Sumarul proiectului

1. Argument2. Descrierea proiectului3. Motivaţie4. Scop5. Obiective6. Grup ţintă7. Rezultatele proiectului8. Competenţe specifice ale secolului XXI9. Resurse materiale10. Resurse umane11. Considerente teoretice12. Biologie13. Chimie14. Fizică15. Concluzii16. Bibliografie

1. Argument

Preţuieşte viaţa construind o inimă este proiectul nostru prin care, integrând cunoştinţele noastre de biologie, chimie, fizică şi informatică, am construit modelul – real şi virtual – al unuia dintre cele mai complexe sisteme anatomice: sistemul cardiovascular.

Modelul creat – atât cel fizic (prototipul), cât şi aplicaţia software de simulare – reprezintă un suport în procesul de învăţare al elevilor pasionaţi de acest subiect. Cu atât mai valoroasă considerăm că este ideea de a construi acest model, deoarece pe parcursul elaborării proiectului am întâmpinat o multitudine de probleme, tehnice şi ştiinţifice. Pentru soluţionarea acestora, am fost puşi în situaţia de a studia funcţionarea sistemului cardiovascular, atât din punct de vedere structural şi fiziologic, cât şi din punctul de vedere al proceselor fizico-chimice implicate. Pentru rezolvarea acestor probleme practice, ne-am documentat, am căutat soluţii, am analizat soluţiile, am ales soluţiile cele mai eficiente pentru modelul nostru.

Pe scurt, realizarea proiectului nostru reprezintă cu adevărat „hands-on-science”, problem-solving, teamworking, creativitate, inovaţie – competenţe fundamentale pentru secolul XXI. Sperăm ca demersul nostru creativ să constituie un model de bună-practică, o idee utilă pentru abordarea practică, integrată a ştiinţelor. Suntem convinşi că noi vom aborda în acest mod şi alte tematici şi sperăm că alţi colegi de-ai noştri vor relua ideea şi o vor perfecţiona.

2. Descrierea proiectului

Preţuieşte viaţa construind o inimă este un demers interdisciplinar, prin care am construit un model al sistemului cardiovascular uman. Fiind construit din dorinţa şi nevoia de a îmbunătăţi activitatea noastră de învăţare, proiectul nostru integrează cunoştinţe de fizică, chimie şi biologie.

Produsul rezultat al proiectului nostru este un prototip, o machetă a sistemului cardiovascular uman realizat cu obiecte casnice, uzuale. Mai mult decât atât, am realizat şi un model virtual, o aplicaţie software care simulează funcţionarea sistemului cardiovascular. Am însoţit aceste două produse de o documentaţie în care am prezentat sistematic fundamentele teoretice care ne-au permis realizarea proiectului (din biologie, fizică şi chimie), precum şi de o prezentare PowerPoint în care ilustrăm pas cu pas realizarea proiectului nostru.

3. Motivaţie

În calitate de elevi, conştientizând nevoile noastre de învăţare şi din dorinţa de a veni în ajutorul colegilor noştri, am realizat un prototip al inimii umane, ce poate fi cu uşurinţă utilizat ca material didactic la orele de curs, nu numai la biologie ci şi la alte materii precum fizica sau chimia. Aplicând practic cunoştinţele teoretice învăţate la şcoală am înţeles mai profund, într-o manieră aplicativă, conţinutul teoretic şi considerăm

că metoda abordată este funcţională, operaţională şi asigură o învăţare eficientă şi de durată.

4. Scop

Proiectul nostru Preţuieşte viaţa construind o inimă a fost iniţiat şi derulat cu scopul de a valorifica, implementa şi chiar promova ideea ce stǎ la baza realizǎrii practice a celor douǎ prototipuri şi a aplicaţiei software de simulare şi ilustreazǎ sistemul cardiovascular, unul dintre sistemele vitale ale organismului nostru.

Demersul nostru creativ se bazeazǎ în mod special pe îmbinarea cunoştinţelor de fizicǎ, chimie, biologie şi informaticǎ. Astfel atât prototipul fizic, cât şi modelul virtual propun colegilor noştri un mod de abordare şi de lucru creativ, inovativ, ce surprinde studiul interdisciplinar şi valorile promovate în secolul XXI.

De asemenea prin modalitatea de abordare şi punere în practicǎ oferitǎ dorim sǎ încurajǎm studiul aplicativ (ce oferǎ colegilor noştri posibilitatea cunoaşterii fenomenelor în dinamica lor şi realizǎrii de sinteze generalizatoare), lucrul in echipǎ şi abordarea interdisciplinarǎ a temelor de actualitate mondialǎ.

5. Obiective

Obiectivele proiectului nostru sunt:

O1– crearea unui model vizual tridimensional al sistemului cardiovascular uman, ca suport de învăţare pentru elevi;

O2 – crearea unei aplicaţii software care să simuleze modul de funcţionare a sistemului cardiovascular uman;

O3 – crearea unei prezentări pas-cu-pas a unui model de bună practică în abordarea interdisciplinară, practice-aplicativă a studiului ştiinţelor în şcoala;

O4 – crearea unui suport teoretic complex, care să integreze interdisiplinar cunoştinţele necesare pentru abordarea temei;

O5 – crearea unui site care să integreze rezultatele proiectului;

O6 – dezvoltarea aptitudinilor de lucru în echipă;

O7 – dezvoltarea abilităţilor de a rezolva probleme practice, integrând creativ elemente teoretice din diferite domenii;

O8 – încurajarea elevilor către studiul aplicativ al matematicii, ştiinţelor şi tehnologiilor informaţionale.

6. Grup ţintă

Proiectul se adresează în special elevilor din învăţământul preuniversitar, dar şi profesorilor care doresc să abordeze studiul ştiinţelor într-un mod interdisciplinar, practic, aplicativ şi inovativ.

7. Rezultatele proiectului

Produsele rezultate ale proiectului nostru sunt:

macheta-prototip care ilustrează structura şi funcţionarea sistemului cardiovascular uman;

aplicaţia software de simulare a funcţionării sistemului cardiovascular uman; prezentarea PowerPoint care ilustrează pas-cu-pas modul de realizare a machetei-

prototip; documentaţie care cuprinde cunoştinţele teoretice (biologie, fizică, chimie)

necesare realizării proiectului aplicaţie web care integrează ultimele 3 elemente ale proiectului.

8. Competenţe necesare secolului XXI

The Partnership for 21st Century Skills este o organizaţie public-privată înfiinţată în 2002, care are ca scop crearea unui model de învăţare care să formeze competenţele necesare secolului 21. În raportul "Learning for the 21st Century" sunt sintetizate competenţele cheie care trebuie formate pentru a asigura succesul în plan profesional, social, personal al elevilor.

Putem afirma cu siguranţă că elaborând proiectul "Preţuieşte viaţa construind o inimă" am reuşit să dezvoltăm fiecare dintre aceste competenţe:

Responsabilitate şi capacitate de adaptare – Exersarea responsabilităţii personale şi a flexibilităţii în contexte legate de propria persoana, loc de munca şi comunitate; stabilirea şi atingerea unor standarde şi ţeluri ridicate pentru sine şi pentru ceilalţi; tolerarea ambiguităţii.

Competenţe de comunicare – Înţelegerea şi realizarea unei comunicări eficiente verbale, scrise şi multimedia, într-o varietate de forme şi contexte.

Creativitate şi curiozitate intelectuală – Dezvoltarea, implementarea şi comunicarea ideilor noi altor persoane; deschidere şi receptivitate la nou, perspective variate.

Gândire critică şi gândire sistemică – Exersarea gândirii în ce priveşte înţelegerea şi realizarea unor alegeri complexe; înţelegerea conexiunilor dintre sisteme.

Informaţii şi abilităţi media – Analizarea, accesarea, administrarea, integrarea, evaluarea şi crearea de informaţii în diverse forme şi medii.

Capacităţi de colaborare şi interpersonale – Demonstrarea capacităţilor de lucru în echipă şi de conducere; adaptarea la diverse roluri şi responsabilităţi; colaborarea productivă cu ceilalţi; conduita empatică; respectarea altor puncte de vedere.

Identificarea, formularea şi soluţionarea problemelor – capacitatea de a depista, formula, analiza şi rezolva probleme.

Auto-formare – Monitorizarea propriilor nevoi de înţelegere şi învăţare; localizarea resurselor corespunzătoare; transferul cunoştinţelor dintr-un domeniu în altul.

Responsabilitate socială – Acţionarea în mod responsabil, ţinând cont de interesele comunităţii; demonstrarea unui comportament etic în contexte legate de propria persoană, loc de muncă şi comunitate.

9. Resurse materiale

Un mare avantaj al proiectului sunt costurile de realizare a prototipului relativ reduse, acesta fiind construit din materiale casnice, uzuale. Astfel eventuala achiziţionare a mulajului nu este condiţionată de aspectul financiar.

Pompa de gradină 100 leiBorcane 10 LeiFurtun 30 LeiBureţi 3 LeiAccesorii 5 LeiFoarfecǎ 4 LeiLipici 3 Lei

Circuit basculant 90 LeiTotal 245 Lei

10. Resurse umane

Proiectul a fost realizat de către elevi ai Colegiului Naţional „Emil Racoviţă” Iaşi, sub îndrumarea atentă a unui număr de 8 profesori:

Elevi implicaţi în proiect

Coordonatori

1. Adam Cristina2. Apostol Anca3. Gheorghiu Andrei4. Irimovici Alexandru5. Moraru Codrina6. Nechifor Ştefan7. Verdeş Andrei8. Zamfirescu Iuliu9. Tudose Andreea10. Lupu Veronica11. Pricop Despina12. Chiriac Alexandra13. Ichim Bianca

1. Talpalaru Seryl2. Timohe Tumac Gheorghe3. Miron Cristinel4. Caradan Lorela5. Ilaş Petronela6. Cerchez Emanuela7. Turbatu Doru8. Nicolae Liliana

11. Considerente teoretice

Cele două machete realizate au la bază aspecte teoretice din mai multe materii (matematică, fizică, biologie, chimie, informatică). Îmbinarea acestora şi realizarea de

conexiuni interdisciplinare a dus la realizarea a două modele ce pot oricând fi utilizate ca materiale didactice.

12. BIOLOGIE

Sistemul circulator este format din:

sistemul cardiovascular, alcătuit din inimă (forţa motrice) şi vase de sânge (artere - conducte de distribuţie a sângelui; vene - rezervoare de sânge; capilare - la nivelul lor se realizează schimburile de substanţe şi gaze).

sistemul limfatic alcătuit din vase limfatice, ganglioni limfatici şi organe limfoide.

Inima, partea principalǎ a sistemului cardiovascular, este situatǎ în partea medianǎ a cavitǎţii toracice, între plǎmâni. Este un organ musculos, cu o greutate medie de 260 gr şi dimensiuni cuprinse între 12-14 cm în lungime şi 9 cm în lǎţime. Prin intermediul apexului, ea se sprijinǎ pe muşchiul diafragm, fiind totodatǎ îndreptatǎ uşor spre stânga.

Pompa cardiacǎ este formatǎ din 3 straturi concentrice de la exterior spre interior:

epicardul (asigurǎ legǎtura miocardului cu muşchiul diafragm, sternul şi vasele mari)

miocardul (constituit din celule musculare cardiace care îi conferǎ capacitatea de a se contracta, proces numit bǎtǎi cardiace)

endocardul (membranǎ finǎ, albǎ, ce tapeteazǎ interiorul cavitǎţii cardiace)

Fibrele de ţesut conjunctiv care se aflǎ în interiorul miocardului formeazǎ fascicule ce se întrepǎtrund întǎrind astfel peretele intern. De asemenea arterele coronare ce aduc substanţe nutritive şi oxigenul necesar funcţionǎrii asigurǎ irigarea corespunzǎtoare a stratului central.

Inima este formatǎ din douǎ cavitǎţi superioare numite atrii (de dimensiuni relative reduse) şi douǎ cavitǎţi inferioare, ventricule. Atriile sunt separate prin intermediul septului interatrial şi pot sǎ-şi mǎreascǎ volumul în partea superioarǎ, fapt ce permite vǎrsarea unor vase de sânge în ele, de exemplu venele pulmonare în atriul stâng şi venele cave în atriul drept.

Ventriculele, cavitǎţi în formǎ de con, au baza orientatǎ în sus, fiind separate prin intermediul septului interventricular. Sângele cu dioxid de carbon ajunge la plǎmâni prin intermediul arterei pulmonare ce pleacă din ventriculului drept, în timp ce ventriculul stâng trimite sângele spre aortǎ, pornind astfel circulaţia sistemicǎ. Datoritǎ valvelor ce se aflǎ la intrarea fiecǎrui ventricul, sângele circulǎ în sens unic prin cele 4 cavitǎţi ale inimii.

Variaţiile presiunii sanguine influenţeazǎ deschiderea şi închiderea valvelor ale cǎror straturi sunt foarte sensibile la acest stimul. În peretele atriului drept se gǎseşte nodulul sinoatrial ce conferǎ frecvenţa de impulsuri cea mai rapidǎ (de cca 70 de ori pe minut). În repaus (diastolă) este favorizatǎ umplerea cu sânge a inimii, în timp ce propulsarea lui, în marea şi mica circulaţie, se realizeazǎ în timpul sistolelor, asigurându-se astfel buna funcţionare a inimii, aceasta fiind unicul organ muscular ce se contractǎ ritmic, fǎrǎ întrerupere toatǎ viaţa. Pentru realizarea acestui lucru la nivelul organismului nostru existǎ un centru specializat, nodulul sinusal din atriul drept, de unde este transmis

stimulul cardiac la nodulul atrioventricular ce este localizat în septul inter-atrial apoi la fascilulul Hiss şi reteaua Purkinje din miocardul ventricular.

Activitatea cardiacăGenerarea de poteţiale de acţiune stǎ la baza desfǎşurǎrii activitǎţii electrice a

inimii. Pe baza unor observaţii clinice fǎcute pe bolnavi cu maladii cardiace şi a unor experimente realizate pe celule miocardice cercetǎtorii au arǎtat faptul cǎ potenţialele de acţiune pot fi produse de multiple zone ale inimii. Ţesutul nodal ce funcţioneazǎ asemeni unor generatoare cardiace de impulsuri (cunoscute şi sub numele de pacemaker-uri) este alcǎtuit din celule miocardice modificate şi reprezintǎ un sistem autonom de comandă a inimii, responsabil de automatismul cardiac.

Potenţialele de acţiune generate de nodulul sinoatrial se răspândesc în ambele atrii de-a lungul celulelor miocardice. În acest fel vitezele lor de conducere variază în celulele miocardice de la 0,3 m/s-1 m/s şi în fibrele Purkinje până la 4m/s. Depolarizarea aproape instantanee a întregului miocard şi creşterea eficienţei contracţiei inimii sunt asigurate întocmai de această viteză mare de conducere. Prin urmare contracţia ventriculară se declanşează după cea atrială la un interval de timp de doar 0,1 - 0,2 secunde.

Miocardul atrial şi cel ventricular se comportă ca şi cum ar fi constituite dintr-o singură celulă, neputându-se menţine astfel starea de contracţie. Răspunsul inimii la acţiunea stimulilor apare doar dupa un timp de contracţie în care celulele miocardice au perioade refractare lungi, frecvenţa descărcărilor variind astfel:

70 - 80 potenţiale/minut la nivelul nodulului sino-atrial; 40 potenţiale/minut la nivelul nodului atrio-ventricular;

Ciclul cardiac reprezintă succesiunea contracţiilor (sistole) şi a relaxărilor (diastole) inimii pe o durată de 0.8 secunde. Când atriile şi ventriculele sunt relaxate, sângele venos umple atriile, fapt ce determină atât creşterea presiunii interatriale, cât şi deschiderea valvelor atrioventriculare. Sângele trece astfel din atrii în ventricule. Înainte de contracţia atriilor, ventriculele se umplu cu sânge în proporţie de 80%, restul de 20% evacuându-se în timpul sistolei atriale. În timpul sistolei ventriculare, ventriculele propulsează circa 75% din volumul sangvin, fapt ce permite reumplerea lor la următorul ciclu cardiac. La o frecvenţă cardiacă de 75 de bătăi pe minut, fiecare ciclu durează 0,8 secunde:

diastola ventriculară - 0,5 secunde; sistola ventriculară - 0,3 secunde; sistola atrială - 0,1 secunde (eficienţă redusă); diastola atrială - 0,7 secunde;

Diastola generală are o durată de 0,4 secunde şi are loc de la sfârşitul sistolei ventriculare şi până la începutul celei atriale. Astfel în timpul întregului ciclu cardiac sunt măsurate mai multe valori:

debitul sistolic (volumul de sânge expulzat într-o sistolă) , aprox. 75 mL; debitul cardiac (volumul de sânge trimis în corp într-un minut) şi reprezintă

debitul sistolic x frecvenţă cardiacă (75 x 75= 5,5 L/min); travaliul cardiac (lucrul mecanic al inimii în sistolă) = volum sistolic x

presiunea arterială medie (75 mL x 100 mm Hg);

Sângele circulă de la inimă prin artere către toate organele corpului, de unde se întoarce înapoi la inimă prin vene.

Circulaţia pulmonară (mica circulaţie) este realizată de vasele sangvine care transportă sângele cu CO2 (bioxid de carbon) de la ventriculul drept la plămâni, unde are loc schimbul de gaze şi sângele cu O2 (oxigen) de la plamân până la atriul stâng. Sunt implicate trunchiul pulmonar, arterele pulmonare, care transportă sânge neoxigenat la plămâni, capilarele pulmonare din fiecare plămân şi venele pulmonare ce transportă sângele oxigenat la inimă.

VD artera pulmonarǎ/sânge+CO2 plǎmâni 4 vene pulmonare/sânge+O2 AS

Circulaţia sistemică (marea circulaţie) include aorta cu toate ramurile ei, toate capilarele (în afara celor pulmonare) şi toate venele (în afara celor pulmonare). Sângele oxigenat pleacă din ventriculul stâng în corp, iar sângele venos încărcat cu CO2 se întoarce la inimă în atriul drept.

VS artera aortǎ/sânge+O2 organe 2 vene cave/sânge+CO2 AD

13. CHIMIE

Sângele este un lichid pompat continuu de inimă către toate părţile corpului (după care se întoarce la inimă şi procesul este reluat) şi are rolul de a transporta oxigenul şi nutrimentele către celulele corpului şi de a aduna CO2 şi alţi produşi de excreţie. Sângele conţine celule specializate care se găsesc într-un matrix lichid numit plasmă. Aceasta dă fluiditate sângelui. Prin circulaţie sângele îşi menţine constantă compoziţia. În plămâni sângele cedează dioxidul de carbon şi primeşte oxigen. La nivelul rinichilor se elimină din sânge excesul de apă şi produşii de excreţie. Substranţele nutritive ajung în sânge după ce sunt absorbite la nivelul intestinului subţire. Glandele exocrine elimină hormonii în sânge şi multe alte substanţe care circulă la nivelul acestuia, de exemplu fierul rezultat în urma distrugerii hematiilor îmbătrânite este apoi transportat în plasmă către zonele de formare a globulelor roşii tinere, unde este reutilizat.

Sângele uman este opac şi fluid, mai dens şi mai vâscos decât apa. Culoarea caracteristică este dată de prezenţa hemoglobinei în celulele roşii; hemoglobina este o proteină specială ce conţine fier. Când este saturată cu O2 hemoglobina are o culoare mai deschisă (oxihemoglobina), iar când nu conţine oxigen culoarea este mai închisǎ. De aceea sângele arterial este mai deschis la culoare decât cel venos. Globulele roşii constituie aprox 45% din volumul sângelui în timp ce celelalte elemente figurate (trombocite, globule albe) mai puţin de 1%.

Volumul de sânge diferă în funcţie de sex, greutate şi conformaţie. În medie un adult are aproximativ 60 mL sânge/kg. Sângele unui tânăr are aprox 35 mL plasma/kg şi un volum de 30 mL globule roşii.

Plasma conţine 90% H2O, iar 7% din compoziţia ei o reprezintǎ proteinele. Principala proteinǎ din sânge este albumina sericǎ care are rolul de a reţine apa prin osmozǎ şi are proprietatea fizicǎ de a se separa de alte proteine din plasmǎ cum ar fi imunoglobulinele sau anticorpii.

Mai există:

lipoproteine, Fe2+¿¿ şi Cu2+¿ ¿ pot fi transportate în plasmǎ tot legate de proteine, vitamina B12, lipide – majoritatea trigliceride (lipidele ar trebui sǎ reprezinte mai puţin de 1 g/100 ml), glucoza, aminoacizi, creatinina, hormon – de exemplu aldosteronul;

substanţe anorganice deosebit de importante: ioni de Na+¿¿ ce determină volumul de lichid extracelular prin presiunea osmotică,K+¿ ¿- se gǎseşte în proporţii mai mici decât Na+¿¿; Ca2+¿ ¿- parţial ionizat şi parţial legat de proteine, concentraţia Ca2+¿ ¿ în organism este controlatǎ de 2 hormoni: cel paratiroidian ce creşte nivelul de Ca2+¿ ¿- şi calcitonina care scade nivelul; Mg2+¿¿- se gǎseşte ca şi K+¿ ¿ dizolvat în plasmă în proporţii mici. Variaţii ale acestor cationi interni pot avea efecte majore asupra sistemului nervos, muscular, asupra inimii. Ionii Fe2+¿¿,Zn2+¿¿, Cu2+¿ ¿ se gǎsesc în cantitǎţi foarte mici, dar au rol important în sintetizarea unor enzime esenţiale.

principalul anion este cel de Cl−¿¿; HCO3

−¿ ¿ participă în transportul CO2 şi reglează pH-ul; fosfaţii au de asemenea efect de reglare a pH-ului sangvin, intervin în reacţii chimice la nivelul celulelor şi metabolizează Ca2+¿ ¿.

Celulele sângelui:Globule roşii/eritrocite sau hematii; trombocite şi globule albe.

Măduva roşie hematogenă produce toate globulele roşii şi trombocitele şi aprox 60-70% din globulele albe, restul de 20-30% fiind produse de cǎtre ţesutul limfatic din timus, splină şi ganglioni limfatici.

Hematiile sunt celule specializate cu funcţia de a transporta oxigenul de la plămâni la toate celulele corpului. Au formă biconcavă şi un diametru de 7-8 microni. La microscop ele apar sub forma unor discuri de culoare roşu-pal, sunt între 4-6 milioane pe milimetru cub de sânge. Hematiile sunt acoperite de o membrană fină compusă din lipide complexe, proteine şi carbohidraţi. Membrana este permeabilă pentru oxigen, dioxid de carbon, H2O, glucoză, uree şi impermeabilă pentru hemoglobină. Cationul principal regăsit în hematii este K spre deosebire de cel principal regǎsit în plasmă - Na. Concentraţia acestor ioni este menţinută constantă de către pompa de Na-K.

Hemoglobina:95% din greutatea unei hematii o reprezintă hemoglobina, o proteină vitală în

transportul oxigenului. Hemoglobina a fost prima proteină oligomeră a cărei structură terţiară şi cuaternară au fost cunoscute în întregime prin analiza cu raze X. Această realizare obtinută de M.F. Perutz şi colaboratorii sǎi în Anglia a fost rezultatul unui studiu amănunţit, timp de 25 de ani. Hemoglobina conţine douǎ lanţuri α (141 resturi de aminoacizi) şi două lanţuri β (146 resturi de aminoacizi), fiecare din acestea având ataşat printr-o legatură necovalentă câte un radical de hem. Molecula a fost studiată în forma ei oxigenată, care are o structură sferoidă compactă. În hemoglobină, între cele douǎ lanţuri α, ca şi între cele două lanţuri β existǎ foarte puţine contacte, în schimb, numeroase grupări R fac legǎtura între perechile de lanţuri care nu sunt asemenea. Un interes deosebit îl prezintǎ aşezarea pe fiecare subunitate a câte uneia dintre cele patru grupe hem care leagă cele patru molecule de oxigen.

Atomul de Fe2+¿¿ este cel care leagǎ oxigenul de Hb pentru a putea fi transportat de la plămâni la ţesuturi (deci 1 mol de Hb transportǎ 4 moli de Fe2+¿¿ ). Datoritǎ capacitǎţii hemoglobinei de a lega oxigenul, sângele total poate absorbi cam 21 ml oxigen gazos la 100 ml, în timp ce plasma sangvină poate absorbi numai 0.3 ml oxigen. Afinitatea pentru oxigen este atât de mare întrucât la nivelul plămânilor, unde presiunea parţială de oxigen este mare (aproximativ 100 mm Hg) şi pH-ul este de asemenea relativ mare, hemoglobina tinde sǎ devinǎ saturatǎ la maximum cu oxigen, aproximativ 96%. Totuşi afinitatea pentru CO2 este chiar mai mare decât cea pentru O2. Monoxidul de carbon se leagă ireversibil de Hb împiedicând transportul de O2 şi producând moartea acesteia.

Celule corpului, în special celulele nervoase au nevoie de un aport constant de O2. Un barbat foloseşte aprox 250 ml de O2 pe minut. Un gram de hemoglobină se poate lega de 1.35 ml O2. Existǎ 2 factori care regleazǎ aportul de O2: pH-ul şi nivelul de 2,3 difosfogliceratului în hematii. pH-ul sângelui variazǎ între 7.2 şi 7.8 (uşor alcalin) şi influenţează mǎsura în care Hb se poate lega de O2: cu cât este mai mare pH-ul unei soluţii de hemoglobinǎ la o anumitǎ presiune parţialǎ de oxigen, cu atât este mai mare procentul de saturare cu oxigen. Acest efect reversibil are loc deoarece atunci când hemoglobina este oxigenatǎ ia naştere câte un proton liber pentru fiecare atom de oxigen consumat, conform ecuatiei:

HHb+¿+O 2❑⇔HbO2+H+¿¿ ¿

Unde HHb+¿ ¿ este o subunitate protonată a moleculei de deoxihemoglobina. Deoarece această reacţie este reversibilă, creşterea concentraţiei ionilor de hidrogen va produce deplasarea echilibrului spre stânga, către o saturare scăzuta, în timp ce scăderea concentraţiei ionilor de hidrogen va produce deplasarea echilibrului spre dreapta, adică în sensul creşterii saturǎrii. Acest efect al pH-ului asupra echilibrului se numeşte efectul Bohr.

Afinitatea O2 pentru Hb este reglată şi de 2,3 DPG – o moleculǎ produsǎ când hematiile metabolizeazǎ glucoza, adicǎ reduce aportul de O2. CO2 se gǎseste în concentraţii relativ mari, este mult mai solubil decat O2 şi are tendinţa de a micşora pH-ul fǎcându-l acid.

Rolul sângelui:Menţine constantă compoziţia mediului intern adaptând corpul la condiţiile

schimbătoare – variaţii climatice şi ale presiunii atmosferice; capacitatea de a face efort fizic; toleranţa unei schimbări de dietă şi aport de apă; rezistenţă la lovituri fizice, infecţii. Sângele are o structurǎ foarte complex, iar datorită mecanismelor reglatoare organismul detecteazǎ schimbǎrile de temperaturǎ, în pH, în oxigen şi eliberează hormoni (mediatori chimici) care să le regleze.

14. FIZICĂ

1. Inima ca pompăInima este o pompă duală al cărei rol este de a circula sângele prin cele două

circuite închise: pulmonar şi sistematic. Cele două pompe, reprezentate de inima stângă şi de inima dreaptă, funcţionează sincron. Pentru ca sângele să aibă prin inimă un sens

unic de mişcare, aceasta este prevăzută cu patru valve (supape) care închid sau deschid orificiile de comunicare dintre cavităţi sau dintre cavităţi şi vene sau artere, în funcţie de diferenţa presiunilor pe feţele lor opuse. Cele patru valve se pot deschide doar într-un singur sens.

Inima dreaptăCând ventriculul drept se dilată, presiunea în interiorul său scade, ea variind invers

proporţional cu volumul. Această scădere a presiunii în ventricul duce la deschiderea valvei tricuspide dintre ventricul şi auricul, lăsând sângele venos să pătrundă în ventricul. În tot acest timp valva pulmonară rămâne închisă, ea neputându-se deschide spre auricul. După umplerea ventriculului cu sânge, acesta se contractă. Contracţia ventriculului duce la creşterea presiunii, ceea ce face ca valva tricuspidă să se închidă şi să se deschidă valva pulmonară. Astfel sângele venos este pompat prin artera pulmonară înspre plămâni.

Inima stângăCând ventriculul stâng se dilată, presiunea în interiorul său scade. Această scădere

a presiunii în ventricul duce la deschiderea valvei mitrale dintre ventricul şi auricul, lăsând sângele arterial să pătrundă în ventricul. În tot acest timp valva aortică rămâne închisă, ea neputându-se deschide spre auricul. După umplerea ventriculului cu sânge, acesta se contractă. Contracţia ventriculului duce la creşterea presiunii,ceea ce face ca valva mitrală să se închidă şi să se deschidă valva aortică. Astfel sângele arterial este pompat prin artera aortă înspre celelalte artere, arteriole şi capilare, unde se cedează oxigenul şi se preia dioxidul de carbon.

Ciclul motor al inimii se mai numeşte şi revoluţie cardiacă sau bătaie şi are două faze:

contracţia ventriculară, numită sistolă destinderea ventriculară, numită diastolă

În medie, o revoluţie cardiacă durează 0,8 s din care 0,3 s sistola, iar 0,5 s diastola. De aici rezultă că, în mod normal, inima funcţionează cu o frecvenţă de 75 de bătăi pe minut.

În timpul unei revoluţii cardiace se aud două sunete distincte, binecunoscutul tic-tac cardiac. Primul corespunde sistolei, iar al doilea se datorează închiderii valvelor arteriale.

Sistola are şi ea două faze:

faza izometrică (izocoră) volumul rămâne constant presiunea sângelui creşte până la deschiderea valvelor arteriale

faza izotonică (izobară) presiunea rămâne constantă volumul scade, iar sângele este ejectat în artere

La diastolă lucrurile stau altfel, astfel că reprezentarea grafică idealizată a presiunii ventriculare în funcţie de volumul ventricular, în timpul unei revoluţii cardiace, arată ca în figura 1.

P

V

Cele patru procese care formează ciclul sunt:

umplerea ventriculelor cu sânge în timpul diastolei (procesul izobar inferior) contracţia ventriculelor în timpul sistolei (procesul izocor la volum mare) expulzarea sângelui în timpul sistolei (procesul izobar superior) relaxarea ventriculelor din timpul diastolei (procesul izocor la volum mic)

Aria haşurată a ciclului din Fig. 1 are şi semnificaţia produsului coordonatelor, deci reprezintă lucrul mecanic efectuat de inimă în timpul unui ciclu mecanic, adică al unei revoluţii cardiace. Expresia sa matematică este:

L=∆ p ∙∆V .

Variaţia medie a presiunii sistolice pentru o persoană sănătoasă în repaus fiind ∆ p

= 120 mmHg, iar variaţia medie a volumului ventricular ∆V= 115

L, atunci valoarea medie

a lucrului mecanic efectuat de inimă în timpul unei revoluţii cardiace este:

L=120 ∙ 101325760

Pa ∙ 115

∙10−3m3=1,1J .

Puterea consumată de inimă în timpul unui ciclu este

P1=L∆ t

=1,10,8

W=1,4W

Puterea consumată de inimă pentru a imprima energie cinetica sângelui pompat în artere este

P2=ρ υ2

2∙ ΔVΔt

= ρυ2

2∙QV .

Debitul volumic al sângelui pompat în artere are valoarea

QV=∆V∆ t

=8,3 ∙10−5m3/s.

Pentru calcularea presiunii dinamice a sângelui arterial este necesară calcularea vitezei medie a sângelui la ieşirea din inimă. Secţiunea totală a arterei pulmonare şi a

V

Figura 1

celei aorte este S=4,3c m2 (deoarece raza aortei este de 0,9 cm şi a arterei pulmonare de 0,75 cm) şi deci

υ=QV

S=0,2m /s.

Prin urmare, ştiind că densitatea sângelui la temperatura corpului este ρ=1059,5 kg/m3, presiunea dinamică a sângelui este

ρυ2

2=21,2Pa.

Introducând aceste valori rezultă

P2=1,8 ∙10−3W .

Observăm că, în condiţii normale, puterea consumată de inimă pentru a imprima energie cinetică sângelui arterial este neglijabilă faţă de puterea consumată de inimă pentru a pompa sângele înspre artere. Aceste puteri devin comparabile numai în condiţii de efort sau în cazul unei emoţiilor puternice.

Pentru determinarea randamentului inimii se măsoară energia metabolică totală utilizată de inimă, măsurând consumului de oxigen de către aceasta. Ceea ce interesează în discuţia de faţă este că pentru o persoană de 70 kg, puterea metabolică consumată de inimă este

Pc=5,5W ,

iar din aceasta 3W se transformă în căldură în fiecare secundă. Prin urmare, puterea utilă este

Pu=2,5W .

Din această putere doarPu1=P1+P2≈ P1=1,4W

este utilizată pentru pomparea sângelui. În aceste condiţii, randamentul inimii este

η=Pu1

Pc=25,5%.

Restul de putere utilăPu2=Pu−Pu1=1,1W

este folosită pentru menţinerea tensiunii în muşchiul cardiac.

În final, trebuie precizat aici că presiunea intraventriculară este dependentă nu numai de valoarea tensiunii muşchiului cardiac, ci şi de forma şi mărimea inimii. În cazul hipertensiunii arteriale va creşte atât puterea consumată de inimă pentru pomparea sângelui în artere, cât şi puterea utilizată pentru a tensiona muşchiul cardiac. Creşterea acestei ultime puteri duce în timp la creşterea în volum a inimii, dar şi la scăderea randamentului acesteia. Înseamnă că fibrele musculare ale cordului cresc în lungime (hipertrofie) şi se înmulţesc (hiperplazie).

2. Elemente de hemodinamicăHemodinamica se ocupă cu studiul circulaţiei sangvine şi cu măsurarea mărimilor

de interes în evaluarea sistemului circulator: volumul, debitul şi presiunea sangvină.

Volumul sangvinVolumul sangvin se măsoară prin introducerea în sistemul circulator a unei cantităţi

cunoscute m0 (mg) de indocianină verde. Acesta este un indicator netoxic care se elimină rapid din organism. După ce este lăsat să circule câteva minute prin sistem, pentru omogenizare, se extrage un eşantion de sânge şi se măsoară concentraţia c (mg/l) a acestuia. Din aceste două valori rezultă volumul de sânge din organism, exprimat în litri

V s=m0c

Volumul mediu de sânge găsit prin această metodă la o persoană adultă este V s=5,5L.

Debitul sangvinVolumul de sânge pompat de inimă într-un minut este egal cu volumul de bătaie

înmulţit cu numărul mediu de bătăi pe minut. Aşadar:V=V 0 ∙ N

dar V 0=115

L (=70 mL)

deci V= 115

L ∙75=5 L

adică, într-un minut, practic tot sângele din organism tot sângele din organism trece prin inimă. Această concluzie ilustrează eficacitatea injectării medicamentelor, în sensul rapidităţii cu care-şi fac efectul prin administrare intravenoasă.

Debitul sangvin fiind egal tocmai cu volumul de sânge pompat de inimă într-un minut, înseamnă că

QV=V1min

=5 L/min

Presiunea sangvinăPresiunea sangvină sau tensiunea sangvină este presiunea sângelui în vasul prin

care curge. Dacă vasul o arteră, presiunea se numeşte arterială, iar dacă vasul este o venă – presiune venoasă.

Măsurarea presiunii sangvine se poate face

direct la vasul de sânge indirect, prin crearea din exterior a unei presiuni pe vasul de sânge

Măsurarea directă a presiunii sangvine Măsurarea directă a presiunii sangvine se face prin introducerea în artera sau vena

vizată a unui ac hipodermic, a unei canule sau a unui cateter. Canula este un mic tub din

sticlă sau plastic, iar cateterul este un tub lung din cauciuc, polietilenă sau teflon, rotunjit la capătul care intră în vasul de sânge, pentru a putea înainta cu uşurinţă şi care are un orificiu, pe suprafaţa sa laterală, la aproximativ 1 cm de capăt.

Toate aceste măsurători directe se efectuează de obicei în secţiile de terapie intensivă cu pacientul în poziţie orizontală pentru ca valorile presiunii să nu fie influenţate de câmpului gravitaţional.

Măsurarea indirectă a presiunii sangvineÎn mod uzual, presiunea sangvină se măsoară indirect, cu ajutorul unui aparat

simplu numit sfigmomanometru. Această metodă este foarte simplă, iar aplicarea ei implică un disconfort minim al pacientului. Sfigmomanometrul constă dintr-o manşetă din cauciuc care se poate umfla cu aer cu ajutorul unei pompe de mână (o pară din cauciuc legata de manşetă printr-un furtun, de asemenea tot din cauciuc). Un alt furtun conectează manşeta la un manometru. Para este prevăzută cu o supapă reglabilă pentru modificarea debitului de aer la dezumflarea manşetei. Aceasta din urmă se fixează pe braţ, deasupra cotului, pentru a fi la nivelul inimii. Sub manşetă, la plica cotului se aşează membrana unui stetoscop. Se umflă manşeta până când artera branhială este blocată complet. În acel moment în stetoscop nu se aude nimic deoarece prin arteră nu mai circulă sânge. Folosind supapa de evacuare a aerului din manşetă se micşorează presiunea din aceasta. În momentul când presiunea din manşetă devine egală cu presiunea sistolică artera brahială se deblochează, iar sângele începe să curgă prin arteră. Curgerea sângelui fiind turbulentă, în stetoscop încep să se audă nişte zgomote numite sunete Korotkoff. Acestea se datorează spargerii turbioanelor mari în turbioane mici. În momentul auzirii primului sunet în stetoscop se citeşte valoarea presiunii sistolice pe manometru. Micşorând în continuare presiunea în manşetă, sunetele Korotkoff se aud în continuare în ritmul batailor inimii. Când manşeta nu mai constrânge artera brahială, curgerea turbulentă încetează, transformându-se în curgere laminară. În acel moment sunetele Korotkoff nu se mai aud, zgomotul auzit în stetoscop fiind unul continuu datorat curgerii laminare, iar presiunea corespunzătoare stingerii sunetelor Korotkoff este tocmai presiunea diastolică.

Deoarece sesizarea sunetelor Korotkoff depinde de sensibilitatea urechii celui care le ascultă, precizia acestei metode este de 1 mmHg.

Valorile tipice ale presiunii citite pe manometru pentru o persoană sănătoasă sunt 120/80 mmHg (se citeşte “120 cu 80” sau “12 cu 8”) deci valorile corecte pentru tensiune sunt p=16/10,6kPa.

Circuitul basculantCircuitul basculant bistabil simetric este un circuit de comutaţie caracterizat prin

existenţa a două stări stabile, tranziţia de la o stare la alta, adică bascularea circuitului, fiind comandată prin semnale exterioare.

Circuitul basculant bistabil simetric este transformat într-un circuit basculant monostabil prin eliminarea uneia dintre stările stabile. În acest caz cuplajul dintre tranzistoare s-a făcut doar prin condensatorul C, baza lui T2 polarizându-se prin rezistorul R, direct de la sursa de tensiune, pentru regimul de saturaţie.

Unica stare stabilă a circuitului corespunde tranzistorului T1 saturat. Pentru bascularea circuitului este necesar ca în baza tranzistorului T1 să se aplice un impuls pozitiv care să depăşească tensiunea care menţine blocat acest tranzistor.

Impulsurile de ieşire pot fi culese din cele două colectoare dar cele culese de pe colectorul lui T2 au fronturi mai abrupte.

Deoarece durata basculării este controlată prin elementele pasive R şi C circuitul este folosit pentru generarea de impulsuri cu amplitudine şi durată precisă.

15. Concluzii

Pe parcursul derulării proiectului "Preţuieşte viaţa construind o inimă" am reuşit să atingem obiectivele pe care ni le-am propus, realizând toate produsele proiectate. Complexitatea abordării, datorată atât caracterului pregnant interdisciplinar, cât şi perspectivei duale (model real – model virtual) a fost o provocare la care am răspuns cu succes. Am fost confruntaţi permanent cu probleme noi, în contexte noi, ne-am documentat, am analizat si am găsit cele mai eficiente soluţii. Am învăţat să lucrăm în echipă, să colaborăm şi să comunicăm pentru a ne atinge scopul. Am monitorizat permanent propriul progres în învăţare şi în dezvoltarea proiectului. Sperăm ca demersul nostru să fie util nu doar nouă, ci şi colegilor noştri, atât prin produsele oferite, cât mai ales prin metodologia de abordare. Pe scurt: am creat! Pentru noi şi pentru toţi cei pasionaţi de matematică, ştiinţe, tehnologii. Suntem cu un pas mai pregătiţi pentru secolul XXI!

16. Bibliografie

Enciclopedia Britannica, www.britannica.com Sebastian Popescu – Complemente de mecanică fizica şi acustică –

Biomecanică, Editura Tehnopres – Iaşi, 2005 Anatolie Hristev - Manual pentru clasa a-XI-a Seryl Talpalaru, C. Corega, D. Haralamb – Manual pentru clasa a X-a Ioana Arinis – Biologie manual pentru clasa a-XI-a Dr. Viorica Stănescu, Dr. D. Andronescu, Ion Mihailescu – Anatomia şi

fiziologia omului Irina Luciana Dumitriu, Smaranda Goţia, Bogdan Gurzu – Esenţial în

fiziologie The Partnership for 21st Century Skills – Learning for the 21st Century

(http://www.p21.org) Dickerson, R.E., Geis, I., The structure and action of proteins, Benjamin,

Menlo Park, California. Haschemeyer, R.H., Hschemeyer, A.V.E., A guide to study by physical and

chemical methods, Wiley, New York Tanford, C., The hydrophobic effect, Wiley-Interscience, New York Wilson, H.R., Diffraction of X-rays by proteins, nucleic acids and viruses, St.

Martin’s New York Hewitt, J-A., Kilmartin, J.V., Teneyck, L.F., Perutz, M.F., Noncooperativity of

αβ dimer in the reaction of hemoglobin with oxygen, Proc.Natl.Acad.Sci(U.S) 69:203-207

Dickerson, R.E., Studies of protein mechanisms, Ann.Rev.Biochem.41:815-842

Conf. dr. ing. Nicolai Reus, Dispozitive şi circuite electronice, Institutul Politehnic Iaşi, Facultatea de Electrotehnică, Uz intern, 1978