Кто изучал законы движения по сосудам

Как образуется кровь? Откуда и куда она течет? Кто и как открыл кровеносную систему у человека?

На эти и многие другие вопросы о «реке жизни» сегодня может ответить даже школьник. Но, как и со многими другими «очевидностями», история с кровью и ее «обращением» в организме была в центре яростных научных споров и баталий.

Сегодняшняя дата в календаре – 16 апреля – примечательна тем, что в этот день в медицину был сделан вклад, кардинальным образом изменивший представления о системе кровообращения. Человеком, сделавшим его, был Уильям Гарвей – английский медик, основоположник физиологии и эмбриологии.

Выстоять ради человечества. Уильям Гарвей – врач, изменивший мир. Читать далее

Что же такого возмутительного было в этом открытии, что вызвало шквал критики европейского научного бомонда?

Вначале совершим небольшой экскурс в вопрос о том, для чего нужна и как работает кровеносная система человека.

Для сохранения жизни организм нуждается во многих веществах. Для их доставки ко всем органам и тканям и служит система кровообращения. Концептуально она представлена сердцем и кровеносными сосудами. Сердце состоит из камер – двух предсердий и двух желудочков (правых и левых) – и подобно насосу «гонит» по сосудам кровь. Сами сосуды состоят из двух больших отделов – артериального и венозного русла. Артерии уносят богатую кислородом кровь от сердца – из его левого желудочка – к органам и тканям. Отдав им кислород и забрав углекислый газ, кровь собирается в вены и по ним возвращается в сердце, а точнее – в правое предсердие. Этот круг кровообращения называют большим.

Далее кровь из правого желудочка по легочным артериям проходит через легкие, и по легочным венам попадает в левое предсердие. Это – малый круг кровообращения.

Как видим, образуется замкнутая система сосудов, отходящих от сердца и возвращающихся к нему.

В самом начале своих опытов Гарвей, как и его современники, безусловно знакомился с трудами своих предшественников.

Непререкаемым авторитетом на тот момент был древнеримский врач Гален (вернее его труды), и авторитет этот был заслуженным. Теории Галена доминировали в европейской медицине на протяжении более тысячи лет.

Данными по анатомии, которые он получал, вскрывая обезьян и свиней, пользовались до выхода примерно в середине XVI столетия работы «О строении человеческого тела» Андреаса Везалия. Будущие врачи изучали труды Галена до XIX века включительно. Его теория о том, что мозг контролирует движения посредством нервной системы, сохраняет свою актуальность и сегодня.

Почему же гарвеевская модель кровообращения вошла в конфронтацию с более ранними представлениями Галена?

Если бы положения теории Галена были основаны на чисто умозрительных выводах, это было бы полдела. Однако Гален объективизировал свои заключения, вскрывая трупы животных и людей (гладиаторов). При вскрытии он подмечал, что крови в левых отделах сердца нет. Также он полагал, что кровь переходит из правой половины сердца в левую через особое отверстие (отверстия) в перегородке (согласно одним данным – между желудочками, другим – между предсердиями). Несмотря на то, что анатомы не могли обнаружить упоминаемые отверстия, авторитет Галена был таким, что его утверждение не ставилось под сомнение. Последователи Галена не обнаруживали крови и в артериях вскрытых тел, в то время, как вены были полны.

Гален считал артериальную и венозную кровь различными жидкостями, и приписывал им разные функции. Кроме того, он полагал, что после попадания крови на периферию она «уничтожается».

Отдельные представители последующих поколений ученых так или иначе уточняли положения галеновской теории кровообращения, однако полную ясность в нее внесли работы Гарвея.

Не исключено, что это открытие появилось благодаря приписываемому врачу скептицизму. Уместно ли хотя бы приблизительное сравнение Гарвея с тургеневским Базаровым и его «отрицанием авторитетов» – вопрос риторический. Однако известно, что самому Гарвею было интересно разбираться в вопросах физиологии не только по книгам, но и самостоятельно ставя эксперименты. Именно так он и пришел к своим выводам – не в последнюю очередь благодаря хирургическим опытам на живых животных (так называемая вивисекция). Обвинения его в этом можно услышать и сегодня.

Первое упоминание о том, что «кровь кружит в теле», Гарвей делает еще 1616 году в одной из своих лекций. Однако лишь через двенадцать лет работ он обнародует результаты своего труда, получившего название «Анатомические исследования о движении сердца и крови животных».

Примечательный факт:

Гарвеевский трактат издали крайне небрежно. Чтобы избежать ощутимых затрат, автор отправил рукопись работы малоизвестному немецкому издательству. Произведение напечатали на самой дешевой бумаге, до нас дошло лишь несколько экземпляров. В книге много опечаток: по-видимому ни работники типографии, ни сам автор не вычитывали текст.

***

«Им будет не просто, тем, кто полагается на истину авторитета, вместо того, чтобы полагаться на авторитет истины.» Эти слова, в том или ином виде приписываемые английскому поэту и египтологу-любителю Джеральду Мэсси, возможно в чем-то созвучны с историей открытия Гарвея.

После того, как ученый опубликовал результаты своей работы, он подвергся нападкам научного сообщества.

«Парадоксальное, бесполезное, ложное, невозможное, непонятное, нелепое…» Именно такими эпитетами наградил работу Гарвея Гюи Патэн – лейб-медик Людовика XIV, один из знаменитых представителей медицинской науки того времени. «Мы переживаем эпоху невероятных выдумок, и я даже не знаю, поверят ли наши потомки в возможность такого безумия».

Какой-то период времени сам Парижский медицинский факультет был рассадником консервативных взглядов, авторитет Галена и Авиценны был закреплен парламентским указом.

Как бы то ни было, поддержавшие Гарвея также нашлись. Первым из них был Декарт, чем в значительной степени содействовал торжеству гарвеевских представлений.

В конечном счете основной целью науки является установление объективной истины. Любое предшествующее знание, даже если оно (в чем-то) ошибочно – это источник идеи, когда исследователь, подмечая в нем какие-то несоответствия, берет на себя смелость пойти уже «хоженой тропой». И, дойдя в итоге до истины, не только опровергнуть или уточнить/улучшить существовавшую ошибочную теорию, но и быть благодарным за саму идею, появившуюся благодаря этой теории. Как говорил сам Гален: «Врач должен быть снисходительным к своим предшественникам».

Время все расставляет по своим местам. Это же произошло и с гарвеевским учением о кровообращении.

Другие статьи по теме:

Нобелевский лауреат без аттестата о среднем образовании: Рентген как имя собственное

Изгнан. Поруган. Оправдан патологоанатомами. Крестовый поход врача Озиаса-Тюренна

Движение крови подчиняется физическим и физиологическим закономерностям.

Физические – законы гидродинамики.

• 1-й закон: количество протекающей по сосудам крови и скорость её движения зависит от разности давления в начале и конце сосуда. Чем эта разница больше, тем лучше кровоснабжение.
• 2-й закон: движению крови препятствует периферическое сопротивление.

Физиологические закономерности движения крови по сосудам:

• работа сердца; 
• замкнутость сердечно-сосудистой системы; 
• присасывающее действие грудной клетки; 
• эластичность сосудов. 

В фазу систолы кровь поступает в сосуды. Стенка сосудов растягивается. В диастолу выброса крови нет, эластичная сосудистая стенка возвращается в исходное состояние, в стенке накапливается энергия. При снижении эластичности сосудов появляется пульсирующий кровоток (в норме – в сосудах малого круга кровообращения). В патологических склеротически изменённых сосудах – симптом Мюссе – движения головы в соответствии с пульсацией крови.

Гемодинамика — раздел физиологии кровообращения, использующий законы гидродинамики (физические явления движения жидкости в замкнутых сосудах) для исследования причин, условий и механизмов движения крови в сердечно-сосудистой системе. Гемодинамика определяется двумя силами:

• давлением, которое оказывает влияние на жидкость,
• сопротивлением, которое она испытывает при трении о стенки сосудов и вихревых движениях.

Силой, создающей давление в сосудистой системе, является сердце. У человека среднего возраста при каждом сокращении сердца в сосудистую систему выталкивается 60−70 мл крови (систолический объем) или 4−5 л/мин (минутный объем). Движущей силой крови служат разность давлений, возникающая в начале и конце трубки.

Почти во всех отделах сосудистой системы кровоток носит ламинарный характер — кровь движется отдельными слоями параллельно оси сосуда. При этом слой, прилежащий к стенке сосуда, остается практически неподвижным, по этому слою скользит второй, а по нему, в свою очередь, третий и т.д. Форменные элементы крови составляют центральный, осевой поток, плазма движется ближе к стенке сосуда. Следовательно, чем меньше диаметр сосуда, тем ближе располагаются центральные слои к стенке и больше тормозится скорость их движения из-за вязкого взаимодействия со стенкой. В целом это означает, что в мелких сосудах скорость кровотока ниже, чем в крупных. В правильности этого положения легко убедиться сопоставив скорости кровотока в разных участках сосудистого русла. В аорте она составляет 40 см/с, в артериях — от 40 до 10, артериолах — 10 — 0,1, капилляра — меньше 0,1, венулах — меньше 0,3, венах — 0,3 — 5,0, полой вене — 5 — 20 см/с (К. Шмидт-Ниельсон, 1982).

Наряду с ламинарным в сосудистой системе существует турбулентное движение с характерным завихрением крови. Ее частицы перемещаются не только параллельно оси сосуда, как при ламинарном кровотоке, но и перпендикулярно ей. Результатом такого сложного перемещения является значительное увеличение внутреннего трения жидкости. В этом случае объемная скорость тока крови будет уже не пропорциональной градиенту давления, а примерно равной квадратному корню из него. Турбулентное движение обычно возникает в местах разветвлений и сужений артерий, в участках крутых изгибов сосудов.

Кровь представляет собой взвесь форменных элементов в коллоидно-солевом растворе, она обладает определенной вязкостью, не являющейся величиной постоянной. При протекании крови через капилляр, диаметр которого меньше 1 мм, вязкость уменьшается.

Гемодинамика – раздел физиологии, изучающий причины, условия и механизмы движения крови в сердечно-сосудистой системе.

Движение крови по кровеносным сосудам подчиняется законам гемодинамики. В свою очередь, их можно рассматривать, как частный случай гидродинамики. Т.е. в основе законов движения крови лежат физические законы движения жидкости (воды) по сосудам (имеются в виду, не кровеносные сосуды)

Основным условием кровотока, как и в гидродинамике, является градиент давления между начальными и конечными отделами системы сосудов.

Давление в кровеносных сосудах создается работой сердца. Благодаря его насосной деятельности создается давление крови, которое способствует ее продвижению по сосудам. Во время систолы желудочков порции крови выбрасываются в аорту и легочные артерии под определенным давлением, что приводит к увеличению давления и растяжению эластических стенок сосудистого бассейна. Во время диастолы растянутые кровью артериальные сосуды сокращаются и проталкивают кровь к капиллярам, поддерживая тем самым, необходимое давление. Кровь течет из области высокого, в область низкого давления. При движении ей приходится преодолевать сопротивление, создаваемое, трением частиц крови друг о друга, т.е. внутреннее трение, а так же трением частиц крови о стенки сосудов, т.е. внешнее трение. По мере продвижения крови по сосудам от аорты к венам давление крови уменьшается. Особенно быстро снижается давление в артериолах и капиллярах, т.к. они обладают большим сопротивлением, имеют малый радиус, большую суммарную длину, многочисленные ветвления, создающие дополнительное препятствие кровотоку.

Основной закон гемодинамики. В соответствии с законами гидродинамики количество жидкости (крови), протекающей через поперечное сечение сосуда (Q), за единицу времени (мл/с) или объемная скорость кровотока (Q) прямо пропорциональна разности давления в начале (Р1) сосудистой системы, т.е. в аорте, и в ее конце (Р2), т.е. полых венах, и обратно пропорциональна сопротивлению(R) току крови.

Q= (P1 – P2) / R,

где, Q – объемная скорость крови;

Р1 – давление в аорте;

Р2 – давление в полых венах;

Р1-Р2 – разность давлений, имеющаяся в начале и в конце сосудистой системы, обеспечивает продвижение крови и способствует непрерывному кровотоку. Учитывая, что давление в полых венах равно 0, имеем:

Q=Р/R, где

Р – давление в аорте. Следовательно, Р=QR.

В данном случае Q – это минимальный объем кровотока, который зависит только от насосной функции сердца и определяется по формуле:

МОК= СО х ЧСС,

Где СО – систолический объем;

ЧСС – частота сердечных сокращений.

Т.о. МОК – это количество крови, протекающее в единицу времени (1мин) через поперечное сечение какого-либо участка кровеносного русла. Подставляя его в формулу расчета давления, имеем

Р = СО х ЧСС х R

В связи с замкнутостью кровеносной системы объемная скорость кровотока во всех его отделах (всех артериях, всех капиллярах, всех венах) одинакова и составляет 4-6 л/ мин.

Теперь необходимо определить и выразить R.

R – сопротивление в кровеносном сосуде, его можно определить по формуле Пуазейля: R=8lη/πr4, где

где l – длина сосудов;

η – вязкость крови;

π – константа (число), показывающее отношение окружности к диаметру, всегда равна 3,14;

r – радиус сосуда.

Т.е. сопротивление зависит от длины сосудов, вязкости крови (которая в 5 раз больше вязкости воды), радиуса сосуда. Длина сосуда постоянна, радиус и вязкость – переменные величины. Вязкость крови определяется содержанием в крови форменных элементов, преимущественно эритроцитов и белков, т.е. гематокритом. При уменьшении количества эритроцитов (при анемии) вязкость крови низкая, сопротивление уменьшается. При увеличении количества эритроцитов (эритроцитоз) вязкость крови увеличиваются, сосудистое сопротивление становится выше. Однако, несмотря на то, что вязкость – это переменная величина, организм тем не менее, не имеет возможности изменять ее быстро. Т.е. с точки зрения быстроты регуляции давления вязкость так же можно считать константой. Убирая из формулы Пуазейля все константы, получаем

R ~ 1/r4.

Эта формула показывает, что сопротивление току крови обратно пропорциональна радиусу. Например, чем больше радиус, тем меньше сопротивление.

Обратим внимание, что математическому (физическому) понятию радиуса в физиологии соответствует понятие тонуса сосуда. Эти величины обратно пропорциональны, например, если тонус сосуда увеличивается (гладкомышечные клетки стенок сосуда сокращаются), то его радиус уменьшается, а сопротивление току крови при этом возрастает.

Тонус сосуда ~ 1/r

R ~ (тонус сосуда)4

Причем, зависимость R от радиуса (тонуса) сосуда сильная, в формуле радиус находится в четвертой степени. Значит, даже незначительное изменение радиуса сосудов будет сильно влиять на сопротивление току крови и, следовательно, на давление в сосуде.

Подставляя выражение R в формулу расчета артериального давления, имеем

Р = СО х ЧСС/r4

Эту формулу можно считать базовой для гемодинамики, по крайней мере, для расчета значения давления в магистральных артериях. В клинике именно давление в крупных артериях называют артериальным давлением.

Полученная формула весьма информативна. Она в частности, показывает, какие возможности имеет организм, чтобы быстро изменить артериальное давление. Он может изменить три параметра: СО, ЧСС и r. При этом понятно, что наиболее выражено давление будет меняться при изменении тонуса сосудов (r в четвертой степени).

Кроме того, на основе формулы понятно, что артериальное давление в основном зависит от работы двух систем организма сердца и сосудов. При этом сердце, благодаря своей насосной функции, формирует некий общий уровень давления (МОК= СО х ЧСС), а для его регуляции в основном используется тонус сосудов (R ~ 1/r4.).

Можно так же утверждать, что систолическое давление в основном зависит от работы сердца и характеризует его насосную функцию. Тогда как диастолическое давление в основном определяется эластическими свойствами артерий и характеризует их тонус.

Линейная и объемная скорости кровотока.Общий объем крови в сосудистой системе является важным гомеостатическим показателем. Средняя величина составляет для женщин 6-7%, для мужчин 7-8% от массы тела и находится в пределах 4-6 л. Из этого объема 80-85% крови заполняет большой круг кровообращения, около 10% малый круг кровообращения, 7% находится в сердце.

Объемная скорость кровотока – объем крови, протекающей через поперечное сечение данного отдела сосуда в единицу времени. Измеряется в мл/сек.

Объемная скорость кровотока одинакова во всех отделах сосудистой системы. Очевидно, что если в конкретный момент времени левый желудочек выбрасывает в аорту 70 мл крови, то в то же время в правое предсердие будет притекать такое же количество крови (70 мл), равно кК через капилляры будет проталкиваться объем крови, равный 70 мл. Объемная скорость за минуту соответствует МОК.

Зная объемную скорость кровотока можно рассчитать его линейную скоростьили расстояние, на которое перемещается частица крови в единицу времени, или скорость движения крови в сосудах. Измеряется в м/с.

Линейная скорость, вычисленная по формуле V=Q/π r, где

V – линейная скорость кровотока ( м/с);

Q – объемная скорость(мл/с);

π – число пи;

r – радиус поперечного сечения конкретного отдела кровеносной системы.

Если Q одинакова во всех участках кровеносной системы, то V сильно варьирует и зависит, как это следует из формулы, от суммарного радиуса всех сосудов данного участка кровеносной системы. Самым узким из них является аорта, радиус которой 2,5 см (25 мм), поэтому скорость кровотока здесь максимальна – 0,5 м/с. Наиболее широкий участок – капилляры большого круга кровообращения, суммарный радиус которых в среднем в 600 раз больше аорты (1500 мм или 15 м). Соответственно, здесь скорость кровотока падает в 600 раз и составляет 0,5-1,0 мм/с. Суммарный диаметр (радиус) обеих полых вен в 2 раза больше аорты, кровь течет в них со скоростью 25 см/с. Из формулы и приведенных цифр следует, что V связана с радиусов сосудов линейно и обратно пропорционально.

В центре сосуда линейная скорость максимальна, около стенок минимальна, т.к. велико трение частиц крови о стенку. Более того, непосредственно у стенок сосудов трение столь велико, что говорят о краевом стоянии форменных элементов, т.е. они движутся предельно медленно.

Давление в различных участках кровеносного русла.

Как и скорость кровотока, давление в сосудах обратно пропорционально их радиусу. Наиболее высоким оно оказывается в аорте и равно 140/90 мм рт. ст. 120 мм рт. ст. – систолическое давление, соответствует момента выброса СО из сердца. 90 мм рт. ст. – диастолическое давление, формируется благодаря эластическим волокнам аорты в моменты времени, когда сердце не выполняет свою насосную функцию.

Более широким участком кровеносной системы являются крупные магистральные артерии, соответственно, давление здесь чуть ниже, чем в аорте, и составляет 120/80 мм рт. ст. Еще совсем недавно такое АД, измеряемое на лучевой артерии, считалось в клинике нормальным. Однако в настоящее время, в связи с высоким общим стрессогенным фактором, характерным для современной цивилизации, гиподинамией, в которой существует большинство людей в развитом обществе, клинической нормой АД принимают 139/89 мм рт. ст.

Согласно выше определенной формуле расчета сосудистого давления – Р ~ Q/r4, оно (давление) должно линейно и обратно пропорционально зависеть от радиуса в любом участке кровеносного русла. Однако такая линейная зависимость характерна в основном только для артерий, в капиллярах и венах присутствует ряд сил, факторов, которые значимо влияют на давление, но не учитываются в данной формуле.

Радиус (диаметр) капиллярного русла в 600 раз больше аорты, следовательно, в гидродинамической системе давления в них будет снижаться в 600 раз. Тогда как гемодинамической системе давление в капиллярах падает всего в несколько раз и составляет и 10-25 мм рт. ст. Это происходит вследствие резкого увеличения сопротивления току крови в обменных сосудах. Дело в том, что диаметр отдельно взятого капилляра меньше диаметра эритроцита, который вынужден протискиваться через капилляр. При этом сила трения столь возрастает, что эритроцит, проходя через обменный сосуд, изменяет свою форму, становясь элипсовидным. Это с одной стороны, улучшает диффузию СО2 и О2, с другой – препятствует значительному падению давления в сосуде.

Диаметр полых вен в 2 раза больше аорты. Если бы стенки этих сосудов были жесткими, то давление в полых венах было бы в 2 раза ниже, чем в аорте. На самом деле давление в полых венах равно 0. Это происходит, потому что стенки полых вен, содержащие коллаген, хорошо растягиваются, не оказывая сопротивление току крови. Если R=0, то и Р=0 (Р=QR). Более того, в момент диастолы, когда сердце расслабляется, давление в полых венах становится даже отрицательным. Говорят о присасывающей функции сердца, которая облегчает возврат крови из большого круга кровообращения, уменьшая, тем самым, нагрузку на сердечную мышцу. Давление в венах меньшего диаметра, чем полые, чуть выше, чем в них, но меньше, чем в капиллярах – 5-15 мм рт. ст. Наконец отметим, что в капиллярах и венах нет пульсового давления (систолического, диастолического), т.к. нет пульсовой волны из – за отсутствия эластических волокон в стенках этих сосудов.