Природничі науки. 1 частина. 11 клас. Гільберг

Серце і кров

Що воно за штука, що день і ніч стука?

Із чим порівнюють серце? Зазвичай серце порівнюють з мотором (двигуном) або насосом (помпою). З’ясуймо, чому саме із цими технічними засобами. А ще серце порівнюють з кулаком, годинником, камнем, душею, любов’ю... (самостійно поясніть чому).

Що ми знаємо про насос, помпу, мотор, двигун? Насос (помпа) — механізм для накачування або викачування рідин, газів. За принципом роботи помпи поділяють на динамічні та об’ємні. Робота серця за принципом дії відповідає об’ємному насосу — це насос, у якому рідина переміщається за рахунок періодичної зміни об’єму робочої камери, що поперемінно сполучається з вхідним і вихідним патрубками насоса.

Зміна об’єму робочої камери зумовлює зміну тиску рідини, що також забезпечує її рух: усмоктування в робочу камеру за збільшення її об’єму, а потім — виштовхування за зменшення. Зміну об’єму камери можна регулювати поршнем, гнучкою мембраною тощо (мал. 5.1).

Мал. 5.1. Помпа для перекачування води (а); повітряний насос (б); поршневий водяний насос (в)

Принцип дії поршневого водяного насоса ґрунтується на двох функціях: всмоктування в резервуар насоса та витискування назовні. Розгляньте малюнок 5.1, в і поясніть принцип дії такого насоса.

Двигун (мотор) — обидва слова мають однакове значення — силова установка, яка перетворює будь-який вид енергії в механічну роботу (за схематичним малюнком 5.2 поясніть принцип дії двигуна).

Мал. 5.2. Як працює цей двигун?

Серце обґрунтовано порівнюють з насосом і двигуном. Пригадаймо його будову (мал. 5.3).

Мал. 5.3. Будова серця

Серце перекачує кров, як насос, і перетворює енергію, як двигун. Робота серця є безперервним чергуванням періодів скорочення (систола) й розслаблення (діастола), що складають серцевий цикл (мал. 5.4). Скорочення (систола) передсердь триває близько 0,1 секунди. Шлуночки розслаблені, стулкові клапани відкриті, півмісяцеві — закриті. Кров з передсердь надходить у шлуночки (мал. 5.4.1). Скорочення (систола) шлуночків триває близько 0,3 секунди. Передсердя розслаблені, стулкові клапани закриті, півмісяцеві клапани відкриті. Кров зі шлуночків надходить у легеневу артерію й аорту (мал. 5.4.2). Пауза — розслаблення передсердь і шлуночків (діастола) — триває близько 0,4 секунди. Стулкові клапани відкриті, півмісяцеві — закриті. Кров з вен потрапляє в передсердя й частково стікає в шлуночки (мал. 5.4.3). оптимальний режим роботи серця — передсердя працюють 0,1 секунди й відпочивають 0,7 секунди, а шлуночки працюють 0,3 секунди й відпочивають 0,5 секунди.

Мал. 5.4. Серцевий цикл

Серцево-судинна система людини є замкнутою, тому для забезпечення плину крові в ній серце виконує роль насоса, який діє періодично. На відміну від звичайного поршневого насоса зі сталою площею поршня, під час роботи серця його робоча поверхня (внутрішня поверхня шлуночків) змінюється в різні фази їхнього скорочення. До двигуна серце подібне тим, що скорочення серцевого м’яза (механічна дія) відбувається за рахунок перетворення енергії переважно молекул аденозинтриортофосфату й креатинортофосфату.

За малюнком 5.5. опишіть рух крові малим і великим колами кровообігу.

Мал. 5.5. Кровоносна система: 1 — правий шлуночок; 2 — легенева артерія; 3 — сітка капілярів у легенях; 4 — ліве передсердя; 5 — лівий шлуночок; 6 — аорта; 7 — капіляри; 8 — нижня порожниста вена; 9 — порожниста вена; 10 — праве передсердя

Головний насос — це серце. Але в кровоносній системі є й допоміжні насоси, що працюють за рахунок зовнішнього тиску. Це, наприклад, великі вени ніг людини (мал. 5.6). У цих вен відносно тонкі стінки, а самі вони мають клапани, які перешкоджають зворотному потоку крові. Коли м’язи ніг скорочуються, вони стискають вени й створюють необхідний тиск, а клапани примушують кров рухатися в напрямку до серця. Без цієї системи кров під дією сили тяжіння застоювалася б у судинах. Тому стінки судин, особливо вен, неодмінно мають бути еластичними. В артерій стінки товщі, ніж у вен, і менш стискаються.

Мал. 5.6. Особливості будови вен нижніх кінцівок

Серце, що забезпечує кров’ю весь організм людини, теж потребує постійного надходження кисню та поживних речовин. Обмін речовин у міокарді відбувається в 10-20 разів інтенсивніше, ніж у будь-якому іншому органі людини. На живлення серця організм витрачає 20 % своїх енергетичних ресурсів. Джерелом енергії, витраченої під час скорочення серцевого м’яза, як ми вже зазначали, є аденозинтриортофосфат і креатинортофосфат. Кров надходить до серця коронарними, або вінцевими, артеріями. За добу коронарними артеріями протікає кров, об’єм якої в середньому становить 350 л.

Серце створює слабкі біоелектричні сигнали, які проходять по всьому тілу. У 1903 році голландський фізіолог Віллем Ейнтговен (1860-1927, Голандія) створив спеціальний пристрій для запису електричних сигналів у серці — електрокардіограф. Якщо зафіксувати ці сигнали від шкіри рук і ніг, а також від поверхні грудної клітки, то дістанемо електрокардіограму (мал. 5.7). Електрокардіограма відображає стан серцевого м’яза й служить важливим показником його діяльності.

Мал. 5.7. Електрокардіограма — важливий показник діяльності серця

Розрахуємо механічну роботу серця за одне скорочення. Робота серця дорівнює сумі робіт, виконаних шлуночками. Лівий шлуночок серця виконує більшу частину роботи, бо виштовхує кров у велике коло кровообігу. Робота правого шлуночка Ап.ш. становить 0,2 Ал.ш., тому Асерця = Ап.ш. + Ал.ш. = 1,2 Ал.ш.

За кожної систоли серце виштовхує в аорту кров об’ємом близько 60-70 мл. Це — систолічний (ударний) об’єм крові. Під час фізичної роботи та емоцій систолічний об’єм крові збільшується у 2-3 рази. Підраховано, що за 1 хв серце викидає в судини кров об’ємом до 5 л, а під час навантаження цей об’єм збільшується до 35-40 л (3-4 відра).

Робота серця за добу становить 86 400 Дж. Таку роботу треба виконати, аби підняти вантаж масою 1 т на висоту приблизно 9 м.

Серце — найпрацездатніший двигун: за 70 років життя воно перекачує кров об’ємом 230-250 млн л.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) серця становить 14-25 %, що свідчить про значні втрати енергії. Під час фізичної роботи й тренувань ККД серця може збільшуватися. Унаслідок підвищення артеріального тиску навантаження на серце зростає, а ККД — зменшується. Для полегшення роботи серця бажано, аби кров’яний тиск був порівняно низьким, а серцевий викид — великим.