2. Сердце

Работа сердца

Одна из отличительных особенностей сердечной мышцы - обилие митохондрий в ее клетках, что связано с интенсивно протекающими здесь процессами обмена веществ. В результате обмена веществ и освобождается энергия, необходимая для работы сердца. Сердце расходует от 7 до 20% всей энергии, которая освобождается в организме.

Работа сердца заключается в перекачивании крови. Сердце, составляющее у человека около 0,5% массы его тела (примерно 300 г), перекачивает в сутки около 7000 л крови. Суточная работа сердца более 17 000 кгс-м (1 кгс-м ≈ 9,8 дж). Этого усилия достаточно, чтобы поднять железнодорожный товарный вагон на высоту 1 м. Такая высокая работоспособность сердца объясняется не только высоким уровнем происходящих в нем процессов обмена веществ, но и ритмичной деятельностью, строгим чередованием работы и отдыха каждого из его отделов. Кроме того, сердце усиленно снабжается кровью. В течение 1 мин в мышцу сердца поступает около 6-10% всей крови.

Сердце - центральный орган системы кровообращения. Нагнетательная функция его связана с сокращениями мышцы сердца - миокарда, чередованием сокращений предсердий и желудочков и надежной работой клапанов сердца.

Клапаны сердца

Сердце человека четырехкамерное: оно состоит из двух предсердий и двух желудочков. Левая и правая части сердца отделены сплошной перегородкой. Кровь из предсердий в желудочки поступает через отверстия в перегородке, которая находится между предсердиями и желудочками. Отверстия снабжены клапанами (рис. 16), которые открываются только в сторону желудочков. Клапаны образованы смыкающимися створками и потому получили название створчатых клапанов. В левой части сердца клапан двустворчатый, в правой - трехстворчатый. От поверхности и краев створок отходят сухожильные нити, которые прикрепляются к мышцам желудочков. Сухожильные нити не позволяют клапанам открываться в сторону предсердий.

Рис. 16. Двустворчатый клапан сердца: 1 - наружная оболочка сердца; 2 - мышечная стенка сердца; 3 - внутренняя оболочка сердца; 4 - двустворчатый клапан; 5 - сосочковый мускул; 6 - сухожильные нити

У места выхода аорты из левого желудочка и легочной артерии из правого желудочка располагаются полулунные клапаны (рис. 17).

Полулунные клапаны имеют вид кармашков; свободные края их плотно примыкают друг к другу. На середине края каждого клапана имеются утолщения, которые обеспечивают более полное смыкание. Полулунные клапаны пропускают кровь из желудочков в аорту и легочную артерию. Обратное движение крови из сосудов в желудочки невозможно; этому препятствуют полулунные клапаны, кармашки которых заполняются кровью, расправляются, плотно смыкаются и не пропускают кровь в желудочки.

Клапаны сердца обеспечивают движение крови только в одном направлении: из предсердий - в желудочки, а из желудочков - в артерии.

Если по каким-либо причинам в клапанах происходят изменения (сужение или частичное разрушение), то развивается недостаточность клапана. Теперь клапан не способен закрыть полностью отверстие между предсердием и желудочком или между желудочком и артерией. При этом часть крови из аорты может возвращаться в левый желудочек (если поражен полулунный клапан) или из желудочка в предсердие (при нарушении функции створчатых клапанов). Сердцу теперь приходится производить дополнительную работу, перекачивая большее количество крови, чем обычно. А из-за того, что часть крови возвращается в сердце, организм не получает необходимого количества крови. Возникает недостаточность кровообращения, развивается одышка, появляются отеки, резко снижается работоспособность.

Тяжелые случаи пороков клапанов сердца устраняют хирургическим путем. Если это невозможно, то иногда заменяют клапаны. Имеется несколько типов искусственных клапанов. Один из них такой: пластмассовый шарик заключен в сетку из нержавеющей стали. Сетку вшивают в отверстие между предсердием и желудочком, Пластмассовый шарик при сокращении предсердия пропускает кровь в желудочек, а при сокращении желудочка шарик плотно закрывает отверстие и не пропускает кровь обратно. Применяют искусственные клапаны в виде дисков, полусфер или с отдельными створками.

Сердечный цикл

Сердце сокращается ритмично: сокращения отделов сердца чередуются с их расслаблением.

Сокращение отделов сердца называют систолой, а расслабление - диастолой.

Сокращения сердца можно не только наблюдать невооруженным глазом, но и зарегистрировать. Зарегистрируйте сокращения сердца лягушки.

Рис. 17. Полулунные клапаны: А - вид снаружи; Б - вид на разрезанном сосуде; 1 - клапан между правым желудочком и легочной артерией; 2 - клапан между левым желудочком и аортой; 3 - отверстие венечной артерии; 4 - венечные артерии; 5 - стенка желудочка; 6 - стенка аорты

Опыт 11

Перед началом опыта лягушку надо обездвижить. Для этого в стеклянный сосуд, закрывающийся крышкой (эксикатор), поместите лягушку и ватку, смоченную эфиром или хлороформом. Можно обездвижить лягушку и разрушением центральной нервной системы (см. опыт 2). В открытый спинномозговой канал введите препаровальную иглу и разрушьте мозг. Кровь, выступившую после отсечения верхней челюсти, осушите ватным тампоном. Можно обездвижить лягушку иначе (рис. 18).

Возьмите препаровальную дощечку (из пенопласта, пробки или дерева со вставленной по углам дощечки пробкой) и приколите булавками лягушку, лежащую брюшком кверху. Теперь обнажите ее сердце. Для этого сделайте ножницами надрез кожи ниже грудины, после чего кожу рассеките по направлению к плечевым суставам (рис. 19, 1, 2). Захватите грудину пинцетом, оттяните ее кверху, надрежьте мышцы и рассеките их также по направлению к плечевым суставам.

Рис. 18. Обездвиживание лягушки

Образовавшийся кожно-мышечный лоскут осторожно поднимите пинцетом и отрежьте у его основания (рис. 19, 3, 4). Теперь видно пульсирующее сердце. С помощью маленького (глазного) анатомического пинцета и маленьких ножниц вскройте осторожно околосердечную сумку. Захватите пинцетом сердце за верхушку, подведите под него нитку и завяжите ее на уздечке сердца. Уздечка сердца представляет собой тонкий тяж, фиксирующий заднюю поверхность сердца к подлежащим тканям. Чтобы уздечка не оборвалась, ее следует перевязать как можно ближе к сердцу. Ножницами перережьте уздечку ниже места перевязки (как можно дальше от сердца). Взявшись за концы нитки на уздечке сердца, приподнимите сердце и зацепите его верхушку крючком, соединенным с ниткой.

Теперь соберите установку для графической регистрации сокращений сердца лягушки (рис. 20). Присоедините крючок с помощью нитки к рычажку так, чтобы получить максимальный размах рычажка. Рычажок установите в горизонтальном положении, поднимая или опуская дощечку с лягушкой. Кимограф расположите по отношению к рычажку слева так, чтобы рычажок лишь слегка касался закопченной поверхности барабана кимографа. Рычажок должен подходить к барабану по касательной. Обнаженное сердце лягушки периодически смачивайте раствором Рингера, чтобы оно не подсыхало. На барабане кимографа записывается кривая сокращений сердца лягушки (рис. 21). На ней видно, как сокращения чередуются с расслаблениями сердца.

С помощью секундомера подсчитайте, сколько сокращений делает сердце лягушки в 1 мин.

Если нет кимографа и рычажка, то для наблюдения сокращений сердца лягушки можно воспользоваться мышечным столиком. Нить от крючка, соединенного с верхушкой сердца, перекиньте через блок мышечного столика, подвесив к свободному концу нити груз в 5-10 г. К верхней части мышечного столика прикрепите шкалу с делениями и стрелку. При сокращениях сердца стрелка перемещается по шкале. По числу колебаний стрелки мышечного столика можно определить количество сокращений сердца в 1 мин.

Рис 19. Фиксация лягушки и обнажение сердца

Период, охватывающий одно сокращение и расслабление сердца, называют сердечным циклом. В состоянии относительного покоя сердце человека сокращается примерно 75 раз в 1 мин. Это значит, что весь цикл продолжается около 0,8 сек (60:75). А сколько времени продолжался сердечный цикл у лягушки? Воспользуйтесь данными опыта 11.

Каждый сердечный цикл состоит из трех фаз: первая - сокращение предсердий (систола предсердий), вторая - систола желудочков, третья - общая пауза. В первую фазу в результате сокращений левого и правого предсердий кровь поступает из предсердий в желудочки, которые в это время расслаблены. Створчатые клапаны открыты в сторону желудочков и не мешают току крови. Систола предсердий длится 0,1 сек, после чего наступает диастола - расслабление предсердий.

Рис. 20. Схема установки для графической регистрации сокращений сердца лягушки: А - общая схема установки; 1 - рычажок, 2 - перо, 3 - кимограф; Б - увеличенное изображение чернильнопишущего приспособления; 1 - рычажок, 2 - перо, 3 - металлический капилляр, 4 - резиновая груша, 5 - стеклянный наконечник от пипетки

Рис. 21. Запись сокращений сердца лягушки: 1 - систола предсердий; 2 - систола желудочка; 3 - период расслабления мускулатуры желудочка; 4 - общая диастола сердца

При систоле желудочков (вторая фаза) мышцы желудочков сокращаются, давление в желудочках повышается. Створчатые клапаны при этом закрываются. Напряжение мышц желудочков нарастает. Когда давление в желудочках станет выше, чем давление крови в аорте и легочной артерии, полулунные клапаны открываются и кровь из желудочков с силой выбрасывается в артерии. Давление в левом желудочке при систоле доходит до 130-150 мм рт. ст. В правом желудочке давление значительно ниже. Систола желудочков продолжается 0,3 сек.

В общую паузу (третья фаза) предсердия и желудочки расслаблены. Давление крови в аорте и легочной артерии теперь выше, чем в желудочках, и поэтому полулунные клапаны захлопываются. Створчатые клапаны открываются, и кровь из предсердий поступает в желудочки. Это - фаза медленного заполнения сердца кровью. Продолжительность ее около 0,4 сек. При большой физической нагрузке сердце сокращается чаще, чем 75 раз в 1 мин, продолжительность общей паузы при этом уменьшается.

После общей паузы начинается новый сердечный цикл. Чередование фаз сердечной деятельности имеет важное значение для обеспечения безостановочной работы сердца на протяжении всей жизни человека. В течение одного сердечного цикла предсердия тратят на работу приблизительно 12,5%, а желудочки - 37,5% времени; следовательно, все сердце отдыхает около 50% времени. Такой отдых в промежутках между сокращениями обеспечивает восстановление работоспособности сердца.

Последовательные ритмичные сокращения и расслабления предсердий и желудочков и деятельность клапанного аппарата сердца обеспечивают движение крови из предсердий в желудочки и изгнание ее из желудочков в большой и малый круги кровообращения.

Заполните следующую таблицу (табл. 6).

Таблица 6. Положение клапанов сердца во время сердечного цикла

Систолический и минутный объем крови

При сокращении сердца у взрослого человека, находящегося в состоянии покоя, каждый желудочек выталкивает в артерии 70-80 мл крови. Количество крови, выбрасываемое каждым желудочком за одно сокращение, называют ударным или систолическим объемом. Левый и правый желудочки выталкивают одинаковое количество крови.

Количество крови, выбрасываемое сердцем в 1 мин, называют минутным объемом. Зная количество крови, поступившее из желудочка во время систолы, и частоту сокращений сердца в 1 мин, можно рассчитать величину минутного объема. Если систолический объем равен 70 мл, а частота сердцебиений 75 раз в 1 мин, то минутный объем равен 70 × 75 = 5250 мл.

Увеличение минутного объема у тренированных спортсменов происходит главным образом за счет возрастания величины систолического объема. Сердечные сокращения при этом учащаются незначительно. У людей нетренированных минутный объем крови увеличивается в основном за счет учащения сердечных сокращений.

Известно, что при увеличении частоты сердечных сокращений укорачивается продолжительность общей паузы сердца. Из этого следует, что сердце нетренированных людей работает менее экономично и быстрее изнашивается. Не случайно сердечно-сосудистые заболевания встречаются у спортсменов реже, чем у людей, не занимающихся физкультурой. У хорошо тренированных спортсменов при больших физических нагрузках ударный объем крови может возрастать до 200-250 мл.

Сердечный толчок

Во время сокращения сердце несколько изменяет свое положение в грудной клетке. Оно становится плотным, почти твердым и несколько поворачивается слева направо. При этом верхушка сердца упирается в грудную клетку в области пятого межреберного промежутка (слева). Это давление сокращающегося сердца на грудную клетку ощущается как толчок. У худых людей сердечный толчок можно видеть. Сердечный толчок - один из показателей сердечной деятельности.

Тоны сердца

Приложив узкий конец стетоскопа или фонендоскоп к области левого пятого межреберного промежутка, вы различите два звука. Эти звуки называют тонами сердца. Первый тон, протяжный, низкий и глухой, слышится во время систолы желудочков. Он вызывается сокращением мускулатуры желудочков и дрожанием захлопнувшихся створчатых клапанов. Второй тон, короткий и высокий, возникает при захлопывании полулунных клапанов в фазу диастолы желудочков.

Прослушивание тонов сердца у людей имеет диагностическое значение. Так, при пороках сердца, когда клапаны его деформируются и потому плотно не смыкаются, тоны сердца утрачивают чистоту звучания. К ним примешиваются шумы, вызванные обратным движением крови через неплотно сомкнувшиеся клапаны.

Автоматия сердца

Если перерезать все нервы и кровеносные сосуды, идущие к сердцу, а затем удалить его из организма, то некоторое время такое изолированное сердце будет продолжать ритмично сокращаться.

Для того чтобы некоторое время сокращалось изолированное сердце лягушки, достаточно поместить его в изотонический раствор (0,6-процентный раствор поваренной соли).

Изолированное сердце теплокровного животного также может ритмично сокращаться, если через его сосуды пропускать подогретый до температуры тела раствор Рингера, содержащий глюкозу и насыщенный кислородом.

Опыт оживления изолированного сердца человека впервые в мире был успешно проведен русским ученым А. А. Кулябко. Он оживил сердце ребенка спустя 20 ч после смерти, наступившей от воспаления легких.

Кулябко Алексей Александрович (1866-1930) - русский физиолог, профессор Томского университета. Научная деятельность Кулябко связана с разработкой проблемы оживления организма.

Способность сердца ритмично сокращаться независимо от внешних воздействий, а лишь благодаря импульсам, возникающим в самом сердце, получила название автоматии. Автоматия сердца связана с особенностями сердечной мышцы. В сердце имеются мышечные волокна двух типов. Основная масса сердечной мышцы представлена типичными для сердца волокнами, которые обеспечивают сокращения отделов сердца. Их основная функция - сократимость. Это типическая, рабочая мускулатура сердца. Кроме того, в сердечной мышце имеются атипические волокна. С деятельностью атипических волокон связано возникновение возбуждения в сердце и проведение его от предсердий к желудочкам. Волокна атипической мускулатуры отличаются от сократительных волокон сердца как по строению, так и по физиологическим свойствам. В них слабее выражена поперечная исчерченность, зато они обладают способностью легко возбуждаться и более устойчивы к вредящим влияниям. За способность волокон атипической мускулатуры проводить возникшее возбуждение по сердцу ее называют еще проводящей системой сердца.

Атипическая мускулатура занимает по объему очень небольшую часть сердца. Скопления клеток атипической мускулатуры называют узлами (рис. 22).

Один из таких узлов расположен в правом предсердии вблизи места впадения (синуса) верхней полой вены. Это так называемый синусно-предсердный узел. Здесь в сердце здорового человека возникают импульсы возбуждения, определяющие ритм сокращений сердца. Второй узел расположен на границе между предсердиями и желудочками в перегородке сердца - предсердно-желудочковый узел. В этой области сердца возбуждение передается с предсердий на желудочки. В верхней части узла возбуждение распространяется более медленно, чем в остальных отделах проводящей системы сердца. Это очень важно: сократившиеся предсердия должны успеть перекачать кровь в желудочки сердца до того, как последние начнут сокращаться. Из предсердно-желудочкового узла возбуждение направляется по предсердно-желудочковому пучку волокон проводящей системы, который расположен в перегородке между желудочками. Ствол предсердно-желудочкового пучка разделяется на две ножки, одна из которых направляется в правый желудочек, а другая - в левый.

Рис. 22. Схематическое изображение проводящей системы сердца: 1 - синусно-предсердный узел; 2 - предсердно-желудочковый узел; 3 - ствол предсердно-желудочкового пучка; 4 и 5 - его правая и левая ножки; 6 - концевые разветвления ножек ствола предсердно-желудочкового пучка

Процесс возбуждения в сердце первоначально возникает в синусно-предсердном узле, затем распространяется на другие части проводящей системы, и наконец возбуждение с атипической мускулатуры передается на сократительную мускулатуру сердца. Возбудившись, типическая (сократительная) мускулатура сердца сокращается, развивая напряжение для нагнетания крови в аорту и легочную артерию.

Доказательством того, что импульсы возбуждения первоначально возникают в синусно-предсердном узле, является тот факт, что нагревание сердца в области этого узла ведет к учащению сокращений сердца, а охлаждение узла - к замедлению, сердечного ритма.

Познакомимся со степенью автоматии различных отделов сердца лягушки.