血液循环与心脏

引入

一个成年人约有 37 万亿个细胞，每个细胞都需要持续的氧气和营养供应，同时排出 $\mathrm{CO}{}_2$ 和代谢废物。如果只靠物质跨膜运输中的简单扩散，氧分子从肺泡扩散到脚趾可能需要几个小时——远不够维持生命。

问题在于尺度。扩散在微米级别极其高效（细胞内的物质传递就靠它），但在厘米甚至米的尺度上完全失效。多细胞生物一旦超过几毫米厚，就必须解决”远距离运输”问题。

循环系统就是解决方案。它用一台自动泵（心脏）驱动液体（血液）在封闭管道（血管）中不停流动，将每个细胞与外界的交换距离缩短到一根毛细血管的壁厚——不到 1 微米。

这套系统同时承担运输（$\mathrm{O}{}_2$、$\mathrm{CO}{}_2$、营养、激素、代谢废物）、防御（白细胞、抗体）、调节（体温、渗透压、pH）三大职能，是维持稳态的核心基础设施。

正文

定义

血液循环是指血液在心脏的驱动下，沿血管系统周而复始流动的过程。分为体循环（左心→全身→右心）和肺循环（右心→肺→左心）两条回路。

心脏结构

心脏是一个中空的肌性器官，分为四个腔室：

• 右心房：接收全身静脉回流的缺氧血
• 右心室：将缺氧血泵入肺动脉→肺循环
• 左心房：接收肺静脉回流的含氧血
• 左心室：将含氧血泵入主动脉→体循环

左心室壁最厚（约 1-1.5 cm），因为它需要产生足够的压力将血液泵送到全身。

心脏内有四组瓣膜防止血液倒流：

瓣膜	位置	功能
三尖瓣	右心房与右心室之间	防止右心室收缩时血液反流至右心房
二尖瓣（僧帽瓣）	左心房与左心室之间	防止左心室收缩时血液反流至左心房
肺动脉瓣	右心室出口	防止肺动脉血液反流至右心室
主动脉瓣	左心室出口	防止主动脉血液反流至左心室

心脏有自己的传导系统：窦房结（起搏点）→ 房室结 → 希氏束 → 浦肯野纤维。窦房结自发产生电信号，不依赖神经调节（但受其调节），这保证了心脏即使离体也能自主跳动。

心动周期

一个完整的心动周期约 0.8 秒（心率 75 次/分），分为：

• 收缩期（约 0.3 秒）：心室肌收缩 → 室内压升高 → 房室瓣关闭（第一心音）→ 动脉瓣开放 → 射血
• 舒张期（约 0.5 秒）：心室肌舒张 → 室内压下降 → 动脉瓣关闭（第二心音）→ 房室瓣开放 → 充盈

舒张期长于收缩期，这保证了心肌有足够的休息和冠状动脉供血时间。

体循环与肺循环

体循环（大循环）：左心室 → 主动脉 → 各级动脉 → 毛细血管（物质交换） → 各级静脉 → 上/下腔静脉 → 右心房

肺循环（小循环）：右心室 → 肺动脉 → 肺毛细血管（气体交换） → 肺静脉 → 左心房

两条循环串联，血液必须经过肺循环完成气体更新后才能进入体循环。

血管类型

类型	结构特点	功能
动脉	壁厚、弹性纤维多、管腔较小	将血液从心脏运出，缓冲脉压
静脉	壁薄、管腔大、有静脉瓣	将血液送回心脏，容纳约 70% 血量
毛细血管	仅一层内皮细胞、极细（约 8 μm）	物质交换的场所

毛细血管的总面积极大（约 500-700 m²），壁极薄，血流极慢——这些特征都是为了最大化物质跨膜运输的效率。

血压与血流调节

血压是血液对血管壁的压力。正常成人安静时约 120/80 mmHg（收缩压/舒张压）。

血压的短期调节靠神经调节（压力感受器反射），长期调节靠肾脏与排泄（体液量控制）。血压 = 心输出量 × 外周阻力，任何一个变量的改变都会影响血压。

血液组成

血液由血浆（约 55%）和血细胞（约 45%）组成：

成分	数量/含量	主要功能
红细胞	约 5×10¹²/L	运输 $\mathrm{O}{}_2$ 和 $\mathrm{CO}{}_2$（靠血红蛋白）
白细胞	约 5-10×10⁹/L	免疫防御（详见免疫系统概览）
血小板	约 150-400×10⁹/L	凝血和止血
血浆蛋白	约 60-80 g/L	维持渗透压（白蛋白）、凝血因子、抗体

红细胞与运氧

红细胞没有细胞核，几乎就是一个装满血红蛋白（Hb）的袋子。每个红细胞约含 2.8 亿个 Hb 分子，每个 Hb 可结合 4 个 $\mathrm{O}{}_2$。

血红蛋白与 $\mathrm{O}{}_2$ 的结合是可逆的：在肺部（高 $\mathrm{O}{}_2$ 分压）结合，在组织（低 $\mathrm{O}{}_2$ 分压）释放。这一特性详见呼吸系统与气体交换中的氧解离曲线。

凝血机制简述

血管损伤时，凝血过程分三步：

1. 血小板黏附聚集：形成初步的白色血栓（血小板栓）
2. 凝血级联反应：组织因子和胶原暴露激活凝血因子 → 凝血酶原 → 凝血酶
3. 纤维蛋白形成：凝血酶将纤维蛋白原转化为纤维蛋白丝 → 加固血栓

这是一个正反馈放大过程，一旦启动就快速完成。

引出

• 动脉粥样硬化如何改变血流动力学并导致心梗？
• 胎儿的循环路径与出生后有何不同？为什么需要卵圆孔和动脉导管？
• 运动时心输出量可增加 5 倍，哪些调节机制参与了这一过程？
• 贫血时血液携氧能力下降，机体通过哪些代偿机制维持氧供？
• 血型不匹配的输血为什么会导致致命的凝集反应？