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你还在相信心脏是心形的?其实心脏是个莫比乌斯环,研究者们大受震撼

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撰文 | 七君
 
心脏是什么形状?
 
许多人会说,这道题我会,不就是心形的嘛。
 
心脏的真正形态是个螺旋形的莫比乌斯环。
 
再来一道题:心脏是怎么跳动的?
 
你可能会说,这道题也很简单,像吹气球那样一鼓一缩的啊。
 
啊不,其实心脏跳动时像悠悠球一样左右旋转,而这点也是心脏的螺旋形决定的。
 
而人类意识到这两点,只有短短数十年的时间。
心脏并不是这样跳动的。来源:newstation
 
早在16世纪就有人发现了心脏整体的圆锥形态,也就是我们以为的心形。但是,为什么心形的心脏能跳动呢?心脏形态和心脏功能之间的关系在500年里一直是个迷,因此这个问题也曾被称为解剖学的戈耳狄俄斯之结(gordian knot of anatomy),也就是爆难没人知道答案的意思。
 
后来在17世纪,有人在这个漏洞上打了个补丁,这个补丁版本也成了300年来人类对心脏的主流认识。这个人就是英国医生威廉·哈维(William Harvey)。哈维发现了循环系统,将心脏和肺接入了整个循环系统的闭环中。
循环系统之父威廉·哈维的肖像。来源:Royal College of Physicians Museum
 
哈维认为,人类的心脏是一块同质的肌肉,包含4个腔室,心肌收缩时排出血液,放松时充满血液。哈维也因此被视为循环系统之父,他的教条也被一代代医生传承,写入了教科书中。不过,哈维依然无法解开解剖学的戈耳狄俄斯之结,他的学说中也有一些矛盾之处。
 
大约在50年前,解剖学的“心结”终于被一位西班牙医生解开。
Francisco Torrent-Guasp。来源:alchetron
 
Francisco Torrent-Guasp 在学生时代就对哈维学说中的一些问题感到怀疑,比如他不太相信心脏肌肉放松时血液能大量涌入。在20世纪50年代,Torrent-Guasp 还是西班牙萨拉曼卡大学医学院的一位四年级的学生,那时起他就不断解剖各种动物的心脏。在25年的研究后,Torrent-Guasp 有了突破。
心脏是由一条心肌带扭成的。来源:David Geffen School of Medicine UCLA
 
他发现,心脏整个就像一条筋道宽面一样,是一个由肌肉构成的橡皮带;更有趣的是,这根劲道肌肉条是以螺旋的形态组织成心脏的。后来这条肉带就被称为心肌带(ventricular myocardial band)。
 
大家可以看一下 Torrent-Guasp 对牛心的解构——
来源:David Geffen School of Medicine UCLA
 
这条肌肉带以螺旋线的方式绞成了心脏。也就是说,心脏是一个莫比乌斯环,是一个扭成了8字的螺旋。
心肌带以扭了3下的莫比乌斯环(A行中的3X)的形式构成了心脏(C)。来源:(DOI)10.1016/j.ejcts.2006.03.011
 
实际上,这种螺旋结构遍布在哺乳动物和鸟类的心脏中,而螺旋线本身在大自然中很常见,贝壳、松果、向日葵都含有螺旋线。
心脏的螺旋线。来源:torrent-guasp.com
 
Torrent-Guasp 认为,人类心脏的形态意味着心脏的跳动是从心底,也就是心脏最上部开始的,心肌的收缩沿着心肌带传播,最后让心脏的各个部位依次皱缩起来。
心底和心尖。来源:life-science-edu.net
 
他的理论和以哈维为代表的经典理论有很多不同。在过去的理论中,心脏的运动是从心尖传到到心底的。但是新的成像证据显示,心脏的运动确实始于心底,符合 Torrent-Guasp 的观点。
心肌带收缩信号的传导。来源:torrent-guasp.com
 
后来其他研究者发现,心脏跳动的初始电信号始于一种特殊的细胞——窦房结(sinus node),这些细胞位于心底的右心房,这个信号在心肌带上一步步扩散,使其收缩。这些证据再次为Torrent-Guasp 提供了支持。
 
Torrent-Guasp 的另一个新发现是,心脏的螺旋结构使得心脏跳动时会像悠悠球一样左右旋转,而心脏的这种扭旋让它像绞毛巾一样主动泵入和泵出血液,而不是像哈维理论描述的那样像气球胀缩一样被动吸入血液。
心脏的扭转像绞毛巾一样泵入和泵出血液。来源:helicalheart.com
 
实际上,早在16世纪,达芬奇就曾描述过心脏跳动时的旋转。不过,Torrent-Guasp 是首个把心脏的螺旋结构和它的旋转联系到一起的人。
 
这些新发现意味着,当心脏不够强大的时候,心脏的螺旋结构开始变形,扭旋的程度减少,泵入和泵出血液的效率也会下降。
 
比如在2019年,英属哥伦比亚大学的心脏学家 Robert Shave 和同事发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究发现,人类心脏的扭转程度比人类的近亲黑猩猩的大得多,是黑猩猩的约2倍;人类如果运动量少了躺平活得轻松,心脏的各方面机能,比如扭转程度就会减少,向黑猩猩的心脏转变,心脏本身也会由小V脸转变为又大又圆。
和人类相比,黑猩猩的心脏(A)更像个球,而久坐不动的人的心脏(B)比常从事耐力运动的人的心脏(C)更浑圆,更像黑猩猩的心脏。来源:(DOI)10.1073/pnas.1906902116
 
因为心肌带的发现,1978年 Torrent-Guasp 被西班牙索菲亚王后和西班牙教育部提名诺贝尔医学奖,心肌带及其机制也被写入了解剖图谱经典 Anatomy, a Regional Atlas of the Human Body 第五版、Clinically Oriented Anatomy 第五版等众多医学教材中。
Anatomy, a Regional Atlas of the Human Body 中对心肌带的图示。
 
那么,为什么心脏会是这种螺旋结构呢?
 
Torrent-Guasp 的假说是,人类心脏的原始形态是10亿年前的一条虫。这条虫没有现在的心室和心房,只能通过蠕动的方式使体液在全身流动。
 
在4亿年前,演化成鱼的“小虫”终于有了一颗1.0版本的心脏,这个古老的心脏有一个泵血的心室。
 
在2亿年前,鱼类的心脏得到了系统升级,演化为爬行动物的心脏,这个加强版的心脏出现了心室和心房。再后来才出现哺乳动物那种绞得更加复杂的心脏。
从左到右:鱼(鲤鱼)、两栖动物(青蛙)、爬行动物(蛇)、鸟类(鸽子)和哺乳动物(兔子)的心脏比较。来源:Lucite Treasures
 
Torrent-Guasp 指出,在人类胚胎的发育过程中就可以观察到这种从虫体到鱼心脏、到爬行动物心脏、再到哺乳动物心脏的演变。
 
比如在胚胎20天大的时候,人类心脏看起来就像一条虫——
30天大的时候,心脏看起来像鱼心——
40天大的时候像爬行动物心——
在50天大的时候才成为你左胸口里那颗红心的样子。
也就是说,在胚胎头50天的发育中,人类心脏还原了它的演化史。
来源:David Geffen School of Medicine UCLA
 
Torrent-Guasp 认为,人类心脏依旧保留着小虫时代的动态,还延续着类似虫体一浪一浪的运动模式,因此才展现出沿着心肌带的收缩和舒张方式。当然了,这个假说还需要更多的证据支持。
 
不过能确定的是,关于心的问题,值得一代代的研究者献出心脏。
 
形容缺乏运动的现代人:人面兽心。
 
参考资料
 
1. Torrent-Guasp, Francisco, et al. "The structure and function of the helical heart and its buttress wrapping. I. The normal macroscopic structure of the heart." Seminars in thoracic and cardiovascular surgery. Vol. 13. No. 4. WB Saunders, 2001.
 
2. Torrent-Guasp, Francisco, et al. "Towards new understanding of the heart structure and function." European journal of cardio-thoracic surgery 27.2 (2005): 191-201.
 
3. Foster, Elyse, and Katy E. Lease. "New untwist on diastole: what goes around comes back." Circulation 113.21 (2006): 2477-2479.
 
4. Kocica, Mladen J., et al. "The helical ventricular myocardial band: global, three-dimensional, functional architecture of the ventricular myocardium." European journal of cardio-thoracic surgery 29.Supplement_1 (2006): S21-S40.
 
5. www.helicalheart.com/crow.shtml
 
6. www.torrent-guasp.com/PAGES/Biography.htm
 
7. Shave, Robert E., et al. "Selection of endurance capabilities and the trade-off between pressure and volume in the evolution of the human heart." Proceedings of the National Academy of Sciences 116.40 (2019): 19905-19910.
 
8. Nakatani, Satoshi. "Left ventricular rotation and twist: why should we learn?." Journal of cardiovascular ultrasound 19.1 (2011): 1-6.
 
9. The Helical Heart. David Geffen School of Medicine UCLA
 
本文经授权转载自微信公众号“把科学带回家”。



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