心臟的自然史

心臟的自然史每一天的每一時(shí)的每一分的每一秒（夠拗口的吧），你身體里都有奇妙的事發(fā)生。它的復(fù)雜與精確，任何機(jī)器都不如:你心臟血管的“閥門”打開，血涌入你的心房;而后你的心肌收縮，血又“噴薄”而出，帶著肺部的氧氣，周流你的全身。你的每一次心跳，都是電脈沖和渦旋的流體舞蹈的結(jié)果;沒有它倆的配合默契的舞蹈，不出一分鐘，你的親友就會(huì)伏在你身上，號(hào)啕痛哭了。這一復(fù)雜而要命的器官是如何進(jìn)化而成的？在過去的幾十年內(nèi)，科學(xué)家為此問題付出大量的勞動(dòng)。比較動(dòng)物心臟的異同，把構(gòu)成“心廈，，的磚頭一基因一拆下來細(xì)看，他們得出一個(gè)“卑之無甚高論，，的結(jié)論;這結(jié)論，是你我常說的，其含義卻未見得明了，那就是:我的心都提到嗓子眼里了!沒錯(cuò)，你我的心臟，正是從嗓子眼開始的！想追溯心臟最初的萌芽，我們至少得回到8億年前。那時(shí)候死去的一只動(dòng)物，為我們留下了最早的多細(xì)胞化石（所謂“最早”，當(dāng)然是就我們的發(fā)現(xiàn)而言的）。一顆單細(xì)胞透過它的膜，即可吸收氧氣和營養(yǎng)了。而一旦細(xì)胞們擠成一團(tuán)，則有些細(xì)胞就成了“內(nèi)陸國”，與外面的世界隔開了。有“出?？凇钡募?xì)胞，自可透過它的膜，把采自于外面的營養(yǎng)傳遞給“內(nèi)陸”的細(xì)胞，但這過程很慢，距離也不能太遠(yuǎn)。比如說，粗細(xì)不過一英寸的若干分之一的絳蟲，其體內(nèi)所有的細(xì)胞，距“出?？凇币换蛲饷娴氖澜缫欢疾惶h(yuǎn)，無需鋪設(shè)管道，氧氣和營養(yǎng)即可由“濱海”的細(xì)胞傳遞給居于“內(nèi)陸”者。而動(dòng)物的規(guī)模一大（如人），就需要一套輸送營養(yǎng)的管道了。所有動(dòng)物最初的心臟一最小的如果蠅，最大的如藍(lán)鯨，或都萌芽于一條蠕蟲的喉嚨。海綿是地球上最原始的動(dòng)物之一，而它卻有一套管道系統(tǒng)，簡(jiǎn)單而優(yōu)雅。海綿是一束放射出的管子，這些管子又放射出更多的小管子，“子子孫孫”，雖不至無窮，數(shù)量實(shí)在很大。海綿的細(xì)胞，即“列隊(duì)”于管子上。它們有細(xì)細(xì)的毛，可隨著波浪擺動(dòng);水透過它們被抽進(jìn)來，又?jǐn)D出去，氧氣和食物則被留下了。這一套管子，使海綿能直接把海水送入它的細(xì)胞，所以這種多細(xì)胞動(dòng)物，過的其實(shí)是單細(xì)胞的生活。但動(dòng)物一進(jìn)化，難免會(huì)產(chǎn)生更復(fù)雜的物種，讓細(xì)胞自己謀食，是不合情理的。再說，復(fù)雜的生物體中，細(xì)胞有不同的分工，好比不能人人種田，細(xì)胞也不能個(gè)個(gè)去采氧氣，取營養(yǎng)。比如魷魚的眼里，即有專司感光的細(xì)胞，要它放下自己的職司，去掙口糧吃，魷魚就會(huì)變成瞎子。所以，這樣的動(dòng)物，需要一套循環(huán)系統(tǒng)去供養(yǎng)它的細(xì)胞，而若要系統(tǒng)循環(huán)起來，一臺(tái)泵又少不了。心臟就是泵。在許多復(fù)雜的動(dòng)物體中，你都會(huì)發(fā)現(xiàn)心臟，或類似于心臟的東西，如軟體動(dòng)物，節(jié)肢動(dòng)物，脊椎動(dòng)物。但只有某些脊椎動(dòng)物的心臟，才與我們?nèi)祟惖南嗨疲ㄈ艘彩羌棺祫?dòng)物的一種）。以蒼蠅的心臟為例:所謂蒼蠅的心臟，只是一根肌肉強(qiáng)健的管子，不像人的心臟那樣，有靜脈和動(dòng)脈構(gòu)成的封閉系統(tǒng)與之相連接。它的功能也很簡(jiǎn)單把蒼蠅的“血”（叫做“血淋巴”）擠入它的腔內(nèi)。它也有心跳，但不像敲鼓，卻像你的消化道的蠕動(dòng):只是管子的肌肉在收縮而已。蚯蚓則與蒼蠅不同，它有一套閉合的血管系統(tǒng)，但它沒有心臟，只有11根可收縮的血管，其作用如人的心臟:即“血泵”。章魚（軟體動(dòng)物的一種）則有兩個(gè)“大功率”的心房，都是用來抽血用的。不同動(dòng)物的心臟，則大相徑庭，所以幾十年來，生物學(xué)家們都認(rèn)為它們是獨(dú)立進(jìn)化而成的。但在最近幾年中，科學(xué)家們研究了胚胎中的心臟是如何由基因造成的。這時(shí)他們才發(fā)現(xiàn):不同動(dòng)物的心臟，卻有相同的進(jìn)化的根。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中，改變或移除了動(dòng)物身上的某些特殊的基因，以觀其對(duì)心臟發(fā)育的后果。由此而導(dǎo)致的心臟的畸形，使他們明白到在心臟的發(fā)育中，某種特定的基因是所有動(dòng)物都離不了的。倒霉的總是老鼠，這次也一樣。用老鼠做實(shí)驗(yàn)是有其優(yōu)點(diǎn)的:它和人類關(guān)系很近;但也有缺點(diǎn):它們的胚胎生長(zhǎng)于子宮里，觀察起來很難。另一些實(shí)驗(yàn)，則選用了一些與人類較為疏遠(yuǎn)、但觀察卻容易的動(dòng)物，如果蠅，醋線蟲等。突破性的進(jìn)展，發(fā)生于1993年，美國密歇根大學(xué)的羅爾夫?鮑德墨找到了那一顆要命的基因，即制約果蠅心臟的發(fā)育者。少了這一顆基因，果蠅就“缺心眼”了。這種基因被稱為“提恩曼”，是提恩-伍德曼的簡(jiǎn)寫。讀過童話《綠野仙蹤》的人或許都記得，此人是故事中一個(gè)“缺心”的人，曾同小女孩朵羅西一道去翡翠城，為的是找那里的巫婆要一顆心臟。在基因的王國里，王侯將相是“有種”的，提恩曼便屬于這樣的家族。許多基因接到的指令，是生產(chǎn)單一的蛋白質(zhì)，好造一枚指甲蓋或血色素等。而有些基因卻制造“奴隸主”:即控制其他基因的蛋白質(zhì)。它們的功用，是把其他的基因趕到一起，協(xié)力興建某一器官。果蠅身上的提恩曼，就是這樣的“奴隸主基因”。提恩曼被發(fā)現(xiàn)沒有幾年，人們?cè)诶鲜蟮纳砩?，也找到了這種作威作權(quán)的“奴隸主基因”，即監(jiān)督“心臟建設(shè)”的基因。它被稱做“Nkx基因”。令科學(xué)家們震驚的是，果蠅的提恩曼和老鼠身上的“Nkx基因”是極為相近的。兩者所控制的基因，也極為相似。照邏輯推，這只能有一個(gè)結(jié)論:提恩曼和Nkx基因有共同的始祖。按科學(xué)家們的推斷，它或許是一種樣子像扁蟲的動(dòng)物，生活于7億年以前。與它的后代相比，它的心臟可能很原始，只是一根粗糙的肉管子，可以有規(guī)律地收縮而已。順著基因這根藤，還可以摸到心臟的“老根”:喉嚨。提恩曼和Nkx基因，在結(jié)構(gòu)上，與構(gòu)成線蟲之喉嚨的基因，看起來簡(jiǎn)直像親兄弟。故第一顆心臟之形成的過程，即約略可知了：基因在分裂和復(fù)制的過程中，是偶然有變異的，構(gòu)成原始動(dòng)物之喉嚨的基因，也難免如此。這樣一來，舊有的基因仍從事造喉嚨的工作，而另一套變異的基因，則換了工種，不再制造用來抽食物的肌肉強(qiáng)健的管子，轉(zhuǎn)而生產(chǎn)用來抽血的肌肉管子了。但由簡(jiǎn)單的肉管子，進(jìn)化為脊椎動(dòng)物的心房，則必是一條漫漫的長(zhǎng)路?；仡櫦棺祫?dòng)物的歷史，心臟由簡(jiǎn)單變復(fù)雜的過程，是依稀可見的。脊椎動(dòng)物的遠(yuǎn)祖，或與海鞘類的動(dòng)物相似（有脊椎的動(dòng)物也曾被稱為海鞘）。幼蟲階段的海鞘，其解剖學(xué)的特性，是很像我們?nèi)祟惖?。比如說，它們的背部有一條被稱為“脊索”的軟骨，這便是脊椎的先驅(qū)了。但它們成年后，卻丟了軟骨，反長(zhǎng)出一個(gè)帶鰓隙的喉嚨，用于過濾海水找食物。海鞘的心臟，不過是一根被拉得很長(zhǎng)的血管而已。真正的脊椎動(dòng)物化石，最老的可追溯于5.3億萬年以前。不到1億年前，第一條魚進(jìn)化了出來。由于今天的魚都有房狀的心，心房的收縮都嚴(yán)格地同步，所以科學(xué)家推測(cè)最古老的魚——即這第一條魚，一定也如此。但問題是，在這樣短的時(shí)間內(nèi)，一根簡(jiǎn)單的肉管子，是如何進(jìn)化為脊椎動(dòng)物的心臟的？這個(gè)問題的答案，還得從基因里尋找。這一回科學(xué)家選取的動(dòng)物，既非果蠅，也非老鼠，而是zebrafish。它有兩個(gè)心房，但又不像老鼠那樣，胚胎是匿于子宮的，而是在一顆單獨(dú)的卵內(nèi)，尤其便于研究的是它的幼體是透明的。結(jié)果是令人振奮的。參與心臟建設(shè)的基因，已發(fā)現(xiàn)有上百種。在“提恩曼”式的基因造出一根簡(jiǎn)單的肉管后，其他的基因便走入“工地”，將這管子改建為一顆復(fù)雜的心臟。科學(xué)家采用檢修電腦程序的辦法，一塊一塊模塊地試:他們移除一種基因，結(jié)果產(chǎn)生的心臟沒有心室，其他卻正常;他們移除另一種基因，則心瓣丟了，其他則完好……它們似乎控制不同的基因模塊，而這些基因模塊，又負(fù)責(zé)建造心臟的不同部件。功用不同的基因模塊，如今已發(fā)現(xiàn)了十幾種。假如所有的模塊被拆下來，心臟產(chǎn)生的原理就大白于天下了。基因模塊的工作方式，也為脊椎動(dòng)物之心臟的進(jìn)化過程提供了線索。這些復(fù)雜的、多心房的心臟，只怕不是因?yàn)樵S多個(gè)基因發(fā)生微小的變異、從而緩慢進(jìn)化來的。相反，心臟的每一模塊，或原本就存在于早期脊椎動(dòng)物的身上;只是從事的工種不是造心臟而已。僅僅由于控制模塊的“奴隸主基因”的一時(shí)疏忽，這些模塊造了反，“迅雷不及掩耳之間”（當(dāng)然是就進(jìn)化的時(shí)間尺度說的），便為心臟造了一套新結(jié)構(gòu)。這緩慢進(jìn)化與快速進(jìn)化的不同，可用造橋來比喻:假如一鏟一鏟地灌水泥，你得造半輩子;但如果用預(yù)制板，那很快就完工了。因?yàn)橛袕?qiáng)有力的心房，或者說，由于有大功率的“血泵”，所以早期的魚可以把血液送到離心臟較遠(yuǎn)的地方。這一密閉系統(tǒng)的完善與強(qiáng)大，可使魚長(zhǎng)成大個(gè)子，成為水中的殺手。多虧基因的變異，靠過濾海水中的食物為生的原始動(dòng)物，才跳到了海洋動(dòng)物鏈的頂端。但魚的心臟有先天的缺陷。它的“泵”把血液送達(dá)鰓部，在此取得新鮮的氧氣，然后流至身體上各部位，給肌肉和器官提供動(dòng)力。等最后流回心臟時(shí)，氧氣已所剩無幾了;心臟只好吃一點(diǎn)剩飯殘羹了事。這在平時(shí)不要緊，而一旦要快速地游動(dòng)，那麻煩就來了:它游得越猛，肌肉耗氧就越多，心臟會(huì)被餓死的。解決的辦法有兩種:血液從鰓部采得氧氣后，便徑直奔回心臟，先把它喂飽。某些魚就是這樣的，即進(jìn)化出了冠狀動(dòng)脈，這是供養(yǎng)心臟的專用血管。成為游泳高手的另一種辦法，是進(jìn)化一套肺臟。在今天，肺臟可見于陸生脊椎動(dòng)物和少數(shù)的魚，如雀鰭、肺魚等。而更多的魚，則以氣囊代之（即我們說的“魚尿脬”）。好久以來，古生物學(xué)家們總以為肺是由游泳的氣囊演化而來的;但魚講給我們的故事卻不同。約4.2億年前，進(jìn)化的巨斧，把有頦魚一劈為兩大支:軟骨的（如鯊魚）和硬骨的（大多數(shù)魚都是）。鯊魚則既無氣囊，也無肺，可知這兩件有用的器官，是在進(jìn)化的斧頭劈過之后，硬骨魚自己進(jìn)化來的。那么，兩種器官哪個(gè)在先，哪個(gè)在后呢?最原始的硬骨魚都有肺，有游泳的氣囊者卻僅見于新鰭魚類。所以答案很明顯:氣囊是肺變的，而不是相反。多數(shù)的魚何以又扔掉它們的肺呢?科學(xué)界的猜測(cè)是:約2.2億年前，天上出現(xiàn)了翼龍，魚有肺，就得浮上水面呼吸，這往往被翼龍抓個(gè)正著。有肺既沒有好處，于是肺就退化掉了。但對(duì)人類來說可稱幸運(yùn)的是，約3.6億年前，一支有肺的魚爬上了海岸，后來演化為以陸棲為主的兩棲動(dòng)物、爬蟲和哺