Serce: hydraulika i elektryka

Serce to nie tylko mięsień. To elektromechaniczna pompa, która reguluje rytm i w każdej chwili może zdecydować, ile krwi trafi do mózgu, a ile do mięśni. Serce nie potrzebuje sygnału z mózgu, by zacząć bić. Samo generuje impulsy elektryczne, które napędzają jego skurcze i pozwalają krwi krążyć w całym organizmie. 

Adobe/Michał Magiera

Z punktu widzenia fizjologii serce jest pompą. Jego podstawowym zadaniem jest wprawianie krwi w ruch i utrzymywanie ciągłego przepływu przez naczynia krwionośne. Każdego dnia wykonuje około 100 tys. uderzeń, przepompowując około 7,5 tys. litrów krwi. Ta praca odbywa się w ściśle uporządkowanym cyklu, obejmującym skurcz i rozkurcz przedsionków oraz komór. Każdy cykl skurczu obejmuje najpierw przedsionki, a następnie komory, i trwa około 0,8 sekundy u osoby dorosłej w spoczynku — składając się na rytm pracy serca ok. 60–80 uderzeń na minutę.

Prawa część serca odpowiada za krążenie płucne, lewa — za krążenie systemowe, dostarczające tlen i substancje odżywcze do wszystkich tkanek. W sensie czysto mechanicznym serce spełnia więc kryteria wydajnej pompy hydraulicznej: wytwarza ciśnienie, kontroluje kierunek przepływu i dostosowuje swoją pracę do zmiennego obciążenia. 

Serce tłoczy krew

Fizjologicznie serce działa jak dwie pompy hydrauliczne w jednej obudowie: prawej i lewej. Pompa prawa zasysa krew z żył i wypycha ją do płuc, gdzie następuje natlenowanie; pompa lewa zasysa krew już utlenowaną i tłoczy ją z ogromnym ciśnieniem do całego organizmu. To ciśnienie jest kluczowe — bez niego nie doszłoby do przepływu krwi, a wraz z nim życia. 

„Serce jest rytmiczną pompą elektromechaniczną, której funkcjonowanie zależy od powstawania i rozchodzenia się potencjałów czynnościowych, po których następuje rozkurcz oraz okres refrakcji, aż do wygenerowania kolejnego impulsu” – tłumaczy na łamach „Advances in Physiology Education” prof. Richard Edwin Klabunde z Marian University. 

Praca tej „pompy” nie byłaby bowiem możliwa bez spójnej synchronizacji i adaptacji do zmiennych potrzeb organizmu. Wysiłek fizyczny, stres, emocje, zmiana pozycji ciała — to wszystko wymaga szybkiej adaptacji rytmu i siły skurczu mięśnia sercowego. Tę adaptację zapewnia nie tylko mechaniczna budowa mięśnia, ale przede wszystkim jego układ elektryczny. Choć serce jest mięśniem, jego rytmiczna praca opiera się przede wszystkim na wewnętrznym systemie generowania i przewodzenia impulsów elektrycznych. Ta „elektryka” jest równie fundamentalna jak „hydraulika” pompowania krwi.

Choroby serca mają płeć

Myślisz, że zawał to męska rzecz? Błąd. Z jego powodu to kobiety częściej przedwcześnie tracą życie – 55 proc. pań wobec 43 proc. mężczyzn. Obie płcie inaczej chorują na serce, a co gorsza, naukowcy dopiero od niedawna dokładniej badają te różnice.

U podstaw rytmu serca znajduje się grupa komórek w specjalnej strukturze zwanej węzłem zatokowo-przedsionkowym (SA). To właśnie te komórki generują serie impulsów elektrycznych z własnej inicjatywy, w regularnych odstępach czasu — nawet w warunkach izolowanego narządu. Właśnie dlatego serce może bić nadal, gdy jest pozbawione zewnętrznego unerwienia.

Na czym polega automatyzm serca?

Kluczową cechą serca, odróżniającą je od większości narządów, jest jego zdolność do autonomicznej pracy. Serce nie wymaga impulsu nerwowego z mózgu, aby rozpocząć skurcz — źródło pobudzenia znajduje się w nim samym. Wyspecjalizowane komórki, przede wszystkim węzła zatokowo-przedsionkowego, spontanicznie generują impulsy elektryczne, które wyznaczają rytm pracy całego narządu. Zjawisko to, określane w fizjologii mianem automatyzmu serca, sprawia, że mięsień sercowy jest w pewnym sensie samowystarczalny.

Konsekwencje tej właściwości są daleko idące. Klasyczne doświadczenia fizjologiczne, znane i wielokrotnie powtarzane od końca XIX wieku, pokazały, że serce ssaka może przez pewien czas bić poza organizmem, jeśli zapewni się mu odpowiednie warunki fizykochemiczne — dostęp tlenu, właściwą temperaturę i prawidłowy skład elektrolitów. W takich warunkach zachowuje ono rytmiczne skurcze mimo całkowitego odcięcia od mózgu i układu nerwowego. Dzięki temu możliwe są transplantacje: przeszczepione serce zaczyna pracować w klatce piersiowej biorcy, choć wszystkie jego połączenia nerwowe zostały przerwane.

Układ nerwowy nie inicjuje więc pracy serca, lecz ją reguluje. Autonomiczny układ nerwowy pełni funkcję precyzyjnego regulatora, dostrajając częstość i siłę skurczów do aktualnych potrzeb organizmu. Serce bije samo — mózg jedynie koryguje tempo tej pracy. 

Stres może złamać serce?

Dowiedziałaś się o niespodziewanych zaręczynach córki i poczułaś nagły ból w klatce piersiowej? Uczestniczyłaś w stłuczce, a potem zaczęło kłuć Cię serce i pojawiły się problemy z oddychaniem? Możliwe, że cierpisz na „zespół złamanego serca”.

Powstały impuls elektryczny rozchodzi się po mięśniu przedsionków, powodując ich skurcz i wtłoczenie krwi do komór. Następnie impuls dociera do węzła przedsionkowo-komorowego (AV), który działa jak „opóźniacz”, zapewniając, że skurcz przedsionków następuje przed skurczem komór. Dalej, sygnał przemieszcza się wzdłuż pęczka Hisa oraz rozgałęzia się we włókna Purkinjego, które rozprowadzają pobudzenie po ścianach obu komór, powodując ich skurcz. Cały ten proces zachodzi z niezwykłą precyzją w ułamkach sekund. Uszkodzenia któregokolwiek z elementów układu przewodzącego mogą prowadzić do poważnych zaburzeń rytmu, które radykalnie obniżają efektywność „pompy” serca — a czasem nawet ją zatrzymują. Takie zaburzenia, określane w medycynie jako arytmie, są dziś jednym z najważniejszych tematów badań klinicznych w kardiologii. 

Arytmie i inne zaburzenia

„Serce jest pompą elektromechaniczną. Jego prawidłowe funkcjonowanie zależy od właściwej synchronizacji zjawisk elektrycznych zachodzących w tkankach serca” — podkreśla prof. Jean Bragard, Universidad de Navarra, tłumacząc dlaczego fizyka i matematyka pomagają diagnozować i leczyć arytmie.

Impuls elektryczny generowany w węźle SA jest jak „iskra” w silniku: bez niego nie dojdzie do cyklu pracy. To właśnie depolaryzacja błony komórkowej kardiomiocytów — zmiana ich potencjału elektrycznego — inicjuje skurcz mięśnia, a tym samym wypchnięcie krwi. Rejestracja tej elektrycznej aktywności odbywa się przy pomocy elektrokardiogramu (EKG), który w formie charakterystycznych załamków i linii odzwierciedla kolejne fazy aktywności elektrycznej serca.

„Mówiąc obrazowo, gdy szwankuje „elektryka” i serce bije zbyt wolno, szybko lub chaotycznie, oznacza to realne zagrożenie życia pacjenta… tylko techniczna próba korekcji czynności elektrycznej serca może skutecznie pomóc chorym” — tłumaczy na łamach Medycyny Praktycznej prof. Maciej Sterliński, kierownik Pracowni Elektrofizjologii i Kliniki Zaburzeń Rytmu Serca, Narodowy Instytut Kardiologii w Warszawie.

Elektryczne impulsy nie tylko określają częstotliwość rytmu, ale też koordynują kolejność skurczów — najpierw przedsionków, potem komór, co jest kluczowe dla efektywności pompowania. Jeśli ta kolejność zostanie zaburzona, jak w przypadku bloków przewodzenia lub migotania komór, fala skurczów może stać się nieskoordynowana, co drastycznie obniża wydajność mechanicznej pracy serca. Współczesna terapia kardiologiczna często koncentruje się na przywracaniu lub wspomaganiu tej elektrycznej synchronizacji. Kardiowersja, ablacja czy terapia resynchronizująca to metody, które działają poprzez modyfikację lub wspomaganie przewodzenia impulsów, by przywrócić harmonijny rytm i powstrzymać niewydolność serca.

Serce jest więc narządem, który łączy w sobie samodzielny rytm elektryczny z mechaniczną siłą umożliwiającą pompowania krwi. Zrozumienie tej zależności pomaga leczyć choroby, które wciąż pozostają najczęstszą przyczyną zgonów na świecie.