Природничі науки. 1 частина. 11 клас. Гільберг

У наших жилах

Кров завжди символізувала життя та його мінливість. Наші предки присвоювали їй надприродні властивості та вважали, що саме в крові міститься частина божественної енергії. Що нам відомо про кров?

Кров — це рідка тканина, що є різновидом сполучної тканини. Складається з рідкої міжклітинної речовини — плазми — та формених елементів крові — еритроцитів, лейкоцитів і тромбоцитів (мал. 5.9).

Склад крові: плазма, вода, білки, жири, вуглеводи, йони Na⁺, К⁺, Са²⁺, ОН^-, мінеральні речовини.

Функції крові:

• 1) транспортна — перенесення поживних речовин, транспортування продуктів розпаду до органів виділення;
• 2) дихальна — участь у газообміні, транспортування кисню та вуглекислого газу;
• 3) захисна — лейкоцити крові здатні до фагоцитозу (від грец. φαγος «пожирач» і κύτος «оболонка, умістище, клітина» — активне захоплення й поглинання мікроскопічних сторонніх об’єктів) і вироблення антитіл;
• 4) терморегуляторна — кров має велику теплопровідність і теплоємність, бере участь у підтримуванні температури тіла на сталому рівні;
• 5) гомеостатична — підтримування гомеостазу (від грец. ομοιος «однаковий, подібний» і στάσις «стан; нерухомість» — стан рівноваги) організму;
• 6) регуляторна — транспортування чинників гуморальної регуляції.

Мал. 5.9. Кров не водиця

Ось така наша кров з погляду біології. А що нам розкажуть про неї фізика й хімія?

Кров є неньютонівською рідиною. Ця категорія включає суспензії, емульсії та розчини макромолекул (наприклад, білків). Довгі ланцюжки макромолекул у розчинах можуть сплутуватися один з одним, і це переплетіння перешкоджає їхній здатності реагувати на зміни швидкості течії розчинника. Кров є щільнішою та в’язкішою за воду. Але за такої швидкості течії, яка підтримується в судинах кровоносної системи, рух крові можна описувати рівняннями гідродинаміки, які застосовують для ідеальних рідин. Зокрема справджується умова неперервності: добуток швидкості плину на площу поперечного перерізу трубки (мал. 5.10) є величиною сталою для будь-якого перерізу: Sv = const, тобто

Мал. 5.10. До умови неперервності

Іншими словами: швидкість плину рідини більша в тих точках, де площа поперечного перерізу менша, і навпаки.

Як показують розрахунки, загальна площа перерізу капілярів у 600-800 разів більша за площу перерізу аорти, тому швидкість руху крові, згідно з рівнянням нерозривності струмини в капілярах є найменшою. Якщо в аорті швидкість становить 0,5 м/с, то в капілярах вона досягає 0,05-0,1 см/с. У венах, де поперечний переріз зменшується, швидкість руху крові знову зростає (мал. 5.11).

Мал. 5.11. Розподіл лінійної швидкості кровотоку в різних ділянках судинного русла

Об’ємна швидкість кровоплину однакова в поперечному перерізі будь-якої ділянки серцево-судинної системи й дорівнює кількості крові, яку викидає серце за одиницю часу. Наприклад, хвилинний об’єм крові — 5 л/хв. Така сама кількість крові потрапляє до серця венами за хвилину. Об’ємна швидкість кровоплину залежить від різниці тисків на початку й у кінці ділянки судинної системи та її загального опору плину крові.

Плин крові в судинах залежить як від властивостей крові, так і від властивостей кровоносних судин.

Хімія крові

Гемоглобін (від грец. αίμα «кров» і лат. Globus «куля») — ферумоовмісний білок складної будови (мал. 5.12). Міститься в крові тварин, у яких є кровообіг, здатний оборотно зв’язуватися з киснем і забезпечувати його перенесення в тканини. Молекула гемоглобіну може нести до чотирьох молекул кисню.

Мал. 5.12. Скульптура Юліана Фосс-Андре (нар. 1970, Німеччина, США) «Серце зі сталі» у формі молекули гемоглобіну

Геми — складники гемоглобіну — містять катіони Феруму(ІІ). Унаслідок кровотечі гемоглобін окиснюється до метгемоглобіну, тому кров буріє. Токсична дія карбон(ІІ) оксду (чадного газу) зумовлена утворенням карбоксигемоглобіну — значно міцнішої сполуки порівняно з комплексом гемоглобіну з киснем (оксигемоглобіном). Тож отруєння чадним газом призводить до блокування процесів транспортування кисню й клітинного дихання.

Чому в крові «металевий» присмак? Унаслідок взаємодії йонів Феруму(ІІ), що містяться в гемоглобіні, і молекул жиру утворюється низка речовин, зокрема окт-1-ен-З-он:

Чим пахне кров? У неї легкий «металевий» запах. Саме його вловлюють хижаки й безпомилково знаходять поранену жертву. Характерний запах крові надає сполука, що за структурою подібна до окт-1-ен-3-ону:

Якого кольору кров? Від чого це залежить? Відповісти на це запитання ви зможете самостійно, скориставшись додатковими джерелами інформації, щоб доповнити наведену далі інфографіку (зробіть це).

«Кривавий» детектив. «То була висока кімната, де на полицях блищали незліченні пляшечки. Усюди стояли низькі, широкі столи, загромаджені ретортами, пробірками й бунзенівськими пальниками, над якими тріпотіло блакитне полум’я. У кімнаті був лише один заглиблений у працю чоловік, який схилився над столом у кутку. Почувши наші кроки, він озирнувся й підхопився з радісним вигуком.

— Знайшов! Знайшов! — кинувся він до нас з пробіркою в руках. — Я винайшов реактив, що осаджується лише гемоглобіном і нічим іншим.

— З погляду хімії це, звичайно, цікаво, — відповів я, — але практично...

— Боже милий, та практично це ж найважливіше відкриття в судовій медицині за останні роки. Хіба ви не бачите, що це дає змогу без помилок визначити криваві плями? Ходіть-но сюди! — Він нетерпляче схопив мене за рукав і підвів до столу, за яким працював. — Беремо трохи свіжої крові, — сказав Холмс і, уколовши довгою голкою собі палець, витяг піпеткою краплинку крові. — А тепер розчиняємо цю краплину в літрі води. Вода, як бачите, здається чистісінькою. Співвідношення крові до води — не більше, ніж один до мільйона. І все-таки немає сумніву, що ми матимемо характерну реакцію. —Промовивши це, він кинув у склянку кілька білих кристаликів і додав трохи прозорої рідини. Вода в склянці миттю стала каламутно-багряною, а на дні з’явився бурий осад.

— Це, мабуть, дуже сильний реактив, — зауважив я.

— Чудовий! Чудовий! Давніший спосіб із ґуаяковою смолою був дуже громіздкий і непевний. Так само, як і огляд кров’яних тілець під мікроскопом. Це взагалі марно, якщо кров пролито кілька годин тому. А цей реактив діє однаково добре — чи свіжа то кров, чи ні. Якби його відкрили раніше, то сотні людей, що гуляють зараз на волі, давно вже дістали б кару за свої злочини.

— Он як! - пробурмотів я.

— Розкриття злочинів часто стикається із цією загадкою. Людину починають підозрювати в убивстві за кілька місяців після його скоєння. Оглядають білизну чи одяг і знаходять бурі плями. Що то — кров, глина, іржа, сік чи щось іще? Ось питання, що спантеличувало багатьох фахівців, і чому? Тому, що не було надійного реактиву».

Артур Конан Дойл¹. «Етюд у багряних тонах»

¹ 1859-1930, Велика Британія.

Цей літературний вимисел геніального майстра детективного жанру має наукове підґрунтя й водночас є досить наївним. У середині 1820-х французькі судові експерти почали ідентифікувати сліди крові за допомогою хімічних реакцій. На той час медики вже здогадувалися, що кров — складна багатокомпонентна суміш. Тож використати один реактив, який дасть змогу впевнено стверджувати, що пляма на одязі підозрюваного — це кров, досить проблематично.

Хімік і лікар Жозеф Орфіла (1787-1853, Іспанія, Франція), першопроходець у галузі судової токсикології й засновник токсикології як науки, започаткував хімічні тести з виявлення крові. Під час досліджень науковець наносив кров на тканину й замочував її у воді. На добутий розчин він діяв хлоридною кислотою, калій карбонатом, рослинними складниками. Під дією цих реагентів або розчин змінював забарвлення, або утворювався характерний осад, тож можна було дійти висновку, чи є в розчині кров.

Також Орфіла використовував одну особливість крові, що відрізняє її від інших рідин, — згортання. Дослідник поміщав тестований розчин на скло й спостерігав, якупродовждекількоххвилин починали утворюватися згустки. Так він навчився відрізняти плями крові від іржі або плям від соку червоного винограду.

У 1853 році Людвіг Тейхманн-Ставларський (працював у Кракові, Польща) уперше розробив доказовий метод визначення крові за допомогою хімічної реакції. За його методикою з поверхні досліджуваної плями потрібно зіскоблити на предметне скло кілька крупинок досліджуваної субстанції та подрібнити їх. Потім добавити 1-2 крупинки кухонної солі й 2-3 краплі концентрованої оцтової кислоти. Усе накрити покривним склом й обережно (не до кипіння) нагріти. Якщо пляма містить кров, утворюються мікрокристали буро-жовтого кольору у вигляді ромбічних табличок. Вони дістали назву (спробуйте пояснити її походження) гем-кристалів.

У 1861 році ван Дін (Голандія) розробив інший метод визначення крові в давно засохлих, не схожих на кров плямах. Він використав здатність гемоглобіну зв’язувати кисень і вивільняти його. Науковець виявив у дослідах зі спиртовими витяжками західноіндійської рослини гваяк, що ці витяжки набувають синього кольору, якщо їх змішати з насиченим киснем скипидаром і кров’ю. Гемоглобін крові вивільняв зі скипидару кисень і переносив його на гваяк. Так вдавалося виявити навіть мікроскопічні сліди крові багаторічної давності.

Два роки потому Крістіан Фрідріх Шенбейн (1799-1868, Швейцарія, Німеччина) звернув увагу на те, що під дією гемоглобіну гідроген пероксид бурхливо розкладався з утворенням білої піни. Це давало змогу ідентифікувати навіть застарілі плями крові.

І дотепер як попередній тест на виявлення слідів крові на місці злочину використовують лужний розчин люмінолу з добавлянням гідроген пероксиду. Катіони Феруму, що містяться в гемоглобіні крові, каталізують окиснення люмінолу гідроген пероксидом. Під час реакції спостерігають блакитне світіння, яке особливо добре видно в темряві або в ультрафіолетовому світлі (мал. 5.13).

Мал. 5.13. Люмінол — помічник криміналістів

Серце, виштовхуючи кров у кровоносні судини для її просування кровоносною системою, створює кров’яний тиск, який, так само як і атмосферний, вимірюють у міліметрах ртутного стовпчика (мм рт. ст.). Рух крові забезпечено різницею тисків на початкових ділянках (де він вищий) і в кінцевих (де він нижчий) малого та великого кіл кровообігу. В аорті тиск найвищий — 110-130 мм рт. ст. З рухом крові артеріями тиск поступово знижується до 100-120 мм рт. ст. Значне зниження тиску (до 20 мм рт. ст.) відбувається в найдрібніших артеріях і капілярах. У венах кров’яний тиск продовжує поступово знижуватися, і в порожнистих венах він практично сягає нуля.

Залежно від фаз серцевого циклу, тиск має два показники: максимальний — у момент скорочення серця (систоли) і мінімальний — у момент розслаблення серця (діастоли).

У здорової людини кровоносні судини в нормі перебувають у тонусі (від грец. τονος — напруження), а величина тиску підтримується на відносно постійному рівні. Що важче крові проходити судинами, то вищим є артеріальний тиск.

Через те, що кров не витікає із серця неперервним струменем, а видається окремими порціями, плин крові в аорті, артеріях, деякою мірою в артеріолах, є пульсувальним (мал. 5.14). Під час скорочення серцевого м’яза (систоли) серце викидає кров в аорту й артерії, що відходять від неї. Якщо б стінки цих судин були жорсткими, то тиск, який виникає в крові на виході із серця, передавався б до периферичної системи зі швидкістю звуку. Пружність стінок судин приводить до того, що під час систоли кров, яку виштовхує серце, розтягує аорту, артерії й артеріоли. За час систоли великі судини приймають більше крові, ніж витікає її з них до периферичних. Під час розслаблення серця (діастоли) розтягнуті кровоносні судини звужуються й проштовхують кров до периферичних ділянок, а тиск в аорті спадає. Потенціальна енергія деформації стінок судин переходить у кінетичну енергію руху крові. У результаті плин крові є неперервним.

Мал. 5.14. Пульсова хвиля

Швидкість поширення пульсової хвилі (5-10 м/с) значно переважає швидкість руху потоку крові (0,3-0,5 м/с). За час викиду крові зі шлуночків (тривалість систоли t = 0,3 с) пульсова хвиля може подолати відстань до 3 м, тобто охопити всі великі судини — аорту й артерії, і досягати кінцівок значно швидше, ніж починається зниження тиску в аорті. Амплітуда коливання пульсової хвилі згасає від місця виникнення до периферії.

Коливання стінки артерії, пов’язані зі зміною кровонаповнення й тиску в ній протягом серцевого циклу, називають пульсом.

Розрізняють центральний артеріальний пульс (на підключичних і сонних артеріях) і периферичний (на артеріях рук і ніг).

За пульсом можна визначити частоту, ритмічність і силу серцевих скорочень (напруженість, висоту, наповнення), що вказує на функціональний стан як серцево-судинної системи, так і всього організму.

Пульс можна відчути в місцях, де великі артерії підходять близько до поверхні тіла (на внутрішньому боці зап’ястка, на скронях, по боках шиї тощо (мал. 5.15).

Мал. 5.15. Вимірювання пульсу

Показники пульсу є величиною змінною й залежать від:

• зросту людини (що вища людина, то нижчі показники пульсу);
• віку (пульс новонародженої дитини становить 120-140 уд./хв, у 16-18 років досягає норми);
• статі (у чоловіків пульс дещо нижчий, ніж у жінок);
• тренованості організму (пульс дорослої нетренованої людини в стані спокою — 60-80 уд./хв, у тренованих людей пульс може становити 50 уд./хв).

Уміння вимірювати пульс й артеріальний тиск важливі під час надання першої допомоги.

Виміряти величину артеріального тиску можна за допомогою прямих і непрямих методів. Прямий метод полягає в безпосередньому введенні в кров’яне русло порожнистої голки, з’єднаної з манометром. Непрямий метод ґрунтується на реєстрації зміни кровонаповнення судин в умовах дозованої компресії й декомпресії, створюваних манжетою, з’єднаною з манометром.

Артеріальний тиск у людини вимірюють на плечовій артерії спеціальним приладом — тонометром (мал. 5.16).

Мал. 5.16. Вимірювання артеріального тиску

Між плечем і ліктем накладають компресійну манжету, у яку накачують повітря, доки тиск у ній не стане вищим, ніж тиск крові в артерії. При цьому в фонендоскопі не чутно жодних тонів і шумів, оскільки повністю стиснено артерію, тож кров в ній не проходить. Потім повільно повітря випускають за допомогою вентиля, зменшуючи тиск у манжеті й, відповідно, на м’які тканини руки. Просвіт судини збільшується, коли зовнішній і систолічний тиск стають однаковими, виникають характерні звуки (тони Короткова), які можна почути за допомогою фонендоскопа. У цей момент за манометром фіксують систолічний тиск. За подальшого зниження тиску в манжеті тони доповнюються шумами за рахунок турбулентного плину крові. У міру зниження тиску поступово відновлюється ламінарний плин крові й зникають шуми. Покази манометра в цей момент приймають за діастолічний тиск.

Систолічний тиск, визначений за методом Короткова, у здорової людини віком 15-50 років становить 100-120 мм рт. ст., а діастолічний — 60-80 мм рт. ст. В осіб старшого віку тиск, зазвичай, підвищений. У новонароджених максимальний тиск становить 40 мм рт. ст., а вже через кілька днів — 70 мм рт. ст.

Артеріальний тиск вимірюють й електронними приладами. Цей метод полягає в реєстрації пульсацій тиску повітря, які виникають у приладі в разі проходження крові через зменшений просвіт артерії.

Артеріальний тиск залежить від:

• 1) роботи серця як насоса й кількості крові, що циркулює. Унаслідок збільшення частоти серцевих скорочень збільшується хвилинний об’єм крові, тому тиск зростає. Що більший об’єм крові в системі кровообігу, то більший артеріальний тиск, і навпаки: за великої крововтрати, нестачі рідини в організмі тиск крові знижується;
• 2) величини просвіту судин, їхньої довжини й в’язкості крові. Що більша в’язкість крові або довші судини, то більший артеріальний тиск. За зменшення радіуса судин збільшується їхній опір кровоплину й, відповідно, артеріальний тиск.

Зміна тонусу стінок судин є ефективним механізмом регуляції величини артеріального тиску за зміни зовнішнього артеріального (атмосферного) тиску.

Інтенсивність кровообігу залежить і від фізичних навантажень, температури тіла тощо. Органи, що працюють, потребують поліпшеного кровопостачання, бо з кров’ю вони отримують додаткові поживні речовини та кисень. Кровообіг регулюють нервова та гуморальна системи.

Нервова регуляція руху крові має особливості: до непосмугованих м’язових волокон стінок переважної більшості судин підходять лише ті нерви, імпульси від яких звужують просвіт судин і, відповідно, підвищують тиск крові. Загальну регуляцію руху крові забезпечує судинно-руховий центр відділу головного мозку, що регулює скорочення судин, частоту, силу серцевих скорочень й артеріальний тиск. Парасимпатична система зменшує частоту й силу серцевих скорочень. Симпатична система робить частішими серцеві скорочення та збільшує їхню силу.

Гуморальна регуляція руху крові полягає в тому, що деякі гормони (наприклад, адреналін) звужують діаметр кровоносних судин, підвищуючи тиск крові в них, а інші біологічно активні сполуки розширюють просвіт кровоносних судин. Катіони Кальцію сприяють збільшенню частоти скорочень, підвищенню провідності й збудливості серця; катіони Калію діють навпаки.

Серце здійснює й саморегуляцію, тобто йому властивий автоматизм — здатність скорочуватися під впливом імпульсів, що виникають у самому серці. Автоматизм забезпечують внутрішньосерцевими механізмами, наприклад, зміна кількості крові в порожнині серця змінює силу скорочень.