Krybdyrenes halve hjerte og kredsløbets udvikling
Selvom vi i dag ved meget om hjertet og kredsløbets fysiologi, er der stadig en del, vi ikke forstår. Derfor studerer forskere på Aarhus Universitet krybdyrenes til tider meget underlige hjerter, bl.a. for at blive klogere på den kliniske behandling af mennesker.

Ved at bruge moderne skanningsteknikker kan vi nu skabe billeder af hjertets anatomi i levende dyr, som her hvor tre bedøvede pytonslanger skannes for at bestemme hjertets funktion under fordøjelse.

Ved at bruge moderne skanningsteknikker kan vi nu skabe billeder af hjertets anatomi i levende dyr, som her hvor tre bedøvede pytonslanger skannes for at bestemme hjertets funktion under fordøjelse.
Partner 25 søforklaringer - Naturvidenskabelige fortællinger fra Søauditorierne

Sorte huller i universet. Aldringens gåde. Kemien i velsmag. Kvantemekanik. Kaskelottens næse.

 

Pulsen – den stadige banken skabt af hjertets rytmiske sammentrækninger, som nemt kan mærkes på halsen eller ved håndleddet – har altid været forbundet med vor opfattelse af liv.

I palæolitiske hulemalerier har man fundet et hjerte på en elefant, og dermed var hjertet det første organ, der blev gengivet i kunsten. De tidligste civilisationer betragtede hjertet som kroppens centrale organ og anså hjertet som sæde for følelser og tanker.

Oldtidsskrifter omtalte hjertet som 'legemets fyrste' eller 'sjælens bolig'. I vor egen nutidige vestlige kultur spiller hjertet stadig en central symbolsk rolle, for eksempel når vi bruger talemåder som 'hun vandt mit hjerte' eller 'hjertekvaler', omend vores opfattelse af bevidsthed og følelser nu er henlagt til hjernen.

Kredsløbet spiller en betydelig rolle i medicinsk forskning

Hjertets symbolske status afspejler på en passende måde dets fysiologiske betydning. Det har man vidst i årtusinder, og allerede de gamle ægyptere målte pulsen for at diagnosticere forskellige lidelser. De brugte udtryk som 'hjertet taler gennem alle kar', mens det kinesiske udtryk for at søge læge betyder 'at få målt pulsen'.

Hjertets og kredsløbets funktioner er stadig vedkommende for os, idet kredsløbslidelser er blandt de mest udbredte og alvorligste sygdomme i den vestlige verden.

Næsten hver femte dansker har for højt blodtryk. Det høje blodtryk skader blandt andet blodkar i hjernen og nyrerne, og det leder til, at hjertevæggen fortykkes.

Disse patologiske forandringer kan resultere i, hvad lægerne så rammende kalder 'for tidlig død', og studier af kredsløbet spiller derfor en betydelig rolle i den medicinske forskning.

Studier af hjertet kan inspirere den kliniske behandlng

I min forskningsgruppe på Aarhus Universitet arbejder vi ikke direkte med hjertesygdomme, men vi søger at forstå, hvordan kredsløbet er opstået igennem evolutionen. Det er en mere grundvidenskabelig problemstilling, men vi mener, at en indsigt i vores krops evolutionære historie kan give en vigtig forståelse af, hvorfor vores krop fungerer, som den gør.

Studier af hjertet hos mærkelige dyr kan derfor være med til at inspirere og perspektivere den kliniske behandling. Sammenligningen mellem dyregrupperne giver os desuden mulighed for at identificere de særlige tilpasninger, som tillader, at nogle dyregrupper har kunnet tilpasse sig et givet miljø eller en særlig adfærd.

Evolutionen af hvirveldyrenes hjerte og kredsløb er foregået i de seneste 500 millioner år og har været forbundet med store fundamentale anatomiske og funktionelle ændringer. Ikke desto mindre virker det rimeligt at reducere ændringerne til tre hovedbegivenheder: 1) Dannelsen af de første hjerter, 2) hjertets ændrede funktion, da dyrene begyndte at trække vejret med lunger, og 3) dannelsen af det opdelte hjerte hos fugle og pattedyr (inklusive mennesker).

I denne artikel vil jeg kort redegøre for de første to hovedbegivenheder – hjertets opståen og evolutionen af luftånding – mens jeg vil lægge mere vægt på at beskrive vores nuværende forskning omkring udviklingen af det opdelte hjerte.

Her vil jeg særligt lægge vægt på hjertet hos krybdyrene, som er den fælles forfader til både fugle og pattedyr.

Hvorfor har vi et hjerte og et kredsløb?

Kredsløbet udfylder mindst to basale funktioner. Først og fremmest sikrer den stadige strøm af blod gennem kroppen, at alle cellerne tilføres tilstrækkelige mængder af ilt, så stofskiftet kan fungere.

Fakta

Denne artikel stammer fra bogen '25 søforklaringer - Naturvidenskabelige fortællinger fra Søauditorierne'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her.

Derudover bruges det blodtryk, der driver blodets bevægelse, til at filtrere plasma – den væske, som omgiver de røde blodceller – så kroppen kan udskille affaldsog giftstoffer. Denne funktion finder vi i nyrerne hos alle hvirveldyr i dag.

Kredsløbets funktion og regulering er derfor tæt forbundet med både respirationsorganerne og nyrerne. Hos mennesker giver denne kobling sig for eksempel udtryk i, at kredsløbssygdomme som forhøjet blodtryk typisk har skadelige effekter på nyrerne.

Søpunges hjerte består ikke af et kammer

Hvirveldyrenes kredsløb har undergået en fascinerende evolutionær udvikling, hvor hjertets struktur og funktioner har tilpasset sig dyrenes livsvilkår. Hjertet hos de tidligste hvirveldyr opstod formentlig for omkring 500 millioner år siden. Vi mener i dag, at det primitive hvirveldyr-hjerte må have mindet om de hjerter, vi finder hos nutidens søpunge.

Søpunge, som tilhører de såkaldte urchordater, er blandt hvirveldyrenes tætteste slægtninge, og mange kender sikkert de klare geleagtige, fastsiddende arter som Ciona, der findes på mange moler i danske havne. Hos disse søpunge består hjertet ikke af et egentligt kammer, men fungerer blot som et pulserende blodkar, der driver blodet rundt i kroppen.

Men selv i dette meget simple hjerte findes en 'primitiv sinusknude', hvorfra der udgår et elektrisk signal, der starter karrets sammentrækning. De elektriske begivenheder, der driver hjertets stadige og rytmiske sammentrækninger, opstod altså, inden hvirveldyrene opstod.

Vi kan lære om kredsløbssygdomme ved at studere forskellige dyr

Faktisk findes disse sinusknuder i begge sider af karret, så blodet nogle gange løber den ene vej, andre gange den anden vej. Om de tidligste hvirveldyr har fungeret på nøjagtig samme måde, vil vi formentlig aldrig få at vide, men vi ved nu, at der er overordentligt stort sammenfald mellem de ionkanaler, der både fremkalder og leder den elektriske strøm, og den senere sammentrækning hos både søpunge og os selv.

Det kan således virke overraskende, at det er mange af de samme gener, der styrer hjertets udvikling i fostertilstanden hos primitive hvirveldyr som hos os selv på trods af de enorme anatomiske forskelle i hjertets opbygning.

Den fælles embryonale udvikling og det store overlap i de regulerende gener betyder imidlertid, at vi kan lære meget om vore egne kredsløbssygdomme – både de medfødte og dem, som er en del af vores livsstilssygdomme – ved at studere og sammenligne forskellige dyr.

Fiskehjerter og udvikling af luftånding

Hvirveldyrene opstod i vand, og de første hvirveldyr måtte derfor 'trække vejret' i vand. Ud fra de efterhånden mange fossiler, som er fundet af de forskellige overgangsformer, tror vi, at kredsløbet og gællerne – i hvert fald i grove træk – lignede det kredsløb, vi finder hos de forskellige grupper af nutidens fisk. Her består hjertet hovedsageligt af to kamre – kaldet henholdsvis forkammer (også kaldet atrium) og ventrikel.

Forkammeret hjælper med at fylde ventriklen, som skaber tilstrækkeligt tryk til at sende blodet igennem gællerne, hvor det iltes. Det iltede blod løber nu til kroppens forskellige organer, hvorefter det iltfattige blod løber passivt fra kroppens organer gennem venerne tilbage til hjertet.

Gæller er særdeles effektive til at ilte blodet i vand, men de klapper sammen i luft, hvilket er grunden til, at fisk kvæles, når de tages op af vandet. Mange fisk, særligt tropiske arter, lever imidlertid i områder, hvor der er meget lidt ilt i vandet, og en række arter lever desuden i vandområder, som udtør
res en gang om året.

Nogle fisk kan trække ilt ud af luften

Hos disse fisk har det været en overlevelsesmæssig fordel at kunne udnytte den ilt, som findes i luften, og vi
ved nu, at luftånding blandt fisk er opstået uafhængigt af hinanden mindst 35 gange i livets historie. Den uafhængige evolution af luftånding kommer til udtryk ved, at forskellige fisk bruger forskellige strukturer til at trække vejret.

Vi kender således eksempler på fisk, der bruger henholdsvis mundhulen, maven eller tarmen til at trække ilten ud af luften. Man mener desuden, at svømmeblæren, som i dag bruges til at regulere opdriften hos de fleste almindelige fisk, opstod som et luftåndingsorgan, og det har dermed mistet sin oprindelige funktion hos de fleste af vores hjemlige arter af fisk. På den måde er fiskenes svømmeblære en pendant til vores lunger.

Hjertet har undergået en forunderlig evolutionær udvikling. Det startede som et kontraktilt blodkar hos forfædrene til de tidlige hvirveldyr, og udviklede sig siden til et opdelt hjerte med to forkamre og to hjertekamre hos fugle og pattedyr. Hos fisk, padder og krybdyr findes der eksempler på forskellige overgangsformer. Hos padderne og krybdyrene er der således kun en enkelt hjerteventrikel, hvor det iltrige og det iltfattige blod kan blandes.(Illustration: Troels Marstrand)

Men ud fra en række definitioner om, hvordan henholdsvis lunger og svømmeblæren anlægges igennem fosterudviklingen, er det kun lungefisk og alle 'dyr med fire ben' (tetrapoderne), der har rigtige lunger. Tetrapoderne er en fælles betegnelse for padder, krybdyr, fugle og pattedyr, dvs. de landlevende dyr, som alle stammer fra en fælles forfar med lunger.

Udviklingen af luftånding var naturligvis en forudsætning for, at hvirveldyrene kunne indtage landjorden. Men luftåndingen opstod altså meget tidligere.

 

Kredsløbets tilpasning til livet på land

Udviklingen af luftåndingsorganerne stillede nye krav til kredsløbets anatomi. For ligesom det er vigtigt at kunne indånde iltrig luft, når man lever i iltfattigt vand, er det naturligvis vigtigt, at ilten kan optages i kredsløbet og transporteres rundt i kroppen. En effektiv optagelse af ilt over luftåndingsorganet kræver en stor overflade, og at blodet og luften adskilles af så tynd en barriere som muligt.

For at forhindre fysisk skade af den tynde adskillelse er det endvidere ikke muligt at gennembløde luftåndingsorganet med et meget højt blodtryk. Samtidig sker der et blodtryksfald, når blodet løber igennem luftåndingsorganet, og det iltede blod returneres derfor direkte til hjertet, inden det pumpes ud i kroppen.

Når både det iltrige blod fra luftåndingsorganet og det iltfattige blod fra kroppen løber tilbage til hjertet, opstår der mulighed for opblanding af de to blodstrømme. Det virker ikke synderligt hensigtsmæssigt, da der næppe kan være en idé i at sende det iltfattige blod tilbage til kroppen eller
det iltede blod tilbage til luftåndingsorganet.

I hvert fald kan vi igennem matematiske modeller over ilttransporten igennem lunger og kredsløb vise, at effektiviteten af ilttransporten falder, jo mere blodstrømmene blandes.

 

Mennesker med 'krybdyrhjerter' har nedsat ilttransport

Man ser en lignende effekt hos børn, der fødes med hjertefejl, hvor ventriklen 
ikke er fuldt opdelt. Et eksempel på en sådan medfødt hjertefejl er Fallots tetralogi, der er opkaldt efter den franske fysiolog Étienne Louis Arthur Fallot (omend den oprindelig blev beskrevet af danskeren Nicolaus Steno
i 1671).

Fallot kaldte hjertefejlen la maladie bleue (den blå sygdom), fordi den lave iltmætning i blodet giver den blege hud et blåt skær. Mennesker med 'krybdyrhjerter' har altså en nedsat evne til at transportere ilt, og de trættes derfor tidligere og kan som regel ikke klare høje arbejdsbelastninger.

Hvordan kan det være, at hjertet hos krybdyrene tilsyneladende er tilstrækkeligt for krybdyrene, men at samme hjerte ikke er tilstrækkeligt hos pattedyr? Vi mener, at dette skyldes de meget store forskelle i stofskiftet.

 

Det koster at være varmblodet

Fugle og pattedyr er varmblodede, dvs. de opretholder en høj og konstant kropstemperatur uafhængigt af omgivelsernes temperatur. Denne tilstand kaldes også endotermi, da den høje temperatur (termi) dannes gennem en egen indre (endo) varmeproduktion.

Den store varmeproduktion kommer af et højt stofskifte, og derudover opretholdes den høje temperatur ved at begrænse varmetabet ved isolering i form af fjer hos fuglene og pels hos pattedyrene. I modsætning hertil har de ektoterme (koldblodede) dyr, hvor kropstemperaturen afhænger af omgivelserne, et meget lavere stofskifte – ca. 10 gange lavere end hos varmblodede dyr.

Hos pattedyr (men ikke på samme måde hos fugle) findes der dog velkendte undtagelser fra denne opdeling, idet nogle pattedyr går i hi og sænker stofskiftet og kropstemperaturen. Men selv i denne tilstand regulerer de kropstemperaturen, blot ved et lavere udgangspunkt.

Der findes desuden eksempler på nærmest endoterme fisk, for eksempel tun og nogle hajer, som opretholder en høj temperatur i musklerne. Nogle pytonslanger kan også øge kropstemperaturen, når hunnerne udruger æggene. Der er dog ikke eksempler på, at stofskiftet bliver lige så højt, som vi kender det hos fugle og pattedyr.

 

Den svampede muskulatur i hjertet er nlrmest forsvundet

Hos pattedyrene og fuglene er højre og venstre hjertekamre fuldstændigt adskilte, men hos krybdyrene og padderne er de to sider af hjertet ikke anatomisk adskilte. Iltet blod fra lungerne kan derfor blandes inde i hjertet med iltfattigt blod fra kroppen. Endvidere vil den mængde blod, der løber til henholdsvis lungerne og kroppen, bestemmes af, hvor stor modstanden er i de to kredsløb. Hvis modstanden for eksempel er høj i lungerne, løber en stor del af det iltfattige blod til kroppen, hvorved iltkoncentrationen i det arterielle blod sænkes. (Illustration: Troels Marstrand)

I forbindelse med forståelsen af hjertets evolutionære udvikling er det tankevækkende, at fugle og pattedyr udviklede endotermi uafhængigt af hinanden. Den fælles stamfar for pattedyr og fugle levede nemlig for cirka 320 millioner år siden.

Det var kort efter, at de første tetrapoder havde indtaget landjorden og havde udviklet æg, der kunne lægges og klækkes på land (sådanne æg kaldes amniote æg, hvilket har givet navn til den fælles gruppe af krybdyr, padder og fugle, som kaldes amnioter). Fuglenes og pattedyrenes fælles stamfar var et primitivt krybdyr, som må have haft et hjerte med en enkelt og betyder, at ilt lettere kan strømme gennem lungerne.

Det høje blodtryk i kroppen anses derimod ofte som en tilpasning, der tillader en større blodgennemstrømning og ilttransport til kroppens forskellige væv. Vi ved nu, at blodtrykket hos de endoterme hvirveldyr er cirka dobbelt så højt som hos svampet ventrikel, som vi kender det fra nutidens padder og krybdyr.

De endoterme fugle og pattedyr har såleds udviklet anatomisk og funktionelt næsten identiske hjerter, hvor hjerteventriklens vægge er meget tykkere, end vi kender fra de ektoterme dyr, og den svampede indre muskulatur i hjertet er nærmest forsvundet. Samtidig er ventriklen fuldstændigt opdelt med et septum, der adskiller højre og venstre ventrikel.

 

Fugles blodtryk ligger højere end pattedyrs

Udover at ventriklens opdeling forhindrer opblandingen af det iltfattige blod fra kroppen med det iltrige blod fra lungerne, giver den delte ventrikel mulighed for at opretholde et lavt blodtryk i lungerne, mens der kan skabes et højt blodtryk i kroppens kredsløb.

Det lave lungeblodtryk tillader,
 at den hinde, der adskiller blod og luft i lungerne, kan gøres endnu tyndere, hvilket de ektoterme, selvom der er store variationer mellem de ektoterme. Det er tankevækkende, at fugle har et blodtryk, som ligger noget over pattedyrenes (20-30 mm kviksølv højere).

Fuglenes normale blodtryk ville altså lede
til medicinsk behandling hos et menneske. Vi ved ikke meget om denne forskel mellem fugle og pattedyr, men fuglene har også et lidt højere stofskifte, og deres kropstemperatur er højere end vores (41° C versus 37° C).

 

Hjertet hos en spidsmus kan slå 25 gange i sekundet

Det høje iltkrav hos de endoterme hvirveldyr sikres imidlertid ikke blot ved højt blodtryk, men det kræver desuden, at hjertet kan sende mere blod til kroppen.

Det klares primært via en hurtigere puls, og hjertet hos de endoterme hvirveldyr kan slå mere end ti gange hurtigere end hjertet hos de ektoterme dyr. Pulsen falder med dyrenes størrelse, fordi stofskiftet per masse falder med kropsstørrelse, og det er således blandt de små endoterme dyr, at vi finder den højeste puls.

Det er ganske fascinerende, at hjertet hos en spidsmus eller en kolibri kan slå mere end 1.500 gange på et minut – dvs. 25 gange i sekundet!

 

En høj puls kræver et specialiseret ledningssystem

Hvordan kan et hjerte trække sig sammen, slappe af og fyldes op med blod 25 gange i sekundet? Det kræver, at hjertets sinusknude kan skabe tilstrækkeligt hurtige elektriske signaler, og at de hurtige elektriske signaler kan spredes på en hensigtsmæssig måde, så hjertets kamre trækkes sammen på den rigtige måde.

Hos både pattedyr og fugle spredes det elektriske signal gennem specialiserede hjerteceller (det His’ske bundt og de tynde Purkinje celler; opkaldt efter de to anatomer, Vilhelm His og Jan Evangelista Purkyně, der beskrev disse strukturer i det nittende århundrede).

Det specialiserede ledningssystem er nærmest identisk hos fugle og pattedyr, men da vi ikke kan finde en anatomisk pendant til dette ledningssystem hos krybdyrene, har vi haft meget svært ved at forstå, hvordan så ens anatomiske og funktionelle strukturer kunne opstå uafhængigt af hinanden fra 'ingenting'.

 

Fuglene og pattedyrene har haft samme byggesten

Den hurtige puls hos fugle og pattedyr kræver et specialiseret ledningsvæv i hjertet, som sørger for, at det elektriske signal, som starter hjertemusklens sammentrækning, fordeles hurtigt og ligeligt til hele hjertet. På billedet ses ledningssystemet hos en mus, hvor man har brugt et særligt antistof, som farver de celler, der leder de elektriske signaler, med en grøn farve. (Foto: Lucile Miquerol)

Ved at undersøge, hvilke gener der styrer udviklingen af hjertet fra foster til udvokset individ, har vi imidlertid kunnet vise, at det svampede væv, som findes i det indre af krybdyrenes ventrikel – og som også findes hos os og fuglene i vores embryonale udvikling – omdannes til ledningsvævet.

Med andre ord har fuglene og pattedyrene haft de samme byggesten, da endotermien krævede en hurtigere puls, og ved at bruge disse byggesten på samme måde er de endt med nærmest identiske ledningssystemer.

En række andre cellulære funktioner er også ændret, men det vil føre for vidt at komme nærmere ind på her. Til gengæld skal vi i det følgende fordybe os i krybdyrs hjerter, som har vist sig som en overraskende svær nød at knække for os forskere.

 

Krybdyrhjertet: primitivt eller meget avanceret?

Krybdyrs hjerte har to forkamre, hvor det iltfattige blod fra kroppen løber til det højre forkammer, mens det iltrige blod løber til det venstre forkammer. Hjertet hos firben, slanger og skildpadder har kun en enkelt ventrikel, hvor de to blodstrømme kan blandes, men da ventriklen har en forfærdelig kompliceret anatomi med en række skillevægge, der opdeler ventriklen i flere kamre, er der rig mulighed for at mindske opblandingen.

Tidlige anatomiske studier af krybdyrenes hjerter sammenlignede imidlertid krybdyrventriklens anatomi og funktion med de hjertefejl, vi kender fra mennesker, for eksempel Fallots tetralogi.

Krybdyrhjertets anatomi repræsenterede således blot en overgangsform fra fiskenes hjerte med ét forkammer og én ventrikel, og det 'primitive' kredsløb passede fint med opfattelsen, at de dovne, koldblodede krybdyr ikke kunne mønstre et særligt imponerende adfærdsrepertoire, og at de generelt virkede lidt 'afstumpede'.

 

En muskel kan styre hvor meget blod, der løber til lungerne

En række studier, især i 1960'erne, kunne imidlertid vise, at opblandingen af de to blodstrømme i ventriklen var reguleret igennem krybdyrenes centralnervesystem. En muskel, der ligger i lungearterien, kan styre, hvor meget blod der løber til lungerne. Og denne muskel er styret af det autonome nervesystem (dvs. den del af centralnervesystemet, som ligger uden for 'viljens kontrol').

Opblandingen i hjertet styres altså af hjernen, og det blev tydeligt, at opblandingen sænkedes, når dyrene trak vejret, mens der var meget større opblanding og meget mindre gennemblødning af lungerne, når krybdyrene holder vejret. Det er nu vist for en række arter af krybdyr og padder, og vi ved en masse om, hvilke dele af hjernestammen ('krybdyrhjernen') der styrer opblandingen, samt hvilke signalstoffer, der er involveret i reguleringen.

Med en reguleret opblanding, som ændres systematisk, blev det svært at fastholde overbevisningen om krybdyrenes hjerte som en primitiv overgangsform, der blot kunne tolereres, fordi krybdyrene er koldblodede og har et lavt stofskifte.

I stedet foreslog forskere, at krybdyrhjertet er overordentligt avanceret, fordi det til forskel fra pattedyrene kan styre opblandingen. Det uopdelte hjerte skulle altså ses som en tilpasning, der gav krybdyrene større chance for at overleve og reproducere sig.

 

Der findes forslag i lærebøgerne, der endnu ikke er testet

Videnskabshistorisk virker det ikke helt tilfældigt, at dette holdningsskred skete i 1970’erne, hvor autoriteterne faldt, og hvor alle skulle ligestilles. Hvorom alting er, afstedkom det en række forslag til, hvordan
 og hvorfor det kunne være hensigtsmæssigt for krybdyrene at sende iltet blod tilbage til lungerne samt at sende det iltfattige blod tilbage igennem kroppens kredsløb.

Man har således foreslået, at opblandingen af blod gav mulighed for en mere effektiv udskillelse af CO2, en bedre fordøjelse, en mulighed for at nedregulere stofskiftet ved at begrænse ilttilførslen, eller at dyrene hurtigere kunne varme op, når de ligger i solen.

Fælles for
 alle disse forslag var en entusiastisk, men desværre også ret ukritisk modtagelse i det videnskabelige miljø. Mange af disse forslag optræder således stadig i nutidens lærebøger, omend det ikke fremgår, at ideerne faktisk aldrig er blevet bekræftet igennem forsøg.

 

Kunsten at studere evolutionære tilpasninger

Hjertet hos en slange ved tre forskellige tidspunkter. Den lave puls hos slangerne gør det meget nemt at se hjertets cyklus. Som hos andre hvirveldyr er det vigtigt for hjertets funktion, at sammentrækningen af de forskellige kamre er nøje reguleret. Læg mærke til, at forkamrene fyldes med blod, der løber tilbage fra kroppen og lungerne, og at de store forkamre trækker sig sammen inden hjertekamrene. På den måde bidrager forkamrene væsentligt til at fylde hjertekamrene med blod, inden det elektriske signal når ned til hjertekammeret, som så sender blodet ud til både kroppen og lungerne. (Foto: Tobias Wang)

Hvordan kan man afgøre, om det uopdelte krybdyrhjerte er en evolutionær tilpasning eller ej? Først må vi have på det rene, hvad
vi videnskabeligt forstår ved en 'tilpasning'. Hvis en given fysiologisk struktur er genetisk betinget og forbedrer overlevelsen og dermed reproduktionen, vil forekomsten af denne struktur øges i den kommende generation.

I så fald vil alle biologer være enige om, at denne struktur er en egentlig tilpasning. Som et udtryk for, om et dyr er tilpasset, bruger vi ofte det engelske ord fitness, hvor en given struktur eller adfærd, som øger en arts overlevelse og reproduktion, siges at have øget fitness.

Det er imidlertid meget svært at måle reproduktiv succes hos dyr, der vokser langsomt, idet sådanne forsøg jo skal forløbe over meget lang tid. Og hvis målingerne skal foretages i den vilde natur, løber man ind i nærmest uoverkommelige praktiske og logistiske problemer. I vores forskning af, hvordan ændringer i kredsløbet påvirker fitness, må vi tage til takke med lidt mere indirekte mål end reproduktion.

 

Blandede blodstrømme i krybdyr øger ikke overlevelsen

I samarbejde med vor amerikanske kollega James Hicks (som er udnævnt til æresdoktor ved Aarhus Universitet) har vi i de seneste 15 år systematisk undersøgt de mange teorier i laboratoriet. Vort udgangspunkt har været, at et rimeligt kriterium for en teori, som forudsiger, at opblandingen af det iltrige og det iltfattige blod i krybdyrets ventrikel gør noget godt for en given funktion, må være, at fraværet af opblanding nedsætter denne funktion.

Det har vi undersøgt ved at manipulere dyrenes evne til at blande blod 
i hjertet med medikamenter, der forstyrrer reguleringen fra det autonome nervesystem, eller vi kan lægge små oppustelige og særligt tilpassede balloner omkring blodkarrene, så vi kan ændre på, hvor meget blod der løber til lungerne.

Under disse manipulationer
af hjertets funktion har vi så kunnet måle iltoptag, evne til at løbe på løbebånd, evne til at varme kroppen ved simuleret solskin osv. 
I ingen tilfælde har vi kunnet eftervise, at de fremsatte hypoteser om det uopdelte hjertes fortræffeligheder holdt stik!

På basis af en lang række forsøg, især med skildpadder, ser det således ikke ud til, at evnen til at blande blodstrømmene i krybdyrenes hjerte øger dyrenes overlevelse.

 

Den sydamerikanske klapperslange er blandt de bedst undersøgte krybdyr

Kritikerne af vore studier – særligt dem, som tror på, at krybdyrene ikke ville have dette komplicerede hjerte, med mindre det rent faktisk er en tilpasning, der øger overlevelsen – kan jo så med rette kritisere os for, at vore studier foregår over få dage eller en uge, hvor det ikke er sikkert, at vi er i stand til at måle en lille, men betydelig effekt.

Det er naturligvis en helt legitim bekymring, og det har derfor været os magtpåliggende at finde en dyremodel, der tillader længerevarende manipulationer med hjertets opblanding af blodstrømmene. Her har vi været heldige, at vi af andre grunde startede med at studere klapperslanger i Brasilien allerede i slutningen af 1980’erne.

Den sydamerikanske klapperslange er noget mere giftig end de nordamerikanske arter, og folk indleverer derfor klapperslanger, når de fanges i bebyggede områder. Det betyder, at vi igennem vores samarbejde med brasilianske kolleger hvert år modtager et stort antal dyr, som ingen ønsker skal sættes tilbage i naturen.

Vi har derfor kunnet udføre en lang række studier af disse slangers fysiologi og anatomi, og den sydamerikanske klapperslange er nu blandt de bedst undersøgte krybdyr.

 

Klapperslangen som 'modeldyr'

Det er særligt én bestemt kranienerve, vagusnerven, der regulerer sammentrækningen af muskulaturen i lungearterien hos krybdyr. Vagusnerven går fra hjernestammen (den del af hjernen, hvor de basale funktioner som kredsløb og respiration styres) til næsten alle de indre organer, hvorfor det er passende, at vagus betyder 'den vandrende'.

Hos alle krybdyr og andre hvirveldyr er der en vagusnerve i hver side, en højre og en venstre, som begge går til de forskellige organer. Det er der også hos klapperslangen, men for nogle år siden opdagede vi – nærmest ved et tilfælde – at kun den venstre vagus går til lungearterien, mens den højre slet ikke påvirker gennemblødningen af lungerne.

I samarbejde med blandt andre professor James Hicks fra University of California har vi studeret hjertets funktion hos krokodiller. Her bedøves en nyklækket kaiman med isofluran-gas ved at lægge dens hoved i et ølglas omsluttet af et kondom. (Foto: Tobias Wang)

Det skyldes sikkert, at klapperslangerne mister den højre lunge under fosterudviklingen. Opdagelsen gav os blod på tanden, for nu kunne vi overskære den venstre vagus, men efterlade den højre vagusnerve intakt og dermed bevare den autonome regulering af resten af dyrets organer.

 

Slanges stofskifte blev målt under flere stadier

I 2009 begyndte vi på en række forsøg, hvor vi overskar den venstre vagusnerve i en række klapperslanger, som vi så fulgte i over et år. Vi lavede også en såkaldt sham operation på en anden gruppe klapperslanger, hvor vi bedøvede slangen og skar i huden, men uden at overskære vagusnerven.

Operationen er ganske utraumatisk og kan gennemføres 
på 20 minutter igennem et snit i huden på 3-4 centimeter. Slangerne blev vækket af bedøvelse, og i løbet af de kommende 12-15 måneder målte vi nu, hvor meget de åd, og hvor meget de tog på i vægt. Desuden målte vi deres stofskifte i hvile, under fysisk arbejde (dvs. at man driller dem med en pind!) samt under fordøjelse, hvor stofskiftet stiger mere end fem gange.

Endelig målte vi, hvor godt de klarede sig uden føde og fulgte derfor stofskifte og vægttab hos en gruppe af slanger, der ikke spiste i 12 måneder. I ingen tilfælde kunne vi måle en forskel mellem de slanger, som ikke kunne nedsætte lungernes gennemblødning, og kontrolgruppen af klapperslanger.

Disse studier støtter dermed heller ikke ideen om, at klapperslangernes evne til at blande blodet i hjertet er vigtig for deres fitness.

 

Pytonslangen med et overraskende hjerte

Vi har også været heldige i en anden sammenhæng, hvor andre fysiologiske studier har givet os en ny tilgangsvinkel til at studere krybdyrhjertet. Vi har i længere tid studeret fordøjelsesfysiologien hos pytonslanger, og vi havde derfor mulighed for at studere hjerterne hos et par store pytonslanger.

Ved at sætte katetre ind i hjertets ventrikel kunne vi – til vores meget store overraskelse – måle, at pytonhjertet er funktionelt opdelt. Disse slanger kan således lave blodtryk i kroppen, der ligner pattedyrenes, mens de også holder lave og pattedyrslignende tryk i lungerne.

Vi har nu beskrevet, hvordan de forskellige skillevægge i hjertet kan dele hjertet, når det trækker sig sammen. Men vi har også kunnet måle, at det maksimale iltoptag hos pytonslanger ikke er større end det, man kan måle hos andre slanger, som ikke har et funktionelt opdelt hjerte. Vi kan faktisk ikke rigtig finde fysiologiske eller biokemiske mål for, at pytonslanger klarer sig bedre end andre slanger.

 

Det kan ikke afgøres, om varmedannelse kræver et opdelt hjerte

Pytonslangen adskiller sig imidlertid også fra andre krybdyr ved, at hunnerne fra nogle arter vikler sig rundt om æggene og laver så kraftige muskelsammentrækninger (nærmest som vore kulderystelser), at de kan hæve deres egen kropstemperatur og dermed æggenes temperatur. Vi var naturligvis meget interesserede i at undersøge, hvorvidt det opdelte hjerte er en tilpasning til denne meget betagende adfærd.

Ved at sammenligne forskellige pytonarter med et kendt slægtskabsforhold kan vi imidlertid vise, at den funktionelle opdeling af hjertet opstod tidligere end evnen til at frembringe varme under ægudrugningen. Varmedannelsen under udrugning kan således ikke have været den drivende evolutionære kraft i udviklingen af det opdelte hjerte hos pytonen.

Vi kan endnu ikke afgøre, om varmedannelsen kræver et opdelt hjerte, men vi håber snart at kunne måle hjertets funktion hos en hunpyton, der ligger rundt om æggene.

Ved et rent sammentræf havde vi i vores dyrestald to pytonslanger med en hjertefejl, så hjertet ikke var opdelt. Heller ikke disse to dyr virkede til at opføre sig anderledes, så en pyton med mulighed for at blande blodstrømmene i hjertet er tilsyneladende ikke værre stillet end en almindelig pyton.

 

Ny teknologi kan give ny indsigt

Vore studier af krybdyrenes hjerte har givet en detaljeret indsigt i hjertets mekanik og
i, hvordan det reguleres via nerver og hormoner. Vi ved altså en masse om, hvordan de forskellige skillevægge bevæger sig, når hjertet slår, og vi kender trykkene i hjertets forskellige kamre.

Vi kender også en masse til, hvilke hormoner der påvirker hjertet under forskellige omstændigheder. Men vi står stadig med et stort problem, når vi ønsker at besvare det større og biologisk brede spørgsmål om, hvorvidt opblandingen af blod øger præstationseller ydeevnen for dyret.

Personligt har jeg en tro på, at en så kompliceret og nøje reguleret struktur må have en biologisk vigtig værdi. Og derfor fortsætter vi vore bestræbelser på at finde og karakterisere den adfærd eller situation, hvor blanding af blodet i hjertet øger overlevelsesevnen.

 

Computerchips og måleenheder kan sættes i små implantater

Særligt i de seneste ti år er der sket enorme teknologiske fremskridt, hvor stadig mindre computerchips og måleenheder kan sættes ind i små implantater, der er mindre end en tændstikæske. Implantaterne kan gennem relativt små operationer lægges ind
i kropshulen på forskellige dyr, så man kan måle blodtryk, puls og endog blodgennemstrømning i dyr, som holdes under naturlige forhold, og som er frie til at udvise almindelig adfærd.

Målingerne kan enten lagres i implantatet eller kan sendes trådløst til en modtager. Vi vil i de kommende år i stigende grad bruge denne fremgangsmåde til at undersøge krybdyrenes hjertefunktion. På den måde vil vi kunne få en bedre forståelse af, hvor meget blodet opblandes i hjertet under forskellige situationer, og vi vil fortsætte med at studere arter, hvor det er muligt at manipulere graden af opblanding gennem små kirurgiske indgreb.

Vi håber således på snart at kunne besvare det grundlæggende spørgsmål om, hvorfor krybdyrenes hjerte virker, som det gør.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.

Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om, hvorfor denne 'sort hul'-illusion narrer din hjerne.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med over en halv million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk