Rolą serca jest przepompowywanie krwi do systemu naczyń krwionośnych, w których krew krąży. Serce wykształciło się niezależnie u trzech grup zwierząt: stawonogów, mięczaków i kręgowcówkręgowcekręgowców. Jest to przykład konwergencjikonwergencjakonwergencji – powstania podobnych cech w grupach organizmów odlegle spokrewnionych w odpowiedzi na podobne wymagania środowiskowe. Wspólny przodek tych zwierząt żył ok. 600 mln lat temu. Badania genomu współcześnie żyjących organizmów pozwoliły odkryć, że geny odpowiedzialne za wykształcenie serca pojawiły się wcześniej niż sam narząd. Kolejne ewolucyjne kroki milowe to wykształcenie mięśnia sercowego (od 540 do 570 mln lat temu) i endoteliumendotelium (śródbłonek)endotelium (od 510 do 540 mln lat temu). Wspólny przodek ssaków (którego ogólny plan budowy był charakterystyczny również dla ludzi) pojawił się na Ziemi ok. 200 mln lat temu.

Jednym z genów odpowiedzialnych za wyodrębnienie się linii komórek progenitorowychkomórki progenitorowekomórek progenitorowych serca jest gen tinmangen tinmantinman, po raz pierwszy zidentyfikowany u muszki owocówki (Drosophila melanogaster). Brak lub uszkodzenie tego genu skutkuje zatrzymaniem rozwoju serca. U kręgowców – w tym także u ludzi – występuje homologiczny do genu tinman gen Nkx2‑5gen Nkx2‑5gen Nkx2‑5, a jego nieprawidłowości lub nieobecność prowadzą do wady w budowie tego narządu.

Ewolucja biologiczna to proces stopniowych zmian, które służą adaptacjiadaptacjaadaptacji poszczególnych grup organizmów do zmieniającego się środowiska. Przystosowania te pozwalają organizmom przetrwać w nowych warunkach. W przypadku układu krwionośnego kręgowców, a w szczególności serca, które jest jego centralnym elementem, kierunek zmian ewolucyjnych wiązał się z dwoma ważnymi wyzwaniami. Pierwszym było udoskonalenie procesu oddychania powietrzem atmosferycznym, drugim – przeciwstawienie się sile grawitacji.

Początkowo kręgowce odznaczały się stosunkowo niskim poziomem metabolizmu i ograniczoną aktywnością. Zwierzęta musiały jednak wytworzyć adaptacje, aby lepiej unikać drapieżników lub sprawniej polować. W niektórych zbiornikach dochodziło również do obniżenia poziomu wody i występowania zjawiska hipoksjihipoksjahipoksji na skutek niewystarczającej ilości tlenu. Ryby z tych środowisk z czasem zaczęły wspomagać wymianę gazową (zachodzącą między wodą a skrzelami) powietrzem atmosferycznym. Stopniowe wychodzenie zwierząt na ląd wymusiło też adaptacje innego rodzaju – konieczne było mierzenie się z siłą grawitacji. Brak siły wyporu wody sprawiał, że na lądzie ciała kręgowców miały dużo większy ciężar.

Udoskonalenie procesu oddychania powietrzem atmosferycznym oraz pionizacja postawy ciała doprowadziły do istotnych zmian w budowie serca kręgowców. Dzięki tym zmianom nastąpiło zwiększenie ciśnienia krwi w układzie krwionośnym oraz usprawnienie pozyskiwania i rozprowadzania tlenu. Plan budowy serca stopniowo się komplikował. U wczesnych przedstawicieli kręgowców i innych strunowcówstrunowcestrunowców serce miało postać kurczącej się rurki. Tworzyło ją pojedyncze naczynie krwionośne lub kilka naczyń. W toku ewolucji pojawiły się takie struktury jak przedsionek i komora. Rozwinęły się wspomagające ich pracę zatoka żylna oraz stożek tętniczy (obserwowane u kręgowców niższych). Konieczność wytworzenia większego ciśnienia krwi w obiegu doprowadziła do jakościowej zmiany mięśniówki serca (miokardium). Zmianę tę szczegółowo przedstawia poniższa tabela.

Zapobieganie cofaniu się krwi w układzie krwionośnym zapewniły zastawki, które występują zarówno w sercu, jak i w naczyniach żylnych. U kręgowców wyodrębniły się również dwa obiegi krwi w związku z pojawieniem się płuc, a mechanizmy zapobiegające mieszaniu się krwi utlenowanej z odtlenowaną zwiększyły efektywność wymiany gazowej.

R1NSUeW4hIVwm

Zdjęcie przedstawia podłużną, owalną skamieniałość zawierającą całość serca ryby. Skamieniałość została odnaleziona w Brazylii. To trójwymiarowa rekonstrukcja narządu. Od góry znajduje się siateczkowata struktura. Całość skamieniałości jest brązowego koloru. Znajduje się w drewnie o łódkowatym kształcie. Stanowi połowiczny przekrój. Naukowcy stwierdzili, że Rhacolepis buccalis ma pięć rzędów zastawek więcej niż współczesne gatunki ryb.

Ryby

Charakterystyczną cechą układu krążenia ryb jest niskie ciśnienie panujące w naczyniach. Krew wypływa z serca aortą brzuszną, skąd systemem tętnic przepływa przez skrzela, a dopiero później jest rozprowadzana na inne organy – skutkuje to znacznym spadkiem ciśnienia krwi. W sercu ryb, złożonym z przedsionka i komory, pojawiły się struktury, które poprawiają pracę serca w warunkach niskiego ciśnienia krwi.

Zanim odtlenowana krew wpłynie do przedsionka, gromadzi się w zatoce żylnej, stanowiącej swoisty zbiornik retencyjny. Dzięki temu przepływ krwi przez serce zachodzi w sposób ciągły i płynny. Pomiędzy kolejnymi elementami serca, a więc przedsionkiem i komorą, występują zastawki ograniczające możliwość cofania się krwi. Są to proste, dwupłatkowe struktury pozbawione mięśni brodawkowychmięśnie brodawkowemięśni brodawkowych (które pełną funkcjonalność osiągają dopiero u ssaków). Krew wydostająca się z serca trafia od razu do naczyń w skrzelach, gdzie ulega utlenowaniu. Te drobne struktury są podatne na uszkodzenia, dlatego pulsację krwi ogranicza stożek tętniczy, który zmniejsza turbulencje krwi wydostającej się z komory.

Płazy

U płazów, których serce zbudowane jest z dwóch przedsionków, komory oraz stożka tętniczego, powstają mechanizmy zapobiegające mieszaniu się krwi utlenowanej z odtlenowaną. Do prawego przedsionka napływa krew odtlenowana z tkanek i utlenowana z naczyń skórnych. Do lewego przedsionka napływa krew utlenowana z płuc. Mieszaniu się krwi zapobiega nierównomierny jej przepływ z przedsionków do komór. Prawy przedsionek kurczy się bowiem wcześniej niż lewy. Krew z prawego przedsionka wypełnia uchyłki w ścianie komory, a z lewego – jej centralną część. Ściany komory, dzięki licznym uchyłkom, zapobiegają turbulencjom strumienia krwi. Z kolei podłużna zastawka spiralna w stożku tętniczym funkcjonalnie oddziela część krwi utlenowanej, wypływającej z centralnej części komory, od krwi odtlenowanej.

Gady

Kolejne zmiany ewolucyjne serca kręgowców związane są ze stopniową redukcją zarówno zatoki żylnej, jak i stożka tętniczego. Struktury te są u gadów szczątkowe. Dalsze zmiany dotyczą komory serca. U gadów występuje jedna komora, ale pojawia się w niej niepełna przegroda, która dzieli komorę na część lewą i prawą. Obecność częściowej przegrody komory w dużym stopniu ogranicza mieszanie się krwi odtlenowanej z utlenowaną, dzięki czemu wzrasta wydajność wymiany gazowej. Wyjątkiem są krokodyle, których serce ma pełną przegrodę.

Ptaki i ssaki

Serce ptaków i ssaków składa się z dwóch komór i dwóch przedsionków. Całkowity podział na cztery funkcjonalne części zapobiega mieszaniu się krwi utlenowanej i odtlenowanej. Doskonalą się zastawki serca, a zatoka żylna zostaje całkowicie wbudowana w prawy przedsionek. 

Słownik