سرخرگ، سیاهرگ و مویرگ را از نظر ساختار دیواره و کار مقایسه کنید.

- سرخرگ: خون را از قلب با فشار زیاد میبرد؛ دیواره ضخیم، ماهیچهای و کشسان دارد تا فشار را تحمل کند و جریان را میان ضربانها حفظ کند. - مویرگ: محل تبادل مواد میان خون و بافت است؛ دیواره فقط یک لایه بافت پوششی و قطر حدود 8 دارد تا مواد با انتشار عبور کنند. - سیاهرگ: خون را با فشار کم به قلب برمیگرداند؛ دیواره نازکتر، حفرهٔ بزرگتر و دریچه دارد تا جریان یکطرفه به سوی قلب بماند.

وضعیت دریچههای دولختی و سهلختی و دریچههای سینی را در سه مرحلهٔ دورهٔ قلبی بنویسید.

- انقباض دهلیزها: دولختی و سهلختی باز (خون به بطنها میرود)، سینیها بسته. - انقباض بطنها: دولختی و سهلختی بسته (خون به دهلیز برنمیگردد)، سینیها باز (خون به آئورت و سرخرگ ششی میرود). - استراحت عمومی: دولختی و سهلختی باز (خون از سیاهرگها به دهلیز و بطن میآید)، سینیها بسته (خون از سرخرگها برنمیگردد). دریچهها با اختلاف فشار باز و بسته میشوند و صدای قلب از بسته شدن آنهاست.

گنجایش رگها از حجم خون بیشتر است. چگونه خون در همهٔ اندامها جریان دارد و اسفنکترهای پیشمویرگی چه نقشی دارند؟

همهٔ رگها همزمان پر نیستند. اسفنکترهای پیشمویرگی (حلقههای ماهیچهای ابتدای شبکهٔ مویرگی) بخشی از شبکهها را بسته نگه میدارند و خون فقط به اندازهٔ نیاز وارد مویرگهای هر اندام میشود؛ سیاهرگها هم انبار خوناند. نقش اسفنکترها هدایت خون به اندام نیازمند است؛ مثلاً در ورزش اسفنکترهای ماهیچه باز و اسفنکترهای دستگاه گوارش بسته میشوند. گنجایش زیاد هم شبکه را برای نیاز بیشینه آماده میکند و سرعت خون در مویرگها را کم نگه میدارد تا تبادل کامل شود. اگر همهٔ مویرگها یکباره باز شوند، فشار خون شدیداً افت میکند و فرد غش میکند.

چرا جاندار بزرگ و پرسلولی به دستگاه گردش مواد نیاز دارد؟

انتشار بهتنهایی برای فاصلههای زیاد کند است. — «انتشار بهتنهایی برای فاصلههای زیاد کند است.» درست است، زیرا این پاسخ با دادهها و مفهوم علمی پرسش سازگار است. «سلولهایش اکسیژن تولید نمیکنند.» نادرست است، چون فاصلهٔ سلولهای درونی زیاد است. «همهٔ مواد غذایی در خون ساخته میشوند.» نادرست است، چون خون مواد غذایی را نمیسازد. «سطح بدنش از محیط جدا نیست.» نادرست است، چون سطح بدن جاندار بزرگ معمولاً برای انتشار کافی نیست. تلهٔ تستی: اندازهٔ بدن را با نیاز به انتقال سریع مرتبط کن. گزینهٔ درست «انتشار بهتنهایی برای فاصلههای زیاد کند است.» است.

کدام جاندار میتواند از حفرهٔ گوارشیعروقی برای پخش مواد استفاده کند؟

هیدر. — «هیدر.» درست است، زیرا این پاسخ با دادهها و مفهوم علمی پرسش سازگار است. «انسان.» نادرست است، چون انسان گردش خون جداگانه دارد. «پرنده.» نادرست است، چون پرنده دستگاه گردش خون بسته دارد. «ماهی.» نادرست است، چون ماهی قلب و رگ دارد. تلهٔ تستی: حفرهٔ دوکاره را با دستگاه رگدار اشتباه نگیر. گزینهٔ درست «هیدر.» است.

حفرهٔ گوارشیعروقی چه دو نقشی دارد؟

گوارش و پخش مواد در بدن. — «گوارش و پخش مواد در بدن.» درست است، زیرا این پاسخ با دادهها و مفهوم علمی پرسش سازگار است. «پمپاژ خون و ساخت گلبول.» نادرست است، چون قلب و گلبول در این حفره نیستند. «تصفیهٔ خون و تبادل گاز.» نادرست است، چون تصفیهٔ خون وظیفهٔ آن نیست. «تنفس و دفع ادرار.» نادرست است، چون این حفره کلیه و شش نیست. تلهٔ تستی: نام دوکارهٔ حفره را به کارش ربط بده. گزینهٔ درست «گوارش و پخش مواد در بدن.» است.

کدام رگ معمولاً خون را از قلب دور میکند؟

سرخرگ. — «سرخرگ.» درست است، زیرا این پاسخ با دادهها و مفهوم علمی پرسش سازگار است. «رگ لنفی.» نادرست است، چون رگ لنفی خون قلب را حمل نمیکند. «سیاهرگ.» نادرست است، چون سیاهرگ خون را به قلب بازمیگرداند. «مویرگ.» نادرست است، چون مویرگ میان سرخرگچه و سیاهرگچه است. تلهٔ تستی: نام سرخرگ را با رنگ خون تعریف نکن. گزینهٔ درست «سرخرگ.» است.

دیوارهٔ سرخرگ نسبت به سیاهرگ چرا ضخیمتر است؟

فشار بالاتری را که از قلب میآید تحمل میکند. — «فشار بالاتری را که از قلب میآید تحمل میکند.» درست است، زیرا این پاسخ با دادهها و مفهوم علمی پرسش سازگار است. «خون را با فشار پایین به قلب بازمیگرداند.» نادرست است، چون سرخرگ خون پرفشار را منتقل میکند. «در آن تبادل مستقیم مواد با بافت انجام میشود.» نادرست است، چون بازگرداندن خون کار سیاهرگ است. «برای جلوگیری از ورود خون به رگ طراحی شده است.» نادرست است، چون تبادل عمده در مویرگ رخ میدهد. تلهٔ تستی: جهت حرکت و فشار را با هم درنظر بگیر. گزینهٔ درست «فشار بالاتری را که از قلب میآید تحمل میکند.» است.

گردش مواد — علوم تیزهوشان هفتم (استعداد درخشان)

گردش مواد (علوم تیزهوشان هفتم)

هر ثانیه میلیاردها سلول بدن به اکسیژن و غذا نیاز دارند و باید پسماندهای خود را تحویل دهند؛ این کار را دستگاه گردش مواد انجام می‌دهد. در جانداران کوچک یا نازک انتشار کافی است، چون فاصله کم است؛ اما زمان انتشار با مربع فاصله زیاد می‌شود و در جانداران بزرگ و پرسلولی به دستگاه حمل مواد نیاز است.

حفرهٔ گوارشی-عروقی

در کیسه‌تنان مثل هیدر و پهن‌کرم‌هایی مثل پلاناریا، بیشتر سلول‌ها مستقیم در مجاورت محیط‌اند و دستگاه گردش جداگانه لازم نیست. آبی که برای تغذیه وارد حفرهٔ گوارشی می‌شود، مواد را هم در بدن پخش می‌کند؛ این حفره که هم در گوارش و هم در گردش مواد کار می‌کند، حفرهٔ گوارشی-عروقی نام دارد. در پلاناریا حفره شاخه‌های فراوان دارد که غذا را به نزدیکی همهٔ سلول‌ها می‌رساند و بدن پهن و نازک نسبت سطح به حجم زیاد و فاصلهٔ انتشار کم دارد. در انسان گوارش و گردش دو دستگاه جدا با خون، رگ و قلب‌اند.

رگ‌ها: ساختار و کار

مویرگ‌ها محل تبادل مواد میان خون و بافت‌اند؛ کمترین قطر را دارند (کمی بزرگ‌تر از گلبول قرمز، حدود $8\,\mu\text{m}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و دیواره‌شان فقط یک لایه بافت پوششی است، پس اکسیژن، غذا و $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با انتشار عبور می‌کنند. سرخرگ‌ها و سیاهرگ‌ها علاوه بر لایهٔ پوششی، لایهٔ ماهیچه‌ای (ماهیچهٔ صاف و رشته‌های کشسان) و لایهٔ پیوندی بیرونی با رشته‌های کشسان دارند که انعطاف می‌دهد. سرخرگ خون پرفشار را از قلب می‌برد، پس ضخیم، محکم و کشسان است و لایهٔ ماهیچه‌ای آن جریان و فشار را میان ضربان‌ها حفظ می‌کند. سیاهرگ خون را با فشار کم به قلب برمی‌گرداند، دیوارهٔ نازک‌تر و حفرهٔ بزرگ‌تری دارد و دریچه دارد که جریان را یک‌طرفه به سوی قلب می‌کند. خون پاها باید خلاف جاذبه بالا برود؛ انقباض ماهیچه‌های اسکلتی (مثلاً در راه رفتن) سیاهرگ را می‌فشارد و دریچه‌ها جهت را حفظ می‌کنند. ضعف این دریچه‌ها واریس است و ایستادن طولانی بی‌حرکت خسته‌کننده است. سرخرگ و سیاهرگ به سرخرگچه و سیاهرگچه شاخه می‌شوند.

شبکهٔ مویرگی و اسفنکترها

سرخرگچه‌ها به شبکهٔ گسترده و پرشاخهٔ مویرگی تبدیل می‌شوند که به‌طور جانبی هم به هم وصل‌اند و هر سلول را در فاصلهٔ کمتر از $100\,\mu\text{m}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین از یک مویرگ قرار می‌دهند. مسیر: سرخرگ ← سرخرگچه ← اسفنکتر پیش‌مویرگی ← شبکهٔ مویرگی ← سیاهرگچه ← سیاهرگ؛ یک مسیر میان‌بر هم خون را مستقیم از سرخرگچه به سیاهرگچه می‌برد. اسفنکترهای پیش‌مویرگی حلقه‌های ماهیچه‌ای ابتدای شبکه‌اند: باز باشند خون وارد مویرگ‌ها می‌شود و بسته باشند خون از مسیر اصلی می‌گذرد.

گنجایش مویرگ‌ها: با حدود $7\times10^9$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مویرگ، طول متوسط $1\,\text{mm}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و قطر $8\,\mu\text{m}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (شعاع $4\times10^{-6}\,\text{m}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)، حجم هر مویرگ $\pi r^2L\approx5\times10^{-14}\,\text{m}^3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و حجم کل $7\times10^9\times5\times10^{-14}=3.5\times10^{-4}\,\text{m}^3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یعنی حدود $350\,\text{mL}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است؛ فقط حدود ۷٪ خون ۵ لیتری. طول کل $7000\,\text{km}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و سطح تبادل $N\pi dL\approx176\,\text{m}^2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است؛ سطح بسیار زیاد با حجم کم، باز هم نسبت سطح به حجم. خون در مویرگ حدود $0.5\,\text{mm/s}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین حرکت می‌کند و عبور از یک مویرگ ۱ میلی‌متری ۲ ثانیه طول می‌کشد؛ این آهستگی برای تبادل کافی لازم است. علت آهستگی این است که مجموع سطح مقطع مویرگ‌ها بسیار بیشتر از آئورت است.

گنجایش کلی رگ‌ها از ۵ لیتر خون بدن بسیار بیشتر است. خون باز هم در همهٔ اندام‌ها جریان دارد، چون همهٔ رگ‌ها هم‌زمان پر نیستند: اسفنکترها بخشی از شبکه‌ها را بسته نگه می‌دارند و خون به اندازهٔ نیاز توزیع می‌شود؛ سیاهرگ‌ها هم انبار خون‌اند. گنجایش زیاد شبکه را برای نیاز بیشینه (ورزش، هضم غذا، گرما) آماده می‌کند و سرعت خون در مویرگ را کم نگه می‌دارد. اسفنکترها خون را به اندام نیازمند هدایت می‌کنند؛ اگر همهٔ مویرگ‌ها یکباره باز شوند، فشار خون شدیداً افت می‌کند و فرد غش می‌کند.

قلب و دریچه‌ها

قلب ماهیچه‌ای چهارحفره‌ای است: دو دهلیز بالا و دو بطن پایین؛ دیوارهٔ میانی خون پراکسیژن و کم‌اکسیژن را جدا نگه می‌دارد. گردش کوچک: دهلیز راست ← بطن راست ← سرخرگ ششی ← شش‌ها ← سیاهرگ‌های ششی ← دهلیز چپ. گردش بزرگ: بطن چپ ← آئورت ← اندام‌ها ← بزرگ‌سیاهرگ‌های زبرین و زیرین ← دهلیز راست. بطن چپ دیوارهٔ ضخیم‌تری دارد، چون خون را به همهٔ بدن می‌فرستد. دریچه‌های دهلیزی-بطنی دولختی (چپ) و سه‌لختی (راست) از برگشت خون به دهلیز و دریچه‌های سینی آئورتی و ششی از برگشت خون به بطن جلوگیری می‌کنند. دریچه‌ها با اختلاف فشار باز و بسته می‌شوند و صدای قلب از بسته شدن آنهاست.

دورهٔ قلبی (حدود $0.8\,\text{s}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برای ۷۵ ضربان در دقیقه): در انقباض دهلیزها (حدود ۰٫۱ ثانیه) دولختی و سه‌لختی باز و سینی‌ها بسته‌اند؛ در انقباض بطن‌ها (حدود ۰٫۳ ثانیه) دولختی و سه‌لختی بسته و سینی‌ها باز؛ و در استراحت عمومی (حدود ۰٫۴ ثانیه) دولختی و سه‌لختی باز و سینی‌ها بسته‌اند. در نمای بالای قلب، دریچه‌های دهلیزی-بطنی بزرگ‌ترند و با ریسمان به دیواره وصل‌اند؛ دریچه‌های سینی کوچک‌تر و سه‌هلالی‌اند و ریسمان ندارند. برون‌ده قلب $Q=\text{HR}\times\text{SV}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است: با ۷۰ میلی‌لیتر در هر ضربان و ۷۲ ضربان، $Q\approx5\,\text{L/min}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ یعنی هر دقیقه تقریباً همهٔ خون بدن یک بار از قلب می‌گذرد و در شبانه‌روز حدود $7200\,\text{L}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

گردش خون در مهره‌داران

ماهی قلب دوحفره‌ای (یک دهلیز و یک بطن) و گردش ساده دارد: خون یک بار از قلب می‌گذرد، از آبشش رد می‌شود و بدون بازگشت به قلب به بدن می‌رود و فشارش کم می‌شود. دوزیستان سه حفره دارند و خونشان تا حدی مخلوط می‌شود؛ پرندگان و پستانداران قلب چهارحفره‌ای و گردش مضاعف دارند و خون مخلوط نمی‌شود. شباهت مهره‌داران با پستانداران: دستگاه گردش بسته با قلب، سرخرگ، مویرگ و سیاهرگ. تفاوت: در گردش مضاعف خون پس از شش‌ها دوباره به قلب برمی‌گردد و فشار تازه می‌گیرد، پس سرعت و کارایی بیشتر است.

نقشهٔ عروقی و دستگاه باب

خون رگ‌های روده سرشار از مواد مغذی است و ابتدا وارد کبد می‌شود: مویرگ‌های روده ← سیاهرگ باب ← مویرگ‌های کبد ← سیاهرگ فوق‌کبدی ← بزرگ‌سیاهرگ زیرین. نقشه سه دستگاه را به هم وصل می‌کند: گوارش مواد را وارد خون می‌کند، تنفس اکسیژن را و گردش هر دو را به سلول‌ها می‌رساند.

فشار خون و پژوهش رنگ

برای پژوهش اثر رنگ بر فشار خون و ضربان: افراد متنوع، متغیر مستقل رنگ با مدت ثابت و استراحت بین رنگ‌ها، متغیر وابسته فشار و نبض، کنترل نور اتاق، ساعت، وضعیت بدن، پرهیز از کافئین و ترتیب تصادفی رنگ‌ها، همراه با تکرار، میانگین و گروه شاهد. دسته‌بندی فشار (سیستولی/دیاستولی): طبیعی ۹۰ تا ۱۲۰ روی ۶۰ تا ۸۰، نسبتاً بالا ۱۲۰ تا ۱۴۰ روی ۸۰ تا ۹۰، مرحلهٔ ۱ ۱۴۰ تا ۱۶۰ روی ۹۰ تا ۱۰۰ و مرحلهٔ ۲ بیش از آن؛ اگر دو عدد در دو دسته باشند، دستهٔ شدیدتر ملاک است. $135/85$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نسبتاً بالا و $145/85$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مرحلهٔ ۱ است. فشار نبض برای $120/80$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برابر $40\,\text{mmHg}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.

توزیع خون در ورزش

در استراحت ماهیچه‌ها حدود $1200\,\text{mL/min}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین خون می‌گیرند و در ورزش حدود $12500$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ قلب از حدود $250$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $750$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌رسد، اما گوارش و کلیه کمتر می‌گیرند و مغز ثابت می‌ماند. ماهیچه در ورزش اکسیژن و گلوکز بیشتر لازم دارد و باید $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و گرمای بیشتری دفع کند؛ پس ضربان و برون‌ده بالا می‌رود (از ۵ تا ۱۵–۲۰ لیتر در دقیقه)، اسفنکترهای ماهیچه باز و اسفنکترهای اندام‌های کم‌نیاز بسته می‌شوند. «خون اضافه» از سرعت بیشتر گردش و ذخیرهٔ سیاهرگ‌ها می‌آید؛ مقدار کل خون تقریباً ثابت است. سهم ماهیچه از $\frac{1200}{5000}=24\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به حدود $\frac{12500}{17000}\approx74\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌رسد. ورزشکار حجم ضربه‌ای بیشتری دارد و برای همان برون‌ده ضربان کمتری لازم دارد ( $\frac{5000}{100}=50$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در برابر حدود ۷۱).

ضربان قلب و اندازهٔ بدن

هرچه جاندار سنگین‌تر باشد، ضربانش کمتر است (همستر ۶۰ گرمی ۴۵۰ و نهنگ ۲۰ ضربه)، چون جاندار کوچک نسبت سطح به حجم بیشتر دارد، گرما را سریع از دست می‌دهد و سوخت‌وسازش تندتر است. ضربان بالا معمولاً با عمر کوتاه همراه است، اما رابطه ساده نیست؛ وزن و عمر هم به‌طور کلی رابطهٔ مستقیم دارند، با استثناهایی مثل اسب و انسان. تعداد کل ضربان در عمر: $\text{HR}\times525600\times\text{years}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ برای انسان $60\times525600\times70\approx2.21\times10^9$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. برای عمر طولانی لاک‌پشت می‌توان فرضیه ساخت: ضربان و سوخت‌وساز بسیار کند، لاک محافظ، رادیکال آزاد کمتر و ترمیم بهتر DNA؛ اما این‌ها باید آزموده شوند.

خون: پلاسما حدود ۵۵٪ خون است و مواد و هورمون‌ها را حمل می‌کند؛ گلبول قرمز با هموگلوبین اکسیژن حمل می‌کند، گلبول سفید دفاع می‌کند و پلاکت در انعقاد نقش دارد. در ۵ لیتر خون حدود $2.75\,\text{L}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین پلاسماست.

مثال‌های تمرینی

حجم مویرگی با شعاع $5\,\mu\text{m}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و طول $2\,\text{mm}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: $V=3.14\times(5\times10^{-6})^2\times2\times10^{-3}\approx1.57\times10^{-13}\,\text{m}^3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
اگر هر بطن در هر ضربان $80\,\text{mL}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بفرستد و ضربان ۷۵ باشد، برون‌ده $80\times75=6000\,\text{mL}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یعنی $6\,\text{L}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در دقیقه است.
فشار $150/95$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در دستهٔ «بالا؛ مرحلهٔ ۱» قرار می‌گیرد.
همستر با ۴۵۰ ضربان در دقیقه و ۳ سال عمر حدود $450\times525600\times3\approx7.1\times10^8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ضربان دارد؛ با جدول کتاب می‌خواند.
سیاهرگ‌های ششی خون پراکسیژن دارند، پس رنگ قرمز شکل‌ها اکسیژن زیاد را نشان می‌دهد، نه نوع رگ.

اشتباه‌های رایج

اشتباه	درست
همهٔ سرخرگ‌ها پراکسیژن‌اند.	سرخرگ ششی کم‌اکسیژن است.
سرخرگ یعنی رگ قرمز.	سرخرگ یعنی رگی که از قلب خون می‌برد.
در ورزش خون بدن زیاد می‌شود.	توزیع و سرعت عوض می‌شود.
دریچه‌ها خون را پمپ می‌کنند.	ماهیچهٔ قلب پمپ می‌کند و دریچه جریان را یک‌طرفه می‌کند.
در انقباض بطن دریچهٔ دولختی باز است.	بسته است.
ماهی گردش مضاعف دارد.	گردش ساده دارد.