Dal profondo dei nostri cuori: una dimostrazione pratica del battito cardiaco nei mammiferi Teach article

Tradotto da Elena Mancini. Servendovi semplicemente di un cuore di maiale, un coltello e un getto d’acqua potrete scoprire insieme ai vostri studenti come il cuore attivi la circolazione sanguigna.

Figura 1: Il cuore e le arterie
coronariche di Leonardo da
Vinci. Le illustrazioni e le
note del da Vinci
testimoniano tanto la sua
incredibile capacità di
osservazione, quanto
l’incapacità di conciliare le
sue osservazioni con le
nozioni del tempo sul
funzionamento del cuore. La
scoperta della circolazione
sanguigna sarebbe avvenuta
soltanto 100 anni più tardi.
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Immagine di pubblico
dominio; fonte dell’immagine:
Wikimedia Commons

Leonardo da Vinci fu uno dei primi a studiare il cuore e a descriverne il funzionamento. I suoi disegni raffiguranti il cuore e le sue valvole sono capolavori dell’illustrazione anatomica (figura 1); Leonardo fece straordinarie osservazioni su come il sangue scorre attraverso i vasi sanguigni e le camere cardiache e attiva le valvole arteriose.

Tuttavia, da Vinci non riuscì mai a capire completamente come il cuore pompasse il sangue perché era ignaro della sua circolazione nel corpo. Poteva vedere le arterie e le vene, ma non i capillari che le collegavano.

Uno schema classico del
cuore e delle sue parti con
pochissimi dettagli riguardo
il loro funzionamento.
A: Ventricolo destro;
B: ventricolo sinistro;
C: valvola tricuspide
(atrioventricolare);
D: valvola mitrale
(atrioventricolare);
E: valvola aortica (arteriosa);
F: valvola polmonare
(arteriosa); G: aorta; H: arteria
polmonare; I: vena
polmonare; J: vena superiore
cava; K: vena inferiore cava;
L: atrio destro; M: atrio
sinistro. Cliccare sull’
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Immagine gentilmente
concessa da Edmond Hui

Inoltre, da Vinci era limitato dall’opinione del suo tempo, secondo la quale il cuore spingeva il sangue per trasportare il calore dal fegato ai muscoli, mentre i polmoni erano preposti all’atto di raffreddare il sangue stesso. Secondo da Vinci, il cuore pompava il sangue in vasi sanguigni che si ramificavano in vasi sempre più piccoli, privi di sbocco. Ma da dove proveniva il sangue che fluiva attraverso il cuore? Non conoscendo la risposta, da Vinci non riusciva a spiegarsi le ingenti quantità di sangue che il cuore era palesemente in grado di pompare, visto che, apparentemente, questo non aveva poi nessuno sbocco.

Oggi la circolazione sanguigna non è più un mistero, eppure in pochissimi hanno visto dal vivo come il cuore di un mammifero pompi il sangue. Il cuore è un organo misterioso, nascosto all’interno del corpo, la cui esposizione genera di solito la morte dell’animale. Perfino nelle operazioni a cuore aperto, le valvole e il flusso del sangue sono protetti dagli spessi tessuti del cuore. I moderni sistemi d’immagine diagnostica sono in grado di mostrare il cuore in azione con un’altissima risoluzione, ma le immagini prodotte sono difficili da interpretare per un non esperto e impossibili da riprodurre in classe. Il funzionamento biomeccanico del cuore è così poco conosciuto che nella cultura popolare è considerato soprattutto come il luogo in cui, metaforicamente, risiedono le emozioni.

A scuola, durante una lezione di biologia si illustra il doppio sistema circolatorio e si forniscono i nomi delle diverse parti del cuore, ma non si spiega nel dettaglio come il sangue venga spinto né perché il cuore possieda una certa struttura. Provando a cercare su Internet dimostrazioni del funzionamento del cuore abbiamo trovato centinaia di diagrammi e materiale didattico di vario tipo. Ma non abbiamo rinvenuto nulla che mostri chiaramente come il cuore di un mammifero pompi il sangue.

Scopriamo il cuore di un mammifero

La nostra intenzione era capire come il cuore di un mammifero pompi il sangue, partendo dall’ipotesi che saremmo riusciti a farlo strizzandolo manualmente, simulando l’azione di una comune pompa di plastica.

Ci siamo procurati un cuore di maiale in buone condizioni, e abbiamo provato a comprimerlo manualmente sotto l’acqua corrente. Lo abbiamo fatto anche tentando di far fluire l’acqua dal rubinetto attraverso gli atri; ma il fatto che questi fossero flaccidi e avessero molteplici aperture ha complicato la prova. Nessun tentativo sembrava funzionare: l’acqua non veniva espulsa né dall’aorta né dall’arteria polmonare.

Alla luce degli esiti negativi, abbiamo riesaminato il cuore e rivisto la nostra idea iniziale sulle sue funzioni, iniziando quindi a sezionarlo. Per prima cosa abbiamo rimosso completamente entrambi gli atri, simili a dei sacchetti bucati e pertanto flosci. Il resto, ovvero il fondo del cuore, consiste in un paio di ventricoli aperti tra cui emergono l’aorta e l’arteria polmonare. Il sistema è molto semplice da un punto di vista strutturale e meccanico, essendo composto in pratica solo da un paio di pompe. A prima vista, le valvole atrioventricolari non erano evidenti, attaccate come tendine in prossimità delle pareti dei ventricoli.

Particolare del cuore e dei
vasi sanguigni di Leonardo
da Vinci.

Immagine di pubblico dominio;
fonte dell’immagine: Wikimedia
Common

Per capire i collegamenti tra ventricoli e arterie abbiamo fatto scorrere l’acqua dal rubinetto in uno dei ventricoli. Con nostra sorpresa, la valvola atrioventricolare si è chiusa immediatamente verso l’interno, in direzione del flusso dell’acqua (figura 4). Come descritto dal da Vinci per le valvole arteriose, le valvole atrioventricolari non sono state attivate né dalla pressione né dalla contrazione, ma dal movimento del liquido. Abbiamo scoperto che comprimendo manualmente il cuore mentre l’acqua fluiva attraverso i ventricoli, si poteva chiudere completamente la valvola atrioventricolare e provocare un impressionante getto d’acqua attraverso l’arteria.

Abbiamo capito che nel nostro tentativo iniziale, gli atri bloccavano il flusso d’acqua verso i ventricoli. A questo punto però abbiamo generato un flusso d’acqua continuo e siamo stati in grado di riprodurre manualmente l’azione di pompaggio del cuore. Abbiamo potuto osservare non solo come la contrazione dei ventricoli muova il liquido, ma anche l’esatta funzione delle valvole, esperienza vissuta di rado da chiunque non sia un chirurgo cardiovascolare.

Inizialmente avevamo immaginato che le valvole atrioventricolari avessero robusti lembi di tessuto (cuspidi), flessibili o elastici, che rispondevano a forme di pressione diverse. Quanto ci sbagliavamo! Le cuspidi, in realtà, sono fibrose e flaccide, simili a paracaduti attaccati alle pareti dei ventricoli, che si aprono quando il flusso del liquido li gonfia, e che non possono ribaltarsi grazie a delle ‘funi cardiache’ (corde tendinee) che funzionano proprio come le corde del paracadute.

Quando il sangue si sposta dal ventricolo nell’arteria, un’altra valvola (valvola aortica) impedisce al sangue sotto pressione di refluire nel ventricolo. Accorciando l’aorta e l’arteria polmonare in prossimità dei ventricoli, siamo riusciti a osservare l’apertura e la chiusura anche di queste valvole.

Figura 2: Trovare le arterie.
L’arteria polmonare e l’aorta
possono essere manualmente
isolate dai tessuti circostanti
senza difficoltà e saranno
pronte per essere tagliate.
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concessa da Edmond Hui

Siamo rimasti molto colpiti: esplorare gli organi di un suino, sezionarne il cuore e fare tante scoperte inaspettate, senza un aiuto esterno, è stata davvero un’avventura. Con grande sorpresa, ci siamo accorti di non aver compreso pienamente come utilizzare le risorse disponibili e quello che sembrava un oggetto di studio complicato e misterioso, in realtà si è rivelato facilmente accessibile a ragazzi in età scolare.

Mostrare un cuore che batte in classe

Siamo convinti che mostrare il meccanismo di pompaggio del cuore sia un’idea nuova, e al tempo stesso facile da ripetere a scuola, in qualsiasi laboratorio di scienze. Al termine di quest’attività, grazie all’osservazione diretta del movimento e del funzionamento delle quattro valvole cardiache, gli studenti dovrebbero aver capito l’anatomia funzionale del cuore, e afferrato l’importanza del flusso sanguigno per il movimento delle valvole.

La dimostrazione del meccanismo di pompaggio dura solo pochi minuti. Una dimostrazione completa che preveda la partecipazione attiva degli studenti e la discussione su come il cuore sia collegato agli altri organi e al sistema circolatorio, invece, significa impiegare produttivamente due ore di lezione.

L’unità didattica in oggetto è adatta a tutti gli studenti della scuola secondaria (età 11+).

Materiali

Figura 3: Gli atri sono stati
rimossi e le pareti degli atri
sono state accorciate all’
altezza dei ventricoli. Le due
aperture sono l’accesso ai
ventricoli. Il cuore deve
essere orientato
correttamente durante la
dimostrazione, con
l’indice della mano destra
pronto a comprimere il
ventricolo destro. Cliccare
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concessa da Edmond Hui

Per ogni gruppo avrete bisogno di:

  • Il cuore di un maiale o di una pecora.

    In Inghilterra, un cuore ancora collegato al fegato e ai polmoni è indicato come “espianto completo” e si può trovare in qualunque macelleria ben fornita o richiedere nel mattatoio di zona.

    In alternativa, possono essere utilizzati cuori confezionati acquistabili al supermercato. In questo caso, procuratevene qualcuno di scorta perché spesso vengono venduti senza l’arteria. Anche l’aorta e l’arteria polmonare potrebbero essere state tagliate troppo, ma se i ventricoli non sono stati danneggiati, la dimostrazione funzionerà.

  • Un coltello affilato o un bisturi
  • Acqua corrente.

Procedura

Preparare un espianto completo

  1. Rimuovere il pericardio e separare il cuore dai polmoni tagliando l’arteria polmonare e le vene il più lontano possibile dal cuore (figura 2). La vena cava e l’aorta saranno state tagliate in precedenza, durante la rimozione degli altri organi dal corpo dell’animale.
  2. Localizzare le pareti chiare ed elastiche dell’aorta e l’arteria polmonare; la scura vena cava e la vena polmonare, gli atri. Rimuovere gli atri accorciandone le pareti all’altezza dei ventricoli (figura 3). Fare attenzione a non danneggiare l’aorta e l’arteria polmonare, che fuoriescono dal centro del cuore. Il cuore è ora pronto per l’uso.

Preparare un cuore acquistato al supermercato

  1. Rimuovere ogni residuo dell’atrio fino alle pareti del ventricolo.
Figura 4A: Nel momento in
cui il flusso dell’acqua entra
nel ventricolo destro, la
valvola tricuspide si chiude
verso l’interno e lo stesso
fluisce poi verso il ventricolo
destro. La valvola tricuspide
è chiusa verso l’interno, in
direzione opposta rispetto al
flusso in entrata. La mano
sinistra sostiene l’aorta.
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concessa da Edmond Hui

Esecuzione dell’esercitazione

Localizzare i ventricoli destro e sinistro; la dimostrazione riesce meglio utilizzando il ventricolo destro, perché dotato di pareti più sottili. Aprire il rubinetto facendo scorrere l’acqua in modo continuo e regolare. Tenere in mano il cuore in modo che il flusso d’acqua passi attraverso il centro dell’apertura del ventricolo destro. La valvola tricuspide si dovrebbe chiudere verso l’interno e venire in contatto con il flusso d’acqua in entrata (figura 4).

Figura 4B: Una volta che il flusso dell’acqua è stato fermato, si può vedere la valvola tricuspide. Notare che la valvola mitrale nel ventricolo sinistro rimane aperta perché l’acqua è stata fatta scorrere solo attraverso il ventricolo destro. Una più completa dimostrazione richiederebbe un flusso di acqua continuo attraverso il cuore.
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Se a questo punto comprimete il cuore, la valvola dovrebbe chiudersi completamente e l’acqua dovrebbe fuoriuscire dall’arteria polmonare (figura 5). Comprimere il cuore ritmicamente per riprodurre il battito cardiacow1. Se avete tagliato l’arteria e la vena polmonare abbastanza vicino al cuore, dovreste essere in grado di vedere le valvole arteriose (figura 6).

Figura 5: Quando il ventricolo destro viene compresso dalla mano destra, un flusso di acqua viene espulso attraverso l’arteria polmonare. Si può vedere il flusso schizzare sopra le nocche della mano destra in direzione della macchina fotografica.
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Figura 6: Tagliando l’aorta e
l’arteria polmonare
abbastanza vicino al cuore,
dovreste essere in grado di
vedere le valvole arteriose.
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concessa da Edmond Hui

Ulteriori esperimenti

  1. Collegare dei tubi chirurgici all’uscita dei vasi sanguigni e misurare la pressione raggiunta dall’acqua al momento della compressione del cuore.
  2. Mettete alla prova i vostri studenti chiedendo loro di dimostrare, che il cuore è formato da una coppia di pompe indipendenti attraverso la rimozione di uno dei ventricoli. Utilizzando un altro cuore, ripetere l’esercizio rimuovendo l’altro ventricolo. I ventricoli, così isolati, dovrebbero funzionare se compressi manualmente.
  3. Negli animali ancora vivi, i due ventricoli si contraggono contemporaneamente, spingendo il sangue prima in uno e poi nell’altro. Nel tempo dunque, nonostante l’evidente differenza morfologica, la quantità di sangue che passa attraverso ciascun ventricolo a ogni battito cardiaco, sarà la stessa. Come si raggiunge questa forma di equilibrio? Partendo dalla loro osservazione su come il ventricolo destro, dotato di pareti più sottili, sia più facile da comprimere manualmente rispetto al ventricolo sinistro, gli studenti dovrebbero considerare le conseguenze della rianimazione cardio-polmonare, che consiste nel praticare su un cuore in situquanto descritto in questa sede.
  4. Questa esercitazione è possibile solo dopo che gli atri sono stati rimossi. Chiedete ai vostri studenti di fare una ricerca sulla funzione degli atri.

Ringraziamenti

Figura 7: “So essere splatter!”
Archie Taplin tiene in mano
il cuore di maiale dopo
averne appena rimosso il
pericardio. Nella foto, il
fegato è visibile in alto a
destra, i polmoni si trovano
sulla sinistra, e la trachea si
estende dalla lingua
all’estrema sinistra. Cliccare
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concessa da Edmond Hui

Vogliamo ringraziare l’organizzazione TED e la scuola Teddington, senza le quali non saremmo stati in grado di giungere alle osservazioni qui riportate. La fattoria Leverstoke Park che ci ha procurato un espianto completo effettuato con grande cura e attenzione. Una serie di esperti hanno generosamente risposto alle nostre elementari domande sull’anatomia del cuore e le sue funzioni, tra cui ricordiamo: Dr Andrew Ho (Ospedale Evelina Children, Londra); Professor David Firmin (Imperial College, Londra); Dr Gary Ruiz (Ospedale King’s College, Londra); Professor David Celermajer (Università di Sidney); Dr Louise Robson (Università di Sheffield), e Martin Clayton (La Collezione Reale, Castello di Windsor). Ciononostante, eventuali errori e omissioni nell’articolo dipendono solo da noi.

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Web References

Resources

Author(s)


Dr. Edmond Hui ha una formazione da biologo marino ed e’ network manager presso la scuola Teddington nonché organizzatore della conferenza TEDxTeddington. Archie Taplin, 15 anni, e’ uno studente della Teddington.

Edmond and Archie hanno intrapreso questo progetto perché Archie era interessato a preparare un seminario su un argomento di zoologiaw2 per la conferenza TEDxTeddington. Quando Ed gli ha fatto notare le difficoltà che avrebbe incontrato a presentare quest’argomento su un palco (“Ci vorranno degli animali vivi, sarà splatter…”), Archie ha risposto: “Allora sarò splatter!”. Sono state questa battuta e passione di Ed per l’applicazione per iPad “Leonardo da Vinci: Anatomia”w3, a spingere gli autori ad approfondire il meccanismo celato dietro la circolazione sanguigna.


Review

Il presente articolo dimostra quanto sia importante essere curiosi: in questo caso, il desiderio di capire meglio la fisiologia del cuore di un mammifero ha portato alla scoperta di un modo semplice ma efficace per studiare come venga pompato il sangue.

Seppur nuovo, questo metodo è talmente semplice da poter essere usato con studenti di tutte l’età. Con studenti più giovani (11-14 anni), sarà l’insegnante a condurre l’esercitazione; studenti più grandi (15-19 anni) invece, dovrebbero essere in grado di lavorare autonomamente divisi in gruppi.

Gli autori suggeriscono di effettuare anche altre attività, che possano contribuire ad aumentare il valore educativo dell’esercitazione e creare scambi interdisciplinari con la matematica, per esempio. Inoltre, le informazioni storiche contenute nell’introduzione saranno un ottimo punto di partenza per discutere con gli studenti più grandi la storia della scienza e il legame fra scienza e tecnologia.


Betina Lopes, Portogallo




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