Kodėl juda raudonieji kraujo kūneliai, tokie kaip šlepetės? • Jurijus Yerinas • Mokslo naujienos "Elementai" • Fizika, medicina

Kodėl juda raudonieji kraujo kūneliai, tokie kaip šlepetės?

Pav. 1. Skysčio greičio pasiskirstymas laminariniame irrotational sraute per vamzdį – Poiseuille srautas. Maksimalus greitis stebimas vamzdžio ašyje. Paveikslėlis iš ru.wikipedia.org

Ilgainiui žmogaus kraujo apytakos sistemoje tyrimo metu liko neaišku, kodėl plonuose induose judančių raudonųjų kraujo ląstelių geometrija neturi simetrijos (jie panašūs į šlepetės formą). Kaip rodo daugybė mokslininkų iš Maroko, JAV ir Prancūzijos, eritrocitų asimetriškos formos priėmimas kompensuoja greičio skirtumus tarp jų ir išorinio srauto, todėl užtikrinamas veiksmingiausias kraujo srautas. Mokslininkų darbo rezultatai gali būti naudojami diagnozuojant įvairias ligas, tokias kaip maliarija.

Hidrodinamikos požiūriu kraujas yra nehomogeniškas skystis: vidutiniškai 45% jo sudaro raudonieji kraujo kūneliai – raudonieji kraujo kūneliai, o likusi dalis yra plazma, kuri beveik visiškai susideda iš vandens; leukocitų (baltųjų kraujo kūnelių), trombocitų ir kitų kraujo elementų yra mažiau nei 1%. Pagrindinis raudonųjų kraujo kūnelių uždavinys yra transportuoti deguonį į audinius.Poilsio metu eritrocitai yra dvipusio stiklo diskas, kurio matmenys yra 6-8 μm, o membrana (elastinga apvalkale) yra maždaug 2 μm storio.

Sudėtinga kraujo struktūra lemia tai, kad jo dinaminių charakteristikų aprašymas šiek tiek skiriasi nuo tradicinių skysčių aprašymo. Nepaisant to, mokslininkai drąsiai naudoja kai kuriuos tradicinės hidrodinamikos metodus ir supaprastinimus. Pateikime pavyzdį. Paprasčiausiai ir labiausiai paplitusiam kraujotakos sistemos modeliui širdis yra siurblys, kuris "vamzdeliuose" sukuria kryptinį kraujo judėjimą: arterijas, venus ir kapiliarus. Manoma, kad kraujo tėkmė yra laminarinė (ty irrotacinė), o greičio pasiskirstymo profilis induose yra parabolinis (1 pav.). Maksimalus srauto greitis stebimas laivo ašyje, viduryje, o jo kraštuose skystis stovi (taip pat žiūrėkite animaciją). Šis paprastas srauto tipas yra žinomas fizikoje kaip Poiseuille srautas.

Žinoma, kraujotakos sistemos hidrodinamikos tyrimas yra ne tik teorinis. Taikomas šių studijų aspektas yra vienodai svarbus. Galų gale, supratimas apie mechanizmus, turinčius įtakos kraujo tekėjimo efektyvumui kraujagyslėse, turėtų padėti užkirsti kelią sunkioms ligoms,pvz., koronarinė širdies liga.

Vienas iš šių mechanizmų iki šiol liko neaiškus. Mes kalbame apie plazmos judesio poveikį mažuose induose (kurių skersmuo yra tik kelis kartus didesnis už būdingą raudonųjų kraujo kūnelių dydį) dėl raudonųjų kraujo kūnelių greičio ir formos, ir atvirkščiai. Visų pirma, kodėl raudonųjų kraujo kūnelių forma dažnai yra asimetriška, net jei plazmos srautas yra apibūdinamas kaip Poiseuille tėkmė? Galų gale būtų logiška manyti, kad simetrinis srauto profilis taip pat turėtų nustatyti simetrišką raudonųjų kraujo ląstelių formą. Tyrimai rodo, kad iš tikrųjų raudonųjų kraujo kūnelių dalis, judant per indus, turi parašiutinę išvaizdą, ty ji turi simetriškumą. Tačiau kiti raudoni kraujo kūneliai iškreipia jų įprastą formą, tampa asimetriški ir panašūs į šlepetes panašios formos. Ką ir kodėl raudonosios kraujo kūneliai taip transformuojasi?

Maroko, JAV ir Prancūzijos mokslininkų grupė sugebėjo atsakyti į šį klausimą. Žurnale paskelbtų teorinių studijų rezultatai Fizinės peržiūros raidės straipsnyje Kodėl raudonieji kraujo kūneliai turi asimetrines formas net simetriškai? (atviros prieigos darbas čia, PDF, 425 Kb).

Straipsnio autoriai prisimenakad, norint nustatyti judančių raudonųjų kraujo kūnelių tipą, reikia apskaičiuoti kiekvieno jų elastingumo taško (atsparaus deformacijai iš plazmos srauto) greičio dydį ir kryptį. Siekiant supaprastinti, jie sumažino šios problemos sprendimą į 2D atvejį, atsižvelgiant į eritrocitą kaip dvimačio skaičių ir į dvimatį kraujo srautą. Žinoma, toks mokslininkų judėjimas sukelia tam tikrą nepasitikėjimą, tačiau galų gale jie įgijo tikėtiną rezultatą, o tai reiškia, kad šis artėjimas pateisina save.

Įrašę atitinkamas lygtis ir tuomet juos sprendžiate, mokslininkai nustatė, kad pagrindinis raudonųjų kraujo kūnelių formos nustatymo parametras yra sumažinimo parametras ν, tai yra, eritrocito ploto santykis su apskritimo plotu, turinčiu tą patį perimetrą kaip raudonųjų kraujo kūnelių skaičius. Mokslininkai įrodė, kad žemiau tam tikros kritinės vertės νkr simetriška eritrocitų išvaizda veikiant išoriniam plazmos srautui praranda stabilumą ir virsta asimetriška, formos kaip šlepetė.

Štai keletas skaitinių modeliavimo detalių. Jei maksimalus kraujo srautas yra 800 μm / s (tipinis dydis mažoje venoje), laivo spindulys yra 10 kartų didesnis,nei būdingas eritrocitų dydis (maždaug 60-80 mikronų), plazmos klampumas prilygsta įprastinio vandens klampumui, taip pat manoma, kad membranos standumas yra žinomas ir lygus 10-19 J tuomet νkr bus 0,7. Todėl eritrocitai, kurių redukavimo parametras yra didesnis nei 0,7, kurie net nėra laivo ašyje, migruoja į "vamzdžio" vidurį ir išlaiko simetrišką parašiutų formą, atspari bet kokiam trikdymui. Tačiau kuomet sumažinimo parametras tampa mažesnis nei 0,7, eritrocito forma tampa nestabili, o ji yra šlepetės forma.

Tai matematinis kriterijus eritrocitams transformuoti nuo simetrinio tipo į asimetrinį. Fizinė priežastis, lemianti asimetrišką eritrocito formą, yra raudonųjų kraujo kūnų greičio atsilikimas nuo išorinio plazmos srauto. Tarkime, parašiutu eritrocitas juda laive su ν mažiau kritinė vertė. Remiantis skaičiavimais, prošvaisa laivuose padidėja greičio skirtumas tarp išorinio kraujo tėkmės ir faktinio raudonųjų kraujo kūnelių greičio. Didėjantis greičio skirtumas lemia membranos nestabilumą ir raudonųjų kraujo ląstelių efektyvumo sumažėjimą kraujagyslėje – raudonieji kraujo kūneliai pradeda "sulėtinti".Dėl kraujotakos sistemos vienintelis būdas greičio skirtumams kompensuoti yra eritrocitų membranos formos keitimas. Visais tais pačiais skaitiniais modeliais teigiama, kad geriausias būdas būtų, jei raudonieji kraujo kūneliai imtųsi asimetriškos formos – šlepetės formos. Dėl to greičio skirtumas mažėja, o šlepetės formos korpusas tampa dominuojančia eritrocito forma.

Žinoma, skirtingiems indams plotis yra kitoks, kaip ir kraujo tėkmės greitis juose, todėl autoriai išanalizavo visus įmanomus realius duomenis, sukūrę fazinę diagramą eritrocitams pereinant nuo simetrinio ir asimetrinio tipo (2 pav.) Tam tikram indo pločiui eritrocitų dydis buvo 10).

ν. Nuotrauka iš physics.aps.org "border = 0>Pav. 2 Rudos eritrocito forma yra simetrija (aukščiausia nuotrauka) Simetrinis greičio pasiskirstymas kraujo induose rodo simetrinį raudonųjų kraujo kūnelių judėjimo vaizdą (kairė figūra) Tačiau tai ne visada tiesa. Mokslininkai iš Maroko, JAV ir Prancūzijos parodė, kad plonuose induose raudonųjų kraujo kūnelių simetrija sumažina jų srauto efektyvumą.Perėjimas nuo eritrocitų parašiutinės formos į asimetrišką šlepetės formą nustatomas redukavimo parametruν. Apatinis dešinysis pateikta fazės perėjimo schema: parametro sumažinimasν / maksimalus plazmos srautas (matuojamas μm / s – mikrometrai per sekundę). Laivo skersmens ir erythrocyte būdingo dydžio santykis yra 10. Fizikos.aps.org paveikslėlis

Kaip matote, kiekvienai srauto greičio vertei yra kritinė reikšmė sumažinimo parametrui νkr (juoda skaldyta kreivė grafike). Įdomu tai, kad šio straipsnio autoriams citoskeletas (vidinė struktūra) neturi įtakos jų perėjimui iš parašiutų formos į šlepetes.

Savo tyrimuose mokslininkai atėjo į kitą svarbų rezultatą. Medicinoje žinoma, kad kai kurios ligos, pvz., Maliarija, praranda eritrocitų membranų elastingumą. Ar tai veikia raudonąsias kraujo kūnelių? Pasirodo, taip. Mokslininkai nustatė, kad dviejų ar daugiau kartų padidėjęs membranos standumas lemia žymius raudonųjų kraujo kūnelių formos pokyčius – jie yra "simetriškai" (3 pav.).

Pav. 3 Asimetriškos eritrocitinės formos evoliucija ("šlepetės") padidina jo membranos standumą atitinkamai 1,5, 2 ir 5 kartus. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Fiz. Rev. Lett.

Pasak autorių, šis rezultatas gali būti naudojamas diagnozuojant įvairias kraujotakos sistemos patologijas.

Šaltinis: Badr Kaoui, George Biros, Chaouqi Misbah. Kodėl raudonųjų kraujo kūnelių yra net simetrinis srautas? / / Fiz. Rev. Lett. 103, 188101 (2009).

Taip pat žiūrėkite:
Howard A. Stone, Alison M. Forsyth, Jiandi Wan. Slydimas per kraują // Fizika 2, 89 (2009).

Jurijus Yerinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: