7 февраля 2023, вторник, 18:30
VK.comTwitterTelegramYouTubeЯндекс.ДзенОдноклассники

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

06 декабря 2022, 18:00

Почему сердце находится слева

Издательство «Бомбора» представляет книгу Криса Макмануса «Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира» (перевод Г. П. Дейниченко).

До недавних пор даже объяснить разницу между «право» и «лево» условному инопланетянину было бы проблематично — настолько «земными» казались эти привычные понятия. Но и без таких абстрактных проблем вопросов хватает. Почему большинство людей являются правшами? Действительно ли левши ведут себя иначе, чем правши? Как связаны доминирующие руки с некоторыми нарушениями речи, такими как заикание? Почему сердце почти всегда находится с левой стороны тела, а человеческий организм состоит из аминокислот с левой хиральностью? Почему два полушария головного мозга настолько разные? Отчего торнадо вращаются против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном? Почему одна треть мира ездит на автомобиле слева, а две трети — справа? Из-за чего европейское письмо идет слева направо, а арабское и иврит — справа налево? Зачем вообще живой и неживой природе право и лево?

На какие-то вопросы наука уже нашла ответы, но с некоторыми парадоксами асимметрии в природе, теле и культуре по-прежнему увлекательно борется. Нам кажется, что стремление к симметрии — это приближение к идеалу, к красоте, однако именно асимметрия нормальное состояние природы. Профессор Крис Макманус, видный исследователь хиральности, приглашает отправиться в увлекательное путешествие — через медицину, психологию, физику и историю культуры — в поисках ответов на загадочные ассиметрии, формирующие наш мир.

Предлагаем прочитать отрывок из главы, посвященной возникновению асимметрии в организме позвоночных животных.

 

Левостороннее положение сердца обнаруживается у всех без исключения знакомых нам существ — кошек, собак, коров, лошадей и других млекопитающих, птиц, крокодилов, змей и всех пресмыкающихся, лягушек, жаб и прочих земноводных, а также бесчисленных видов рыб. Асимметрично не только сердце, но и большинство связанных с ним сосудов, тонкую сеть которых сэр Осберт Ситвелл назвал «хрупким алым древом, растущим внутри нас» — вены, подводящие кровь к сердцу, и артерии, несущие ее по всему телу. Невероятная красота кровеносной системы видна на рис. 5.2. Конструкция тела со смещенным сердцем создает те же проблемы, с которыми сталкиваются автомобилестроители, — как только принимается решение, что машина будет с левым расположением руля, тут же возникает цепочка следствий: каждая деталь должна соответствовать этому решению, как по необходимости, так и просто из-за ограниченного количества места. Подобным же образом в организмах позвоночных не только сердце смещено к левой стороне, но асимметрично положение и ряда других органов, наиболее подробно описанное применительно к человеку, но характерное и для большинства других позвоночных.

 

Рис. 5.2. Кровеносная система здорового добровольца, подвергнутого магнитно-резонансной ангиографии. Сосуды стали видимыми за счет использования контрастного вещества, которое кажется белым; оно начало накапливаться в мочевом пузыре, который виден в центре изображения

В грудной клетке левое легкое зажато сердцем, и поэтому оно меньше по размеру и имеет только две доли, в отличие от более крупного и трехдольного правого. Аорта, очень крупный сосуд, по которому поток крови идет от сердца, прежде чем устремиться к нижней части тела сквозь диафрагму, сначала направлена вверх и налево. На рис. 5.2 самые заметные органы брюшной полости — это почки, левая, как обычно, немного больше и расположена чуть выше. Печень, самый большой орган брюшной полости, расположена справа, так же, как и желчный пузырь, а на противоположной стороне — намного меньшая селезенка, на рисунке она чуть выше левой почки. Не видны на рисунке желудок, смещенный влево, и двенадцатиперстная кишка, заворачивающаяся вправо, огибая сверху поджелудочную железу, которая тоже расположена справа. Витки тонкого кишечника, на вид беспорядочно спутанные, представляют собой ясную, упорядоченную и очень асимметричную структуру. Тонкий кишечник заканчивается в нижней правой стороне брюшной полости, переходя в слепую кишку толстого кишечника, от которой отходит аппендикс. Далее толстая кишка идет вверх по правой стороне брюшной полости, пересекает ее поверху и опускается вниз к сигмовидной кишке, переходящей в прямую кишку и анус, которые, наряду со ртом, глоткой и пищеводом, являются центральносимметричными частями пищеварительного тракта. Два яичка мужчин также асимметричны, правое обычно больше и расположено выше, что отчасти связано с необходимостью разместить эти органы в довольно странном месте, оставшемся для них в верхней части бедер. Намек на асимметрию мошонки есть у Джойса в «Улиссе», в ответе Блума на заигрывания Зои:

«З о я. Где там твои орешки?

Б л у м. Сбоку. Интересно, что всегда справа. Наверно, потому что тяжелей. Мой портной, Мизайес, говорит, так у одного из миллиона».

Асимметрия органов брюшной полости ведет к тому, что хирургов особенно интересует, какая сторона тела у пациента болит — если, например, боль в правой подвздошной впадине, то диагнозом, скорее всего, будет аппендицит, если в левой — возможен дивертикулез сигмовидной кишки; если боли в правом подреберье, то причиной может быть болезнь желчного пузыря и так далее. Разумеется, некоторые заболевания возникают только в одном из парных органов, классический пример — варикоцеле, когда расширившиеся вены словно клубком опутывают тестикулы, что может привести к бесплодию — и почти всегда поражается левая сторона.

Описанное выше расположение органов кажется до банальности нормальным всем, кто хоть немного знает биологию, так что приходится напоминать себе, насколько это нетипично для живых организмов в целом. Значительная асимметрия такого рода в основном свойственна позвоночным. Что касается других животных, то их сердце не смещено влево, а сосудистая система не асимметрична. У земляных червей, например, несколько последовательных сердечных камер в нескольких сегментах тела, точно посередине; точно посередине расположены и симметричные сердца других беспозвоночных. Действительно, организм «рабочей лошадки» генетики, фруктовой мушки дрозофилы почти полностью симметричен (с тем любопытным исключением, что пенис в ходе развития вращается по часовой стрелке). Лишь наше близкое знакомство с позвоночными, чьи крупные тела сходны с нашими, позволяют с легкостью забыть о том, как странно, что сердце находится слева. Как, почему и когда возникла эта странность?

Часть этих «почему» связана с направлением течения жидкостей, проблемами большого размера тела и наличием внутреннего скелета. От прочих животных позвоночные отличаются твердым внутренним скелетом. Мелким животным, особенно живущим в воде, скелет не нужен — взять хотя бы каплю протоплазмы, амебу. Когда организм живет на суше и достигает определенного размера, ему требуется опора, чтобы сопротивляться постоянной силе гравитации. Простые животные, такие как земляные черви, справляются с ней с помощью гидростатического скелета — системы трубочек, в которые нагнетается вода и которые сохраняют свою форму, подобно воздушным шарам. Более крупным животным жесткий скелет необходим, и насекомые, ракообразные и им подобные обзавелись внешним скелетом — твердым наружным хитиновым панцирем, к которому прикрепляются мышцы. До какого-то момента это прекрасно работает, но рост вызывает проблемы — требуется регулярная линька.

Большая проблема, как указал Джон Холдейн в своей знаменитой работе 1928 года «О должном размере», — это возрастающая сложность снабжения кислородом разных частей организма. Частичное решение — это внутренний скелет, свойственный всем крупным животным на Земле, от динозавров до слонов и китов. Самая заметная его часть, по которой все позвоночные и получили это название, — позвоночник, состоящий из серии позвонков. Позвоночник формируется вдоль более примитивной формы скелета, нотохорда, прямого стержня, формирующегося в ходе развития эмбриона позвоночных организмов. Нотохорд обнаруживается не только у позвоночных, но и у таких примитивных организмов, как морские асцидии, которые, как и позвоночные, относятся к хордовым. Внутренний скелет позволил позвоночным вырастать до значительного размера: сначала в воде — рыбам и позже на суше — земноводным, пресмыкающимся, птицам и млекопитающим. К скелету прикреплено множество мышц, позволяющих организму двигаться, и всем им необходима кровь, которую поставляет более крупное и эффективное сердце.

Хотя теоретически можно было бы представить себе эффективное, симметричное и центрально расположенное сердце, на практике большая эффективность означает асимметрию. Сердце — это машина, перекачивающая жидкость, и чем интенсивнее она перекачивается, тем большее значение обретают ограничения, налагаемые гидродинамикой — самими особенностями течения жидкости. Поток не должен быть хаотичным и беспорядочным, то есть следует избегать турбулентности, поскольку при этом растрачивается энергия и повреждаются красные кровяные клетки, что может привести к образованию тромбов. В сердце кровь проходит сквозь несколько клапанов, что позволяет избежать столкновения потоков крови — поступающего в сердце и покидающего его. Поскольку клапаны хиральны и, следовательно, ориентированы вправо или влево, сердце неизбежно должно быть асимметричным. Это хорошо объясняет асимметрию самого сердца, но не дает ответа, почему у позвоночных сердце смещено к одной стороне тела, поскольку порождаемые гидродинамикой проблемы одинаково хорошо решало бы и левое и правое положение сердца. Чтобы понять, почему сердце именно слева, нам придется присмотреться к предкам позвоночных и выяснить, откуда возникла асимметрия живых организмов.

Долгое время не удавалось распознать в окаменелостях предшественников позвоночных. Существует огромное количество более поздних ископаемых, начиная с силурийского периода (около 430 миллионов лет назад), есть и несколько экземпляров ордовикского времени (около 480 миллионов лет назад), но более ранняя каменная летопись почти пуста. Впрочем, не так давно в Китае были найдены ископаемые возрастом около 550 миллионов лет — на данный момент это старейшие известные позвоночные. Их отличают характерные для позвоночных черты — череп, жаберные щели, плавники и крупное сердце — но вместе с тем они достаточно примитивны и еще не имеют челюстей, так же как и некоторые ныне живущие позвоночные. Как же возникли эти древние существа? Это сложная и требующая специальных знаний история, и здесь я могу лишь кратко очертить ее. Надо также признать, что история эта все еще пишется, и некоторые детали неизбежно изменятся в ближайшие несколько лет.

Древнейшие животные, вероятно, первоначально были одноклеточными, а позднее возникли многоклеточные — такие как губки. Далее появляется рот и нервная система, возникают организмы, живущие на субстрате — прикрепившись вертикально к скалам. Они засасывают пищу вместе с водой, переваривают ее в полости тела и выплевывают непереваренные остатки через рот. Следующий шаг в нашей истории очень важный. В какой-то момент появились организмы, которые вместо пассивного ожидания пищи перешли от вертикального положения к горизонтальному и стали ползать по морскому дну в активных поисках еды. Существа, находившиеся в вертикальном положении, прикрепившись к скалам, обладали радиальной симметрией, то есть формой напоминали банки или бутылки, у которых легко различить верх и низ, но поскольку в сечении они округлы, невозможно определить, где у них передняя, задняя, левая или правая стороны. Но как только они легли горизонтально на дно, прежние верх и низ оказались передней и задней частями, при этом рот оказался спереди. Наличие силы тяготения также означало, что у этих организмов появились новые верх и низ (рис. 5.3). Как только возникает верх, низ, перед и зад, появляется и возможность для определения левой и правой сторон, поскольку это возможно лишь тогда, когда определены направления верхниз и перед-зад. На этой стадии, однако, левая и правая стороны еще идентичны, организм проявляет билатеральную симметрию и принадлежит к таксону двусторонне-симметричных (Bilateria)*.

Простейшие потомки первых двусторонне-симметричных — плоские черви, но в числе других — самые разные черви, включая земляных; членистоногие, включающие ракообразных, насекомых, пауков и вымерших трилобитов; моллюски, в том числе устрицы, слизни, улитки, кальмары и осьминоги; и, конечно, позвоночные. Однако — и это поворот в самом буквальном смысле слова — двусторонняя симметрия, которую мы видим в руках и ногах людей и других позвоночных, возможно, не та же самая двусторонняя симметрия, которая отличает древних двусторонне-симметричных и современных червей.

Здесь стоит остановиться на некоторых специальных терминах, используемых в описании животного. Возьмем собаку. Начнем с носа, с передней части, которая на латыни называется anterior, задняя, где хвост — posterior, вместе они образуют антериально-постериальную ось. Ноги и живот у собаки снизу, на латыни эта сторона называется ventral — вентральной, а противоположная, верхняя — dorsal, дорсальной. Таким образом, определяется дорсально-вентральная ось, перпендикулярная антериально-постериальной. Третье измерение, левая и правая сторона проявляются лишь после того, как заданы антериально-постериальная и дорсально-вентральная оси, под прямым углом к этим осям. Большинство животных, будь то рыбы, лягушки, змеи, летучие мыши или ленивцы, можно описать в этих координатах.

 

Рис. 5.3. Процесс, который Джеффрис назвал «плевротетизмом»: в ходе него радиальносимметричный организм ложится набок, движется вперед и становится двусторонне симметричным

Хотя может показаться, что проще использовать обыденные определения — верх, низ, перед и зад, это оказывается проблематичным, когда приходится описывать наши собственные тела. Когда люди встали на ноги, все в теле повернулось под прямым углом, за исключением головы, которая наклонена вперед на шее. «Впереди» значит антериально применительно к собаке, но вентрально к человеческому телу, «вверху» — дорсально, если речь о собаке, но антериально в грудной клетке и брюшной полости человека. Поэтому далее я буду придерживаться недвусмысленных терминов «антериальный», «постериальный», «дорсальный» и «вентральный», несмотря на не слишком привлекательный облик этих слов.

Палеонтология полна загадок. Находки немногочисленны и разрозненны, часто они раздавлены, смещены и разломаны толщей горных пород, под которыми находились сотни тысяч лет; мягкие ткани сохраняются крайне редко, а окаменелости зачастую указывают не на какую-то определенную предковую форму, но лишь на промежуточные стадии. Палеонтолог Дик Джеффрис из Лондонского музея естественной истории, долгие годы работающий над проблемой происхождения позвоночных, так говорит о своем подходе к множеству противоречивых данных: «Это словно кроссворд. Если достаточное количество фактов подходит к этим очень сложным ископаемым, я надеюсь, что я прав. Любое отдельное утверждение будет лишь предположительным, но, если они вместе хорошо соответствуют друг другу, я надеюсь, что конечный вывод верен». Чтобы заметить все следы и повороты истории, нужен ум любителя кроссвордов или, скорее, поклонника игры го.

Дик Джеффрис смог соединить их в замечательную и удивительную теорию, которая, прямо сказать, все еще вызывает споры, хотя объясняет множество чрезвычайно сложных феноменов. Главная идея Джеффриса состоит в предположении глубокой и очень древней связи между ныне живущим полухордовым существом Cephalodiscus и хрупким ископаемым Cothurnocystis, принадлежащим к группе древних иглокожих, известной как cornutes (рис. 5.4).

Но если Cephalodiscus симметричен, то Cothurnocystis асимметричен в самой высокой степени. На одном конце его тела рот и два шипа — это голова, хотя похоже, что животное передвигается хвостом вперед. Джеффрис долго пытался реконструировать, как двигался Cothurnocystis, и в итоге предположил, что он вытягивал свой жесткий, но мускулистый длинный хвост, ударяя им, словно кнутом, что позволяло ему зарыться в ил и удерживаться на месте, а затем вытащить себя из ила и переместиться.

Первоначально всего лишь элегантная догадка, основанная на изящной реконструкции хвоста, выполненной из картона и резиновой ленты, была основательно подкреплена, когда в 1995 году Вутер Зюдкамп обнаружил в одном из карьеров Германии замечательный кусок сланца. В камне возрастом 390 миллионов лет и площадью всего в треть квадратного метра сохранилось не менее четырех окаменевших митратов Rhenocystis, родственных Cothurnocystis. Два из них оставили ясные следы, видимые на камне, и следы эти подтверждали идею Джеффриса, что двигались эти животные задом наперед, как это показано на рис. 5.5.

 

Рис. 5.4. Схема тела современных Cephalodiscus и давно вымерших Cothurnocystis

 

Рис. 5.5. Реконструкция способа передвижения животного Rhenocystis, родственного Cothurnocystis

Самое поразительное в Cothurnocystis — это асимметрия. Откуда она могла взяться, если эти существа развились из двусторонне-симметричных? Идея Джеффриса поражает своей простотой и одновременно совершенной эксцентричностью. Он называет этот процесс дексиотетизмом. Предположительно, предок Cothurnocystis просто свалился на правый бок и стал ползать по-другому. Иначе говоря, то, что изначально было левым и правым, стало дорсальным и вентральным, а прежние дорсальное и вентральное сделались левой и правой сторонами. Рис. 5.6 — объясняющая процесс схема, нарисованная самим Джеффрисом, а рис. 5.7 демонстрирует, как правое, левое, дорсальное и вентральное поменялись местами.

 

Рис. 5.6. Процесс, который Джеффрис называет «дексотетизмом» и в ходе которого двусторонне-симметричный организм, предок Cephalodiscus, становится асимметричным организмом, таким как вымерший Cothurnocystis и современные иглокожие и хордовые, к числу которых принадлежат и позвоночные

 

Рис. 5.7. Схема, показывающая, как согласно теории Джеффриса правое и левое становятся вентральным и дорсальным

Пребывание на правом боку должно было быть, мягко говоря, неудобным. Все отверстия тела с правой стороны открывались в ил, и лучше было бы держать их постоянно закрытыми. Так же и все щупальца с правой стороны оказывались погруженными в ил, и лучше было бы обойтись без них. Для любого ползающего, плавающего, бегающего или летающего организма асимметрия конечностей также вызывала бы проблемы, так как неизбежно заставляла бы его двигаться кругами. Поэтому за миллионы лет потомки Cothurnocystis утратили характерную «сапогообразную» форму и сделались стройнее, симметричнее и более гладкими. Или, по крайней мере, приобрели такой облик, потому что внешняя симметрия важна для выживания. Другое дело — внутренняя асимметрия, не столь практически важная для организма, сохранявшаяся в потомках Cothurnocystis. Двусторонняя внешняя симметрия поэтому наложилась на внутреннюю асимметрию. Мы сами — потомки организмов, подобных Cothurnocystis, и теория Джеффриса состоит в том, что в этих врожденных асимметриях и заключается причина того, что сердце у нас слева, печень справа и так далее.

* Изложенная гипотеза о цепочке симметрийных усложнений (нарушений симметрии) в процессе эволюционного развития многоклеточных эукариотов представляется вполне реалистичной и плодотворной. По всей вероятности, дальнейшее ее развитие будет связано с включением в отдельные этапы филогенеза, сопряженных с развитием билатеральности спиральных конструкций внутренних органов, формирующихся в ходе морфогенеза. — Прим. науч. ред.

Редакция

Электронная почта: [email protected]
VK.com Twitter Telegram YouTube Яндекс.Дзен Одноклассники
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2023.