Από τα βάθη της καρδιάς μας: μία πρακτική επίδειξη του καρδιακού ρυθμού των θηλαστικών Teach article

Μετάφραση από: Γρηγοριάδη Σωκράτη (Grigoriadis Sokratis) – Βιολόγο, Μεταπτυχιακό Φοιτητή, Ιατρική Σχολή - ΕΚΠΑ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός,…

Ο Λεονάρντο ντα Βίντσι υπήρξε ένας από τους πρώτους ανθρώπους που παρατήρησε προσεκτικά την καρδιά και περιέγραψε το τι αυτή κάνει. Τα σχέδιά του για την καρδιά και τις βαλβίδες της αποτελούν αριστουργήματα της επιστημονικής τέχνης (εικόνα 1) και πραγματοποίησε εκπληκτικές παρατηρήσεις σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο το αίμα ρέει διαμέσου των αγγείων και των καρδιακών θαλάμων και ενεργοποιεί τις αρτηριακές βαλβίδες.

Παρ’ όλα αυτά, ο ντα Βίντσι δεν κατάφερε ποτέ να κατανοήσει πλήρως το πώς η καρδιά λειτουργεί ως αντλία, διότι αγνοούσε την κυκλοφορία του αίματος στο σώμα. Μπορούσε να δει τις αρτηρίες και τις φλέβες, αλλά όχι τα τριχοειδή αγγεία που τις διασυνδέουν.

Παρεμποδιζόταν επίσης από την επικρατούσα άποψη της εποχής: ότι η καρδιά μετακινεί το αίμα για να μεταφέρει θερμότητα από το ήπαρ στους μύες και πως η λειτουργία των πνευμόνων ήταν για να ψύχουν το αίμα. Έτσι σύμφωνα με τον ντα Βίντσι, η καρδιά φαίνεται να αντλεί αίμα εντός αιμοφόρων αγγείων τα οποία διακλαδίζονται σε -ολοένα και μικρότερα – ουσιαστικά ‘τυφλά’ αγγεία. Και από πού προέρχεται το αίμα που ρέει στην καρδιά; Χωρίς να το γνωρίζει αυτό, δεν μπορούσε να συσχετίσει του μεγάλους όγκους που η καρδιά θα μπορούσε ξεκάθαρα να αντλήσει με το γεγονός ότι το αίμα που αντλήθηκε δεν είχε προφανώς πουθενά να καταλήξει.

Σήμερα, η κυκλοφορία του αίματος έχει κατανοηθεί καλά, αλλά μόνο ένα μικρό ποσοστό ανθρώπων έχουν στην πραγματικότητα γίνει μάρτυρες της δράσης της καρδιάς των θηλαστικών ως αντλία. Οι καρδιές είναι εσωτερικά όργανα, ‘κρυμμένα’ στο εσωτερικό των ζωντανών ζώων: η έκθεση της καρδιάς επιφέρει συνήθως το θάνατο του ζώου. Ακόμα και στις εγχειρήσεις ανοιχτής καρδιάς, οι βαλβίδες και η ροή του αίματος καλύπτονται από αδιάφανους καρδιακούς ιστούς. Τα σύγχρονα απεικονιστικά ιατρικά συστήματα μπορούν να παράγουν εντυπωσιακές επιδείξεις της καρδιάς σε δράση, αλλά οι εικόνες αυτές είναι δύσκολο να ερμηνευθούν από το ευρύ κοινό και είναι αδύνατον να δημιουργηθούν στα σχολεία. Η εμβιομηχανική λειτουργία της καρδιάς είναι τόσο ασαφής, που στον λαϊκό πολιτισμό το όργανο θεωρείται κυρίως ως μεταφορά για το συναίσθημα.

Τα μαθήματα βιολογίας στο σχολείο τεκμηριώνουν το διπλό κύκλωμα του καρδιαγγειακού συστήματος και κατονομάζουν τα τμήματα της καρδιάς αλλά δεν εξηγούν πραγματικά το πως το αίμα προωθείτε ή το γιατί η καρδιά είναι διευθετημένη όπως είναι. Δοκιμάστε να αναζητήσετε στο Διαδίκτυο για επιδείξεις της καρδιάς και θα βρείτε χιλιάδες διαγράμματα και άλλες πηγές διδασκαλίας. Ωστόσο, δεν βρήκαμε κανένα που να δείχνει επακριβώς τη δράση μιας πραγματικής καρδιάς θηλαστικού ως αντλία.

Διερευνώντας την καρδιά των θηλαστικών για εμάς

Θέλαμε να διερευνήσουμε για εμάς το πώς στην πραγματικότητα η καρδιά των θηλαστικών λειτουργεί σαν αντλία. Ξεκινήσαμε με την ιδέα ότι θα έπρεπε να κάνουμε την καρδιά να λειτουργήσει ως αντλία πιέζοντάς την χειροκίνητα, σαν να επρόκειτο για απλή πλαστική αντλία χεριού.

Παραλάβαμε μία άθικτη καρδιά χοίρου και προσπαθήσαμε να τη συμπιέσουμε χειροκίνητα κάτω από το νερό. Επίσης προσπαθήσαμε να την κάνουμε να λειτουργήσει ως αντλία ενώ επιχειρούσαμε να ρέει νερό προερχόμενο από τη βρύση εντός των κόλπων: αυτό ήταν δύσκολο καθώς οι κόλποι ήταν εύθραυστοι και είχαν πολλαπλά ανοίγματα. Καμία από τις προσεγγίσεις αυτές δεν φάνηκε να λειτουργεί – καθόλου νερό δεν εκδιώχθηκε ούτε από την πνευμονική αρτηρία ούτε από την αορτή.

Μετά από την αποτυχία αυτή, επανεξετάσαμε τόσο τη καρδιά όσο και την αρχική μας θεώρηση για την λειτουργία της και ξεκινήσαμε να το αναλύουμε. Αρχικά, αφαιρέσαμε εξ ολοκλήρου τους δύο κόλπους, οι οποίοι ομοιάζουν με δισκοειδείς διάτρητες σακούλες. Το υπόλοιπο, κυριολεκτικά το κάτω μέρος της καρδιάς, αποτελείται από ένα ζεύγος ανοικτών κοιλιών με την αορτή και την πνευμονική αρτηρία να ανέρχονται μεταξύ αυτών. Το σύστημα είναι και οπτικά και μηχανικά πολύ απλό – ξεκάθαρα ένα ζεύγος αντλιών. Εκ πρώτης όψεως, δεν υπήρχε καμία ένδειξη για το πού βρίσκονται οι κολποκοιλιακές βαλβίδες: αυτές βρίσκονταν κρεμασμένες σαν κουρτίνες στα τοιχώματα των κοιλιών.

Προκειμένου να καθορίσουμε ποια από τις κοιλίες βρισκόταν σε σύνδεση με την κάθε αρτηρία, αφήσαμε να ρέει νερό εντός των κοιλιών από την βρύση. Προς μεγάλη μας έκπληξη, η κολποκοιλιακή βαλβίδα έκλεισε άμεσα με φορά αντίθετη της φοράς εισόδου του νερού (εικόνα 4). Όπως είχε περιγράψει ο ντα Βίντσι για τις αρτηριακές βαλβίδες, δεν είναι ούτε η πίεση, ούτε η συστολή, ούτε η συμπίεση οι λόγοι που κλείνουν τις κολποκοιλιακές βαλβίδες, αλλά η υπαρκτή ροή του υγρού. Ανακαλύψαμε ότι συμπιέζοντας χειροκίνητα τη καρδιά κατά τη διάρκεια της ροής του νερού εντός των κοιλιών, μπορούσαμε να προκαλέσουμε το πλήρες κλείσιμο της κολποκοιλιακής βαλβίδας και την έντονη έξοδο του νερού από την αρτηρία.

Συνειδητοποιήσαμε ότι στην προηγούμενή μας προσπάθεια, οι κόλποι παρεμπόδιζαν τη ροή του νερού προς το εσωτερικό των κοιλιών. Τώρα όμως, είχαμε μία ανεμπόδιστη ροή νερού και είμασταν σε θέση να αναπαράγουμε χειροκίνητα τη δραστηριότητα της καρδιάς ως αντλία. Ήμασταν σε θέση να παρατηρήσουμε όχι μόνο το πώς η συστολή (ή η χειροκίνητη συμπίεση)  των κοιλιών προκαλεί τη ροή του υγρού, αλλά και την ακριβή δραστηριότητα των βαλβίδων – κάτι που πολύ σπάνια μπορεί να παρατηρήσει κάποιος πέρα από ένα καρδιοχειρουργό.

Αρχικά, είχαμε φανταστεί ότι οι κολποκοιλιακές βαλβίδες είχαν ισχυρά, αρθρωτά ή ελαστικά πτερύγια (άκρες) τα οποία ανταποκρίθηκαν στις διαφορές των πιέσεων. Πόσο λάθος είμασταν! Αντί αυτού, οι άκρες είναι μεμβρανώδεις και εύθραυστες όπως τα αλεξίπτωτα, προσκολλημένες με τα κοιλιακά τοιχώματα – που εκτοξεύονται όταν η ροή τους υγρού τις φουσκώνει, και παρεμποδίζονται στο να στραφούν προς τα έξω από ‘καρδιακές χορδές’ (τενόντιες χορδές) οι οποίες λειτουργούν όπως τα σχοινιά του αλεξίπτωτου.

Όταν το αίμα μετακινείται από την κοιλία μέσα στην αρτηρία, μία άλλη βαλβίδα (η αρτηριακή βαλβίδα) παρεμποδίζει το υψηλής πίεσης αίμα να επιστρέψει πίσω στην κοιλία. Κόβοντας την αορτή και την πνευμονική αρτηρία πιο κοντά στις κοιλίες, είμασταν σε θέση να παρατηρήσουμε τις βαλβίδες αυτές να ανοίγουν όπως και να κλείνουν.

Σε προσωπικό επίπεδο, είχαμε μείνει έκπληκτοι. Το να διακρίνουμε τα εσωτερικά όργανα ενός χοίρου, να αφαιρέσουμε την καρδιά και στην συνέχεια να ανακαλύψουμε όλες αυτές τις περίπλοκες λεπτομέρειες αποτέλεσε για εμάς μία επιστημονική περιπέτεια. Επίσης, μείναμε εντυπωσιασμένοι καθώς συνειδητοποιήσαμε ότι δεν είχαμε καταλάβει καλά τους διαθέσιμους πόρους και κάτι το οποίο φαινόταν ότι είναι ένα περίπλοκο και σκοτεινό θέμα ήταν στην πραγματικότητα πλήρως προσιτό στους μαθητές του σχολείου.

Επιδεικνύοντας μία καρδιά που χτυπά στην τάξη

Έχουμε την πεποίθηση ότι η επίδειξη του μηχανισμού της λειτουργίας της καρδιάς ως αντλία αποτελεί μία πρωτοπορία, ωστόσο κάτι τέτοιο είναι εύκολο να επαναληφθεί σε οποιοδήποτε σχολικό εργαστήριο. Μετά από αυτή τη δραστηριότητα, οι μαθητές θα πρέπει να έχουν κατανοήσει τη λειτουργική ανατομία της καρδιάς, παρατηρώντας άμεσα τη κίνηση και τη λειτουργία των τεσσάρων καρδιακών βαλβίδων και κατανοώντας τη σημασία της ροής στην κίνηση των βαλβίδων.

Η επίδειξη μόνο της λειτουργίας της καρδιάς ως αντλία μπορεί να πραγματοποιηθεί σε μόλις λίγα λεπτά. Ωστόσο, μία πλήρης επίδειξη – με τη συμμετοχή των μαθητών και με τη διενέργεια συζήτησης για τις συνδέσεις τις καρδιάς με τα περιβάλλοντα όργανα και για το κυκλοφορικό σύστημα – μπορεί παραγωγικά να διαρκέσει δύο ώρες.

Η δραστηριότητα αυτή είναι κατάλληλη για κάθε ηλικία μαθητών δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης (11+).     

Υλικά

Για κάθε ομάδα θα χρειαστείτε:

• Μία καρδιά χοίρου ή προβάτου

  Η καρδιά η οποία βρίσκεται πλήρως προσκολλημένη στο ήπαρ και στους πνεύμονες είναι γνωστή στο Ηνωμένο Βασίλειο ως ‘πλήρης απομάκρυνση’ και μπορεί να ζητηθεί από ένα καλό κρεοπωλείο ή ένα τοπικό σφαγίο. 

  Εναλλακτικά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε συσκευασμένες καρδιές από το σούπερ μάρκετ. Στην περίπτωση αυτή βεβαιωθείτε πως θα αγοράσετε ορισμένα επιπλέον σκευάσματα, καθώς φυσιολογικά θα έχουν κοπεί κατά μήκος των κόλπων. Επίσης, η αορτή και η πνευμονική αρτηρία ίσως να έχουν κοπεί και αυτές στο μεγαλύτερο μέρος τους αλλά αν οι κοιλίες είναι άθικτες, η επίδειξη θα λειτουργήσει με επιτυχία.
   

• Ένα κοφτερό μαχαίρι ή νυστέρι
• Τρεχούμενο νερό

Διαδικασία

Προετοιμάζοντας το δείγμα πλήρους απομάκρυνσης

1. Αφαιρέστε το περικάρδιο και διαχωρίστε τη καρδιά από του πνεύμονες κόβοντας τη πνευμονική αρτηρία και φλέβα όσο το δυνατόν πιο μακριά από τη καρδιά (εικόνα 2). Η κοίλη φλέβα και η αορτή έχουν ήδη κοπεί κατά την απομάκρυνση των οργάνων από τη σωματική κοιλότητα.
2. Προσδιορίστε τις ανοιχτόχρωμες και ελαστικών τοιχωμάτων αορτή και πνευμονική αρτηρία, τη σκουρόχρωμη κοίλη φλέβα και πνευμονική φλέβα και τους κόλπους. Αφαιρέστε του κόλπους, αποκόπτοντας τα τοιχώματά τους στο ύψος της κορυφής των κοιλιών (εικόνα 3). Να είστε προσεκτικοί ώστε να μην τραυματίσετε την αορτή και την πνευμονική αρτηρία, οι οποίες φύονται από το κέντρο της καρδιάς.Η καρδιά είναι τώρα έτοιμη προς χρήση.

Προετοιμασία μιας καρδιάς από το σούπερ μάρκετ

1. Τραβήξτε τυχόν υπολείμματα των κόλπων προς τα κάτω στο κοιλιακό τοίχωμα.

Εκτέλεση της επίδειξης

 

 

Προσδιορίστε την αριστερή και τη δεξιά κοιλία: η επίδειξη λειτουργεί καλύτερα στην λεπτών τοιχωμάτων δεξιά κοιλία. Ανοίξτε τη βρύση έτσι ώστε να ρέει ένα ομαλό και συνεχές ρεύμα νερού. Κρατήστε την καρδιά έτσι ώστε το ρεύμα του νερού να εισέλθει στο κέντρο του ανοίγματος της δεξιάς κοιλίας. Η τριγλώχινα βαλβίδα πρέπει να κλείσει προς τα μέσα έτσι ώστε να έρθει σε επαφή με το εισερχόμενο ρεύμα νερού (εικόνα 4).

Αν τώρα συμπιέσετε την καρδιά, η βαλβίδα θα κλείσει ολοκληρωτικά και το νερό πρέπει να εξέλθει από την πνευμονική αρτηρία. Πιέστε ρυθμικά για να μιμηθείτε τη δράση μίας παλλόμενης καρδιάς^w1. Εάν κόψετε την αορτή και την πνευμονική αρτηρία αρκετά κοντά στη καρδιά, θα πρέπει να είστε σε θέση να δείτε τις αρτηριακές βαλβίδες (εικόνα 6).

Περαιτέρω διερευνήσεις

1. Προσαρμόστε χειρουργικά σωληνάρια στα αγγεία εκροής, στη συνέχεια μετρήστε τη πίεση του νερού που επιτυγχάνεται όταν συμπιέζετε τη καρδιά.
2. Προκαλέστε τους μαθητές σας να αποδείξουν ότι η καρδιά είναι ένα ζεύγος από ανεξάρτητες λειτουργικά αντλίες με το να αφαιρέσουν μία ολόκληρη κοιλία. Χρησιμοποιώντας μία δεύτερη καρδιά, επαναλάβετε την άσκηση χρησιμοποιώντας την άλλη κοιλία. Οι απομονωμένες κοιλίες πρέπει να είναι λειτουργικές όταν συμπιέζονται χειροκίνητα.
3. Στα ζωντανά ζώα, οι δύο κοιλίες συστέλλονται ταυτοχρόνως, προωθώντας το αίμα πρώτα διαμέσου της μίας κοιλίας και τελικώς διαμέσου της άλλης. Παρά την έντονα διαφορετική μορφολογία τους, ως εκ τούτου, με την πάροδο του χρόνου, οι δύο κοιλίες πρέπει να καταμετρούν ακριβώς τον ίδιο όγκο αίματος ανά παλμό. Πως επιτυγχάνεται αυτή η ισορροπία; Δεδομένης της παρατήρησής τους ότι η λεπτότερων τοιχωμάτων δεξιά κοιλία είναι πιο εύκολο να συμπιεστεί χειροκίνητα από ότι η αριστερή κοιλία, οι μαθητές θα πρέπει να εξετάσουν τις επιπτώσεις της καρδιοαναπνευστικής αναζωογόνησης, η οποία ουσιαστικά είναι αυτή η επίδειξη που πραγματοποιείται με την καρδιά in situ (επί τόπου – στα χέρια). .
4. Η επίδειξη αυτή επιτυγχάνεται μόνο εφόσον οι κόλποι έχουν αφαιρεθεί. Ζητήστε από τους μαθητές σας να ερευνήσουν την λειτουργία των κόλπων.

Ευχαριστίες

Είμαστε ευγνώμονες στην οργάνωση TED και στο σχολείο Teddington, χωρίς τα οποία κανένας από εμάς δεν θα είχε πραγματοποιήσει αυτές τις υπέροχες παρατηρήσεις. Τη φάρμα Laverstoke για την προμήθεια των οργάνων με ιδιαίτερη φροντίδα και προσοχή. Ένα πλήθος από ειδικούς της καρδιάς που απάντησαν γενναιόδωρα σε βασικές ερωτήσεις μας σχετικά με την ανατομία και τη λειτουργία της καρδιάς, συμπεριλαμβανομένων του Δρ. Andrew Ho (Evelina Children’s Hospital, Λονδίνο), του καθηγητή David Firmin (Imperial College, Λονδίνο), του Δρ. Gary Ruiz (King’s College Hospital, Λονδίνο), του καθηγητή David Celermajer (University of Sydney), του Δρ. Louise Robson (University of Sheffield) και του Martin Clayton (The Royal Collection, Windsor Castle). Παρ’ όλα αυτά, τυχόν σφάλματα και παραλείψεις στο παρόν άρθρο είναι αποκλειστικά δικά μας.

Download

Download this article as a PDF