你還在相信心臟是心形的?其實心臟是個莫比烏斯環


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你還在相信心臟是心形的?其實心臟是個莫比烏斯環

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撰文| 七君

心臟是什麼形狀?

許多人會說,這道題我會,不就是心形的嘛。

心臟的真正形態是個螺旋形的莫比烏斯環。

再來一道題:心臟是怎麼跳動的?

你可能會說,這道題也很簡單,像吹氣球那樣一鼓一縮的啊。

啊不,其實心臟跳動時像悠悠球一樣左右旋轉,而這點也是心臟的螺旋形決定的。

而人類意識到這兩點,只有短短數十年的時間。

心臟並不是這樣跳動的。圖片來源:newstation

早在16世紀就有人發現了心臟整體的圓錐形態,也就是我們以為的心形。但是,為什麼心形的心臟能跳動呢?心臟形態和心臟功能之間的關係在500年裡一直是個迷,因此這個問題也曾被稱為解剖學的戈耳狄俄斯之結(gordian knot of anatomy),也就是爆難沒人知道答案的意思。

後來在17世紀,有人在這個漏洞上打了個補丁,這個補丁版本也成了300年來人類對心臟的主流認識。這個人就是英國醫生威廉·哈維(William Harvey)。哈維發現了循環系統,將心臟和肺接入了整個循環系統的閉環中。

循環系統之父威廉·哈維的肖像。圖片來源:Royal College of Physicians Museum

哈維認為,人類的心臟是一塊同質的肌肉,包含4個腔室,心肌收縮時排出血液,放鬆時充滿血液。哈維也因此被視為循環系統之父,他的教條也被一代代醫生傳承,寫入了教科書中。不過,哈維依然無法解開解剖學的戈耳狄俄斯之結,他的學說中也有一些矛盾之處。

大約在50年前,解剖學的“心結”終於被一位西班牙醫生解開。

Francisco Torrent-Guasp。圖片來源:alchetron

Francisco Torrent-Guasp 在學生時代就對哈維學說中的一些問題感到懷疑,比如他不太相信心臟肌肉放鬆時血液能大量湧入。在20世紀50年代,Torrent-Guasp 還是西班牙薩拉曼卡大學醫學院的一位四年級的學生,那時起他就不斷解剖各種動物的心臟。在25年的研究後,Torrent-Guasp 有了突破。

心臟是由一條心肌帶扭成的。圖片來源:David Geffen School of Medicine UCLA

他發現,心臟整個就像一條筋道寬麵一樣,是一個由肌肉構成的橡皮帶;更有趣的是,這根勁道肌肉條是以螺旋的形態組織成心臟的。後來這條肉帶就被稱為心肌帶(ventricular myocardial band)。

大家可以看一下Torrent-Guasp 對牛心的解構——

圖片來源:David Geffen School of Medicine UCLA

這條肌肉帶以螺旋線的方式絞成了心臟。也就是說,心臟是一個莫比烏斯環,是一個扭成了8字的螺旋。

心肌帶以扭了3下的莫比烏斯環(A行中的3X)的形式構成了心臟(C)。圖片來源:(DOI)
10.1016/j.ejcts.2006.03.011

實際上,這種螺旋結構遍布在哺乳動物和鳥類的心臟中,而螺旋線本身在大自然中很常見,貝殼、松果、向日葵都含有螺旋線。

心臟的螺旋線。圖片來源:torrent-guasp.com

Torrent-Guasp 認為,人類心臟的形態意味著心臟的跳動是從心底,也就是心臟最上部開始的,心肌的收縮沿著心肌帶傳播,最後讓心臟的各個部位依次皺縮起來。

心底和心尖。圖片來源:life-science-edu.net

他的理論和以哈維為代表的經典理論有很多不同。在過去的理論中,心臟的運動是從心尖傳到到心底的。但是新的成像證據顯示,心臟的運動確實始於心底,符合Torrent-Guasp 的觀點。

心肌帶收縮信號的傳導。圖片來源:torrent-guasp.com

後來其他研究者發現,心臟跳動的初始電信號始於一種特殊的細胞——竇房結(sinus node),這些細胞位於心底的右心房,這個信號在心肌帶上一步步擴散,使其收縮。這些證據再次為Torrent-Guasp 提供了支持。

Torrent-Guasp 的另一個新發現是,心臟的螺旋結構使得心臟跳動時會像悠悠球一樣左右旋轉,而心臟的這種扭旋讓它像絞毛巾一樣主動泵入和泵出血液,而不是像哈維理論描述的那樣像氣球脹縮一樣被動吸入血液。

心臟的扭轉像絞毛巾一樣泵入和泵出血液。圖片來源:helicalheart.com

實際上,早在16世紀,達芬奇就曾描述過心臟跳動時的旋轉。不過,Torrent-Guasp 是首個把心臟的螺旋結構和它的旋轉聯繫到一起的人。

這些新發現意味著,當心臟不夠強大的時候,心臟的螺旋結構開始變形,扭旋的程度減少,泵入和泵出血液的效率也會下降。

比如在2019年,英屬哥倫比亞大學的心臟學家Robert Shave 和同事發表在《美國國家科學院院刊》上的一項研究發現,人類心臟的扭轉程度比人類的近親黑猩猩的大得多,是黑猩猩的約2倍;人類如果運動量少了躺平活得輕鬆,心臟的各方面機能,比如扭轉程度就會減少,向黑猩猩的心臟轉變,心臟本身也會由小V臉轉變為又大又圓。

和人類相比,黑猩猩的心臟(A)更像個球,而久坐不動的人的心臟(B)比常從事耐力運動的人的心臟(C)更渾圓,更像黑猩猩的心臟。圖片來源:(DOI)10.1073/pnas.1906902116

因為心肌帶的發現,1978年Torrent-Guasp 被西班牙索菲亞王后和西班牙教育部提名諾貝爾醫學獎,心肌帶及其機制也被寫入了解剖圖譜經典Anatomy, a Regional Atlas of the Human Body第五版、Clinically Oriented Anatomy第五版等眾多醫學教材中。

Anatomy, a Regional Atlas of the Human Body中對心肌帶的圖示。

那麼,為什麼心臟會是這種螺旋結構呢?

Torrent-Guasp 的假說是,人類心臟的原始形態是10億年前的一條蟲。這條蟲沒有現在的心室和心房,只能通過蠕動的方式使體液在全身流動。

在4億年前,演化成魚的“小蟲”終於有了一顆1.0版本的心臟,這個古老的心臟有一個泵血的心室。

在2億年前,魚類的心臟得到了系統升級,演化為爬行動物的心臟,這個加強版的心臟出現了心室和心房。再後來才出現哺乳動物那種絞得更加複雜的心臟。

從左到右:魚(鯉魚)、兩棲動物(青蛙)、爬行動物(蛇)、鳥類(鴿子)和哺乳動物(兔子)的心臟比較。圖片來源:Lucite Treasures

Torrent-Guasp 指出,在人類胚胎的發育過程中就可以觀察到這種從蟲體到魚心臟、到爬行動物心臟、再到哺乳動物心臟的演變。

比如在胚胎20天大的時候,人類心臟看起來就像一條蟲——

30天大的時候,心臟看起來像魚心——

40天大的時候像爬行動物心——

在50天大的時候才成為你左胸口裡那顆紅心的樣子。

也就是說,在胚胎頭50天的發育中,人類心臟還原了它的演化史。

圖片來源:David Geffen School of Medicine UCLA

Torrent-Guasp 認為,人類心臟依舊保留著小蟲時代的動態,還延續著類似蟲體一浪一浪的運動模式,因此才展現出沿著心肌帶的收縮和舒張方式。當然了,這個假說還需要更多的證據支持。

不過能確定的是,關於心的問題,值得一代代的研究者獻出心臟。

形容缺乏運動的現代人:人面獸心。

參考資料

1. Torrent-Guasp,Francisco 等人。 “螺旋心臟及其支撐包裹的結構和功能。I.心臟的正常宏觀結構。” 胸外科和心血管外科研討會。 卷。 13. 第 4 號。WB Saunders,2001 年。

2. Torrent-Guasp,Francisco 等。 “對心臟結構和功能的新理解。” 歐洲心胸外科雜誌 27.2 (2005): 191-201。

3. Foster、Elyse 和 Katy E. Lease。 “舒張期的新解旋:周圍的東西回來了。” 流通 113.21 (2006):2477-2479。

4. Kocica, Mladen J., 等。 “螺旋心室心肌帶:心室心肌的整體、三維、功能結構。” 歐洲心胸外科雜誌 29.Supplement_1 (2006):S21-S40。

5. www.helicalheart.com/crow.shtml

6. www.torrent-guasp.com/PAGES/Biography.htm

7. 剃須,羅伯特 E.,等。 “人類心臟進化過程中耐力能力的選擇以及壓力和容量之間的權衡。” 美國國家科學院院刊116.40(2019):19905-19910。

8. 中谷聰。 “左心室旋轉和扭曲:我們為什麼要學習?” 心血管超聲雜誌 19.1(2011):1-6。

9. 螺旋心。 加州大學洛杉磯分校大衛格芬醫學院

本文經授權轉載自微信公眾號“把科學帶回家”。