Цель: развивать у учащихся представления о всеобщности законов природы, способствовать интеграции знаний, приобретенных учащимися в ходе изучения различных дисциплин естественнонаучного цикла, расширять их кругозор; формировать умение использовать знания о физических явлениях и законах для объяснения биологических процессов.
Учитель биологии. “Сейчас нельзя обойтись без знаний физики, если ты хочешь достигнуть ясности относительно физиологических вопросов…”. Эти слова были написаны немецким врачом и естествоиспытателем Ю. Майером, человеком, который впервые четко сформулировал закон сохранения энергии. На протяжении многих веков биология была лишь описательной наукой и практически не объясняла причин большинства явлений, происходящих в живом организме.
Человек – это часть природы, поэтому все, что в нем происходит, подчиняется законам природы, изучением которых занимаются науки химия, физика. Тема нашего занятия сегодня тесно переплетается с теми знаниями, которые вы получили на уроках физики. Мы расширим наши знания о строении сердца, узнаем об электрических явлениях в сердце, методах изучения сердца. (Приложение. Слайд 1)
Учитель читает стихотворение Э. Межелайтиса “Сердце”. (Слайд 2)
Что такое сердце?
Камень твердый?
Яблоко с багрово-красной кожей?
Может быть меж ребер и аортой
Бьется шар, на шар земной похожий?
Так или иначе все земное
Умещается в его пределы,
Потому что нет ему покоя,
До всего есть дело.
За 70 лет жизни человека сердце сокращается 2,5 млрд. раз без единой остановки на текущий или капитальный ремонт и перекачивает 250 млн. литров крови. Недаром о сердце говорят: “Сердце – это жизнь”.
Нет такого другого органа, который был бы изучен так же хорошо, как сердце, но оно все еще таит в себе удивительные загадки, не решенные и по сей день. Знания о строении, функциях и болезнях сердца накапливались постепенно. История науки о “живом насосе” прошла долгий и тернистый путь. Научная кардиология – учение о сердце и системе кровообращения.
(Слайд 3). Вспомним, что сердце представляет собой полый мышечный орган, разделенный на четыре камеры. Расширенную верхнюю часть сердца называют основанием, а суженную нижнюю – верхушкой. Масса сердца человека от 250 до 360 г (величина кулака).
На поверхности сердца, ближе к его основанию, проходит поперечно венечная борозда, залегающая на границе между предсердиями и желудочками. Здесь расположены венечные артерии сердца.
Длина сердца 12–13 см, поперечник 9–10,5 см, переднезадний диаметр 6–7 см. Сердце у детей относительно больше, чем у взрослых. Растет сердце неравномерно. Особенно интенсивно оно растет на первом году жизни и отчасти на втором, а также в 14–15 лет.
(Слайд 4). Помещается сердце в околосердечной сумке, или перикарде. Перикард состоит из двух листков. Внутренностный листок – эпикард – плотно срастается с мышцей сердца, а пристеночный листок вместе с окружающим его слоем соединительной ткани образует околосердечную сумку. Между двумя листками перикарда находится замкнутая полость. В ней содержится небольшое количество серозной жидкости, предохраняющей сердце от трения при сокращении.
Основную массу стенки сердца составляет мощная мышца – миокард, образованный 2–3 слоями мышечной ткани. Миокард предсердий обособлен от миокарда желудочков, что обусловливает возможность их раздельного сокращения.
Изнутри полость сердца выстлана внутренней оболочкой – эндокардом, образующим клапанный аппарат сердца.
Сердце человека состоит из двух предсердий и двух желудочков. Левая и правая части сердца отделены сплошной перегородкой. Между предсердиями и желудочками расположены створчатые клапаны. В левой части сердца клапан двустворчатый, в правой – трехстворчатый. Клапаны открываются только в сторону желудочков, сухожильные нити не позволяют клапанам открываться в сторону предсердий.
У места выхода аорты из левого желудочка и легочной артерии из правого желудочка располагаются полулунные клапаны. Они препятствуют обратному току крови из сосудов в желудочки.
Учитель физики. Работа сердца похожа на механические (всасывание и выталкивание) явления. Сердце работает ритмично; сокращения отделов сердца чередуются с их расслаблением. (Слайд 5). Сокращение отделов сердца называют систолой, а расслабление – диастолой. Период, охватывающий одно сокращение и расслабление сердца, называют сердечным циклом. Каждый сердечный цикл состоит из трех фаз: первая – сокращение предсердий (систола предсердий), вторая – систола желудочков, третья – общая пауза.
Приложив фонендоскоп к области левого пятого межреберного промежутка, доктор различает два звука. Эти звуки называют тонами сердца. Первый тон протяжный, низкий и глухой, слышится во время систолы желудочков. Он вызывается сокращением мускулатуры желудочков и дрожанием захлопнувшихся створчатых клапанов. Второй тон, короткий и высокий, возникает при захлопывании полулунных клапанов в фазу диастолы желудочков.
Прослушивание тонов сердца у людей имеет диагностическое значение. Так, при пороках сердца, когда клапаны его деформируются и потому плотно не смыкаются, тоны сердца утрачивают чистоту звучания. К ним примешиваются шумы, вызванные обратным движением крови через неплотно сомкнувшиеся клапаны. Исследование работы сердца по его звуковым проявлениям составляет суть метода фонокардиографии.
Учитель биологии. Если перерезать все нервы и кровеносные сосуды, идущие к сердцу животного, а затем удалить его из организма, то некоторое время такое изолированное сердце будет продолжать ритмично сокращаться. Способность сердца ритмически сокращаться независимо от внешних воздействий, а лишь благодаря импульсам, возникающим в самом сердце, получила название автоматии. Автоматия сердца связана с особенностями сердечной мышцы. Основная масса сердечной мышцы представлена типичными для сердца волокнами, которые обеспечивают сокращения отделов сердца. Их основная функция – сократимость. Это типическая, рабочая мускулатура сердца. Кроме того, в сердечной мышце имеются атипические волокна. С деятельностью атипических волокон связано возникновение возбуждения в сердце и проведение его от предсердий к желудочкам. Волокна атипической мускулатуры отличаются от сократительных волокон сердца как по строению, так и по физиологическим свойствам. В них слабее выражена поперечная исчерченность, зато они обладают способностью легко возбуждаться и большей устойчивостью к вредящим влияниям. За способность волокон атипической мускулатуры проводить возникшее возбуждение по сердцу ее называют еще проводящей системой сердца. (Слайд 6)
Атипическая мускулатура занимает по объему очень небольшую часть сердца. Скопление клеток атипической мускулатуры называют узлами. Один из таких узлов расположен в правом предсердии вблизи места впадения (синуса) верхней полой вены. Это так называемый синусно-предсердный (синоатриальный) узел. Здесь в сердце здорового человека возникают импульсы возбуждения, определяющие ритм сокращений сердца. Второй узел расположен на границе между предсердием и желудочками в перегородке сердца – предсердно-желудочковый (атриовентрикулярный) узел.
Процесс возбуждения в сердце первоначально возникает в синусном узле, затем распространяется на другие части проводящей системы, и, наконец, возбуждение с атипической мускулатуры передается на сократительную мускулатуру сердца.
Учитель физики. Деятельность сердца, как и деятельность любой возбудимой ткани, сопровождается электрическими явлениями. Все возбудимые ткани в покое имеют положительный электрический заряд: когда возникает возбуждение, электрический заряд возбужденного участка меняется на отрицательный. Теперь между возбужденным, заряженным отрицательно участком, и невозбужденным, электроположительным участком возникает разность потенциалов. По мере распространения возбуждения меняется расположение электроотрицательных и электроположительных участков; в связи с этим в новых участках возникает разность потенциалов. Эти электрические явления в возбужденном органе можно зарегистрировать, если соединить чувствительные приборы с работающим органом. В сердце возбуждение возникает вначале в синусном узле и отсюда постепенно распространяется на мускулатуру предсердий и желудочков.
В результате постепенного распространения волны возбуждения из синусного узла на соседние участки сердца создаются условия для возникновения разности потенциалов в работающем сердце: участок сердца, куда приходит волна возбуждения, на время становится электроотрицательным, а соседние участки остаются заряженными положительно. Суммарный электрический потенциал всех клеток миокарда оказывается столь велик, что его можно регистрировать даже за пределами сердца. (Слайд 7). Кривую изменения электрического поля сердца в течение сердечного цикла называют электрокардиограммой (ЭКГ), а метод исследования – электрокардиографией. Электрокардиограмма впервые была зарегистрирована в 1887 году А.Д. Уоллером, но широкое применение этот метод получил в 1903 году с изобретением кардиографа голландским ученым В. Эйнтховеном. В разработке теории электрокардиографии и внедрении ее в медицинскую практику большая роль принадлежит отечественному физиологу А.Ф. Самойлову.
Известно, что силовые линии электрического поля распространяются во все стороны от места возникновения разности потенциалов. Так как сердце расположено в грудной полости несимметрично, то несимметрично расположена и его электрическая ось. Поэтому, чтобы зарегистрировать разность потенциалов, возникающую в возбужденном сердце, надо приложить электроды электрокардиографа к двум несимметричным относительно электрической оси точкам на теле человека. (Слайды 8, 9). Чаще всего электрокардиограф соединяют с правой и левой руками (первое отведение), с правой рукой и левой ногой (второе отведение) или с левой рукой и левой ногой (третье отведение).
ЭКГ регистрируют на различной скорости. Обычно скорость движения бумаги составляет 25 мм/сек. При этом 1 мм кривой равен 0,04 сек. Иногда для более детальной записи используют скорость 50 и даже 100 мм/сек.
Что же видит врач на ЭКГ? Каждая клетка миокарда представляет собой маленький электрический генератор, который разряжается и заряжается при прохождении волны возбуждения. ЭКГ является отражением суммарной работы этих генераторов и показывает процессы распространения электрического импульса в сердце. Когда электрический импульс, возникая в синусовом узле, проходит по предсердиям, на электрокардиограмме появляется зубец Р. (Слайд 10). Дальше импульс через атриовентрикулярный (АВ) узел распространяется на желудочки по пучку Гиса. Клетки АВ-узла обладают более медленной скоростью проведения и поэтому между зубцом Р и комплексом, отражающим возбуждение желудочков, имеется промежуток. Расстояние от начала зубца Р до начала зубца Q называется интервалом РQ. Он отражает проведение между предсердиями и желудочками и в норме составляет 0,12–0,20 сек. Потом электрический импульс распространяется по проводящей системе сердца, состоящей из правой и левой ножек пучка Гиса и волокон Пуркинье, на ткани правого и левого желудочка. На ЭКГ это отражается несколькими отрицательными и положительными зубцами, которые называются комплексом QRS. В норме длительность его составляет до 0,09 сек. Далее кривая вновь становится ровной. Затем в сердце происходит процесс восстановления исходной электрической активности, называемый реполяризацией, что находит отражение на ЭКГ в виде зубца Т и иногда следующего за ним небольшого зубца U. Расстояние от начала зубца Q до конца зубца Т называется интервалом QТ. Он отражает так называемую электрическую систолу желудочков. По нему врач может судить о продолжительности фазы возбуждения, сокращения и реполяризации желудочков.
Таким образом, в сердце здорового человека на электрокардиограмме отчетливо видны пять зубцов, из которых три обращены вверх (PRT), а два – вниз (QS). Зубец P отражает электрические явления в предсердиях, а зубцы QRST характеризуют движение волны возбуждения в желудочках сердца.
Метод электрокардиографии является одним из наиболее важных методов объективной регистрации деятельности сердца. (Слайды 11, 12).
(Слайд 13). Медики широко используют электрокардиографию для диагностики заболеваний сердца. Сегодня врач скорой помощи за 15-20 минут, сняв электрокардиограмму, может определить, нет ли у больного инфаркта, и, в случае необходимости, оказав больному немедленную медицинскую помощь, доставить его в больницу.
Большие возможности для оценки деятельности сердца появились с развитием телеметрии. Телеметрия – это метод передачи биологической информации на расстояние. Телеэлектрокардиограф дает возможность наблюдать за деятельностью сердца во время соревнований у спортсменов, у рабочих при выполнении трудовых операций, у космонавтов во время тренировок и космических полетов. При телеметрии широко используется радиосвязь. Электроды, укрепленные на коже исследуемого человека, соединяются с радиопередатчиком, находящимся в кармане или в специальном легком шлеме, который надевают на голову. Сигналы радиопередатчика принимаются радиоприемником, находящимся в телеэлектрокардиографе, преобразуются и записываются на движущейся бумажной ленте в виде электрокардиограммы.
Современные радиотелеметрические системы космических кораблей относятся к числу бортовых. Здесь передатчик находится на небольшом расстоянии от исследуемого и связан с ним проводами.
В клинике телеметрия позволяет вести наблюдения за различными функциями организма, не тревожа больного, – во время сна, еды, прогулки, чтения. Это придает большую объективность получаемой медицинской информации.
Важным и интересным примером новой медицинской техники является вживляемый под кожу сердечный стимулятор (водитель ритма). Он представляет собой в простейшем варианте генератор кратковременных импульсов с фиксированной частотой и собственным источником питания, смонтированный в корпусе размерами 5х8 см, покрытом биологически инертным полимером. Масса стимулятора 100 г. Стимулятор вживляют под кожу в удобном месте, а провода от него, покрытые силиконовой резиной, подводятся к сердечной мышце и укрепляются на ней с помощью небольших крючков-зажимов, которые служат электродами. Частота импульсов 60–70 в минуту, длительность (в соответствии с параметрами электровозбудимости сердечной мышцы) порядка 1–3 мс, сила тока в импульсах 3–5 мА.
Учитель биологии. Рассмотрите рисунок (Слайд 14) и ответьте на вопросы:
- Что обозначено под цифрами 1–4?
- Чем образована проводящая система сердца, какова ее роль в автоматии сердца?
- Что произойдет, если возбуждение не будет поступать от ритмоводителя первого порядка (синусо-предсердного узла)?
На протяжении многих веков ученые исследуют и изучают деятельность сердца. Особенно важно исследование работы сердца у человека, так как здоровье – важнейшее условие гармоничного развития личности. Изобретены разные способы изучения сердца, простые сложные. О каких способах изучения сердца мы не услышали сегодня? Об этом мы узнаем на следующем занятии, прослушав ваши сообщения.
Используемая литература:
- Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. – М.: Просвещение, 1988.
- Пепеляева О.А., Сунцова И.В. Поурочные разработки по биологии. Человек. – М.: ВАКО, 2005.
- Пименов А.В., Пименова И.Н. Биология для поступающих в вузы. Человек. Дидактические материалы. – Ярославль: Академия развития, 2007.
- Хрипкова А.Г. Анатомия, физиология и гигиена человека. – М.: Просвещение, 1975.
- www.med2000.ru. www.o-med.ru/bioelektricheskie_yavleniya.php.