01
Два насоси в одному м’язі завбільшки з кулак
Стисніть руку в кулак. Ваше серце приблизно такого розміру: близько 12 на 8 на 6 см, а важить воно приблизно від 250 до 350 г. Серце лежить посередині грудної клітки, за грудниною, між легенями. Воно трохи нахилене, тож приблизно дві третини серця лежать ліворуч від середньої лінії тіла, а його кінчик, який називають верхівкою, спрямований униз і ліворуч. У спокої здорове серце б’ється приблизно від 60 до 100 разів за хвилину. У дослідженні, де 92 000 дорослих носили фітнес-браслети, середній пульс становив близько 65.
У типовому випадку кожен удар виштовхує близько 70 мл крові. У спокої це близько 5 літрів за хвилину, приблизно стільки ж, скільки крові у всьому вашому тілі. Тож у середньому кров обходить усе тіло приблизно раз на хвилину, а серце б’ється близько 100 000 разів на добу. Насправді серце складається з двох насосів, що працюють пліч-о-пліч. Права половина жене кров через легені, щоб та набрала кисню. Ліва відправляє її далі, до решти тіла.
У кожного насоса дві камери. Передсердя приймає кров, що надходить, а шлуночок виштовхує її далі. Чотири клапани пропускають кров лише в один бік. Модель показує один удар у спокої, коли серце б’ється 75 разів за хвилину, і сильно його сповільнює. Деякі речі в ній спрощено. Бідну на кисень кров намальовано синьою, як у більшості анатомічних атласів, хоча насправді вона темно-червона. У живому серці передсердя лежать радше позаду шлуночків, ніж над ними. А судини обрізано на відстані долоні від серця. Перетягуйте шкалу часу, щоб пройти удар крок за кроком, а модель тягніть, щоб повернути її.
Ви, мабуть, чули, що серце ніколи не відпочиває. Насправді воно відпочиває під час кожного удару. У спокої скорочення шлуночків займає лише близько двох п’ятих кожного удару. Решту часу, близько трьох п’ятих, м’яз розслаблений, а серце знову наповнюється. Цю фазу розслаблення називають діастолою, а скорочення називають систолою. Єдиного нормального пульсу теж не існує. У тому самому дослідженні пульс у спокої в різних людей становив приблизно від 40 до понад 100 ударів. Норма однієї здорової людини могла відрізнятися від норми іншої аж на 70 ударів за хвилину.
02
Чотири камери, високий і низький тиск
Тепер модель розрізано рівною площиною спереду, як на малюнку в підручнику, тож видно всі чотири камери одразу. Серце повернуте до вас, тому його права половина опиняється ліворуч від вас. Кров, яка вже віддала кисень, повертається з тіла двома великими порожнистими венами. Вони впадають у праве передсердя. Звідти кров переходить у правий шлуночок, а той проштовхує її через легені, що лежать поруч. Для цього багато сили не треба: тиск у ньому сягає лише близько 25 мм рт. ст.
З легень кров повертається багатою на кисень і чотирма легеневими венами надходить у ліве передсердя. Звідти вона переходить у лівий шлуночок, найсильнішу камеру. Він має прогнати кров по всьому тілу, від мозку до пальців ніг. Тиск у ньому сягає близько 120 мм рт. ст., приблизно вп’ятеро більше, ніж у правій половині. Тому його стінка приблизно втричі товща, ніж у правого шлуночка, зазвичай від 6 до 9 мм. Цю різницю добре видно на зрізі.
Дві половини розділяє м’язова стінка, перегородка, тож багата й бідна на кисень кров не змішуються. Обидва шлуночки перекачують однаковий об’єм, у типовому випадку близько 70 мл за удар. Якби одна половина довго качала хоч трохи більше, кров почала б накопичуватися перед іншою. Здебільшого шлуночки наповнюються самі: кров просто тече крізь передсердя в розслаблені шлуночки. Наприкінці передсердя стискаються й додають невелику порцію, у спокої приблизно до п’ятої частини об’єму, а коли серце частить, то й більше. Торкніться камери, щоб побачити, звідки в неї надходить кров і куди вона йде далі.
Звідки кожна половина знає, скільки качати? Ніхто їй не підказує. Серцевий м’яз дотримується простого правила, яке називають механізмом Франка-Старлінга: що більше шлуночок наповнюється, то сильніше він стискається. Зайва кров розтягує м’язові клітини, розтягнуті клітини скорочуються сильніше, і шлуночок виштовхує надлишок. Тож скільки влилося, стільки й виллється, удар за ударом. Це правило вбудоване в сам м’яз. Спортсмени, які тренують витривалість, користуються ним значно більше, ніж нетреновані люди: їхнє серце більше наповнюється, тому й більше качає.
03
Четверо дверей, що пропускають лише в один бік
Між кожним передсердям і його шлуночком є клапан із тонких пластинок, які називають стулками. Праворуч міститься тристулковий клапан із трьома стулками, ліворуч розташований мітральний клапан із двома. Коли шлуночок стискається, тиск у ньому зростає й змикає стулки. Тонкі тяжі, сухожильні хорди, прикріплюють їхні краї до маленьких сосочкових м’язів у стінці шлуночка. Під час скорочення ці м’язи напружуються, тож стулки не вивертаються назад у передсердя, як парасолька на вітрі.
На виходах стоять клапани іншого типу. Клапан легеневого стовбура відкриває шлях до легень, а аортальний клапан відкриває шлях до решти тіла. Кожен має три стулки у формі маленьких кишеньок. Поки кров виривається назовні, кишеньки притиснуті до стінки. Коли шлуночок розслабляється і кров починає стікати назад, вона наповнює кишеньки, і вони з ляском змикаються посередині. Для наочності модель показує всі чотири клапани в одному зрізі. У справжньому серці клапан легеневого стовбура лежить вище й трохи попереду.
Своїх м’язів у клапанів немає. Кожен відкривається, коли тиск позаду нього вищий, ніж попереду, і закривається, коли стає навпаки. Змикаючись, клапани створюють тони серця, те саме «тук-тук», яке лікар чує через стетоскоп. Перше «тук» лунає на початку скорочення, коли закриваються мітральний і тристулковий клапани. Друге лунає наприкінці, коли закриваються аортальний клапан і клапан легеневого стовбура. Тож звук дають клапани, а не м’яз. Торкніться клапана, щоб стежити за ним протягом усього удару.
Насправді кожен тон подвійний. Мітральний клапан закривається на частку секунди раніше за тристулковий. Цей проміжок надто короткий, щоб почути його стетоскопом. Порівняйте в моделі, коли закривається кожен із них. Аортальний клапан теж закривається трохи раніше, ніж клапан легеневого стовбура. Цей проміжок називають розщепленням другого тону. Він змінюється, коли ви дихаєте, і навіть коли змінюєте положення тіла. Здорове серце дорослої людини дає лише ці два тони. У дітей третій тон буває нормою, але в дорослих він часто вказує на хворобу.
04
Один удар, крок за кроком
Графік показує, що відбувається в лівій половині серця протягом одного удару. На початку шлуночок розслаблений і вже переважно наповнений. Передсердя стискаються й доповнюють його приблизно до 120 мл. Потім шлуночок починає стискатися. Мітральний клапан закривається, і на мить усі чотири клапани закриті. Крові нікуди подітися, тож об’єм не змінюється, а тиск стрімко зростає, приблизно з 10 до 80 мм рт. ст. У цієї фази довга назва, ізоволюмічне скорочення, тобто скорочення за незмінного об’єму.
Коли тиск у шлуночку сягає приблизно 80 мм рт. ст., він перевищує тиск в аорті, і аортальний клапан відкривається. Кров виривається в аорту зі швидкістю приблизно до 1 м/с, а тиск сягає піку, близько 120 мм рт. ст. Приблизно за чверть секунди шлуночок виштовхує близько 70 мл, а близько 50 мл лишається всередині. Тож кожен удар спорожнює шлуночок лише трохи більше ніж наполовину, у межах приблизно від 55 до 65 відсотків. Цю частку називають фракцією викиду. Криві тут типові, як у підручнику, а не виміряні в конкретної людини, а в реальних вимірюваннях серце часто вміщує більше.
Коли скорочення слабне, кров починає текти назад, і аортальний клапан з ляском закривається. Від цього на кривій тиску в аорті з’являється маленька виїмка. Усі чотири клапани знову закриті, поки тиск падає. Це триває не довше ніж 0,07 с. Щойно тиск у шлуночку опускається нижче, ніж у передсерді, мітральний клапан відкривається, і кров ринає всередину, спершу швидко, потім повільно. Пружна аорта розтягується з кожним поштовхом і стискається між ними, тож тиск у ній падає лише приблизно до 80. Ці два значення, верхнє й нижнє, і є артеріальним тиском в аорті: знайомі всім 120 на 80.
Серцевий м’яз має власні судини, коронарні артерії, що пролягають по його поверхні. Але м’яз, що стискається, здавлює власні судини, тож більша частина цієї крові тече між ударами, коли м’яз розслаблений. Коли серце б’ється частіше, зменшується переважно саме час розслаблення. За частоти 75 ударів за хвилину серце розслаблене близько 33 секунд щохвилини. За частоти 150 ударів лишається тільки близько 22. Тож подвоєння частоти зменшує час, коли серце живить саме себе, приблизно на третину. Це особливо важливо, коли коронарні артерії звужені.
05
Іскра, що народжується всередині
Кожен удар починається в самому серці, а не в мозку. Високо в стінці правого передсердя лежить маленька ділянка особливих клітин, синусовий вузол. Сам по собі він спрацьовував би близько 100 разів за хвилину. Але блукаючий нерв цілий день його стримує, тож у спокої серце б’ється від 60 до 80 разів за хвилину. Нерви й гормони, як-от адреналін, лише підвищують або знижують частоту. Навіть дихання на неї впливає: кожен вдих ненадовго послаблює дію блукаючого нерва. Тому в здорової людини пульс трохи прискорюється на вдиху й сповільнюється на видиху.
Щоразу, коли вузол спрацьовує, електрична хвиля приблизно за 90 мс пробігає обома передсердями, і вони скорочуються. На кардіограмі це невеликий горбик, зубець P. Далі хвиля натрапляє на кільце щільної тканини, крізь яке пройти не може. Прохід є лише один: АВ-вузол, тобто атріовентрикулярний вузол. Це найповільніша ділянка системи: сигнал проходить її зі швидкістю близько 0,05 м/с. Вузол затримує сигнал приблизно на десяту частку секунди, щоб передсердя встигли спорожнитися, перш ніж почнуть скорочуватися шлуночки.
За вузлом сигнал біжить пучком Гіса та двома його ніжками, по одній з кожного боку перегородки, зі швидкістю близько 2 м/с. Далі розгалужена сітка, волокна Пуркіньє, розносить його по внутрішніх стінках шлуночків зі швидкістю близько 4 м/с, приблизно у 80 разів швидше, ніж у вузлі. Уся стінка шлуночків збуджується менш ніж за десяту частку секунди: це високий пік на кардіограмі, комплекс QRS. Потім стінки відновлюються, і на кардіограмі це видно як зубець T. Торкніться зубця, щоб перейти до цього моменту.
Пересаджене серце показує, наскільки цей орган керує собою сам. Нерви під час пересадки не зшивають, і все ж воно б’ється. Блукаючий нерв його більше не гальмує, тому в спокої воно б’ється частіше, ніж звичайне. Під час навантаження воно все одно прискорюється, лише повільніше, бо адреналін і схожі гормони доходять до нього з кров’ю. У частини пацієнтів, від 40 до 70 відсотків, за кілька місяців чи років нерви частково відростають. У серця є й запасні водії ритму. Якщо синусовий вузол відмовить, роль водія ритму перебере АВ-вузол і задаватиме частоту приблизно від 40 до 60 ударів за хвилину.
06
Два кола і що змінюється під час бігу
Простежте шлях однієї краплі крові. Правий шлуночок відправляє її легеневими артеріями в легені, де вона набирає кисню. Легеневими венами крапля повертається в ліву половину серця, а та відправляє її через аорту до тіла. Потім крапля повертається порожнистими венами в праву половину. Це два кола кровообігу, мале й велике, одне за одним, і серце рухає кров в обох водночас. Артеріями називають судини, що несуть кров від серця, з киснем чи без: легеневі артерії несуть бідну на кисень кров. У спокої крапля обходить усе тіло в середньому приблизно за хвилину.
Тепер посуньте повзунок навантаження вгору. У 25-річної людини пульс зростає приблизно з 75 майже до 190 ударів за хвилину, і кожен удар виштовхує більше крові. Частота, помножена на об’єм одного удару, дає хвилинний об’єм серця, тобто скільки крові серце качає за хвилину. Він зростає приблизно з 5 літрів у спокої до 20 під час важкого навантаження. Скорочення стає трохи коротшим, але час на наповнення скорочується значно більше. Коли частота подвоюється, скорочення втрачає менше третини свого часу, а наповнення втрачає близько двох третин. Подивіться, як тане синя частина графіка.
Уся ця робота має свою ціну. Серце живить себе через коронарні артерії: у спокої це близько 250 мл крові за хвилину, приблизно 5 відсотків від того, що воно перекачує. Воно витрачає близько десятої частини кисню, який засвоює ваше тіло. А от потужність насоса скромна: близько 1 Вт для лівої половини. За життя серце б’ється близько 3 мільярдів разів. Для ссавця це багато. У ссавців загалом життя вкладається приблизно в мільярд ударів, із розкидом до десяти разів. Серце синього кита під час пірнання б’ється лише від 2 до 8 разів за хвилину.
Тренування на витривалість змінюють серце. Лівий шлуночок стає просторішим, близько 55 мм у поперечнику в чоловіків-спортсменів проти приблизно 48 мм у нетренованих людей, а його стінка трохи товщає. Таке серце спортсмена свідчить про здорову зміну, а не про хворобу. Кожен удар виштовхує більше крові, а пульс у спокої падає приблизно до 50, в елітних велогонщиків майже до 30. Працюючи на повну силу, таке серце може качати близько 28 літрів за хвилину. Рекорди становлять близько 42 літрів за хвилину і близько 210 мл за один удар. Проте найвищий пульс у нього не вищий, ніж у будь-кого іншого. А формула «220 мінус ваш вік» дає лише грубу оцінку з похибкою приблизно 10 ударів в обидва боки. Торкніться спортсмена, щоб порівняти.