CC BY
46
ТЕОРИЯ НАСОСНОЙ ФУНКЦИИ СЕРДЦА В СОДЕРЖАНИИ ДИСЦИПЛИНЫ «ФИЗИОЛОГИЯ И ТЕОРИЯ СПОРТА»
THE THEORY OF A HEART PUMP FUNCTION
IN THE CONTENT OF THE DISCIPLINE OF PHYSIOLOGY
AND THE THEORY OF SPORTS
А.И. Завьялов, Д.А. Завьялов, Л.А. Лузина A.I. Zavyalov, D.A. Zavyalov, L.A. Luzina
Студент, компетенции, физиология, теория спорта, содержание дисциплины, сердце, насосная функция, пятая камера.
В статье на основе компетентностного подхода предложен способ обогащения содержания дисциплины «Физиология и теория спорта» новым научным знанием о насосной функции сердца, полученным авторами на основе теории насосов. Авторами установлен неизвестный ранее механизм насосной функции сердца, осуществляемый за счет пятой воздушной камеры сердца - перикардиальной полости.
Модернизация высшего образования на основе компетентностного подхода в условиях ФГОС ВО поставила ряд проблем, в том числе и в области обогащения содержания образования за счет включения актуальных новых научных знаний, освоение которых будет способствовать формированию профессиональных компетенций студентов. Как известно, основой любой компетенции являются фундаментальные знания, способность применять эти знания характеризует уровень освоения соответствующей компетенции. Повышение уровня усвоения знаний расширяет возможности для повышения уровня освоения компетенций.
На протяжении нескольких столетий сердце было объектом пристального внимания исследователей. В настоящее время существует много прямо или косвенно связанных с изучением сердца самостоятельных отраслей знаний: например, анатомия сердца - наука о его
Student, competences, Physiology, the theory of pumps, discipline content, heart, pump function, the fifth cardiac camera.
On the basis of a competence-based approach a method of enriching the content of the discipline «Theory of physiology and sports» was provided with new scientific knowledge about the heart pump function, obtained by the authors on the basis of the theory of pumps.The authors have established a previously unknown mechanism of a heart pump function, carried out by the fifth air cardiac chamber that is pericardial cavity.
строении, физиология сердца - наука о его функциях, электрофизиология сердца - наука об электрических явлениях в сердце, гемодинамика - наука о законах движения крови в сердце и сосудах, наука о теории работы миокарда и т.д. Этот список легко продолжить.
Одно из важных достижений в этих направлениях науки - научное открытие А.И. Завьялова и Т.В. Завьяловой «Механизм наполнения кровью полостей сердца человека», зарегистрированное Международной ассоциацией авторов научных открытий и изобретений, № 230 от 06.06.2001 с приоритетом на 08.02.1991 [Завьялов, Завьялова, 2002, с. 55-56; Завьялов, 2013, с. 266].
Сердечная мышца (миокард) обладает уникальным биологическим свойством сокращаться, т.е. преобразовывать энергию электрохимических реакций в механическую работу [Завьялов, 2015, с. 387]. Необходимо отметить, что мышцы проявляют энергию только при сокращении,
<
m
Щ
$9
I %
С И
о
ь
к к
W Рq Н О
Рч < ^
о ^
о о о Q
£ W
н S о
Рч W
о §
к
а
и
W V S
ь
1-4
<с п
W
с
S
Д
н и
щ
PQ
т.е. однонаправленно, и миокард не является исключением. Самостоятельное возвращение миокарда в исходное положение связано
с пассивным процессом расслабления, а не с упругим процессом возврата типа резиновых пипетки или груши (рис. 1).
Мышцы-антогонисты
Ли М
I \ Сгибатели
Разгибатели 1
Рис. 1. Свойства мышц и миокарда во время диастолы изолированного сердца лягушки. Мышцы проявляют силу только при сокращении и не имеют упругой деформации при расслаблении: 1 - для противоположных усилий необходимы мышцы-антогонисты; 2-е расслабленном изолированном сердце лягушки желудочек в покое увеличивается только за счет пассивного расслабления и гравитации
Сердце - поршневой насос. Наиболее наглядно это можно представить на простой модели «сердца», используя самые доступные инструменты: шприц и детали от комплекта для капельницы. Важно понять принцип работы поршневого насоса (рис. 2): в конкретном цилиндре
(см. рис. 2а - 1) путем смещения поршня создается воздушное разрежение - вакуум (см. рис. 2а -2), и туда за счет воздушного разрежения засасывается жидкость из подводящего патрубка (см. рис. 2а - 3, 4), а затем выталкивается поршнем в другую емкость (см. рис. 26).
"Предсердно желудочковая перегородка"
к Легочный "ствол"
Правый желудочек"
Систола «желудочка»
Рис. 2. Модель насосной функции «сердца»: а - диастола правого «предсердия»; б - систола правого «желудочка»
С помощью этой «шприцевой» модели с сердца, создание воздушного вакуума - неразделением функций насоса мы хотели об- обходимое условие функционирования. Без ратить внимание специалистов-физиологов вакуума невозможно присасывание крови в на то, что для поршневого насоса, как и для сердце.
О
Гравитация
2
Аорта
Систола
Диастола
Диастола
Завершение диастолы
Рис. 3. Насос (модель желудочка сердца) с замкнутым циклом движения жидкости: 1, 2, 3- изгнание, при этом создается вакуум; 4, 5, 6- всасывание. В вакууме создана антагонистская сила обратного движения поршня для всасывания жидкости, объемы вытесненной и наполняемой жидкости равны — это закон поршневых насосов и основной закон деятельности сердца
Следующим шагом для понимания сути работы сердца является поршневой насос, моделирующий деятельность изолированного желудочка сердца и перикарда (рис. 3). На рис. 3-1 между дном насоса и поршнем - виртуальная щель (полость «перикарда»), а поршень начинает движение за счет начального напряжения мышцы, выталкивает жидкость в артериовеноз-ный бассейн (см. рис. 3-2, 3), создавая вакуум в «перикардиальной» полости. После прекращения мышечной деятельности поршень стремительно занимает исходную позицию, всасывая жидкость в «желудочек» за счет силы, возникающей в образовавшемся вакууме полости «перикарда» (см. рис. 3-4, 5, 6).
Странно описывают сердце анатомы: «Оно располагается в среднем средостении, лежит на сухожильном центре диафрагмы и фиксировано на крупных кровеносных сосудах» [Воробьев, 2003, с. 646]. О перикарде, неотъемлемой части сердца, внутри которого оно находится и в нем фиксируется на указанных сосудах, здесь даже упоминания нет, и только через 35 (!) страниц [Воробьев, 2003, с. 681] появляется описание «перикардиальной сумки».
Этот обывательский термин полностью дискредитирует 5-ю камеру сердца - перикарди-альную полость. При таком описании сердце и
перикард понятийно разорваны и, конечно, физиологу трудно функционально связать эту серозную оболочку, создающую виртуальную щель -воздушную перикардиальную полость вокруг мышечной части сердца.
Хорошо известно, что сердце - это насос, нет у него других функций, кроме насосной, перекачивание крови из венозного бассейна и через легкие в артериальную систему. В основе деятельности насоса лежат две функции: всасывание и изгнание. Именно с помощью реализаций этих функций насос перемещает жидкость из одного резервуара (всасывание в себя) в другой (изгнание против сопротивления). Современное сердце человека - сложный поршневой насос, эволю-ционизирующийся в течение тысячелетий.
Заслуживает внимания описание перикарда анатомом A.B. Краевым. Сердце находится в перикардиальной полости. Перикард сращен (закреплен) с окружающими его органами средостения через рыхлую соединительную ткань и с сухожильным центром диафрагмы, не мешает сократительной деятельности сердца, которое, в свою очередь, закреплено внутри него только на выходящих из него крупных сосудах. Особенно важно подчеркнуть, что перикард не изменяет объема в процессе сердечных сокращений [Краев, 1978, с. 352].
<
PQ W
е
$
о с
d
и
о
1-4
о к к
W
а н
о
рц
К £
м р
к
CJ
а_
Щ
са
fh а о
1-4
о
1-4
О
«
CJ
S
Ж
о £
>> о
и
О
«
о щ
tr К
1-4
О
1-4
С et W С
S
X
Н
U W PQ
Полая вена
Рис. 5.1- покой, сердце наполнено и готово к выполнению сердечного цикла; 2 - систола предсердий: предсердия перемещают часть крови в желудочки, уменьшаясь в объеме и увеличивая объем желудочков; 3 - покой, перед систолой желудочков произошло перераспределение объемов
Рис. 4. Схема 5-камерного сердца-насоса во время систолы желудочков, диастолы предсердий и упрощенная схема сердечно-сосудистой системы. Перикард жестко сращен с окружающими его органами средостения через рыхлую соединительную ткань и с сухожильным центром диафрагмы: 1 - правое предсердие; 2 - левое предсердие; 3 - правый желудочек; 4 - левый желудочек; 5 - перикардиальная полость; -Щ— - направление потока крови
На рис. 4 представлена схема сердца в пе-рикардиальной полости с перикардом, закрепленным рыхлой соединительной тканью и сухожильным центром диафрагмы в состоянии сокращения желудочков.
Рассмотрим взаимодействие пяти сердечных камер в целом сердце как поршневого насоса во время сердечного цикла (рис. 5-7, условные обозначения см. на рис. 4).
На рис. 5-1 сердце в покое: предсердия и желудочки наполнены кровью, все клапаны закрыты, перикардиальная полость образует виртуальную щель, тока крови нет. Из вен кровь не поступает из-за наполненных предсердий, венозные входы закрыты соответствующими заслонками, Давление в желудочках несколько превышает давление в предсердиях вследствие инерционного потока из предсердий в конце диастолы желудочков. Давление в легочном стволе и аорте превышает давление в желудочках, поэтому клапаны аорты и легочный закрыты. Сердце готово к выполнению сердечного цикла.
Начинает работать сердце с систолы предсердий (см. рис. 5-2, нагнетательная функция). Сокращение миокарда предсердий уменьшает их объем и вызывает перемещение крови через клапаны в желудочки, прижимая наружные стенки желудочков (эпикард) к перикарду. При этом увеличение объема желудочков растягивает их миокард, готовя к эффективному сокращению в соответствии с законом Франка - Старлинга.
Во время систолы предсердий рабочий поршень - «предсердно-желудочковая перегородка» (выжимает кровь в желудочки под действием миокарда предсердий). На рис. 5-3 сердце вновь в покое, но соотношение объемов крови в камерах (предсердия / желудочки) изменилось: желудочки значительно увеличились в объеме, а предсердия уменьшились. Миокард желудочков растянут и готов к эффективному сокращению: чем мощнее было сокращение предсердий, тем больше крови поступает в желудочки, тем сильнее будет предварительное растяжение миокарда, тем мощнее будет сокращение желудочков (закон Франка - Старлинга).
Рис. 6. Систола желудочков (4) - уменьшение объема желудочков, создает вакуум в перикардиальной полости (5 камера) прижимает мышечную часть сердца к перикарду (5 и 6), растягивая предсердия (упругая деформация), вызывая их диастолу
'94 1
На рис. б представлены систола желудочков и диастола предсердий (см. рис. 6-4, 5). В этой фазе деятельности сердца проявляются сразу две его основные функции: нагнетание и всасывание.
Во время фазы систолы желудочков и диастолы предсердий действуют два рабочих поршня: первый - внешняя поверхность мышечной части сердца - эпикард, взаимодействуя с воздушной перикардиальной полостью, удерживает эпикардиальную поверхность желудочков возле перикарда, не давая смещаться вовнутрь, по закону Бойля - Мариота [Архангельский, 1975, с. 248], и второй - предсердно-желудочковая перегородка, как поршень, увлекается вниз миокардом желудочков, упруго растягивая предсердия и всасывая венозную кровь из вен, а артериальную - из легких в предсердия см. рис. 6 - 6).
Необходимо обратить внимание на то, что миокард предсердий содержит эластично-упругие белки эластин и резилин, которые состоят из свободных полипептидных цепей, сшитых ковалентно в определенных узлах, образуя упругую пространственную сетку. Например, резилин можно растянуть в два-три раза, и, будучи освобожденным от растяжения, он немедленно сокращается до своей прежней длины, как резина в рогатке [Волькинштейн, 1988, с. 421].
Именно перечисленные качества миокарда предсердий обеспечивают эффективное наполнение желудочков во время фазы их диастолы (рис. 7, - 7, 8), где снова проявляется нагнетательная функция предсердий. Рабочий поршень в этой фазе - предсердно-желудочковая перегородка, которая за счет обратной упругой деформации миокарда предсердий перемещается вверх и выдавливает кровь в желудочки.
Рис. 7. Диастола желудочков (7 и 8)- желудочки расслабились, и за счет обратной упругой деформации предсердий кровь выдавливается из них для наполнения желудочков; покой (9) - конец диастолы желудочков, перед систолой предсердий
Сердце снова готово к следующему циклу (см. рис. 7 - 9).
Таким образом, сердце - пятикамерная система, а перикардиальная полость-пятая камера сердца - функционал ьно-диастол ическая структура, обеспечивающая сложную присасывающую функцию сердечной деятельности. Значение пятой камеры огромно. Ее действие проявляется во всех фазах работы сердца [Завьялов, 2005, с. 23-26]. Поистине эффективная насосная работа сердца в целом организме без перикардиальной полости невозможна. Новый взгляд на механизм насосной функции сердца, представленный авторами, актуализировал содержание дисциплины «Физиология и теория спорта» в аспекте требований ФГОС ВО.
Библиографический список
1. Архангельский М.М. Курс физики. Механика: учеб. пособие для студ. физ.-мат. ф-та пед. ин-тов. Изд. 3-е, перераб. М.: Просвещение, 1975. 424 с.
2. Волькинштейн М.В. Биофизика: учеб. руководство. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1988. 592 с.
3. Воробьев В.П. Большой атлас анатомии человека. Минск: Харвест, 2003. 1213 с.
4. Завьялов А.И., Завьялова Т.В. Гипотеза о механизме наполнения кровью полостей сердца человека // Научные открытия: сборник кратких описаний научных открытий - 2002. М., 2002. Вып. 1. С. 55-56.
5. Завьялов А.И. Механизм наполнения сердца венозной кровью // Вестник КГПУ им. В.П. Астафьева. 2013. № 1. С. 261-266.
6. Завьялов А.И. Новые теории деятельности сердца и мышечного сокращения: монография / Краснояр. гос. пед. ун-т им. В.П. Астафьева. Красноярск, 2015.
7. Завьялов А.И. Сердце - пятикамерная система // Теория и практика физической культуры. 2005. №6.
8. Краев A.B. Анатомия человека, М.: Медицина, 1978. Т. 2.
< И
I ч
С
ю
о
ь
к
W
га н о
Рн
щ
и ^ р§
S
I
н К о
Сч
W
I
0
1
I
Рч
о и
S
Ь
1-4
<с
W
с
S
д
н
и
w
Р9
