3.2: Кровоносні системи

Цілі навчання

• Порівняйте та порівняйте різні системи кровообігу, використовуючи конкретні приклади тварин та еволюцію.

Кровоносна система

Кровоносна система являє собою мережу судин - артерій, вен і капілярів - і насос, серце. У всіх хребетних організмах це замкнута система, в якій кров значною мірою відокремлена від іншого позаклітинного рідкого відсіку організму, інтерстиціальної рідини, яка є рідиною, що купає клітини. Кров циркулює всередині кровоносних судин і циркулює в одному напрямку від серця навколо одного з двох кровоносних шляхів, потім знову повертається до серця; це замкнута кровоносна система. Відкриті системи кровообігу знаходяться у безхребетних тварин, у яких кровоносна рідина безпосередньо купає внутрішні органи, навіть якщо вона може бути переміщена з насосним серцем.

Серце

Серце - складний м'яз, який складається з двох насосів: одного, який перекачує кров через легеневий кровообіг до легенів, а інший, який перекачує кров через системний кровообіг до решти тканин організму (і саме серце).

Серце асиметричне, при цьому ліва сторона більша за праву сторону, співвідноситься з різними розмірами легеневого і системного контурів (рис. 3.4). У людини серце розміром приблизно зі стиснутий кулак; воно ділиться на чотири камери: два передсердя і два шлуночка. Є одне передсердя і один шлуночок з правого боку і одне передсердя і один шлуночок з лівого боку. Праве передсердя отримує дезоксигенізовану кров із системного кровообігу через основні вени: верхню порожнисту вену, яка відводить кров з голови та з вен, що надходять з рук, а також нижню порожнисту вену, яка виводить кров з вен, що надходять з нижніх органів та ніг . Ця дезоксигенізована кров потім проходить до правого шлуночка через тристулковий клапан, що перешкоджає зворотному потоку крові. Після його заповнення правий шлуночок скорочується, перекачуючи кров в легені для реоксигенації. Ліве передсердя отримує багату киснем кров з легенів. Ця кров проходить через двостулковий клапан в лівий шлуночок, де кров закачується в аорту. Аорта є головною артерією тіла, яка бере насичену киснем кров до органів і м'язів тіла. Ця схема накачування називається подвійною циркуляцією і зустрічається у всіх ссавців. (Малюнок 3.4).

Малюнок 3.4. Серце розділене на чотири камери, два передсердя і два шлуночка. Кожна камера розділена односторонніми клапанами. Права частина серця отримує дезоксигенірованную кров з організму і перекачує її в легені. Ліва частина серця перекачує кров до решти тіла.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Яке з перерахованих нижче тверджень про кровоносну систему є помилковим?
а. кров в легеневій вені дезоксигенується.
б. кров в нижній порожнистій вені дезоксигенується.
с. кров в легеневій артерії дезоксигенується.
d. кров в аорті насичується киснем.

кровоносні судини

Кров від серця переноситься по організму складною мережею кровоносних судин (рис. 3.5). Артерії забирають кров від серця. Основна артерія системного кровообігу - аорта; вона розгалужується на великі артерії, які беруть кров до різних кінцівок і органів. Аорта та артерії біля серця мають важкі, але еластичні стінки, які реагують і згладжують перепади тиску, викликані биттям серця. Артерії далі від серця мають більше м'язової тканини в своїх стінках, які можуть звужуватися, щоб впливати на швидкість потоку крові. Основні артерії розходяться на незначні артерії, а потім більш дрібні судини, звані артеріолами, щоб глибше проникнути в м'язи і органи тіла.

Артеріоли розходяться в капілярні русла. Капілярні ложе містять велику кількість, від 10 до 100 років капілярів, які розгалужуються між клітинами організму. Капіляри - це трубки вузького діаметру, які вміщають поодинокі еритроцити і є ділянками обміну поживними речовинами, відходами та киснем з тканинами на клітинному рівні. Рідина також просочується з крові в міжтканинний простір з капілярів. Капіляри знову сходяться в венули, які з'єднуються з незначними венами, які остаточно з'єднуються з основними венами. Вени - це кровоносні судини, які приносять кров з високим вмістом вуглекислого газу назад до серця. Вени не такі товстостінні, як артерії, так як тиск нижче, і вони мають клапани по своїй довжині, які перешкоджають зворотному відтоку крові від серця. Основні вени відводять кров з тих же органів і кінцівок, які постачають магістральні артерії.

Малюнок 3.5. Артерії тіла, позначені червоним кольором, починаються від дуги аорти і розгалужуються, щоб забезпечити органи та м'язи тіла кров'ю, насиченою киснем. Вени тіла, зазначені синім кольором, повертають кров до серця. Легеневі артерії сині, щоб відобразити той факт, що вони дезоксигенізовані, а легеневі вени червоні, щоб відобразити, що вони насичені киснем. (кредит: модифікація роботи Маріани Руїс Вільярреал)

Кровотік відноситься до руху крові через посудину, тканину або орган, і зазвичай виражається в перерахунку на об'єм крові в одиницю часу. Він ініціюється скороченням шлуночків серця. Шлуночкове скорочення викидає кров у основні артерії, в результаті чого надходить з областей більш високого тиску в області більш низького тиску, оскільки кров стикається з меншими артеріями і артеріолами, потім капілярами, потім венулами і венами венозної системи. У цьому розділі розглядається ряд критичних змінних, які сприяють кровотоку по всьому тілу. Він також обговорює фактори, які перешкоджають або уповільнюють кровотік, явище відоме як резистентність.

Як зазначалося раніше, гідростатичний тиск - це сила, що чиниться рідиною внаслідок гравітаційної тяги, як правило, до стінки ємності, в якій вона знаходиться. Однією з форм гідростатичного тиску є артеріальний тиск, сила, що чиниться кров'ю на стінки кровоносних судин або камери серця. Артеріальний тиск може вимірюватися в капілярах і венах, а також судинами легеневого кровообігу; однак термін артеріальний тиск без будь-яких специфічних дескрипторів зазвичай відноситься до системного артеріального артеріального тиску - тобто тиску крові, що протікає в артеріях системного кровообігу. У клінічній практиці цей тиск вимірюється в мм рт.ст. І зазвичай отримують за допомогою плечової артерії руки.

Змінні, що впливають на кровотік і артеріальний тиск

П'ять змінних впливають на кровотік і артеріальний тиск:

• Серцевий викид
• Комплаєнс
• Обсяг крові
• в'язкість крові
• Довжина і діаметр кровоносної судини

Нагадаємо, що кров рухається від більш високого тиску до більш низького тиску. Вона перекачується з серця в артерії при високому тиску. Якщо підвищити тиск в артеріях (післянавантаження), а серцева функція не компенсується, кровотік фактично зменшиться. У венозній системі вірно протилежне співвідношення. Підвищений тиск у венах не зменшує потік, як це відбувається в артеріях, а фактично збільшує потік. Оскільки тиск у венах в нормі відносно низький, для того щоб кров надходила назад в серце, тиск в передсердях під час діастоли передсердь має бути ще нижче. Вона зазвичай наближається до нуля, за винятком випадків, коли передсердя скорочуються (див. Рис.

Серцевий викид

Серцевий викид - це вимір кровотоку від серця через шлуночки, і зазвичай вимірюється в літрах в хвилину. Будь-який фактор, який викликає серцевий викид для збільшення, шляхом підвищення частоти серцевих скорочень або обведення об'єму або обох, підвищить кров'яний тиск і сприяти кровотоку. Ці фактори включають симпатичну стимуляцію, катехоламіни адреналіну та норадреналіну, гормони щитовидної залози та підвищення рівня іонів кальцію. І навпаки, будь-який фактор, який зменшує серцевий викид, зменшуючи частоту серцевих скорочень або ударний об'єм або обидва, зменшить артеріальний тиск і кровотік. Ці фактори включають парасимпатичну стимуляцію, підвищений або знижений рівень іонів калію, зниження рівня кальцію, аноксию та ацидоз.

Комплаєнс

Відповідність - це можливість будь-якого відсіку розширюватися для розміщення підвищеного вмісту. Металева труба, наприклад, не відповідає вимогам, тоді як балон - це. Чим більше відповідність артерії, тим ефективніше вона здатна розширюватися для розміщення стрибків кровотоку без підвищеного опору або артеріального тиску. Вени більш сумісні, ніж артерії, і можуть розширюватися, щоб утримувати більше крові. При захворюванні судин викликає жорсткість артерій, знижується податливість і підвищується стійкість до кровотоку. Результатом є більша турбулентність, більш високий тиск всередині судини та зменшення кровотоку. Це збільшує роботу серця.

Математичний підхід до факторів, що впливають на кровотік

Жан Луї Марі Пуазей був французьким лікарем і фізіологом, який розробив математичне рівняння, що описує кровотік і його зв'язок з відомими параметрами. Це ж рівняння стосується і інженерних досліджень потоку рідин. Хоча розуміння математики, що стоїть за взаємозв'язками між факторами, що впливають на кровотік, не є необхідним для розуміння кровотоку, це може допомогти зміцнити розуміння їх відносин. Зверніть увагу, що навіть якщо рівняння виглядає залякуючим, розбиваючи його на його компоненти та дотримуючись відносин, ці відносини зрозумілішими, навіть якщо ви слабкі в математиці. Зосередьтеся на трьох критичних змінних: радіус (r), довжина судна (λ) та в'язкість (η).

Рівняння Пуазейля:

Потік крові = π ΔP r ⁴ 8λПотік крові = π ΔP r ⁴ 8η λ

• π - грецька буква пі, яка використовується для представлення математичної константи, яка є відношенням окружності кола до його діаметра. Зазвичай його можна представити як 3.14, хоча фактичне число простягається до нескінченності.
• ΔP являє собою різницю в тиску.
• r ⁴ - радіус (половина діаметра) судини до четвертої потужності.
• η - грецька буква ета і представляє в'язкість крові.
• λ - грецька буква лямбда і являє собою довжину кровоносної судини.

Однією з декількох речей, які це рівняння дозволяє нам зробити, є обчислення опору в судинній системі. Зазвичай це значення вкрай важко виміряти, але її можна обчислити з цієї відомої залежності:

Кровотік = ΔОпір кровотоку = Δопір

Якщо ми трохи переставимо це,

Опір = ΔP Опір кровотоку = ΔP Потік крові

Потім підставивши рівняння Пузеля для кровотоку:

Опір = 8η λπr ⁴ Опір = 8η λπr ⁴

Вивчивши це рівняння, можна побачити, що існує лише три змінні: в'язкість, довжина судини та радіус, оскільки 8 і π є обома константами. Важливо пам'ятати: дві з цих змінних, в'язкість і довжина судини, будуть повільно змінюватися в організмі. Тільки один з цих факторів, радіус, може бути швидко змінений шляхом звуження судин і розширення судин, тим самим різко впливаючи на опір і протікання. Далі невеликі зміни радіуса сильно вплинуть на потік, так як він піднімається до четвертої потужності в рівнянні.

Ми коротко розглянули, як серцевий викид і об'єм крові впливають на кровотік і тиск; Наступний крок - побачити, як інші змінні (скорочення, довжина судини та в'язкість) формулюються з рівнянням Пусейля і що вони можуть навчити нас про вплив на кровотік.

Обсяг крові

Зв'язок між об'ємом крові, артеріальним тиском та кровотоком інтуїтивно очевидна. Вода може просто стікати вздовж русла струмка в суху пору року, але швидко і під великим тиском після сильного дощу. Аналогічно при зменшенні об'єму крові знижується тиск і потік. Зі збільшенням об'єму крові підвищується тиск і приплив.

За звичайних обставин обсяг крові змінюється мало. Низький об'єм крові, званий гіповолемією, може бути викликаний кровотечею, зневодненням, блювотою, сильними опіками або деякими ліками, що використовуються для лікування гіпертонії. Важливо визнати, що інші регуляторні механізми в організмі настільки ефективні при підтримці артеріального тиску, що людина може протікати безсимптомно, поки не буде втрачено 10-20 відсотків обсягу крові. Лікування зазвичай включає внутрішньовенне заміщення рідини.

Гіперволемія, надмірний обсяг рідини, може бути викликана затримкою води та натрію, як це спостерігається у пацієнтів із серцевою недостатністю, цирозом печінки, деякими формами захворювань нирок, гіперальдостеронізмом та деякими глюкокортикоїдними стероїдними методами лікування. Відновлення гомеостазу у цих пацієнтів залежить від зворотного стану, який спровокував гіперволемію.

в'язкість крові

В'язкість - це товщина рідин, яка впливає на їх здатність протікати. Чиста вода, наприклад, менш в'язка, ніж бруд. В'язкість крові прямо пропорційна опору і обернено пропорційна потоку; отже, будь-який стан, який спричиняє збільшення в'язкості, також збільшить опір і зменшить потік. Наприклад, уявіть, як потягують молоко, потім молочний коктейль, через соломинку такого ж розміру. Ви відчуваєте більший опір і, отже, менше потоку з молочного коктейлю. І навпаки, будь-яка умова, яка спричиняє зменшення в'язкості (наприклад, коли молочний коктейль плавиться), зменшить опір і збільшить потік.

У нормі в'язкість крові не змінюється протягом коротких періодів часу. Двома первинними детермінантами в'язкості крові є формовані елементи і білки плазми. Оскільки переважна більшість формених елементів є еритроцитами, будь-який стан, що впливає на еритропоез, такий як поліцитемія або анемія, може змінити в'язкість. Оскільки більшість білків плазми виробляються печінкою, будь-який стан, що впливає на функцію печінки, також може трохи змінити в'язкість і, отже, змінити кровотік. Аномалії печінки, такі як гепатит, цироз, пошкодження алкоголем та токсичність наркотиків, призводять до зниження рівня білків плазми, що знижує в'язкість крові. Хоча лейкоцити та тромбоцити, як правило, є невеликим компонентом формених елементів, існують деякі рідкісні умови, при яких сильне перевиробництво може вплинути і на в'язкість.

Довжина і діаметр посудини

Довжина судна прямо пропорційна його опору: чим довше посудина, тим більший опір і тим нижче потік. Як і при обсязі крові, це має інтуїтивний сенс, так як збільшена площа поверхні судини буде перешкоджати потоку крові. Так само, якщо посудину вкоротити, опір зменшиться і потік збільшиться.

Довжина наших кровоносних судин збільшується протягом усього дитинства в міру зростання, звичайно, але незмінна у дорослих за нормальних фізіологічних обставин. Далі розподіл судин не однаково по всіх тканинам. Жирова тканина не має великого судинного постачання. Один фунт жирової тканини містить приблизно 200 миль судин, тоді як скелетні м'язи містять більш ніж удвічі більше. В цілому судини зменшуються в довжину тільки під час втрати маси або ампутації. Особа вагою 150 фунтів має приблизно 60,000 миль судин в організмі. Набираючи близько 10 фунтів, додає від 2000 до 4000 миль судин, залежно від характеру отриманої тканини. Однією з великих переваг зниження ваги є знижений стрес для серця, якому не доводиться долати опір стільки миль судин.

На відміну від довжини діаметр кровоносних судин змінюється по всьому тілу, відповідно до типу судини, про що ми говорили раніше. Діаметр будь-якого даного судини також може часто змінюватися протягом дня у відповідь на нервові та хімічні сигнали, які викликають вазодилатацію та звуження судин. Судинний тонус судини - скорочувальний стан гладкої мускулатури і первинний детермінант діаметра, а значить опору і течії. Вплив діаметра судини на опір зворотний: Враховуючи той же об'єм крові, збільшений діаметр означає, що менше крові контактує зі стінкою судини, тим самим знижуючи тертя та менший опір, згодом збільшуючи потік. Зменшений діаметр означає, що більша частина крові контактує зі стінкою судини, а опір збільшується, згодом зменшуючи потік.

Вплив діаметра просвіту на опір різко: незначне збільшення або зменшення діаметра викликає величезне зниження або збільшення опору. Це пояснюється тим, що опір обернено пропорційний радіусу кровоносної судини (одна половина діаметра судини), піднятому до четвертої потужності (R = 1/r ⁴). Це означає, наприклад, що якщо артерія або артеріола звужуються до половини свого початкового радіуса, опір течії зросте в 16 разів. А якщо артерія або артеріола розширюється до подвійного її початкового радіуса, то опір в посудині знизиться до 1/16 від її початкового значення і потік збільшиться в 16 разів.

Роль діаметра судини та загальної площі в кровотоці та артеріальному тиску

Нагадаємо, що ми класифікували артеріоли як судини опору, оскільки з огляду на їх невеликий просвіт, вони різко уповільнюють відтік крові з артерій. Насправді артеріоли є місцем найбільшого опору у всій судинній мережі. Це може здатися дивним, враховуючи, що капіляри мають менший розмір. Чим можна пояснити це явище?

Рисунок 3.6 порівнює діаметр судини, загальну площу поперечного перерізу, середній артеріальний тиск та швидкість крові через системні судини. Зверніть увагу на частини (а) і (b), що загальна площа поперечного перерізу капілярних ліжок тіла набагато більша, ніж будь-який інший тип посудини. Хоча діаметр окремого капіляра значно менше діаметра артеріоли, капілярів в організмі набагато більше, ніж інших типів кровоносних судин. Частина (c) показує, що артеріальний тиск падає нерівномірно, коли кров рухається від артерій до артеріол, капілярів, венул та вен, і стикається з більшим опором. Однак місцем найбільш стрімкого падіння, і місцем найбільшого опору, є артеріоли. Це пояснює, чому вазодилатація і звуження судин артеріол грають більш значну роль в регулюванні артеріального тиску, ніж роблять вазодилатація і звуження судин інших судин.

Частина (d) показує, що швидкість (швидкість) кровотоку різко знижується в міру просування крові від артерій до артеріол до капілярів. Ця повільна швидкість потоку дозволяє більше часу для процесів обміну. У міру протікання крові по венах швидкість збільшується, так як кров повертається до серця.

Малюнок 3.6. Співвідношення між кровоносними судинами, які можна порівняти, включають (а) діаметр судини, (b) загальну площу поперечного перерізу, (c) середній артеріальний тиск та (d) швидкість кровотоку.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Де буде протікати найшвидша, вузька або широка труба? Чому?

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Як це актуально для транспортування крові через тіло хребетних?

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Як жираф качає кров до голови?