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 本文翻译自Biology and Evolution of Crocodylians (Grigg, Gordon Kirshner, David)的第八章。
<blockquote>1962 年，当我还是昆士兰大学三年级学生时，我第一次了解到鳄鱼心脏令人费解的复杂性，当时莫里斯·布莱克利 （Maurice Bleakly） 博士将一个粗糙的石膏模型带入了脊椎动物学讲座。他告诉我们，这是一颗非常奇特的心脏，没有人知道它是如何运作的。他对着这个模型猛烈地戳了戳，解释了它的独特之处以及它为什么令人费解。我不记得细节了，但我一定隐藏了这个结构很神秘的事实，因为多年后，当一个研究鳄鱼的机会出现时，观察心脏肯定在我的名单上。1981 年，当著名的比较心血管生理学家 Kjell Johansen 从丹麦奥胡斯大学休假时，他访问了我在悉尼大学的实验室。Kjell 是我从 1965 年来到昆士兰州从事昆士兰肺鱼研究工作时就认识的挪威人，我当时正在攻读荣誉学位。Kjell 出色的外科手术技能使探索鳄鱼心脏成为他访问悉尼的合乎逻辑的项目。我们将细插管植入主要血管并监测血压和氧气含量，并在 Lyn Beard 的大量技术帮助下，解开了其中的许多谜题。同样重要的是，我们能够提出成为进一步工作基础的假设，其中一些现已得到证实，而另一个假设则具有挑衅性，仍有待探索。</blockquote>因为“鳄鱼的心”在好的脊椎动物学课程和教科书中总是受到关注，而且我所知道的所有教科书描述都有缺点，所以值得详细描述其解剖学。本章还将回顾心脏的功能灵活性，并推测其功能意义。鳄鱼(crocodile)和短吻鳄(alligator)的心脏之间尚未发现显着差异，因此我们可以一起讨论它们。

尽管这两点都存在争议，但理解心脏的一种方法是将其视为一个四腔心脏，进化为支持吸热，随后进化出肺旁路分流的能力，很可能通过这种现在的水生变温动物来支持长时间的浸没。本章和接下来的两章（“潜水”和“热关系”）将详细扩展这些概念。

== 一趟鳄鱼的心脏之旅 ==

=== 大体解剖学 ===
心脏非常靠近腹面，位于前后腿着生点中线中间位置。当可以说服鳄鱼安静地躺下时，通常可以看到心脏的跳动。除了心脏，鳄鱼循环系统的其余部分，包括其肾门静脉系统（第 7 章），与其他爬行动物大致相似。然而，鳄鱼的心脏和主动脉在解剖结构和操作灵活性方面是独一无二的。我经常断言，鳄鱼在所有脊椎动物的心脏中拥有功能最复杂、最优雅的心脏。到了本章和下一章的结尾，读者可能会同意。原位观察心脏或手头的标本有时很难识别什么是什么，因此通常以简化的图表方式表示（图 8.1）。

鳄鱼是唯一具有四腔心脏（两个心房和两个心室）的现存爬行动物（图 8.1、8.2）——这是鸟类和哺乳动物共有的特征。因此，虽然在空气中、静息状态下，含氧血液可以在 85/65 和 60/40 mmHg（收缩压/舒张压）（11.3/8.7 和 8.8/5.3 kPa）之间的压力下供应给身体，但肺部在较低的静水压（收缩压 15-20 mmHg，2-2.7 kPa）下接收“静脉”血液。有效的肺依赖于低静水压下的血液供应，否则脆弱的肺组织可能会受损。

在人类中，肺动脉高压会导致一系列需要治疗的严重疾病。因此，与哺乳动物和鸟类一样，鳄鱼在“体循环”和肺循环之间表现出陡峭的压力梯度，这得益于心脏有四个腔室。高体压支持更高的新陈代谢，尽管鳄鱼通常被认为只有中等的有氧能力（见第 7 章），但卫星跟踪数据显示它们能够很好地持续游泳（见第 4 章）。它们作为主龙类和鸟类的系统发育位置表明，恐龙也可能有四腔心脏，这可能对恐龙新陈代谢和体温的想法产生影响（见第 10 章）。

除了它们的四腔心脏外，其余的解剖结构与鸟类和哺乳动物的心脏非常不同，因为鳄鱼具有一系列独特的解剖特征，这些特征共同使它们能够选择流向肺部的“静脉”血液，而让其余的从右心室（右心室）“溢出”并再循环到全身循环。也就是说，他们有一个“肺旁路分流”（PBS），也称为“肺→体分流”，这既迷人又神秘。这很迷人，因为虽然这种分流是大多数爬行动物的典型特征，但鳄鱼以独特的方式进行;这很神秘，因为尽管我们现在对血液流动的方向、存在的灵活性甚至它们的控制了解很多，但我们对分流何时激活以及为什么激活仍然知之甚少。大多数人认为这与潜水有关，但还有其他假设，需要更多的研究，特别是对大型自由活动的鳄鱼（见下文）。

180 多年来，解剖学家一直对鳄鱼心脏和相关结构感到困惑，并推测其功能。1833 年，意大利伯爵和帕维亚大学教授巴托洛梅奥·帕尼扎 （Panizza 1833） 发表了关于该主题的第一篇论文。他和我都是在 8 月 15 日出生的，这可能会吸引占星家。Panizza 解剖了一只美洲短吻鳄，描述并推测了一个连接两个流出道的孔，现在它以他的名字命名（图 8.1、8.3）。正如我们将要指出的那样，Panizza 的孔（'''潘氏孔'''）在功能上非常重要，但在保存下来的标本中，它很小，不容易看到，我常好奇 Panizza 是如何注意到它的。在过去的 50 年里，随着新的实验方法和更好的新技术的出现，人们的理解逐渐增加，尤其是在过去 25 年中。

要了解鳄鱼心脏和有关其功能的剩余谜团，必须详细了解其解剖结构。

=== 鳄鱼心脏和流出通道的七个独特或引人注目的特征 ===

==== 1.左体动脉弓的起始位置 ====
在爬行动物中，通常有左主动脉和右主动脉（图 8.2）。它们向前伸出分支，向头部和前端供应动脉血，然后在肺部上方向后转动并相互连接，形成背主动脉：为大部分内脏和后端供血的主动脉干。在鸟类中，只有右主动脉 （RAo） 在进化选择压力下幸存下来，而在哺乳动物中，只有左主动脉幸存下来（提醒鸟类和哺乳动物与爬行动物的不同进化）。然而，在鳄鱼中，两者都仍然存在（图 8.2、7.18、7.19），但大小不同。RAo 供应头部和前半身，并向背侧和尾部转动以供应后半身（图 7.18、7.19、8.1、8.2），就像鸟类（只有右体动脉弓）一样：提醒人们它们的密切关系。左主动脉 （LAo） 是一条较小的血管，它也向背侧和尾部扫过，在“吻合口”处不对称地与肺背侧的 RAo 相连（见下文 4），似乎通过腹腔动脉为肠道提供主要血液供应（图 7.18、7.19、8.2）。

值得注意的是，'''心脏可以被认为是绕长轴扭曲 180°'''，'''因此 RAo（在身体右侧）来自身体左侧的 LV，而 LAo 与 右心室 连接'''，主动脉干相互交叉。在交叉处附近，我们发现了 Panizza 的孔（图 8.3）。尽管主动脉流出口的解剖结构与大多数爬行动物大致相似，但除了大小不同和吻合处的不对称性外，存在非常显着的差异。在大多数爬行动物中，两个主动脉的位置都是从左心室 （LV） 接收血液，'''但在鳄鱼中，LAo 与肺主动脉 （PA） 一起分别地来自右心室 （右心室）！'''解剖结构表明 LAo 应该接受“静脉”血液，然后将其输送到后半身，特别是肠道。这让早期的解剖学家感到困惑。为什么后体和肠道会接受静脉血，或者充其量是含氧和脱氧血液的混合物？

==== 2.潘氏孔 ====
潘氏孔是左主动脉和右主动脉之间共同壁上的一个开口，靠近它们离开心脏的位置（图 8.1、8.3）。从 RAo 内部看，潘氏孔位于半月瓣的内侧瓣膜的口袋内，并在收缩期被半月瓣覆盖。因此只有在收缩末期左心室主动脉瓣快速关闭时，血液才会从该侧流过潘氏孔（图 8.3）。另一方面，位于 LAo 底部的半月瓣的内侧瓣不够高以阻塞孔。这些结构相对于孔的位置具有相当大的功能意义：'''从 RAo 到 LAo 的流动只能在舒张期发生，但从 LAo 到 RAo 的“反向”流动只要存在压力梯度就会发生。'''此外，Grigg 和 Johansen （1987） 提出孔的直径是可变的，这已经得到证实：它与相关的肌肉，其直径受自主神经系统的控制（Axelsson 和 Franklin 2001）。因此，孔在 LAo 和 RAo 之间提供了条件性通路，其功能意义将在下面讨论。

克里斯蒂娜·贝内特-斯坦普 （Christina Bennett-Stamper） 对美国短吻鳄 潘氏孔的胚胎发育进行了非常详细的研究。她特别试图确定它是胚胎发生过程中 LAo 和 RAo 之间隔膜发育不完全（Goodrich 1958），还是如 Greil （1903）所说是继发性穿孔。她清楚地表明，Greil的解释是正确的。胚胎发育过程中孔的第一个迹象是在 Ferguson 阶段 21（图 12.55），它在 24-25 阶段开放，~50 天进入 65 天的孵化期（Bennett-Stamper 2003）。这种不确定性的解决很重要，因为它意味着孔是一种新颖的结构（即衍征而非祖征）。这提供了 Seymour 等人（2004 年）收集的众多证据之一，以支持他们的结论：'''鳄鱼的祖先曾经是内温动物'''。这在第 10 章中进行了讨论，但简而言之，Seymour 及其同事提出，在重新进化的变温作用中，内温动物的四腔心脏得以维持；同时产生了一系列特化以产生肺→体分流，这有利于他们的半水生捕食性生活方式（见第 10 章）。

相关的特化是支撑主动脉流出道区域的软骨支柱和 PA 底部的一个特殊结构，即齿轮瓣（cog-wheel valve）。

==== 3.软骨支柱（Cartilaginous struts） ====
位于流出血管附近的是复杂的软骨支柱（图 8.4）。弗雷德·怀特 （Fred White） 的名字在爬行动物心血管生理学的许多地方出现，提供了最实质性的描述（怀特 1956），但它们在 1866 年由著名的德国比较胚胎学家马丁·拉特克 （Martin Rathke） 首次报道。怀特将它们解释为在流出道附近为心脏提供刚性的结构，以及瓣膜的附着部位，特别是右心房和左主动脉半月瓣。特别有趣的是，他指出，扫过 Panizza 孔的中央软骨的突起嵌入到 LAo 和 RAo 之间的壁中，并且由于其刚性，使孔保持开放。此外，他建议“软骨在心室收缩期间拉紧左主动脉弓的半月瓣”。这很容易接受;注意它们在图 8.16 （左） 中明显的绷紧。

Bennett-Stamper （2003） 在解释胚胎心脏的许多薄片时发现它们是有用的地标，她同意 White 的解释，即它们为流出道提供支持。怀特认为支柱是必要的，因为“对鳄鱼心脏的循环动力学具有明显的重要性”，但到目前为止，它们可能的功能比其他不寻常的特征引起较少的关注。

==== 4.齿轮瓣 ====
守卫着从 右心室 到 PA 的出口是一个非凡的“齿轮”环：结缔组织突起进入血管腔，它们啮合在一起，其位置表明它们的功能是调节流入 PA 的血液。这些“齿轮”最早由 Grahame Webb 于 1979 年描述（图 8.5）。它们从肌肉发达的肺下圆锥（sub-pulmonary conus）内伸出，就在半月瓣上方，从 右心室 内部可以看到（图 8.6）（Axelsson 等人，1996 年，1997 年）。这种结构可能最能描述性地称为“齿轮阀”。“齿轮”具有平滑肌的括约肌状排列，并且受到充分的神经支配（Karila 等人，1995 年）。它控制流入 PA 的血流（Axelsson 等人，1997 年），并且 - 因为当圆锥收缩时齿轮的齿紧密地贴合在一起 - 可以完全阻止血液流动。齿轮瓣的部分收缩引发了 右心室 中观察到的二次压力升高（例如图 8.8），当更充分时，导致“静脉”血液从肺部分流到全身循环（肺→体分流）（图 8.12、8.13，见下文）。

齿轮瓣膜是脊椎动物中唯一已知的“活跃的”心脏瓣膜，'''它的收缩对心脏的β-adrenergic tone 有反应'''（Franklin 和 Axelsson 2000;Axelsson 2001），并且必须受到严格控制。Syme 等人 （2002） 探索了齿轮阀逐次相收缩的基础，发展为它在每个心动周期中部分通过收缩，并在 右心室 中产生双相压力轨迹（图 8.8）。他们测量了麻醉的美国短吻鳄的电和心血管压力，发现 右心室 的去极化（触发 右心室 收缩）和齿轮瓣收缩的电刺激之间存在明显且可变的延迟。此外，延迟的程度受迷走神经和胆碱能刺激的影响，它们意味着延迟的长度可以决定收缩期间 右心室 压力继发性升高的程度。也就是说，右心室和齿轮心电图之间较短的延迟可能会导致更高的 右心室 压力，当 右心室 压力超过 LAo 压力时，血液会溢出到 LAo，从而启动图 8.7（左）收缩期和（右）舒张期的血流模式，在警觉、静止的鳄鱼呼吸空气中。心脏的功能是完全分裂的四腔心脏，没有肺系统分流;齿轮瓣膜是打开的，体循环和肺循环之间没有含氧血液和“静脉”血液混合。左主动脉通过背吻合口（“环绕环”）从右主动脉加压，并在舒张期（右）从右主动脉通过 Panizza 孔的血液涌动加压。由于右心室的血压在整个周期中一直低于左主动脉的血压（图 8.8），右心室和左主动脉之间的半月瓣保持关闭，“静脉”血液（氧气较低）在每次收缩时流出到肺动脉。肺体分流术。同样值得注意的是，PA 在底部增大（图 8.1、8.3）并且有些顺应，因此流经肺部的血流是平滑的（图 8.9 和第 7 章）。与 Panizza 的孔一样，齿轮瓣发育较晚;事实上，它在幼年中的 C. porosus 中仍未发育（Webb 1979），但存在于 1.1 m 的幼年中（Seymour 等人，2004 年）。毫无疑问，齿轮阀是鳄鱼的次生性发明。

==== 5.背吻合口 ====
在 LAo 与 RAo 连接的地方，在肺部的背侧，有一个短的肌肉部分：背吻合口（图 8.1）。它补全了 Jones 和 Gardner （2010） 所说的“围绕心的环”。它是括约肌状的，处于主动控制下，对多种调节物质做出反应，包括肾上腺素和一氧化二氮（Karila 等人，1995 年;Axelsson 等人，2001 年）。实验表明，它的直径对 LAo 中的血流和压力以及肠道（腹腔动脉）与其他器官和后体之间的血流平衡有影响（Axelsson 等人，1997 年）。要充分确立这种不同寻常的结构的作用，还需要做更多的工作。

==== 6.颈总动脉 ====
在爬行动物中罕见地，大脑仅从 RAo 的一个分支（颈总动脉）接收血液，而不从 LAo 接收血液（图 8.1）。这提供了氧合良好的血液的直接来源，也为在潜水中将血液优先分配到大脑提供了机会（见下文）。

==== 7.右心室的大小和肌肉 ====
通常，羊膜类 右心室 明显不如左侧肌肉发达，仅驱动较低压力的肺循环。在鳄鱼中，右心室几乎与左心室一样厚，右心室中的压力脉冲，即使在静息时也通常是双相的（图 8.8），表明它具有多余的“容量”。事实上，Franklin 和 Axelsson （1994） 在隔离的灌注心脏上工作表明，它能够产生与 LV 相同范围内的静水压力。正如我们将看到的，是 右心室 驱动 PBS，推开半月瓣并将血液输送到 LAo，并在更发达的分流中，通过 Panizza 孔驱动体循环。

== 血流的分流模式和非分流模式 ==
在介绍了心脏的解剖学属性及其一些灵活性之后，现在是时候回顾一下不同情况下血流模式的已知情况，以及这些模式如何取决于心脏的不寻常特征，然后再讨论有关功能意义的想法。

=== 正常呼吸时或者短暂入水时 ===
正常空气呼吸期间的流动模式最初是通过观察主要血管中的压力来确定的，但先介绍血流模式（图 8.7）后介绍压力变化（图 8.8）比较方便。在正常的空气呼吸过程中，全身和肺部血液供应循环是串联的，就像鸟类和哺乳动物一样，它们之间没有交叉（图 8.7）。

静脉血从前腔静脉和后腔静脉流入右心房和 RV（第 7 章，图 7.18、7.19、8.1）通过 PA 泵送到肺部（图 8.9）。由于 PA 靠近心脏部分的扩展性和顺应性，因此到肺部的血流在整个心动周期中是连续的，舒张期和收缩期之间几乎没有变化（Petersson 等人，1992 年）。含氧血液从肺静脉 （PV） 流向左心房，通过房室瓣膜流向 LV，然后通过半月瓣流出至 RAo。RAo 及其三个流出道（图 8.1）中的血流比肺循环中的血流更剧烈。大部分血液在肺部新鲜充氧，供应前部和后部体循环，灌注全身，然后通过主静脉返回右心房，从而返回 RV，然后被泵送到肺部。然而，在舒张期（收缩期）期间，一些含氧血液在心脏每次收缩期搏动结束时流经孔并进入 LAo（图 8.7、8.8、8.10 和 8.11）。也就是说，一旦 RAo 半月瓣退缩并暴露孔，血液在收缩期涌入 RAo，然后在舒张期通过孔进入 LAo。也就是说，浪涌在RAo 和 LAo中 交替（这多年来一直存在争议;见框 8.1）。收缩末期 LAo 的突然压力激增被称为“孔尖峰”（‘foramen spike’）（Grigg 和 Johansen 1987），其起源和形状在 LAo 压力轨迹上（图 8.8）。压力峰值的结果是，从 LV 打开的半月瓣的一半在整个收缩期覆盖了其 RAo 侧的孔，因此血液不能流过孔，直到强力冲流的最后，当阀瓣移开。尽管潘氏孔的直径受到主动控制（参见 Axelsson 2001 的评论），但没有证据表明在这些情况下，鳄鱼的潘氏孔的任何主动扩张都伴随着心动周期。

在这种模式中，典型的正常空气呼吸，'''RV 和 LAo 之间的半月瓣在整个心动周期中保持关闭，血液不会从 RV “泄漏”到 LAo，RV 中的低氧血液都流向 PA（图 8.7）'''。也就是说，心脏像“正常”的四腔心脏一样运作，含氧动脉和“静脉”血流保持分开，没有“静脉”血液绕过肺部流向 LAo（图 8.7），“全身”循环中的静水压力远高于肺循环（图 8.8）。在高静水压力下，充足的含氧血液供应输送到全身，而肺循环中的低静水压力可以保护脆弱的肺组织，但会产生足够的肺血流以进行有效的气体交换（图 8.9）。

在这种情况下，LAo 中的流量很低，而且有点潮汐（即时大时小）。Shelton 和 Jones （1991） 估计休息的美洲短吻鳄的LAo净流量为 RAo 流量的 2-6%;舒张期血液从RAo流入，并且远离心脏流动，而在收缩期返回，因此净流量甚至可能为零（Axelsson 等人，1991 年;Shelton 和 Jones 1991）。后一位作者从他们对小短吻鳄在休息和呼吸空气中的压力和流量测量中得出结论，LAo“在整个心动周期中几乎没有意义，除了作为一种机制，可以防止左主动脉中的血液在左主动脉瓣关闭时完全停滞”，如果完全停滞则会产生血凝块，孙山心脏。

在这种“正常”、非分流模式中，在收缩期通过 RAo 经腹腔动脉到肠道的吻合口有血流，但在舒张期很少或没有血流（Axelsson 等人，1997 年）。据推测，这是因为在舒张期通过 Panizza 孔进入 LAo 的血流影响下存在阻力（图 8.7）（即：左主动脉有潘氏孔供血时，则难以通过背吻合口供血）。

=== 将血液从肺部分流出去（肺旁路分流） ===
鳄鱼肺回路和全身回路之间的分离取决于 LAo 中的压力足够高以保持 LAo 半月瓣关闭。如果 RV 压力升高或 LAo 压力下降，一些“静脉”血液将随着心脏的每次跳动而流出到 LAo，重新进入全身回路而不是流向肺部。一个令人信服的证据是，'''当吻合口被实验性封闭时，它会导致 LAo 血压下降并产生分流结果'''（Axelsson 等人，1997 年）。图 8.12 说明了部分发育的 PBS 中的血流模式，在图 8.13 中，两个部分分流的压力模式，每个分流的发展程度不同。'''通过控制齿轮阀，从而控制 RV 压力，鳄鱼因此能够选择性地选择流向肺部的血液量。其他爬行动物也具有这种能力，但在那些爬行动物中，分流在心脏内不完全分裂的心室之间'''（参见 Hicks 和 Krosniunas 1996 年的评论）。在鳄鱼中，非常特别的是，它在心脏之外，由一系列鳄鱼的创新设计而成，包括厚壁心室、LAo 从 PA 旁边的 RV 的不寻常出口、齿轮瓣、Panizza 孔，可能还有活跃的吻合口，以及迷走神经控制机制。显而易见的问题是，如此非凡的元素组合是如何演变的，为了什么？在解决这些问题之前，我们将回顾分流的性质及其发生。

当时是加州大学洛杉矶分校生理学教授的弗雷德·怀特 （Fred White） 能够通过强行潜水或注射乙酰胆碱在美国短吻鳄中诱导 PBS（White 1969）。他指出PBS 的发生与心动过缓和 RV 压力增加有关，他将其归因于迷走神经控制下肺流出道的收缩。他指出，在海龟中，心动过缓和 PBS 也与潜水有关，并将分流解释为潜水期间重新分配心输出量的机制。

在 1980 年代中期，Kjell Johansen、Lyn Beard 和我能够观察到幼年 C. porosus（1.7-7.6 公斤）在实验水箱中自愿潜水的分流。这些动物大部分时间都在水下度过，每隔几分钟就会短暂浮出水面喘口气，然后再次沉入水底。他们有血管插管，这样我们就可以监测血压并定期采集血样以测量氧气水平（Grigg 和 Johansen 1987）。通过收缩压 RV 逐渐升高来诊断分流，直到其峰值映射到 LAo 压力上，在收缩期“静脉”血液流出到 LAo（图 8.13）。LAo 的氧分压高于 PA 但低于 RAo 证实了这一点。大多数（但不是全部）此类事件伴有严重的心动过缓。如第 9 章所述，存在一个错误的假设，即鳄鱼的潜水取决于厌氧代谢，并且分流与此有关，但这些分流是在有氧潜水中发展起来的（第 9 章）。当动物浮出水面进行下一次呼吸时，分流和心动过缓停止（图 9.16）。分流可以在不同程度上实施，图 8.13 显示了与小（左）和中（右）分流相关的压力事件。在生成图 8.13 中数据的同一 7 kg C. porosus 中，我们获得了最初神秘的血压轨迹，其中左主动脉和右主动脉的压力在整个心动周期中是重合的（图 8.14）。这种模式发展成自愿的 30 分钟潜水 ~20 分钟，在此期间出现明显的心动过缓（从 20 到 7-12 bpm）并且血压下降（从 RAo 潜水前的 ~80/60 下降到 60/40,25ºC）（Grigg 和 Johansen 1987）。我们在几只动物身上看到了相同的模式，与自愿产生的严重心动过缓、低中央血压或低水温有关。如果我们通过将动物放在水下来防止它们浮出水面来人为地延长水下时间，我们可以引发类似的反应。这与 White （1969） 在强制俯冲鳄鱼中描述的模式相同。为了解释所看到的模式的灵活性，Grigg 和 Johansen （1987） 建议 Panizza 孔的口径必须是可变的，能够以受控的方式扩张和收缩，这现在已经通过实验证明（Axelsson 和 Franklin 2001）。随着分流的开始，返回左心房的血液减少，因此 RAo 输出量会减少，并且在更充分发育的分流中，大部分肺循环被绕过，主要的心输出量将从 RV 到 LAo。LAo 的直径小于右侧，但其底部更大 （Webb 1979），一直到 Panizza 孔。因此，更充分发育的分流管中的流动模式必须如图 8.15 所示，其中循环主要由异常大的肌肉发达的 RV 驱动，并通过扩张的孔进入 RAo，“相反”