5. Układ oddechowy - wentylacja warunkująca oddychanie tlenowe
advertisement
Organizm człowieka jako zintegrowana całość 5. Układ oddechowy - wentylacja warunkująca oddychanie tlenowe ! wymiana gazowa Zdecydowana większość zwierząt, a także człowiek, potrzebuje tlenu do przeprowadzenia wydajnego utleniania wewnątrzkomórkowego*. Jednym z produktów tego procesu jest dwutlenek węgla. Pierwszy z wymienionych gazów - tlen - musi być dostarczony z zewnątrz - ze środowiska. Dwutlenek węgla zaś - usunięty z wnętrza organizmu. Taka wymiana gazowa między organizmem a otoczeniem nazywana jest oddychaniem (respiracją). Wymiana gazowa jest dyfuzją prostą. W warunkach środowiska lądowego o jej wydajności decydują więc przede wszystkim następujące czynniki: wielkość powierzchni wymiany gazowej, a także sprawność wentylacji układu oddechowego. Pewien udział w wymianie gazowej człowieka ma także skóra. Jednak ze względu na niewielkie znaczenie oddychania przez skórę nie będziemy tego zjawiska analizować. 5.1. Budowa i czynności układu oddechowego Układ oddechowy człowieka dzieli się na drogi oddechowe oraz płuca. Drogi oddechowe obejmują jamę nosową, gardło, krtań, tchawicę oraz oskrzela główne, które wchodzą do parzystych płuc (ryc. 69). DROGI ODDECHOWE jama nosowa gardło krtań tchawica oskrzela główne I PŁUCA płuco prawe płuco lewe przełyk Ryc. 69. Model układu oddechowego człowieka - widok ogólny od przodu i z boku * Zachodzi ono także w komórkach wszystkich tlenowców (aerobów): glonów, roślin i wielu grzybów oraz części bakterii. 76 5. Układ oddechowy - wentylacja warunkująca oddychanie tlenowe Każde płuco zamknięte jest w jamie opłucnej, której wilgotna powierzchnia zmniejsza tarcie między płucami i klatką piersiową podczas oddychania. Wdychane powietrze dostaje się do nosa (ryc. 70). Tam ulega ogrzaniu, nawilżeniu i oczyszczeniu z kurzu, bakterii i innych drobnych zanieczyszczeń. Jest to możliwe dzięki wyścieleniu jamy nosowej silnie unaczynioną błoną śluzową z nabłonkiem wielowarstwowym migawkowym, zawierającym liczne komórki śluzowe. Dlatego oddychanie przez nos jest zalecane przez lekarzy. W jamie nosowej znajduje się urzęsiony nabłonek węchowy, tworzący niewielkie pole węchowe. U człowieka ma ono zaledwie 5 cm2 powierzchni, ale jego komórki pozwalają nam odróżnić kilka tysięcy różnych zapachów. Sygnał z pola węchowego przenosi się nerwami węchowymi do mózgowia. Jama nosowa łączy się od tyłu z gardłem - gdzie krzyżują się drogi: oddechowa z pokarmową. Z gardła wdychane powietrze dostaje się do krtani. Narząd ten jest złożonym zespołem chrząstek (jedną z nich jest tzw. chrząstka tarczowata, której wyniosłość nazywana jest u mężczyzn jabłkiem Adama), więzadeł i mięśni, które umożliwiają wydawanie dźwięków. Wejście do krtani ograniczone jest nagłośnią. Poniżej, w najwęższej części krtani, znajdują się fałdy głosowe nazywane czasem strunami głosowymi, które ograniczają szparę głośni*. kość nosowa przepływ powietrza w drogach oddechowych krtań pole węchowe tchawica jama nosowa podniebienie oskrzela główne gardło nagłośnia krtań Ryc. 70. Początkowe odcinki drogi oddechowej (A) oraz tchawica i oskrzela (B) Z krtani wdychane powietrze przechodzi do tchawicy - nieco spłaszczonej, sprężystej rury, wzmocnionej licznymi chrząstkami. W klatce piersiowej tchawica rozgałęzia się na dwa oskrzela główne o budowie podobnej do samej tchawicy. * W zależności od budowy krtani, napięcia fałdów głosowych i prędkości powietrza wydychanego przez szparę głosową wydajemy dźwięki o różnej wysokości i natężeniu. 77 Organizm człowieka jako zintegrowana całość Płuca człowieka tworzą czynną powierzchnię wymiany gazowej. budowa płuc oskrzelik pęcherzyk płucny Oskrzelami głównymi wdychane powietrze przedostaje się do płuc (prawego i lewego). Płuca są pęcherzykowatymi narządami o płatowej budowie: w płucu prawym wyróżnia się trzy płaty, w lewym - dwa. Do każdego z płatów dochodzi odpowiednie rozgałęzienie oskrzeli głównych - oskrzela płatowe (ryc. 70 B, s. 77). Każde dzieli się na coraz drobniejsze i bardziej rozgałęzione oskrzeliki. drobne Najdrobniejsze oskrzeliki kończą się wonaczynia reczkowatymi rozszerzeniami, których krwionośne uwypuklenia - pęcherzyki płucne - stanosieć naczyń wią właściwą czynną powierzchnię wymiany gazowej (ryc. 71). Liczbę pęcherzyków w płucach człowieka szacuje się na 300-500 milionów, a ich łączną powierzchnię na około 90 m2. Pęcherzyki płucne oplecione są niezwykle rozbudowaną siecią naczyń włosowatych. Ryc. 71. Pęcherzyki płucne mają bardzo cienkie ściany zbudowane z nabłonka jednowarstwowego płaskiego. Wentylacja płuc polega na rytmicznych wdechach i wydechach. ruchy oddechowe Całkowita pojemność płuc: pojemność życiowa pojemność zalegająca 78 Przewietrzanie płuc zapewniają ruchy ssąco-tłoczące klatki piersiowej (ryc. 72). Wdech powodowany jest skurczem mięśni oddechowych: przepony rozpiętej na łuku żeber dolnych oraz mięśni międzyżebrowych, rozciągniętych na żebrach. Rozciągnięcie klatki piersiowej we wszystkich trzech kierunkach prowadzi do zwiększenia objętości płuc i wytworzenia podciśnienia zasysającego powietrze. Wydech jest aktem biernym*. Zatem rozluźnienie mięśni oddechowych powoduje, że sprężysta klatka piersiowa, a więc i płuca powracają do pierwotnych rozmiarów. Lekkie nadciśnienie wytłacza wówczas powietrze z płuc. Podczas spokojnego wdechu i wydechu dochodzi do wymiany około 500 cm3 powietrza. Jest to tak zwana objętość oddechowa (ryc. 73). Pogłębienie wdechu pozwala pobrać dodatkowe 2 500 cm3 powietrza (objętość uzupełniająca). Z kolei pogłębienie wydechu pozwala na usunięcie 1 200 cm3 powietrza (objętość zapasowa). Między stanem najgłębszego wdechu i wydechu wymieniane jest jednorazowo około 4 200 cm3 powietrza. Jest to tak zwana pojemność życiowa płuc. Jednak nawet najgłębszy wydech nie doprowadza do całkowitego zapadnięcia się płuc - wciąż zostaje w nich 1 200 cm3 powietrza zalegającego. Dopiero gdy dodamy pojemność życiową i zalegającą, otrzymamy całkowitą pojemność płuc. * Nie dotyczy to wydechu pogłębionego. 5. Układ oddechowy - wentylacja warunkująca oddychanie tlenowe WDECH opłucna POWIETRZE WDYCHANE 78% azotu 21% tlenu 0,03% C 0 2 ok. 1% innych gazów przepona POWIETRZE WYDYCHANE 78% azotu 17% tlenu 4% C 0 2 ok. 1% innych gazów nasycone parą wodną Ryc. 72. Podczas oddechów klatka piersiowa rytmicznie zmienia swoją objętość. W spoczynku wykonujemy średnio 16 oddechów na minutę, co daje wentylację minutową na poziomie 8 dm3 (16 x 500 cm3). W czasie wysiłku wartość ta może wzrosnąć prawie 20 razy. Za regulację pracy układu odObjętość: 4 $ dechowego odpowiedzialny jest ośrodek oddechowy, zlokalizowany dopełniająca ' wi w rdzeniu przedłużonym. Głównym CO 3 E 1 czynnikiem powodującym przyspiel c/> 1• oddechowa \ / \ szenie wentylacji jest wzrost stężenia 3 Qdwutlenku węgla we krwi. m 1 zapasowa Ryc. 73. Całkowita pojemność płuc człowieka wynosi około 5 dm3. zalegająca / . ^ co 2500 cm 3 £ o £ -N w 500 cm 3 8 E V\ * 1200 cm 3 CL 1200 cm 3 • F 7 79 Organizm człowieka jako zintegrowana całość 5.2. Higiena i niektóre choroby układu oddechowego Na sprawność wymiany gazowej mają wpływ także czynniki zewnętrzne. | znaczenie wentyI lacji pomieszczeń Dla prawidłowej wentylacji ustroju ważne jest, aby powietrze było wolne od zanieczyszczeń pyłowych i chemicznych. Pracując w pomieszczeniach zamkniętych, należy dbać o ich prawidłową wentylację. W przeciwnym razie może obniżyć się tam stężenie tlenu. Jeśli spadek jest niewielki - do około 15% objętościowych (113 mmHg) - nasz organizm zareaguje pogłębieniem oddechów i przyspieszeniem pracy serca, zmniejszy się także wydolność umysłowa. W specyficznych sytuacjach może dojść do większego spadku - do około 12% objętościowych powietrza (ok. 90 mmHg). Wówczas nasilają się objawy niedotlenienia (przerywanie oddechu, osłabienie i ospałość). Dalszy spadek stężenia tlenu grozi już uduszeniem. W życiu codziennym znacznie większe jest jednak zagrożenie zatruciem zatrucia tlenkami węgla tlenkami węgla ulatniającymi się na przykład z niesprawnych instalacji kominowych lub pieców. Szczególnie niebezpieczny jest tlenek węgla (czad), gdyż jego powinowactwo do hemoglobiny jest około 200 razy większe niż tlenu. Dlatego już przy zawartości 0,1% CO w powietrzu prawie 80% hemoglobiny zostaje związane w postaci hemoglobiny tlenkowęglowej, która nie przenosi tlenu. Rozłożenie zablokowanej tlenkiem węgla hemoglobiny trwa bardzo długo. J nikotyna O szkodliwości palenia tytoniu nie trzeba chyba nikogo przekonywać, ponieważ szkodliwy wpływ substancji zawartych w dymie papierosowym został udowodniony naukowo (będziemy go jeszcze analizować, por. rozdz. 14). Ci, którzy się nie przejmują szkodliwością palenia, powinni wiedzieć, że w wypadku zachorowania, na PALENIE TYTONIU przykład na raka płuc, najprawdopodobniej żaden POWODUJE koncern tytoniowy nie będzie wypłacał odszkodowań, gdyż informacje o szkodliwości palenia są RAKA umieszczone na każdej paczce papierosów. Poważne Minister Zdrowia problemy pojawią się także przy próbach uzyskania Ryc. 74. Zanim sięgniesz po papierosa, po świadczeń od firm ubezpieczeniowych (wystarczy myśl o konsekwencjach palenia. przejrzeć najnowsze polisy ubezpieczeniowe!). Substancje szkodliPoważnym zagrożeniem dla zdrowia jest też azbest - włóknisty minerał, we: jeszcze niedawno stosowany w budownictwie. Drobiny azbestu gromadzą - azbest się w płucach i są przyczyną chorób nowotworowych. Z kolei górnicy w ko- pył węglowy palniach węgla kamiennego często cierpią z powodu pylicy węglowej płuc wczterotlenek oło(zob. również rozdz. 12). wiu Może zdarzyć się też sytuacja, że u ofiary wypadku (kolizji samochodowej, utonięcia) nastąpi ustanie akcji oddechowej i pracy serca (objawy śmierci klinicznej). W obliczu tego groźnego zjawiska należy działać szybko i profesjonalnie. Umiejętność przywracania czynności oddechowej - resuscytację - powinien opanować każdy człowiek*. I * Ćwiczenia z zakresu pierwszej pomocy na lekcjach PO należy potraktować poważnie. 80 5. Układ oddechowy - wentylacja warunkująca oddychanie tlenowe Dla zdrowia groźne mogą być stany zapalne (zapalenia) oskrzeli oraz płuc. Podczas zapalenia oskrzeli następuje obrzęk błony śluzowej, która produkuje nadmierną ilość śluzu. Towarzyszy temu zwężenie dróg oddechowych i uciążliwy kaszel. Zapalenie mogą wywołać drobnoustroje, ale także dym papierosowy albo smog. Zapalenie płuc jest pojęciem ogólnym, odnoszącym się do różnych bolesnych stanów zapalnych i obrzęków płuc. Najczęstszą przyczyną są infekcje wirusowe lub bakteryjne. Dzięki antybiotykom zapalenie płuc nie jest już tak groźne jak niegdyś. Coraz częstszym schorzeniem jest natomiast astma. Astmatycy cierpią z powodu ataków świszczącego kaszlu i duszności wywołanych zwężeniem górnych dróg oddechowych. Prawdopodobnie większość ataków astmy jest skutkiem alergii - nadwrażliwości układu oddechowego na przykład na roztocza zawarte w kurzu domowym czy pyłki roślin (rozdz. 12). Objawy astmy można szybko zwalczyć, stosując leki rozszerzające oskrzela (zawarte w specjalnych inhalatorach). I stany zapalne układu oddechowego Podsumowanie 1. Oddychanie można interpretować jako proces biochemiczny (oddychanie wewnątrzkomórkowe) lub fizjologiczny (wymiana gazowa, respiracja). 2. Najważniejszym elementem układu oddechowego są płuca. Ich łączna powierzchnia czynna sięga 90 m2. Pojemność życiowa płuc stanowi ponad 4/5 ich pojemności całkowitej. 3. Rytmiczne ruchy klatki piersiowej (wdechy i wydechy) wspomagane skurczami przepony umożliwiają wydajną wentylację układu oddechowego. 4. Sprawność i stan układu oddechowego w znacznym stopniu wpływają na zdrowie. Ćwiczenia 1. Próba Tiffeneau - badanie drożności oskrzelików. Weź najgłębszy wdech. W odległości 10 cm od szeroko otwartych ust umieść zapaloną zapałkę. Postaraj się zdmuchnąć płomień, pamiętając o maksymalnie otwartych ustach. Jeśli nie palisz, nie masz astmy lub innego schorzenia układu oddechowego - powinno ci się udać. 2. Sprawdź liczbę oddechów na minutę w spoczynku. Potem wykonaj 20 przysiadów w czasie 30 s lub przebiegnij 100 m i policz oddechy w pierwszej minucie po wysiłku. Przetestuj w ten sposób również kilku kolegów z klasy. Powinni wykonać takie same ćwiczenia w tym samym czasie. Sformułuj wnioski i zapisz je. 3. Zbadaj koledze tętno i częstotliwość oddechów w spoczynku zaraz po wysiłku i co minutę podczas odpoczynku po wysiłku, aż częstotliwość tętna i oddechu powróci do wartości spoczynkowej. Otrzymane wyniki zapisz w tabeli oraz przedstaw w postaci wykresu. Powtórz kilkakrotnie doświadczenie, badając inne osoby z klasy. Porównaj wyniki innych osób, wyciągnij wnioski i zapisz je. 4. Zaplanuj i, po konsultacji z nauczycielem, wykonaj doświadczenie, które przekona twoich kolegów, że w płucach następuje wymiana gazowa. 81 Organizm człowieka jako zintegrowana całość Polecenia kontrolne 1. Wymień w odpowiedniej kolejności nazwy narządów tworzących układ oddechowy czło4 wieka.:,. . 5 • i | i 2. Wytłumacz, na czym polega oddychanie zewnętrzne i wewnętrzne. 3. Określ funkcję następujących narządów układu oddechowego: a) jama nosowa, b) tchawica, c) drzewo oskrzelowe, d) pęcherzyki płucne. Omów przystosowania w budowie anatomicznej wymienionych narządów do pełnienia właściwych im funkcji. 4. Wyjaśnij mechanizm wdechu i wydechu. Określ, który z etapów oddychania jest aktem czynnym, a który biernym. 5. Krtań jest częścią układu oddechowego, ale również narządem głosu. Wyjaśnij: a) dlaczego mężczyźni mają niższy głos niż chłopcy, b) na czym polega mutacja głosu w okresie dojrzewania, c) dlaczego dojrzewające dziewczęta nie przechodzą mutacji, d) jaka jest różnica w budowie krtani kobiet i mężczyzn. 6. Tabela przedstawia skład chemiczny powietrza wdychanego i wydychanego: Składnik powietrza Azot Tlen Dwutlenek węgla Para wodna Inne gazy Powietrze (% objętości) Wdychane Wydychane 78 21 0,03 Niskie nasycenie (zależne od warunków środowiskowych) 78 17 4 Około 1 Wysokie nasycenie (niezależne od warunków środowiskowych) Około 1 a) przedstaw dane z tabeli w postaci dwóch diagramów; b) wyjaśnij zaobserwowane różnice w składzie chemicznym powietrza wdychanego i wydychanego; c) wytłumacz, dlaczego powietrze wydychane jest nasycone parą wodną. Wyjaśnij, jakie znaczenie ma ten fakt dla mechanizmu wymiany gazowej. 7. Na podstawie informacji zamieszczonych w podręczniku na s. 79 i 82 oblicz: a) minutowe spoczynkowe zużycie tlenu; wartość ta jest iloczynem objętości oddechowej i różnicy udziału procentowego tlenu w powietrzu wdychanym i wydychanym w jednostce czasu; b) ilość tlenu (w dm3), jaka może w ciągu jednej doby przedyfundować do krwi człowieka będącego w spoczynku. 8. Wymień i omów kolejne czynności wykonywane podczas udzielania pierwszej pomocy przedmedycznej ofierze wypadku, u której nastąpiło ustanie akcji oddechowej i zatrzymanie pracy serca. 9. Wymień trzy znane ci choroby układu oddechowego. Podaj ich bezpośrednie przyczyny i przedstaw sposoby zapobiegania im. 10. Wyszukaj w różnych źródłach informacje na temat szkodliwego wpływu palenia tytoniu na układ oddechowy. Zbierz informacje i zamieść je w szkolnej gazetce. 82 6. Uktad krążenia - daleki transport i odporność ustrojowa 6. Uktad krążenia - daleki transport i odporność ustrojowa W każdym wielokomórkowym organizmie zachodzi często konieczność przemieszczania (transportowania) pewnych substancji z jednych miejsc w inne, położone w znacznej odległości. W naszym organizmie za taki daleki transport odpowiedzialny jest układ krążenia krwi (krwionośny) wypełniony krążącą nieustannie krwią. Można więc powiedzieć, że funkcje tego układu są takie, jakie są funkcje krwi (s. 37). Przypomnijmy więc tylko, że dzięki układowi krążenia możliwe jest: - szybkie i wydajne transportowanie gazów oddechowych z płuc i do płuc, - sprawne transportowanie produktów trawienia z przewodu pokarmowego oraz zbędnych i szkodliwych produktów metabolizmu (do nerek), - wyrównywanie temperatury wszystkich płynów ustrojowych i tkanek, - obrona organizmu przed skutkami wtargnięcia ciał obcych (tu ważną rolę spełnia także układ limfatyczny). Dla człowieka - stałocieplnego organizmu o dość dużej masie, znacznej aktywności ruchowej oraz wysokim tempie metabolizmu - nawet drobne niedomagania układu krążenia mogą mieć fatalne skutki. Między innymi dlatego od wielu lat trwają intensywne próby skonstruowania sztucznego serca, naczyń krwionośnych, a nawet spreparowania syntetycznej krwi (ryc. 75). I krążenie Ryc. 75. Zdjęcie sztucznego serca. Stworzenie takiego urządzenia wymaga rozwiązania między innymi problemów zasilania energią, precyzyjnego sterowania jego pracą i odrzucania sztucznych przeszczepów. 6.1. Budowa i czynności układu krążenia krwi oraz limfatycznego Łączna długość naczyń układu krążenia oceniana jest na prawie 100 000 km. Układ krwionośny człowieka (lyc. 76, s. 84) tworzą: serce oraz naczynia krwionośne - tętnice, żyły i naczynia włosowate (kapilarne). Krew krąży wyłącznie w sercu i naczyniach, nie wylewa się więc do jam ciała. Taki typ układu krążenia określa się jako zamknięty. Poza układem krążenia krwi w ciele człowieka występuje także układ limfatyczny (chłonny), spełniający rolę pomocniczego układu krążenia. Uktad krążenia krwi: h serce 5 naczynia: "tętnice żyły "naczynia włosowate Czy wiesz, że... Zamknięty układ krążenia mają wszystkie kręgowce. Większość bezkręgowców natomiast ma otwarty układ krążenia - krew wlewa się do j a m ciała. otwarty układ krążenia raka 83 Organizm człowieka jako zintegrowana całość NIEKTÓRE ŻYŁY PRAWEJ STRONY CIAŁA żyła szyjna tętnica szyjna łuk aorty żyła tętnica podobojczykowa lewa podobojczykowa prawa żyła główna górna serce tętnica ramienna aorta żyła główna dolna żyła ramienna prawa żyła udowa prawa —— — tętnica udowa lewa Czy wiesz, że,,. Układ krążenia krwi p t a k ó w w bud o w i e jest niemal identyczny z układem krążenia ssaków, a więc i człowieka. Składa się z czteroczęściowego serca i d w ó c h obiegów krwi. Masa serca małych ptaków sięga jednak 20% masy całego ciała. Do tego takie serce może pracować z częstotliwością setek cykli na minutę. Przykładowo krew kurczaka na pokonanie obu o b i e g ó w potrzebuje około 3 s. Ryc. 76. Układ krążenia człowieka od przodu - widok ogólny (część naczyń pominięto). Nasze serce położone jest w śródpiersiu za mostkiem. Serce: ci wa przedsionki dwie komory 84 Serce człowieka wielkością i kształtem nieco przypomina dłoń zaciśniętą w pięść (ryc. 77 A). Ta niebywale sprawna pompa zawieszona jest na wielkich naczyniach krwionośnych i posiada własny system naczyń wieńcowych. Od zewnątrz serce otoczone jest cienkim łącznotkankowym workiem - osierdziem. W sercu wyróżnia się cztery jamy: przedsionek prawy, przedsionek le^ komorę prawą oraz komorę lewą (ryc. 77 B). Przedsionki oddziela j p rze groda międzyprzedsionkowa, komory - przegroda mięQ( dzykomorowa. Normalnie w przegrodach nie ma żadnych otworów, dlatego krew przepływająca przez prawą i lewą połowę serca się nie miesza. 6. Uktad krążenia - daleki transport i odporność ustrojowa łuk aorty przedsionek lewy żyła główna górna zastawka półksiężycowata pień płucny naczynia wieńcowe przegroda serca komora lewa zastawka trójdzielna komora prawa Ryc. 77. Serce człowieka: budowa zewnętrzna (A) oraz przekrój (B) Cofaniu się krwi w sercu zapobiegają zastawki (ryc. 77 B). Między prawym przedsionkiem i prawą komorą znajduje się zastawka przedsionkowo-komorowa prawa (trójdzielna), między lewym przedsionkiem i lewą komorą - zastawka przedsionkowo-komorowa lewa (dwudzielna). Półksiężycowate zastawki zaś znajdują się na granicy obu komór i wychodzących z nich tętnic. Do przedsionków uchodzą żyły: do prawego - żyła główna górna oraz żyła główna dolna, do lewego - żyły płucne. Z komór serca wychodzą tętnice: z prawej - tak zwany pień płucny, z lewej - aorta. Ściana serca jest trójwarstwowa. Wewnętrzną powierzchnię jam serca wyściela wsierdzie, czyli cienki nabłonek leżący na łącznotkankowej błonie, do której wnikają zakończenia nerwowe oraz naczynia włosowate. Środkową warstwę, czyli śródsierdzie, tworzy tkanka mięśnia sercowego. Grubość śródsierdzia w obu przedsionkach jest stosunkowo niewielka i wynosi około 2-3 mm. W prawej komorze osiąga już 5 mm, w lewej zaś aż trzy razy więcej (ryc. 77 B). Najbardziej zewnętrzną warstwą serca jest łącznotkankowe nasierdzie. Zastawki serca: trójdzielna dwudzielna dwie półksiężycowate Ściana serca: - wsierdzie śródsierdzie nasierdzie Swoistą cechą serca jest zdolność do wykonywania samoistnych, rytmicznych skurczów. Dzieje się tak, ponieważ serce ma własny, specyficzny układ nazywany układem przewodzącym. Zbudowany jest on ze specjalnie zmodyfikowanych włókien mięśniowych (ryc. 78). Ich unikalną cechą jest zdolność do okresowego tworzenia i przewodzenia bodźców skurczowych, które rozprzestrzeniają się po całym mięśniu sercowym. Oznacza to, że układ ten spełnia funkcję swoistego „rozrusznika" serca. Jego działanie można porównać do regularnie rozładowującego się kondensatora. węzeł zatokowo-przedsionkowy pęczki zmodyfikowanych włókien mięśniowych Ryc. 78. Najważniejszą częścią układu przewodzącego serca jest węzeł zatokowo-przedsionkowy. 85 Organizm człowieka jako zintegrowana całość Podstawowy rytm pracy serca może być modyfikowany przez ośrodki zlokalizowane w ośrodkowym układzie nerwowym. Na pracę serca wpływają także substancje chemiczne - na przykład hormon adrenalina zwiększa kurczliwość mięśnia sercowego! W podobny sposób działają takie leki, jak nasercowa digitalina czy kofeina (alkaloid występujący w kawie). Kofeina jest środkiem dość łagodnym, ale jej przedawkowanie może być niebezpieczne. Naczynia krwionośne różnią się budową i właściwościami. budowa i właściwości naczyń krwionośnych Różnice wynikają z faktu, że tętnice odprowadzają krew z serca. Jego skurcze podnoszą znacznie ciśnienie krwi (por. niżej), dlatego tętnice mają grube, sprężyste ściany z rozbudowanymi warstwami mięśniowymi i licznymi włóknami sprężystymi (ryc. 79). Z kolei w naczyniach włosowatych ściany zbudowane są jedynie z cienkiej warstwy śródbłonka. Dzięki temu niezwykle rozbudowana sieć naczyń włosowatych umożliwia bardzo sprawną wymianę substancji między krwią i niemal każdą komórką ciała. Z sieci naczyń włosowatych krew trafia do żył. Płynie w nich pod niewielkim ciśnieniem w stronę serca, dlatego ściany żył są cienkie - słabo zaznaczona jest warstwa mięśni gładkich, niewiele jest także włókien sprężystych w warstwie zewnętrznej. W żyłach zwykle występują zastawki, uniemożliwiające cofanie się krwi (ryc. 79). naczynia włosowate tętnica zastawka błona zewnętrznawarstwa mięśniowa" k - śródbłonek- Ryc. 79. Budowa ścian naczyń zdradza ich właściwości i funkcje. 1 krążenie tętnice W większości wypadków krew przepływa w naczyniach krwionośnych zgodnie z ogólnym schematem: coraz mniejsze tętniczki I krążenie wrotne żylno żylnaf 86 naczynia w ł o s o w a t e =>=> coraz większe żyłki =>=> żyły Niekiedy jednak sytuacja jest odmienna. Na przykład krew z naczyń włosowatych oplatających jelita trafia do żyły wrotnej (ryc. 80). Żyła ta 6. Uktad krążenia - daleki transport i odporność ustrojowa wchodzi do wątroby, gdzie rozpada się na sieć naczyń włosowatych. Schematycznie przykład ten można przedstawić następująco: żyła w r o t n a =*=> naczynia w ł o s o w a t e w ą t r o b y =>=> żyła w ą t r o b o w a Jeszcze inne połączenia naczyniowe występują w nerkach, gdzie tętniczki doprowadzające krew do ciałek nerkowych rozpadają się na sieć naczyń włosowatych, które następnie ponownie przechodzą w tętniczki. Takie połączenie nazywa się siecią dziwną. Schematycznie przypadek ten można przedstawić tak: i sieć dziwna tętniczo-tętnicza tętniczka doprowadzająca => sieć naczyń w ł o s o w a t y c h => tętniczka odprowadzająca W czasie jednego pełnego okrążenia krew przepływa przez serce dwukrotnie. W układzie krwionośnym człowieka wyróżniono dwa obiegi krwi: mały (płucny) oraz duży (ustrojowy) (ryc. 80). OBIEG MAŁY żyła płucna 1 pień płucny i tętnice płucne l I żyły płucne I przedsionek lewy (PL) n* CP żyła główna górna pień płucny komora lewa (KL) żyła główna dolna l aorta 1 tętnice 1 żyła wątrobowa naczynia włosowate (dochodzące do wszystkich części ciała) naczynia włosowate wątroby l żyty I żyła wrotna żyły główne aorta zastawki półksiężycowate i OBIEG DUZY mały duży naczynia włosowate głowy komora prawa (KP) naczynia włosowate płuc 0 b i e g j krwj . naczynia włosowate jelit zastawka dwudzielna zastawka trójdzielna tętnica wątrobowa tętnica jelitowa I przedsionek prawy (PP) naczynia włosowate kończyn Ryc. 80. Schemat układu krążenia człowieka (dla czytelności ilustracji nie uwzględniono krążenia kończyn górnych) 87 Organizm człowieka jako zintegrowana całość Cykl pracy serca: - pauza -skurcz przedsionków skurcz komór Przepływ krwi odbywa się w nich jednocześnie dzięki skoordynowanym skurczom serca. Pojedynczy cykl pracy serca składa się z pauzy, czyli fazy spoczynkowej, skurczu przedsionków oraz skurczu komór* (ryc. 81). Podczas pauzy całe serce pozostaje w rozkurczu. Jamy serca wypełniają się krwią wolno napływającą z żył. Zastawki półksiężycowate są zamknięte, a ciśnienie krwi w sercu jest niskie. Pod koniec pauzy we włóknach węzła zatokowo-przedsionkowego samorzutnie powstają impulsy skurczowe, które rozprzestrzeniają się w sercu. Najpierw pobudzają do skurczu oba przedsionki. Rozpoczyna się wówczas druga faza cyklu pracy serca. Kurczące się przedsionki wtłaczają krew do komór. Zastawki półksiężycowate pozostają zamknięte. Kiedy impulsy wytworzone w węźle zatokowo-przedsionkowym docierają do komór, inicjują ich skurcz, czyli trzecią pauza (0,4 s) fazę cyklu pracy serca. Kurczące się ściany komór podwyższają ciśnienie krwi. Powoduje to najpierw zamknięcie zastawek przedsionkowo-komorowych, słyszane jako pierwszy ton serca. Kiedy wartość ciśnienia krwi w komorach przekroczy wartość ciśnienia krwi w tętnicach, otwierają się zastawki półksiężycowate i „porcja" krwi zostaje wtłoczona do tętnic. W chwilę później komory wiotczeją i ciśnienie krwi w ich wnętrzu szybko się zmniejsza. Gdy jego wartość spadnie poniżej wartości ciśnienia krwi w tętnicach, zamykają się zastawki półksiężycowate (słyszymy to jako drugi ton serca). W ten sposób skurcz przedsionków (0,11 s) kończy się jeden cykl pracy serca i rozpoczyna następny. Podczas skurczu lewej komory ciśnienie krwi w dużych tętnicach obiegu ustrojowego osiąga wartość około 120 mmHg. Podczas rozkurczu serca ciśnienie spada w nich do około 80 mmHg. Gdy pojawiają się nieprawidłowości w pracy układu krążenia, wartości te ulegają zmianie. Szczególne niebezpieczne jest tak zwane nadciśnienie tętnicze (skurczowe stale większe niż 140 mmHg). Gdy jednocześnie ciśnienie rozkurczowe stale przekracza wartość 90 mmHg, serce nieustannie skurcz komór pracuje w warunkach przeciążenia (por. dalej). (0,3 s) Za każdym razem, gdy lewa komora wtłacza krew do tętnic, ulegają one miejscowemu rozszerzeniu. Rozszerzenie to przemieszcza się jako fala także wzdłuż aorty i odchodzących od niej tętnic. Falę tę wyczuwamy jako tętno (puls) - pozwala nam ono łatwo ocenić częstotliwość skurczów serca. W spoczynku tętno powinno wynosić około 72 uderzeń na minutę. Podczas stresu lub wysiłku fizycznego puls może wyraźnie wzrosnąć - zbyt wysoki jest zjawiskiem bardzo niepożądanym. Kiedy odpoczywamy, serce tłoczy około 5 1 krwi w ciągu Ryc. 81. Cykl pracy serca trwa 1 min (72 uderzenia x 70 ml objętości wyrzutowej komór średnio 0,81 s. * Kolejność faz jest umowna. W wielu źródłach przedstawiana jest następująco: skurcz przedsionków, skurcz komór, pauza. 88 6. Uktad krążenia - daleki transport i odporność ustrojowa serca). Podczas wysiłku, gdy tętno osiemnasto- lub dwudziestolatka osiąga na przykład wartość 150 uderzeń na minutę, ciśnienie wynosi 160/120 mmHg, a objętość wyrzutowa dochodzi do 200 ml, serce przetłacza 6 razy więcej krwi. W pracującym sercu zmieniają się potencjały elektryczne, które docierają także do powierzchni ciała. Dzięki temu możemy badać i zapisywać aktywność elektryczną serca w postaci elektrokardiogramu (EKG; lyc. 82). Ryc. 82. Dla lekarza kardiologa zapis EKG jest źródłem wielu cennych informacji o pracy serca (czas w s). Nasza krew bardzo sprawnie transportuje gazy oddechowe. W małym obiegu krew przepływająca przez naczynia włosowate płuc ulega utlenowaniu. Ściślej mówiąc, tlen wnika (dyfunduje) do krwinek czerwonych. Tam przede wszystkim tworzy nietrwały kompleks z hemoglobiną (ryc. 83). W naczyniach włosowatych dużego obiegu krew zasobna w tlen oddaje go do komórek (połączenie hemoglobiny z tlenem ulega rozkładowi). Z kolei powstający w komórkach dwutlenek węgla dyfunduje do osocza i do krwinek. Tam wiązany jest na różne sposoby, między innymi jako jony węglanowe. Dwutlenek węgla wędruje więc z krwią w postaci związanej chemicznie i częściowo jako gaz fizycznie rozpuszczony w osoczu. PĘCHERZYK PŁUCNY I utlenowanie i odtlenowanie krwi 0 2 (z atmosfery) C02 (do atmosfery) naczynie włosowate płuc utlenowanie (fizycznie V kwas węglowy rozpuszczony NcT w osoczu) / ^ — jony węglanowe—— """ naczynie włosowate dużego obiegu j jony ^ węglanowe / Hb)- hemoglobina H^DD2 - hemoglobina utlenowana C0 2 ( (fizycznie \ rozpuszczony w osoczu) ^ kwas węglowy t ^ HoO 0 2 (do komórki) CO z komórki) Ryc. 83. Uproszczony schemat transportu tlenu i dwutlenku węgla we krwi TKANKA CIAŁA Organizm człowieka jako zintegrowana całość Krzepnięcie krwi umożliwia naprawę uszkodzonych naczyń. i przebieg I krzepnięcia krwi W normalnych warunkach krew krążąca w obiegach zachowuje płynną konsystencję. Gdy jednak dojdzie do uszkodzenia naczynia krwionośnego, jego ściany ulegają skurczeniu, a krew zaczyna krzepnąć (ryc. 84). Krzepnięcie jest niezwykle skom< uszkodzone uszkodzone ściany plikowanym procesem, w którym o płytki krwi naczynia krwionośnego nr biorą udział liczne czynniki cheI CL miczne. Do najważniejszych j LU N należą białka uwalniane z uszkoCL jony wapnia różne białka osocza dzonych płytek krwi oraz białka i * UJ osocza, które po kontakcie z rozeczynnik inicjujący krzepnięcie rwanymi ścianami naczynia się aktywują. W ten sposób zapoczątkowany zostaje ciąg reakcji prowadzący do powstania czynnika trombina * inicjującego właściwe krzepnięcie. Modyfikuje on specjalny enzym osocza (protrombinę), który przechodzi w formę aktywną (trombinę). Ta zaś zmienia rozpuszczalny w osoczufibrynogenw postać nierozpuszczalną - fibrynę (włóknik). Włókienka fibryny zalepiają uszkodzone miejsce. W ich sieć wpadają między innymi płytki krwi i erytrocyty. Tworzy się swoisty czop, który przekształca się w skrzep. Po kilku dniach, gdy nastąpią procesy regeneracyjne, fiRyc. 84. Umowne etapy usuwania uszkodzenia naczynia krwiobryna skrzepu ulega rozłożeniu nośnego i „strup" odpada. Krew poszczególnych ludzi może różnić się grupą główną i czynnikiem Rh. grupy główne i krwi: A, B, AB, 0 W błonach komórkowych krwinek czerwonych znajdują się specjalne białka określające grupy krwi, a także nieco inne białka warunkujące obecność czynnika Rh*. Z białek warunkujących obecność czynnika Rh najważniejsze jest białko D, ponieważ wywołuje najsilniejsze reakcje odpornościowe. W układzie grupowym A B 0 wyróżnia się cztery główne grupy krwi: A, B, AB oraz 0. I tak osoba mająca tak zwane białko A ma grupę A, osoba mająca białko B ma grupę B. Jeśli w błonach erytrocytów występuje zarówno białko A, jak i białko B, to osoba taka ma grupę AB. Grupę krwi 0 mają ludzie, których erytrocyty nie posiadają żadnego z tych * Są to cechy dziedziczne. 90 6. Uktad krążenia - daleki transport i odporność ustrojowa białek. Odpowiednio - w osoczu osób z grupą A występują naturalne przeciwciała anty-B i odwrotnie - we krwi osób z grupą B występują naturalne przeciwciała anty-A. We krwi osób z grupą AB nie ma takich przeciwciał, z kolei we krwi grupy 0 są obecne przeciwciała anty-A oraz anty-B (tab. 3). | cechy biochemiczne grup kl Grupa krwi Białkowy czynnik Przeciwciafa w osoczu Może być dawcą dla grup Może być biorcą grup A B AB 0 A B A, B brak anty-B anty-A brak anty-A, anty-B A, AB B, AB AB 0, A, B, AB A, 0 B, 0 AB, A, B, 0 0 Tab. 3. Rozumiejąc te prawidłowości, możemy kiedyś uratować komuś życie. W wypadku transfuzji różnych grup krwi może więc dojść do niebezpiecznego zlepiania się erytrocytów - aglutynacji (ryc. 85). W szczególnej sytuacji znajdują się osoby z grupą krwi AB, ponieważ w ich krwi nie ma ani przeciwciał anty-A, ani anty-B. Teoretycznie można przetoczyć im każdą krew (stąd określenie - uniwersalny biorca). Z kolei krew grupy 0 teoretycznie nie wywołuje aglutynacji anty-B w żadnej grupie krwi (stąd określenie - uniwersalny dawca). W rzeczywistości zasada uniwersalnego dawcy oraz biorcy jest mocno ograniczona i podczas transfuzji pożąbiałko B dana jest pełna zgodność grup krwi. Ryc. 85. Niezgodność grup krwi prowadzi do aglutynacji - przeciwciała anty-B wiążą się z białkami B (dawca: grupa B, biorca: grupa A). I transfuzja i aglutynacja osocze krwi grupy A (biorcy) Nazwa czynnik Rh wzięła się stąd, że po raz pierwszy cechę tę wykazano u małpy - rezusa (Maccacus rhesus). Dodatni odczyn, czyli Rh(+) wykazuje krew około 85% przedstawicieli rasy białej. Pozostałe osoby nie mają takich białek i ich krew wykazuje ujemny odczyn Rh(-). Po transfuzji krwi Rh(+) limfocyty osoby z krwią Rh(-) zaczynają produkować przeciwciała anty-Rh. Znajomość czynnika Rh jest szczególnie ważna dla każdej kobiety planującej ciążę. Jeśli osoba ta ma krew Rh(-), a jej dziecko odziedziczy po ojcu geny warunkujące odczyn krwi Rh(+), to może dojść do konfliktu serologicznego. Pojawia się on, gdy na przykład na skutek stanu zapalnego wywołanego infekcją wirusową niewielka ilość krwi płodu przedostaje się do krwiobiegu matki. Limfocyty matki produkują wówczas przeciwciała anty-Rh, które przenikają przez łożysko i prowadzą do uszkodzenia rozwijającego się płodu. Poziom przeciwciał anty-Rh podnosi się szczególnie szybko już po pierwszym porodzie i utrzymuje na wysokim poziomie jeszcze kilka lat później. Dlatego często tuż przed porodem ciężarnej podaje się gotowe przeciwciała. Zwykle cechy Rh | niebezpieczeństwo konfliktu serologicznego 91 Organizm człowieka jako zintegrowana całość „oszukany" układ odpornościowy nie produkuje własnych przeciwciał, a poziom sztucznych szybko się obniża. Jednakże każda ciąża w sytuacji ryzyka konfliktu serologicznego wymaga szczególnego traktowania ze strony lekarzy. Układ limfatyczny zbiera i oczyszcza część płynu tkankowego. Układ limfatyczny: h naczynia tkanka chłonna Nasz układ limfatyczny tworzy rozbudowana sieć naczyń limfatycznych wypełnionych limfą (chłonką) oraz tkanka chłonna zawierająca bardzo liczne limfocyty (ryc. 86). Tkanka chłonna tworzy niewielkie skupienia - grudki (np. w ścianie przewodu pokarmowego), większe - węzły chłonne, współtworzy także migdałki podniebienne, grasicę i śledzionę. Podstawowe funkcje układu limfatycznego to gromadzenie i zwracanie płynu tkankowego do krwi, a także rola odpornościowa i transport wchłoniętych w przewodzie pokarmowym lipidów. Limfa powstaje w pierwotnej postaci jako przesącz z naczyń włosowatych i komórek ciała, który zbiera się w przestrzeniach międzykomórkowych (stąd określenie płyn tkankowy). Z tych ostatnich przesącz dostaje się do najdrobniejszych, włosowatych naczyń limfatycznych, które oplatają bardzo gęstą węzły siecią całe ciało. Najdrobniejsze naczynia limfatyczne chłonne zbierają się w nieco większe (budową przypominające żyły), odprowadzające limfę do węzłów chłonnych. W nich ulega ona filtracji i usuwane są wszelkie ciała obce, na przykład bakterie. Oczyszczona chłonka składa się z części płynnej przewody limfatyczne (oprócz wody występują m.in. białka, cholesterol, żelazo i mikrokuleczki tłuszczu) naczynia oraz upostaciowanej (w 95-97% są to limlimfatyczne focyty). kończyny Z węzłów chłonnych limfa przepływa górnej naczyniami limfatycznymi, dalej większymi przewodami limfatycznymi do okolic podobojczykowych. Tam przewody uchonaczynia limfatyczne dzą do odpowiednich żył. W ten sposób zakończyny wartość układu limfatycznego dostaje się dolnej ponownie do układu krwionośnego. Ryc. 86. Układ limfatyczny - widok ogólny 92 6. Uktad krążenia - daleki transport i odporność ustrojowa 6.2. Higiena i niektóre choroby układu krążenia Serce nie sługa, krew nie woda". To zmienione powiedzenie powinno uświadomić każdemu człowiekowi, że stan serca i całego układu krążenia ma zasadnicze znaczenie dla zdrowia, a nawet życia. Niestety, wielu ludzi prowadzi nieaktywny, stresogenny tryb życia, nieprawidłowo się odżywia i pali tytoń. Czynniki te, podobnie jak cukrzyca i nadciśnienie tętnicze, są podstawowymi przyczynami rozwoju miażdżycy (arteriosklerozy) (ryc. 87). Miażdżyca polega na stwardnieniu ścian tętnic wskutek odkładania się w nich lipidów (szczególnie cholesterolu) i wapnia. Postępujące zwężenie tętnic, szczególnie wieńcowych, mózgowych oraz aorty, prowadzi do zmniejszenia przepływu krwi - niedokrwienia. W sercu powoduje to rozwój choroby niedokrwiennej (jej charakterystycznym objawem jest silny ból w okolicy serca - znany pod nazwą dusznicy bolesnej). choroba niedokrwienna serca Siedzący tryb życia Dieta zasobna w tłuszcze zwierzęce i cholesterol; nadwaga naczynie krwionośne^ CA zawał serca udar mózgu Cukrzyca Palenie tytoniu Zaawansowany wiek złogi tłuszczu i wapnia tworzą płytkę miażdżycową Ryc. 87. Na miażdżycę większość ludzi zapada z powodu niedbałości o własne zdrowie. Konsekwencją choroby niedokrwiennej serca może być zawał serca (popularnie zwany atakiem serca). Zawał jest w istocie martwicą niezaopatrywanej w tlen części serca. Gdy jest on rozległy, konsekwencją może być zgon. W leczeniu choroby wieńcowej stosuje się leki przeciwdusznicowe im.in. nitroglicerynę), leki p r z e c i w z a k r z e p o w e * , . a także zabiegi chirurgiczne. Należą do nich tak zwane bypassy oraz angioplastyka. Bypass, czyli po polsku pomostowanie, umożliwia stworzenie połączenia omijającego zablokowane miejsce. Angioplastyka polega na wprowadzeniu do zwężonego naczynia cewnika z niewielkim balonikiem. Nadmuchanie go w odpowiednim miejscu pozwala rozsunąć zwężenie i ewentualnie usunąć złogi tłuszczu. Zakłócenia rytmu pracy serca (arytrnię) można leczyć operacyjnie przez wszczepienie sztucznych, elektrycznych rozruszników serca. Ryc. 88. Operacja na otwartym sercu * Zakrzep powstaje, gdy krew krzepnie przeżyciowo w świetle naczynia lub serca. 93 Organizm człowieka jako zintegrowana całość Badania laboratoryjne krwi są ważnym elementem profilaktyki zdrowotnej. I analiza wyników Zdarza się często, że osoba czytająca wyniki badania laboratoryjnego krwi bywa nieco sfrustrowana, ponieważ nie umie odczytać ich właściwie. Oczywiście, wyniki te kompetentnie może zanalizować tylko lekarz, ale warto samemu orientować się w tej dziedzinie. Zacznijmy od tego, że współczesne laboratoria wyposażone są w nowoczesne, wysoce zautomatyzowane analizatory krwi. Urządzenia te pozwalają szybko i precyzyjnie ustalić wiele ważnych parametrów. Wyniki są drukowane najczęściej w języku angielskim z wykorzystaniem ogólnie przyjętych skrótów (ryc. 89). badania krwi WBC - white blood cells - liczba leukocytów w 1 mikrolitrze krwi obwodowej WBC 6,8 x 1 0 3 //jI = 6 800 w 1 mikrolitrze krwi (4,8-10,5 x 103/jul) RBC - red blood cells - liczba erytrocytów w 1 mikrolitrze krwi obwodowej RBC 4,46 x 10 e //jl = 4 460 000 w 1 mikrolitrze krwi (kobieta: 4,2-5,4 x 106/£/l; mężczyzna: 4,5-6,1 x "łO 3 /^) PLT - liczba płytek krwi w 1 mikrolitrze krwi obwodowej PLT 324 x 103/jUl = 324 000 w 1 mikrolitrze krwi x 103/jul) ^ ( 2 00-400 HCT - hematokryt - wskaźnik określający, jaki procent pełnej krwi stanowią same erytrocyty; HCT ułatwia określenie, czy krew jest nadmiernie rozrzedzona czy zagęszczona . . . U- + ^ M C V - ś r e d n i a objętość erytrocytow HCT 36,5 % = 36% objętości pełnej krwi .. . ^ ( k o b i e t a : 3 7 " 4 7 % = męzczyzna 42-52%) /( — ^ ^ MCV 88,5 fl = 88,5 femtolitrów (kobieta: 81-95 fl; mężczyzna: 80-94 fl) MCH - średnia zawartość hemoglobiny w erytrocycie MCH 28 pq = 28 pikogramów (27_31 p q ) E & & ! może oznaczać stan zapalny) ESR _ <d° W 1 0 — . - l o m m w <*u godziny (kobieta: do 12 mm/h; mężczyzna: do 8 mm/h) Ryc. 89. Przykładowy wynik badania krwi osoby zdrowej (w nawiasach zamieszczono granice normy dla osób dorosłych); 1 mikrolitr = 10~6dm3 = 1mm3. /0 NEUT % Na wyniku może zostać także umieszczone ilościowe zestawienie badania rozmazu leukocytów (hemogram oznaczony niekiedy jako DIFF - (ryc. 90). Zestawienie to ma zwykle charakter procentowy (%) lub podawane są wartości bezwzględne (#). Niekiedy na wyniku zamiesz3 (3 9r czone są także wykresy ilustrujące różne zależności, na 58 3 % przykład rozmiarów i liczby krwinek danej grupy. 5xl03/jul LYMPH # 2 MDX# 0,5 x NEUT # 4,2 x 103//JI 103/jj\ limfocyty MDx-monocyty i większość granuiocytów NEUT-granulocytyobjętnochłonne LYMP- Ryc. 90. Oceny tej części wyników badania krwi musi dokonać lekarz. 94 Szczegółowe badania krwi pozwalają także ustalić wiele istotnych parametrów, jak choćby poziom różnych rodzajów cholesterolu (ogólny w granicach: 140-200 mg/dl, w tym dla frakcji LDL mniej niż 160 mg/dl, natomiast H D L więcej niż 35 mg/dl), zawartość m a kro- i mikroelementów, a nawet wartość poziomu hormonów, 6. Uktad krążenia - daleki transport i odporność ustrojowa 6.3. System odpornościowy i jego działanie Swój czy obcy - swoisty dylemat układu odpornościowego. Każdy organizm, także człowiek, narażony jest na wnikanie ciał obfunkcje układu odpornościowego cych, na przykład wirusów, bakterii, grzybów i pierwotniaków*. Te ciała obce często są patogenami, czyli czynnikami chorobotwórczymi. Mogą one dostawać się do wnętrza naszego organizmu przez skórę, drogi oddechowe, pokarmowe, moczopłciowe czy na skutek zranień. Wiele ciał obcych rozprzestrzenia się po całym ciele i może się rozwijać w większości narządów oraz tkanek. Między innymi z tych względów najważniejsze elementy układu odpornościowego związane są z układem krwionośnym oraz limfatycznym - krążące w ich naczyniach krew i limfa docierają do każdego zakątka ciała. Nasz organizm wykorzystuje do obrony różne nawzajem się uzupeł- Odporność swoista: komórkowa niające strategie: komórkową oraz humoralną. Za odporność komórkoL hu moralna wą odpowiedzialne są leukocyty obdarzone zdolnością do pochłaniania i wewnątrzkomórkowego trawienia (m.in. makrofagi, miejsce neutrofile i eozynofile) lub usuwania ciał obcych wiązania (m.in. limfocyty T cytotoksyczne). W reakcjach odpornościowych humoralnych organizm wykorzystuje różne substancje chemiczne - najważniejsze są tu przeciwciała, czyli białka odpornościowe (immunoglobuliny; ryc. 91). Przeciwciała są produkowane i uwalniane przez uczulone limfocyty B w odpowie- łańcuchy dzi na pojawienie się w organizmie obcego antygenu. peptydowe Antygenem może być białko (na przykład otoczki wirusa) lub duża cząsteczka węglowodanowa (na przykład składnik ściany komórkowej bakterii), obce dla naszego organizmu, wyzwalające odpowiedź immuRyc. 91. Model budowy pojedynczego nologiczną. przeciwciała Organizm człowieka wykorzystuje kilka „linii obronnych". Nasz organizm wykorzystuje zarówno mechanizmy ogólne, nieskierowane przeciwko konkretnemu zagrożeniu (odporność nieswoista), jak i skierowane przeciwko konkretnemu antygenowi (odporność swoista). W pierwszym wypadku mechanizmy odpornościowe istnieją od urodzenia i do ich wykształcenia nie trzeba uprzedniego kontaktu z antygenem. W drugim - odporność jest nabywana dopiero po kontakcie z konkretnym antygenem i działa tylko na niego. Wbrew pozorom arsenał „pierwszej linii obronnej" naszego organizmu (środków odporności nieswoistej) jest imponujący i pozwala na szybkie powstrzymanie większości potencjalnych intruzów. Pierwszą zaporę stanowi tu skóra wraz z wydzielinami - szczelność naskórka jest barierą mechaniczną, a pot zawiera kwas mlekowy i dużo soli, co niszczy większość bakterii * Zadaniem układu odpornościowego jest też eliminowanie uszkodzonych komórek. Odporność: nieswoista (wrodzona) [ swoista (nabyta) 95 Organizm człowieka jako zintegrowana całość oraz grzybów. W łoju zaś znajdują się lotne kwasy tłuszczowe, działające bakteriobójczo. Ślina, łzy, śluz dróg oddechowych i pokarmowych zawierają z kolei lizozym - białko enzymatyczne rozkładające ściany komórkowe wielu bakterii. Liczne krążące we krwi i limfie leukocyty mają naturalną zdolność rozpoznawania, wchłaniania i trawienia ciał obcych. Czy w i e s z , że... Zarażone wirusem komórki człowieka produkują i uwalniają interferon. Białko t o przenika do sąsiednich komórek, pozwalając im na zahamowanie namnażania się innych wirusów. Interferon rozpoznawany jest też przez specjalne limfocyty nazwane obrazowo natural killers (NK, czyli naturalni zabójcy). Dzięki t e m u zarażone przez wirus komórki są szybko niszczone. Niestety, próby wykorzystania interferonu do zwalczania wirusa HIV wywołującego AIDS na razie się nie powiodły. rozpoznawanie intruza Jeżeli jednak intruz będzie dostatecznie liczny lub „ujdzie uwadze" pierwszej linii obrony, istnieje możliwość odparcia ataku, dzięki wykorzystaniu odporności swoistej - jak gdyby drugiej linii obronnej. W tym wypadku zasadnicze pytanie brzmi: Jak rozpoznać konkretnego intruza? Ważną rolę odgrywają tutaj wspomniane już makrofagi. Leukocyty te nie tylko niszczą intruza, ale także fragmenty jego antygenów umieszczają na powierzchni błony komórkowej. Można powiedzieć, że dany makrofag pokazuje na zewnątrz biochemiczne cechy intruza, jakby krzyczał: „Popatrzcie wszyscy! Tak wygląda obcy!". W ten sposób makrofag umożliwia przepływającym w pobliżu określonym limfocytom T pomocniczym rozpoznanie konkretnego antygenu (ryc. 92)*. 1 | makrofag prezentuje antygeny intruza limfocytowi T pomocniczemu \ • _ 2 j aktywny limfocyt T pomocniczy pobudza limfocyt B / // 3 | uaktywniony limfocyt B rośnie « antygeny intruza (bakterii) Ą, następnie dzieli się, dając liczne takie same: 4al — ' k o m ó r k i plazmatyczne produkujące konkretny rodzaj przeciwciała j l J przeciwciała transportowane są do miejsca zakażenia, gdzie łączą się z antygenami intruza (powstają kompleksy antygen-przeciwciało) komórki pamięci przechowujące biochemiczny portret intruza kompleks antygen-przeciwciało JJ ^ ^ bakteria 6 | zniszczenie lub neutralizacja antygenów i „całego" intruza Ryc. 92. Uproszczony schemat wytwarzania przeciwciał Dużą zdolność do rozpoznawania i prezentacji antygenów mają same dojrzałe limfocyty B. 96 6. Uktad krążenia - daleki transport i odporność ustrojowa Jedną z reakcji limfocytu T pomocniczego jest wówczas wydzielanie $peqalnych białek (interleukin), które pobudzają określone limfocyty B. Każdy taki pobudzony limfocyt powiększa się, a następnie wielokrotnie dzieli mitotycznie. W ten sposób powstaje liczny szczep jednakowych komórek plazmatycznych zdolnych do produkcji tylko jednego rodzaju przeciwciała. Uwolnione do krwi lub limfy cząsteczki przeciwciała docierają do miejsca zakażenia i specyficznie się łączą z konkretnym antygenem. Powstanie kompleksu antygen-przeciwciało uruchamia lawinę wydarzeń. Przede wszystkim kompleks rozpoznawany przez specjalne enzymy osocza ulega zniszczeniu. W niektórych wypadkach przyłączenie się przeciwciał do antygenów intruza powoduje jego unieczynnienie. Kompleksy antygen-przeciwciało pobudzają także do działania makrofagi. W drugiej linii obronnej organizmu działają ponadto agresywne komórki Głównie są to limfocyty T cytotoksyczne, zdolne do rozpoznawania i atakowania komórek zarażonych wirusem lub zmienionych nowotworowo. W czasie pierwszego kontaktu z intruzem (ściślej: z antygenami patogenu) pierwotna odpowiedź immunologiczna naszego ustroju na jego antygeny następuje powoli. Uczulenie, namnożenie odpowiednich limfocytów i produkcja cząsteczek przeciwciała mogą trwać od kilku do kilkudziesięciu dni. Często w tym czasie rozwija się stan zapalny, któremu towarzyszy gorączka i osłabienie. mechanizm produkc Ji przeciwciał „Ostrzeżony" znaczy „uzbrojony". Szacuje się, że jedna osoba wytwarza i przechowuje w węzłach limfatycznych gotowe do działania limfocyty B, które mogą rozpoznać antygeny, a następnie wytworzyć ponad 100 miliardów różnego rodzaju przeciwciał. Dzięki komórkom pamięci (ryc. 92) nabyta odporność pozwala niekiedy nawet przez wiele lat zachować biochemiczny „portret" określonego intruza. Jeżeli w tym czasie nasz organizm zetknie się z tym patogenem ponownie, wtórna odpowiedź immunologiczna nastąpi bardzo szybko i skutecznie wyeliminuje zagrożenie. Dlatego zazwyczaj nie zapadamy ponownie na chorobę zakaźną, którą już przeszliśmy (przykładem są odra i ospa wietrzna). Doskonałym sposobem zapobiegania licznym chorobom zakaźnym są szczepienia ochronne. Zabiegi te polegają na podawaniu osobom zdromym* odpowiednich preparatów, zawierających osłabione lub martwe patogeny albo ich spreparowane toksyny (tab. 4, s. 98). Dzięki temu uodpornienie organizmu następuje bez konieczności zmagania się z chorobą. Niestety nie jest to reguła. Wiele patogenów na przykład wirusy grypy, kataru zmieniają swoje cechy na tyle szybko, że „stare" komórki pamięci stają się bezużyteczne. Niekiedy bywa też, że w miarę upływu czasu poziom przeciwciał i liczba uczulonych komórek odpornościowych ulega zmniejszeniu. Prowadzi to do obniżenia nabytej odporności. Między innymi dlatego niektóre szczepienia muszą być ponawiane. istota i znaczenie szczepień * Szczepić można także zwierzęta, zarówno domowe (np. psy, koty), hodowlane (np. bydło, trzodę chlewną), jak i dzikie (np. lisy). 97 Organizm człowieka jako zintegrowana całość | odporność bierna Odporność nabyta może mieć też charakter bierny. Taką odporność dają gotowe przeciwciała matki dostające się do rozwijającego się organizmu dziecka przez łożysko i z mlekiem podczas karmienia piersią. Niekiedy wstrzykuje się osobom gotowe przeciwciała, na przykład immunoglobuliny zwalczające wirusa zapalenia wątroby. Odporność taka jest krótkotrwała, polega przecież na wykorzystaniu „cudzych" przeciwciał i nie towarzyszy jej wykształcanie komórek pamięci. Szczepionka Patogen i drogi jego rozprzestrzeniania się Uwagi dotyczące szczepienia przeciw chorobie Heine-Medina (polio) wirusy (pokarmowa z zakażonymi odchodami) Szczepionka zapewnia całkowitą odporność. przeciw wściekliźnie wirus (ukąszenie przez chore zwierzę; ślina chorego zwierzęcia) Szczepi się przede wszystkim dzikie zwierzęta, np. lisy. przeciw odrze wirus (kropelkowa) Nie szczepi się, jeśli dziecko wcześniej chorowało. przeciw żółtaczce: typu A typu B wirus (pokarmowa; WZA) wirus (wszczepienna; WZB) W Polsce zalecane są każdej osobie przed planowanym pobytem w szpitalu. przeciw różyczce wirus (kropelkowa) Może być konieczne dla dziewcząt, jeśli nie chorowały; nie wolno podawać w czasie ciąży. przeciwgruźlicza bakterie (prątki Kocha) - (powietrze lub z mlekiem zarażonych krów) W Polsce wzrasta liczba zachorowań. Zbyt mało jest profilaktycznych badań RTG płuc. Di-Te-Per przeciw: błonicy, bliski kontakt, kropelkowo tężcowi, bakterie (zabrudzone rany) krztuścowi bakterie (powietrze) Zapewnia odporność na kilka lat; bardzo ważna jest aseptyka przy zranieniach. przeciw cholerze bakterie (zanieczyszczona woda) przeciw dżumie bakterie (powietrze lub kontakt ze szczurami albo pchłami) Szczepionki dają ograniczoną odporność; ważne dla globtroterów (osób dużo podróżujących). Tab. 4. Szczepienia pozwoliły ograniczyć ryzyko występowania wielu groźnych chorób. Czy wiesz, że.,. Pierwszą chorobą, którą zaczęto zwalczać za pomocą szczepionki, była ospa. Pod koniec XVIII wieku angielski lekarz F. Jenner przeprowadził doświadczenie, w którym zdrowemu chłopcu wcierał w skórę wydzielinę ropną pobraną z krost krowy chorującej na tzw. krowiankę (jest to choroba wirusowa bydła domowego, niegroźna dla ludzi). Później lekarz próbował tego samego chłopca zarazić ospą prawdziwą - nie udało się - organizm pacjenta był odporny na tę jednostkę chorobową. W ten sposób Jenner wytworzył tzw. odporność krzyżową, gdyż wirusy krowianki i ospy prawdziwej są bardzo podobne (dlatego przeciwciała skierowane przeciwko jednemu patogenowi są także skuteczne przeciwko drugiemu). 98 6. Uktad krążenia - daleki transport i odporność ustrojowa AIDS wywoływany jest przez wirusa HIV. AIDS (ang. Acąuired Immune Deficiency Syndrom), ta nieuleczalna budowa wirusa HIV jak dotąd choroba, jest plagą naszych czasów. Wirus HIV (ang. Humań Immunodeficiency Virus) należy do grupy tak zwanych retrowirusów (zawierających dwie jednakowe nici RNA jako materiał genetyczny). Atakuje on głównie limfocyty T-pomocnicze. Jego wiriony* maelementy ją budowę kulistą i otoczone są osłonką osłonki białkowo-lipidową (ryc. 93). Lipidy oraz białko enzymu część białek osłonki są „pożyczone" od kowirusa mórek gospodarza, w których się namnażapłaszcz białkowy ły - co bardzo utrudnia rozpoznanie wirusa wirusa jako ciała obcego - komórki odpornościowe „nie dostrzegają" antygenów, czyli biamateriał genetyczny łek wirusa. Pod osłonką znajduje się płaszcz wirusa białkowy, czyli kapsyd, kryjący materiał geRyc. 93. Schemat budowy wirionu HIV netyczny wirusa. Wirus HIV stopniowo obezwładnia układ odpornościowy, ponieważ przebieg infekcji wirusem HIV prowadzi do zniszczenia części limfocytów. Cykl życiowy tego patogenu przedstawia się następująco. Wirus atakuje głównie pomocnicze limfocyty T, a także część makrofagów. H \i Po związaniu się z błoną komórkową otoczka wirusa zlewa się z nią i kapsyd przechodzi do cytoplazmy. Później wirusowy RNA służy jako i d u matryca do syntezy wirusowego DNA. Przemieszcza się ono do jądra komórkowego i tam włączane jest do DNA gospodarza**. Ponieważ komórka gospodarza nie odróżnia obcego DNA od swojego, w którymś ^ a. momencie na pewno zacznie produkować białka wirusowe. Cząsteczki te doprowadzają z jednej strony do blokowania materiału genetycznego gospodarza, a z drugiej do namnażania elementów składowych wirusa. Te ostatnie łączą się w nowe wiriony, które uwalniają się i mogą atakować kolejne komórki (por. rozdz. 13.2). DL : v Początkowo nasz układ odpornościowy dobrze radzi sobie z intruzem IOąA i choroba przebiega bezobjawowo. Jednak walczący układ immunologiczny z biegiem lat słabnie. Musi bowiem zwalczać sam siebie (agresywne komórki T zabijają pomocnicze T). W pewnym momencie następuje załamanie systemu odpornościowego - zaczyna brakować komórek pamięci odpowiedzialnych za przechowywanie informacji o wzorcach antygenów, z którymi organizm już się zetknął, brakuje także limfocytów T pomocniczych. W końcowej, ostrej fazie choroby dochodzi do licznych infekcji i zakażeń, pojawiają się też zmiany nowotworowe. Objawami pełnoobjawowe AIDS AIDS są między innymi mięsak Kaposiego (skutek nieusuwania własnych komórek zmienianych nowotworowo), zapalenia płuc i inne poważne infekcje dróg oddechowych. * Wirion to pojedynczy wirus. ** W tej postaci wirus HIV „wygodnie" trwa w nieaktywnych komórkach odpornościowych. 99 Organizm człowieka jako zintegrowana całość Tragedia AIDS powodowana jest faktem, że wirus ten przy całej prostocie swojej budowy ulega częstym mutacjom. Część z nich prowadzi do powstania nieznacznie zmienionych, ale wciąż zjadliwych form wirusa. Tempo powstawania nowych form wirusa HIV wciąż przewyższa możliwości laboratoriów analitycznych i farmaceutycznych (stosowane leki i szczepionki dość szybko przestają działać). Do problemu dróg zakażenia HIV i profilaktyki AIDS jeszcze powrócimy. Aktywność układu odpornościowego utrudnia przeszczepy. odrzucanie przeszczepów Nasz układ odpornościowy potrafi tak samo rozpoznać obce białka przetaczanej krwi (problem transfuzji), jak i białka występujące w w przeszczepianych narządach lub syntetyczne substancje tworzące urządzenia. Lekarze transplantolodzy mogą niekiedy wykorzystywać do przeszczepów tkanki tego samego człowieka, na przykład przy oparzeniach skóry. Przeszczepy między dwiema różnymi osobami albo przeszczepy odzwierzęce grożą odpowiedzią immunologiczną prowadzącą do odrzuceniem przeszczepu. Aby tego uniknąć, najpierw wykonuje się testy zgodności tkankowej (badane są układy grupowe A B 0 erytrocytów oraz białka tak zwanego głównego układu zgodności tkankowej). Postępy w transplantologii pozwalają dzisiaj przeszczepiać nawet tak skomplikowane narządy, jak serce, płuca, nerki czy wątroba. Duże nadzieje wiąże się też z przeszczepianiem narządów pobranych ze zwierząt zmienionych genetycznie w taki sposób, aby zmniejszyć ryzyko odrzucenia przeszczepu. Podsumowanie 1. Układ krążenia człowieka ma bardzo dużą sprawność. Wynika ona między innymi z określonego tempa przepływu krwi tłoczonej pod dużym ciśnieniem. 2. Czteroczęściowe serce pracuje automatycznie (cykle pracy serca), chociaż jego rytm może ulegać modyfikacjom pod wpływem układu nerwowego i czynników chemicznych. 3. Praca serca pozwala równomiernie tłoczyć krew do obu obiegów. 4. Fizykochemiczne cechy krwi, a szczególnie obecność hemoglobiny w erytrocytach, usprawnia transport gazów oddechowych we krwi. Tlen transportowany jest głównie przez hemoglobinę (w postaci oksyhemoglobiny), natomiast dwutlenek węgla - jako różne jony węglanowe oraz fizycznie rozpuszczony w wodzie. 5. Układ limfatyczny spełnia rolę pomocniczą, szczególnie wspiera system odpornościowy. 6. Układ odpornościowy człowieka ma charakter rozproszony. Reakcje odpornościowe mają charakter komórkowy oraz humoralny (podstawą są przeciwciała). Odporność może być nieswoista (wrodzona, nieskierowana) albo swoista (nabyta, skierowana). 7. Nieodpowiedni tryb życia jest przyczyną coraz częstszych, groźnych schorzeń układu krążenia (w tym miażdżycy i choroby niedokrwiennej serca). 100
