74
11.
Cirkulace Zásadní dùleitost cirkulaèního aparátu pro funkci ivoèiného organizmu vyplývá z jeho postavení ve slubách udrení stálosti extracelulárního prostøedí. Bez obìhové soustavy zajiující cyklické omývání vech tkání a orgánù, by krev nebo hemolymfa nemohly plnit svou roli zajiování ivotního prostøedí bunìk. Jedinì cirkulující extracelulární tekutina mùe zajistit výmìnu látek, energií a informací nezbytných pro ivot bunìk. Rùzné funkce jsou lokalizovány do rùzných míst v tìle a teprve cirkulace tvoøí z mnohobunìèného organizmu funkèní celek.
11.1. Úkoly oběhové soustavy Tìlní extracelulární tekutiny, o nich pojednává pøedcházející kapitola, zprostøedkovávají kontakt mezi buòkami mnohobunìèných organizmù a okolním svìtem. Buòkám je na jedné stranì díky tìsnému kontaktu s tìlní tekutinou (a u je to hemolymfa nebo prostøednictvím intersticiální tekutiny krev), umonìna difuzní výmìna látek. Na stranì druhé rùzné orgány (plíce, ledviny, støevo) pøejímají úkoly výmìny látek mezi touto cirkulující tekutinou a okolím. Cirkulaèní systém tedy slouí jako dopravní pás spojující buòky s okolním prostøedím i navzájem. Úkoly kladené na obìhový systém se do znaèné míry kryjí s úkoly, které jsme ji zmiòovali u krve. Jde tedy hlavnì o dopravu kyslíku a CO2, ivin a metabolitù, rozvod látkových signálù a tepla a v neposlední øadì podpora obranných reakcí krevních elementù. Lze zmínit i hydrostatickou funkci pro oporu mìkkých tìl nìkterých bezobratlých.
11.2. Fylogeneze oběhových soustav Mezi cirkulaèními systémy ivoèichù existují znaèné rozdíly (obr. 11.1). Vechny vak mají spoleèné tyto prvky: cirkulující tìlní tekutinu (hemolymfu nebo krev), srdce pumpu (nebo pumpy), uvádìjící tekutinu do pohybu a cévní systém, kterým krev nebo hemolymfa obíhá. Nií mnohobunìèní postrádají tìlní dutinu a nemají tedy ani vnitøní cirkulaèní systém. U houbovcù (Porifera), ahavcù (Cnidaria), ebernatek (Ctenophora) a i nìkterých plotìncù (Plathelminthes) nacházíme vìtinou jen tzv. gastrovaskulární cirkulaci tekutiny v rámci støevní dutiny, která ovem hraje také roli obìhového systému (obr. 11.1.a,b). Jejich tìlní stìna je natolik tenká, e nepotøebují vnitøní transportní tekutinu a síly difuze jetì staèí zajistit výmìnu látek s okolním vodním
prostøedím. U houbovcù navíc transportují iviny amébovité pohyblivé buòky (archeocyty). Se vznikem pseudocélové a célomové dutiny vzniká i vnitøní tìlní tekutina. Ale ani pak jetì nemusí existovat srdce a cévy a napøíklad pseudocélová tekutina hlístic (Nematoda) je uvádìna do dostateèného pohybu pouhými pohyby tìla (obr. 11.1.c). U èlenovcù (Arthropoda) poprvé vzniká srdce a soustava cév, které ovem zatím netvoøí uzavøený celek, nýbr jen propojují rùzné tìlní dutiny (siny, lakuny). Hovoøíme o otevøené cévní soustavì, protoe cirkulující tekutina hemolymfa volnì protéká mezibunìènými prostory a bezprostøednì omývá vechny tkánì.
11.2.1. Otevřené cévní soustavy Hemolymfa je zde tedy stále jedinou tìlní tekutinou, její cirkulace je ji vyvolávána stahy srdce a dráhy proudìní jsou urèeny stupnìm vývoje cév. Takovou soustavu mají i èlenovci, u nich ovem neplatí jednotný stavební plán, cévní soustava závisí na vývoji dýchacích orgánù (obr. 11.1.d,e). U perlooèek (Cladocera) se vyskytuje pouze srdce v høbetní èásti tìla. Buchankám (Copepoda) dokonce i to zcela chybí. U vyích korýù, kteøí dýchají ábrami (napø. rakovci) nebo u tírù a pavoukù dýchajících plicními vaky, jsou cévy dobøe vyvinuty, kdeto u tìch, kteøí mají silnì vyvinutou soustavou trachejí (hmyz), je soustava cév redukovaná. Hmyzí trubicovité srdce je, jako u vech èlenovcù, uloeno na høbetní èásti tìla. Krev je nasávána boèními otvùrky (ostiemi), které jsou v zadeèkové èásti opatøeny záklopkami (chlopnìmi). Obìhový systém je velmi jednoduchý, protoe funkci pøenosu plynù plní tracheální soustava. Je redukován na aortu (hrudní úsek høbetní trubice), vedoucí hemolymfu smìrem k hlavì. Zde se vylévá do dutin (sinù) mezi orgány. Smìr jejího proudìní je usmìròován a vymezován blanitými septy, která pro-
11. CIRKULACE
75
Oskulum
Coelenteron
a) Houbovci
b) ahavci Srdce
Ostie
Pseudocél
Dorzální céva
Trávicí trakt Støevo
c) Hlístice
Ostie
Hemocél
c) Hmyz
Srdce
Hemocél
Tepna
Srdce
Dýchací kapilární sí
Hemocél
Tepna f) Mìkkýi
e) Korýi
Laterální srdce
Dorzální céva
Célomová dutina
Komora
Dorzální tepna
Kapilární sí
Célom Kapilární sí g) Kroukovci
Lymfatická Pøedsíò Lymfatický spojka kanálek
íla
h) Savci
Obr. 11.1. Oběhové soustavy. Malí nebo přisedlí, primitivní živočichové nemají oběhový systém vůbec nebo jeho úlohu plní tekutina ve střevě (a,b). Se vznikem tělních dutin se objevuje různě dokonalá soustava srdce a cév s hemolymfou volně protékající dutinami (c,d,e,f). Uzavřené cévní řečiště znamená oddělení krve od tkáňového moku a vznik samostatných lymfatických cév odvádějících tkáňový mok (lymfu) do krevního oběhu .
nikají dokonce i do nohou a tykadel. Na bázi tykadel, køídel a konèetin jsou pomocné pulzující orgány, které proudìní usnadòují (obr. 11.2.). Cirkulaèní soustava mìkkýù obsahuje øadu cév, srdce bývá rozlieno na komoru a pøedsínì, jejich poèet obvykle odpovídá poètu aber (obr. 11.1.f). Hemolymfa je rozvádìna cévami po tìle a vylévá se do sinù. Odtud je nasávána do il s pulsující svalovinou, dostává se do aber èi plic, kde protéká sítí vláseènic a vrací se do
srdce. Okyslièená a odkyslièená hemolymfa jsou èásteènì vedeny oddìlenì. Nejdokonalejí srdce a cévní soustavu mají hlavonoci, kde se setkáváme s témìø uzavøenou cévní soustavou a kde siny jsou redukovány a nahrazovány sítí vláseènic. Srdce je arteriální a krev do nìj pøichází pøímo ze aber. ene pak krev nasycenou kyslíkem k jednotlivým orgánùm (velký krevní obìh). Malý krevní obìh se skládá ze aberních srdcí, které vhánìjí krev chudou na kyslík do aber (obr. 11.3.).
11. CIRKULACE
76
Høbetní céva srdce Køídlovité Ostie svaly
Ventrální septum
Pomocná srdce Aorta
Septum v konèetinì
Nervová páska
11.2.2. Uzavřené cévní soustavy
Obr. 11.2. Oběh hmyzu. Šipky označují proud hemolymfy. Při diastole je srdce rozepínáno křídlovitými svaly a hemolymfa proudí ostiemi dovnitř. Při systole je vystřikována aortou k hlavě, pak se vrací tělními dutinami. Cirkulaci podporují pomocná srdce, proud je usměrňován septy v těle i v končetinách. Ventrální septum může díky vlastní svalovině cirkulaci podporovat.
Aorta
ábry
Pøedsíò Komora
Otevøené cévní soustavy se proto vyskytují pøedevím u ivoèichù s niím metabolizmem. Výjimkou z tohoto pravidla je pøedevím hmyz. Urèitým fyzikálním problémem je u otevøených systémù plnìní srdce tj. pøekonání prunosti srdce v diastole. U mìkkýù, u kterých je srdce hermeticky tìsnì uloeno ve vakovitém perikardu, vzniká pøi systole komory kolem srdce podtlak, který zpùsobí nasátí krve do pøedsíní. Následující systola pøedsíní naplní komoru. Trubicovité srdce hmyzu je pøi diastole roztahováno zvlátními køídlovitými svaly.
aberní srdce
Obr. 11.3. Schématické znázornění oběhové soustavy hlavonožců s již téměř uzavřenou cévní soustavou, arteriálním srdcem a s velkým a malým oběhem.
Cévní soustava ostnokocù odpovídá paprsèité stavbì tìla. Hlavní cévy doprovázejí nervy a ambulakrální kanály. Typické srdce chybí, dochází pouze ke slabé pulzaci nìkterých cév. Otevøené cévní systémy se lií od uzavøených hlavnì v tìchto bodech: 1) Rozdíl mezi systolickým a diastolickým tlakem je malý. 2) Periferní odpor je malý, s èím souvisí i malá intenzita srdeèní èinnosti (výkon srdce). 3) Krev neproudí plynule. 4) Podmínky výmìny látek s tkánìmi jsou horí vzhledem k mení ploe styku hemolymfy s tkánìmi. 5) Transportní mechanizmus je sice ménì energeticky nároèný, je vak také ménì výkonný.
U uzavøeného obìhu se oddìluje tkáòový mok relativnì stojaté prostøedí, ve kterém ijí buòky od cirkulující krve uzavøené v souvislé síti cév. Krev v roli specializovaného dopravního toku tedy nepøichází s buòkami do kontaktu pøímo, ale komunikuje s nimi pøes stìny husté a jemné kapilární sítì. Takový systém vyaduje pøítomnost výkonné pumpy srdce, které je schopno dosáhnout dostateèného tlaku zajiujícího prùtok celým øeèitìm. Uzavøený obìh je funkènì dokonalejí, nelze vak øíci, e se ve vech pøípadech vyvinul z otevøeného. Zøejmì takto vznikl uzavøený obìh hlavonocù. U nìkterých pijavic a mnohotìtinatcù vak naopak z uzavøeného vznikl otevøený. První uzavøený obìh zaznamenáme z bezobratlých u kroukovcù a pásnic (obr. 11.1.g). Krev se pohybuje spíe peristaltickými stahy cévních stìn ne èinností nìjakého centrálního srdce. Høbetní céva pulzuje smìrem k hlavì, v bøiní cévì proudí krev smìrem k zadnímu konci tìla. Høbetní a bøiní céva jsou spojeny pøíènými spojkami, které mohou rovnì pulzovat. Jiné postranní spojky se vìtví v sí jemných vláseènic v tìlní stìnì a vnitøních orgánech. Z nich se pak krev sbírá do bøiní cévy. Cévní soustava hlavonocù je podobná obratlovèí, i kdy zde nejde o ádnou fylogenetickou návaznost. Dokonale uzavøené cévní soustavy s jediným centrálním srdcem mají a obratlovci (obr. 11.1.h). Cévní soustava obratlovcù vychází ze základu, kterým je cévní soustava kopinatce. Ta je tvoøena uzavøenou soustavou trubic. Krev udrují v pohybu stalivé orgány na bázi aberních cév. Diferencované srdce jetì není vyvinuto. Ve vývoji obratlovèího obìhu lze jasnì sledovat tendenci k oddìlení okyslièené krve (bohaté na kyslík) od odkyslièené (chudé na kyslík), s èím je spojeno postupné rozdìlení srdce od dvojdílného rybího (nepoèítáme-li ilný splav a tepenný násadec) po ètyødílné srdce savcù a ptákù. Také cévní systém je ve své pùvodní podobì (u ryb) jednoduchým okruhem, kde srdce ene krev do aber, odkud je vedena do tkání a zpìt do srdce. Vývoj pokraèuje pøes rùzné stupnì mísení okyslièené a odkyslièené krve a vrcholí u savcù a ptákù dvìma zcela oddìlenými okruhy: malým plicním a velkým tìlním.
11. CIRKULACE
11.3. Srdce savců Srdce savcù (a ptákù) pøedstavuje dvì anatomicky a funkènì spojená èerpadla pravá a levá polovina srdce. Spojení do jednoho orgánu je výhodné z hlediska dokonalé synchronizace jejich èinnosti. Pravá komora, která má tenèí stìnu, pohání systém plicního, malého obìhu a èerpá odkyslièenou krev (obr. 11.4.). Levá komora s výraznì vyvinutou svalovinou pøeèerpává okyslièenou krev z plic do aorty, jí zaèíná vysokotlaký, tìlní obìhový systém. Horní èást tìla
Aorta
Jednou z poruch funkce chlopní je propad (prolaps) chlopnì, zpravidla do pøedsínì. Èást systolického tepového objemu tak zùstává v pøedsíni a srdce je objemovì pøetìováno. Chorobné zmìny na chlopních také zpùsobují, e se nemohou úplnì uzavøít a èást krevního objemu se vrací do prostoru s niím tlakem. Tato nedomykavost chlopní se projevuje srdeèním elestem v dobì, kdy se chlopeò uzavírá.
Levá plicní tepna
Èinnost srdce provázejí zvukové projevy, tzv. srdeèní ozvy. Ozva systolická je silnìjí, hlubí a delí. Vzniká nárazem zavírajících se chlopní cípatých a vibrací napínající se stìny na zaèátku systoly. Ozva diastolická je kratí, slabí a vyí. Je výsledkem uzavøení polomìsíèitých chlopní a vibrací krevního sloupce ve velkých cévách.
Levá plicní íla
11.3.2. Krevní oběh plodu (fetální oběh)
Horní dutá íla LP
levou síní a levou komorou je chlopeò dvojcípá, zvaná také mitrální (od podoby biskupské mitry). Velké tepny: aortu a plicní tepny uzavírají proti komorám chlopnì polomìsíèité (semilunární). Mají tøi pohyblivé segmenty, které jsou orientovány do prostoru tepen. Otevírají se pøetlakem krve pøi stahu komor. Uzavírají se na poèátku diastoly, jakmile tlak v komoøe poklesne.
Èerpací èinnost je zaloena na rytmickém støídání ochabnutí (diastola) a kontrakce (systola) svaloviny pøedsíní (pouívá se i termín sínì) a komor. Srdce je zároveò opatøeno chlopnìmi, které propoutìjí krev pouze jedním smìrem, tím je zajitìna èerpací funkce. Systola pøedsíní pøedchází systole komor a pøedsínì tak fungují jako pomocná èerpadla, napomáhající plnìní komor. Krev se do srdce vrací jednak z plic plicní ílou do levé pøedsínì a z tìla dolní a horní dutou ílou do pravé pøedsínì.
U obratlovcù je závislý na zpùsobu vývoje jejich zárodkù. U anamnií, vyvíjejících se pøevánì ve vodì, je fetální obìh jednoduí ne u amniot, rozmnoujících se na soui. Je to v dùsledku kontaktu plodu s vodním prostøedím, které umoòuje také dýchání difuzí. Fetální obìh savcù se vyznaèuje pøedevím tím, e plicní obìh nefunguje a tìlní obìh není dùslednì oddìlen od plicního obìhu. V srdci plodu spolu pøedsínì navzájem komunikují otevøeným otvùrkem v pøedsíòové pøepáce (foramen ovale). K obohacení krve plodu kyslíkem dochází v placentì. Odtud proudí krev obohacená kyslíkem a ivinami pupeèní ílou pøes ilný kanálek (ductus venosus) do zadní èásti pravé srdeèní pøedsínì (obchází tak játra). Pøes otvor v pøedsíòové pøepáce se dostává do levé pøedsínì, poté do levé komory a odtud tepnami do dùleitìjí hlavové èásti plodu. ilní krev z hlavy a horních konèetin je usmìròována z pravé pøedsíne do pravé komory. A jeliko plíce jsou zatím nefunkèní, dostává se krev zkratem zvaným ductus arteriosus z plicnice do sestupné aorty a poté do placenty, kde odevzdává CO2 a pøijímá O2 z krve matky. Po porodu zaniká prùchod krve placentou, zvýená hladina CO2 uvede reflexnì pøes dýchací centrum v prodlouené míe v èinnost dýchací pohyby. Rozevøou se plíce, uzavøe se foramen ovale, zanikne i ductus venosus a srdce je dokonale rozdìleno na pravou a levou polovinu.
11.3.1. Chlopně
11.3.3. Velikost srdce
Mezi pøedsínìmi a komorami se nacházejí chlopnì cípaté, které ústí svým hrotem do prostoru komor. Pøi stahu komor se uzavírají pøetlakem krve. Chlopnì vedoucí do komor jsou v prùbìhu diastoly komor otevøeny. Mezi pravou síní a pravou komorou je chlopeò trojcípá, mezi
V rámci stejné ivoèiné skupiny je velikost srdce pøímo úmìrná velikosti ivoèicha a jeho aktivitì. ivoèichové, kteøí se dlouho a vytrvale pohybují, mají srdce vìtí ne ivoèichové pomalí nebo krátkodobì se pohybující. Tento rozdíl je zvlá nápadný tehdy, jde-li o ivoèichy pøi-
PP LK
Dolní dutá íla
Chlopeò
PK
Dolní èást tìla
Obr. 11.4. Proud krve v lidském srdci. Z levé komory (LK) proudí krev aortou do hlavy a těla. Vrací se horní a dolní dutou žílou do pravé předsíně (PP). Z pravé komory (PK) je vedena plicními tepnami do plic, ze kterých se vrací plicními žilami do levé předsíně (LP). Chlopně brání zpětnému toku.
77
11. CIRKULACE
78
blinì stejnì velké, fylogeneticky pøíbuzné, ale ijící rùzným zpùsobem, napø. zajíc a králík, prase domácí a prase divoké, potkan z volné pøírody a potkan laboratorní, sýkora a kanár chovaný øadu generací v kleci, studenti tìlesné výchovy a napø. nesportující studenti psychologie atp. Pomìrná hmotnost srdce na jednotku hmotnosti tìla je napø. u zajíce tøikrát vìtí ne u králíka.
11.4. Srdeční automacie Srdce vech skupin ivoèichù pracují formou rytmických stahù (systol), pøi nich je tìlní tekutina vypuzována do tìla, støídajících se s obdobími klidu (diastolami), kdy se srdce plní krví. Rùzní ivoèichové se lií pùvodem srdeèních vzruchù. Je-li srdce neurogenní, pracuje podobnì jako kosterní sval v odpovìï na nervové drádìní. Je-li myogenní, má urèitou èást své tkánì specializovánu na periodickou tvorbu elektrických membránových zmìn má svùj pacemaker (udavatel rytmu), a svou automacii. Plátìnci, obratlovci, pli a nìkterý hmyz mají myogenní srdce. Na vnìjí inervaci závisí srdce korýù, pavoukù a nìkterého hmyzu, podobnì jako lymfatická srdce obojivelníkù a ryb. Tepová minutová frekvence u obratlovcù klesá s rostoucí velikostí tìla a u èlovìka v klidu je asi 6575/min. Nií frekvence se oznaèují jako bradykardie, vyí jako tachykardie. Aèkoli je savèí srdce do znaèné míry autonomní a nepotøebuje pro rytmickou èinnost vnìjí inervaci, musí být pøesto schopno reagovat zmìnami svého výkonu na rùzné potøeby organizmu (viz dále).
11.5. Elektrická aktivita srdce Nìkterá specializovaná srdeèní svalová vlákna mají schopnost samovolnì generovat a vést vzruchy, naproti tomu témìø postrádají stalivost. Tvoøí tzv. srdeèní pøevodní soustavu, která zajiuje èasovì a prostorovì koordinovaný cyklus srdeèních stahù. V kapitole vìnované svalùm jsme ji zmiòovali, e díky elektrickému propojení bunìk myokardu plazmatickými mùstky (interkalárními disky) se vzruchy íøí z místa vzniku podrádìní na celé srdce. To tedy nemá motorické jednotky a na podrádìní neodpovídá buï vùbec nebo reaguje úplným stahem. Monost významnì regulovat sílu stahu, jako je tomu u prostorové sumace svalu kosterního, by ani nebyla u srdce úèelná. Dále víme, e akèní potenciál myokardu má velmi dlouhé plató a tedy i refrakterní fáze je velmi dlouhá, delí ne jeden mechanický stah. Tyto vlastnosti myokardu souzní s jeho rytmickou èerpací èinností a chrání srdce pøed tetanickým sevøením nebo sniují riziko vzniku fibrilací. Srdeèními fibrilacemi se nazývají velmi rychlé (300/min a více) a èasto chaotické a povrchní stahy myokardu, kdy je èerpací práce prakticky zastavena. Jednou z moných pøíèin vzniku je krouení vzruchù kolem pokozeného místa. Takto
vzniklý oscilátor pak pøebírá kontrolu nad celým srdcem. Podmínkou krouení ovem je, aby vzruch pøed sebou vdy nacházel svalovinu v ji aktivním stavu tedy po odeznìní refrakterní fáze. Ta má tedy jistý ochranný efekt.
Vlákna pracovního myokardu nejsou za normálních okolností schopna spontánní tvorby vzruchù a jejich hlavní èinností je mechanická èerpací práce srdce. Rytmicky se opakující podnìty si vytváøí srdce savcù samo. Vzruchy vznikají ve stìnì pravé pøedsínì pøi ústí horní duté íly v tzv. sinoatriálním (SA) uzlu, odkud se íøí pøes pøedsínì (obr. 11.5.). SA uzel je za normálních okolností dominantním pacemakerem, øídícím frekvenci srdeèního stahu.
Dutá íla LP
SA uzel
Hisùv svazek LK
PP AV uzel
PK Purkyòova vlákna Tawarovo raménko
Obr. 11.5. Převodní soustava savčího srdce. Vzruchy vznikají v sinoatriálním (SA) uzlu na pravé předsíni (PP). Jsou vedeny přes předsíně do atrioventrikulárního (AV) uzlu, odkud vstupují na komory. Pokračují srdečním septem Hisovým svazkem, který se větví na Tawarova raménka. Purkyňova vlákna cestu ukončují.
Jedinou vstupní branou na svalovinu komor pøedstavuje atrioventrikulární (AV) uzel, ve kterém se vzruch na chvíli zdrí ne postupuje dále. U poikilotermních ivoèichù tvoøí srdce jediný souvislý celek a mezi jednotlivými èástmi srdce se nevytvoøilo zvlátní vodivé spojení a vzruch se íøí celou srdeèní tkání. V ptaèím a savèím srdci vak oddìluje pøedsínì od komor vazivová tkáò, která nemùe vést vzruch. Tento úkol pøejímá Hisùv svazek navazující na AV uzel a postupující dále septem mezi komorami. Nakonec se rozdìlí na dvì raménka (pro kadou komoru jedno), která pøecházejí v Purkyòova vlákna. Protoe vlna podrádìní se íøí postupnì a potøebuje urèitý èas k probìhnutí celým srdcem, existují zde v urèitém okamiku oblasti ji podrádìné depolarizované, mající opaèný náboj, ne oblasti jetì ve fázi klidového potenciálu. Mezi rùznì nabitými oblastmi srdce teèou elektrické proudy mìøitelné i z povrchu tìla. Diagnostická metoda zaloená na registraci tìchto proudù se jmenuje elektrokardiografie (EKG). Na typické køivce existují:
11. CIRKULACE
A
a)
ta or
pn Te
y
pé Te
nk
y K
i ap
lá
ry
ilk
y
íly
D
á ut
.
Tlak
vlna P (depolarizace pøedsíní), komplex QRS (depolarizace komor) a vlna T (repolarizace komor). EKG umoòuje sledovat èasové parametry a tedy synchronizaci jednotlivých dìjù na srdci, ale také diagnostikovat a pøesnì na srdci lokalizovat poruchy vedení, spojené èasto s nedostaèným prokrvením (ischemií) srdeèního svalu nebo pøímo loisko infarktu.
79
bující urèitý okrsek myokardu (nejèastìji krevní sraeninou) dochází k infarktu myokardu (z lat. infarctio = ucpání). Ledvina-
mi prochází okolo 25 % MSV a slouí ke kontrolním a vyluèovacím funkcím tohoto orgánu ne tedy jenom pro jeho vlastní metabolické potøeby. Pøi obìhovém selhání mùe být prokrvení ledvin doèasnì omezeno ve prospìch srdce a mozku. Pøi tìké tìlesné práci protékají a 3/4 MSV kosterními svaly. Bìhem trávení èiní zásobení trávicího ústrojí také vysoký podíl z MSV. Proto je logické, e oba tyto orgány nemohou být maximálnì prokrvovány souèasnì. Prùtok krve kùí (v klidu asi 10 % MSV) slouí pøedevím výdeji tepla.
11.6.1. Funkce a anatomie cév V prùbìhu cévního øeèitì prochází krev rùznými druhy cév, ne se opìt vrátí do srdce. Popime si základní funkèní charakteristiky tìchto cévních úsekù v poøadí daném smìrem proudìní krve (obr. 11.6). Z levé komory je krev vypuzována do aorty, která se dále vìtví na artérie tepny. Stìny velkých tepen se skládají z endoteliálního epitelu, ze støední vrstvy (tvoøené hladkou svalovinou a kolagenem) a z elastické zevní vrstvy. Elasticita tepenných stìn je základem tzv. pruníkového efektu pøemìnu nárazových výtryskù krve ze srdce na kontinuální proudìní (obr.11.6.a). Poddajnost jejich stìn toti utlumí nárùst tlaku pøi systole a naopak udruje tlak v diastole.
b)
Prùmìr
c)
Celková plocha prùøezù
Srdce spolu s cévami vytváøí jednotný kardiovaskulární obìhový systém. Velký (systémový, tìlní) krevní obìh je sloen z øady paralelnì zapojených okruhù, vyivujících jednotlivé orgány srdce, mozek, ledviny, svalstvo atd. Minutový srdeèní výdej (MSV, viz dále) se tedy rozdìluje mezi tyto orgány. Malý (plicní) krevní obìh dostává naproti tomu MSV celý, protoe je s velkým zapojen do série. Dostateèné zásobení mozku je udrováno pøednostnì (asi 13 % klidového MSV) nejen proto, e jde o ivotnì dùleitý orgán, ale i proto, e je zvlá citlivý na nedostatek O2. Také prokrvení srdeèního svalu vìnèitými (koronárními) cévami nesmí poklesnout, protoe by to zpùsobilo selhání celého obìhového systému (5 % MSV). Koronární cévy odstupují z aorty v tìsné blízkosti srdce a dodávají napø. lidskému srdci v klidu pøes 200 ml krve za minutu. Pøi velmi namáhavé práci to mùe být i desetinásobek. Dojde-li k uzávìru koronární tepny záso-
d)
Celkový objem
11.6. Kardiovaskulární systém
Obr. 11.6. Úseky cévního řečiště a jejich charakteristické parametry. Nárazy krevního tlaku (a) jsou tlumeny v tepnách a tepénkách, v kapilárách je již průtok kontinuální, v žilách tlak klesá k nule. Největší sumární plochu mají kapiláry (c), ač jsou nejmenšího průměru (b). Největší objem krve je uložen v žilách (d).
Arterioly tepénky se skládají z endotelové výstelky a tenké vrstvy okruní hladké svaloviny. Výraznì se podílejí na periferním odporu a proto v nich krevní tlak významnì klesá. Pro tuto vlastnost je lze nazvat odporovými cévami. Arterioly jsou nadto nadány schopností výraznì mìnit svùj prùmìr díky aktivitì hladké svaloviny ve stìnách a tím aktivnì zasahovat do øízení prokrvení. Hovoøí se o vazomotorickém øízení, jeho nástroje jsou vazodilatace uvolnìní a rozíøení cévy a vazokonstrikce staení, zmenení prùmìru. Prùmìr arteriol a také jejich tzv. prekapilárních svìraèù urèuje aktuální prùtok krve navazující kapilární sítí a tak i prokrvení jednotlivých orgánù a celkovou distribuci krve v tìle. Jak výraznì je moné takto regulovat krevní prùtok vyplývá z faktu, e odpor v cévì roste se 4. mocninou zmìny prùmìru tedy u velmi malá zmìna prùmìru vede k velké zmìnì odporu. Vláseènice (kapiláry) se skládají pouze z jednovrstevného epitelu. Mají sice jetì mení prùmìr ne arterioly, ale jejich celkový sumární prùøez je tak velký, e se na periferním odporu tolik jako arterioly nepodílejí (obr. 11.6.b,c). Pøedstavují styènou plochu mezi krví a tkánìmi, na jejich úrovni probíhá pøesun látek z krve
11. CIRKULACE
80
do mezibunìèné intersticiální tekutiny a naopak. Prùtok krve je v nich ji plynulý, bez velkých nárazù, co je pro výmìnu optimální. Ze sítì vláseènic je krev vedena do venul, které se spojují ve vìtí íly a dále zpìt k srdci. íly (vény) jsou kapacitní cévy, které díky roztaitelnosti a velkému prùmìru mohou pojmout znaèný objem krve, a slouí jako rezervoár krve, který je podobnì jako expanzní nádoba potøebný v jakémkoliv uzavøeném cirkulaèním systému s kolísajícím tlakem (obr.11.6.d). Jejich stìny jsou tenké a snadno ochabující. Jsou opatøeny chlopnìmi pro usnadnìní návratu krve k srdci, jemu napomáhá periodický tlak vznikající pøi práci kosterního svalstva. Pøi porue funkce ilní stìny dojde k jejich roziøování, zhoruje se funkce chlopní a ilní obìh se zpomaluje. Vytváøejí se varixy (mìstky), v nich se mohou vytváøet krevní sraeniny. Ty dále zhorují krevní cirkulaci a hrozí, e se jejich èást zanese do plicních kapilár a mùe pak vzniknout plicní embolie.
Ve velkém obìhu jsou také tzv. portální obìhové systémy. Krev je po prùchodu kapilárním øeèitìm svedena do íly a opìt se dostává do kapilární sítì. Krev z trávicího systému je portální ilou odvádìna do jater a tam se opìt vìtví v kapiláry. Podobnì je tomu v ledvinách nebo hypofýze.
11.6.2. Výměna tekutiny v kapilárách Celý krevní obìh slouí k tomu, aby umonil výmìnu látek a plynù, ke které nakonec dochází v nejtenèích cévièkách kapilárách. Na výmìnì vody, látek a plynù mezi plazmou a intersticiem se podílejí mechanizmy filtrace a resorpce (obr. 11.7.).
(z 90 %), pøípadnì je odvedena lymfatickými cévami (10 %). Na zaèátku pøevauje filtrace umonìná hydrostatickým tlakem krve, pøevyujícím savou sílu onkotického tlaku plazmatických bílkovin. Na druhém konci se situace obrací a tekutina je resorbována zpìt do kapiláry. Je-li filtrace vìtí ne souèet resorpce+odtok lymfou (k tomu mùe vést vzestup ilního tlaku nebo pokles obsahu plazmatických bílkovin), nastává otok edém.
11.6.3. Řízení krevního oběhu Øízení krevního obìhu musí zajistit èasto dosti protichùdné poadavky. Jeho úkolem je zásobit celé tìlo dostateèným mnostvím krve, a to jak v klidu, tak i za mìnících se podmínek prostøedí a zatíení. Základním poadavkem homeostázy je za vech okolností udret hladiny významných parametrù vnitøního prostøedí. Toho lze ovem dosáhnout nìkdy jen za cenu urèitých kompromisù a v krajních pøípadech obìtovat homeostázu nìkterých ménì choulostivých tkání. Proud krve musí být pøesmìrován k aktivním orgánùm na úkor tìch, které jsou v tu chvíli v klidu. Pøitom vak musí být pokud mono zachováno alespoò minimální prokrvení vech. Objekty øízení jsou srdce a cévy, prostøedky k øízení jsou povahy ponejvíce nervové a látkové, øídící centra sídlí zejména v mozkovém kmeni (obr. 11.8.). Mozková kùra
Hypotalamus
Lymfatická céva Venula
Arteriola
Kardiovaskulární centrum v mozkovém kmeni 10% Zuování nebo roziøování cév
90% Resorpce
Krkavice
Filtrace
Aorta Plícnice
Intersticium
Obr. 11.7. Výměna tekutiny mezi kapilárou a intersticiem. Na začátku kapiláry je ještě vysoký krevní tlak – tekutina je filtrována ven do intersticia (do tkáňového moku). Část moku odchází jako lymfa lymfatickými cévami, většina se resorbuje zpět do kapiláry, kde onkotické sání již převyšuje hydrostaticky tlak.
Za normálních podmínek je mezi obìma rovnováha. Tekutina, která vystoupí z kapilár na jejich arteriálním konci, se na jejich venulárním konci opìt resorbuje
Srdce
Obr. 11.8. Nervová regulace krevního oběhu. Rychlá centrální regulace oběhu se uskutečňuje nervově, změnami srdečního výkonu a odporu v periferních cévách. Centrum řízení je v mozkovém kmeni, ovšem pod vlivem zásahů hypotalamu a kůry.
11. CIRKULACE
11.6.3.1. Krevní tlak Tlakem krve nazýváme její tlak na stìny cév. Je to fyziologicky velmi významná velièina, na jejím øízení se podílí celá øada regulaèních mechanizmù. Krevní tlak vak není koneènou cílovou velièinou, její stabilita by musela být primárnì udrována. Je jen prostøedkem k udrení stability hladin významných látek (kyslíku, metabolitù atd.), a to za vech okolností. Proto pøi tìlesné námaze a zátìi tlak roste aby bylo dosaeno intenzivnìjího prùtoku a transportu z míst produkce do míst spotøeby a zmínìné hladiny neklesly pod (anebo nestouply nad) kritickou mez. Krevní tlak vak významnì popisuje situaci panující v obìhovém systému a regulaèní kardiovaskulární systém jej (spolu s hladinami O2, CO2 aj.) peèlivì monitoruje a na jeho zmìny reaguje. Tzv. baroreceptory sledují funkci obìhového systému, a to jak ve vysokotlakém systému v oblouku aorty, tak i v nízkotlakém v dutých ilách. Pokles tlaku (napø. v dùsledku ztráty krve) vede ke sníenému prùtoku ivotnì dùleitými orgány (srdcem a mozkem) a hrozí ztrátou vìdomí a smrtí. Okamitì se dávají do chodu opravné mechanizmy. Na èem vlastnì hodnota tlaku krve závisí? Nejdùleitìjími faktory jsou srdeèní výkon a periferní odpor cév. Zhruba podle vztahu: TK = MSV x PO. Kde TK je krevní tlak, PO periferní odpor a MSV minutový srdeèní výdej. Na velikost tlaku má vak vliv i celkový objem krve. Zde bude potøeba vsunout terminologickou poznámku. Termínem krevní tlak myslíme tlak centrální, tlak ve velkých tepnách, blízko srdce. V tomto významu je také termín nejbìnìji pouíván. Periferní odpor je odpor, který kladou krevnímu prùtoku cévy ve tkáních tìla (svalech, kùi, vnitøních orgánech atd.). Vrátíme-li se tedy k pøíkladu ztráty krve a klesajícího tlaku, opravnými mechanizmy budou: periferní vazokonstrikce tlaèící krev do centra k srdci (a mozku), dále zvýený srdeèní výkon a s delím èasovým odstupem retence vody a krvetvorba (ve pod kontrolou vegetativního nervového a hormonálního øízení). Pro suchozemské ivoèichy není bez významu, e tlak krve je významnì ovlivòován i gravitaèními silami, velcí savci se musí vyrovnat s tím, e s kadým metrem tìlesné výky vzrùstá tlak o 10 kPa. Díky periodické èinnosti srdce tlak kolísá. Nejvyí dosaená hodnota tlaku bìhem systoly se nazývá systolický tlak. Nejnií hodnota na ní tlak klesne v prùbìhu diastoly, je tlak diastolický. Støední krevní tlak i tlakové rázy v krevním øeèiti postupnì klesají, a je v kapilárách dosaeno kontinuálního prùtoku. Tlak ve velkých ilách se blíí nule (obr. 11.6.a). Tlak krve se mìní s vìkem v závislosti na pohlaví. Kojenci mají systolický tlak kolem 13,3 kPa (100 mm Hg, torrù), v pubertì se tlak krve zvyuje, a to více u chlapcù
ne u dívek. V paní tepnì dospìlého èlovìka se systolický tlak pohybuje mezi 16,618,6 kPa (125140 torrù), diastolický mezi 10,611,9 kPa (8090 torrù). S vìkem stoupá výraznìji hodnota tlaku systolického, protoe tepny ztrácejí svoji prunost následkem zvìteného obsahu vaziva (zejména kolagenu) v jejich stìnách. Regulace tlaku vak souvisí mimo jiné i se zadrováním vody v tìle a tak i s celým hormonálním systémem øízení vodního a elektrolytového hospodáøství (str. 110 a 120). K civilizaèním chorobám èlovìka patøí právì neadekvátnì vysoký tlak neodpovídající celkové situaci organizmu. Zvýený krevní tlak (hypertenze) je ivotu nebezpeèný pro zátì, jí je vystavena levá srdeèní komora a pro riziko pokození cév. Hypertenze má stimulující vliv na aterosklerotické zmìny v cévách. Ve stìnách cév se mohou ukládat cholesterol a vápenaté soli. To vede ke sniování elasticity cév, a ke zuování nebo úplnému uzávìru doprovázeným nedokrvením (ischemií) tkání. Sníení elasticity zpìtnovazebnì zvyuje krevní tlak destruktivní pozitivní zpìtná vazba. Nejnápadnìjí jsou tyto zmìny na vìnèitých tepnách (ischemická choroba srdeèní), tepnách dolních konèetin a mozkových tepnách. Aterosklerotické zmìny jsou velmi výrazné u èlovìka, opic a napø. prasete, jiné druhy (napø. potkan) jsou proti jejich vývinu dosti odolné.
11.6.3.2. Frekvence srdečního tepu Klidová frekvence tepu je hodnotou pomìrnì stálou a význaènou pro ivoèiný druh. U teplokrevných ivoèichù je v úzkém vztahu také k velikosti tìla klesá se stoupající hmotností ivoèichù. Klesá také v postnatálním vývoji (mláïata mají rychlejí tep ne dospìlci). U ivoèichù s promìnlivou teplotou tìla je v prùmìru nií. Poèet tepù je ovlivòován také momentální èinností ivoèicha, jeho pohybovou aktivitou, trénovaností a v neposlední øadì tìlesnou teplotou. Uveïme pro ilustraci rozmezí klidové frekvence tepù za minutu nìkterých ivoèichù pøi støední teplotì: kapr (4060), skokan (4252), sýkora (600800), orel (150210), rejsek (550850), potkan (200300), králík (180200), zajíc (7085), pes malá rasa (100125), pes velká rasa (7090), slon (2030), velryba (1525), èlovìk (6575).
11.6.3.3. Regulace srdečního výkonu Výkon srdce lze nejlépe popsat ji zmiòovaným minutovým srdeèním výdejem (MSV), co je souèin tepového objemu a minutové frekvence. Jeliko poadavky na dodávku krve k orgánùm se mohou znaènì mìnit, má srdce ohromnou funkèní rezervu: minutový srdeèní výdej u èlovìka se mùe mìnit z 5 l v klidu a na 30 l pøi fyzickém vypìtí. V klidu je tepový objem asi 70 ml, frekvence 7080/min a MSV tedy zmínìných asi 5 l. Nejvýznamnìjím mechanizmem zvýení srdeèního výkonu je zvýení frekvence tepù a na 180220/min a témìø zdvojnásobením tepového objemu. Srdce musí reagovat na potøeby organizmu tedy regulovat pøívod kyslíku
81
11. CIRKULACE
82
a ivin, odvod metabolitù a tepla vznikajících pøi svalové aktivitì. Regulaèní mechanizmy srdce lze rozdìlit na nervové, humorální a celulární. Nervová centra øízení srdeèní èinnosti jsou umístìná pøedevím v prodlouené míe a mostu (obr. 11.8). Centrální nadøazený vliv má hypotalamus, který je zase ovlivòován z kùry. Tak se mohou na srdeèní èinnosti projevit i emoèní stavy. Èinnost øídících center je závislá na signálech, které pøicházejí z rùzných interoreceptorù (baroreceptorù, chemoreceptorù a osmoreceptorù). Ty jsou rozloeny zejména v karotickém sinu, oblouku aorty a v ústí horní duté íly. Výstupní, øídící povely pùsobí na srdce prostøednictvím sympatických a parasympatických nervù. Mediátorem sympatiku vylévaným z nervových zakonèení je noradrenalin a parasympatiku acetylcholin. Pod vlivem tìchto mediátorù se mìní parametry iontových tokù na myokardu a tím napøíklad i rychlost íøení vzruchu, síla kontrakce, frekvence tepù, vzruivost. Obecnì platí, e sympatikus zvyuje srdeèní výkon a parasympatikus sniuje. Srdce má vak receptory i pro hormony kolující v krvi jde o muskarinové receptory citlivé opìt na acetylcholin a adrenergní receptory reagující na adrenalin a noradrenalin. Úèinky takto dopravených hormonù jsou podobné úèinkùm nervového øízení. Vedle tìchto centrálních mechanizmù má srdce jetì jeden, zcela autonomní regulaèní systém, fungující na úrovni bunìk. Je popsán tzv. Starlingovým zákonem a ve struènosti jde o to, e èím víc se svalová vlákna myokardu protáhnou pøi diastole, tím vìtí silou se pak stáhnou pøi systole. Tedy, jestlie do komory v diastole nateèe vìtí objem krve, zareaguje zvýeným systolickým výdejem musí zvýit sílu kontrakce.
11.6.3.4. Regulace průtoku krve Øízení prokrvení jednotlivých orgánù se uskuteèòuje pøedevím vazomotoricky, zmìnami prùmìru arteriol, které jako kohoutky mohou regulovat prokrvení. Zkraty mezi tepénkami a ilkami, tzv. arteriovenózní anastomózy, opìt vazomotoricky regulovatelné, pøedstavují dalí monost umoòující rychlou úpravu prùtoku krve tkánìmi. Obratlovci dýchající atmosférický vzduch velmi výraznì regulují krevní obìh pøi potápìní. Potápìcí reflex (leguán, krokodýl, kachna, tuleò) vede k silné bradykardii a omezení prokrvení na ivotnì dùleité orgány (mozek, oèi). Regulaèní mechanizmy øídící prùtok lze rozdìlit na místní (týkající se jediného orgánu) a centrální (týkající se celé cirkulace).
11.6.3.4.1. Místní regulace krevního průtoku Samotné tepénky mají schopnost reagovat na urèité vlivy, chemické nebo fyzikální a tak optimalizovat lokální situaci bez zásahu shora. Jednou z místních regulaèních funkcí je autoregulace prokrvení konstantnì metabolizujícího orgánu navzdory kolísání krevního tlaku. Hladká svalo-
vina toti na pasivní roztaení reaguje kontrakcí myogenní efekt. 1) Zvýení krevního tlaku na stìnu vyvolá tedy v samotné cévì staení, tj. zmenení prùmìru a sníení zvýeného prùtoku. Druhým úkolem je pøizpùsobit prokrvení zmìnám aktivity a metabolizmu v dané tkáni. Uplatní se zde 2) vliv metabolitù CO2, ADP, AMP, H+, kyseliny mléèné, co jsou vechno produkty metabolické èinnosti vyvolávající v cévì vazodilataci. Stejný úèinek má 3) nedostatek O2. Význam je pochopitelný: pracující orgán potøebuje vìtí krevní prùtok. V plicních sklípcích vak nahromadìní CO2 vede naopak k vazodilataci. Jde o ochrannou reakci pøedcházející zbyteènému prokrvení patnì ventilovaných alveol.
K místním vlivùm patøí i 4) chemické, parakrinnì uvolòované tkáòové hormony. Jmenujme z velké øady vazodilataèních alespoò histamin, nìkteré prostaglandiny, bradykinin a nejúèinnìjí vazokonstrikèní látku angiotenzin II. 5) Rovnì vyí teplota pùsobí vazodilataènì (viz str. 43).
11.6.3.4.2. Centrální regulace krevního průtoku Centrální regulaèní zásahy se týkají celého organizmu a zohledòují proto situaci v mnoha orgánech. Na základì tohoto centrálního vyhodnocení mùe být napø. pøi poklesu centrálního tlaku nìkterým ménì dùleitým orgánùm prokrvení dramaticky sníeno (i za cenu jejich pokození napø. støev) pro zachování ivotnì dùleitých funkcí. Naopak napø. pøi zvýení tlaku nad potøebnou mez je kromì zvolnìní srdeèní èinnosti vyvolána dilatace periferních cév a tím i pokles periferního odporu. Z centra musí být rovnì øízena pøednostní distribuce krve do tkání, jejich metabolická aktivita je momentálnì potøebná pro zachování celého organizmu. Pøi svalové práci se zvyuje mnoství krve ve svalových vláseènicích na úkor obìhu ve vnitøních orgánech. Naopak pøesun krve ze svalù do trávicího ústrojí nastává v období trávení. V období, kdy se organizmus pøehøívá, roziøují se povrchové cévy a teplá krev je pøevádìna do periférie. Vznikne-li nebezpeèí prochlazení, omezuje se koní prùtok a krev se pøesunuje do útrob. V centrálním øízení pøevaují vegetativní nervové mechanizmy: Baroreceptory monitorují aktuální stav vysokotlakého i nízkotlakého systému a pøedávají informace do vazomotorických center v prodlouené míe a mozkovém kmeni. Ty pak eferentními drahami dávají pokyny do srdce a hladkých svalù cév. Obecnì platí, e sympatická vìtev vegetativního nervstva mobilizuje organizmus ke svalovým výkonùm, proto dilatuje cévy ve svalech a naopak kontrahuje je v útrobních orgánech a kùi. Parasympatikus má opaèné úèinky (viz také tab. 16.1. na str. 137). V tìsné spolupráci s vegetativním nervovým øízením je i øízení hormonální. Proto se jako centrální regulátory obìhu uplatòují i nìkteré hormony, zejména katecholaminy z døenì nadledvin poplachové, mobilizaèní hormony. Adrenalin vyvolává sníení periferního odporu a redistribuci prùtoku. V kosterních svalech stoupá, v kùi
11. CIRKULACE
a bøiní dutinì klesá jako pøíprava na svalový výkon. Noradrenalin jen zvyuje krevní tlak zvýením periferního odporu.
11.7. Lymfatický (mízní) systém Mezi buòkami a krví probíhá neustálá výmìna látek prostøednictvím tkáòového moku omývajícího vechny buòky. Lymfatické (mízní) cévy pøedstavují podpùrný drenání systém, kterým jednosmìrnì proudí míza lymfa, pocházející z tkáòového moku intersticia zpìt do krevního øeèitì. Mízní cévy vznikají jako slepì zakonèené mízní kapiláry v tkáòovém moku témìø vech tìlních orgánù. Jsou propustné pro vechny látky v mezibunìèných prostorách, vèetnì bílkovin. Sbíhají se ve vìtí cévy, mízovody, které ústí do il v dolní èásti krku. Jsou opatøeny chlopnìmi a èinností dýchacích a kosterních svalù se lymfa nasává a tlaèí ke koneènému vyústìní do velkých cév. Sloení mízy je podobné sloení krevní plazmy, jen obsah bílkovin je výraznì mení. Vstup tkáòového moku do lymfatických kapilár je zabezpeèován tlakem intersticiální tekutiny, který roste s jejím hromadìním v mezi-
bunìèném prostoru (obr. 11.7.). V pøípadì poruchy v místní soustavì vznikají otoky (edémy). S mízou se dostávají do krevního obìhu zplodiny látkové pøemìny s velkými molekulami, které nemohou projít stìnami vláseènic. Na rozdíl od tkáòového moku obsahuje lymfa bílé krvinky (zvlátì lymfocyty a monocyty), enzymy a nìkteré bílkoviny. Lymfa pøebírá iviny z tenkého støeva a je mléènì zakalená hlavnì od emulgovaného tuku. U úhoøù, obojivelníkù a plazù napomáhají pohybùm mízy zvlátní mízní srdce. Vrubozobým nebo ptrosùm výraznì pulsují pøímo lymfatické uzliny. Lymfatické (mízní) uzliny jsou významnou souèástí imunitního systému (viz str. 64). Pøedstavují místa, kde je lymfa filtrována, kde se hromadí lymfocyty, kde jsou zachycovány a fagocytovány cizorodé èástice. Jsou proto bariérou proti íøení infekce. Nejvìtím lymfatickým orgánem v tìle je slezina. Neustále jí protéká velké mnoství krve (a 300 l dennì). Lze tedy shrnout, e hlavní funkcí lymfatického systému je odvádìní pøebyteèné tekutiny a proteinù z intersticia do krve. Spolu s ní odcházejí i toxiny, bakterie nebo alergeny, proti kterým zde bývá sputìna imunitní odpovìï.
83