(Лекция для 9-го класса общеобразовательной школы)
«– Что сделаю я для людей?! – сильнее грома крикнул Данко.
И вдруг он разорвал себе руками грудь и вырвал из нее свое сердце и высоко поднял его над головой.
Оно пылало так ярко, как солнце, и ярче солнца, и весь лес замолчал, освещенный этим факелом великой любви к людям, а тьма разлетелась от света его и там, глубоко в лесу, дрожащая, пала в гнилой зев болота.
– Идем! – крикнул Данко и бросился вперед на свое место, высоко держа горящее сердце и освещая им путь людям.
. Люди же, радостные и полные надежд, не заметили смерти его и не видали, что еще пылает рядом с трупом Данко его смелое сердце.
Только один осторожный человек заметил это и, боясь чего-то, наступил на гордое сердце ногой. »
«Михель выдвинул какой-то ящик и достал оттуда каменное сердце.
– Это? – переспросил Петер, задыхаясь, и холодная дрожь пробежала у него по спине.
– Мраморное сердце? Но ведь от него должно быть очень холодно в груди.
– Конечно, оно немного холодит, – сказал Михель. – Да и зачем сердце непременно должно быть горячим? Главное – оно-то уж не забьется у тебя ни от страха, ни от тревоги, ни от глупой жадности. Очень удобно. »
(Вильгельм Гауф «Холодное сердце»)
Горячее сердце и холодное, бескорыстное и жадное, умное и глупое, отзывчивое, доброе и жестокое, смелое, гордое и злое, каменное, чуткое, щедрое, открытое и черствое, глухое, черное сердце и золотое, раненое, разбитое, сердце матери и сердце друга. Какое оно, мое сердце?
Оно неутомимо бьется день и ночь, всю жизнь. За сутки сердце сокращается примерно 100 тыс. раз, перекачивая более 7 тыс. л крови, что равносильно поднятию железнодорожного товарного вагона на высоту 1 м.
Задача. Известно, что сердце человека сокращается в среднем 70 раз в 1 мин, при каждом сокращении выбрасывая около 150 см 3 крови. Какой объем крови перекачивает ваше сердце за время шести уроков в школе?
Решение. 70 х 45 = 31 500 раз сократится сердце за урок.
3150 х 150 = 472500 см3 = 472,5 л крови будет перекачено за урок.
475,2х6=2835 л крови перекачивает сердце за 6 уроков.
Чем же объясняется такая высокая работоспособность сердца?
Ознакомимся со строением сердца и механизмом его работы.
Сердце человека расположено в грудной полости за грудиной, от середины сдвинуто несколько влево, масса его около 300 г, размер – примерно с левый кулак человека.
Оно покрыто тонкой и плотной оболочкой, образующей замкнутый мешок – околосердечную сумку, или перикард. Между ней и сердцем находится жидкость, увлажняющая сердце и уменьшающая трение при его сокращениях. Эпикард покрывает сердце. Сердце человека, как у всех млекопитающих, четырехкамерное и состоит из строго обособленных правой и левой частей. Обе части делятся на предсердие и желудочек, которые сообщаются между собой, но в одном направлении (рис. 1).
Рис. 1. Внутреннее строение сердца
Стенки камер сердца состоят из сердечных мышечных волокон – миокарда, соединительной ткани и многочисленных кровеносных сосудов. Каждое мышечное волокно содержит 1–2 ядра, миофиламенты, множество митохондрий. Волокна разветвляются и соединяются между собой концами, образуя сложную сеть – это обеспечивает быстрое сокращение камеры как единой структуры.
Стенки камер различаются по толщине в зависимости от выполняемой работы. При сокращении стенок предсердий выполняется небольшая работа – кровь подается в желудочки, поэтому эти стенки относительно тонкие. Правый желудочек проталкивает кровь по малому кругу кровообращения, а левый – выбрасывает кровь в большой круг кровообращения, поэтому его стенки в 2,5–3 раза толще стенок правого.
Клапаны сердца и сосудов обеспечивают движение крови строго в одном направлении: по артериям – от сердца, по венам – к сердцу, из предсердий – в желудочки.
Между предсердиями и желудочками расположены створчатые клапаны: в левой части сердца они двустворчатые, а в правой – трехстворчатые. Между желудочками и артериями расположены полулунные клапаны, каждый из которых состоит из трех кармашков.
Створчатые клапаны имеют сухожильные нити, которыми крепятся к внутренней поверхности желудочков – это удерживает клапаны от прогибания.
Кармашки полулунных клапанов направлены свободным краем в просвет сосудов. Если кровь потечет в обратном направлении, кармашки заполнятся кровью и их края плотно сомкнутся, не давая крови течь в сердце.
Клапаны эластичны, имеют идеально ровную поверхность, что уменьшает трение, предотвращает возникновение завихрений тока крови – это особенно важно при высокой частоте сокращений. Поражение клапанов инфекцией (осложнения после гриппа, ангины, венерические заболевания) приводит к возникновению воспалительных рубцов, спаек, и клапаны начинают пропускать кровь в обратном направлении. Это – приобретенные пороки сердца.
Рассмотрим работу сердца на примере одного сердечного цикла.
Сердечный цикл – это последовательность событий, происходящих во время одного сокращения сердца. Длится оно менее 1 с.
Сердечный цикл состоит из трех фаз (рис. 2):
Рис. 2. Фазы сердечного цикла:
А – систола предсердий, диастола желудочков;
Б – систола желудочков;
В – диастола предсердий и желудочков
– сокращение предсердий – систола предсердий – длится около 0,1 с, при этом желудочки расслаблены, створчатые клапаны открыты, полулунные закрыты;
– сокращение желудочков – систола желудочков – длится около 0,3 с, при этом предсердия расслаблены, створчатые клапаны закрыты (сухожильные нити не дают им прогибаться, а крови – затекать в предсердия), кровь устремляется в легочную артерию и аорту;
– полное расслабление сердца – сердечная пауза, или диастола, – длится около 0,4 с.
Итак, серия событий, образующих один полный цикл прокачивания крови, называется сердечным циклом. Он прослушивается как сердцебиение. Воронежские физики и медики Ю.Д. Сафонов и Л.И. Якименко определили, что в течение одного сердечного цикла клапаны и сердечная мышца участвуют в 40 последовательных движениях.
Оптимальный режим работы сердца: предсердия работают 0,1 с, а 0,7 с отдыхают; желудочки работают 0,3 с, а 0,5 с отдыхают.
Задача. Человеку 80 лет. Определите, сколько лет отдыхали у него желудочки сердца. В среднем частота биения сердца – 70 ударов в 1 мин.
В сердце чрезвычайно интенсивно протекают обменные процессы, т.к. клетки мышечной ткани содержат много митохондрий и ткань хорошо снабжается кровью: масса сердца составляет 0,5% от массы тела, при этом 10% крови, выбрасываемой аортой, идет в коронарные, или венечные, сосуды, питающие само сердце.
Высокая работоспособность сердца обусловлена:
– высоким уровнем обменных процессов, происходящих в нем;
– усиленным снабжением его мышц кровью;
– строгим ритмом его деятельности (фазы работы и отдыха каждого отдела строго чередуются).
Организм предъявляет к сердечно-сосудистой системе меняющиеся требования. Сердце отвечает на это изменением частоты сокращений.
Что же влияет на работу сердца?
Вспомним известные нам способы регуляции функций в организме.
Нервная регуляция. ЦНС постоянно контролирует работу сердца посредством нервных импульсов.
В продолговатом мозге находится центр кровообращения, оттуда выходит одна пара парасимпатических нервов, уменьшающих частоту и силу сокращений. Сильное возбуждение блуждающего нерва вызывает остановку сердца (опыт Гольца), поэтому, например, удар по животу может оказаться смертельным; раздражение органов брюшной полости замедляет сердечные сокращения. Известен и глазо-сердечный рефлекс (рефлекс Ашнера) – его используют и кардиологические больные, когда недоступны медикаменты – надавливание на глазные яблоки также замедляют работу сердца.
Из шейного симпатического узла выходят симпатические нервы, учащающие и усиливающие сердечные сокращения.
Итак, сердце имеет двойную иннервацию – парасимпатическую и симпатическую. И парасимпатические, и симпатические центры управляются также импульсами, поступающими от рецепторов сердца в ЦНС.
Антагонизм влияний парасимпатических и симпатических нервов – частный случай глубокого внутреннего единства регуляторных воздействий на сердце.
Нарушение иннервации может привести к тахикардии, т.е. повышению частоты сердечных сокращений, или брадикардии – снижению их частоты.
Условно-рефлекторная деятельность сердца определяется активностью коры головного мозга. Так, например, у спортсмена перед стартом изменяется ритм работы сердца, расширяются коронарные сосуды, что приводит к улучшению кровоснабжения миокарда.
Отрицательные эмоции также изменяют деятельность сердца, ускоряя его сокращения через выброс катехоламинов. Длительные отрицательные эмоции, стресс могут привести к истощению функции надпочечников.
При физической работе интенсивные сокращения мышц ускоряют возвращение по венам крови к сердцу. Это вызывает растяжение полых вен, что тоже ускоряет работу сердца; повышенный приток крови вызывает растяжение сердечной мышцы, и сердце сильнее сокращается, выбрасывая больше крови. (Так, например, за время лыжного забега на 10 км сердце спортсмена перегоняет 35 т крови!
Известно, что на работу сердца влияет температура (низкая – замедляет; высокая – усиливает сокращения). Это явлется одной из причин использования в современной хирургии метода охлаждения тела оперируемого.
Гуморальная регуляция активности сердца обеспечивается веществами, циркулирующими в крови.
Работу сердца тормозят: ацетилхолин, соли натрия, увеличение pH крови.
Усиливают работу сердца: адреналин (при остановке сердца его вводят иногда прямо в сердечную мышцу), соли калия, уменьшение pH крови.
Изменяют сердечную деятельность и гормоны – секреты эндокринных желез: тироксин (щитовидная железа), инсулин (поджелудочная железа), кортикостероидные гормоны (надпочечники), гормоны гипофиза.
Нервная и гуморальная регуляция тесно связаны и составляют единый механизм регуляции сокращений сердца.
Иногда можно наблюдать удивительное явление: биение изолированного сердца, т.е. сердца вне организма, в искусственно созданной питательной среде.
Сердце – живучий орган. Русский физиолог А.А. Кулябко (1903 г.) оживил сердце трехмесячного ребенка, умершего от пневмонии, через 20 часов после его смерти.
С.С. Брюхоненко сумел оживить сердце через 100 часов после наступления смерти.
Почему сердце сокращается даже вне организма? Оно имеет собственный «встроенный» механизм, обеспечивающий сокращение мышечных волокон. Импульсы идут от предсердий к желудочкам. Эту способность сердца ритмично сокращаться без внешних раздражений, под влиянием импульсов, возникающих в нем, называют автоматизмом сердца.
Автоматизм обеспечивают особые мышечные клетки. Они иннервируются окончаниями вегетативных нейронов. В этих клетках мембранный потенциал может достигать 90 мВ, что и приводит к генерации волны возбуждения. Изменения этих потенциалов можно зарегистрировать специальной аппаратурой – их запись представляет собой электрокардиограмму.
При сокращениях предсердий и желудочков кровь перекачивается по малому и большому кругам кровообращения, и создается разница давления крови в артериальной и венозной системах, благодаря чему кровь движется по сосудам. Сокращение камер сердца обозначается как систола, а их расслабление — диастола.
Рис. 53. Диаграмма, показывающая происхождение зубцов электрокардиограммы. I — возбуждение предсердий; II — возбуждение атриовентрикулярного узла; III — начало возбуждения желудочков:
1 — синусоатриальный узел, 2 — атриовентрикулярный узел
Деятельность сердца проявляется также в биотоках малого напряжения, запись которых обозначается как электрокардиограмма. Благодаря косому расположению сердца в грудной клетке биотоки можно отводить от правой и левой руки, от правой руки и левой ноги и от левой руки и левой ноги. Зубец Р отражает систолу предсердий, а зубцы Q, R, S и Т — систолу желудочков. Зубец Р — результат алгебраического суммирования биотоков обоих предсердий, из которых правое возбуждается раньше, что вызывает положительно направленный зубец Р. Через 0,02—0,03 сек возбуждается левое предсердие — это вызывает отрицательно направленный зубец Р. Так как биотоки, возникающие в обоих предсердиях, имеют разное направление, то в результате зубец Р имеет небольшую величину. Этот зубец снижается при повышенной возбудимости блуждающих нервов сердца и повышается при увеличении возбудимости симпатических нервов сердца. Он повышается также при выполнении мышечной работы и тем больше, чем она интенсивнее.
Зубец Q — очень непостоянный и записывается у взрослых только в 3% случаев.
Зубец R — самый постоянный и высокий в желудочковом комплексе. Он состоит из восходящего и нисходящего колен, отражая уровень обмена веществ в миокарде, при котором потребляется кислород. При уменьшении потребления кислорода сердечной мышцей зубец R снижается. Зубец S — непостоянный, как и зубцы Q и R, он отражает возбуждение желудочков. Зубец Т — относительно постоянный. У взрослых его отношение к зубцу R от 7г до V3. При увеличении возбудимости симпатических нервов он повышается.
При физической нагрузке появляется зубец U.
Нормальный тип электрокардиограммы (нормограмма) изменяется в зависимости от положения сердца в грудной клетке, изменения толщины желудочков и состояния проводящей системы сердца. Нормограмма получается у взрослых, когда отношение толщины стенки правого желудочка к толщине левого желудочка равно 1 :2—3. Когда это отношение равно 1:4, 1 :5, то получается левограмма, так как биотоки левого желудочка запаздывают, а когда оно равно 2:1 или 1:1, то записывается правограмма.
Ритм сердечных сокращений. У здорового взрослого человека сердце ритмически сокращается в покое 65—75 раз в минуту. В горизонтальном положении частота сердцебиений меньше, чем в вертикальном. У женщин она несколько больше, чем у мужчин. Наибольшая частота сердцебиений в утренние часы, наименьшая— ночью. При мышечной работе она значительно увеличивается.
Цикл сердечной деятельности в покое при частоте 75 сокращений в минуту состоит из систолы предсердий, которая продолжается около 0,1 сек, систолы желудочков — 0,3 сек и их диастолы— 0,5 сек. Так как систола предсердий начинается за 0,1 сек до окончания диастолы желудочков, то весь сердечный цикл продолжается 0,8 сек, а общая систола предсердий и желудочков — 0,4 сек. У человека нет паузы в работе сердца и восстановление его работоспособности происходит во время диастолы.
Работа сердца. В покое во время систолы правый и левый желудочки выбрасывают одинаковое количество крови — 60—80 см3 (систолический, или ударный, объем). При умножении систолического объема на число сокращений сердца в минуту определяется минутный объем, который в покое равен 3,5—5 дм3. Работа сердца состоит из двух слагаемых: 1) выбрасывание систолического объема крови на высоту среднего уровня давления крови в аорте и 2) сообщение скорости движения этому объему. У взрослого человека работа сердца в покое равна 17 280 кГ/м в сутки (169 344 дж), а при физической работе еще больше. Следовательно, сердце в сутки совершает работу, равную подъему веса тела (70 кг) на высоту в 250—300 м. При физическом труде и физических упражнениях работа сердца увеличивается, так как частота сердцебиений и систолический объем возрастают. Во время физической работы благодаря растяжению мышцы сердца и временному его расширению систолический объем возрастает до 200—220 см3, а частота сердцебиений увеличивается до 200 и больше в минуту. Поэтому минутный объем доходит до 25—30 дм3, иногда даже до 40—50 дм3.
У людей, тренированных к физической работе, частота сердцебиений в покое меньше, чем у нетренированных. Во время физической работы частота сердцебиений у них возрастает больше, чем у нетренированных, и систолический объем увеличивается больше, что зависит от более сильной систолы вследствие большего развития сердечной мышцы и лучшего ее кровоснабжения и питания. Поэтому у тренированных минутный объем во время интенсивной мышечной работы возрастает больше, чем у нетренированных.
Регуляция работы сердца. Сердце детей и взрослых обладает способностью ритмически сокращаться в течение многих часов, даже будучи удаленным из организма, если его жизнедеятельность поддерживается пропусканием крови, содержащей питательные вещества и кислород. Эта способность называется сердечным автоматизмом и зависит от ритмических импульсов возбуждения в синусоатриальном узле, связанных с изменениями обмена веществ и колебаниями в нем биопотенциалов.
В целостном организме автоматизм сердца регулируется в соответствии с изменениями внешней среды и внутренней среды двумя механизмами; нервным и нервногуморальным. Центробежные нервные импульсы поступают к сердцу по двум парам нервов. Два блуждающих нерва, по одному с каждой стороны шеи, проводят импульсы из продолговатого мозга к обоим нервным узлам сердца: синусоатриальному и атриовентрикулярному, из которых импульсы направляются непосредственно к мышце сердца. Нервные волокна двух симпатических нервов начинаются в верхней части грудного отдела спинного мозга, доходят до первого грудного узла симпатической цепочки, присоединяются к блуждающим нервам у черепа и затем вместе с ними поступают в сердце непосредственно к его мышце. Следовательно, на шее у общих сонных артерий располагаются смешанные нервы, состоящие из волокон блуждающего и симпатического. Блуждающие нервы замедляют сокращения сердца, уменьшают силу сокращений, снижают возбудимость и проводимость. Симпатические нервы ускоряют и усиливают сокращения сердца, повышают возбудимость и проводимость.
Различие в действии обеих пар нервов состоит также в том, что у взрослого человека блуждающие нервы всегда оказывают некоторое сдерживающее действие на сердечный автоматизм. Это называется тонусом блуждающих нервов. Кроме того, они перестают действовать еще во время их возбуждения, в отличие от симпатических нервов, которые действуют еще некоторое время после окончания их возбуждения (последействие).
Симпатические и блуждающие нервы оказывают влияние на обмен веществ в сердечной мышце, регулируют ее питание и тем самым изменяют работу сердца. Такое влияние нервов на обмен веществ органа называется трофическим. Например, усиление работы сердца при действии симпатических нервов происходит в результате диссимиляции веществ в миокарде и освобождения при этом запасов энергии, а при действии блуждающих нервов, наоборот, происходит преобладание ассимиляции веществ в миокарде и увеличение запасов энергии в нем.
Нервно-гуморальная регуляция деятельности сердца осуществляется через кровь. При возбуждении блуждающих нервов сердца в нее поступает ацетилхолин, действующий как блуждающие нервы, а при возбуждении симпатических нервов сердца в кровь поступают норадреналин и адреналин, действующие как симпатические нервы. Такое же влияние оказывает гормон щитовидной железы, возбуждающий работу сердца.
Кроме того, на работу сердца влияет соотношение ионов калия и кальция в крови. При преобладании ионов калия возбуждаются блуждающие нервы, а ионов кальция — симпатические.
19. Работа сердца
Сердечный цикл.Сокращения сердца ритмичны. В состоянии относительного покоя сердце сокращается примерно 70 – 75 раз в 1 мин. Сокращение обоих предсердий (рис. 68, 1) длится около 0,1 с. В это время вся кровь попадает из них в желудочки. Затем предсердия расслабляются, а оба желудочка сокращаются и выбрасывают кровь в аорту и легочную артерию. Сокращение желудочков (2) продолжается приблизительно 0,3 с, а затем они расслабляются, и в течение последующих 0,4 с вся сердечная мышца находится в расслабленном состоянии: наступает общее расслабление сердца (3).
Рис. 68
Деятельность сердца представляет собой ритмическую смену сердечных циклов, каждый из которых состоит из трех фаз: сокращения предсердий, сокращения желудочков и общего расслабления сердца.
На первый взгляд кажется удивительным, как сердце, этот маленький орган, объем которого не превышает объема кулака, а масса составляет примерно 300 г, может работать в течение десятилетий без отдыха и непрерывно снабжать все органы кровью. Работа одних только желудочков сердца за сутки равна примерно 170 – 180 тыс. кДж. Такую работу совершает, например, подъемный кран, поднимая груз, равный 1 т, на высоту пятиэтажного здания. Почему же при такой напряженной и, казалось бы, непрерывной работе в мышце нормально функционирующего сердца не развивается утомление? Почему она не теряет работоспособности ?
Причину этого явления вы поймете, если вспомните, как влияет на работу мышц ритмичное чередование сокращений и расслаблений. Длительность всего сердечного цикла составляет примерно 0,8 с. На общее расслабление сердца приходится около 0,4 с. Такой отдых в промежутках между сокращениями достаточен, для того чтобы работоспособность сердечной мышцы все время восстанавливалась.
Частота сердечных сокращений может увеличиваться и уменьшаться. Наряду с частотой изменяется и их сила. Когда работа сердца ускоряется, а сила его сокращений увеличивается, сердце выбрасывает в сосудистую систему больше крови в единицу времени. Замедление и ослабление деятельности сердца приводят к уменьшению количества крови, поступающей в кровеносные сосуды организма. Вот почему снабжение всех органов тела кровью может изменяться.
Нервная регуляция сердечной деятельности. Изменения сердечной деятельности зависят от условий, в которых находится организм. Большую роль в этом играет нервная система. Рассмотрим некоторые примеры влияния нервной системы на деятельность сердца.
Когда во время купания мы входим в холодную воду, в первое мгновение у нас "замирает" сердце. Такое ощущение вызывается тем, что сердечная деятельность на несколько секунд очень сильно замедляется. Чем же это вызывается?
Раздражение холодом вызывает в рецепторах кожи возбуждение. Оно проводится по отросткам центростремительных нейронов, находящихся в нервах, которые направляются от кожи к центральной нервной системе. Оттуда по центробежным нейронам возбуждение проводится к сердцу (цвет. табл. XI, 6). Это вызывает замедление сердечных сокращений. Таков один из рефлексов, благодаря которому деятельность сердца приспосабливается к изменяющимся условиям окружающей среды.
Таблица XI
К сердцу подходят две пары центробежных нервов. Опыты показали, что при раздражении одной из них (7) работа сердца ускоряется и усиливается. Раздражение другой пары нервов ведет к замедлению и ослаблению сердечной деятельности (6).
Гуморальная регуляция деятельности сердца. Наряду с нервной системой на деятельность сердца оказывают влияние и особые вещества, вырабатываемые некоторыми органами нашего тела. Эти вещества поступают в кровь и действуют на сердце через ее посредство. Таков адреналин, который образуется в надпочечниках (см. рис. 8 ). Под его влиянием сердечные сокращения учащаются и усиливаются. Действие некоторых других веществ, образующихся в организме и поступающих в кровь, ослабляет и замедляет сокращения сердца.
И те и другие вещества в наши дни изготавливаются фармацевтической промышленностью и используются для восстановления нормального сердечного ритма у больных.
Таким образом, деятельность сердца регулируется не только нервной системой. Характер его работы зависит и от химических воздействий определенных веществ, приносимых кровью. Такая регуляция получила название гуморальной. Ускорение и усиление сердечной деятельности при физическом труде осуществляется в основном рефлекторно. Но энергичная работа скелетных мышц повышает образование в организме адреналина. Действуя на сердце через кровь, он способствует увеличению частоты и силы сердечных сокращений.
Нервная и гуморальная регуляции совместно обеспечивают очень точное приспособление деятельности сердца к потребностям организма и условиям окружающей среды.
■ Сердечный цикл. Нервная регуляции сердечной деятельности. Гуморальная регуляция сердечной деятельности.
? 1. Почему сердце работает в течение всей жизни без заметного утомления? 2. От чего зависят изменения силы и частоты сердечных сокращений при различных состояниях организма? 3. Какое значение имеют для организма изменения силы и частоты сердечных сокращений?
! Как изменится работа сердца животного, если у него перерезать пару нервов, замедляющих и ослабляющих сердечную деятельность? А что произойдет после перерезки у другого животного только второй пары центробежных нервов сердца?
▲ Перечертите в тетрадь табличку:
Сердечный цикл
1. Заполните табличку, проставив в пустых графах слова "сокращение" и "расслабление" в зависимости от того, в каком состоянии находятся предсердия и желудочки во время данной фазы. В последней вертикальной графе проставьте цифры, показывающие длительность каждой фазы. 2. Пользуясь табличкой, подсчитайте самым простым способом, без письменных вычислений: а) какое количество часов в течение суток приходится на сокращение предсердий; б) какое количество часов в течение суток приходится на сокращение желудочков; в) сколько часов в течение суток занимает общее расслабление сердечной мышцы. Сделайте вывод из результатов вычислений.
P.S. Только вот я сама из города и у нас его в продаже не нашла, заказывала через интернет.
P.S. Я тоже из города ))