Пожилые люди (и другие млекопитающие) часто сталкиваются с состоянием, называемым атеросклерозом, при котором крупные эластичные артерии могут затвердеть и потерять свою эластичность. Это состояние возникает по нескольким причинам, в том числе из-за фиброза – патологической (связанной с болезнью) реакции на травму, при которой неэластичная фиброзная ткань замещает эластичные или сократительные волокна в сосудах. Негативное влияние на сосуды оказывает и процесс кальцификации – накопление кальция в тканях организма, в данном случае в виде негибких отложений внутри стенок сосудов. Без помощи эластичных сосудов сердцу, чтобы доставлять кровь в организм, приходится работать усерднее, что часто приводит к серьезным проблемам со здоровьем.
Требования перехода, пусть даже частичного, к жизни на суше в конце концов привели к развитию трехкамерного сердца (два предсердия и один желудочек) у амфибий. И хотя в одном желудочке богатая и бедная кислородом кровь частично смешиваются, такая конструкция перешла и к преобладающей части рептилий.
У большинства амфибий бедная кислородом кровь поступает из тела в правое предсердие. Кислород из жабр или легких возвращается в левое предсердие вместе с кровью, которая была насыщена этим газом в процессе кожного дыхания. Поскольку у амфибий тонкая, влажная кожа и непосредственно под ней обильно располагаются кровеносные сосуды, кислород способен диффундировать из воздуха через кожу в тело. Это кожное дыхание в сочетании с серией заслонок и клапанов в сердце (поддерживающих частичное разделение богатой и бедной кислородом крови) более чем компенсирует смешивание, которое происходит в одном желудочке. Кожное дыхание настолько эффективно для мелких позвоночных, обитающих во влажной среде, что оно стало единственным методом газообмена в самом большом семействе саламандр – безлегочных саламандр, Plethodontidae, у которых нет ни легких, ни жабр.
Амфибии – жабы, лягушки и саламандры – проводят в воде как минимум некоторые стадии жизни (а кое-кто остается в ней почти всю жизнь), но от рептилий это не требуется, хотя, например, морские черепахи изменили образ жизни на полностью водный. Однако и на суше, и на море у них имеется существенное отличие в функции системы кровообращения: у рептилий легкие полностью взяли на себя роль жабр. Это стало возможно потому, что, в отличие от амфибий, рептилии никогда не проходят стадию водной личинки (как головастики лягушек и жаб). Это важное различие впервые обнаружили в начале XIX века, и в результате лягушек, жаб и саламандр поместили в собственный филогенетический класс «амфибии», отделив от рептилий, с которыми их объединяли ранее.
С точки зрения эволюции особое внимание рептилий к наземному существованию не было чем-то плохим, поскольку это означало, что эти существа более не зависели от необходимости найти подходящий водоем, в котором они могли бы спариваться, откладывать яйца или развивать своих головастиков – особенно потому, что у них не было головастиков. Это позволило им перемещаться в места обитания, расположенные дальше от водоемов, что предоставляло возможности для использования новых видов пищи и одновременно снижало риск столкновения с хищниками. Однако из-за этого рептилии потеряли влажную кожу своих предков, поскольку стало жизненно важно сохранять воду, содержащуюся в их телах, и не позволять ей испаряться. В результате их кожа чаще всего сухая, иногда чешуйчатая и абсолютно не подходит для кожного дыхания.
Как уже упоминалось, есть одна характерная, общая и для амфибий, и для рептилий, черта – трехкамерное сердце, в котором смешивается насыщенная и бедная кислородом кровь. Но, хотя эта особенность и дает представление об их тесных эволюционных связях, на самом деле есть ряд небольших вариаций между сердцами пресмыкающихся и земноводных. Однако ключевая разница между сердцами рептилий (кроме крокодилов) и амфибий заключается в том, что у рептилий единственный желудочек хотя бы частично разделен перегородкой.
Пожалуйста, имейте в виду, что, как и предыдущее описание систем кровообращения насекомых, все нижеследующее будет обобщением. Словом, оставайтесь с нами и внимательно изучите рисунок ниже. У ящериц, когда предсердия сокращаются, два потока крови (лишенная кислорода кровь из правого предсердия и насыщенная кислородом кровь из левого предсердия) поступают в левую сторону желудочка. Помните, в нем есть неполная перегородка. В левой части желудочка лишенная кислорода кровь задерживается справа, а насыщенная кислородом – слева (и да, некоторое количество богатой и бедной кислородом крови смешивается). Когда желудочек сокращается, дезоксигенированная кровь направляется через отверстие в перегородке в правую сторону желудочка, а оттуда в легочную артерию (которая, к счастью, находится рядом) и далее в легкие. Одновременно, когда желудочек сокращается, насыщенная кислородом кровь в этой камере откачивается через пару аорт и поступает в тело[59]. Ух ты!
У одного отряда рептилий, у крокодилов (аллигаторы, крокодилы и узкорылые гавиалы), легочные и системные круги кровообращения полностью разделены. То же самое верно и для птиц – на самом деле близкородственного им классу позвоночных. Крокодилы и птицы – единственные известные ныне живущие архозавры (самыми знаменитыми представителями этой группы были динозавры). Их четырехкамерные сердца сходны, но не идентичны тем, что обнаружены у млекопитающих.
Сердца крокодилов, птиц и млекопитающих, с четырьмя камерами, разделенными клапанами, предотвращающими обратный поток, и перегородкой, разделяющей левую и правую стороны, образуют не просто насос, но пару насосов и пару кругов кровообращения. В легочном круге кровь, потерявшая кислород, возвращается из тела в правое предсердие, проходит в правый желудочек и отправляется в легкие. В системном круге обогащенная кислородом кровь возвращается из легких в левое предсердие и проходит в толстостенный левый желудочек, который сокращается, выталкивая ее в тело. В результате богатая и бедная кислородом кровь не смешивается, и насыщенная кислородом кровь не разбавляется лишенным этого газа аналогом.
Однако, в конце концов, независимо от того, имеют ли сердца позвоночных две, три или четыре камеры и смешивается ли какая-то часть богатой и бедной кислородом крови, эти адаптации действительно очень хорошо работают для существ, которые ими обладают.
Одна особенность, общая для всех животных: для того, чтобы выжить, они должны быть хорошо приспособлены к своему ареалу, к окружающей среде. Однако нередко условия этой среды меняются – иногда резко, иногда значительно, и очень часто и то и другое разом. Для некоторых созданий экстремальные условия – норма: засушливые пустыни, влажные дождевые леса, разреженный воздух горных вершин или сокрушительное давление в глубине океана. В других местах обитания в разные сезоны просто внезапно сильно меняется температура или количество воды. Кровеносная система играет ключевую роль в способности животных (включая человека) переживать экстремальные условия окружающей среды. Удобно, что многие из адаптаций, которые позволяют организмам справляться с этими крайностями, также помогают нам лучше понять, как работают сердца и системы кровообращения, и увидеть, что даже самые сложные и эффективные из этих систем потерпят неудачу, если выйти за пределы их возможностей. В уже скомпрометированном сердце эта неудача может быть катастрофической.
6На мороз
Горячее сердце, холодные руки.
Если хотите, можете звать меня Братец Медведь, потому что я в спячке.
Большую часть тридцатилетней карьеры я провел, изучая летучих мышей. Хотя в основном люди, к счастью, вышли за рамки стереотипного представления о летучих мышах-кровососах (только три из 1400 видов питаются кровью, и все виды летучих мышей имеют больше общего с людьми, чем с грызунами), для многих летучие мыши остаются существами, окутанными тайной. Обыватель знает об этих преимущественно ночных млекопитающих только то, что многие из них впадают в спячку. Как мы вскоре увидим, зимняя спячка – это прежде всего стратегия кровообращения: сжигающая энергию система, которая переносит кислород и питательные вещества, вынуждена замедляться, чтобы приспособиться к периодам – зачастую длительным, – когда вокруг холод и негде найти пищу.
Однако обстоятельства отвлекают меня от изучения темы адаптации летучих мышей к холоду. На Лонг-Айленд и Нью-Йорк обрушилось, по выражению местных метеорологов, «опасное снижение температуры». Отчасти причиной того, что похолодание заслужило ярлык «опасного», стали многочисленные сообщения о людях, умирающих от инфаркта и, реже, от переохлаждения – состояние у людей, при котором температура тела падает ниже 35 °C.
Нетрудно понять, почему человек с больным сердцем может пасть жертвой усилий по расчистке снега – особенно тяжелого и влажного, который столь распространен на северо-востоке США, когда после бурана типичная подъездная дорога может вместить несколько тонн снега. Считается, что большая часть возникших в такую погоду инфарктов происходит из-за того, что расчистка снега – особенно если приходится его перекидывать – заставляет сердце биться быстрее и сильнее. Как и при любом упражнении, это повышает артериальное давление, что потенциально может повредить и без того зачастую не слишком исправный насос. Менее очевидно то, как холод обостряет ситуацию.
При воздействии низких температур (например, если влезть вместе с лопатой в сугроб) человеческое тело пытается сохранить тепло в основных органах, таких как мозг, сердце, легкие и печень. Для этого оно уменьшает приток крови в капиллярном русле периферийно расположенных структур – руках, ногах, кончике носа, – перенаправляя ее в ранее упомянутые важные части тела. Процесс, который это обеспечивает, называется «локальная вазоконстрикция», то есть сужение кровеносных сосудов в определенных областях тела. Такое происходит, когда крошечные мышечные клапан