Układ krwionośny
Większość komórek każdego organizmu wymaga stałego zaopatrzenia w substancje odżywcze. Drobne zwierzęta wodne jak gąbki, parzydełkowce, żebropławy, płazińce i nicienie nie mają wyspecjalizowanego układu krążenia a jego funkcję przejmuje dyfuzja. Dla wyższych zwierząt dyfuzja nie wystarcza a jej funkcje spełniają wyspecjalizowane narządy krążenia tworzące układ krążenia, czyli układ krążenia inaczej układ krwionośny zbudowany u większości zwierząt z:
* Krwi - płynnej odmiany tkanki łącznej składającej się z komórek i fragmentów komórek rozproszonych w płynie.
* Narządu pompującego - zazwyczaj jest nim serce.
* Systemu naczyń krwionośnych lub przestrzeni, w których krąży krew.
Stawonogi i większość mięczaków mają otwarty układ krążenia w którym serce pompuje krew do naczyń z otwartymi zakończeniami z których krew wylewa się do jamy ciała a następnie do komórek w całym ciele i z powrotem do serca.
Pierścienice i niektóre mięczaki oraz szkarłupnie i większość kręgowców ma zamknięty układ krwionośny krew przepływa ciągłym systemem naczyń a cienkie ścianki najdrobniejszych z nich umożliwiają dyfuzję gazów, substancji odżywczych i ubocznych produktów metabolizmu pomiędzy krwią a płynem tkankowym.
Układ krwionośny kręgowców (począwszy od ryb skończywszy na człowieku) składa się z tych samych elementów: serca, naczyń krwionośnych, krwi, limfy, naczyń limfatycznych oraz narządów limfatycznych jak grasica, wątroba czy śledziona. Najdrobniejsze naczynia krwionośne tak zwane naczynia włoskowate mają tak cienkie ścianki by umożliwić wymianę substancji między krwią a płynem wewnątrz komórkowym.
Układ krwionośny spełnia funkcję:
* Transportu do wszystkich komórek substancji odżywczych z układu pokarmowego i rezerw metabolicznych.
* Transport tlenu z narządów oddechowych do komórek ciała.
* Transport zbytecznych produktów metabolizmu do narządów wydalniczych.
* Transport hormonów z gruczołów wydzielania do tkanek docelowych.
* Pomoc w utrzymaniu równowagi płynów ustrojowych.
* Obrona organizmu przed mikroorganizmami chorobotwórczymi.
* Pomoc w utrzymaniu odpowiedniej temperatury ciała u zwierząt stałocieplnych.
Krew kręgowców składa się z bladożółtego płynu znanego jako osocze w którym zawieszone są krwinki, czerwone i białe oraz płytki krwi. Całkowita objętość krwi u człowieka to około 8% masy ciała, czyli w ciele osoby ważącej 70 kg krąży 5,6 l krwi. Osocze to 55% objętości krwi a pozostałe 45% to elementy morfotyczne krwi które są cięższe od osocza dzięki czemu można je od niego oddzielić poprzez wirowanie. Krew wewnątrz ciała jest stale mieszana dzięki jej nieustannemu krążeniu co ratuje ją od rozdzielenia.
* Osocze składa się w około 92% z wody i w około 7% z białek oraz wielu soli oraz innych substancji transportowanych przez krew. Osocze cały czas pozostaje w dynamicznej równowadze z płynem międzykomórkowym i wewnątrzkomórkowym z których przez naczynia włoskowate przedostają się rozmaite substancje. Zmiany w jego składzie powodują odpowiednią reakcję w narządach stosowną reakcję, która prowadzi do odtworzenia stanu równowagi. Osocze zawiera parę rodzajów białek o różnych funkcjach i właściwościach jak: fibrynogen biorący udział w krzepnięciu krwi. Płyn pozostały po krzepnięciu krwi to surowica. Frakcja gammaglobulinowa osocza jest bogata w przeciwciała zwiększając odporność na choroby. Gammaglobulina po oczyszczeniu stosowana jest w leczeniu pewnych chorób. Albuminy i globuliny regulują równowagę płynów ustrojowych. Lipoproteiny biorą udział w transporcie tracylogliceroli i cholesterolu. Lipoproteiny o wysokiej gęstości zapobiegaj odkładaniu się cholesterolu w naczyniach krwionośnych a o niskiej gęstości zawiera duże ilości cholesterolu i odpowiada za jego odkładanie się w naczyniach tętniczych.
* Czerwone krwinki tzw. erytrocyty są wyspecjalizowane w transporcie tlenu, dojrzałe komórki (tylko nie u ssaków) zawierają jądro komórkowe, u ssaków jądro podczas rozwoju komórkowe wypychane jest poza komórkę. Krwinka czerwona ssaka jest elastycznym dwuwklęsłym krążkiem o średnicy 7-8 *m. i grubości 1-2 *m., jej elastyczność umożliwia przeciśnięcie się przez naczynia krwionośne których średnica jest często mniejsza niż wymiary krwinki. W ciele człowieka znajduje się około 30 bilionów czerwonych krwinek czyli około 5,4 miliona w 1mm³ krwi dorosłego mężczyzny i 5 milionów u kobiety. Są one wytwarzane w czerwonym szpiku kostnym niektórych kości (kręgach, żebrach, mostku, kościach czaszki, i kościach długich). Rozwijając się erytrocyty wytwarzają znaczne ilości hemoglobiny czyli barwnika biorącego udział w transporcie tlenu który nadaje kolor czerwony krwi kręgowców. Erytrocyty żyją około 120 dni. Starzejące czerwone krwinki wychwytywane są przez wątrobę i niszczone a ich składniki wracają do obiegu. W ciągu sekundy u człowieka 2,4 miliona erytrocytów ulega zniszczeniu. Anemia polega na niedoborze hemoglobiny co powoduje nie dotlenienie organizmu i poczucie ogólnego osłabienia. Trzy przyczyny anemii to:
* Utrata krwi na skutek krwotoku lub krwawienia wewnętrznego.
* Spadek produkcji hemoglobiny lub czerwonych krwinek na skutek niedoboru żelaza.
* Wzrost tępa niszczenia czerwonych krwinek.
* Białe krwinki to leukocyty specjalizujące się w obronie organizmu przed drobnoustrojami, posiadają zdolność ruchu. Poruszają się pod prąd krwi a nawet przez ściany naczyń krwionośnych. U zdrowego człowieka jest około 7000 krwinek białych w 1mm³ krwi czyli jedna na 700 krwinek czerwonych. W razie infekcji ich ilość może się gwałtownie zwiększyć. Białaczka jest odmianą choroby nowotworowej podczas której białe krwinki mnożą się w szpiku kostnym ze zbyt wielką prędkością a płytki krwi i krwinki czerwone są wypierane przez białe krwinki co może spowodować anemię. Częstym powodem zgonów jest krwotok wewnętrzny w mózgu. Przez nadmiar białych krwinek nie mogą się one rozwinąć co jest powodem spadku odporności na infekcje. Jedynym znanym lekiem jest radioterapia która umożliwia zwolnienie postępowania choroby a nawet jej zatrzymanie nawet do 15 lat. W krwi człowieka występuje pięć rodzajów leukocytów:
* Granulocyty są wytwarzane w czerwonym szpiku kostnym. Charakteryzują się obecnością ziarnistości w cytoplazmie i nieregularnymi, wielopłatowymi jądrami komórkowymi. Znane są trzy rodzaje granulocytów:
* Leukocyty objętochłonne - główne komórki fagocytujące krwi, specjalizujące się w wykrywaniu i pochłanianiu bakterii i resztek obumarłych komórek w zranionych lub zainfekowanych tkankach. W ziarnistościach tych leukocytów trawione są pochłonięte materiały.
* Leukocyty kwasochłonne - w których cytoplazmie znajdują się duże ziarnistości barwiące się jasnoczerono pod wpływem kwaśnych barwników jak eozyna. Wzrost liczby tych leukocytów towarzyszy alergiom i zakażeniom pasożytami.
* Leukocyty Zasadochłonne - cytoplazmatyczne ziarnistości barwią się na niebiesko pod wpływem barwników zasadowych. Odgrywają ważną rolę w reakcjach uczuleniowych. Zawierają one dużo histaminy uwalnianą w uszkodzonych tkankach w toku reakcji alergicznej i heparynę przeciwdziałającą krzepnięciu krwi.
* Agranulocyty o jądrach komórkowych o nerkowym kształcie. Znane są dwa rodzaje agranulocytów:
* Limfocyty - komórki specjalizujące się w produkcji przeciwciał lub walce z bakteriami lub wirusami w bezpośredni sposób.
* Monocyty - największe białe krwinki o średnicy do 20 *m. Tworzone są w szpiku kostnym, w układzie krwionośnym żyją około 24 godzin po czym dalszy ich rozwój przebiega w tkankach gdzie stają się makrofagami pochłaniającymi bakterie, martwe komórki i pozostałości komórkowe.
* Płytki krwi są małymi owalnymi komórkami zwanymi inaczej trombocytami. U ssaków płytki krwi są tworami cytoplazmatycznymi pozbawionymi jądra komórkowego a u pozostałych kręgowców zawierają one jądro komórkowe. W 1 *l ludzkiej krwi jest około 300000 płytek krwi. Powstają w szpiku kostnym z fragmentów cytoplazmy oderwanych od komórek - megakariocytów. Trombocyty nie są kompletnymi komórkami jedynie otoczonymi błoną komórkową kawałkami cytoplazmy. Płytki krwi są pomocne przy krzepnięciu krwi ponieważ przyklejają się do ostrych krawędzi rany tamując upływ krwi. Płytki gromadzące się w pobliżu uszkodzenia wydzielają ADP przyciągające kolejne płytki. W ciągu 5 minut tworzy się tymczasowy skrzep płytkowy. W tym czasie z ponad 30 związków tworzy się trwalszy skrzep. Do powstania docelowego skrzepu potrzebne są wszystkie związki, istnieje choroba zwana hemofilią w której mechanizm krzepnięcia krwi jest upośledzony bo brakuje jednego ze związków.
Układ krwionośny kręgowców składa się z trzech typów naczyń krwionośnych: tętnic odprowadzających krew z serca do tkanek rozgałęziając się na mniejsze tętniczki doprowadzających krew do naczyń włoskowatych łączących się ze sobą w żyły prowadzące krew z powrotem do serca.
Ściany naczyń krwionośnych zbudowane są z trzech warstw. Warstwa wewnętrzna składa się z śródnabłonka, warstwa środkowa to tkanka łączna i mięśnie gładkie a warstwa zewnętrzna to tkanka łączna z włóknami sprężystymi i kolagenowymi. Ściany tętnic są na tyle grube, że nie przepuszczają gazów ani substancji a wymiana między krwią a płynem tkankowym odbywa się poprzez naczynia włoskowate które docierają do prawie każdej komórki ciała a długość ich sieci jest szacowana na 96000 km.
Mięśnie gładkie mogą napinać się lub kurczyć kontrolując ciśnienie i ilość krwi dopływającej do tkanek, gdyby wszystkie te mięśnie się rozluźniły nie starczyło by krwi. Najbardziej dokrwione są : wątroba, nerki i mózg lecz w wypadku zwiększonego wysiłku mięśnie gładkie kierują przepływ krwi w kierunku mięśni i serca ponieważ nerki nie potrzebują jej w takim stopniu jak mięśnie. Połączenie tętniczek z małymi żyłami jest przez tętniczki przedwłosowate, wszystkie ich ujścia opatrzone są zwieraczami pracującymi nie przerwanie i regulującymi dopływ krwi do narządów i ich części.
Serce człowieka jest niewiele większe od pięści i waży niewiele ponad 0,5 kg, w ciągu przeciętnego życia uderza 2,5 miliarda razy i przepompowuje około 300 milionów litrów krwi, jego wydajność zmienia się zależnie od potrzeb metabolicznych od 5-20 litrów przetaczanych na minutę. Ludzkie serce jest silnie umięśnione otoczone łącznotkankowym workiem zwanym osierdziem i znajduje się tuż pod mostkiem.
Wewnętrzna warstwa osierdzia i zewnętrzna serca pokryte są gładką warstwą komórek nabłonkowych a pomiędzy nimi jest niewielka przestrzeń - jama osierdzia wypełniona płynem zmniejszającym tarcie pomiędzy nimi. Ściany serca zbudowane są między innymi z tkanki mięśnia sercowego. Prawa część (prawy przedsionek i komora) oddzielone są od lewej przegrodą która na wysokości przedsionków nosi nazwę przegrody międzyprzedsionkowej a między komorami międzykomorowej. Płytkie zagłębienie na przegrodzie międzyprzedsionkowej - dół owalny to zarośnięty ślad otworu z fazie życia płodowego który pozwalał na ruch krwi bezpośrednio z prawego do lewego przedsionka.
Serce jest wyposażone w zastawki zapobiegające cofaniu się krwi. Zastawka pomiędzy prawą komorą a prawym przedsionkiem to zastawka przedsionkowo-komorowa prawa inaczej zastawka trójdzielna a zastawka po lewej stronie to zastawka przedsionkowo-komorowa lewa a inaczej dwudzielna. Obie zastawki są zamocowane strunami ścięgnistymi w ujściach przedsionkowo-komorowych do mięśni brodawkowych.
Krew powracająca z tkanek wypełnia przedsionki, gdy ciśnienie w nich jest wystarczające otwierają się zastawki w kierunku komór. Krew wypełnia komory których skurcz powoduje, że krew napierając na zastawki je zamyka. Skurcz mięśni brodawkowych i napięcie strun ścięgnistych nie pozwala na otworzenie zastawek w stronę przedsionków.
Pomiędzy komorami serca a ujściem aorty i tętnicy płucnej leżą zastawki półksiężycowate. Zastawka pomiędzy lewą komorą a aortą to zastawka aortalna a pomiędzy prawą komorą a tętnicą płucną to płucna. Krew opuszczająca komory odpycha zastawki na boki a w fazie rozkurczu ciśnienie w tętnicach jest wyższe niż w komorach i zamyka ono zastawki.
Deformacje zastawek nabyte w przebiegu chorób takich jak kiła czy gościec stawowy lub wrodzone bywają przyczyną powrotu części krwi do komory serca co pogarsza wydajność serca. Tę niewydolność można chirurgicznie wyleczyć wszczepiając sztuczne zastawki.
Serce usunięte z organizmu potrafi kontynuować swą pracę przez wiele godzin, o ile jest przechowywane w odżywczym bogatym w tlen płynie. Jest to możliwe dzięki skurczom mięśnia sercowego inicjowanym w nim samym nie zależnie od nerwów.
Każde uderzenie inicjowane jest przez rozrusznik zwany węzłem zatokowo-przedsionkowym, jest on małym zgrupowaniem wyspecjalizowanych komórek mięśnia sercowego, położonych w pobliżu żyły czczej górnej w tylnej ścianie prawego przedsionka. Zakończenia włókien mięśniowych przedsionka zlewają się poprzez wstawki czyli grupy komórek nieznacznie na siebie nachodzących z mięśniem sercowym sprawiając rozprzestrzenianie się skurczów w obu przedsionkach.
Grupa mięśni przedsionkowych przewodzi potencjał czynnościowy do węzła przedsionkowo-komorowego położonego w prawym przedsionku wzdłuż dolnej części przegrody międzykomorowej gdzie przewodzenie impulsu jest spowolnione dzięki czemu istnieje przerwa pomiędzy skurczem przedsionków a komór. Z węzła potencjał czynnościowy jest przekazywany do wyspecjalizowanych włókien mięśniowych zwanych włóknami Purkinjego. tworzących pęczek przedsionkowo-komorowy. Pobudzenie po dotarciu do zakończeń włókien Purkinjego rozprzestrzenia się dalej po zwykłych włóknach mięśniowych komory serca.
Serce uderza około 72 razy na minutę a jedno jego uderzenie trwa około 0,8 sekundy i zwane jest cyklem serca na który składa się faza skurczu i faza rozkurczu.
Objętość krwi wypompowywanej z komory podczas jednego skurczu to pojemność wyrzutowa która po przemnożeniu przez ilość skurczów na minutę daje pojemność minutową serca. Podczas jednego skurczu przepompowywane jest około 70 ml krwi co daje około 5 litrów krwi na minutę ale podczas sytuacji stresowych lub podczas wysiłku może wzrosnąć do 20-30 litrów na minutę.
Pojemność wrzutowa to pojemność krwi przedostającej się do serca z żył. Zgodnie z prawem Sterlinga jej pojemność jest proporcjonalna do pojemności wyrzucanej czyli minutowej.
Im częściej serce bije tym bardziej zwiększa się jego objętość i siła z jaką jego mięśnie się kurczą.
Powodem zwiększenia częstotliwości bicia serca może być wysiłek fizyczny, uwolnienie noadrenaliny przez nerwy współczulne oraz adrenalina wydzielana przez nadnercza w sytuacjach stresowych.
Chociaż serce jest zdolne do samodzielnej pracy to jest jednak zależne od układu nerwowego. Na ściankach naczyń krwionośnych umiejscowione są receptory czuciowe wrażliwe na zmiany ciśnienia wysyłające informacje do ośrodka regulacji czynności serca w rdzeniu przedłużonym. Ten ośrodek kontroluje dwa zespoły nerwów autonomicznych uchodzących do węzła zatokowo przedsionkowego. Nerwy współczulne uwalniają noadrenalinę przyspieszając pracę serca a nerwy przywspółczulne uwalniają acetylocholinę zwalniającą pracę serca.
Częstość uderzeń jest również kontrolowana na drodze hormonalnej. Również zmiany temperatura znacznie wpływają na pracę serca, podczas gorączki ilość uderzeń może sięgnąć 100 na minutę a przy wychłodzeniu organizmu ich ilość spada.
Ciśnienie krwi jest parciem krwi na wewnętrzne ściany naczyń krwionośnych które jest zależne od oporu jaki na krew wywierają naczynia i szybkości uderzeń serca. Gdy objętość krwi na skutek krwotoku lub krwawienia się zmniejsza to ciśnienie krwi również się zmniejsza. Natomiast zwiększenie ilości krwi na przykład poprzez spożywanie soli zatrzymującej wodę w organizmie powoduje zwiększenie ciśnienia.
Tempo przepływu krwi jest regulowane przez opór obwodowy lub inaczej naczyniowy wynikający z lepkości krwi i jej tarcia o ściany naczyń krwionośnych. Lepkość krwi zdrowego człowieka utrzymuje się na stabilnym poziomie a ważniejszą rolę odgrywa tarcie o ściany naczyń krwionośnych, największe w tętniczkach gdzie stosunek ilości przepływającej krwi do przekroju jest największy co oznacza największe tarcie. Długość naczyń krwionośnych się nie zmienia lecz ich przekrój tak. Niewielka zmiana średnicy naczynia krwionośnego oznacza istotną zmianę ciśnienia krwi.
Ciśnienie krwi w tętnicach rośnie podczas skurczu komór a spada podczas ich rozkurczu. Prawidłowe ciśnienie zdrowego młodego mężczyzny w tętnicy ramieniowej to 120/80 mm słupa rtęci. Ciśnienie podaje się w postaci ułamka gdzie ciśnienie skurczowe podaje się w liczniku a rozkurczowe w mianowniku.
Ciśnienie utrzymujące się na poziomie powyżej 95 mm Hg oznacza nadciśnienie tętnicze powodujące przerost i upośledzenie lewej komory sercowej. Powodem takich problemów mogą być skłonności dziedziczne, otyłość i nadmiar soli w diecie.
Ciśnienie jest najwyższe w tętnicach i spada w miarę oddalania się od serca. Ciśnienie krwi docierającej do żył jest bardzo niskie a nawet bliskie zeru. Żyły stawiają przepływającej krwi niewielki opór a ich średnica jest większa od średnicy odpowiadających im tętnic a w ich ściankach znajduje się stosunkowo nie wielka ilość włókien mięśni gładkich. Przepływ krwi jest zależny od ruchów mięśni które powodują ściskanie naczyń żylnych. Żyły o średnicy większej niż 2mm prowadzące krew wbrew kierunkowi siły ciążenia wyposażone są w zastawki zapobiegające cofaniu się krwi. Zastawki zbudowane są z dwóch wyrostków na ścianach naczyń krwionośnych. Długie stanie bez ruchu na przykład u żołnierzy prowadzi do gromadzenia się krwi w żyłach wskutek czego po jakimś czasie wypełnione żyły nie mogą przyjąć więcej krwi od naczyń włoskowatych. Gdy ciśnienie w naczyńkach włoskowatych wzrasta znaczne ilości osocza wyciskane są z systemu krążenia poprzez ścianki kapilar. W ten sposób podczas nawet kilku minut może z krwioobiegu wypaść nawet 20% objętości krwi. Może to prowadzić do niedotlenienia mózgu czego skutkiem jest na przykład omdlenie. Podnoszenie osoby zemdlałej może doprowadzić ją do szoku krążeniowego ponieważ pozycja leżąca organizmu to zachowanie obronne mające na celu przywrócenie krążenia. Szok krążeniowy może być przyczyną śmierci.