心脏的自然史

　　每一天的每一时的每一分的每一秒(够拗口的吧)，你身体里都有奇妙的事发生。它的复杂与精确，任何机器都不如:你心脏血管的“阀门”打开，血涌入你的心房;而后你的心肌收缩，血又“喷薄”而出，带着肺部的氧气，周流你的全身。你的每一次心跳，都是电脉冲和涡旋的流体舞蹈的结果;没有它俩的配合默契的舞蹈，不出一分钟，你的亲友就会伏在你身上，号啕痛哭了。

　　这一复杂而要命的器官是如何进化而成的?在过去的几十年内，科学家为此问题付出大量的劳动。比较动物心脏的异同，把构成“心厦”的砖头―基因―拆下来细看，他们得出一个“卑之无甚高论”的结论；这结论，是你我常说的，其含义却未见得明了，那就是:我的心都提到嗓子眼里了!没错，你我的心脏，正是从嗓子眼开始的!

　　想追溯心脏最初的萌芽，我们至少得回到8亿年前。那时候死去的一只动物，为我们留下了最早的多细胞化石(所谓“最早”，当然是就我们的发现而言的)。一颗单细胞透过它的膜，即可吸收氧气和营养了。而一旦细胞们挤成一团，则有些细胞就成了“内陆国”，与外面的世界隔开了。有“出海口”的细胞，自可透过它的膜，把采自于外面的营养传递给“内陆”的细胞，但这过程很慢，距离也不能太远。比如说，粗细不过一英寸的若干分之一的绦虫，其体内所有的细胞，距“出海口”―或外面的世界―都不太远，无需铺设管道，氧气和营养即可由“滨海”的细胞传递给居于“内陆”者。而动物的规模一大(如人)，就需要一套输送营养的管道了。

　　所有动物最初的心脏―最小的如果蝇，最大的如蓝鲸，或都萌芽于一条蠕虫的喉咙。

　　海绵是地球上最原始的动物之一，而它却有一套管道系统，简单而优雅。海绵是一束放射出的管子，这些管子又放射出更多的小管子，“子子孙孙”，虽不至无穷，数量实在很大。海绵的细胞，即“列队”于管子上。它们有细细的毛，可随着波浪摆动;水透过它们被抽进来，又挤出去，氧气和食物则被留下了。这一套管子，使海绵能直接把海水送入它的细胞，所以这种多细胞动物，过的其实是单细胞的生活。

　　但动物一进化，难免会产生更复杂的物种，让细胞自己谋食，是不合情理的。再说，复杂的生物体中，细胞有不同的分工，好比不能人人种田，细胞也不能个个去采氧气，取营养。比如鱿鱼的眼里，即有专司感光的细胞，要它放下自己的职司，去挣口粮吃，鱿鱼就会变成瞎子。所以，这样的动物，需要一套循环系统去供养它的细胞，而若要系统循环起来，一台泵又少不了。心脏就是泵。在许多复杂的动物体中，你都会发现心脏，或类似于心脏的东西，如软体动物，节肢动物，脊椎动物。但只有某些脊椎动物的心脏，才与我们人类的相似(人也是脊椎动物的一种)。

　　以苍蝇的心脏为例:所谓苍蝇的心脏，只是一根肌肉强健的管子，不像人的心脏那样，有静脉和动脉构成的封闭系统与之相连接。它的功能也很简单:把苍蝇的“血”(叫做“血淋巴”)挤入它的腔内。它也有心跳，但不像敲鼓，却像你的消化道的蠕动:只是管子的肌肉在收缩而已。蚯蚓则与苍蝇不同，它有一套闭合的血管系统，但它没有心脏，只有11根可收缩的血管，其作用如人的心脏:即“血泵”。章鱼(软体动物的一种)则有两个“大功率”的心房，都是用来抽血用的。

　　不同动物的心脏，则大相径庭，所以几十年来，生物学家们都认为它们是独立进化而成的。

　　但在最近几年中，科学家们研究了胚胎中的心脏是如何由基因造成的。这时他们才发现:不同动物的心脏，却有相同的进化的根。他们在实验室中，改变或移除了动物身上的某些特殊的基因，以观其对心脏发育的后果。由此而导致的心脏的畸形，使他们明白到在心脏的发育中，某种特定的基因是所有动物都离不了的。

　　倒霉的总是老鼠，这次也一样。用老鼠做实验是有其优点的:它和人类关系很近;但也有缺点:它们的胚胎生长于子宫里，观察起来很难。另一些实验，则选用了一些与人类较为疏远、但观察却容易的动物，如果蝇，醋线虫等。突破性的进展，发生于1993年，美国密歇根大学的罗尔夫・鲍德墨找到了那一颗要命的基因，即制约果蝇心脏的发育者。少了这一颗基因，果蝇就“缺心眼”了。这种基因被称为“提恩曼”，是提恩・伍德曼的简写。读过童话《绿野仙踪》的人或许都记得，此人是故事中一个“缺心”的人，曾同小女孩朵罗西一道去翡翠城，为的是找那里的巫婆要一颗心脏。

　　在基因的王国里，王侯将相是“有种”的，提恩曼便属于这样的家族。许多基因接到的指令，是生产单一的蛋白质，好造一枚指甲盖或血色素等。而有些基因却制造“奴隶主”:即控制其他基因的蛋白质。它们的功用，是把其他的基因赶到一起，协力兴建某一器官。果蝇身上的提恩曼，就是这样的“奴隶主基因”。提恩曼被发现没有几年，人们在老鼠的身上，也找到了这种作威作权的“奴隶主基因”，即监督“心脏建设”的基因。它被称做“Nkx基因”。

　　令科学家们震惊的是，果蝇的提恩曼和老鼠身上的“Nkx基因”是极为相近的。两者所控制的基因，也极为相似。照逻辑推，这只能有一个结论:提恩曼和Nkx基因有共同的始祖。按科学家们的推断，它或许是一种样子像扁虫的动物，生活于7亿年以前。与它的后代相比，它的心脏可能很原始，只是一根粗糙的肉管子，可以有规律地收缩而已。

　　顺着基因这根藤，还可以摸到心脏的“老根”:喉咙。提恩曼和Nkx基因，在结构上，与构成线虫之喉咙的基因，看起来简直像亲兄弟。故第一颗心脏之形成的过程，即约略可知了:基因在分裂和复制的过程中，是偶然有变异的，构成原始动物之喉咙的基因，也难免如此。 这样一来，旧有的基因仍从事造喉咙的工作，而另一套变异的基因，则换了工种，不再制造用来抽食物的肌肉强健的管子，转而生产用来抽血的肌肉管子了。

　　但由简单的肉管子，进化为脊椎动物的心房，则必是一条漫漫的长路。回顾脊椎动物的历史，心脏由简单变复杂的过程，是依稀可见的。脊椎动物的远祖，或与海鞘类的动物相似(有脊椎的动物也曾被称为海鞘)。幼虫阶段的海鞘，其解剖学的特性，是很像我们人类的。比如说，它们的背部有一条被称为“脊索”的软骨，这便是脊椎的先驱了。但它们成年后，却丢了软骨，反长出一个带鳃隙的喉咙，用于过滤海水找食物。海鞘的心脏，不过是一根被拉得很长的血管而已。

　　真正的脊椎动物化石，最老的可追溯于5.3亿万年以前。不到1亿年前，第一条鱼进化了出来。由于今天的鱼都有房状的心，心房的收缩都严格地同步，所以科学家推测最古老的鱼――即这第一条鱼，一定也如此。但问题是，在这样短的时间内，一根简单的肉管子，是如何进化为脊椎动物的心脏的?

　　这个问题的答案，还得从基因里寻找。这一回科学家选取的动物，既非果蝇，也非老鼠，而是zebrafish。它有两个心房，但又不像老鼠那样，胚胎是匿于子宫的，而是在一颗单独的卵内，尤其便于研究的是它的幼体是透明的。

　　结果是令人振奋的。参与心脏建设的基因 ，已发现有上百种。在“提恩曼”式的基因造出一根简单的肉管后，其他的基因便走入“工地”，将这管子改建为一颗复杂的心脏。科学家采用检修电脑程序的办法，一块一块模块地试:他们移除一种基因，结果产生的心脏没有心室，其他却正常;他们移除另一种基因，则心瓣丢了，其他则完好……它们似乎控制不同的基因模块，而这些基因模块，又负责建造心脏的不同部件。功用不同的基因模块，如今已发现了十几种。假如所有的模块被拆下来，心脏产生的原理就大白于天下了。

　　基因模块的工作方式，也为脊椎动物之心脏的进化过程提供了线索。这些复杂的、多心房的心脏，只怕不是因为许多个基因发生微小的变异、从而缓慢进化来的。相反，心脏的每一模块，或原本就存在于早期脊椎动物的身上;只是从事的工种不是造心脏而已。仅仅由于控制模块的“奴隶主基因”的一时疏忽，这些模块造了反，“迅雷不及掩耳之间”(当然是就进化的时间尺度说的)，便为心脏造了一套新结构。这缓慢进化与快速进化的不同，可用造桥来比喻:假如一铲一铲地灌水泥，你得造半辈子;但如果用预制板，那很快就完工了。

　　因为有强有力的心房，或者说，由于有大功率的“血泵”，所以早期的鱼可以把血液送到离心脏较远的地方。这一密闭系统的完善与强大，可使鱼长成大个子，成为水中的杀手。多亏基因的变异，靠过滤海水中的食物为生的原始动物，才跳到了海洋动物链的顶端。

　　但鱼的心脏有先天的缺陷。它的“泵”把血液送达鳃部，在此取得新鲜的氧气，然后流至身体上各部位，给肌肉和器官提供动力。等最后流回心脏时，氧气已所剩无几了;心脏只好吃一点剩饭残羹了事。

　　这在平时不要紧，而一旦要快速地游动，那麻烦就来了:它游得越猛，肌肉耗氧就越多，心脏会被饿死的。解决的办法有两种:血液从鳃部采得氧气后，便径直奔回心脏，先把它喂饱。某些鱼就是这样的，即进化出了冠状动脉，这是供养心脏的专用血管。

　　成为游泳高手的另一种办法，是进化一套肺脏。在今天，肺脏可见于陆生脊椎动物和少数的鱼，如雀鳝、肺鱼等。而更多的鱼，则以气囊代之(即我们说的“鱼尿脬”)。好久以来，古生物学家们总以为肺是由游泳的气囊演化而来的;但鱼讲给我们的故事却不同。约4.2亿年前，进化的巨斧，把有颏鱼一劈为两大支:软骨的(如鲨鱼)和硬骨的(大多数鱼都是)。鲨鱼则既无气囊，也无肺，可知这两件有用的器官，是在进化的斧头劈过之后，硬骨鱼自己进化来的。那么，两种器官哪个在先，哪个在后呢?最原始的硬骨鱼都有肺，有游泳的气囊者却仅见于新鳍鱼类。所以答案很明显:气囊是肺变的，而不是相反。

　　多数的鱼何以又扔掉它们的肺呢?科学界的猜测是:约2.2亿年前，天上出现了翼龙，鱼有肺，就得浮上水面呼吸，这往往被翼龙抓个正着。有肺既没有好处，于是肺就退化掉了。

　　但对人类来说可称幸运的是，约3.6亿年前，一支有肺的鱼爬上了海岸，后来演化为以陆栖为主的两栖动物、爬虫和哺乳动物―它就是我们人类的始祖。后来的千百万年中，这些脊椎动物通过多种不同的方式，改建了它们的心脏:蜂鸟进化出了迅疾如风的心，每秒可跳22下;蛙和松鼠则进化出了好手段，能使它们的心脏减速，以安然越冬;回到海中的鲸鱼，长出了一颗庞大的心(以蓝鲸为例，它每分钟的抽血量可达273升);鳄鱼在水下，能使它的血液改流，彻底绕过它的肺。但在这种种变异的后面，基本的基因“配方”却无多大的变化―说到心脏，你我都是鱼。

　　(刘晚来摘自2002年5月12日《燕赵晚报》)