ФИЗИКА Пraktikum. Учебнометодическое пособие для студентов медицинских вузов 2018 Вводное занятие
 Скачать 4.99 Mb.
|
1. Общие сведения о крови.Кровь представляет собой суспензию форменных элементов в плазме. Плазма крови - жидкость бледно-желтого цвета, состоящая на 90% из воды и на 10% из растворенных и взвешенных в ней белковых соединений, минеральных ионов, растворимых продуктов пищеварения, продуктов, подлежащих выведению из организма, витаминов и гормонов. Некоторые компоненты плазмы имеют постоянную концентрацию, но концентрация большинства компонент не постоянна и зависит от состояния организма. Форменные элементы – это эритроциты, лейкоциты, тромбоциты. Они составляют сообща около половины объема крови. 2. Эритроциты. Эритроциты составляют 97% общей численности форменных элементов. Они осуществляют перенос кислорода от легких к тканям и углекислого газа – от тканей к легким. Средний диаметр эритроцита составляет в норме 7-8 мкм. Толщина на периферии – около 2 мкм. По форме эритроцит напоминает двояковогнутую линзу: это диск, утолщенный по периферии и тонкий в центральной части. Такая форма обеспечивает эритроциту высокое отношение площади поверхности к величине объема. Эритроциты образуются в красном костном мозге. На стадии развития внутри мозга молодой эритроцит – это клетка, имеющая ядро. Но на просторах кровеносной системы он функционирует как безъядерная клетка, максимально заполненная гемоглобином. В этой клетке нет митохондрий, она не способна к синтезу органических веществ и к самовоспроизведению. Но эта необычная и, в общем-то, не вполне живая клетка изготавливается в костном мозге по очень удачному проекту, а потому способна к длительному, до 125 дней, существованию и функционированию. Эритроциты, отслужившие свой срок, разрушаются макрофагами в печени и селезенке. Ежедневно им на смену образуется порядка 300 млрд. новых эритроцитов. Основные функции эритроцитов: доставка кислорода из легких к тканям тела и доставка углекислого газа из тканей в легкие. Обе эти функции выполняются благодаря гемоглобину. В среднем, в одном эритроците 3,4·108 молекул гемоглобина. Гемоглобин – сложный белок, который способен обратимо связываться с кислородом и углекислым газом. Молекула гемоглобина объединяет белок глобин и четыре молекулы гема; гем – это небелковая органическая молекула, содержащая один атом железа, способный привязать к себе одну молекулу кислорода. одна молекула гемоглобина способна связать четыре молекулы кислорода. Это происходит в легких: мембрана эритроцита хорошо проницаема для газов, а молекулам кислорода энергетически выгодно «прицепиться» к молекуле гемоглобина. Далее эритроциты движутся в общем потоке крови. Они не слипаются друг с другом, поскольку на наружных поверхностях их мембран преобладает отрицательный заряд и они взаимно отталкиваются. В капиллярные сосуды эритроциты заходят гуськом, поочередно, поскольку диаметр эритроцита – 7-8 мкм, а диаметр капилляров – 3-10мкм. Чтобы войти в капилляр, эритроциту приходится деформироваться. Скорость движения в капилляре – около 2 см/мин. В неторопливой обстановке капилляра происходят важные события. Через соприкасающиеся поверхности мембраны эритроцита и стенки капилляра происходит диффузия кислорода: молекулам кислорода в этих обстоятельствах выгоднее отцепиться от гемоглобина и прицепиться к молекуле миоглобина, а это уже - за пределами стенки капилляра. Эритроцит, проходящий капилляр, поглощает углекислый газ. В мембрану эритроцита еще в костном мозге заложен фермент, выполняющий функцию мощного катализатора при связывании СО2 с гемоглобином. А позже, уже в легких, этот фермент помогает молекулам СО2 отцепиться от гемоглобина. В легких эритроциты оказываются в новой обстановке: здесь молекулам кислорода из вдыхаемого воздуха энергетически выгодно связаться с гемоглобином эритроцитов, а поглощенный им ранее углекислый газ становится свободной молекулой СО2 . Эритроциты, помимо рассмотренных основных функций, выполняют и некоторые важные дополнительные функции. Например, с помощью гемоглобина они разносят по организму лекарственные препараты. А еще они обладают способностью накапливать токсины, и позднее, заканчивая период своего существования, они оставят токсины в печени или в селезенке. Эритроциты должны содержаться в крови в достаточном количестве. Нормальная концентрация эритроцитов – в среднем, порядка 5·106 1/мм3; у мужчин – несколько больше, у женщин – поменьше. Более высокая концентрация эритроцитов требуется жителям высокогорных районов, спортсменам, имеющим повышенную физическую нагрузку, и при некоторых других обстоятельствах. В среднем, в одном эритроците 3,4·108 молекул гемоглобина, каждая из которых способна связать четыре молекулы О2. Помимо контроля концентрации эритроцитов в крови, обеспеченность тканей организма кислородом можно проверять по содержанию гемоглобина в единице объема крови. При этом нормы таковы: в среднем, у мужчин должно быть 135 – 160 г/л; у женщин норма - 115 – 140 г/л. Но мало иметь достаточное количество эритроцитов. Необходимо, чтобы они были хорошего качества. Так бывает не всегда. Гематология – раздел медицины, изучающий заболевания крови, в том числе и возможные причины «неполного служебного соответствия» эритроцитов, а в других случаях – их производства в избыточном количестве. 3. Скорость оседания эритроцитов. В пробирке с кровью, разбавленной противосвертывающими веществами (антикоагулянтами), под действием силы тяжести постепенно происходит разделение на два слоя. В нижний слой оседают сравнительно тяжелые клетки – эритроциты: их плотность 1,098 г/см3. Благодаря наличию атомов железа в гемоглобине эритроцитов, нижний слой имеет красную окраску. Верхний прозрачный слой – плазма крови; ее плотность поменьше: в среднем, 1,027 г/см3. Скорость оседания эритроцитов (СОЭ) – это скорость опускания границы между слоями плазмы и эритроцитов. Единица измерения СОЭ: мм/час. Чтобы при заборе крови на анализ по СОЭ довольствоваться несколькими ее каплями, вместо пробирок используются тонкие стеклянные или пластиковые градуированные трубки – капилляры. Диаметр этих трубок равен 1 мм, что примерно в 100 раз больше, чем диаметр капилляров кровеносной системы. Сложилось два основных способа проведения анализа на СОЭ. В России и в постсоветских странах применяется, в основном, способ Панченкова, в остальных странах – способ Вестергрена. В обоих способах кровь на анализ забирают натощак, в утренние часы. В обоих способах забирают венозную кровь и в качестве коагулянта применяют 5%-раствор цитрата натрия в пропорции к крови 1:4. Основное отличие – в длине применяемых капилляров: в способе Панченкова применяются капилляры длиной 100 мм, а у Вестергрина их длина 200 мм. Результаты измерений СОИ по Панченко и Вестергрину в диапазоне СОИ от 0 до 10мм/час совпадают, но чем больше значения скорости оседания, тем больше отличия результатов измерений (см. табл. 1): Таблица 1. Сравнение результатов измерений СОИ по Панченкову и Вестергрину; мм/час
В длинном капилляре Вестергрина эритроциты, погружаясь в течение часа, создают друг другу в совокупности меньше помех, чем в коротышке -капилляре Панченкова. В длинном капилляре эритроцитам тонуть легче, чем в коротком. При измерении СОЭ в вертикально установленных трубках-капиллярах происходит следующее. - Первые 10 минут: сначала эритроциты погружаются по принципу «каждый сам по себе», но вскоре начинают образовываться вертикальные скопления эритроцитов – так называемые «монетные столбики». Объединение в столбики вопреки кулоновскому взаимному отталкиванию эритроцитов происходит благодаря тому, что разнообразные белковые молекулы, плавающие в плазме, разворачиваются, притягиваясь своими положительно заряженными частями к эритроцитам и тем самым ослабляя их взаимное отталкивание. - Следующие 40 минут: столбчатые структуры укрупняются за счет присоединения эритроцитов-одиночек и объединения мелких столбиков. При этом скорость оседания возрастает. - Еще 10 минут: стадия отстаивания, склеивания и уплотнения осевшей фракции. На этой стадии скорость оседания уменьшается практически до нуля. Значения СОЭ в норме для различных категорий населения приведены в табл. 2. Таблица 2. Значения СОЭ в норме.
Примечание: показатели нормыСОЭ по Панченкову и по Вестергрину практически совпадают. Несовпадения имеют место при повышенных значениях СОЭ. В таблице 2 повышенные значения СОЭ не рассматриваются. 4. Диагностическая ценность СОЭ. Прежде всего отметим, что постановка однозначного диагноза по отклонениям СОЭ от нормы невозможна. Измерение СОЭ может производиться в профилактических целях при обычном врачебном осмотре, чтобы проверить, нет ли отклонений от нормы в целом по организму пациента. СОЭ может измеряться для контроля эффективности ранее назначенного лечения. Повышенное значение СОЭ может быть вызвано: - инфекционными заболеваниями – вирусными, грибковыми, бактериальными; - беременностью; - заболеваниями иммунной системы – аутоиммунными заболеваниями (их известно около восьмидесяти); - инфарктами внутренних органов, в том числе инфарктом миокарда; - злокачественными опухолями; - травмами и переломами; - анемиями различного рода; - интоксикациями; - перенесенным операционным вмешательством; - состоянием после шока; - стрессом; - приемом некоторых лекарственных препаратов. Пониженное значение СОЭ наблюдается в следующих случаях: - врожденная недостаточность кровообращения; - некоторые нарушения белкового состава плазмы крови; - голодание, снижение мышечной массы; - вегетарианская диета. 5. Вязкость жидкости. Коэффициент вязкости. Мы называем жидкость вязкой, если при ее перемешивании нам приходится прикладывать большие усилия. Если в двух параллельных соприкасающихся слоях жидкость движется с различной скоростью v1 и v2, то по границе их соприкосновения действуют силы вязкого трения (рис. 1):  Рис.1. Взаимодействие слоев жидкости. Для медленного слоя 2 сила вязкого трения направлена так, что способствует его более быстрому движению. Для быстрого слоя 1 сила трения является тормозящей. Сила взаимодействия слоев описывается формулой Ньютона:  S (1)Здесь Δv = v2 - v1 - разность скорости в соседних слоях;  -расстояние между слоями; отношение  называется градиентом скорости. η - коэффициент динамической вязкости; зависит от рода жидкости и ее температуры. Из формулы (1) следует выражение для коэффициента вязкости:  (2)На основе этого выражения введена производная единица коэффициента вязкости в системе СИ – 1Па‧с (паскаль-секунда):  В этой лабораторной работе пригодится тысячная доля от 1Па‧с – это 1мПа‧с (миллипаскаль-секунда). Диапазон значений коэффициента динамической вязкости жидкостей весьма широк: у ацетона - 0,322 мПа‧с, а у глицерина – 1480 мПа‧с (1,48 Па‧с) Примечания: 1. Различают динамическую и кинематическую вязкость. Коэффициент кинематической вязкости ν и более привычный для нас коэффициент динамической вязкости η связаны следующим образом: ν=η/ρ, где ρ – плотность жидкости или газа. Единица измерения кинематической вязкости в системе СИ – 1 м2/с. 2. В литературе встречается внесистемная единица измерения коэффициента кинематической вязкости стокс (названа в честь английского физика и математика). Его связь с системой СИ: Ст = 1 см2/с = 0,0001 м2/с. 6. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Вязкость крови. В связи с обсуждением вопросов вязкости, представляет интерес несложная классификация, согласно которой жидкости подразделяются на две категории: на ньютоновские и неньютоновские. У ньютоновских жидкостей коэффициент вязкости зависит только от рода вещества и температуры. У неньютоновских жидкостей коэффициент вязкости зависит не только от температуры, но и от особенностей их течения: поперечные размеры потока, градиент скорости в нем. И вообще, все неньютоновские жидкости неньютоновы по-своему. Насколько неожиданными, непривычными и даже опасными могут быть неньютоновские жидкости, можно посмотреть в интернете. Наберите в поисковике болотную трясину или зыбучие пески, не пожалеете. Ньютоновские жидкости состоят из простых неорганических молекул или низкомолекулярных органических. Простые молекулы – сравнительно простой характер взаимодействия параллельных слоев жидкости. Вязкость жидкости зависит только от температуры. При увеличении температуры коэффициент вязкости уменьшается. Неньютоновские жидкости – сложные: суспензии, эмульсии, жидкости с протяженными молекулами высокополимеров. Кровь – неньютоновская жидкость. Это связано со сложностью состава: в плазме крови – разнообразные белки, оказывающие разнонаправленное влияние на ее вязкость. Большое влияние на вязкость крови оказывают ее форменные элементы. Это проявляется и в сильной зависимости вязкости крови от условий ее протекания. Например, вязкость крови, измеренная в клинической лаборатории, может оказаться равной 5мПа·с, но кровь того же пациента в его же собственных капиллярах может иметь вязкость порядка 800 мПа‧с. Будь кровь ньютоновской жидкостью, ее вязкость в капиллярах оказалась бы тоже 5 мПа‧с. 7. Некоторые факторы, влияющие на вязкость крови. В широких кровеносных сосудах и при низких скоростях кровотока эритроциты объединяются в конгломераты, разделенные плазмой. Пример таких конгломератов – «монетные столбики», возникающие при оседании эритроцитов. Конгломераты, объединяясь, могут укрупняться, образуя достаточно жесткие структуры и становясь все более ощутимой помехой свободному движению крови. Вязкость крови при этом возрастает. С ростом скорости кровотока растут и градиенты скорости, конгломераты распадаются на малые протяженные части, которые способны изгибаться, продвигаясь в своем слое течения. Вязкость крови уменьшается. Эритроциты протискиваются через капиллярные кровеносные сосуды, преодолевая их «гуськом». В этих условиях вязкость крови наибольшая. Вязкость плазмы крови очень сильно зависит от ее биохимического состава. Любому патологическому состоянию организма соответствует специфическая реакция иммунной системы, приводящая к появлению в составе плазмы многочисленных белков, адекватных данной патологии. Эти биохимические потрясения оказывают значительное влияние и на вязкость крови, и на СОЭ. Исполнительным механизмом этого влияния является электрическое взаимодействие белковых молекул с мембранами эритроцитов. Результат может быть разным: одни белки работают на уменьшение потенциала поверхности эритроцитов, другие – противодействуют этому уменьшению. Исход этой конфронтации сильно зависит и от самих эритроцитов. Потрепанные жизнью эритроциты имеют пониженный потенциал поверхности, слабее взаимно отталкиваются, легче слипаются в конгломераты. У слипшихся эритроцитов резко уменьшается эффективная площадь поверхности, а это – путь к анемии. Эритроциты, не справляющиеся с выполнением своего предназначения, подлежат выводу из обращения: «некто» в этой системе, оценив поверхностный потенциал таких эритроцитов как недостаточный, отправит их на переработку. Система сама решает вопросы очередности замен. Но в некоторых случаях желательна помощь медицины. Применение в медицине капиллярных вискозиметров способствовало появлению и широкому применению внесистемной единицы вязкости крови. Относительная вязкость крови – это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз вязкость крови превосходит вязкость воды при той же температуре. |