Пламенный насос. Естественная история сердца
В каждом случае отправной точкой становится насос, будь то сократительный спинной сосуд, сердце или электродвигатель в гидронасосе. Как и в биологической системе, гидронасос преобразует энергию (в данном случае электрическую от розетки или батареи) в механическую (в данном случае движения мотора). Эту механическую энергию можно направить на выполнение работы, например преодоления силы тяжести, удерживающей воду в отстойнике, яме, вырытой в полу, где по разным причинам скапливается вода, – и ни одна из этих причин не попадает под категорию «забавы ради». Если насос достаточно мощный, вода поднимается по шлангу и уходит во двор к вашему соседу. Когда электрическая энергия отключается или когда вода оказывается слишком далеко от насоса, сила тяжести пытается вернуть ее назад в яму. Однако, если это приличный насос, вода не потечет обратно к вам в подвал. Это происходит потому, что у насоса есть клапаны, которые позволяют жидкости двигаться только в одном направлении – наружу.
Работают ли кровеносные сосуды так же?
По сути, ответ – «да», хотя вам лучше забыть детали, касающиеся ямы в подвале и соседского двора.
Как упоминалось ранее, когда мы сравнивали сердца позвоночных, циркуляционные насосы, обнаруженные у беспозвоночных, очень изменчивы по виду и функциям. Подталкивать кровь в тело могут перистальтические (пульсирующие) кровеносные сосуды (дождевые черви), трубчатые сердца (мечехвосты), мешковидные сердца (кишечнодышащие черви) и даже многокамерные сердца (улитки). У некоторых беспозвоночных, например кальмаров и их головоногих приятелей, даже есть замкнутые системы кровообращения и несколько сердец, различных по строению и функциям. Хотя рассказать обо всем многообразии этих систем практически невозможно, некоторые из них можно выделить как интересные примеры.
Технически у дождевых червей и их родственников (они же аннелиды, они же кольчатые черви) нет сердец: вместо этого у них имеется ряд из пяти парных сократительных сосудов, называемых дугами аорты, псевдосердцами или околопищеводными сосудами (поскольку они обвивают пищевод). Как и у насекомых, системы кровообращения и дыхательные системы дождевых червей не пересекаются – то есть их гемолимфа не переносит кислород или углекислый газ. Но у них нет трахеальной системы для прохождения воздуха – кольчатые черви производят газообмен непосредственно через тонкую влажную кожу, этот процесс известен как кожное дыхание. Примечание: поскольку дождевые черви дышат кожей, они могут утонуть в почве после дождя. Это объясняет, почему они рискуют выходить на люди дождливыми ночами – к великой радости ранних пташек и рыбаков.
У большинства животных с покрытой слизью кожей, практикующих кожное дыхание, кислород из воздуха диффундирует через самый верхний слой кожи, эпидермис, в обширную сеть капилляров, расположенных слоем ниже, в дерме [47]. Оттуда насыщенная кислородом кровь перемещается в более крупный спинной сосуд, который тянется по всей длине червя. Ритмичные сокращения дорсального сосуда продвигают кровь вперед, в парные дуги аорты. Расположенные параллельно, эти дуги охватывают переднюю секцию тела; они сокращаются в синхронной волнообразной манере, которая называется «перистальтика». Это то же самое движение пульсирующей трубки, что проталкивает еду в пищевод, расплескивает ее по стенкам желудка и протискивает сквозь тонкий кишечник.
У дождевого червя перистальтические сокращения направляют насыщенную кислородом кровь вниз и в вентральный кровеносный сосуд. Оттуда она попадает в капилляры и распределяется по телу и органам. Лишенная кислорода кровь в конечном итоге возвращается в спинной сосуд через капилляры, которые позволяют ей циркулировать по телу червя в непрерывной петле, превращая это в классический пример замкнутой системы кровообращения у беспозвоночных29.
В настоящее время активно поддерживается гипотеза, что сердца позвоночных эволюционировали из сократительных кровеносных сосудов, сходных с дугами аорты, хотя никто не верит, что они развились из той системы, что сейчас присуща дождевым червям [48].
Головоногие вроде кальмаров и осьминогов могут не иметь пяти пар дуг аорты, но они переносят кровь сходным образом, обладая тремя сердцами. Первые два – пара ветвистых сердец – принимают лишенную кислорода кровь, возвращающуюся от тела. Сокращаясь, они толкают эту кровь к жабрам, где она подбирает кислород из окружающей воды. Покидая жабры, богатая кислородом кровь направляется к третьему, единственному системному сердцу, которое прокачивает ее по всему телу. Такая высокоэффективная замкнутая кровеносная система, вероятно, возникла как эволюционный ответ на сформировавшийся у головоногих характерный активный образ жизни. Снабженные интеллектом, реактивным двигателем и превосходными способностями хищника, эти существа требуют относительно бо́льшего количества кислорода, чем организмы-лежебоки аналогичного размера.
На этом этапе я должен предостеречь вас от общей ошибки, которую допускают многие не-ученые, разглядывающие разнообразие животного мира. Наблюдая серьезные различия в системах кровообращения насекомых, кольчатых червей и головоногих, легко впасть в искушение счесть некоторые из них «лучшими», чем другие, – и все как «низшие» в сравнении с кровеносной системой человека. Подобным образом думали и многие ученые примерно до середины XX века, и потому в старой научной литературе хватало вычурных словес – как человек «превзошел» или люди «достигли вершины» в любой обсуждаемой теме. Но вместо того, чтобы рассматривать нечеловеческие системы кровообращения как второсортные или в чем-то дефективные, нам следует думать о них как о функционально равноценных системах, каждая из которых эволюционировала на протяжении сотен миллионов лет, чтобы удовлетворить потребности своих владельцев в питательных веществах, газообмене и выделении отходов, учитывая условия окружающей среды, в которой эти организмы жили или живут поныне.
Более того, ни одна из этих систем органов не совершенна. В основном они представляют собой лишь модифицированные версии существовавших ранее структур, в которые иногда добавлены новые части для новых ролей. Чаще всего эволюция не изобретает, она наводит глянец на то, что уже есть, доводя до ума одни структуры и придумывая новые цели для других. Если мы будем держать это в уме, у нас не останется права хвастаться тем, что некоторые системы кровообращения довольно сложны, тогда как другие относительно просты. Главное здесь то, что все они работают.