最非凡的心脏——潘氏孔相关释疑
本文翻译自Biology and Evolution of Crocodylians (Grigg, Gordon Kirshner, David)的第八章。
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。
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,损伤心脏。
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 逐渐升高来诊断出分流的发生，直到其峰值映射到 LAo 压力上，且在收缩期“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）。
分流有的不同程度，图 8.13 显示了与低度（左）和中度分流（右）相关的压力事件。在生成图 8.13 中数据的同一只 7 kg的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）。这种模式在自愿的 30 分钟潜水约20 分钟后发展起来，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） 在被强制潜水的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RAo，但其基部更大 （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，朝着“相反”的方向。
这起初被视为一个激进的想法;事实上，（最终）发表该假设的论文的一位审稿人说这是荒谬的。然而，Pettersson 等人 （1992） 证明了“管道”将支持这种流动。他们在“敞开的胸腔”中通过实验中断肺流，通过在两条肺动脉上放置临时结扎线来麻醉凯门鳄，发现 LAo 中的血流增加，RAo 中的血流减少，但全身血压保持不变。随后，Axelsson 等人（1996 年）在体内证明了 C. porosus 的“反向”流动（图 8.16）。
几个解剖特征非常适合允许血液 “反向 ”流动（图 8.15）。孔的受控、可变口径、在整个心动周期中从 LAo 的“开放通路”以及 LAo 的扩大基部（在大型 C. porosus，Webb 1979 中），仿佛它只需要容纳到孔的大流量（即在孔处血流都通过孔进入RAo，因此LAo后半段不需要粗，孔之前需要足够粗），所有这些都似乎被“设计”为提供头部的持续灌注，尤其是在发达的肺旁路分流期间， 血液来源于 RV，经孔和颈总动脉。此外，冠状动脉从 RAo 的半月瓣附近引出，在这种时候可以很好地维持心脏的灌注。虽然人们认为大多数爬行动物的心肌主要通过心室的直接灌注来获取血液供应，在美国短吻鳄中，心脏供血依然由冠状动脉的大量灌注补充（Kohmoto 等人，1997 年）。
似乎分流的程度可以从无到有连续变化（图 8.7），尽管部分分流（图 8.12）到图 8.15（中）甚至可能 8.15（右）中看到的分流。分流导致全身血氧水平降低，同时代谢率降低（第 9 章）。鳄鱼进行的最长的自愿潜水，例如 Campbell 等人描述的休息潜水（resting dives）（2010 年;图 9.17），可能伴随着图 8.15 （中）所示类型的分流，但这仍有待现场研究确定。在正常的空气呼吸过程中，孔似乎几乎没有或没有功能（事实上，几项研究已经证实了这一点）。它的主要意义，与鳄鱼心脏的其他特化相结合，似乎是允许 RV 血液通过 LAo 的底部流到 RAo。
毫无疑问，鳄鱼确实表现出肺旁路分流，并且发生在长时间潜水期间。问题是为什么？
鳄鱼的肺旁路分流的意义是什么？
鳄鱼在爬行动物中并不是唯一具有 PBS 的动物。事实上，蛇、蜥蜴和都有不分开的单一心室，尽管它们设法防止动脉血和静脉血在穿过心脏时混合，但它们都有在两个回路之间分流血液的能力。分流能力的意义在很大程度上是个谜：除了鳄鱼和海龟的假设外，目前还没有令人满意的假设。但并不缺乏建议。Farmer 和 Hicks （2002） 列出了 12 个假设的功能，其中 8 个可能与鳄鱼有关。这些是：体温调节（促进变暖）;消化（促进 HCl 分泌）;保护肺部免受液体过滤;减少进入肺部的 CO2 通量;节省心脏能量;促进细胞外酸中毒的恢复;触发代谢减退（用于潜水或兴奋）;以及计量氧气储存库（以延长潜水时间）。正如将要讨论的那样，后两者是相互关联的并得到实验证据的支持，Farmer 等人（2008 年）报道的实验数据表明，通过促进胃酸分泌，可能对消化有益。
缺乏令人信服的解释和数据促使加州大学欧文分校的吉姆·希克斯 （Jim Hicks） 质疑肺系统分流在现代爬行动物中是否具有任何适应性意义（Hicks 2002），这意味着它可能像人类阑尾一样是一种进化残余，它之所以幸存下来，是因为没有选择压力来去除它。他在最近的一篇评论中重申了这一立场（Hicks 和 Wang 2012）;“不存在支持心脏分流是一种衍生状态或提供适应性优势的观点的实验证据。更有可能的是，爬行动物独特的心血管系统仅仅代表了一种祖征和/或胚胎特征，它与低代谢需求相结合，因为没有针对心脏分流存在的选择压力。”不幸的是，他们没有推测哪些情况可能首先提供了导致爬行动物中 PBS 进化的选择压力。但它就在那里。
对科学的怀疑总是值得称赞的，正如 Hicks 所指出的，“讲故事”在比较生理学中太常见了，似乎具有良好的功能意义的模式在没有充分证据的情况下被解释为适应性的。然而，生物学中的“讲故事”或“就是这样”的故事通常提供连贯的假设，有助于刺激和指导进一步的研究。
为了解释鳄鱼的 PBS，考虑了两个独立但并非相互排斥的功能：它提供了一种机制来延长它们可以在水下停留的时间;最近的新解释，它为消化服务。现在将审查这两种提议。
分流有助于消化吗？
正如 Webb （1979） 指出的那样，血管解剖学表明，虽然头部和身体的大部分由 RAo 供应，但肠道似乎由 LAo 供应（图 8.1）。然而，这种解剖结构在某种程度上具有误导性，因为 LAo 中的流量通常非常小（Axelsson 等人，1991 年），并且腹腔动脉必须通过吻合管在静息的鳄鱼中接收大部分流量。如果是这样，则可以预期在消化过程中 LAo 中的流量会增加，这已在 C. porosus （Axelsson et al. 1991） 和美国短吻鳄 （Farmer et al. 2008） 中得到证明。Jones 和 Shelton （1993） 在讨论分流的可能好处时，建议分流的血液更为酸性，可能促进 HCl 分泌到胃中，Farmer 等人（2008 年）在密西西比短吻鳄中进行了一系列优雅且技术上具有挑战性的实验。她和她的同事通过阻断 Panizza 孔上游 LAo 的出口，测量了分流器残疾动物的胃酸分泌和骨骼消化率，并将它们与完整的动物进行了比较。分流阻断的动物表现出较低的酸分泌速率和较慢的骨骼消化速度，他们认为这可能是由于通过 LAo 向肠道供应的 CO2 供应受损造成的。二氧化碳是产生 HCl 的质子提供者之一，通过与水结合形成碳酸，碳酸立即解离。Farmer 及其同事认为，肺-全身分流器增强了胃中 HCl 的形成，因此分流器有助于消化。此外，他们提出从 Panizza 孔流入的含氧血液可确保充足的氧气。这可能是由于孔能在低肾上腺素能刺激下扩张，导致 RAo 的血流量增加（Axelsson 和 Franklin 2001）。需要阐明 LAo 中流量增加的来源。Axelsson 等人 （1991） 也描述了进食后 LAo 血流量的增加，但假设来源是通过 Panizza 孔的 RAo。如果肠道的血液是通过分流供应的，其氧含量会更低，并且考虑到喂养伴随的耗氧量增加（第 7 章），来自 RAo 的氧含量充足的来源似乎更有可能。Farmer 等人（2008 年）设想了来自两个来源的建设性混合。
乍一看，这是一个令人信服的提议。然而，Eme 等人 （2010） 和 Jones 和 Gardner （2010） 发现密西西比鳄和凯门鳄的生长并未受到 LAo 长期实验性闭塞的影响。Eme 等人 （2010） 在幼年 （~70 g） 短吻鳄中闭塞了 Panizza 孔的上游和下游的 LAo，并与对照组相比测量了 2 年的生长速率。定期在跑步机上锻炼或在水槽中游泳会加剧任何可能的效果。两组都长到 1.3-1.4 公斤，两者之间几乎没有差异：据推测，缺乏 LAo 不会阻碍消化或其他任何事情。采用类似的方法，Jones 和 Gardner （2010） 测量了长到 ~6 公斤的幼年短吻鳄的生长率和食物转化率，有和没有 LAo cut，发现对生长或食物转化率都没有影响。此外，他们还将六只幼年 （≈2.5 kg） 凯门鳄的 LAo 或 RAo（颈总动脉和右锁骨下分支的下游）sectioned，并比较了 20 周内的生长和食物转化率。他们发现没有统计学上的显著差异，但在使用 RAo cut的鳄鱼中，表现呈下降的强烈趋势 （！）。在更长的时间内（4 年），两名 RAo cut幸存者（平均 15 公斤）比两名 LAo cut幸存者（平均 24 公斤）受损更多。这意味着，如果失去了通过 LAo 或 RAo 的血流，流向肠道和身体其他部分可以通过背吻合口维持，这是他们所说的“心脏环”的一部分。了解这两组凯门鳄的循环模式会很有趣。它们在如此重大干预后的生存和生长对鳄鱼循环系统的适应性做出了非常引人注目的声明！
尽管有这些生长研究，但 PBS 可能促进消化的想法很有趣，正如 Farmer 等人（2008 年）所指出的那样，进一步的工作是必要的。它甚至可能有助于解释 PBS 在不潜水的爬行动物中神秘地发生。对于爬行动物中无处不在的分流能力来说，这是否是一个更通用的祖先功能？
分流能够延长潜水时限吗？
鳄鱼潜水生理学是下一章的主题，但作为第 9 章的背景，在这里回顾一下 PBS 在潜水中发挥作用（和反对）的证据是很方便的。有一系列实验和行为证据表明，在潜水期间使用 PBS 会导致新陈代谢率降低，抽提出血液和肺部储存的氧气，并延长最大的有氧潜水时间。
- 最直接的证据来自对幼年 C. porosus 的两组独立的实验观察结果。
- 第一个是偶然出现的，直到最近大卫·基什纳 （David Kirshner） 在他的博士研究中提醒了我（Kirshner 1985）。作为他关于浮力的工作的一部分（第 4 章），David 正在测量随着O2被较小体积的CO2 取代而增加的密度（呼吸商 < 1，第 7 章）。他正在称量完全浸没在水中并放在悬挂在电子天平下方的网状筛网上的幼年鳄鱼。随着时间的流逝，他们的质量稳步增加。偶尔，研究动物会意外地被突然的巨大噪音打扰，例如有人大声进入房间，每当这种情况发生时，肺容量的变化率“明显降低，在某些情况下几乎可以忽略不计”。很长一段时间以来，人们都知道，对淹没鳄鱼的突然干扰通常会导致心率突然下降——即“惊吓性心动过缓”（例如 Gaunt 和 Gans 1969;Smith 等人，1974 年;Wright et al. 1992），这总是被认为是 PBS 的开始。这些在寻求完全不同问题的答案的过程中进行的偶然观察提供了独立的证据，表明对“恐惧”的反应与肺部氧气去除减少有关，这可能与 PBS 有关。
- 第二组观察结果由 Wright 等人（1992 年）提供，他们报告说，故意在淹没的幼年 C. porosus 中诱导惊吓性心动过缓。没有任何干扰时，动物大部分时间都浸在水中，安静地躺在水箱底部，每隔几分钟浮出水面呼吸。潜水长度为 3.08 ± 1.87 分钟（平均 ± s.d.），与呼吸期间的心率相比，这些短距离潜水的心率平均下降了 ~15%。几个小时后，鳄鱼突然被进入房间并大声敲打鱼缸侧面的研究者[没绷住]打扰。正如预期的那样，这导致了“惊吓心动过缓”的快速发作，心率急剧下降，平均比在水面上时低 35%，潜水时间延长至 19.6 ± 1.8 分钟。20 分钟的潜水仍然在无特殊生理反应下进行有氧潜水的时间范围内（图 9.17）。然而，结合 David Kirshner 的观察结果，这两项研究具有强烈的暗示，即 Wright 等人（1992 年）报告的延长潜水时间是 PBS 运行的结果。顺便说一句，Wright 等人 （1992） 指出，“C. porosus 不会因陆地上的干扰而发展为心动过缓，这表明淹没是发展为惊吓性心动过缓的必要先决条件”。因为鳄鱼经常使用水下作为避难所，这可以被视为 “惊吓 ”反应及其伴随的PBS有助于延长有氧潜水时间的进一步间接证据。
- 第二条推理思路来自最近的实地研究报告的非常长的自愿潜水。第 9 章回顾了 C. johnstoni 的现场数据，表明尽管它们的大多数潜水都很短（几分钟），但很多都很长。记录的最长自愿潜水从 11 个鳄鱼（5-0 公斤[原文如此，推测是漏印]）开始，范围从 ~50 到 150 分钟（Campbell 等人，2010 年）。这些动物 28% 的时间都在水下度过，其中 95% 的时间是在休息中度过的（！）。很明显，这种长时间的屏气潜水比在静息耗氧率下所能支持的有氧时间要长得多（图 9.17） ，并且必须有一些生理机制在起作用来支持它们。传统的解释是他们依赖于厌氧支持，而目前的一些文献仍然做出这种假设。然而，有令人信服的论点表明，那些长时间休息的潜水是有氧进行的，大多数潜水鸟类和哺乳动物的潜水也是如此（见第 9 章和框 9.1）。长时间潜水更有可能涉及新陈代谢率的降低，并且有实验证据表明这一点。Wright （1987） 表明，与幼年 C. porosus 的短距离潜水相比（不涉及减少耗氧量），长时间潜水伴随着 60-90% 的耗氧量减少。潜水鸟类和哺乳动物缺乏PBS，但除了降低代谢率外，它们还表现为心动过缓和血液再分布，包括外周血管收缩和肌肉和许多内脏器官的灌注减少（框9.1）。心动过缓与鳄鱼潜水的关系是众所周知的，Weinheimer 等人（1982 年）报告了美洲短吻鳄在潜水时或对干扰的反应，流向皮肤和尾部肌肉组织的血流量显着减少。脊椎动物的生理学通常是保守的，在鳄鱼、鸟类和哺乳动物中观察到的潜水生理相关性之间的相似之处是惊人的，但并不奇怪。
- 关于 PBS 在延长潜水时间方面可能的作用的信息研究来自对淡水龟的研究。北美彩龟 Trachemys （= Pseudemys = Chrysemys） scripta 一直是主要的研究动物，布朗大学的 Don Jackson 和北德克萨斯大学的 Warren Burggren 及其同事承担了大部分工作。T. scripta 的大多数潜水都是“短的”（< 30 分钟），并伴有心脏适度减慢、肺和全身血液氧含量下降以及潜水期间肺灌注减少，心脏内的血液从肺部分流。Jackson （1968） 表明潜水期间新陈代谢率下降，并将其归因于组织氧气供应减少。大多数潜水得到有氧支持，在更长时间的潜水中，2-3 小时 （！），血液中储存的氧气比肺氧下降得更快：肺氧被保存，对其释放进行了相当大的控制（Burggren 和 Shelton 1979;Burggren 1988 年）。这些作者解释了他们关于肺部和动脉血中氧气下降模式的数据，这些模式是由于“肺部间歇性灌注，在潜水期间将氧气'计量分配'到体循环”的结果。分类学上相距遥远的澳大利亚淡水龟 Chelodina longicollis 也产生了令人信服的数据，表明动脉氧合增加与肺灌注增加相关（Burggren 等人，1989 年）。这意味着可以通过实施（心内）PBS 的程度来控制肺部的灌注。他们认为这“可能是潜水爬行动物中的普遍现象”，这与 Grigg 和 Johansen （1987） 的建议一致，PBS 使鳄鱼能够在潜水过程中将肺灌注与氧气需求相匹配。
- 在不进行无氧支持的情况下延长屏气潜水时间的关键似乎是潜水期间氧气需求的下调。在潜水哺乳动物和鸟类中，长潜水的解释模型依赖于由于外周组织和一些器官以及骨骼肌灌注不足而导致的新陈代谢下调（框 9.1）。哺乳动物和鸟类在没有 PBS 的情况下执行此操作。Hicks 和 Wang （1999） 在麻醉的淡水龟中发现，心内 PBS 降低了动脉氧水平。他们得出结论，PBS 将低氧血液再循环到全身回路，而不是将其输送到肺部，“可能会引发代谢减退状态，从而有助于延长有氧潜水时间”。他们在 2004 年的审查扩展了这个概念（Hicks 和 Wang 2004），尽管他们在发现非麻醉海龟 PA 的部分闭塞不会导致耗氧量减少后放弃了它（Wang 和 Hicks 2008）。
从这些对淡水龟的研究中得出的推定模型是，它们长时间的有氧潜水涉及肺阻力的增加，导致心内 （R-L） 分流、心动过缓、心输出量减少、血液从骨骼肌和许多背主动脉供血器官选择性地重新分配，这些器官通过灌注不足，耗氧量大大降低。维持全身回路前部（颈动脉）的血液供应，供应大脑和心脏（冠状动脉）。肺灌注减少可保存储存在肺部的氧气，以便定期从中吸取氧气。
淡水龟在长时间、数小时甚至数月的水下也表现出出色的能力，特别是在寒冷的气候中，它们可能会在冰下越冬，懒散并耐受完全缺氧，厌氧代谢产生的 ATP 有限。有兴趣的读者可以在 Jackson 和 Ultsch （2010） 最近的一篇重要评论中跟进这一点。
Hicks 和 Wang 的怀疑部分依赖于 Eme 等人 （2009） 的一项研究，该研究比较了分流能力残疾的幼年短吻鳄和假手术组之间的耗氧量和呼吸暂停期。在类似于 Wright （1987） （第 9 章）使用的潜水室中对动物进行了几天的测量，两组之间没有发现差异。作者得出结论，LAo 的闭塞，从而去除肺体分流，“不会改变正常的潜水行为或减少短吻鳄的自愿呼吸暂停期（Eme 等人，2009 年）。将这些结果与上面讨论的生长研究相结合，Eme 等人（2010 年）得出结论，“鳄鱼 R-L 心脏分流术并没有为幼年鳄鱼的生长提供适应性优势，并支持心脏分流在鳄鱼中持续存在的逻辑，因为它们没有被选择”。Eme 等人（2009 年）研究的含义是，如果后者延长他们的通过使用他们的 PBS 并相应地减少有氧代谢消耗来潜水。但这并没有发生。然而，两组呼吸暂停期（潜水？）的相对简短表明，两组都没有任何动力延长潜水时间。假设美洲短吻鳄通常与鳄鱼相似，那么两组几乎所有的潜水都短于 1.7 公斤的动物可以在不使用分流或降低代谢率的情况下进行（第 9 章，图 9.17）。两组的模态呼吸暂停期均为 2 分钟。每组中的一些动物表现出更长的呼吸暂停期：一次 27 分钟;另一场 25 分钟。Eme 等人（2009 年）的研究强调了研究潜水生理学的难点之一：没有办法要求鳄鱼“尽力而为”和“请尽可能长时间地呆下去”。
解决 PBS 是否允许鳄鱼延长淹没时间并不简单。不能指望圈养的动物行为正常，小型动物不一定具有代表性。这个问题可能会在现场得到解决，要么通过对自然或自然环境中自由放养的大型鳄鱼或短吻鳄的血流和其他变量进行遥测研究（Grigg 1989;Axelsson 和 Franklin 2011），或通过比较在手术受损和完整动物中观察到的最大潜水时间。这些都不会简单或便宜。前者（Axelsson 等人，2007 年）和后者（Campbell 等人，2010 年）的技术能力已经存在，如果前者可以与肺气和血气监测相结合，那就更好了。在那之前，我们有一个非常好的工作假设：PBS 在延长鳄鱼潜水时间方面发挥着重要作用。注意：像这里提到的遥测研究正在进行中（Craig Franklin pers. comm. 2014 年 6 月）。
尚待研究的假设
以下假设似乎是合理的。大多数觅食潜水都很短——一两分钟——（第 9 章），并且不太可能需要肺旁路分流 。在短途静息潜水中（长度取决于大小，图 9.17），血流模式如图 8.7 所示，没有分流和新陈代谢以潜水前的速度继续。与这些间歇性帐篷呼吸器中伴随呼吸事件的心动过速相比，可以预期中度的心动过缓（第 7 章）。在野外条件下描述的最长的自愿潜水被解释为静息潜水（第 9 章）。在这种潜水中，齿轮瓣的收紧启动了分流的早期表现（图 8.12 中右），一些血液绕过肺部并从 RV 溢出到 LAo。从 RAo 到 LAo 通过 Panizza 孔的血流继续存在，LAo 中的血液是氧合良好和氧合较少的血液的混合物，导致全身流出和背主动脉中的氧水平较低。较小的含氧血液现在正在进入 LV。为了响应较低的全身氧水平，选择性血管收缩导致心血管开始从外围、骨骼肌和一些内脏器官重新分布。较低的系统氧水平下调了耗氧量。肺部对氧原的吸收率降低。
在更长时间的静息潜水中，齿轮的更紧密收缩会进一步减少肺血流量，并且全身性血管收缩更加强烈。耗氧量减少的幅度更大，并且肺回路中的血液要少得多，RAo 中的血流和压力下降到流经孔的血流方向相反的程度（图 8.15 中心）。心血管系统，大部分收缩或血流大大减少，主要由肌肉发达的 RV “右心驱动”，而留在血液中的氧气和一些来自肺部的氧气则选择性地输送到心脏和大脑。方便的是，冠状动脉从半月瓣附近的 RAo 流出，大脑由颈总动脉供应，也是通过 RAo 供应的。
这些变化可以逐步或非常迅速地实施，就像“惊吓潜水”中的情况一样,其中严重的心动过缓作为即时反应发生（图 9.16）。我们知道，在静息潜水中撞击淹没的鳄鱼的实验水箱会刺激立即出现严重的心动过缓，表明存在严重的 PBS。
如果捕获猎物涉及挣扎，通常会将猎物带到水面。当短暂的有氧觅食潜水导致捕获猎物，随后在水下挣扎到需要厌氧支持的程度时，在野外监测动物的心率将非常有趣。
齿轮阀的完全关闭将导致图 8.15（右）所示的流型，这可以通过实验诱导（见上文），但在自然条件下，重新调整是否会达到该阶段，目前尚不清楚。如果是这样，RV 驱动的回路可以通过大部分全身回路保持低速率的灌注，依靠肺流的周期性开放来为大脑和心脏重新充氧，就像在海龟 （Burggren 1988） 和推测的鳄鱼 （Grigg 1989， 1991） 中一样。孔和背吻合口的打开和关闭能力提出了各种可能性，这些可能性只能通过进一步的工作来阐明。
这个解释性假设的几乎所有要素都已被观察和描述，这是一个可以检验的假设，我希望它能激发进一步的研究。鳄鱼的潜水行为和生理学，以及关于鳄鱼心脏不寻常解剖结构的可能意义的进一步讨论，将在下一章中探讨。