XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

КАК ПРОЯВЛЯЮТСЯ ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ В РАБОТЕ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Чурилов А.Ю. 1

---

1ФГАОУ ВО "РГГУ" Предуниверсарий РГГУ 11 класс

Жданова О.В. 1

---

1ФГАОУ ВО "РГГУ" Предуниверсарий РГГ

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность темы:Многие люди думают, что основным органом кровеносной системы является сердце. Это я выяснил, когда на занятиях биологии мы изучали, что такое система. Узнали, что в системе есть системообразующий элемент. И когда нас спросили, что является таким элементов в кровеносной системе, все сказали, что сердце. Оно же большое, движет кровь. Если оно остановится, человек умирает. При этом никто не подумал, что система все-таки в первую очередь – «кровеносная», а потом «сердечная», никто не вспомнил об историческом принципе системного анализа. А если подумать, как образовалась в животном мире сердечно-сосудистая система (ССС – в дальнейшем), то станет понятно, что сначала возник механизм обмена живой клетки с окружающей средой. И только потом, когда животное стало крупным, понадобились сначала каналы продвижения гемоглобина между клетками к наружной оболочке, из них образовались сосуды. И только потом, когда сосуды стали длинными, возникло мускульное расширение сосуда для проталкивания частиц крови по этим сосудам.

И я решил разобраться в «системообразующем элементе ССС». От болезней крови много людей страдает и даже умирает. И вообще, о себе нужно знать, как можно больше, ведь самое главное – это здоровье, которое согласно фразеологизму «не купишь».

Цель, задачи, методы проекта

Цель проекта: Разобраться, что собой представляет кровь, как происходит её продвижение по сосудам, какие процессы и явления происходят при этом.

Чтобы этого достичь, нужно ознакомиться с составом крови и строением ее главной части – эритроцитов. Нужно подобрать в интернете и прочесть статьи на эту тему, попытаться смоделировать некоторые процессы, чтобы понятнее было, потом сделать вывод. Следовательно, передо мной такие задачи:

• Подобрать книги, а в интернете нужные статьи.

• Прочесть и разобраться в том, что написано.

• Смоделировать некоторые участки ССС.

• Проделать опыты, моделирующие процессы в ССС.

• Сделать выводы.

Такие задачи требуют разные методы:

• Теоретический;

• Сравнительные;

• Моделирующий;

• Аналитический.

1. Основная часть

1. 1. Функции ССС

Школьники знают, что кровь нужна, чтобы разносить кислород по всему организму. Без него нет всяких «клеточных обменов», реакций окисления. Но кроме клеточного дыхания, кровь, оказывается, имеет множество других функций:

• Клеточное дыхание, то есть перенос кислорода от лёгких к тканям с последующей утилизацией отработанного углекислого газа;

• Питание тканей и клеток поступающими к ним веществами, содержащимися в крови.

• Выведение продуктов распада к лёгким для последующего удаления.

• Поддержание баланса внутренней среды организма.

• Регуляция активности внутренних органов, которая достигается за счёт транспортировки гормонов.

• Обеспечение иммунной реакции при попадании в организм болезнетворных вирусов, бактерий, грибков и других чужеродных белков.

• Поддержание постоянной температуры тела с помощью распределения тепла.

1. 2. Строение сердечно – сосудистой системы

Кровеносная система включает множество элементов, которые подразделяются в зависимости от строения, места нахождения и выполняемой работы - функций. Основная роль, которую играет эта система, заключается в передвижении крови от сердца к другим внутренним органам и тканям и обратно. От этого зависят многие процессы, которые и называют жизнедеятельностью организма.

1. 1. 1. Строение сердца и круги кровообращения

Сердце – это особый насос, нагнетающий кровь и создающий её постоянное движение по сосудам, которые распределяют кровь по всему организму. Мускулатура сердца слегка отличается от гладкой мускулатуры, расположенной в других частях тела. Этот особый тип мускула способен сокращаться с определенной скоростью, позволяя сердцу перекачивать кровь в определенном ритме.

Рис.1 Модель сердца

Сердцесчитается центральным органом ССС. Это полый орган из мышечной ткани. Его внутренняя часть делится перегородками и клапанами на 4 отдела: два желудочка и два предсердия (левые и правые). Правое предсердие перекачивает кровь в правый желудочек, а левое - в левый желудочек.¹ Желудочки по размеру больше, чем предсердия, и их толстые мускульные стенки с силой выталкивают кровь в аорту и легкие. Под действием нервной системы сердце работает ритмично и постоянно, независимо от нашего сознания. Сигналы нервной системы имеют электрическую природу. Электрическая система состоит из двух типов узлов из особых клеток, расположенных в ткани сердца. Первый - это синусовый узел находится в стенке правого предсердия. Импульс от него проходит через предсердия, вызывает мышечное сокращение и перекачивание крови из предсердий в желудочки. Другой узел передает импульс синусового узла желудочкам. Это не позволяет желудочкам сокращаться одновременно с предсердиями и дает им время наполниться кровью. Цикл сокращения сердечного мускула называется сердцебиением. Эти циклы у разных людей могут сильно отличаться. У птиц и млекопитающих частота сердцебиения тем выше, чем мельче животное. Это связано с необходимость поддерживать постоянную температуру тела. Ведь чем больше тело, тем легче сохранить тепло.

Рис. 2. Зависимость удельной теплоёмкости воды (джг/град) от температуры нагрева (С).

Поддержанию температуры млекопитающих в диапазоне 34 – 39 градусов Цельсия способствует особое тепловое свойство воды. Зависимость «теплоёмкость воды – температура нагрева» вовсе не прямая линия. Это видно на графике рис.2. Больше всего нужно энергии, чтобы вода начала нагреваться. Потом необходимо всё меньше и меньше энергии для нагрева воды. И при температуре от 35С до 39-40С можно вообще почти не добавлять энергию.² Но именно в этом диапазоне находится нормальная температура тела теплокровных животных – птиц и млекопитающих. В том числе и человека.

Рис. 2.1. Действия клапанов вен.

А. Направление вверх давление крови заставляет клапан открываться. Кровь течет к сердцу. В. Обратное движение крови закрывает клапаны, которые теперь имеют вид чаши заполненной кровью и перегораживающих сосуд.

Температура определяет скорость движения молекул любых веществ, в том числе и тех, из которых построено тело животных. Чем температура ниже, тем скорость движения молекул меньше, и, следовательно, тем медленнее идут химические реакции, пока их скорость не понизится настолько, что активная жизнедеятельность станет невозможной. Это происходит при температуре образования льда.

Верхний предел переносимых температур зависит от устойчивости белков и жиров. Уже при нагревании выше 42 градусов белки, что называется, могут «свернуться», то есть так измениться, что клетки умирают, и может наступить смерть.

Клапанынаходятся внутри сердца и расположены между предсердиями и желудочками, а также между желудочками и главными артериями. Эти клапаны открываются и закрываются при помощи изменения давления внутри камер и препятствуют обратному оттоку крови. Вибрацию клапанов мы и слышим в стетоскоп или прижав ухо к груди испытуемого.

Частота сердцебиения некоторых животных приведена в Таблице 1³.

Таблица 1

Средняя скорость сердцебиения у некоторых млекопитающих.

Рис. 3. Круги кровообращения.

Циклы кровообращения, замыкающиеся у сердца, образуют два круга. Кровь, циркулирующая по большому кругу, начинает путь в левом желудочке, затем переходит в аорту и по прилегающим артериям попадает в капиллярную сеть, распространяясь по всему организму. После этого происходит молекулярный обмен, а затем кровь, лишённая кислорода и наполненная углекислым газом, попадает в вены, по ним приходит в правое предсердие. Этот цикл у взрослого человека занимает в среднем 20–24 секунды.

Малый круг кровообращения начинается в правом желудочке. Оттуда кровь, содержащая большое количество углекислого газа и продуктов распада, попадает в лёгкие. Там кровь насыщается кислородом и отправляется обратно к левому предсердию и желудочку. Этот процесс занимает порядка 4 сек.⁴

1. 1. 2. Строение сосудов

Артерии несут кровь от сердца ко всем внутренним органам. Чем дальше от сердца, тем тоньше они становятся. В области сердца ширина артерии примерно равна толщине большого пальца, а в руках и ногах их диаметр гораздо меньше.

Аорта - это самая крупная артерия. Она очень эластична, так как должна выдерживать огромное давление крови, поступающей из желудочка. Четырехкамерное сердце гарантирует, что ткани организма будут насыщаться кислородом и поддерживать жизнеспособность организма. Также, большое количество кислорода помогает теплокровным существам поддерживать необходимую температуру тела.

Эти сосуды состоят из 3-х слоёв. Наружный слой – образован эластической соединительной тканью, в ней много пор, через которые проходят микроскопические капилляры, питающие сосудистую стенку, и нервные волокна, которые управляют сокращениями артерии в зависимости от нервных импульсов.

Средний слой состоит из эластических волокон и гладких мышц, которые регулируют скорость тока крови и артериальное давление. Давление может меняться от разных причин. Чем больше диаметр артерии, тем больше в этом слое эластических волокон.

Внутренний слой артерий состоит из тонкого гладкого слоя. Он помогает питанию среднего слоя..

Все эти слои истончаются по мере уменьшения диаметров и доходят до отдельных спиралей мышечных и прочих волокон в капиллярах.

Капилляры – самые тонкие сосуды, которые находятся между артериями и венами. Они пронизывают самых отдалённые участк тканей организма. Несмотря на малый размер, капилляры очень важны, так как снабжают кровью каждую клеточку организма. Через них происходит обмен веществами между кровью и прилегающими тканями. Тончайшие стенки капилляров легко пропускают молекулы кислорода и питательных веществ в крови, которые переходят в ткани органов. Взамен кровь получает содержащиеся в клетках уже ненужные и даже вредные вещества, которые по венам отправляются обратно к сердцу, а затем к лёгким.

Вены переносят кровь от внутренних органов к сердцу. Стенки вен тоже состоят из трёх слоёв, но более тонких. Так как для циркуляции крови по венам не нужно сильное давление стенок, движение осуществляется благодаря внутренним клапанам в венах. Их много в венах нижних и верхних конечностей, где без попеременного сокращения мышечных волокон кровоток был бы невозможен. В крупных венах, напротив, клапанов очень мало или нет вовсе.

1. 1. 3. Состав крови

Кровь состоит из плазмы и так называемых кровяных телец – клеток крови

Плазма кровиэто жидкое межклеточное вещество.

Клетки крови вырабатываются в организме человека красным костным мозгом, тимусом, в селезёнке, лимфатических узлах, тонком кишечнике. Они бывают трёх видов и отличаются строением, формой, размером, функциями

Эритроциты это вогнутые с двух сторон маленькие клетки до 7-10 мкм в диаметре, содержащие в клеточной цитоплазме вещество гемоглобин, потому имеет красный цвет и придает этот цвет всей крови, потому что клетки эритроцитов составляют до 99 % всех клеток крови. Несмотря на то что диаметр эритроцитов около 8 мкм. Однако они могут проходить, не разрушаясь, через капилляры диаметром 3 мкм. При этом они сильно деформируются, становясь похожими на купол парашюта или сворачиваясь в трубочку.

Созревшие эритроциты безъядерные, многих клеточных органелл у них нет и к тому же они не делятся.

В гемоглобине есть железо, которое легко присоединяет кислород. После малого круга кровообращения эритроциты по телу разносят кислород, а к лёгким доставляют диоксид углерода

Рис.4 Эритроциты как купол парашюта в капилляре. Эритроциты свертываются в трубочку.

Рис. 6. Эритроциты в крупном сосуде.

Рис. 5. Модель эритроцита

Основная функция эритроцитов — быть переносчиками гемоглобина — функция пассивная. Кровь не только транспортное средство. Как уже говорилось, она выполняет и другие важные функции. Передвигаясь по сосудам тела, кровь в легких и кишечнике почти что непосредственно соприкасается с внешней средой. И легкие, и особенно кишечник - самые грязные места, ибо здесь организм вплотную соприкасается с внешней средой. Поэтому в кровь легко проникнуть микробам.

Бродячие клетки-охотники, которые сразу включаются в борьбу с инородными белками микробов, получили название лейкоцитов. Лейкоциты – это ядерные клетки белого цвета, которые могут передвигаться. Они даже заходят из крови в межклеточное пространство, чтобы выполнять разные функции. В зависимости от зернистости цитоплазмы делятся на две группы. Первая группа называется зернистой, в неё входят:

• базофилы – способствуют свёртываемости крови;

• эозинофилы – обезвреживают токсины;

• нейтрофилы – захватывают и переваривают бактерии.

Незернистые лейкоциты – это такие клетки:

• моноциты – активные фагоциты (пожиратели) размером 18-20 мкм;

• лимфоциты – главные в иммунной системе, вырабатывающие антитела.

Именно лейкоциты, являясь частью иммунной системы, посредством фагоцитов поглощают чужеродные частицы. И этим защищают организм от инфекций

Лейкоциты борются не только с микробами. Они ещё уничтожают все поврежденные, износившиеся клетки. В тканях организма они постоянно ведут демонтаж, расчищая места для строительства новых клеток тела, а молодые лейкоциты принимают участие и в самом строительстве.

Тромбоциты – это части цитоплазмы костного мозга, заключённые в оболочку. Они имеют веретенообразную форму, их размер всего 2–4 микрона, у них нет ядра. И вместе с плазмой обеспечивают процесс свёртывания крови при ранениях. В образованной сети из волокон фибрина застревают комочки слипшихся тромбоцитов, эритроциты, лейкоциты. Проходят считанные минуты, и образуется значительная пробка. Это та темно-красная корочка, которая останавливает кровь. Сами по себе тромбоциты большой пробки образовать не могут. Затычка получается благодаря выпадению нитей особого белка — фибрина, который в виде фибриногена постоянно присутствует в крови.⁵

1.3. Какие физические процессы происходят в ССС млекопитающего?

1.3.1. Механизм действия – физико-химические процессы газового обмена

Как уже говорилось, основной функцией крови является осуществление клеточного дыхания – газообмен, то есть перенос кислорода от лёгких к тканям с последующей утилизацией отработанного углекислого газа;

Газообмен — это процессы обмена газов между организмом и окружающей средой; то есть, потребление организмом кислорода и выделении углекислого газа с незначительными количествами газообразных продуктов и паров воды. Интенсивность его пропорциональна интенсивности процессов окисления и восстановления, что проходят во всех органах и тканях. Все это регулируется нервной и эндокринной системами.

Газообмен осуществляется работой нескольких систем организма:

• Лёгкими, обеспечивающими обмен газов с наружным воздухом и кровью путём диффузии газов через стенки капилляров и альвеол в легки.

• Кровеносной системой, её дыхательной функцией, зависимой от способности плазмы растворять и способности гемоглобина связывать и отдавать кислород и углекислый газ. А также за счет её транспортной функции - кровотока, обеспечивающего перенос газов крови от легких к тканям и обратно. Считается, что 1 г. гемоглобина может связать приблизительно 1,31 мл кислорода.

1.3.2. Движение по сосуду пульсовой волны

Понятно, что кровь по сосудам движется благодаря насосу – сердцу. Но какой силы должно быть давление при сжатии желудочка сердца, чтобы по многочисленным разветвлениям артерий и капилляров сразу продвинуть порцию крови – весьма вязкой жидкости, а потому имеющей большее сопротивление при движении, чем вода?

Конечно, сразу весь объем крови с места не сталкивается, а идёт постепенное передавливание крови по артериям путем дополнительного сжатия участков самих артерий по всей длине. Возникает так называемая пульсовая волна. Мы этот процесс пытались моделировать опытным путем, продвигая воздух в длинном шарике, постепенно сжимая его рукам и по длине.

В системе кровообращения роль сжимающего насоса играет сердце. Рабочие фазы - систолы (сокращение сердечной мышцы) - чередуются с холостыми фазами - диастолами (расслабление мышцы). В течение систолы кровь, содержащаяся в левом желудочке, выталкивается в аорту, и клапан аорты закрывается. Объем крови, который выталкивается в аорту при одном сокращении сердца, называется ударным объемом (60-70 мл). Поступившая в аорту кровь растягивает ее стенки, и давление в аорте повышается. Это давление называется систолическим(САД, Р_с). Повышенное давление распространяется вдоль артериальной части сосудистой системы. Такое распространение обусловлено упругостью стенок артерий. Это и есть пульсовая волна. В общем, пульсовая волна – это распространяющаяся по аорте и артериям волна повышенного (над атмосферным) давления в период систолы. В опыте мы догадались имитировать сердце резиновой грушей от аппарата Короткова. Правда, отдельные толчки не разбивались на части. Но это потому, что стенки шарика не такие упругие, как стенки артерий.

Но это были опыты с воздухом. Чтобы показать, как передается давление жидкости в сосудах, мы проделали опыт с самодельным подобием манометра. Мы налили подкрашенную воду в прозрачную трубочку, прикрепили воронку к одному краю её, на воронку натянули резиновую мембрану от шарика.

При погружении воронки в миску с водой, вода оказывает давление на мембрану и толкает воду в трубочке. Трубка имеет U-образную форму. И видно, как изменяется уровень подкрашенной воды в трубке по мере погружения датчика – воронки в глубину миски.

Рис. 7

Рис. 9. Два цикла изменения давления крови в плечевой артерии.

Здесь: Т - длительность сердечного цикла; Т_с ≈ 0,3Т - длительность систолы; Т_д ≈ 0,7. Т - длительность диастолы; Р_с- максимальное систолическое давление; Р_д - минимальное диастолическое давление.

Пульсовая волна распространяется со скоростью vп = 5-10 м/с. Величина скорости в крупных сосудах зависит от их размеров и механических свойств ткани стенок.

Рис. 8. Профиль артерии при прохождении пульсовой волны

После прохождения пика волны давление в артерии падает до величины, которую называют диастолическим давлением (ДАД или Рд). Таким образом, изменение давления в крупных сосудах носит пульсирующий характер. Это показано на графике изменения артериального давления в плечевой артерии (рис.9).

При разветвлении сосуды становятся тоньше и их гидравлическое сопротивление быстро растет. Это приводит к уменьшению величины (амплитуды) давления. В мелких артериях колебания давления почти отсутствуют. Уменьшается и его среднее значение. Это видно из графика ниже (см.рис. 10).

Рис. 9.1. Формула скорости пульсовой волны

Е - модуль упругости, h - толщина стенки сосуда, d - диаметр сосуда, ρ - плотность вещества сосуда. [1]

Рис. 10.Распределение давления в различных участках сосудистой системы человека (на оси абсцисс - относительная доля общего объема крови на данном участке)

В течение суток кровь совершает 4200 оборотов. Сечения сосудов в течение суток изменяются. Это связано с тем, что, так как 7-8 литров крови для максимального заполнения всех сосудов недостаточно, то более интенсивно снабжаются те органы, которые в данный момент работают с максимальной нагрузкой. Так, например, после приема пищи наиболее энергично функционируют органы пищеварения, к ним и направляется значительная часть крови; для нормальной работы головного мозга ее не хватает, и человек испытывает сонливость.

В литературе мы даже нашли формулу скорости прохождения пульсовой волны (см.рис. 9.1.)⁶!

1.3.3. Что происходит при разветвлении кровеносных сосудов?

Как и все волны, пульсовые волны в артериях обладают способностью отражаться от тех мест, где возникает препятствие, например, области разветвления артерий. Отраженная от места разветвления волна складывается с основной, и в результате кривая изменения давления крови в сосуде становится двугорбой (см.рис. 11).

Рис. 11. Возникновение отраженной пульсовой волны в месте разветвления артерии. А – разрез ветвящейся артерии; В – изменение артериального давления при наличии отраженной волны

По интервалу между максимумами на кривой давления и известной скорости распространения пульсовой волны можно оценить расстояние, на котором находится место ветвления от точки регистрации давления. Как в эхолокаторе. Иногда на кривой изменения давления бывает больше двух горбов, что значит многократное отражение. Отраженная пульсовая волна тоже деформирует стенки артерий.

Отраженная волна препятствует нормальному току крови и, следовательно, затрудняет нормальную работу системы кровообращения. Кроме того, в области отражения пульсовой волны от места ветвления аорты может возникнуть аневризма - все возрастающее растяжение стенок аорты в данном месте). Поэтому отражение пульсовых волн затрудняет нормальную работу нашей системы кровообращения. Ритмическое растяжение стенки повторяется около 100000 раз в день и приблизительно 2,5 миллиарда раз в течении всей жизни. Иногда стенки не выдерживают и начинают расширяться, образуя, аневризму.

Аневризма возникает в результате действия высокого давления на слабые места сосудистой стенки (области разветвления - бифуркации, изгибов, атеросклеротических бляшек и т.д.). Стенка сосуда выпячивается, образуется дефект, в котором со временем скапливается кровь, вызывая растяжение и истончение его стенки с последующей угрозой разрыва. Тогда делают операцию шунтирования – введение дополнительного пути – шунта – вокруг аневризмы (см. рис.13).

Рис. 12 Место возникновения аневризмы аорты (обозначено красным и желтым цветом)	Рис. 13. Операция обходного шунтирования артерии с оставлением выключенного из кровообращения аневризматического мешка

1.4. Давление крови

Рис. 14 Аппарат измерения кровяного давления.

Всем нам мерили давление. В процессе проведения исследования мы тоже пытались измерить у себя артериальное давление. Почти каждый знает, что нормальный показатель давления равен 120/80 мм ртутного столба. Но далеко не все могут ответить, что на самом деле обозначают эти цифры.

Артериальное давление (АД) формируется при участии сердца, сосудов и движущейся крови и означает давление крови на стенку артерии.

При этом оно зависит от сопротивления крови, ее объема, «выбрасываемого» в результате одного сокращения и интенсивности сокращений сердца. Самый высокий показатель АД может наблюдаться, когда сердце сокращается и «выбрасывает» кровь из левого желудочка, а самый низкий – во время попадания в правое предсердие, когда главная мышца расслаблена (диастола).

Под верхним давлением или, если говорить языком науки, систолическим, подразумевается давление крови при сокращении желудочка сердца. Этот показатель демонстрирует то, как сокращается сердце, и зависит он от ряда факторов, а именно от того, каков:

• ударный объем левого желудочка;

• растяжимость аорты;

• предельную скорость «выброса».

Что же касается нижнего – диастолического давления, то оно показывает, какое сопротивление испытывает кровь во время движения по кровеносным сосудам. Оно наблюдается, когда клапан аорты закрывается, и кровь не может вернуться в сердце. При этом само сердце наполняется другой кровью, насыщенной кислородом, и готовится к следующему сокращению.

На диастолическое давление влияют:

• частота сокращения сердца;

• периферическое сопротивление сосудов.

В нормальном состоянии разница между двумя показателями АД колеблется между 30 мм и 40 мм ртутного столба, хотя всё зависит от самочувствия человека. Конечно, существуют конкретные цифры и факты, но каждый организм индивидуален, как и его артериальное давление. В Таблице 2 приведены средние показания нормального давления у человека.

Таблица 2.

Оценка уровня АД. Норма

* — оптимальное с точки зрения развития заболеваний сосудов и сердца, а также смертности⁷.

Высокие значения нижнего давления – это диастолический показатель выше 90 мм рт. ст. Если это давление повышено – ухудшается состояние сосудов и кровообращение во всем организме, поражается сердце, почки, головной мозг, повышается риск инфаркта и инсульта.

1.5. Что происходит с кровью в невесомости?

Люди всегда живут в условиях гравитации. Но в условиях невесомости у космонавтов возникает ощущение, что они висят вверх ногами. Это потому, что теперь кровь на давит на нижние конечности, на космическом корабле нет низа или верха.

Кроме того, кровь, как наиболее подвижный орган в наибольшей мере испытывает инерцию движения при ускорениях, то есть приливает к области теля в противоположном направлении вектору ускорения.

Рис.15 Ткань для компрессионного белья.

Как обеспечить нормальное кровообращение у космонавта и пилота реактивного самолета при действии ускорений? Самое простое решение - это расположить человека так, чтобы его размеры в направлении вектора ускорения были минимальны. Тогда артериальное давление в разных частях тела будет различаться незначительно и перераспределения крови не произойдет. Вот почему космонавты стартуют и приземляются, находясь в полулежачем положении.

Что ещё придумали для человека, чтобы он имел возможность летать в космос и выполнять маневры на реактивных самолетах?

Рис. 16 Спортсменка в компрессионном костюме на тренировке

Придумали надеть на пилота плотно облегающий костюм, между внутренним и внешним слоями которого налита вода?! Тогда при ускорениях давление воды в любом участке такого костюма будет изменяться на ту же величину, что и давление в близлежащих кровеносных сосудах. Поэтому, несмотря на то, что внутри сосуда давление будет по-прежнему возрастать, он уже не сможет расширяться. Перераспределения крови не произойдет. Такой костюм получил название g-костюма и успешно применяется в космонавтике и сверхзвуковой авиации.

Рис. 17 Компрессионные гольфы

Сегодня для этих целей применяется специальное компрессионное белье – носки, чулки, гольфы, изготовленные из латексной нити, оплетенной хлопчатобумажной тканью. Когда использование подобного белья невозможно, используют эластичные бинты из того же латекса, окруженного пряжей из натуральных волокон.

Известно, что венозное русло подвергается наибольшей нагрузке в вертикальном состоянии туловища и в процессе ходьбы, когда фазы сокращения и расслабления мышц постоянно меняются. Поэтому выбор подходящего компрессионного бинта напрямую зависит от образа жизни, диагноза и состояния здоровья пациента.

Эластичные гольфы и колготки носят люди, которые страдают отеком ног. Ноги отекают при длительном сидячем положении в самолете или у лиц «стоячей профессии» - продавцов, например.

Для занятий спортом была разработана особая одежда из специальных эластичных материалов. Она одновременно плотно облегает тело и, при этом не стесняет движений. Упруго обтягивая тело, она поддерживает работу кровеносных сосудов и, тем самым, помогает спортсменам выдерживать сильные и длительные физические нагрузки во время тренировок.

Компрессия в правильном белье всегда градуированная. Часто для стопы полагается высокий уровень компрессии и жесткая фиксация суставов, а далее давление уменьшается, что позволяет не передавить голень и правильно распределять нагрузку.

Рис. 18. Действие компрессионного белья при расширении вен

И ещё. При варикозе вены расширяются. При расширении вены клапаны образуют зазор, который мешает кровотоку и рассредоточивает его. И для того, чтобы ускорить кровоток, необходимо «поджать» клапан, то есть сузить вену. Компрессионная одежда сдавливает ногу и сжимает вену.

2. Выводы

1. Сердечно-сосудистая система (ССС) человека, составляющими которой являются кровь со всеми её составными частями, сердце, сосуды.

2. Системообразующим элементом ССС является именно кровь, ибо исторически в живой природе возникли процессы, которые являются функцией крови. Позднее появились сосуды и сердце.

3. ССС выполняет ряд важных функций:

• Обеспечивает перенос кислорода от лёгких к тканям с последующей утилизацией отработанного углекислого газа;

• Питает ткани и клетки содержащимися в крови веществами,

• Выводит продукты распада к органам выделения.

• Поддерживает баланс внутренней среды организма.

• Регулирует активность внутренних органов, доставляя к ним гормоны.

• Обеспечивает иммунные реакции при попадании в организм болезнетворных вирусов, бактерий, грибков и других чужеродных белков.

• Поддерживает постоянную температуру тела, распределяя тепло.

4. Сердце является основным источников движения крови по малому и большому кругу кровообращения. По малому кругу кровь, проходя через лёгкие, обогащается кислородом. По большому кругу кислород и необходимые для питания клеток организма вещества разносятся по всему организму.

5. Артерии – это сосуды, отходящие от сердца, вены подводят кровь к сердцу. А капилляры – мелкие сосуды, пронизывающие все органы человека. Артерии помогают движению крови от сердца к периферии, ритмично сжимаясь на отдельных участках, продавливая кровь к тканям

6. ССС поддерживает температуру за счет циркуляции теплой крови из глубина организма в кожу, которая постоянно охлаждается в атмосфере.

7. Кровь состоит из плазмы и различных клеток – телец. Эритроциты, красные кровяные тельца – безъядерные клетки, в состав которых входит гемоглобин, легко присоединяющий и отдающий кислород и углекислый газ. Благодаря ему происходят окислительно-восстановительные реакции по всему организму. Лейкоциты – белые кровяные тельца обеспечивают иммунные реакции, уничтожение чужеродных белков (различных микробов) Тромбоциты отвечают за приостановку кровотечений при повреждении сосудов.

8. К физическим процессам, происходящим в ССС, можно отнести газообмен, диффузию газов через стенки сосудов, осмотические явления, за счет которых происходит обмен веществами между кровью и клетками. А также волновые процессы, сопровождающие продвижение крови по ССС.

9. Пульсовая волна возникает в артериях за счет того, что сжатие этих сосудов происходит не сразу по все длине, а перекатывается от одно участка к другому, продвигая кровь вперед.

10. В местах разветвления сосудов возникает отраженная волна, что может привести постепенно к постоянному расширению сосуда, истончению его стенок – к аневризме.

11. Кровь оказывает давление на стенки сосудов не равномерно. При сокращении сердца – систоле – давление высокое, при диастоле – давление низкое. Важно знать свое давление, ибо оно характеризует и работу сердца, и работу сосудов.

12. Для обеспечения нормальной работы ССС в условиях невесомости, предупреждению отёков и др. разработано компрессионное белье, которое за счет сжатия участков тела не дает расширяться венам, как при варикозе.

Я очень много узнал о сердечно-сосудистой системе человека, то есть о себе, что, конечно, очень важно. Я понял, что законы физики никуда не исчезают в биологических объектах. Многие физические процессы происходят в живых организмах, в том числе и человека. Пришлось придумать наглядные модели, чтобы понять происходящие процессы. Так что биологу знать физику следует.

И выходит, что этот проект может пригодиться и на уроках физики, и на занятиях по биологии.

Помогала мне делать проект куратор Жданова О.В., за что я очень ей благодарен.

Литература

1. Горбунов В. М., Смирнова М. И., Курехян А. С.,  Драпкина О. М.,Оценка клинического и амбулаторного артериального давления в практической работе врача первичного звена здравоохранения. Методические рекомендации.// Кардиоваскулярная терапия и профилактика. - Том 22, №7(2023), [Электронный ресурс] – режим доступа: https://cardiovascular.elpub.ru/jour/article/view/3666

2. Федорова В.Н., Фаустов Е.В., Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами: учебное пособие. – 2008. – 592 с. [Электронный ресурс] – режим доступа: http://vmede.org/sait/?id=Medbiofizika_fedorov_2008&menu=Medbiofizika_fedorov_2000&page=11 - Дата обращения: 03.03.2024

3. Интернет портал Образовака. Биология. 8 класс. Состав крови. [Электронный ресурс] – режим доступа: https://obrazovaka.ru/biologiya/sostav-krovi-cheloveka-kratko-8-klass.html - Дата обращения: 03.12.2023

4. Интернет портал Образовака. Физика. 8 класс. Тепловые явления. Удельная теплоемкость воды. [Электронный ресурс] – режим доступа: https://obrazovaka.ru/fizika/udelnaya-teploemkost-vody-opredelenie.html - Дата обращения: 07.12.2023

5. Интернет портал Studwood. Сердечно – сосудистая система млекопитающих. Анатомия и физиология млекопитающих [Электронный ресурс] – режим доступа: https://studwood.net/1924315/meditsina/anatomiya_fiziologiya_mlekopitayuschih - Дата обращения: 07.12.2023

6. Шевяхова Ю.О., Строение и работа сердца. Круги кровообращения, Портал InternetУрок, [Электронный ресурс] – режим доступа: https://interneturok.ru/lesson/biology/8-klass/tema-5-krov-i-krovoobrawenie/stroenie-i-rabota-serdtsa-krugi-krovoobrascheniya, - Дата обращения: 10.01.2024

7. Чайка Л. Д., Жарикова О. Л., Якубовский С. В., Функциональная Анатомия Сердца и Кровеносных Сосудов. Учебно-методическое пособие, Минск, БГМУ 2021 – 82 стр. [Электронный ресурс] – режим доступа: https://rep.bsmu.by/bitstream/handle/BSMU/32173/978-985-21-0758-7.Image.Marked.pdf?sequence=1&isAllowed=y -Дата обращения: 17.02.2024

Приложения

Приложение 1

В приложении 1 я представил отдельные фрагменты информации – интересные факты по теме проекта.

1. В процессе циркуляции часть жидкости из крови просачивается через стенки капилляров и сосудов к внутренним органам. Эта жидкость, визуально чем-то напоминающая плазму, является лимфой, которая попадает в лимфатическую систему. Сливаясь воедино, лимфатические пути образуют довольно крупные протоки, которые в области сердца впадают обратно в венозное русло кардиоваскулярной системы.

2.Помимо двух основных кругов кровообращения, в некоторых физиологических состояниях у человека могут появляться иные пути для циркуляции крови:

Венечный круг является анатомической частью большого и отвечает исключительно за питание сердечной мышцы. Он начинается на выходе венечных артерий из аорты и заканчивается венозным сердечным руслом, которое образует венечный синус и впадает в правое предсердие.

Виллизиев круг призван компенсировать недостаточность мозгового кровообращения. Он располагается в основании головного мозга, где сходятся позвоночные и внутренние сонные артерии.

Плацентарный круг появляется у женщины исключительно во время вынашивания ребёнка. Благодаря ему плод и плацента получают от материнского организма питательные вещества и кислород.

3.В специальных экспериментах создавали условия, при которых эритроциты проходили через мембраны, имеющие поры различных размеров. Оказалось, что обычные эритроциты могут проходить, не разрушаясь через поры диаметром больше 3 мкм, но при проталкивании через поры меньшего диаметра они разрушаются. Клетки с искусственно повышенной жесткостью или принявшие под действием осмотического давления сферическую форму (как то, так и другое делает их менее гибкими) не могут проходить через поры диаметром меньше 8 мкм, не подвергаясь гемолизу.

Описана болезнь крови, именуемая наследственным сфероцитозом, при которой эритроциты имеют сферическую форму и диаметр около 6 мкм. У таких больных гемолиз резко усилен, и хотя образование эритроцитов у них увеличено в несколько раз, оно не компенсирует их потерю в результате разрушения, и развивается анемия. Удаление селезенки в этих случаях приводит к значительному улучшению. Причина этого, вероятно, заключается в том, что при прохождении через капилляры паренхимы селезенки эритроцитам приходится «протискиваться» через очень узкие щели — до 3 мкм. Нормальные клетки могут проходить через них без чрезмерного гемолиза, точно так же, как они проходят через микропоры близкого диаметра в искусственном фильтре. Но патологически измененные сферические клетки не способны к этому.

Рис. . Модель эритроцитов при прохождении через капилляр.

4. Факторы риска патологии ССС

К факторам риска относятся действия человека и влияние некоторых обстоятельств, которые не всегда, но с большей вероятностью приводят к развитию патологии, такие как:

Гиподинамия — малоподвижный образ жизни. Ведет к ожирению, нарушениям работы сердца.

Гиперлипидемия — повышение уровня холестерина и липопротеидов низкой плотности, вызывающих атеросклеротическое поражение сосудов.

Артериальная гипертония — систематическое повышение артериального давления, особенно при отсутствии адекватного лечения.

Тяжелые физические нагрузки — тяжелая атлетика, тяжкий профессиональный труд (строители, шахтеры и т. д.).

Наиболее склонными к развитию аневризм являются мужчины средних лет и пожилые люди, когда сосудистая стенка истончается и более уязвима перед повреждающими факторами.

Современная мода заставляет молодежь носить на себе аналог g-костюма - тесные джинсы. Врачи утверждают, что плотно облегающие брюки могут помочь пострадавшим, имеющим тяжелые травмы ниже пояса, избежать резкого падения артериального давления, которое обычно имеет место при кровопотерях.

Приложение 2

Как живёт жираф, сражение с давлением.

Оказалось, что аналог g-костюма можно найти у жирафа. Конечно, из этого не следует, что жираф - космический пришелец. Необходимость носить такой костюм на Земле объясняется необычайно высоким ростом этого животного, который может достигать 5,5 м. Сердце жирафа находится на высоте около 2,5 м, поэтому кровеносные сосуды ног должны испытывать огромное давление всего этого столба жидкости. Что же спасает ноги жирафа от возникновения отека? Между сосудами ног жирафа и его плотной шкурой находится много межклеточной жидкости, которая точно так же спасает сосуды от чрезмерного расширения, как вода в костюме пилота. Но как у жирафа может подниматься кровь на уровень мозга, т. е. на 3 м выше сердца? Если бы у жирафа на уровне сердца было такое же артериальное давление, как и у человека, то на уровне головы оно было бы уже меньше атмосферного и кровь не могла бы протекать через мозг. Поэтому неудивительно, что жираф - гипертоник. Его артериальное давление на уровне сердца может достигать 50 кПа. Так жираф расплачивается за свой высокий рост.

Большинство живущих на земле животных – «горизонтальные». Головной мозг и сердце – два самых важных органа находится у них на одном уровне. Это очень удобно. Сердцу не нужно дополнительных усилий чтобы снабжать мозг кровью. Сердце типично горизонтальных животных неспособно обеспечивать кровоснабжение мозга при неестественной позе. Если кролику или змее придать вертикальное положение, они очень скоро «потеряют сознание» из-за анемии мозга. Не менее тяжело переносится и обратное изменение позы, когда голова оказывается значительно ниже сердца. В этом случае снабжение мозга кровью расстраивается из-за нарушения оттока, однако в животном мире немало клоунов-виртуозов, вроде летучих мышей, для которых положение тела не имеет существенного значения. В работе сердечно-сосудистой системы скрыто очень существенное противоречие. С одной стороны, чтобы поддерживать кровоснабжение на нужном уровне, необходимо создать высокое давление. С другой стороны, чем выше давление, тем больше вероятность аварии. В любой момент система может не выдержать. Если прорыв произошел в крупном сосуде, быстрая смерть от массивной потери крови неизбежна.

Чтобы давление в системе не превысило нормы, существуют особые контрольные органы — барорецепторы. Важнейшие из них расположены у млекопитающих в дуге аорты, в каротидных синусах сонных артерий, несущих кровь в мозг, в предсердиях и в окончаниях болевых нервов. О малейшем изменении давления они немедленно сигнализируют в продолговатый мозг. Восстановление нормального давления осуществляется не столько деятельностью сердца, сколько с помощью сосудов. Стенки мелких сосудов — артериол снабжены мышцами и легко изменяют свой просвет. Сужаясь, они создают известные препятствия току крови и вызывают тем повышение давления, но могут расшириться так, что давление снизится до критического уровня и циркуляция крови нарушится.