心血管系统的演化：血流动力学的观点

在患有循环衰竭的恶化患者的床边，人们可能想知道我们是否真的足够了解循环的基础知识，以便设计出可用于患者受益的新治疗方案。循环应该是这样吗？当前的心血管系统设计是否是最好的设计？或者，它是包含在试图理解或治疗疾病时应该考虑的固有缺陷的众多可能性之一吗？在这篇综述中，我将尝试从血流动力学的角度总结心血管进化的目的论，以揭示其可能的致命弱点，将其与其他可能的设计进行比较并分析可能的治疗目标。

从单细胞到脊椎动物

25亿多年前，居住在我们星球原始海洋中的一些微生物发明了光合作用，并开始用一种新的、高度致命的废物污染大气：氧气。只有那些学会利用这种化学物质产生能量的生物体才在这场灾难中幸存下来。血流动力学实际上无非是一个重复的故事，叙述了为这些细胞的后代提供氧气的可能途径。

对于单细胞生物，扩散足以供氧（图 1A）。然而，随着多细胞生物的出现，这种方法变得不合适。首先，尝试了允许细胞团内部水对流的新身体设计，如海绵中所见。然后，随着双边对称的出现，大约 7 亿年前发明了一种更有组织的方案。这个框架的成功之处在于沿头尾轴连续复制相同的基本单元。这些基本相似的身体部分有可能被改造用于不同的目的。一个新的胚层，即中胚层，首先出现在双侧动物身上，它产生了一个遵循这个蓝图的心血管系统，并创造出垂直于身体的重复血管结构轴，连接肠道周围的背侧和腹侧血管，头部和后部有一个开口。第一个类似心脏的器官被认为是在 5.2 亿年前从腹侧主要血管的融合中出现的。

图 1.A-H。心血管系统的进化。

(A) 对于单细胞生物，不需要循环，因为扩散足以输送氧气。

(B) 古代双侧动物使用皮肤呼吸和重复的血管结构进行节段性灌注。

(C) 原始脊椎动物将主要的节段动脉重新用作鳃。他们的心脏包括一个静脉窦、一个心房、一个心室和一个心房。

(D) 随着颌骨的进化，前 2 个鳃弓消失。

(E) 古老的叶鳍鱼发育出肺、来自第六咽弓的肺循环和部分分隔的心房。(F) 两栖动物发育出具有 2 个心房和一个单心室的 3 腔心脏。

(G) 爬行动物形成了部分心室间隔。心室变得更加致密。

(H) 哺乳动物（和鸟类）完成了心室分隔并形成了一个 4 腔心脏。静脉窦和心球部分别并入右心房和右心室。哺乳动物保留左主动脉弓，而鸟类保留右主动脉弓。

尽管细胞需要持续的氧气和营养物质的流动，但能够提供持续推进力矩的连续流动泵是很难进化的。事实上，动物界一直未能发明轮子机制，而是从原始的蠕动血管中发展出一种脉动泵。然而，对脉动泵的偏爱，而不是对连续泵的偏爱，确立了血流动力学构成的第一条（有些不利）规律，为后人所遵从（图2，第1条）。

起初，该系统两端开放，支持体内液体的循环。虽然这种循环系统仍被节肢动物、软体动物和在胚胎发育过程中使用，但开放的循环系统限制了动物的大小，因为它需要大量的循环液体，接近身体质量的一半，而间质的扩散只在短距离内有效。在这种选择压力下，封闭的血管系统不断进化，不间断的血管网络的出现确立了支配组织灌注的普遍血流动力学构成的第二条基本规律（图2，第2条）。这种封闭系统的主要优点是，只要动脉和静脉压力保持恒定，组织就可以通过调节血管阻力来调节各自的血流。这使得动脉隔室成为液压能的主要储存器，并将心脏降低到作为其充电装置的次要位置。为了给动脉压力储存器充电，心脏必须将一些体积从静脉隔室转移到动脉隔室，从而通过降低静脉和增加与它们各自的顺应性成反比的动脉压来产生灌注前压力（动静脉整合）。抽吸泵和可塌陷的血管，这只有在静脉室已经加压以使心脏充盈并防止血管在心脏静脉排空时塌陷时才有可能。因此，甚至在心脏开始跳动之前，血管系统就应该具有正压（平均全身充盈压，Pmsf）。因此，Pmsf为心输出量设定了一个最大的限制，因为它被规定为从静脉到动脉的液体转移。作为一个推论，生物体会选择监测血管压力而不是直接测量心输出量，这在未来会有影响。

配备了这种心血管系统后，一些古代双侧动物开发了一种软骨背部（希腊语中的 noto）索，作为肌肉附着的部位，因此能够更好地运动。在这些原始脊索动物中，咽部有重复的狭缝，作为过滤器- 通过允许水从口中进出并从狭缝中流出的进给机制。咽部血管中的血液直接来自心脏，将这些营养物质吸收到血液中，并将它们带到组织中。血液在通过皮肤的过程中获取氧气并释放二氧化碳。这种富含氧气的血液然后到达心脏，这是一个由肌肉细胞组成的海绵状小梁网络（图 1B）。随着时间的推移，脊索产生了一个更坚固的结构，称为脊柱，它支持更强壮的肌肉、更大的体型、 和更好的运动能力。

从鱼到两栖动物

随着脊椎动物的迅速多样化和体积的增长，皮肤呼吸逐渐变得不足。咽缝周围的咽血管显示出广泛的分支，并产生了鳃。一个鳃单元包括一个单独的动脉供应，从该动脉产生的鳃丝，以及支持性的软骨元素。这种微妙的结构创造了一个大的表面积，是气体交换的理想场所，但有一些先决条件。它只能容纳低压灌注，因为脆弱的气体交换表面可能会被高的动脉压力所危及。此外，由于空气饱和的水含有有限的氧气，通过鳃的心输出量必须比通过鳃的水的流量小得多，以使通气与灌注相匹配。这些先决条件要求解决2个重要的心血管问题：（1）有限的心输出量最终导致较低的身体质量和运动潜力，这是自然界具有强大选择压力的缺点；（2）由于循环设计是血液先灌注鳃，然后灌注组织，再返回心脏，心脏成为气体交换器官的传入者，接受来自组织的贫氧和酸化血液。这在运动中特别不利，许多现存的鳃呼吸的鱼死于剧烈运动的事实就证明了这一点。

对于更高的心输出量，应首先提供提供更高鳃通气的机制。祖先的无颌鱼（图 1C）通过重新利用前 2 个鳃弓找到了解决此问题的方法。首先，第二鳃软骨进化为舌骨，其鳃肌用于减少和增加咽部空间的体积。这提供了一种更有效的泵机制，可以将水吸进和吹出。其次，由于鳃由铰接的软骨支撑，将其进化成下颚并不是太牵强。因此，第一个鳃软骨形成了下颌骨，出现了有颚的鱼（图 1D）。除了产生一种用于掠夺性目的的强大新武器外，这项创新还为吞食空气开辟了道路。从地表吸入空气提供了一种获取氧气的新方法。可以预见的下一步是在咽部进化出一个外袋来储存空气并允许呼吸气体交换。一种特殊的鱼亚类 (Sarcoperygii) 将这种外突进化到肺部 (肺鱼) 并从第六咽弓提供动脉供应 (图 1E)。与一般方案相反，这种外突的静脉回流不是回到主动脉背侧，而是直接打开到相邻的心房。这种安排为心脏提供了额外的氧气来源，并有助于克服第二个限制。

肺静脉回流对心脏的解剖结构产生了影响。肺静脉进入心房后，在心房内形成了一个肺部褶皱，构成了部分心房间隔。另外，在动脉锥部的螺旋形脊创造了两个功能性的流出口。装备了空气呼吸器官和更强壮的四肢，它们已经准备好将它们的 "脚 "踏上一个未知的领域。

从两栖动物到哺乳动物

征服这片土地是有希望的。由于绿色植物和节肢动物早在数千万年前就已经侵入了这片土地，它提供了一个觅食的生态系统、一个可以寻找被困沿海猎物的浅潮间池塘，以及一个逃避水生捕食者的生态位。此外，当爬上岸边晒太阳以提高体温时，这种动物会促进其新陈代谢，并发展出更多的力量和速度。这对于捕捉猎物、逃避捕食者和繁殖极为有利。这些因素逐渐导致了两栖的生活方式。

另一方面，向陆地的过渡需要许多适应性。皮肤和呼吸道的失水增加，接触水的机会减少，创伤，以及在干燥的陆地表面失血，使体积损失成为这种迁移最令人担心的风险。有了已经监测血管压力的调节机制，任何压力反应都会演变为包括液体保留反应，以增加Pmsf和心输出量。通过放弃提供实际失重的水的浮力，动物现在有了对重力的抵抗力，需要更强的骨骼和肌肉，更多的能量和氧气需求，这需要更好地分离富氧和贫氧的血液，因此两栖动物最终完成了从剑鱼科肺鱼继承的心房间隔。

重力对血流动力学的影响也是深刻的。1米水柱的重量产生73.5mmHg的压力（图2，第3条）。由于静水压力在动脉和静脉中随高度增加和减少的量相同，2者之间的差异保持不变，第2条仍然有效。然而，当血管内压力在获得高度的同时下降到大气水平以下时，血管会崩溃。静脉塌陷并不停止器官的流动，只是通过增加血管阻力来限制它，但动脉塌陷会使器官循环关闭。由于鱼类和后来的两栖动物的收缩压只有30-40mmHg，而这个压力水平在动脉崩溃之前只允许心脏和大脑之间有50厘米的垂直距离，因此两栖动物和它们的第一批爬行动物后代必须有一个水平的身体姿势.此外，在心室未分隔的情况下，全身压力不可能超过 50 mmHg，因为这种较高的压力会危及肺的血气界面。尽管如此，在鱼类中占主导地位的海绵状心肌现在逐渐包裹在一层致密的心肌中，其厚度和比例增加，能使压力升高（图1F）。

爬行动物是第一个充分适应陆地居住的脊椎动物，利用肺部作为获取氧气的唯一途径。在心室间隔的强烈选择趋势下，爬行动物发展出部分心室间隔和更紧凑的心肌（图1G）。值得商榷的是，那些首先发展出完全分离的心室并达到高动脉压力的是恐龙，它们高耸的头部达到10米以上，勉强能在今天展出的博物馆的天花板下站住。当他们抬起或放下他们的头时，他们的脑血管的跨膜压力下降或上升，因此血管分别趋于崩溃或膨胀（图2，第3条）。尽管透壁压有这些剧烈波动，但灌注并没有改变，因为它是由动静脉压差决定的（图 2，第 2 条）。然而，对于直立的颈部姿势，仍然需要非常高的动脉压，这不仅是为了防止动脉塌陷，而且也是为了将血液保持在沸点以下，当血液受到这种负压和防止氧气在低压下从血红蛋白中解离并从溶液中出来形成气泡。目前尚不清楚这些恐龙是如何在不产生巨大动脉压的巨大左心室的情况下设法绕过这些限制的。然而，两个独立循环的存在与维持运动的能力相关，即通过提高全身动脉压而不升高肺压和更薄、更有效的血气界面来维持运动。有了更高的全身压力储存器，组织现在可以将它们的流量和氧气输送增加到更高的水平。肌肉的供氧量越高，运动能力和耐力就越强，这使恐龙在地球上统治了大约 1.5 亿年。

然而，较高动脉压力的幸福是有代价的。更高的血管压力需要一个更活跃的血栓系统来迅速控制任何可能的出血。由于高压造成的血管损伤（包括动脉粥样硬化和动脉硬化）和血栓性并发症将是后来者的命运。此外，将一个心室分成两个独立的部分，为另一个血流动力学规律奠定了基础（图2，第4条）。现在，右心室和左心室必须以相同的心率跳动，泵出相同的搏出量和心输出量，尽管它们有不同的收缩特性，而且它们面对的是完全不同的血管床，对各种病理生理过程有不同的反应（图4）。如果左心室的输出量，即使是暂时的，低于右心室的输出量（心室间质瓦解），这两个输出量之间的差异所产生的多余容积就会积聚在肺血管区，而肺血管区一直以来都是试图被进化所保护的。

第一条

       流向组织的持续流量应以波动性大的泵来推动。

第二条

      灌注应由跨血管床的动静脉压力差除以组织血管阻力来确定。

第三条

      静水压力在下降时每 10 厘米增加 7.35 毫米汞柱，而在陆地上上升时则以相同的量下降。

第四条

      为了达到稳定状态，右心室和左心室的输出量应该是相同的。

当爬行动物统治着这片土地时，有一小群被称为哺乳动物的生物躲在黑暗的夜里，等待着来自天堂的东西来推翻它们的爬行动物压迫者。它们的夜行性选择了一些特征，如产热、与对夜行性生存至关重要的感觉功能的发展有关的脑化、小型化，以及最后的恒温。恒温仅仅意味着产生内源性热量，导致独立于环境温度并使得入侵几个生物生态位成为可能。然而，恒温动物消耗的能量是变温动物的 10 倍，用于产生热量以保持体温恒定。这与氧气需求和心输出量增加有关。作为推论，心脏本身表现出一些适应。心室压实程度达到最大程度。

由于较高的心输出量、较短的收缩期和较长的心室舒张期，静脉窦已经过时并与右心房融合，但仍保留其作为主要起搏器的唯一功能。作为对较长妊娠期的适应，在胚胎发生过程中，在原发性房间隔的顶部形成了一个次级孔，以实现持续分流。当静脉窦融入右心房时，从右心房顶发展出的第二个隔膜作为一个厚褶皱，逐渐与这个继发孔重叠。这种继发隔作为一种瓣膜结构，可以使胚胎中的血液持续从右向左通过，但可以防止出生后的分流。静脉窦也离开它的左角作为冠状窦，离开它的瓣膜作为终嵴、Eustachian瓣和 Thebessian 瓣。右侧主动脉弓退化，可能是由于需要一个大的动脉导管连接到降主动脉和将熟悉的左侧主动脉弓作为哺乳动物血管系统的主要通道（图 1H）。

对智人的影响

我们的心血管系统是上述进化过程的结果，它在胚胎发育期间重演了这一进化史。在经历了单一的蠕动管、带有海绵状心室的两腔鱼心、三腔更紧凑的两栖动物心和带有部分分裂的心室的三腔半爬行动物心的连续阶段后，完整的四腔人类心脏开始发育。六对咽部动脉发育后，按照进化史的预言，或退行或蜕变为成熟的血管结构。

尽管心血管的进化雕琢了我们的身体，给我们带来了许多新的器官，同时试图伸展它的生理极限，但我们的心血管系统并不是一个独特的终极设计，专门为满足人类机体的要求而规划。它也不是完美无缺的。在这个进化过程中获得的一些适应性是不必要的，甚至是有害的，导致或促成了疾病过程。与高血压和血栓形成倾向增加有关的疾病不仅是人类的主要死亡原因，也是其他哺乳动物和鸟类的主要死亡原因。不幸的是，这些疾病逃脱了自然选择的淘汰，因为它们在生殖年龄后表现出来。在其他疾病过程中，较高的 "正常 "血压也是一项苛刻的义务。对于躺在冠心病监护室病床上的心源性休克患者来说，高动脉压和适应昂贵的恒温都没有好处。如果有可能诱导一个短暂的低温状态，其代谢需求比恒温低10倍，或较低的动脉压不与重力的影响相抗衡，生存的可能性就会增加。

甚至血流动力学的构成有时似乎也对我们不利。血流动力学规则第一条规定使用脉动泵向组织提供持续的流量。这需要一个顺应性强的动脉系统来缓冲压力振荡，并通过Windkessel效应将脉动输出转换为稳定的流出。然而，由于动脉系统并非完全顺应，脉动泵会消耗更多的能量，效率也不如连续泵。由于脉动性心脏位于主压力库的后面，它必须消耗相当大的能量来首先打开半月形瓣膜，这就解释了为什么压力过负荷条件比容量过负荷条件的耐受性差。动脉系统的顺应性也随着年龄的增长而降低，增加了左心室的脉动负荷。

脉动流对血管系统有不利影响。传导血管上的循环应力促使弹性纤维分解并降低动脉顺应性。降低的动脉顺应性导致广泛的压力振荡，渗透到微脉管系统中并损害脆弱毛细血管的完整性。此外，相位压力波反映在脉管系统的所有分叉和不连续处。反射波返回到近端主动脉，如果它们与收缩期一致，则会导致额外的脉动负荷。然而，由于所有哺乳动物都使用相似的血管图，因此没有一种具有完美的心室动脉耦联，可以最大限度地减少这些不良影响。例如，袋鼠在其发达的下肢具有广泛的血管分支，这会产生强烈的波反射。这些波反射在收缩晚期返回近端主动脉并产生减少心输出量的脉动负荷。尽管健康人的血管反射是轻微的并且在舒张期恢复，但随着年龄的增长，它们会变得更加明显并在收缩后期恢复。这种紊乱的心室动脉耦联是高血压和心力衰竭的一个重要问题。

脉动泵也有一个局限性，就是只能在其工作周期的一小部分时间内工作。由于哺乳动物的心室没有有效的吸水机制，其充盈率决定了可以泵出的容积。收缩期和舒张期之间的平衡受完全不同的过程支配和影响，也可能被简单的生理干扰所破坏，如高心率，这反过来又导致这两种功能的失调（收缩期-舒张期失耦联）。如果大自然赋予我们一个连续的泵，所有上述的限制都可以避免。

第二法则规定动静脉压差控制组织灌注，但身体主要监测该方程的一侧。当动脉压被用作心输出量的替代指标时，心脏功能的任何下降都会被误解为血容量不足，并导致液体潴留和水肿形成，而对潜在的病理没有任何消除作用。另一方面，由于 Pmsf 设定了最大心输出量的限制，心脏的任何努力都无法补偿低血容量，如果泵是连续的且静脉不可塌陷，这将是可能的。以动脉压为导向的器官血流自动调节在许多疾病情况下也会失效。在缺血-再灌注状态下，暴露于缺血代谢物的毛细血管前括约肌在缺血期间最大限度地扩张，当再灌注发生时，它们变得无法抑制渗透到毛细血管中的高动脉贮压的有害影响。在心力衰竭中，高静脉压力可能会降低肾小球滤过率，危及肾脏流量，并可能导致肾衰竭。

第三条似乎经常被完全忽略，好像我们从未过渡到陆地。由于我们故意以平坦的姿势进行压力测量，让人联想到我们的鱼类祖先，并消除了静水压力的影响，我们往往会误解与压力有关的现象。最明显的例子是我们对基本高血压的方法。尽管来自观察性研究的数据表明，血压每升高20/10mmHg，心血管并发症的风险就会增加一倍，而且用几乎任何药物降低血压都能显著减少不良事件，但这种方法完全不考虑静水压的影响。

考虑到动脉压在头部低约40mmHg，在下肢高约90mmHg（图3B），很难解释为什么（1）身体中血压最低的器官，即大脑，是高血压的主要目标。(2)高血压的靶器官受累不符合颅底增加的模式；(3)高血压并发症往往聚集在流量较大的器官，如大脑、心脏和肾脏，而不是有血管床暴露在较高压力下的器官。相应地，我们曾质疑将压力归咎于 "高血压 "并发症的理论，并询问流量或其任何迭代，是否可能是真正的罪魁祸首，因为它与压力的相关性和更难的技术测量而被我们所忽视。

图 3. A-B。

(A) 当蜥脚类恐龙的脖子保持直立时，它们的心脏和大脑之间的压力差约为 760 mmHg。当他们低下头的时候，脑动脉压应该有很大的变化，尽管有动静脉压，所以脑流量没有变化。尽管人类的压力波动要小得多，但这仍然意味着，在一个收缩压为 120 mmHg 的平躺血压正常的人中，脑血管中的压力与血压为 160 mmHg 的站立的高血压人的脑血管压力相等。.

(B) 对血流动力学宪法第 3 条的无知可能误导我们认为压力是“高血压”并发症的原因。然而，在一个直立的人中，血管系统中的压力垂直变化，在大脑中达到最低水平，在脚趾水平达到 200 mmHg。然而，高血压受累并不遵循这种颅尾模式，而是通常针对流量最高的器官。

BF，血流量；SP，收缩压。

对静水压的无知导致了不符合物理学基本原理的假说的产生。中风在时间上与血压的24小时变化相吻合，血压在中午前后显示出最高值，这使一些作者推测血压升高对血管或动脉粥样硬化病变有直接影响。但实际上，脑动脉压力在起床后实际上是下降的，因为早晨血压激增的幅度一般小于由于采取直立姿势而导致的静水压力下降。探讨心血管事件的昼夜节律的研究表明，心肌梗死遵循与卒中的昼夜节律类似的模式，这有力地证明了压力的任何真正影响，因为与大脑相比，心脏是一个几乎不受重力影响的器官。当然，不应忽视的是，高血压的病理生理学除了血流动力学因素外，还可能而且确实包括其他因素，包括细胞、神经和体液因素。

最后，第四条可以而且很容易被几种疾病所破坏。在串联的 2 泵系统中，两个泵的输出应相等，以保持稳定状态并防止流体在输出较低的泵后面积聚。例如，如果下游泵（左心室）的输出量低于上游泵（右心室）的输出量，多余的输出量会积聚在中间（肺）血管室（心室失耦联），除非有调节机制专门检查上游泵（右心室）的输出（图 4）。然而，不存在这样的机制，相反，两个心室必须以相同的速率跳动，泵出相同的每搏输出量，并对正性肌力刺激做出类似的反应。在患有急性左心室梗塞的患者中，尽管患者没有液体超负荷，但右心室输出量可能超过受损左心室的输出量，并导致患者淹死在自己的血清中。具有 2 个完全独立的泵的设计，一个独立的右心能够降低其速率或输出以匹配患病左心的输出，本可以避免这个问题，但进化只能为我们提供 2 个半泵.

图 4. A-B。

(A) 在串联的 2 泵系统中，两个泵的输出应相等以保持稳定状态。

(B) 当上游泵 (RV) 的输出暂时超过下游泵 (LV) 的输出时, 多余的体积会在中间 (肺) 血管室中积聚, 除非泵的输出可以独立调节。这在哺乳动物心血管系统中并不完全可能，因为进化创造的不是两个独立的泵，而是通过将单个心室分成两半而产生的 2 个半泵。虽然在这种情况下肺脉管系统的压力增加经常被解释为“左室舒张功能障碍”，即反向传递，但过多的肺液压能的来源实际上是 RV。

LV，左心室；RV，右心室。

结论

我们的心血管系统通过不断地重新利用或改造手头的材料来制定解决方案来应对其面临的挑战。鉴于进化树的每一个新分支都是在已经存在的分支上发展起来的，人类心血管系统并不是一个独特、完善或完美的设计，相反，它是具有过去色彩的高度适应性框架的复杂产物。因此，从血流动力学角度分析心血管进化提供了一个令人着迷的机会，可以发现我们心血管系统的弱点，了解疾病的病理生理学，并制定可能的治疗方案。

来源：The Evolution of the Cardiovascular System:A Hemodynamic Perspective，DOI:10.5543/tkda.2022.22450.斌哥话重症

好记性不如点个赞！收藏起来以防忘记哦！

小师妹和俺建立了资料分享群，邀您互相交流，微信gabstudy

点击阅读原文，进入书籍宝库，用完记得收藏哦，下次更方便。