Сердце и вены: сравнительный анализ биологических и искусственных насосных систем

Одним из наиболее примечательных примеров конвергенции между биологическими структурами и инженерными решениями является устройство сердечно-сосудистой системы. Сердце представляет собой специализированный мышечный насос, основная функция которого заключается в обеспечении циркуляции крови по всему организму. Вены, в свою очередь, оснащены комплексом анатомических приспособлений, обеспечивающих возврат крови к сердцу. Биологические насосы обладают двумя существенными преимуществами перед искусственными аналогами, создаваемыми для перекачивания жидкостей: они обладают способностью к росту и функционируют без использования механических поршней.

Насосный механизм кровеносной системы функционирует по принципу резиновых мехов (шаров пульверизатора), то есть посредством циклического чередования сжатия и расширения. В фазу систолы (сжатия) сердца кровь нагнетается в кровеносные сосуды, тогда как фаза диастолы (расширения) обеспечивает поступление новой порции крови в сердечные полости, где она аккумулируется до последующего сокращения. Несмотря на различия в механизмах действия, физиологический результат идентичен достигаемому в искусственных насосных системах: в обоих случаях требуются специализированные структуры — клапаны, предотвращающие ретроградный ток жидкости в период наполнения насосной камеры.

Как в физиологических, так и в искусственных насосных системах клапаны представляют собой критически важные функциональные элементы. При их неполном смыкании часть жидкости, вытесненной в фазу сокращения, возвращается в пространство, предназначенное для наполнения свежей порцией, что приводит к существенным потерям энергии насоса. В таких условиях требуется дополнительное усилие для поддержания рабочего давления, необходимого для эффективной циркуляции.

Для детального изучения свойств и механизмов функционирования клапанов системы кровообращения целесообразно первоначально рассмотреть насосный аппарат вен как результат простейшей модификации сосудистой стенки. Вены транспортируют кровь, подлежащую возврату в сердце. Их стенки характеризуются мягкостью и растяжимостью, что обусловливает легкую сжимаемость под действием внешнего давления. При таком сдавливании кровь перемещается в другие отделы венозного русла. При этом необходимо не только обеспечить ее направление к сердцу, но и исключить возможность ретроградного движения. Обе эти задачи решаются посредством специализированных клапанов (заслонок), локализованных на различных участках венозной системы.

Данные анатомические структуры представляют собой парные карманообразные инвагинации внутренней оболочки вен, ориентированные в полость сосуда. На продольном разрезе вены (рис. 62а) визуализируется структура, где ABD обозначает свободный верхний край клапана, а ACD — край, фиксированный к сосудистой стенке. Рис. 62б демонстрирует вену в разрезе, рассекающем каждый клапан на две половины. В данном случае просвет вены расширен вследствие давления крови, которая заполняет карманы клапанов, прижимая их свободные края друг к другу и, таким образом, перекрывая путь в дистальный отдел.

Рис. 62а, 62б, 62в. Продольный и поперечный разрезы вены, демонстрирующие строение и механизм работы клапанов (иллюстрация из первоисточника)

Поперечное сечение вены с клапанами представлено на рис. 62в. С каждой стороны в разрезе видна полость карманов, свободные края которых в области В плотно прилегают друг к другу. Эти схематические изображения наглядно демонстрируют, какое совершенное и одновременно простое анатомическое решение обеспечивает однонаправленный ток крови в организме. При попытке движения крови от С к Е она беспрепятственно раздвигает свободные края клапанов. В момент изменения направления тока (от Е к С) давление самой крови заполняет карманы, прижимая их друг к другу и герметично закрывая просвет.

Существование некоторых из этих клапанов можно верифицировать на собственном теле. При сдавлении, например, крупной вены предплечья, нарушающем нормальный венозный отток, наблюдается локальное вздутие сосуда в определенных точках, что обусловлено скоплением крови в межклапанных пространствах. Давление, обеспечивающее продвижение жидкости в искусственных насосах, создается поршнем; в венозной системе оно генерируется посредством разнообразных механизмов.

При сокращении скелетных мышц (мышц) во время физической активности происходит компрессия вен, расположенных в мышечных массивах или между мышцами и кожными покровами. Вследствие такой компрессии кровь в венах может продвигаться исключительно в проксимальном направлении (к сердцу), поскольку клапаны надежно блокируют ретроградный ток. Любое внешнее давление, например при массажных манипуляциях или даже обычном ударе, оказывает аналогичное действие. Изменения позиции тела также могут модулировать венозный кровоток.

При поднятии руки вверх кровь в венах под действием гравитационных сил устремляется дистально. Напротив, опускание руки вниз инициирует венозное полнокровие, обусловленное не гравитационным оттоком (который предотвращается клапанами), а наполнением вен из более мелких сосудистых структур. При последующем поднятии руки эластические свойства сосудистой стенки обеспечивают ее спадение и вытеснение избыточного объема крови. Таким образом, разнообразные формы мышечной активности, движений и массажные процедуры способствуют поддержанию венозного кровообращения и, следовательно, укреплению физического здоровья.

Вены впадают в сердце, которое анатомически можно рассматривать как значительно расширенный отдел сосудистого русла. Если ускорение циркуляции крови благоприятно для здоровья, то ее стабильное поддержание является безусловной необходимостью. Эту функцию обеспечивает сердце, выполняющее свою задачу непрерывно — независимо от того, бодрствует организм или находится во сне, в состоянии покоя или активности. Для реализации этой функции было бы недостаточно эпизодических сдавлений сосудов, обусловленных мышечной работой или внешними воздействиями.

Вследствие эволюционных процессов на определенном участке сосудистой системы сформировалось мощное расширение, разделенное на четыре камеры, в стенках которого развилась специализированная мышечная ткань. Таким образом, сердце представляет собой высокоспециализированную мышцу с уникальной морфологией и функцией. Для нагнетания крови по артериям и их разветвлениям требуется значительное усилие. Левый желудочек, обеспечивающий продвижение обогащенной кислородом (артериальной) крови по большому кругу кровообращения, генерирует давление, эквивалентное давлению водяного столба высотой 270 сантиметров.

Правый желудочек, осуществляющий легочную циркуляцию (малый круг кровообращения), создает давление, соответствующее водяному столбу в 90 сантиметров. Объем крови, выбрасываемый каждым желудочком при одном сокращении (ударный объем) у человека, составляет приблизительно 170 граммов. При частоте сердечных сокращений около 70 ударов в минуту, работа, совершаемая сердцем за 24 часа, эквивалентна подъему груза массой 60 000 килограммов на высоту одного метра (или 1 килограмма на высоту 60 000 метров).

Сердце представляет собой функционально двойной насос. Его левая половина, как уже отмечалось, предназначена для нагнетания артериальной крови по всему организму, тогда как правая половина перекачивает венозную кровь (бедную кислородом, но обогащенную углекислым газом) через легкие, где происходит оксигенация и удаление углекислоты. Поскольку обе половины сердца имеют принципиально сходное строение, достаточно рассмотреть анатомию и физиологию одной из них, например левой.

Левая половина сердца состоит из желудочка А (рис. 63) и предсердия В. Желудочек ответствен за обеспечение системного кровотока (большой круг), поэтому его мышечная стенка значительно толще стенки правого желудочка, прокачивающего кровь через малый круг. Предсердие выполняет преимущественно резервуарную функцию для накопления крови. Если бы желудочек после каждого сокращения должен был наполняться кровью непосредственно из вен, это потребовало бы значительного времени. Экономия времени достигается тем, что в период систолы желудочка (изгнания крови в аорту Е) в предсердии аккумулируется новая порция крови.

Рис. 63. Схема строения левой половины сердца с обозначением предсердия, желудочка, клапанного аппарата и сухожильных нитей (иллюстрация из первоисточника)

В фазу диастолы (расширения желудочка) кровь из аорты Е потенциально могла бы ретроградно поступать в желудочек. Это предотвращается клапанным механизмом, аналогичным описанному для вен, но с определенными модификациями. В устье аорты расположены три полулунных клапана карманообразного типа, сходящихся в центре сосуда. Один из них обозначен на схеме С, рядом видны фрагменты двух других. Данное анатомическое приспособление исключает регургитацию крови из аорты в желудочек, вследствие чего сердцу не требуется преодолевать обратное давление со стороны магистрального сосуда.

Благодаря этому обстоятельству предсердию В не требуется значительной мышечной силы для продвижения крови в желудочек, который вследствие своей упругости пассивно расширяется в фазу диастолы. Этим объясняется относительно тонкая мышечная стенка предсердия и отсутствие специализированных клапанов в устьях вен, впадающих в сердце. Одним из наиболее примечательных анатомических образований сердца является атриовентрикулярный клапан (в левой половине — митральный), препятствующий обратному току крови в предсердие во время систолы желудочка.

В левом желудочке данный клапан состоит из двух крупных эластичных створок, к которым прилегают две дополнительные малые створки; в правом желудочке (трикуспидальный клапан) насчитывается три створки. Митральный клапан левого желудочка обозначен на рис. 63 литерой F. Кровь беспрепятственно поступает из предсердия в желудочек, раздвигая створки клапана. Для этого необходимо широкое атриовентрикулярное отверстие. Отчасти вследствие его значительного диаметра, а также отсутствия трубчатой конфигурации соединения между предсердием и желудочком, применение карманообразных клапанов в данной локализации было бы неэффективным из-за высокого давления, которое им пришлось бы выдерживать.

Поэтому в атриовентрикулярном соединении сформировались крупные эластичные створки, удерживаемые в функциональном положении особым механизмом. На внутренней поверхности желудочка в его полость выступают несколько сосочковидных выростов миокарда — сосочковые мышцы. От верхушек этих мышечных образований отходят прочные нитевидные сухожильные хорды, фиксирующиеся к свободным краям створок и их желудочковой поверхности.

Вследствие этого в фазу систолы желудочка, когда давление крови прижимает створки клапана в сторону предсердия, сухожильные хорды удерживают их, предотвращая пролапс и обеспечивая герметичное смыкание. При условии интактности клапанного аппарата и неизмененного атриовентрикулярного отверстия регургитация крови в предсердие полностью исключена, что позволяет предсердию в это время аккумулировать новую порцию крови, поступающую из вен.

Следует отметить, что вследствие патологических процессов сердечные клапаны иногда утрачивают свою функциональность. Аналогичным образом, миокард (сердечная мышца) под влиянием заболеваний или хронического переутомления может подвергаться структурным изменениям и ослабевать. Саморегулирующаяся деятельность сердца не способна полностью компенсировать органические поражения клапанов или мышечной ткани. Однако износ, обусловленный регулярной физиологической нагрузкой в нормальных условиях, постоянно восстанавливается благодаря регенераторным процессам и саморегуляции сердечной деятельности. В этом отношении биологический насос — сердце — превосходит любые, даже наиболее совершенные механические устройства, созданные человеком.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.