Het menselijk hart bestaat uit vier kamers – twee boezems en twee kamers – die uitzetten en samentrekken om bloed met zuurstof en voedingsstoffen door het lichaam te stuwen. De boezems, die betrekkelijk dunne wanden hebben, vullen zich eerst, voordat het bloed in de veel sterkere kamers wordt geperst, die dan samentrekken om het bloed door onze slagaders te laten stromen. De meeste reptielen hebben twee hartboezems en één hartkamer. De enige uitzonderingen zijn de 23 nog levende soorten krokodilachtigen (alligators, kaaimannen, krokodillen en gharialen) die, net als vogels en zoogdieren, een vierkamerhart hebben met twee boezems en twee kamers (Jones, 1996; Jensen et al., 2014).
In gewervelde dieren wordt elke hartslag in gang gezet wanneer een pacemakergebied in een van de boezems een elektrisch signaal genereert. De structuur en de exacte locatie van het pacemakergebied verschillen per soort (Jensen et al., 2017), maar het wordt altijd geïnnerveerd door het autonome zenuwstelsel. Hierdoor kan het lichaam de hartslag verhogen of verlagen in reactie op metabolische eisen (Wang, 2012).
Het elektrische signaal van de pacemakerregio verspreidt zich snel over de hartspiercellen van de boezems via structuren die gap junctions worden genoemd, en dit zorgt ervoor dat de hele wand van elke boezem bijna gelijktijdig samentrekt. Bij vogels zijn bij dit proces ook neuronen betrokken die Purkinje-vezels worden genoemd, maar in het algemeen zijn de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor het samentrekken van de boezems bij de meeste gewervelde dieren vergelijkbaar. De manier waarop het elektrische signaal van het atrium naar het ventrikel gaat verschilt echter tussen de vertebraten, en de evolutie van dit pad heeft al vele decennia veel aandacht gekregen (Davies, 1942; Jensen et al., 2012, 2013). Nu, in eLife, rapporteren Vincent Christoffels van de Universiteit van Amsterdam en collega’s – waaronder Bjarke Jensen en Bastiaan Boukens als gezamenlijke eerste auteurs – nieuwe en verrassende bevindingen over dit fenomeen bij alligators (Jensen et al., 2018).
Terug in de 17e eeuw had William Harvey al opgemerkt dat de atria eerder samentrekken dan de ventrikels bij een aantal verschillende dieren. Dit betekende dat het elektrische signaal dat in het pacemakergebied wordt opgewekt, op de een of andere manier moet worden afgeremd op de ‘grens’ tussen de boezems en de ventrikels. Bij zowel zoogdieren als vogels isoleert een laag vezelig vetweefsel – dat geen elektriciteit geleidt – de hartkamers van de hartboezems. De enige manier waarop het elektrische signaal van de boezems naar de kamers kan lopen, is via een kleine structuur die de atrioventriculaire knoop wordt genoemd en die zich onmiddellijk boven het tussenschot bevindt dat de linker en de rechter hartkamer scheidt. Wanneer het elektrische signaal deze knoop bereikt, activeert het twee bundels neuronen (die His-vezels en Purkinje-vezels bevatten) die de impuls snel doorgeven en de ventrikels gelijktijdig doen samentrekken.
Bij de overblijvende reptielen, de gemeenschappelijke voorouder van vogels en zoogdieren, lijkt er echter geen sprake te zijn van een isolerende laag of een anatomisch gedefinieerde knoop (Davies, 1942). In plaats daarvan wordt het elektrische signaal vertraagd door een ingewikkelde rangschikking van myocardvezels op de overgang tussen de twee atria en de ventrikel. Bovendien hebben recente studies geen anatomisch bewijs kunnen leveren voor een geleidingssysteem in het ventrikel van reptielen. Het elektrische signaal lijkt te worden overgebracht door de binnenbekleding van het hart, die moleculaire kenmerken gemeen heeft met het geleidingssysteem van vogels en zoogdieren (Jensen et al., 2012).
Terwijl reptielen afhankelijk zijn van hun omgeving om hun temperatuur te handhaven (dat wil zeggen, ze zijn ectotherm), produceren zoogdieren hun eigen warmte (dus zijn ze endotherm). De hoge stofwisselingsniveaus die nodig zijn om voldoende warmte te produceren, betekenen dat de rust- en maximale stofwisselingssnelheden van zoogdieren en vogels ongeveer 10 keer hoger zijn dan die van ectotherme dieren (Bennett en Ruben, 1979). Het cardiovasculaire systeem moet aan deze grotere behoefte voldoen door meer zuurstof aan het lichaam te leveren. Het hart met vier kamers biedt een efficiënte oplossing door zuurstofrijk en niet-zuurstofrijk bloed gescheiden te houden. De toevoer van zuurstof naar het lichaam kan ook worden verbeterd door het hart vaker te laten samentrekken. Hiervoor zijn hartstructuren nodig die snel elektriciteit geleiden, zoals de atrioventriculaire knopen (Burggren et al., 2014).
Jensen et al. – die gevestigd zijn in Amsterdam en laboratoria in de Verenigde Staten en Tsjechië – combineren elektrofysiologie en genexpressietechnieken om te identificeren hoe elektrische impulsen zich over het krokodillenhart verspreiden, en om het moleculaire fenotype van de verschillende kamers te karakteriseren. De experimenten leverden het ondubbelzinnige bewijs van een atrioventriculaire knoop bij krokodilachtigen. Onder de nog levende reptielen zijn de krokodilachtigen de zustergroep die het dichtst bij de vogels staat. Maar ondanks hun vierkamerhart en een atrioventriculaire knoop zijn alle levende krokodilachtigen duidelijk ectotherm en hebben ze een lage hartslag zoals andere reptielen (Hillman en Hedrick, 2015; Lillywhite et al., 1999; Joyce et al., 2018).
Met hun vermogen om met hun lichaam van de grond te lopen, hun eigenaardige ademhalingsspieren, hun vogelachtige longen en diverse andere eigenschappen, zijn krokodilachtigen mogelijk ooit endotherm geweest (Seymour et al., 2004; Hillenius en Ruben, 2004). Volgens deze hypothese schakelden ze over op ectothermie toen ze een volledig aquatische levensstijl aannamen en sit-and-wait roofdieren werden met intermitterende maaltijden gescheiden door lange vastenperiodes. Maar als krokodilachtigen in het verleden warm bloed hadden en sommige van de bijbehorende hartstructuren, hebben de overlevende soorten dan hun Zijn en Purkinjevezels verloren? Zouden deze cellen – die elektrische signalen met hoge snelheid ondersteunen – functionele problemen opleveren bij dieren met een zeer lage hartslag?
Het feit dat krokodilachtigen een atrioventriculaire knoop hebben, werpt ook licht op de evolutie van het gewervelde hart. Zo kan alleen al de aanwezigheid van een knoop en een scheiding tussen de hartkamers voldoende zijn om te voorkomen dat het elektrische signaal “terugkomt” in de boezems (wat de werking van het hart zou verstoren). Deze bevindingen kunnen er ook op wijzen dat een knooppuntstructuur een betere fijnafstemming van de hartfrequentie door het autonome zenuwstelsel mogelijk maakt.
De volgende stap is het karakteriseren van de elektrofysiologische eigenschappen van de cellen in de atrioventriculaire knoop van krokodilachtigen. Opnamen van elektrocardiogrammen zouden ook helpen om de exacte timing van hartverschijnselen te begrijpen, terwijl metingen van de stroming en de druk de dynamiek van de bloedstroom zouden vastleggen. Er staan ons wellicht nog prachtige ontdekkingen te wachten in de vier kamers van het krokodillenhart.