Определение сердца в качестве источника пульсаций – по сути, насоса, – данное Авиценной, представляло собой одну из первых попыток описать функцию этого органа. Полное описание циклического процесса в человеческом теле с сердцем-насосом дал английский физиолог Уильям Гарвей, живший в 1600-е годы7. Гарвей учился медицине в Падуе, а для продолжения исследований вернулся в Кембридж. В 1609 году он стал врачом Больницы святого Варфоломея с годовой зарплатой в тридцать три английских фунта. Этот круглолицый невысокий человек (“глаза маленькие и круглые, очень темные и одухотворенные, волосы кучерявые и черные, как вороново крыло”8) обладал простыми вкусами. Он жил в маленьком домике в небогатом Лутгейте, хотя должность врача позволяла ему занимать один из двух гораздо больших по размеру домов вблизи больницы. Есть искушение связать его ментальную строгость со строгостью его экспериментальных методов. Не имея ничего, кроме бинтов и жгутов для перевязки вен и артерий, Гарвей попытался разрешить проблему, которую физиологи не могли разрешить на протяжении многих столетий.
Мы уже упоминали неортодоксальный и пытливый разум Гарвея, когда обсуждали его представления о физиологии и эмбриологии: он был одним из строжайших критиков идей о том, что эмбрион появляется в матке уже предварительно сформированным, а кровь служит разогревающим “маслом” тела. Однако самым важным вкладом Гарвея в науку является его известная работа о сердце и кровообращении. У Гарвея не было мощного микроскопа, и для изучения работы сердца он ставил самые простые физиологические опыты. Он прокалывал животным артерии и обнаружил, что, когда из них вытекает кровь, вены в итоге тоже опорожняются. Отсюда он заключил, что артерии и вены соединены в единую сеть. Когда он пережимал аорту, сердце наливалось кровью, а когда он пережимал главные вены, сердце лишалось крови. Следовательно, аорта должна отводить кровь от сердца, а вены – подводить кровь к нему. Этот вывод настолько принципиален для понимания кровообращения, что совершенно необъяснимо, как он ускользал от многих поколений физиологов.
Что еще важнее, изучая перегородку между левым и правым отделами сердца, Гарвей установил, что она очень толстая и не имеет пор. Следовательно, кровь из правого отдела сердца сначала должна направляться в легкие и лишь затем поступать в левый отдел (прямое противоречие с тезисом Галена и других ранних анатомов). Наблюдая за биениями сердца, Гарвей обнаружил фазы сжатия и расслабления. Следовательно, сердце служит насосом, посылающим кровь в круговую систему обращения по всему телу – от артерий к венам и обратно в сердце.
В 1628 году Гарвей опубликовал свои выводы в семитомном труде под названием De Motu Cordis (“Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных”), перевернувшем представления об анатомии и физиологии сердца. Гарвей утверждал, что сердце служит насосом, заставляющим кровь циркулировать по телу – от артерий к венам и обратно к сердцу. Как он писал, эта идея “одним нравилась больше, другим меньше: некоторые… оговаривали меня и обвиняли в том, что я осмелился отойти от заветов и мнений всех анатомов; другие ждали новых объяснений этих открытий, которые, как они говорили, одновременно за-559 служивали внимания и, возможно, могли принести пользу.
Рисунок Уильяма Гарвея из труда De Motu Cordis с описанием простого упражнения с зажимом вен и артерий. Показано, как кровь течет через вены к сердцу, а через артерии вытекает из сердца.
Теперь мы знаем (отчасти благодаря работе Гарвея), что сердце на самом деле представляет собой не один, а два насоса, расположенные бок о бок – один слева, другой справа, как близнецы в матке.
Это замкнутый круг, поэтому давайте начнем с правой стороны. Правый насос собирает кровь из вен. Венозная кровь (обычно не ярко-красная, а более темная), истощенная и обедненная после доставки кислорода и питательных веществ к органам тела, поступает в верхнюю правую камеру сердца, называемую правым предсердием. Оттуда она проходит через клапан и движется в насосную камеру – правый желудочек. Из правого желудочка кровь мощным толчком переправляется в легкие. Это правый круг кровообращения: от вен к сердцу и в легкие.
Легкие, получившие кровь из правого отдела сердца, наполняют ее кислородом и освобождают от углекислого газа. Обогащенная кислородом и очищенная ярко-красная кровь движется к левому отделу сердца и проталкивается в левый желудочек. Левый желудочек – возможно, самая неутомимая мышца тела – с силой выталкивает кровь в широкую дугу аорты, наиболее крупный сосуд тела, откуда богатая кислородом кровь распространяется по телу и достигает головного мозга.
И так по кругу, раз за разом. “Идея кровообращения не разрушает, а скорее продвигает… медицину”, – писал Гарвей.
Однако такое механистическое представление о сердце как о насосе отвлекает от главного вопроса: как сделать насос из клеток? Вообще говоря, насос – это очень хорошо организованная машина. Ему нужны сигналы расширения и сжатия. Ему нужны клапаны, перекрывающие поток жидкости в обратном направлении. Нужен механизм, гарантирующий отсутствие колебаний сокращающейся камеры без надобности или указания. Неотрегулированный насос не лучше колеблющегося шарика.
Семнадцатого января 1912 года в Институте Рокфеллера в Нью-Йорке французский ученый Алексис Каррель[117] отделил небольшой фрагмент ткани сердца восемнадцатидневного зародыша цыпленка и начал выращивать его в жидкой культуре10. “[Фрагмент] регулярно пульсировал на протяжении нескольких дней и быстро рос, – писал Каррель. – После первой промывки… культура опять быстро росла”11. Когда он отделил кусочек от этого фрагмента и стал выращивать его, то обнаружил, что ткань все еще пульсировала. В марте, спустя почти три месяца после отделения фрагмента ткани от сердца цыпленка, “она [все еще] пульсировала со скоростью от шестидесяти до восьмидесяти четырех ударов в минуту…” Наконец “12 марта пульсации стали нерегулярными, фрагмент совершал от трех до четырех пульсаций, а затем останавливался примерно на двадцать секунд”. За три месяца фрагмент сердца цыпленка в чашке Петри произвел примерно девять миллионов сердцебиений.
Эксперимент Карреля обычно приводят в качестве доказательства того, что органы могут жить и функционировать вне тела, однако он отражает еще одну, не менее важную идею: клетки сердца, выращенные вне тела, способны самостоятельно производить ритмичную пульсацию. Какая-то природная особенность этих клеток позволяет им совершать движения, аналогичные движению насоса, – координированные пульсации. В том же году физиолог из Гарварда Уильям Таунсенд Портер показал, что после удаления нервов из сердца собаки желудочки по-прежнему продолжают самостоятельно пульсировать12. Это была “живая” демонстрация того, что Каррель показал в чашке Петри.
Согласованная пульсация клеток сердца восхищала физиологов. В 1880-е годы немецкий биолог Фридрих Биддер обнаружил, что клетки сердца “разветвляются и сообщаются между собой, формируя континуум”13. Они образуют консорциум единиц – “гражданское сообщество” клеток. Казалось, источник сократительной силы сосредоточен в этом сообществе, в принадлежности единому целому.
Но откуда берется эта сократительная сила? В 1940-е годы физиолог венгерского происхождения Альберт Сент-Дьёрдьи занялся изучением механизма, обеспечивающего клеткам способность сжиматься и расслабляться14. К этому времени он уже заявил о себе как об одном из ведущих физиологов своего времени: он был награжден Нобелевской премией за открытие витамина С и изучение производства клетками энергии. Многое из того, что нам известно о производстве энергии в митохондриях, установлено благодаря его усилиям. Этот человек обладал мощными убеждениями и бесконечной любознательностью. Во время Первой мировой войны он служил военным врачом, но так возненавидел смертоубийство, потеряв какие-либо иллюзии о войне, что выстрелил себе в плечо, заявив, что попал под вражеский огонь, и в результате смог вернуться к научным и медицинским исследованиям. Он переходил из университета в университет, из лаборатории в лабораторию, переезжал из города в город (Прага, Берлин, Кембридж в Англии, Вудс-Хоул в Массачусетсе), изучая биохимию клеточного дыхания, метаболизм кислот и оснований в теле, а также витамины и важнейшие для жизни биохимические реакции.
Наконец в 1940-е годы его неизменно любознательный разум обратился к изучению сердечной мышцы. Занимавший его вопрос был чрезвычайно важен для понимания функции сердца: откуда бралась энергия для сокращений? Сент-Дьёрдьи оттолкнулся от идеи Вирхова: если орган способен сжиматься и растягиваться, значит, его клетки способны сжиматься и растягиваться. Сент-Дьёрдьи рассудил, что в каждой мышечной клетке должна содержаться какая-то специализированная молекула или группа молекул, способная создавать направленную силу, за счет которой клетка сжимается – сокращается. “Чтобы создать систему, способную сокращаться, – писал он, – природе нужны тонкие и длинные белковые частицы”15. К тому времени один такой “тонкий и длинный” белок уже был обнаружен. Сент-Дьёрдьи писал: “Волокнистые, очень тонкие и длинные белковые частицы, из которых природа создала сокращающуюся материю, – это миозин”.
Однако длинный и тонкий белок – лишь канат. Привяжите канат к двум сторонам клетки, и вы получите основной элемент сократительного аппарата. Но как такая система канатов сжимается и растягивается? Сент-Дьёрдьи и его коллеги обнаружили, что волокна миозина прочно связаны с другой плотной и организованной сетью длинных и тонких волокон, состоящих в основном из белка актина. Короче говоря, в мышечной клетке есть две взаимосвязанные системы волокон – актиновая и миозиновая.
Секрет сокращения мышечной клетки заключается в том, что два типа волокон (миозин и актин) скользят друг вдоль друга, как две сети канатов. При стимуляции сокращения часть миозинового волокна связывается с определенным участком актинового волокна, как будто рука из одного каната хватается за другой. Затем зажим разъединяется, и волокно продвигается дальше, к следующему участку: человек, висящий на одном канате, захватывает и тянет другой – в одном месте, потом в следующем.