生物體內的血管為什麼都是不規則彎曲的,平行均勻分布不好嗎?

時間 2021-05-10 07:07:56

1樓:

討巧地說,人是要運動的。如果血管是直的,那每伸伸胳膊踢踢腿,血管都抻一下,這哪受得了?

有人問了:那我要是不動,血管能長成直的嗎?

請看下圖:

你看這樹它又直又粗

2樓:西四逸先生

自問自答,寫一寫微血管和毛細血管的形態對於氧氣運輸的影響。

圖1. 毛細血管網——氧氣運輸的主要場所

簡單來說,富含氧氣的血液從心臟幫浦出後沿著主動脈到各級動脈(Artery),然後再進入小動脈(Arteriole),接著進入更狹窄的毛細血管(Capillaries,連紅細胞都得擠著過去如圖2),最後又匯集到小靜脈(Venule)和靜脈(Vein)流回心臟。由血液向組織運輸氧氣的過程主要發生在小動脈和毛細血管網。在這個區域,血管和組織之間的接觸面積與體積之比大,因此非常方便氧氣和廢料的交換。

圖2. 紅細胞排隊擠過毛細血管

然而,當我們對某一區域的毛細血管網路進行成像時就會發現,它們有很多的分叉和彎曲,而且它們之間的連線也是具有隨機性的(圖3)。那麼,為什麼它們不像紐約曼哈頓的交通網(圖4)一樣排列有序呢?

圖3. 毛細血管網模型

圖4. 紐約曼哈頓交通圖區域性

20年前,Goldman和Popel利用當時有限的計算資源,研究了肌肉組織中毛細血管的彼此連線與彎曲對氧氣運輸的影響,並且把結果發表在了《理論生物學》(Journal of Theoretical Biology)雜誌上。我們今天就藉著這篇文章解釋一下這個問題。

圖5. 肌肉纖維與毛細血管網示意圖 (Goldman and Popel, 2000)

以今天的角度看,他們的文章很簡單,就是先畫了一些圓柱形的均勻分布的肌肉纖維,然後在纖維周圍再均勻的畫上一些毛細血管,圖5是其中一種情況的示意圖。圖6是另外四種情況的簡圖,比如,標號SA1和SA2的引數完全相同,只是毛細血管分布的位置不同。SA3就比前兩種情況多了一些平行血管間的連線,我們之後對此簡稱「連線」,而TA3則是為平行的血管增加了彎曲度。

實話實說,這些肌肉毛細血管網的形狀和實際情況是有差別的,但也已經足以通過控制變數法說明連線和彎曲度對氧氣運輸的影響了。

圖6. 不同分布、分叉和彎曲度的毛細血管網 (Goldman and Popel, 2000)

接著在相同邊界條件的前提下,他們對不同的毛細血管網進行了血流和傳氧的模擬,其中四種情況的氧氣分壓(PO2)模擬結果如圖7所示。就像等高線地圖,其中的紅色面代表30mmHg的PO2,綠色面代表23mmHg的PO2,藍色面代表12mmHg的PO2。對於氧氣分壓大家一定不陌生,因為新冠症狀之一就是血液中的氧氣分壓過低,導致對人體器官(特別是大腦)的供氧不足。

如果不想定量的使用它,可以簡單的把它當作氧氣濃度。在圖7中,氧氣分壓指的是組織中的,而不是血液中的,一般的我們希望它越平均越好,平均值越高越好,這樣就證明毛細血管網路對於輸送氧氣更有效。

圖7. 不同毛細血管網的模擬結果 (Goldman and Popel, 2000)

在這四張圖中,我們著重對比一下SU3和R3,還有SU3和TA3。先看SU3和R3,其中SU3是不連線不彎曲均勻分布,而R3是不考慮肌肉纖維的位置,在其他引數相同的情況下完全隨機分布。從中不難發現,均勻分布的SU3擁有更平均的PO2分布。

而如果對這個區域計算平均值,SU3的平均PO2為20mmHg,而R3為19mmHg,SU3的也更高。接著我們對比一下SU3和TA3,剛才說了SU3是不連線不彎曲,而TA3是又連線又彎曲。我們很清楚能看出TA3擁有更平均的PO2分布,因為SU3中那些筆直又平行的大錐形實在太可怕了。

如果計算平均PO2,TA3是21mmHg,也高於SU3的20mmHg。當然,本文作者也模擬了只彎曲不連線,和只連線不彎曲兩種情況。這兩種情況的結果介於SU3和TA3之間,其中彎曲對提高組織平均PO2幫助比較大,而血管間彼此的連線對於氧氣的均勻運輸幫助比較大,這些結果是符合常識的。

Goldman, D., & Popel, A. S.

(2000). A computational study of the effect of capillary network anastomoses and tortuosity on oxygen transport. Journal of Theoretical Biology, 206(2), 181–194.

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