Пламенный насос. Естественная история сердца
Однако у открытой системы кровообращения есть свои пределы. Причина этого в том, что любая анатомическая система сталкивается с основными законами физики и ограничениями, которые они налагают. Другими словами, в эволюции возможно не все. Например, нечто в форме коровы летать не сможет из-за ограничений, накладываемых на летунов законами аэродинамики. В открытых системах кровообращения ограничения оказываются весьма серьезными, особенно когда они касаются размеров. Именно из-за физических законов не существует мух величиной с орла или мечехвостов размером с гольф-кар. Просто крупные животные составлены из слишком большого количества клеток, и открытая система кровообращения не может эффективно снабжать их всем необходимым.
Как обычно, это во многом связано с диффузией. Замкнутые системы кровообращения имеют обширные переплетающиеся капиллярные сети, обеспечивающие огромную площадь поверхности для обмена газами, питательными веществами и отходами между кровью и тканями организма. В открытых системах кровообращения ничего этого нет. Как мы уже видели, здесь обмен происходит в похожих на камеры гемокоэлях. К несчастью для любого мечехвоста, собравшегося дорасти до размеров мамонта, площадь поверхности стенок гемокоэля недостаточна, чтобы слой за слоем снабжать ткани, состоящие из миллионов и миллионов клеток.
Гравитация – еще одно ограничение для организмов с открытой системой кровообращения, и это объясняет, почему нет созданий такого типа, подобных жирафу. Причина в том, что насосы, обнаруженные в открытых системах кровообращения, никогда не были достаточно сильны, чтобы заставить кровь подниматься вверх против очень значительной силы тяжести, с которой сталкиваются животные ростом с жирафов – или даже с людей. Но о силе тяжести и ее эффектах мы поговорим позже.
Жирафы (Giraffa camelopardalis) – самые высокие среди ныне живущих млекопитающих (самцы достигают 5,5 метра), и чтобы заставить кровь подняться в головы, расположенные на высоте деревьев, их сердца создают самое высокое артериальное давление среди млекопитающих. В норме оно примерно 280/180 мм рт. ст., что более чем вдвое выше артериального давления человека (в норме 120/80 мм рт. ст.). Вскоре мы подробнее рассмотрим кровеносные системы этих удивительных существ, но пока давайте остановимся, чтобы прояснить важный, хотя и запутанный вопрос.
Некоторые читатели могут поинтересоваться, что на самом деле означают те показатели артериального давления, о которых я только что упомянул. Первое число означает силу, приложенную к стенкам кровеносных сосудов во время сокращения желудочков, когда сердце выбрасывает кровь в тело. Это давление называется систолическим. Второе число выражает силу, приложенную к тем же самым сосудам, когда сердце расслаблено и желудочки наполняются кровью. Это диастолическое давление. Как и в случае измерения других давлений, например атмосферного, эти значения можно представить как высоту в миллиметрах, на которую поднимается столбик ртути, преодолевая гравитацию, в открытом U-образном сосуде, когда сила прикладывается к другому концу трубки. Силу атмосферного давления порождает, соответственно, атмосфера, артериального – сердце, когда оно сжимается или расслабляется.
Жизнеугрожающие эффекты гипертензии (или повышенного артериального давления, то есть 130 мм рт. ст. и более) у людей хорошо известны, и недавние исследования показали, что повышенное давление, как систолическое, так и диастолическое – важные предикторы инфаркта, инсульта и других сердечно-сосудистых плохих примет [49] 30. Но об этом позже.
На другом конце шкалы артериального давления, противоположном жирафам, – живущее в океане семейство миксиновых (Myxine spp.) Известные под милым прозвищем «слизистые угри» или «сопливые змеи» (хотя они не угри и не змеи), миксины часто возглавляют списки «самых отвратительных животных в мире». Вероятно, это не имеет ничего общего с тем, что у них самое низкое артериальное давление среди всех позвоночных – от 5,8 до 9,8 мм рт. ст. – и больше связано с их пищевыми привычками (они питаются, зарывшись в трупы крупных животных) и способностью стремительно наполнить 20-литровое ведро слизью, если им сильно докучать. Миксин можно рассматривать как рыбный антипод землеройки. В отличие от постоянно находящихся в движении зверьков, у миксин чрезвычайно низкие метаболические энергетические потребности, а стиль жизни таков, что рядом с ними самый ленивый тип среди ваших знакомых будет выглядеть как гимнаст-олимпиец, только что напившийся кофе.
Учитывая мрачноватые пищевые привычки миксин, несколько удивительно, что эти очаровательные создания считаются афродизиаком в Южной Корее, где рыбаки ловят их, используя технику, которую можно описать как несколько неделикатный метод ловли нахлыстом. Чтобы выудить немного миксин, вам нужно выполнить следующую рыболовную инструкцию: «Привяжите веревку к дохлой корове и погрузите ее метра на три, поближе к илистому морскому дну [50]. Прикрепите свободный конец веревки к бую. Идите домой. Возвращайтесь через неделю или около того. Вытяните тушу, потом расчлените буренку и заберите свой гипотоничный приз. Если вам повезет, то вы найдете там дюжину миксин и несколько килограммов их слизи – липкой протеиновой массы, состоящей из нитей прочнее нейлона и тоньше человеческого волоса».
В отличие от жирафов и людей, миксины, как и большая часть живущих в воде существ, относительно не подвержены влиянию гравитации. Причина в том, что вода, окружающая миксину, или, если уж на то пошло, любую рыбу, чрезвычайно плотная, и она выталкивает наверх любое живое существо – это явление известно как подъемная сила. Поскольку воздух менее плотен, чем вода, для наземных животных преимущества подъемной силы минимальны, так что им приходится постоянно иметь дело с направленной книзу силой тяжести. На самом деле гравитация объясняет, почему часто возникают проблемы с возвращением венозной крови из конечностей даже у людей с нашими, как правило, мощными сердцами. Это происходит потому, что давление крови в капиллярном русле намного – обычно на 20 мм рт. ст. – меньше, чем где-либо еще в теле. Физика говорит нам, что увеличение площади приводит к снижению давления, а площадь русла капилляров намного больше, чем у ведущих к ним артерий и артериол. Более того, если бы давление не уменьшалось, артериальная кровь разорвала бы сверхтонкие стенки капилляров, в которые она поступает. Проблема состоит в том, что, после того как кровь покидает капиллярное русло, давление остается низким – и если капиллярное русло, о котором идет речь, находится в пальце ноги, то крови, текущей обратно к сердцу, особенно трудно бороться с гравитацией.