своей изначальной, досократительной длине.

Однако 500 милионов лет назад первые сократительные клетки были намного проще, чем наши мышечные клетки – миоциты (или миофибриллы). Кроме того, они не могли впервые возникнуть в кровеносных сосудах, поскольку ни крови, ни сосудов, которые ее транспортируют, тогда не существоало – хотя, безусловно, существовала вода, и с ее помощью вещества могли перемещаться в организм и из него. Даже сейчас сократительные белки, которые находятся внутри нормальных клеток организма, образуют жизненно важную часть внутренней транспортной системы клетки. Ученые полагают, что у некоторых доисторических существ клетки, содержащие древние сократительные белки, могли собираться в трубки, образуя примитивные системы «кровообращения». Эти сократительные трубки позволили перемещать воду и вещества, содержащиеся в ней, – и, намного позже, кровь – с места на место внутри все более крупных организмов. С появлением таких новшеств, как система кровообращения с сократительным органом, новые «типы на районе» относительно быстро разделялись на мириады форм, таких как сегментированные черви, моллюски и, через некоторое время, хордовые – подмножество которых, позвоночные, составляет подавляющее большинство читателей этой книги.

По пути эти существа, оснащенные подобными приспособлениями, превзошли многие организмы, у которых не было таких систем, и последние вымерли. Хотя и не все. Кораллы, медузы и гребневики отделились от остальных беспозвоночных до развития мезодермы, производящей мышцы. Хотя они не унаследовали мышечную ткань от своих предков, представители типа Cnidaria развили свои собственные эволюционные преимущества, такие как токсины и жалящие клетки, чтобы отгонять хищников. Благодаря этому они смогли жить припеваючи.

Системы кровообращения развивались не в вакууме – хоть и стали, безусловно, революционными. Кровеносные сосуды – это прекрасно, но важной причиной успеха организмов, обладающих системами кровообращения, было то, что они развили и другие системы органов, в частности дыхательную. Формируясь и функционируя в тандеме, эти две системы решили проблему перемещения большого количества газов в тело и из него – и в результате они позволили организмам, подобным хордовым, справиться с энергетическими затратами, связанными со все более сложными процессами и поведением.

Большинство дыхательных систем состоят в основном из аппаратов газообмена, таких как жабры или легкие. Их основная функция – облегчать поглощение кислорода, который необходим для жизнеобеспечения химических реакций, происходящих в организме. Эти реакции известны как метаболические процессы, а в совокупности они называются метаболизмом организма. Один из самых важных среди этих процессов – высвобождение полезной энергии из пищи, которую мы едим. По мере процесса пищеварения питательные вещества из еды расщепляются на более мелкие молекулы, такие как углеводы, жиры и белки. Благодаря процессу под названием клеточное дыхание, глюкоза из сахара (углевод) преобразуется в аденозинтрифосфат (АТФ), энергетическую валюту клетки. Мышечные волокна и другие клетки обладают способностью разрушать химические связи, удерживающие АТФ вместе, и эта энергия может потом использоваться как топливо для таких процессов, как восстановление, рост и сокращение мышц. Чрезвычайно важно, что химические реакции, участвующие в этом молекулярном распаде и высвобождении энергии, требуют кислорода. А обеспечивают его приток в организм как раз жабры и легкие.

Но это еще не все. Клеточное дыхание производит не только энергию, но и отходы: углекислый газ (СО₂), токсичный для многих организмов. В результате приходится постоянно избавляться от СО₂, пока он не накопился до вредных уровней. Таким образом, большинство систем кровообращения играют двойную роль, доставляя кислород от жабр или легких к клеткам тела и одновременно перенося отходы метаболизма в жабры или легкие, где они выводятся из организма. (Кстати, о птичках: хотя многие люди думают, что мы дышим быстрее во время тренировки из-за повышенной потребности в кислороде, именно необходимость устранить избыток углекислого газа заставляет нас сопеть и пыхтеть.)

По мере развития дыхательных систем усложнялись и системы кровообращения, обеспечивающие движение жидкости, называемой кровью, по всему телу. Самые ранние свидетельства существования этой двойной системы датируются примерно 520 миллионами лет назад – у членистоногих Fuxianhuia protensa, впервые обнаруженных в окаменелостях уезда Чэнцзян на юго-западе Китая⁸.

Проходящая через ряд сократительных сосудов: артерии, вены и в конечном счете капилляры – кровь тогда, как и сейчас, вероятно, была нужна для доставки питательных веществ и газов в каждую клетку организма и вывода отходов из нее. Не менее важно и то, что такое устройство позволяло доставлять и принимать все эти вещества на приличном расстоянии от внешней поверхности организма. В то время как диффузия по-прежнему остается незаменимой штукой, когда речь идет о перемещении этих продуктов в клетки тела и из них, питательные вещества, газы и отходы теперь путешествуют по кровеносным сосудам, чтобы пройти на выход, вместо того чтобы просачиваться туда и обратно, слой за слоем, во внешнюю среду и из нее.

Теперь перенеситесь на 500 миллионов лет вперед от Fuxianhuia protensa и представьте себе 500 миллионов крошечных мешковидных альвеол (примерно 0,2 миллиметра в диаметре) на кончиках бронхов, глубоко внутри ваших легких. Каждая альвеола окружена сетью капилляров, крошечных кровеносных сосудов диаметром примерно в одну десятую толщины человеческого волоса. Это микроскопические участки газообмена между дыхательной и кровеносной системами. И у альвеол, и у капилляров стенки чрезвычайно тонкие, в один клеточный слой, что обеспечивает быстрый обмен газами. Но, хотя каждая из них крошечная, взятые вместе альвеолы покрывают поверхность примерно в 100 квадратных метров, позволяя обрабатывать большое количество воздуха, которым мы дышим. Когда мы вдыхаем, кислород диффундирует из альвеол в альвеолярные капилляры, откуда он переносится все более крупными кровеносными сосудами к сердцу (на этот раз в левое предсердие) и, когда левый желудочек сокращается, уходит в тело. CO₂ движется в противоположном направлении: из альвеолярных капилляров в альвеолы, во время выдоха отправляясь в окружающую среду.

Ладно, время примера. Готовы? Вдохните… потом выдохните.

Вот и все. Теперь прочтите абзац выше еще раз, потому что именно то, что в нем описано, и произошло во время этого упражнения.

Такое взаимодействие между кровеносной и дыхательной системами – лишь один из многих способов, которыми связаны системы органов, они функционируют вовсе не по отдельности, как, к сожалению, мы впервые это узнаем из отдельных глав в учебнике. Поскольку такое мышление вредно для реального понимания того, как работают биологические системы, я постоянно предупреждаю об этом своих студентов на курсе анатомии и физиологии человека. Я говорю им, что системы органов взаимодействуют: они сотрудничают, они зависят друг от друга – и по отдельности большей частью бесполезны.

К сожалению, иногда этот синергизм теряется. Сбой в одной системе вызывает цепную реакцию в других – подобное случается при таких болезнях, как эмфизема. Эмфизема – это дегенеративное и неизлечимое респираторное заболевание, характеризующееся систематическим разрушением альвеол в легких. В результате уменьшается их число и нарушается функция – служить крошечными посредниками между атмосферой, которой мы дышим, и системой кровообращения, перемещающей кислород и углекислый газ по всему телу.

Причины эмфиземы различны, это и редко встречающийся наследственный дефицит белка, защищающего легкие, и вдыхание производственной пыли и химических веществ, но основная причина – курение сигарет. В конечном итоге вместе с поражением дыхательной системы нарушается и ключевая функция системы кровообращения, поскольку кровь, возвращающаяся из пораженных эмфиземой легких, не в состоянии принести достаточное количество кислорода к тканям и органам тела, чтобы они могли нормально функционировать.

По мере того как организмы становились все более разнообразными и сложными, то же самое происходило и с их кровеносными системами. Одной из эволюционных фишек стал насос, который выводил насыщенную кислородом и питательными веществами циркуляторную жидкость в организм, а потом возвращал ее, бедную кислородом и питательными веществами, готовя к новому кругу. Конечно, насос, о котором идет речь, – это сердце.

Как мы сейчас увидим, сердце – не единая структура, общая для всего животного царства. Циркуляторные насосы развивались в разных группах животных по отдельности. Они часто выглядят и работают совсем по-разному, и поэтому некоторые из получившихся органов не заслужили достаточного количества галочек, чтобы подтвердить ярлык «сердце». Общее между ними – это функция, что связано с феноменом, известным как конвергентная эволюция.

Иногда организмы сходным образом приспосабливаются к одинаковой среде – примером могут служить обтекаемые (или веретенообразные) формы тела акул и дельфинов. Эти животные не близкие родственники: дельфины – млекопитающие, а акулы – рыбы. Смысл здесь в том, что адаптация не передавалась этим созданиям от одного общего предка, но, напротив, стала результатом эволюции дважды (а то и многократно – у тунцов примерно та же форма, что и у торпед). Объяснение этого феномена заключается в том, что веретенообразные тела идеально подходят для создания скорости, и потому это прекрасная форма для быстро движущихся хищников из очень разных ветвей эволюционного дерева.

Еще один пример конвергентной эволюции в животном мире – питание кровью. Такие разные животные, как пиявки, клопы и летучие мыши-кровососы, разделяют набор похожих вампирских адаптаций, которые включают скрытность, небольшие размеры, острые зубы и антикоагулянты в слюне.

Подобно веретенообразным телам у водных хищников или вампирской скрытности, кровеносные системы, по-видимому, сходным образом эволюционировали во многих различных группах беспозвоночных. Циркуляторные насосы и связанные с ними сосуды выполняют, по существу, одну и ту же работу, и из-за этого они проявляют сходство даже тогда, когда их владельцы – не близкие родственники. Множественное эволюционное происхождение может также объяснить, почему кровеносные системы беспозвоночных, которые мы будем рассматривать далее, демонстрируют такую высокую степень вариативности формы. Существуют одиночные сердца, множественные сердца, а иногда сердец вовсе не бывает; открытые либо замкнутые системы кровообращения, в различиях между которыми мы скоро разберемся.

Эволюционное происхождение объясняет и то, почему в системах органов позвоночных существует меньше вариаций. Большинство ученых считают, что все системы кровообращения позвоночных можно проследить до одного общего предка, вероятно, вида бесчелюстных рыб, живших около 500 миллионов лет назад. В результате некоторые приспособительные механизмы древних позвоночных можно обнаружить у ныне живущих – хотя они и изменились в процессе эволюции. Эти изменения, такие как эволюция двухкамерных сердец у рыб и четырехкамерных сердец у млекопитающих, крокодилов и птиц, позволили этим существам соответствовать требованиям очень различных сред, в которых они обитают. Тем не менее основная схема кровеносной системы древних позвоночных – артерии, вены и сердце с камерами – сохраняется и сегодня. Но об этом позже.