Дела сердечные

В начале были рыбы. Именно их сердце как орган, с точки зрения эволюции, считается первым полноценным сердцем. Оно расположено в околосердечной сумке за жабрами и радикально отличается от нашего – двухкамерное, с одним предсердием и одним желудочком, и все это представляет собой некую S-образную структуру, через которую проходит кровь. Сначала она попадает в предсердие, под воздействием сокращения переливается в желудочек и выходит в кровеносный сосуд. Соответственно, сердце рыб перекачивает кровь в одном круге кровообращения, который как бы замкнут сам в себе. То есть на протяжении всего своего путешествия кровь рыб движется только по сосудам и не попадает в другие полости. Чтобы между кровью и клетками организма происходил обмен веществ, крупные артерии у рыб ветвятся на более мелкие, в итоге уменьшаясь до капилляров. Так, кровь с помощью сосудов достигает даже жабр. В них (а именно – в жаберных лепестках) в воду из крови выделяется углекислый газ, а обратно просачивается кислород.

Рыбье сердечко бьется около 20–30 раз в минуту, в зависимости от температуры воды. Чем вода холоднее, тем меньше количество сокращений, и тем медленнее течет кровь, а значит, обмен веществ тоже замедляется. Поэтому рыб и называют холоднокровными животными. Хотя есть исключения – например, красноперый опах, или «луна-рыба». Температура ее тела на 5 °C выше, чем у окружающей воды, и остается такой даже при погружении на большую глубину. Быть теплокровной рыбе помогает особая кровеносная система – сосуды, которые несут от жабр холодную кровь, богатую кислородом, соприкасаются с сосудами, которые движутся в обратном направлении, к жабрам. Из-за этого кровь, идущая в организм, «нагревается». В физике это называют «противоточным теплообменом».

Крокодил: все в твоих руках

У рептилий (пресмыкающихся) сердце модернизировалось до трехкамерного. У змей оно может даже двигаться вдоль тела, поскольку его не ограничивает диафрагма (ее просто нет). Благодаря этому гадюка легко глотает крупную добычу, не повреждая внутренние органы и продвигая пищу по пищеводу. Сердце змей расположено в месте раздвоения трахеи и спрятано, как и у нас, в сердечную сумку – перикард.

Единственная рептилия с четырехкамерным сердцем – крокодил. У него два предсердия и два желудочка, разделенных перегородкой. И даже есть механизм смешивания артериальной и венозной крови. У крокодилов из сердца выходят две дуги аорты – левая и правая, которые на выходе плотно прилегают друг к другу. В точке, где они смыкаются, находится «паницциево отверстие», через которое кровь может «перебегать» из одной дуги в другую. Обычно по ним движется только артериальная, поскольку венозной не хватает давления, чтобы попасть в аорту. Но по необходимости рептилия «включает» специальный зубцовый клапан и искусственно загоняет бедную кислородом венозную кровь из правого желудочка в левую дугу аорты. Так происходит смешение. Зачем это нужно крокодилу? Например, чтобы временно понизить уровень обмена веществ и потреблять меньше кислорода при погружении в воду. А также ускорить пищеварение – кровь в левой дуге, ведущей к пищеварительной системе, меняется на венозную, богатую углекислотой. Так, у крокодила вырабатывается желудочный сок, по кислотности в 10 раз превышающий наш уровень, что позволяет ему целиком переварить добычу.

freepng.ru

Птицы: как заставить «рептильное» сердце биться быстрее

Птицы – прямые потомки динозавров. От древних рептилий они унаследовали многое: перья и чешую, двуногость, отсутствие сальных и потовых желез на теле, и главное – строение клеток сердца. Млекопитающим, чтобы приобрести такое замечательное качество, как теплокровность, пришлось сильно ускорить свой метаболизм. А это невозможно без ускорения работы сердца. Для этого в клетках сердца млекопитающих появились Т-трубочки. По сути, это глубокие впячивания клеточной мембраны внутрь клетки, которые позволяют ионам Ca²⁺ очень быстро распространяться по цитоплазме, а значит и быстрее вызывать мышечное сокращение. У птиц Т-трубочек нет, тем не менее, они умудрились не только развить теплокровность, но и стать рекордсменами животного мира по частоте сердечных сокращений. Так, сердце колибри бьется со скоростью 500 уд./мин даже в покое, а во время полета пульс крохотной птички и вовсе достигает 1200 уд./мин.

Долгое время это оставалось загадкой для ученых. Однако биологи из Московского государственного университета на примере японских перепелов Coturnix japonica выяснили, как птицы решают эту проблему. Оказалось, что кальциевые токи, направленные внутрь клеток, у птиц имеют большую амплитуду. То есть внутрь клетки попросту закачивается больше кальция. Да и в саркоплазматическом ретикулуме (специальном внутриклеточном хранилище) перепелов кальция оказалось намного больше, чем у млекопитающих. При 24 °C в клетках предсердий концентрация Ca²⁺ составила 750,6 ± 128,2 мкмоль/л, желудочков – 423,3 ± 47,2 мкмоль/л. Для сравнения, у млекопитающих значение этого параметра никогда не поднимается выше 370 мкмоль/л.

Жираф: чтобы кровь в голову не ударила

Наше тело внимательно следит за тем, чтобы к мозгу поступало достаточно крови, но не больше, чем нужно. Именно в сонной артерии, снабжающей мозг кровью, находятся рецепторы давления. Поэтому артериальное давление стремительно растет, когда мы утром встаем с кровати, и так же быстро снижается, когда мы ложимся, наклоняемся или переворачиваемся вниз головой. Это называется ортостатический рефлекс. Весь процесс занимает доли секунды, так что мы не замечаем никаких изменений. Но люди, как и большинство животных, находятся в относительно выгодном положении. Расстояние между нашими сердцем и головой небольшое. Длина сонной артерии человека – 6–16 см, то есть столб не такой уже высокий. А вот длина сонной артерии жирафа – около 160 см. Мало того что его сердцу нужно вытолкнуть весь этот столб крови наверх, когда животное стоит, – жираф еще должен избежать гипертонического криза, когда согнет шею, чтобы попить. Ведь в этот момент в его голову должны устремиться сразу два полутораметровых столба жидкости: один – из сонной артерии, и другой – из яремной вены, по которой кровь оттекает от головы. К тому же жирафу важно сохранить давление в сосудах головы после водопоя, когда он будет выпрямлять шею. Падать в обморок с высоты жирафьего роста опасно для жизни. Как же жирафы вышли из положения? С помощью элегантного усовершенствования собственных сосудов. Хотя артериальное давление жирафа может достигать 300 мм рт. ст., сердце у него не такое уж большое – чуть больше 10 кг, что вполне нормально для животного весом в тонну. То есть его сердце как будто «не знает», что жираф не только большой, но и ужасно высокий. Зато стенки артерий, идущих к голове, очень эластичные и с толстой мышечной прослойкой. Они помогают сердцу нагнетать кровь к голове.

А чтобы не потерять сознание при наклоне и сразу после, у жирафа есть аж два приспособления. Во-первых, особая сосудистая сеть в самой голове, на латыни она зовется Rete mirabile («волшебная сеть»). Когда жираф наклоняется, сосуды сети расширяются, принимая в себя избыток крови. Когда выпрямляется – наоборот сжимаются, помогая поддержать давление в сосудах мозга на нужном уровне. Во-вторых, у жирафа в яремной вене есть специальная мышечная манжета. При возвращении шеи в вертикальное положение она сжимается, замедляя отток крови от головы животного, и заодно защищает сердце жирафа от внезапного прилива примерно 20 л крови.

Сердце жирафа адаптировано под его образ жизни. Фото: Valeria Hutter, unsplash.com

Длиннохвостый суслик: сердце бьется при 3 °C

Сердце, как у суслика, – звучит не слишком героически. Тем не менее, именно длиннохвостый суслик Urocitellus undulatus стал объектом пристального внимания ученых благодаря невероятной способности своего сердца переносить очень низкие температуры. Эти зверьки с длинным пушистым хвостом обитают в восточной Сибири, включая известную своими морозами Якутию, и около семи месяцев в году проводят в состоянии глубокой спячки. Хотя при охлаждении сердце длиннохвостого суслика тоже снижает проводимость и ритм сокращения, оно продолжает биться даже при температурах, близких к 0 °C. При этом у сусликов не случается ни аритмии, ни фибрилляции предсердий. Ученые подозревают, что дело может быть в белках, которые входят в состав ионных каналов, соединяющих клетки сердца этого животного. А также надеются, что секрет сусликовых сердец поможет найти новые подходы к реанимации пациентов с тяжелым переохлаждением.