Приблизительно оценить площадь поперечного сечения и площадь поверхности капилляров можно следующим образом. Радиус капилляров в среднем составляет 3 мкм, а длина – 750 мкм. Таким образом, площадь поперечного сечения (π • r 2) капилляра равна в среднем 30 мкм2, а площадь поверхности (π2rl)– примерно 14 тыс.мкм2. Если учитывать поверхность венул, участвующих в обменных процессах, то эффективная обменная поверхность одного капилляра составит приблизительно 22 000 мкм2.
Поскольку скорость кровотока в аорте относится к скорости кровотока в капиллярах как 700:1 (около 210 мм/с в аорте и примерно 0,3 мм/с в капиллярах, то в соответствии с законом неразрывности струи (уравнение (2)) при площади поперечного сечения аорты 4 см2 площадь поперечного сечения всех перфузируемых капилляров должна составлять 2800 см2, или около 3000 см2. Однако в покое кровь циркулирует лишь примерно в 25–35% всех капилляров. Следовательно, общая площадь поперечного сечения капилляров большого круга кровообращения равна приблизительно 11000см2.
Число капилляров. Из приведенных расчетов следует, что общее число капилляров в организме человека равно примерно 40 млрд. Таким образом, общая эффективная обменная поверхность (включая обменную поверхность венул) должна составлять около 1000 м2. Если допустить, что капилляры распределены равномерно, то на 1 мм3 ткани должно приходиться около 600 капилляров, т.е. 1,5 м2 обменной поверхности на 100 г ткани.
На самом деле плотность капилляров в различных органах существенно варьирует. Так, на 1 мм3 ткани миокарда, головного мозга, печени и почек приходится 2500–3000 капилляров; в «фазных» единицах скелетных мышц эта величина составляет 300–400/мм3, а в «тонических» единицах–около 100/мм3. Относительно мала плотность капилляров в костной, жировой и соединительной тканях. Существует еще один показатель, характеризующий состояние капиллярного русла и не зависящий от плотности капилляров,–это отношение перфузируемых капилляров к неперфузируемым в состоянии покоя. Этот показатель также значительно колеблется. Таким образом, максимальная обменная поверхность (при максимальном расширении) существенно варьирует для различных органов. Все эти показатели приведены на рис. 20.20. Следует, однако, помнить, что как на этом рисунке, так и в приведенных выше расчетах некоторые величины лишь весьма приблизительны. Увеличение числа перфузируемых, или активных, капилляров имеет большое значение, так как при этом уменьшается диффузионное расстояние между капиллярами и клетками и тем самым улучшается кровоснабжение ткани.
Строение терминального русла. В большинстве случаев «истинные» капилляры не соединяют непосредственно артериолы с венулами. В зависимости от ультраструктуры стенок капилляры можно разделить на три типа: 1) капилляры с непрерывной стенкой; 2) капилляры с фенестрированной (окончатой) стенкой; 3) капилляры с прерывистой стенкой.
Стенки капилляров типа 1 образованы сплошным слоем эндотелиальных клеток, в мембранах которых имеется большое количество мельчайших (4–5 нм) пор. Этот тип капилляров широко распространен: он встречается в поперечнополосатых и гладких мышцах, жировой и соединительной ткани, а также в микроциркуляторном русле легких. Клетки капилляров типа 2 имеют «окошки» (фенестры) диаметром до 0,1 мкм. Эти фенестры часто бывают прикрыты тончайшей мембраной. Капилляры подобного типа встречаются в клубочках почек и в слизистой оболочке кишечника. Капилляры типа 3 имеют прерывистую стенку с большими интерстициальными просветами. Через эти просветы могут проходить как жидкость, так и клетки крови. Такие капилляры встречаются в костном мозгу, синусах печени и селезенке.
Обмен путем диффузии. Наибольшую роль в обмене жидкостью и веществами между кровью и межклеточным пространством играет двусторонняя диффузия. Скорость диффузии настолько высока, что при прохождении крови через капилляры жидкость плазмы успевает 40 раз полностью обменяться с жидкостью межклеточного пространства; таким образом, эти две жидкости постоянно перемешиваются. При этом число молекул, переходящих из капилляра и в капилляр, примерно одинаково, поэтому объем плазмы в капилляре практически не изменяется. Скорость диффузии через общую обменную поверхность организма составляет около 60 л/мин, или примерно 85 000 л/сут.
Водорастворимые вещества, такие как Na+, Cl–, глюкоза и т.д., диффундируют исключительно через заполненные водой поры. Проницаемость капилляров для различных веществ зависит от соотношения размеров молекул этих веществ и пор: мелкие молекулы типа Н20 или NaCI диффундируют легче, чем более крупные молекулы глюкозы или альбумина. Если принять величину проницаемости для воды за 1, то относительная проницаемость составит для глюкозы 0,6, а для альбумина 0,0001. В связи со столь низкой проницаемостью капиллярной стенки для альбумина концентрация его в плазме существенно отличается от концентрации в межклеточной жидкости, что имеет важное функциональное значение (см. ниже).
Крупные молекулы, не способные проникать через поры капилляров, могут переноситься через капиллярную стенку путем пиноцитоза. При этом мембрана клетки капилляра инвагинирует, образуя вакуоль, окружающую молекулу; затем на противоположной стороне клетки происходит обратный процесс (эмиоцитоз).
Через стенку капилляра свободно диффундируют жирорастворимые вещества, например спирт, а также О2 и СO2 . Поскольку диффузия этих веществ идет по всей поверхности мембраны капилляра, скорость их транспорта гораздо выше, чем водорастворимых веществ.
Обмен путем фильтрации. Второй механизм, обеспечивающий обмен между внутрисосудистым и межклеточным пространствами,–это фильтрация и реабсорбция, происходящие в терминальном русле. Согласно классической теории Старлинга, между объемами жидкости, фильтрующейся в артериальном конце капилляров и реабсорбирующейся в их венозном конце (или удаляемой лимфатическими сосудами), в норме существует динамическое равновесие.
В том случае, если это равновесие нарушается, происходит довольно быстрое перераспределение внутрисосудистого и межклеточного объемов жидкости. Это перераспределение может оказать существенное влияние на различные функции сердечно–сосудистой системы, особенно если учесть тот факт, что внутрисосудистый объем жидкости должен поддерживаться на уровне, соответствующем потребностям организма.
Интенсивность фильтрации и реабсорбции в капиллярах определяется прежде всего следующими параметрами: гидростатическим давлением в капиллярах (Ргк), гидростатическим давлением в тканевой жидкости (Ргт) онкотическим давлением плазмы в капилляре (Рок), онкотическим давлением тканевой жидкости (Рот) и коэффициентом фильтрации (К). Под действием Ргк, и Рот жидкость выходит из капилляра в ткани, а под действием Ргт и Рок происходит ее движение в противоположном направлении. Коэффициент фильтрации К соответствует проницаемости капиллярной стенки для
изотонических растворов (выраженной в миллилитрах жидкости на 1 мм рт.ст. и на 100 г ткани за 1 мин при 37 °С). Таким образом, объем жидкости, фильтрующейся за 1 мин (V), можно вычислить следующим образом:
V= (Рк+ Рот– Ргт– Рок) •К(19)
Если значение V положительно, то происходит фильтрация, а если оно отрицательно–реабсорбция.
Путем прямых измерений было показано, что давление в начале капилляра равно 30—35 мм рт.ст., а в конце 13–17 мм рт.ст..
Среднее давление, таким образом, составляет около 23–24 мм рт. ст. В сравнительно обширных капиллярных сетях среднее функциональное давление, по–видимому, несколько ниже вследствие периодических изменений гидродинамического сопротивления, обусловленных сокращениями прекапиллярных сфинктеров.
Непосредственно измерить давление интерстициальной жидкости невозможно, так как ширина межклеточных щелей не превышает 1 мкм. Косвенные измерения показали, что это давление колеблется от +10 до —9 мм рт.ст., однако такие измерения неудовлетворительны с методической точки зрения. Давление интерстициальной жидкости обычно считается нормальным, если оно близко нулю или слегка положительно (до + 3 мм рт.ст.).
Несмотря на то что точных данных об абсолютных значениях давления в межклеточном пространстве нет, известно, что при изменениях этого давления в нормальных пределах объем интерстициальной жидкости меняется незначительно. В этом заключается важная особенность интерстициального пространства –его малая растяжимость (ΔV/ΔP). Однако, когда давление в интерстициальном пространстве поднимается выше некоторого «порогового уровня», растяжимость этого пространства значительно возрастает, что приводит к выраженному увеличению объема интерстициальной жидкости, т.е. к отеку. Если объем интерстициальной жидкости увеличен не более чем на 30% по сравнению с нормальным уровнем, отеки обычно не заметны.
Онкотическое давление плазмы составляет примерно 25 мм рт.ст. Оно обусловлено белками плазмы, содержание которых равно примерно 73 г/л. Раньше полагали, что стенки капилляров абсолютно непроницаемы для белков, однако на самом деле это не так. Капилляры в зависимости от их ультраструктуры (см. выше) могут пропускать в межклеточную жидкость разных органов различное количество белка; в дальнейшем белок удаляется через лимфатические сосуды. Таким образом, по средней концентрации белка в лимфе можно судить о проницаемости капилляров. В печени 1 л лимфы содержит 60 г белка, в миокарде–30 г, в коже–10 г и в мышцах–20 г.
Проницаемость капиллярной стенки для белка возрастает от артериального конца капилляра к венозному, так как в области венозного конца больше площадь поверхности и количество крупных пор. Эту разницу в проницаемости для белка можно обнаружить, в частности, путем косвенного измерения содержания белка в интерстициальной жидкости: в области артериальной части капилляров содержание белка равно примерно 3 г/л, а в области венозной части оно возрастает почти до 40 г/л. Можно считать, что средняя концентрация–белка в интерстициальной жидкости организма составляет около 18–20 г/л, что соответствует величине онкотического давления, приблизительно 5 мм рт.ст.
Равновесие между внутрисосудистой и тканевой жидкостями. Исходя из приведенных данных, можно составить схему (правда, крайне упрощенную) движения жидкости между капиллярами и интерстициальным пространством.
В артериальном конце капилляра создается давление, направленное наружу и равное около 37,5 мм рт.ст. (Ргк = 32,5 мм рт.ст. + Рот = 5 мм рт.ст.). Ему противодействует давление, направленное внутрь капилляра; оно равно 28 мм рт.ст. (Рок = 25 мм рт. ст. + Ргт = 3 мм рт. ст.). Таким образом, эффективное фильтрационное давление составляет 9,5 мм рт.ст. (рис. 20.22). В венозном же конце капилляра давление, направленное наружу, равно 20 мм рт. ст. (Ргк = 15 мм рт.ст. + Рот = 5 мм рт.ст.). Давление, направленное внутрь, в венозном конце такое же, как и в артериальном, т. е. 28 мм рт. ст. Следовательно, эффективное реабсорбционное давление равно 8 мм рт. ст.
Дальнейшие расчеты можно упростить, допустив, что давление по ходу капилляров снижается равномерно, а все прочие факторы постоянны. В этом случае результирующее давление, направленное наружу, в норме будет равно среднему фильтрационному давлению, составляющему 28,5 мм рт. ст. (Ргк = 23,5 мм рт. ст. + Рот = 5 мм рт. ст.); результирующее же давление, направленное внутрь, будет равно среднему реабсорбционному давлению, т.е. 28,5 мм рт.ст. Таким образом, фильтрация несколько превосходит реабсорбцию.
Под действием эффективного фильтрационного давления примерно 0,5% общего объема плазмы, протекающей через капилляры, переходит в области артериального конца капилляра в интерстициальное пространство. Поскольку эффективное реабсорбционное давление несколько меньше, чем фильтрационное, лишь 90% этого объема реабсорбируется в венозном конце капилляра, а остальное количество плазмы удаляется из интерстициального пространства через лимфатические сосуды.
Средняя скорость фильтрации во всех капиллярах организма составляет около 14 мл/мин, или 20 л в сутки. Скорость реабсорбции равна примерно 12,5 мл/мин, т.е. 18 л в сутки. По лимфатическим сосудам оттекает 2 л в сутки.
При изменениях любого из факторов, влияющих на фильтрационно–реабсорбционное равновесие, оно обязательно нарушается. Особую роль в этом отношении играет гидростатическое давление в капиллярах (Ргк). При увеличении Ргк фильтрационно–реабсорбционное равновесие сдвигается в сторону фильтрации, а при уменьшении–в сторону реабсорбции. На гидростатическое давление в капиллярах оказывает большое влияние сопротивление прекапиллярных сосудов. От этого сопротивления зависит также число перфузируемых капилляров, т. е. площадь обменной поверхности в той или иной сосудистой сети. На гидростатическое давление в капиллярах и фильтрационно–реабсорбционное равновесие влияет также посткапиллярное сопротивление, которое при состоянии покоя в четыре раза меньше прекапиллярного. Все эти параметры регулируются сосудодвигательными нервами, управляющими деятельностью прекапилляров и в меньшей степени посткапилляров. Благодаря такой регуляции поддерживается определенный уровень внутрисосудистого объема плазмы.
Знание всех этих взаимоотношений позволяет понять, почему фильтрация и реабсорбция в капиллярах могут повышаться при самых различных состояниях. Так, фильтрация возрастает при общем увеличении кровяного давления, расширении резистивных сосудов во время мышечной деятельности, переходе в вертикальное положение, увеличении объема крови вследствие вливаний различных растворов, повышении венозного давления (например, при сердечной недостаточности). Напротив, реабсорбция увеличивается при снижении кровяного давления, сужении резистивных сосудов, кровопотере и т. д. (рис. 20.23). Фильтрация повышается также при снижении онкотического давления плазмы (например, при гипопротеинемии) или при накоплении осмотически активных веществ в интерстициальной жидкости. Напротив, увеличение онкотического давления плазмы способствует реабсорбции.
Выход жидкости в интерстициальное пространство увеличивается и при повышении проницаемости капилляров.
Это повышение может быть обусловлено, в частности, действием кининов, гистамина и подобных ему веществ, а также других агентов, выделяющихся при аллергических реакциях, воспалении, ожогах, ранениях и т.д. Давление, направленное в ткани (а именно под действием этого давления увеличивается фильтрация по всей длине капилляра), может повышаться при самых различных физиологических состоящих. Поэтому, казалось бы, чрезмерное накопление тканевой жидкости и возникновение отеков должны встречаться гораздо чаще, чем они имеют место в действительности. Эти нарушения не происходят отчасти благодаря тому, что интерстициальное пространство при относительно широком диапазоне давления малорастяжимо, что препятствует накоплению в нем жидкости. Кроме того, если в результате недостаточной реабсорбции в капиллярах тканевая жидкость начинает накапливаться, она быстрее удаляется по лимфатическим сосудам (см. ниже). Поскольку при этом из интерстициального пространства выводятся белки, онкотическое давление в нем падает, а это приводит к угнетению выхода воды в ткани и тем самым способствует поддержанию равновесия между внутрисосудистым и интерстициальным объемами жидкости.
4. Физиологическая роль лимфообращения.
Лимфатическая система представляет собой древовидную систему сосудов, мельчайшие ветви которой – лимфатические капилляры – слепозаканчиваются во всех тканях. В эти капилляры жидкость оттекает из интерстициального пространства. Более крупные лимфатические сосуды, похожие на вены, в конечном счете открываются через тот или иной проток в кровеносное русло в области сосудов с низким давлением. У млекопитающих и у многих других позвоночных лимфатические сосуды через грудной проток вливаются в переднюю кардинальную вену (у человека имеются два лимфатических протока: грудной, впадающий в левую внутреннюю вену, и правый, впадающий в правую подключичную вену.–Прим. перев).
Лимфатическая система служит для возврата в кровоток того избыточного количества жидкости и белков, которое отфильтровалось в ткани через стенки капилляров. Через эту систему в кровь поступают вещества с крупными молекулами, в частности жиры, всосавшиеся в кишечнике, и, возможно, высокомолекулярные гормоны. Кроме того, лимфатическая система участвует в защите организма от инфекции, так как в лимфатических узлах образуются лимфоциты. Лимфа представляет собой прозрачную, обычно слегка желтоватую жидкость с большим содержанием лимфоцитов, находящуюся в лимфатических сосудах. Как уже говорилось, лимфа собирается из всех тканей организма и через лимфатическую систему поступает в кровь.
Стенки лимфатических капилляров состоят из одного слоя эндотелиальных клеток. Базальная мембрана у них прерывистая или отсутствует совсем, и между соседними клетками имеются крупные поры. Это было показано при изучении переноса через стенки лимфатических капилляров таких веществ, как пероксидаза хрена или тушь.
Давление в лимфатических сосудах ниже, чем в окружающих тканях, и разница эта часто достигает
1 мм рт.ст. Тканевая жидкость легко проникает в лимфатические сосуды. В этих сосудах имеются клапаны, и поэтому лимфоток может быть только односторонним. Крупные лимфатические сосуды окружены слоем гладких мышц, а в некоторых случаях они ритмично сокращаются; при этом в них создается давление до 10 мм рт.ст., и жидкость отсасывается из тканей. Кроме того, лимфатические сосуды сдавливаются при сокращении кишечника, скелетных мышц и вообще при любых движениях тела. При этом лимфоток усиливается. К лимфатическим сосудам подходят нервы, однако пока не ясно, какова природа этих нервов и какую функцию они выполняют.
Величина лимфотока может быть различной. В среднем у человека в покое она составляет 11 мл∙ч–1, или 1/3000 сердечного выброса. Однако, хотя лимфоток и невелик, он очень важен для освобождения тканей от избыточной жидкости. Если лимфы образуется больше, чем оттекает, то жидкость задерживается в тканях, и возникает отек. Отеки могут быть очень тяжелыми. При тропическом заболевании филяриатозе личинки нематод, передаваемые человеку москитами, проникают в лимфатическую систему и забивают лимфатические сосуды. В некоторых случаях при этом полностью прекращается лимфоток от пораженных участков тела, и они отекают. Затронутые конечности достигают огромных размеров, уплотняются и становятся похожими на ноги слона; отсюда название такого состояния – слоновая болезнь, или элефантиаз (описанному здесь состоянию авторы дают общее название «отек». Однако фактически здесь речь идет только о лимфатических отеках, связанных с нарушением оттока лимфы и обусловленных, очевидно, ухудшением дренажа не столько жидкости, сколько белков. Отеки другого происхождения (застойные, гипоонкотические) проявляются и выглядят не так, как лимфатические.
Поскольку лимфа почти бесцветна, разглядеть лимфатические сосуды нелегко. Поэтому, хотя лимфатическая система была впервые описана около 400 лет назад, она далеко не столь хорошо изучена, как сердечно–сосудистая.
Заключение
Капиллярный кровоток должен постоянно приспосабливаться к потребностям тканей. Если эти потребности внезапно меняются (например, в скелетных мышцах при физической нагрузке), капиллярный кровоток также должен измениться. Если же, напротив, потребности какого–либо органа в питательных веществах относительно постоянны, то и капиллярный кровоток претерпевает лишь небольшие колебания.
Можно указать два основных типа регуляции капиллярного кровотока, это – местная и нервная регуляция.