Circulatory System

1. Circulatory System

2. Topics • Transport system • Mechanism ของ material transport ในสัตว์ • Blood • Vertebrate circulation • Human heart • Heartbeat • Electrocardiogram • Artery & Vein • Blood pressure • Regulation ของ Blood flow

3. Transport System • ระบบขนส่งสารไปอวัยวะต่างๆ • เพื่อรักษา Homeostasis หรือ internal balance • ions / solutes เข้มข้นเกินไป เลือดจะนำไปที่ kidney เพื่อกำจัดออก • tissue เป็นกรดเกินไป เลือดมี buffering agents เพื่อลดความเข้นข้นของ hydrogen ions • oxygen ต่ำ / carbon dioxide สูง เลือดส่งข้อมูลไปที่ nervous system เพื่อกระตุ้นให้หายใจลึก หรือ เร็ว

4. ใน นกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เลือดทำหน้าที่รักษาอุณหภูมิของร่างกาย • สัตว์ขนาดเล็กๆ มีเพียง cavity ที่บรรจุของเหลวล้อมรอบเนื้อเยื่อ • ของเหลวถูกกวนโดยการเคลื่อนที่ของสัตว์เอง ทำให้สารในของเหลวแพร่กระจายไปส่วนต่างๆ ของร่างกาย • สัตว์ขนาดใหญ่ มีโครงสร้างพิเศษและของเหลว supply tissue ด้วย ions, nutrient, และ gases

5. Vertebrate มี 1) muscular pump หรือ heart, 2) ท่อ arteries และ veins และ 3) microcircuit หรือ capillaries เชื่อมระหว่าง arteries กับ veins • capillaries เป็นที่แลกเปลี่ยน materialsให้ และ ออกจาก tissue

6. Mechanisms ของ Transport Materials ในสัตว์ • Diffusion • Circulatory System 1. Open circulatory System 2. Closed circulatory system

7. Diffusion • สารเคลื่อนที่จากความเข้มข้นสูง ไปหาความเข้มข้นต่ำ • กระบวนการช้ามาก ถ้าไม่มีการกวนสาร • ข้อจำกัดที่ body size และ shape • สารละลายจึงต้องอยู่ใกล้ cells หรือ cells บุผนังไม่หลายชั้น • Single-celled animal : oxygen เคลื่อนที่ในน้ำ 1 cm / 3 hr • Multicellular animal: ร่างกายมี รู ช่อง แบน หรือ ผนังบางcells บุผนังต้องหล่อด้วยน้ำ ซึ่งนำ gas, food, ions ให้เพียงพอกับ metabolism เช่น • Porifera, Flatworm, Cnidarians

8. Circulatory System • ระบบวงจร การเคลื่อนที่ของ fluid ปริมาณมากเช่น blood และ hemolymph • สัตว์ที่ร่างกายไม่มีรู และ ไม่แบน มีระบบหมุนเวียนที่แยกออกเฉพาะ มี 2 ระบบ 1. Open circulation 2. Closed circulation

9. 1. Open Circulatory System • Fluid คือ hemolymph ไหลใน ท่อหลัก (major vessels) ซึ่งอยู่ในส่วนต่างๆ ของร่างกาย • แล้วผ่านช่อง (slits) ของ vessels ออกสู่พื้นที่เปิด - open spaces ที่เรียกว่าSinusหรือ Hemocoel • ของเหลวใน sinus ติดกับ tissue หรือ organ โดยตรง • จากนั้น materials จะ diffuse เข้าแต่ละ cell • เช่น แมลง หอยบางชนิด และ invertebrate บางชนิด

11. Hemolymph • เป็น extracellular fluids ที่ส่วนประกอบเหมือน intracellular fluids ภายใน individual cell ซึ่งส่วนมากมี น้ำ, nutrients, ions, dissolved gases, และ • เข้า-ออก cells โดย diffusion

12. ในแมลง hemolymph move ไปด้านหน้าใน vessel แล้ว ปล่อยเข้า sinus ในส่วนหัว และเข้าสู่ ด้านหลัง ไปท่วม internal organs ของเหลวใน sinus ไหลกลับ vessel ทางรูของผนัง vessel วงจรก็สมบูรณ์

13. 2. Closed Circulatory System • Blood เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องใน ชุดของ vessels คือ Arteries, Capillaries และ Veins 1) Arteries เป็น vessel ค่อนข้างใหญ่นำเลือดสู่ tissue 2) Arteries ขนาดเล็กต่อเนื่องกับ Capillaries ซึ่งขนาดเล็กมาก ผนังบาง และแทรกอยู่ทั่ว tissue ในร่างกาย 3) Nutrient, dissolved gases, และ ions ในเลือด diffuse ผ่านผนังของ capillaries เข้า extracellular fluid ที่ล้อมรอบด้านนอกของ cells แล้วเข้าสู่ cells

14. 4) Metabolic waste (CO2, lactic acid, ions และ อื่นๆ) ออกจาก cells เข้า extracellular fluid และ diffuse เข้า capillaries 5) Capillaries ต่อกับ veins ขนาดเล็ก 6) Veins นำ blood จาก tissue ไป เข้าหัวใจ และ กลับเข้า arteries วงจรก็สมบูรณ์ • ระบบนี้พบใน earthworm, octopus และ vertebrates ทุกชนิด

17. Blood • fluid ส่วนที่ 3 เพิ่มจาก extracellular และ intracellular fluids • Blood จึงมี 2 phases คือ • ส่วนที่เป็นน้ำเรียกว่า Plasma มี organic molecules, ions, และ dissolved gases • ส่วนที่ solid component คือ Cells : RBC & WBC

18. ส่วนประกอบของเลือดของ mammal

19. Red blood cells หรือ Erythrocytes • มี 5 - 6 million cells / ml • มี hemoglobin นำ oxygen • Oxygen จะ diffuse เข้า capillaries แล้วเข้า extracellular fluid และเซลล์ • รูปร่าง Dish shape ด้านข้างหนา และบริเวณกลางบาง คล้ายโดนัท • ไม่มี nucleus , มี mitochondria และ organelles อื่นอีกเล็กน้อย

20. White blood cells หรือ Leukocytes • 7,500 cells / ml 1. Monocytes --> mature เป็น macrophages หน้าที่ phagocytosis 2. Granulocytes หน้าที่เกี่ยวกับอาการบวมและอาการแพ้ 3. Lymphocytes เป็น immune cells สร้าง antibodies และสารภูมิคุ้มกันอื่น

21. Platelets • Fragment ของ Megakaryocyte ซึ่งเป็น stem cell ชนิดหนึ่งใน bone marrow • หน้าที่เกี่ยวกับ blood clotting • หลั่ง Serotonin hormone กระตุ้น contraction ของ arterioles ปล่อย blood cells และ platelets • หลั่ง Thromboplastin enzyme กระตุ้น blood clotting • โดยเปลี่ยน Prothrombin --> Thrombin

22. Blood Clotting

23. Fluid Flow ใน Circulation • Circulation ทั้งหมดไหลไปทางเดียว เพราะมี contraction ของ muscle 4 แบบ 1. Muscle ที่ผนังของ vessel contract แบบ Peristaltic waveกวาดของเหลวไหลไปเป็นลูกคลื่นไล่กัน 2. Muscle พิเศษ คือ Heart ทำหน้าที่เป็น Pump • Vertebrate มี heart เดียว • Invertebrate มี หลาย heart เล็กๆ

24. Contraction ของ heart เป็น จังหวะ (rhythm) เมื่อรวมกับ peristaltic wave ของผนัง vessels ทำให้การผลักดันต้านกับปริมาณของของเหลวและเกิด pressure ที่เรียกว่า Blood pressure • Closed system: blood pressure ค่อนข้างสูง และเลือดไหลเร็ว, metabolism เร็วและสัตว์เคลื่อนที่เร็ว • Open system: blood pressure ต่ำ และ เลือดไหลช้า, metabolism ช้า, สัตว์เคลื่อนที่ช้า ยกเว้นแมลง เพราะได้ oxygen จำนวนมากผ่านทาง tracheae

25. 3. Muscle ของร่างกาย: contraction ทำให้กวนของเหลว(เลือด) และสนับสนุน circulation 4. Sphincters: muscle ขนาดเล็กควบคุมการปิด-เปิดของ vessels ตามความต้องการ โดยหดตัวลดเส้นผ่าศูนย์กลางของ vessels • นอกจากนี้ยัง มี ลิ้น (valve) ของ vessels ซึ่งจะปิดเมื่อเลือดเริ่มไหลย้อนทาง • ลิ้นของหัวใจ ช่วยทำให้เลือดออกจากหัวใจทาง arteries และกลับเข้าหัวใจทาง veins

26. Vertebrate Circulatory System

27. Function ของ Vertebrate Circulatory System ขึ้นกับ หัวใจ ซึ่งเป็น pump ผลักดันเลือด ผ่านเส้นเลือด (vessels) ทั่วร่างกาย

28. บทบาทของ Circular system

29. Vertebrate Heart

30. หัวใจของปลา • Four-chambered heart : เรียงตามลำดับ posterior ไป anterior คือ Sinus venosus, Atrium, Ventricle, และ Conus arteriosus • Single circulation : • Muscualr wall ของหัวใจของแต่ละห้องหดตัว จะไปทำให้ห้องที่อยู่ถัดไปขยายตัว ผลทำให้ pump เลือดในปริมาณที่มากกว่า ต่อการหดตัวหนึ่งครั้ง

31. Fish Heart

32. หัวใจของ Amphibian • Three-chambered heart: Lt. Atrium, Rt.Atrium, และ Ventricle, มี 2 circulations • เลือดแลกเปลี่ยน gas ที่ skin และ lung เข้า Lt. Atrium --> Ventricle • เลือดจากร่างกายที่ oxygen ต่ำเข้าที่ Rt. Atrium --> Ventricle • เลือดที่มี oxygen สูงถูกส่งออกไปเลี้ยงร่างกาย แต่มีเลือดที่มี oxygen ต่ำปะป่นอยู่ด้วย

33. Amphibian Heart

34. หัวใจของ Reptile • การแลกเปลี่ยน gas ขึ้นกับปอดอย่างเดียว • หัวใจมี 2 ห้อง มี 2 circulations • Ventricle แยกกันบางส่วนทำให้เลือดที่มี oxygen ต่ำถูกแยกอยู่ด้านขวา ไม่ผสมกับเลือดมี oxygen สูงซึ่งอยู่ด้านซ้าย

35. Reptile Heart

36. Amphioxus • Cephalochordate ญาติของ vertebrate • หัวใจเป็นส่วนเฉพาะของ anterior blood vessel อันเดียว • contraction ของ หัวใจเป็นคลื่นบีบนวดเลือดไปข้างหน้า คล้าย peristaltic wave ที่ขับเคลื่อนอาหาร หรือของเสียในทางเดินอาหาร

37. Mammalian (และAvain) Heart • หัวใจ Four-chambered heart, 2 circuits แบ่งตามแนวยาว เป็นครึ่งซ้ายและขวาอย่างชัดเจน และ Pressure ของ ด้านซ้ายและขวาแตกต่างกัน • ทั้ง 2 circuits เป็น closed circulatory systems ที่เริ่มต้น และจบที่หัวใจ • เลือดไหลจากหัวใจด้านขวา (Rt) ของหัวใจไป ปอด และไหลกลับจากปอดเข้าหัวใจด้านซ้าย (Lt) ครบเป็น 1 circuit • เลือดไหลจากหัวใจด้านซ้าย (Lt) ไปส่วนต่างๆของร่างกาย แล้วกลับเข้าหัวใจด้านขวา (Rt) เป็นอีก 1 circuit

38. Bird & Mammals Hearts

39. เปรียบเทียบ Heart และ Circulatory System in Vertebrates

40. Vertebrate Blood Vessels

41. Major Blood Vessels • Vertebrate มีวิวัฒนาการของเส้นเลือดออกจากหัวใจ • 3 arteries หลักคือ • Coronary artery ไปที่หัวและสมอง • Aorta ไปร่างกายส่วนมาก • Pulmonary artery เชื่อมต่อระหว่างหัวใจกับปอด • เลือดจากหัวใจ pump ออกมาที่ Ventral aorta ซึ่งเป็นเส้นเลือดที่ใหญ่ที่สุด จากนั้นแยกเป็น Aortic arches แล้วแต่วิวัฒนาการ

42. Aortic arches • Vertebrate ancestors คือ Fish มี gills: Aortic arches แยกออกเป็น 6 คู่ โดย 5 คู่ผ่าน gills แล้วแยกเป็น capillaries กลับเข้า Dorsal aorta • Land vertebrate ที่ไม่มี gill: arches เปลี่ยนรูปแบบ • arch 3 = carotid arch เปลี่ยนเป็น carotid artery • arch 4 = systemic arch เปลี่ยนเป็น aorta • arch 6 = pulmonary arch เปลี่ยนเป็น pulmonary artery • arch 1, 2, และ 5 ปรากฏเฉพาะใน embryo

43. Evolution of the Aortic Arches

44. Human Heart

45. Human Heart • เป็น Muscular pump, ขนาดเท่ากำปั้น, หมุนเวียนเลือดประมาณ 5 - 6 ลิตร อย่างต่อเนื่องตลอดอายุคน (~70 ปี) • เป็น 2 circulations (dual), แบ่งเป็น 2 ด้าน ซ้าย ขวา, 4 ห้อง • แต่ละด้านมี Atrium ผนังบางและ Ventricle ผนังหนา • Lt. & Rt. Atrium หน้าที่รับเลือดที่ไหล เข้า หัวใจจาก veins • เลือดจาก Lt. Atrium เข้า Lt. Ventricle และ • เลือดจาก Rt. Atrium เข้า Rt.Ventricle • Lt.& Rt. Ventricle หน้าที่ฉีดเลือด ออก จากหัวใจเข้า arteries

46. Human Heart

47. Human heart • ด้านซ้ายและขวาถูกกั้นด้วยผนังที่แบ่งหัวใจออกเป็น 2 pumps (dual circulation) ที่สูบฉีดเป็น 2 vascular circuits 1. Pulmonary circuit : circuit ไปและกลับจากปอด 2. Systemic circuit : circuit ไปและกลับจากร่างกาย

48. Dual Circulatory Function of Human Circulation

49. 1. Pulmonary Circuit • pump เลือด O2ต่ำ (deoxygenated) จาก Rt Ventricle เข้า Pulmonary artery ไป ปอดซึ่งทำหน้าที่เติม O2ให้เลือด (oxygenated) • เลือดมี O2สูงจากปอดไหลกลับเข้า Lt. Atrium ทาง Pulmonary vein แล้วส่งไปที่ Lt. Ventricle

50. Systemic Circuit • เลือดจาก Lt. Ventricle ซึ่งมี O2สูง ถูก pump เข้า Aorta :ซึ่งเป็นเส้นเลือดที่ใหญ่ที่สุด ไปเลี้ยงส่วนต่างๆ ของร่างกาย • เลือดที่มี O2ต่ำจากร่างกาย เข้าหัวใจที่ Rt. Atrium