Кръв и кръвообращение — урок по биология

1. Защо е нужна кръвоносна система

Всяка клетка трябва да получава кислород и хранителни вещества и да изхвърля CO₂ и отпадъци. При едноклетъчните и малките животни това става с . Но дифузията е бърза само на малки разстояния: времето расте с квадрата на разстоянието – 10 µm кислородът минава за стотни от секундата, а за 1 cm би му трябвали часове (виж Мембрана и транспорт). Затова големите животни имат кръвоносна система: течност, която се движи с поток, помпа (сърце) и тръби (съдове), които стигат до всяка клетка.

О

Отворена и затворена кръвоносна система

При отворената система (насекоми, ракообразни, повечето мекотели) сърцето изтласква течността (хемолимфа) в кухини между органите и тя мие клетките направо. При затворената система (кръстоглавци, главоноги, гръбначни) кръвта никога не напуска съдовете – обменът става през стените на капилярите. Затворената система поддържа по-високо налягане и по-бърз поток.

Насекомите могат да си позволят бавната отворена система, защото кислородът стига до им по отделна система от тръбички – – а не с кръвта.

2. Съставът на кръвта

В тялото на възрастен човек има около 5 L кръв (около 7–8 % от масата му). Тя е съединителна тъкан с течно междуклетъчно вещество – кръвна плазма (около 55 % от обема) – и формени елементи (около 45 %). Плазмата е около 90 % вода; в нея има (албумини, глобулини, фибриноген), глюкоза, соли, , отпадъци като . Плазмата без фибриноген се нарича серум.

	В 1 L кръв	Строеж	Задача
еритроцити	4–5,5 · 10¹²	двойновдлъбнати дискове, ≈ 7,5 µm, без ядро; живеят ≈ 120 дни	пренос на O₂ (и част от CO₂) с хемоглобина
левкоцити	4–10 · 10⁹	с ядро; гранулоцити, лимфоцити, моноцити	защита: фагоцитоза, антитела
тромбоцити	150–400 · 10⁹	късчета цитоплазма от мегакариоцити, 2–3 µm; живеят ≈ 7–10 дни	спиране на кървенето

Всички кръвни клетки се образуват в червения костен мозък от едни и същи . Еритроцитите на бозайниците губят ядрото и повечето , докато узряват – така в тях има място за около 270 милиона молекули , а самите те не изразходват кислорода, който носят (получават енергия само от ). Как хемоглобинът свързва и отдава кислород, е разказано в урока Дишане и газообмен; как левкоцитите ни пазят – в урока за .

О

Хематокрит

Частта от обема на кръвта, която заемат еритроцитите. Мери се, като кръвта се центрофугира в тънка тръбичка: долу се утаяват еритроцитите, над тях – тънък бял слой от левкоцити и тромбоцити, отгоре остава жълтеникавата плазма. Нормата е около 40–50 % при мъжете и около 36–46 % при жените.

t, min5

хематокрит45 %еритроцити5,0 · 10¹²/Lхемоглобин150 g/LMCV90 fLMCHC333 g/LO₂ в 1 L кръв≈ 201 mL

MCV = хематокрит : брой еритроцити = 0,45 L/L : 5,0 · 10¹²/L = 90 · 10⁻¹⁵ L = 90 fL

Нормата за мъже е около 40–50 %, за жени – около 36–46 %.

💡 Хематокритът е частта от обема на кръвта, която заемат еритроцитите. От него и броя на клетките се смята средният обем на един еритроцит (MCV), а от хемоглобина – колко плътно са пълни с него (MCHC). 1 g хемоглобин свързва до около 1,34 mL кислород – повече за това в урока за дишането. Стойностите в пробите са типични, не от истински пациенти.

3. Кръвосъсирване и кръвни групи

Когато съд се нарани, кървенето се спира на три стъпки. Първо гладката мускулатура на стената свива съда. После тромбоцитите залепват за оголения колаген под стената, изпускат вещества, които привличат още тромбоцити, и образуват тромбоцитна запушалка. Накрая започва същинското кръвосъсирване – верига от в плазмата, всеки от които активира следващия.

Т

Кръвосъсирване (опростено)

Наранената тъкан и тромбоцитите отделят тъканен фактор (тромбопластин) → с участието на Ca²⁺ и няколко плазмени фактора се активира протромбинът и става тромбин → тромбинът превръща разтворимия белтък фибриноген в неразтворими нишки фибрин → нишките образуват мрежа, в която се заплитат кръвните клетки: съсирек. Всяка стъпка е ензим, който активира много молекули от следващия – сигналът се усилва многократно.

Повечето фактори на кръвосъсирването се правят в черния дроб, а за няколко от тях (сред тях протромбинът) е нужен витамин K. При липсва фактор VIII или IX и кървенето спира много трудно. Кръвта в банките се пази от съсирване с цитрат, който свързва Ca²⁺. Съсирек в неповреден съд (тромб) е опасен: ако запуши артерия на сърцето или мозъка, причинява инфаркт или инсулт.

Пример

Към две епруветки с прясна кръв се добавя: в първата – натриев цитрат, във втората – цитрат и после излишък от CaCl₂. В коя кръвта ще се съсири?

Цитратът свързва Ca²⁺ йоните, а без тях протромбинът не се активира – в първата епруветка кръвта остава течна.
Във втората излишъкът от Ca²⁺ надвишава свързаното от цитрата – веригата отново върви и кръвта се съсирва.
Изводът: Ca²⁺ е необходим за кръвосъсирването.

По мембраната на еритроцитите има , които се наследяват: системата AB0 и резус-факторът. Ако се прелее кръв с чужд антиген, в плазмата на получателя слепват еритроцитите (аглутинация) – затова преди кръвопреливане групите се проверяват. Кой с кого е съвместим и как се унаследяват и , е подробно в урока Генетика на човека.

4. Сърцето

Сърцето на човека е мускулна торба с размер на юмрук и маса около 300 g. Преградата го дели на дясна половина (с бедна на кислород кръв) и лява (с богата на кислород кръв), а всяка половина има предсърдие, което приема кръвта от вените, и камера, която я изтласква в артериите. Стената на лявата камера е около три пъти по-дебела от тази на дясната – тя тласка кръвта по цялото тяло, а дясната – само през белите дробове.

О

Сърдечни клапи

Между предсърдията и камерите са платнистите клапи: трикуспидалната (тристворна) вдясно и митралната (двустворна) вляво. Сухожилни нишки ги държат да не се обърнат към предсърдието. В основата на аортата и белодробната артерия са полулунните клапи. Клапите се отварят и затварят само от разликата в налягането от двете им страни – и така кръвта тече само в една посока.

Сърдечният мускул има автоматия: сърцето бие и извадено от тялото. Ритъмът се поражда в синусовия възел – група особени мускулни клетки в стената на дясното предсърдие, които сами се деполяризират около 60–100 пъти в минута. Възбуждането минава по предсърдията (те се свиват), после стига до атриовентрикуларния възел, където закъснява с около 0,1 s – докато предсърдията се изпразнят. Оттам по снопчето на Хис и влакната на Пуркиние то стига бързо до цялата камера и тя се свива от върха нагоре. Нервите само ускоряват (симпатикусът, ) или забавят (блуждаещият нерв) този вграден пейсмейкър.

Самото сърце се храни не от кръвта в кухините си, а от коронарните артерии, които излизат от аортата точно над клапата. Запушването на коронарна артерия (обикновено от атеросклеротична плака и тромб) оставя част от мускула без кислород – това е инфарктът на миокарда.

5. Сърдечният цикъл и ЕКГ

Свиването на сърдечния мускул се нарича систола, отпускането – диастола. При пулс 75 удара в минута цикълът трае 0,8 s: систола на предсърдията около 0,1 s, систола на камерите около 0,3 s и обща диастола около 0,4 s. Така всеки участък на сърцето почива повече, отколкото работи. Двата сърдечни тона, които се чуват със слушалка, са затварянето на клапите: първият („лъб“) – на платнистите в началото на систолата на камерите, вторият („дъп“) – на полулунните в края ѝ.

Т

Минутен обем и фракция на изтласкване

Ударният обем (УО) е кръвта, изтласкана от камерата при един удар: УО = EDV − ESV (обемът в края на диастолата минус остатъка в края на систолата). Минутният обем е МО = пулс · УО; в покой ≈ 70 · 70 mL ≈ 5 L/min. Фракцията на изтласкване ФИ = УО / EDV е нормално около 55–70 %.

Закон на Франк–Старлинг: колкото повече кръв се върне към сърцето, толкова повече се разтяга камерата и толкова по-силно се свива. Така сърцето само изравнява изтласканата кръв с върнатата – дясната и лявата половина не могат да се разминат дори с няколко капки на удар. Нагледно всичко това се вижда на P–V цикъла: налягането в камерата спрямо обема ѝ. Четирите му страни са пълненето, изоволуметричното свиване, изтласкването и изоволуметричното отпускане, а площта вътре е работата, която камерата върши при един удар.

пулс72свиване3пълнене10

EDV / ESV122 / 50 mLударен обем73 mLфракция на изтласкване59 %минутен обем5,2 L/minкръвно налягане119/81 mmHg

Клапите се отварят и затварят само от разликата в налягането: митралната – когато камерата е под предсърдието, аортната – когато е над аортата.

💡 Моделът: стената на камерата става все по-твърда при свиването и отново мека при отпускането; аортата е еластичен резервоар, от който кръвта изтича през съпротивлението на съдовете. „Свиване“ е максималната твърдост на камерата (силата на свиване), „пълнене“ – налягането във вените, от което кръвта се връща. Съпротивлението на съдовете тук е постоянно; при истинско натоварване то пада и налягането се покачва по-малко.

О

Електрокардиограма (ЕКГ)

Запис на електричните потенциали на сърцето от електроди по кожата. Зъбецът P е деполяризацията на предсърдията; комплексът QRS – деполяризацията на камерите (реполяризацията на предсърдията се крие в него); зъбецът T – реполяризацията на камерите. Интервалът PQ (≈ 0,12–0,20 s) включва забавянето в атриовентрикуларния възел.

Пример

ЕКГ е записана на хартия, която се движи с 25 mm/s. Разстоянието между два съседни зъбеца R е 20 mm. Какъв е пулсът?

Един цикъл трае $T = \frac{20\ \mathrm{mm}}{25\ \mathrm{mm/s}} = 0{,}8\ \mathrm{s}$ .
Пулс $= \frac{60}{0{,}8} = 75$ удара в минута.
Бързо правило: пулсът е $\frac{1500}{RR}$ , ако $RR$ е в милиметри.

6. Кръвоносните съдове и двата кръга

При бозайниците кръвта минава два пъти през сърцето при една обиколка. В малкия (белодробен) кръг дясната камера тласка бедна на кислород кръв по белодробната артерия към белите дробове, а оттам наситената кръв се връща по белодробните вени в лявото предсърдие. В големия (телесен) кръг лявата камера тласка кръвта по аортата към всички органи, а бедната на кислород кръв се връща по горната и долната куха вена в дясното предсърдие. Внимание: артерия значи „съд, който носи кръв от сърцето“, а не „съд с наситена кръв“.

	Артерии	Капиляри	Вени
стена	дебела, с еластични влакна и гладка мускулатура	един слой ендотелни клетки	тънка, с малко мускулатура
посока	от сърцето	между артериоли и венули	към сърцето
налягане	високо, пулсира	ниско	много ниско
особено	еластичността изглажда пулса	тук става обменът	клапи; мускулите ги притискат („мускулна помпа“)

Липсващото звено на Харви открива Марчело Малпиги през 1661 г.: под микроскопа в белия дроб на жаба той вижда тънки съдове, които свързват най-малките артерии с най-малките вени – капилярите. Те са тесни колкото един еритроцит, но са милиарди и почти няма клетка в тялото, която да е на повече от около 0,1 mm от капиляр.

Т

Уравнение на непрекъснатостта и закон на Поазьой

През всяко ниво на съдовото дърво минава целият поток: Q = A · v, където A е общото сечение на всички съдове от вида. Колкото по-голямо е A, толкова по-бавна е кръвта. Потокът през съд е Q = Δp / R, а съпротивлението по закона на Поазьой е R = 8ηL / (πr⁴): двойно по-тесен съд има 16 пъти по-голямо съпротивление.

Същите закони за течение в тръби се използват и във физиката (виж Статика и флуиди) и при на растенията (виж Строеж и транспорт при растенията). Заради $r^4$ малки промени в радиуса на артериолите силно менят съпротивлението – с тях тялото решава кой орган колко кръв да получи. При бягане артериолите в мускулите се разширяват, а тези в червата се свиват.

L/min5артериоли100

капиляри2500 cm² общо, всеки ≈ 5–10 µmскорост0,33 mm/sналягане34 → 16 mmHgвреме в капиляра1,5 s

Q = A · v → v = 83 cm³/s : 2500 cm² = 0,033 cm/s · средно налягане = Q · R + 3 = 93 mmHg

Всеки капиляр е тънък, но те са милиарди – общото им сечение е около 1000 пъти по-голямо от аортата и кръвта почти спира. Така има време за обмен.

💡 Площите са общите за всички съдове от вида (по учебника на Гайтън), спадовете на налягането – приблизителни. Свий артериолите с 15 % и виж как се мени налягането; после увеличи минутния обем, както при бягане. Точките под графиката се движат пропорционално на корен квадратен от скоростта – иначе в капилярите изобщо не биха помръднали.

7. Кръвно налягане

Налягането в артериите се мени с всеки удар: най-високото е систолното (нормално около 120 mmHg), най-ниското – диастолното (около 80 mmHg). Записва се 120/80. Еластичните стени на аортата се разтягат при систола и се свиват при диастола – така кръвта тече и между ударите. Налягането се мери с маншет: той се надува, докато спре кръвта в артерията на ръката, и се изпуска бавно. Първият шум под маншета (тоновете на Коротков, 1905 г.) отбелязва систолното налягане, а изчезването им – диастолното.

Т

Средно артериално налягане

Средното налягане е МО · R (общото периферно съпротивление) плюс малкото налягане в дясното предсърдие. Понеже диастолата трае по-дълго от систолата, в покой то е близо до диастолното: p̄ ≈ pд + (pс − pд)/3. При 120/80 – около 93 mmHg. Пулсовото налягане е pс − pд.

Тялото пази налягането с отрицателна обратна връзка. В стените на аортата и сънните артерии има барорецептори, които усещат разтягането. Ако налягането се повиши, те сигнализират на и той забавя сърцето и разширява съдовете; ако падне (например при ставане от леглото) – обратното. По-бавно налягането се регулира чрез обема на кръвта през (виж Отделяне и хомеостаза). Трайно високото налягане – хипертонията (над около 140/90 mmHg) – натоварва сърцето и уврежда съдовете, особено заедно с атеросклерозата: мастни плаки в стените на артериите, които ги стесняват.

Пример

Налягането на човек е 150/95 mmHg. Какво е средното му артериално налягане и с колко процента е по-високо от нормалните 93 mmHg?

$\bar p \approx 95 + \frac{150 - 95}{3} \approx 95 + 18{,}3 = 113{,}3\ \mathrm{mmHg}$
$\frac{113{,}3}{93} \approx 1{,}22$ – с около 22 % по-високо.
При същия минутен обем това значи, че общото съпротивление на съдовете е с около 22 % по-голямо.

8. Капилярен обмен и лимфа

Стената на капиляра пропуска вода и малките разтворени вещества, но не и големите белтъци на плазмата. Затова течността се движи под действието на две противоположни сили.

Т

Силите на Старлинг

Хидростатичното (кръвното) налягане в капиляра избутва течност навън. Колоидно-осмотичното (онкотично) налягане на белтъците в плазмата, около 25 mmHg, я дърпа обратно навътре. В артериалния край на капиляра кръвното налягане е около 35 mmHg и течността излиза (филтрация); във венозния край пада до около 15 mmHg и по-голямата част се връща (реабсорбция).

Връща се малко по-малко, отколкото е излязло – около 10 %. Тази течност, заедно с белтъците, които са се измъкнали от кръвта, се събира в тънки слепи съдове – лимфните капиляри. Така се образува лимфата – около 2–4 L на ден. Тя тече бавно по лимфните съдове (с клапи, като вените), минава през , където имунните клетки я проверяват за микроби, и се влива във вените близо до сърцето. От лимфните съдове отнасят и мазнините. Ако лимфата не се оттича или белтъците в плазмата са малко (например при силен глад), течността се трупа в тъканите – оток.

Пример

В артериалния край на капиляр кръвното налягане е 35 mmHg, във венозния – 15 mmHg, и пада равномерно. Онкотичното налягане на плазмата е 25 mmHg. По каква част от дължината на капиляра тече течност навън? (Налягането на течността в тъканите пренебрегваме.)

Налягането на разстояние $x$ (част от дължината) е $p(x) = 35 - 20x$ .
Течност излиза, докато $p(x) > 25$ : $35 - 20x > 25 \Rightarrow x < 0{,}5$ .
Филтрацията е в първата половина на капиляра, реабсорбцията – във втората.

9. Кръвообращението при гръбначните

Клас	Сърце	Кръгове
риби	двукамерно: предсърдие и камера	един кръг: сърце → хриле → тяло → сърце; в сърцето е само бедна на кислород кръв
земноводни	трикамерно: две предсърдия, една камера	два кръга, но кръвта частично се смесва в камерата; дишат и през кожата
влечуги	трикамерно с непълна преграда в камерата (крокодилите – четирикамерно)	два кръга, смесването е малко
птици и бозайници	четирикамерно	два напълно отделни кръга; при птиците аортата завива надясно, при бозайниците – наляво

При рибите кръвта губи голяма част от налягането си в тесните капиляри на и тече към тялото бавно. Двата отделни кръга позволяват на птиците и бозайниците да държат високо налягане в тялото и ниско в белите дробове, където капилярите са тънки и лесно пропускат течност. Това е едно от условията за топлокръвността – голямата нужда от кислород. Как се появяват тези класове в еволюцията, виж в Систематика на растенията и животните.

Плодът в утробата не диша – кислородът идва от майката през . Затова в сърцето му има отвор между двете предсърдия (овалното отверстие) и къс съд между белодробната артерия и аортата (артериалният канал): кръвта заобикаля неработещите бели дробове. При първото вдишване налягането в белите дробове пада и двата пътя се затварят – първо функционално (за часове до дни), а напълно зарастват след седмици до месеци.

10. Тренажор

Минутен обем, фракция на изтласкване, средно налягане, скорост в аортата, закон на Поазьой, MCV и пулс от ЕКГ.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

Q = 6\ \mathrm{L/min},\ A = 2\ \mathrm{cm^2}

Колко cm/s е средната скорост на кръвта в аорта със сечение 2 cm² при минутен обем 6 L/min? (с точност до 0,1)

11. Кръвообращението в числа

0 / 6

📜 Сметката на Харви

Сърцето изтласква около 70 mL кръв при всеки удар и бие 72 пъти в минута. Колко литра кръв минават през него за един час? Сравни с около 5 L кръв в тялото.

🏃 Маратонец

При бягане минутният обем на трениран маратонец стига 25 L/min при пулс 180 удара/min. Колко mL е ударният му обем?

🐢 В капилярите

Минутният обем е 5 L/min, а общото сечение на всички капиляри – около 2500 cm². Каква е средната скорост на кръвта в капилярите в mm/s и колко секунди трае минаването през капиляр с дължина 0,5 mm?

🩸 Фабриката за еритроцити

В 5 L кръв има по 5 · 10¹² еритроцита на литър. Всеки живее около 120 дни. Колко милиона нови еритроцита в секунда трябва да прави костният мозък, за да е броят им постоянен?

🦒 Кръвното налягане на жирафа

Мозъкът на жираф е около 2 m над сърцето. Какво средно налягане (в mmHg) трябва да има в аортата му, за да остане в артериите на мозъка 60 mmHg? (ρ = 1050 kg/m³, g = 9,8 m/s², 1 mmHg ≈ 133,3 Pa)

🚬 Свити артериоли

От никотина гладката мускулатура на артериолите се свива и радиусът им намалява с 10 %. Колко пъти расте съпротивлението им според закона на Поазьой?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

12. ⚠️ Чести грешки

Артерия и вена

✗ Артериите носят кръв с кислород, вените – без кислород.

✓ Артериите носят кръв от сърцето, вените – към него. Белодробната артерия носи бедна на кислород кръв, а белодробните вени – наситена.

Синята кръв

✗ Във вените кръвта е синя.

✓ Венозната кръв е тъмночервена. Вените изглеждат сини заради това как кожата разсейва и поглъща светлината.

Кой задава ритъма

✗ Мозъкът кара сърцето да бие.

✓ Ритъмът се поражда в синусовия възел на самото сърце; нервите и хормоните само го ускоряват или забавят.

Скорост и сечение

✗ В най-тесните съдове кръвта тече най-бързо.

✓ Важно е общото сечение: капилярите са тесни, но милиарди – кръвта в тях е най-бавна.

Клапите

✗ Мускули отварят и затварят клапите на сърцето.

✓ Клапите се движат само от разликата в налягането; сухожилните нишки само ги държат да не се обърнат.

Плазма и серум

✗ Плазмата и серумът са едно и също.

✓ Серумът е плазмата без фибриноген и другите фактори на съсирването – това, което остава след съсирването.

13. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Кои кръвни клетки нямат ядро при човека?

Избери отговор (или натисни 1–4)

14. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

15. Обобщение

✓ Дифузията стига само на малки разстояния – големите животни имат кръвоносна система (отворена или затворена)
✓ Кръвта: плазма ≈ 55 %, еритроцити (O₂, без ядро), левкоцити (защита), тромбоцити (съсирване); хематокрит ≈ 40–50 %
✓ Съсирване: свиване на съда → тромбоцитна запушалка → протромбин → тромбин → фибриноген → фибрин; нужни са Ca²⁺ и K
✓ Сърцето: 4 кухини, платнисти и полулунни клапи; ритъмът – от синусовия възел, закъснение в атриовентрикуларния
✓ $\text{МО} = \text{пулс} \cdot \text{УО}$ , $\text{УО} = \text{EDV} - \text{ESV}$ ; закон на Франк–Старлинг; ЕКГ: P, QRS, T
✓ Голям и малък кръг; артериите носят кръв от сърцето, вените – към него
✓ $Q = A \cdot v$ – в капилярите кръвта е най-бавна; $R \propto 1/r^4$ – артериолите регулират потока и налягането
✓ Кръвно налягане 120/80 mmHg, $\bar p \approx p_{\text{д}} + (p_{\text{с}} - p_{\text{д}})/3$ ; барорецепторите го пазят с
✓ Силите на Старлинг: филтрация в артериалния край, реабсорбция във венозния; излишъкът се връща като лимфа
✓ Риби – 2 кухини и 1 кръг; земноводни – 3 кухини; птици и бозайници – 4 кухини и 2 отделни кръга

💡 Интересен факт

През 1929 г. младият германски лекар Вернер Форсман решава да провери дали в сърцето може безопасно да се вкара тръбичка. Началникът му забранява опита и Форсман го прави на себе си: упоява ръката си, вкарва тънък катетър във вена на лакътя, бута го около 65 cm навътре, слиза по стълбите до рентгена и снима, че върхът на тръбичката е в дясното му предсърдие. Колегите му го осмиват и той напуска кардиологията. Двадесет и седем години по-късно, през 1956 г., получава Нобелова награда заедно с хората, превърнали сърдечната катетеризация в рутинен метод.