你绝对想不到，心脏其实并不是心形……

中科院物理所 2021-10-21

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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。图片来源：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。图片来源：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。图片来源：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。图片来源：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——

图片来源：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）。图片来源：（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。图片来源：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。图片来源：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。图片来源：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。图片来源：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。图片来源：(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。图片来源： 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。