Биофизика кровообращения

Сердечно-сосудистую систему образует сердце и совокупность сосудов большого и малого кругов кровообращения. Сердце является четырех камерным биологическим насосом с камерами низкого (предсердия) и высокого (желудочки) давления. Клапаны сердца, расположенные между предсердиями и желудочками, а также на выходе крови из желудочков, обеспечивают в нормальных условиях строгую направленность потока крови: из предсердий в желудочки, а затем в артериальную систему большого и малого кругов кровообращения.

Сосудистая система включает артериальные, венозные и сосуды микроциркуляции. Каждый из кругов начинается крупной артерий (большой - аортой, малый - легочной артерией), а затем эти сосуды подразделяются на более мелкие вплоть до артериол. В сосудах минимального диаметра (6-10 мкм) - капиллярах, происходит обмен веществ и газов между кровью и окружающими тканями. Совокупность сосудов с диаметром меньше 100 мкм (артериолы, капилляры и венулы) называется системой микроциркуляции. Капилляры объединяются в венулы, которые, в свою очередь, собираются вместе и формируют более крупные вены. Такое объединение продолжается до образования самых крупных полых вен, которыми большой круг кровообращения заканчивается в правом предсердии. Малый круг завершается легочными венами в левом предсердии.

Основная задача большого круга - снабжение тканей питательными веществами и кислородом, а также удаление продуктов обмена из тканей. Малый круг обеспечивает газообмен в легких - в капиллярах осуществляется обмен кислородом и углекислым газом с атмосферным воздухом. Поэтому в артериях малого круга кровь содержит избыточное количество углекислого газа и низкую концентрацию кислорода. В венах соотношений концентраций газов обратное. Наоборот, в большом круге артериальная кровь обогащена кислородом и содержит мало углекислого газа. Закономерности кровотока во всех тканях организма зависят от физических свойств крови, работы сердца как насоса и состояния кровеносных сосудов.

Реологические свойства крови

Когда говорят о реологических свойствах (от греч. rheos - течение, поток), имеют ввиду механические характеристики, и в первую очередь, вязкость, которые определяют течение крови .

Кровь является сложной неоднородной (гетерогенной) жидкой средой организма. При ее центрифугировании в пробирке образуется слой жидкости - плазмы, расположенной сверху и слой форменных элементов - клеток крови. Плазма представляет собой водный раствор органических и неорганических веществ. Среди клеток выделяют эритроциты, тромбоциты и лейкоциты. Расположение форменных элементов после центрифугирования позволяет заключить, что клетки крови имеют большую плотность по сравнению с плазмой. Эритроциты играют решающую роль в газообмене, тромбоциты - в остановке кровотечения из поврежденных сосудов, лейкоциты - в защите организма от патогенного воздействия микроорганизмов и токсических соединений.

В 1 кубическом миллиметре крови содержится 4,5 - 5.0 миллионов эритроцитов, 200-300 тысяч тромбоцитов и 5000-7000 лейкоцитов. Относительный объем форменных элементов в крови характеризует специальный показатель - гематокрит: отношение суммарного объема всех клеток к объему крови, в которой они находятся:

Н = V_кл / V_кр

В нормальных условиях гематокрит равен 0,45 - 0,5 (45-50%), т.е. примерно половина объема крови приходится на клетки и половина на ее жидкую часть - плазму. Поскольку эритроцит имеет значительно больший объем (V_э 0 = 90 мкм³ ), чем тромбоцит (V_т = 6 - 8 мкм³ ), стоящий на втором месте по количеству среди форменных элементов, гематокрит, в основном, характеризует относительное количество эритроцитов. Величина гематокрита может изменяться от 0, если отсутствуют в плазме клетки и до 1 (100%), когда весь объем крови занимают форменные элементы.

Как показывает теоретический анализ и результаты наблюдений, содержание форменных элементов и прежде всего эритроцитов оказывает выраженное влияние на вязкость крови. Эту зависимость можно выразить следующей формулой: = _e^H, где _ - вязкость крови при гематокрите Н = 0 (вязкость плазмы), е = 2,71 - основание натуральных логарифмов,  - фактор формы. Последняя величина определяется формой частиц в среде и для эритроцитов этот показатель равен 2,5.

График зависимости вязкости от гематокрита приведен на рисунке 71. Коэффициент вязкости крови при нормальных значениях гематокрита (45-50%) изменяется в пределах _ - _= 4 - 5 мПас, а с его увеличением гематокрита очень быстро возрастает. Теоретически рассчитанный коэффициент вязкости при Н = 100% составляет k = 12 - 18 мПас, т.е. превосходит нормальное значение в 3-4 раза. Поскольку вязкость определяет энергетические потери в кровотоке (механическую энергию, которую сообщает сердце), с увеличением вязкости резко возрастают энергетические затраты сердца. В лабораторной диагностике с помощью капиллярных вискозиметров определяют коэффициент вязкости как один из реологических показателей.

На вязкость кро- Рис. 71

ви оказывает влияние не только содержание форменных элементов (эритроцитов), но и характер их взаимодействия в крови. В нормальных условиях поверхность эритроцитарной мембраны имеет отрицательный электрический заряд. Наличие одноименных зарядов на клетках

Рис. 72 дает кулоновскую силу отталкивания, препятст-вующую сближению и склеиванию клеток. При целом ряде патологических состояний в крови появляются химические вещества, которые нейтрализуют электрический заряд. В этом случае силы отталкивания уменьшаются и происходит склеивание - агрегация эритроцитов. Эритроциты имеют форму дисков (см. рис.72, и поэтому в процессе агрегации они формируют достаточно крупные частицы (агрегаты), напоминающие монетные столбики. Если такие агрегаты связаны прочными химическими связями, они механически устойчивы. В этом случае процесс агрегации форменных элементов не только способствует возрастанию вязкости крови, но и может образовывать достаточно крупные частицы, которые закупоривают кровеносные сосуды. Для организма это очень опасное состояние, особенно когда такая частица прекращает кровоток в сосудах сердца или головного мозга.