一直以來科學家都不知道心臟是如何跳動,現在可能終於有答案了!

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一個心臟如何跳動的重大方向可能被理解出來。

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當提到像心跳一樣是必要且普遍的事物時,你會認為科學家在它的背後已經有相當多的科學理解。

但幾世紀以來,心臟如何運作背後的物理學困惑著研究人員。心臟的壓縮是有意義的,但沒有人能夠完全解釋心臟是如何填滿血液。現在,一項研究終於以物理學定律之一,來揭露答案。

來做一點複習,心臟大約是一個塊頭大的人的拳頭大小,它們由四個房室組成。上面兩個是心房,下面兩個是心室。

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缺氧的血液離開心臟的右心室並且流到肺,然後以含氧的血液,經由左心房返回心臟。

接著含氧的血液被壓出左心室,在再次進入心臟的右心房之前,提供氧氣給身體其餘的部分。

到目前為止複習還算順利。但儘管科學家非常熟悉這個過程,不清楚的是心跳是如何和為什麼發生。是什麼物理過程造成心室填滿血液?

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現在,由瑞典皇家理工學院(KTH Royal Institute of Technology)領導的研究人員使用名為心血管磁核共振影像(cardiovascular magnetic resonance imaging),在心臟跳動時追蹤房室的大小,然後指出水動力(hydraulic force)是這個過程發生的部分原因,和提供動力給汽車煞車和堆高機是同樣的現象。

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在我們身體其中一項最重要的過程中,它不只是吸引人的新洞察,這項發現也可能為心臟衰竭和心臟疾病的新治療選擇鋪路。

首席研究員Martin Ugander說:「雖然這似乎很簡單明瞭,但水動力對心臟填血模式的影響被忽略了。」

「我們的觀察是令人興奮的,因為它能夠導致對心臟衰竭的新類型治療,這類新治療涉及試圖縮小心房的大小。」

那麼我們怎麼過了這麼長的時間都沒有想出來呢?多年來,我們只了解謎團的一部分。

生物學家知道,在心肌細胞中一種名為肌聯蛋白(titin)的蛋白質,扮演像彈簧一樣釋放彈性能量(elastic energy),促使心室填滿血液。但是這個彈簧行動本身無法解釋科學家所看到的血液快速填充的量。

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DrJanaOfficial/Wikimedia

在最近的研究中,這個團隊反而轉向物理學。他們利用心血管磁核共振影像,來測量心臟舒張期間這兩個房室的大小;在健康的心臟,心臟舒張是心室填滿血液的階段。

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這使得他們接著做出物理模型,幾乎像是一個活塞的心臟房室,並且根據物理學定律,來解釋心室填滿血液是怎麼一回事。

他們發現在舒張期間,填滿左心室的驅動力峰值的10%到60%與心肌的鬆弛無關,它取決於水動力,水動力是液體施加在面積上的壓力。

水動力與提供動力給汽車煞車是一樣的,而且它的運作是由於巴斯卡原理(Pascal’s principle)

在心臟,它是由心臟彼此有關的房室大小所驅動。在整個舒張期間,上方的心房小於心室。因為這樣,所以這個團隊指出,當兩個房室之間的瓣膜打開時,血液湧入心室來平衡壓力。

你可以在下面的影片中看到這個動作,而且是以一個手邊的氣球來示範:

來自大學的一份聲明解釋:「心臟的幾何形狀於是決定了力道的強度。」

「幫助心臟房室填滿血液的水動力,是起源於心房小於心室的自然結果。」

每當提到心臟衰竭時,許多患者在這個舒張期或填血階段有問題。這個團隊解釋,它經常被看見與心房肥大結合在一起。

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由於這項新研究,現在很清楚,如果就心室的比例而言心房變得更大,那麼它會降低水動力,因而減弱了心臟填滿血液的能力。

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團隊的成員Elira Maksuti說:「對於心臟衰竭患者,很多的病灶是在心室功能。」

「我們認為,測量心房和心室來找出它們的相對大小,能夠是診斷和治療的一個重要部分。」

這只是一份論文,而且需要做更多的觀察,然後才能夠完全改變我們看待心臟功能和功能障礙的方式。但是,真的很高興知道,關於身體的一些最基本作用,仍然有難以理解的地方要解決。

這項研究已經發表在科學報告期刊(Scientific Reports)

「語音合成由賽微科技提供」

來源:ScienceAlert