Układ krwionośny

Odcinek 1, W samym sercu sprawy, opiera się na historii idei krążenia krwi i istnieniu podobnej przeszkody w jej zrozumieniu między naukowcami a uczniami, przeszkody podejściu Gallena, które mówiło o układzie krwionośnym otwartym. Zasoby te mają zatem na celu szczegółowe wyjaśnienie głównych trudności, z jakimi borykają się uczniowie podczas nauki koncepcji zamkniętego obiegu krwi, a także głównych elementów historycznych, które mogą przyczynić się do pracy nad nimi.

Początkowe koncepcje uczniów odpowiadają wiedzy, koncepcjom, których uczeń używa do radzenia sobie z przedmiotem, niezależnie od tego, czy jest on nauczany w ramach edukacji. Koncepcje te są związane z faktem, że każda osoba tworzy koncepcje otaczającego ją świata na podstawie swoich osobistych doświadczeń, kultury i edukacji szkolnej. Koncepcje te nie biorą się znikąd, ale są odpowiedzią na problem, na pytanie, które zostało zadane. Interesujące jest zajęcie się tymi koncepcjami w klasie, ponieważ często są one błędne i ujawniają obecność przeszkód, które mogą utrudniać uczniowi naukę, jeśli nie zostaną wzięte pod uwagę. W odniesieniu do tematu krążenia krwi, jedną z głównych przeszkód jest idea irygacji - otwartego układu krwionośnego: czasami uczniowie nie biorą pod uwagę możliwości powrotu krwi do serca. Przeszkoda ta nie zawsze jest łatwa do wykrycia, ponieważ uczniowie często używają terminu "krążenie" w sposób, który nie oznacza obiegu zamkniętego. W większości przypadków kojarzą go z ideą przemieszczania się, ruchu... Nawet jeśli kontekst historyczny i szkolny są różne, praca nad różnymi modelami historycznymi powinna umożliwić uczniom pracę nad własnymi reprezentacjami i pokonanie tej przeszkody.

Przykłady pierwotnych koncepcji uczniów

Dwie zaproponowane koncepcje nie pozostawiają wątpliwości, zarówno poprzez diagram, jak i tekst, co do ich poglądu na przepływ krwi w organizmie. Jednak wiele prac innych uczniów jest mniej jednoznacznych. Jedynie kierunek przepływu krwi, przedstawiony za pomocą strzałek, umożliwia sklasyfikowanie koncepcji ucznia z całkowitą pewnością. Jednak pozostałe wskazówki, zwłaszcza jeśli są liczne i spójne, umożliwiają ustalenie prawdopodobnej kategoryzacji. Poniżej znajduje się lista wskazówek, których należy szukać zarówno w tekście, jak i na diagramie, aby przeanalizować koncepcje uczniów dotyczące krążenia krwi

Oznaki koncepcji irygacji

• Jednokierunkowy lub dwukierunkowy przepływ krwi 
• Otwarte naczynia na obwodzie
• Obecność tylko jednego typu naczyń docierających do narządów
• Obecność jednej grupy krwi

Oznaki koncepcji krążenia

• Jednokierunkowy przepływ krwi z powrotem do serca
• Istnienie dwóch rodzajów naczyń na poziomie narządów (dopływ i odpływ
• Istnienie ciągłości między naczyniami na obwodzie (bezpośrednio, przez inne naczynia lub przez narządy)
• Rozważanych jest kilka rodzajów krwi (bogata w 02, bogata w CO2, bogata w glukozę itp.).

Istnieją również koncepcje „tam i z powrotem”, w których uczniowie wyobrażają sobie krew przepływającą z serca do narządów i z powrotem przez to samo naczynie.

Celem tego odcinka jest skłonienie uczniów do zastanowienia się nad pojęciem krążenia krwi. Chociaż uczniowie są zaznajomieni z terminem "krążenie krwi", nie zawsze rozumieją jego znaczenie, a mianowicie ruch krwi tam i z powrotem między sercem a narządami. Dla większości uczniów termin "krążenie" kojarzy się z przemieszczaniem, ruchem. Niektórzy uczniowie nawet nie wyobrażają sobie, że krew wraca do serca. Odcinek oparty jest na kontrowersjach, które pojawiły się, gdy William Harvey odkrył krążenie krwi w XVII wieku. Zwolennicy Harveya, cyrkulatorzy, przeciwstawiają się jego przeciwnikom, irygatorom, którzy bronią uznawanego wówczas modelu Galena. Dla cyrkulatorów krew opuszcza serce przez tętnice do narządów i wraca do serca przez żyły. W przypadku irygatorów krew przepływa przez żyły i tętnice do narządów, gdzie jest zużywana. Nie przewiduje się powrotu. Ta kontrowersja, która była ważna w tamtym czasie, rozprzestrzeniła się w społeczeństwie, jak w Wyimaginowanym chorym MolieraTa sztuka przygotowana przez Deliberatorów  poprowadzi Cię do poznania historii odkrycia krążenia krwi.

"W samym sercu materii" przywołuje wielkie nazwiska naukowców związanych z tym odkryciem. Realizuje dwa główne cele:

1) Problematyczny przepływ krwi w organizmie

Komiks nie opisuje wyraźnie dwóch omawianych modeli. Jego celem jest zachęcenie uczniów do zadania sobie pytania: Co to jest irygacja? Co oznacza określenie "okrężny"? Celem jest skłonienie uczniów do zastanowienia się nad możliwymi modelami przepływu krwi w organizmie. Dyskusja na temat dwóch modeli wspomnianych w kreskówce pozwoli uczniom z jednej strony zastanowić się nad własnym modelem wyjaśniającym, a z drugiej strony zastanowić się nad ograniczeniami każdego modelu. W połączeniu z innymi zasobami (patrz sekcja dotycząca zasobów uzupełniających), komiks może podkreślić potrzebę modelu krążenia.

2. zastanowić się nad charakterystyką wiedzy naukowej.

"W samym sercu sprawy" pokazuje wielu naukowców zaangażowanych w odkrycie krążenia krwi. W rzeczywistości praca jego poprzedników miała duży wpływ na pracę Williama Harveya. Oprócz tych pierwszych odkryć, wspomniane są nie tylko niektóre eksperymenty, ale także obliczenia. Rozwój wiedzy biologicznej nie ogranicza się zatem do dowodów eksperymentalnych. Wreszcie, kontrowersja między cyrkulatorem a irygatorem ujawnia znaczenie społeczności naukowej w walidacji nowego odkrycia. Wszystkie te elementy pozwalają podejść do budowania wiedzy naukowej z uczniami.

Krążenie krwi nie było koncepcją, która powstała z dnia na dzień. W rzeczywistości, chociaż ruchy serca i krwi były przedmiotem zainteresowania od starożytności, dopiero w XVII wieku angielski lekarz William Harley odkrył krążenie krwi. W rzeczywistości od II wieku przepływ krwi był postrzegany zgodnie z modelem irygacyjnym: krew jest rozprowadzana z serca przez żyły i tętnice do narządów, gdzie jest zużywana

Pomimo ważnych odkryć, takich jak przepływ krwi przez płuca między dwiema komorami (w XIII wieku na Bliskim Wschodzie przez Ibn al-Nafisa i w XVI wieku na Zachodzie przez Servetusa i Colombo), model ten nie został zakwestionowany przez prace Harveya. Choć oparty na licznych obserwacjach, eksperymentach i obliczeniach, model krążenia był wówczas przedmiotem wielu dyskusji, ponieważ pozostawiał pewne luki, w szczególności dotyczące przepływu krwi między tętnicami i żyłami. W 1661 roku, przy użyciu mikroskopu, Marcello Malpighi opisał naczynia włosowate łączące żyły i tętnice na poziomie płuc. To odkrycie, które zamyka obieg krwi, potwierdza model krążenia i kładzie kres kontrowersjom. Poniżej przedstawiono prace na temat ruchu krwi wielkich uczonych i naukowców wspomnianych w komiksie.

Galen (129-210): Grecki lekarz

Wykazuje obecność krwi w tętnicach i dokładnie opisuje budowę serca (przedsionki, komory, zastawki) oraz jego ruchy. Opisuje podwójny system dystrybucji krwi do narządów: w żyłach z wątroby i w tętnicach z serca

Krew żylna jest ciemna i zawiera pokarm, podczas gdy jasnoczerwona krew żylna jest bogata w siły witalne. Wątroba jest uważana za narząd krwiotwórczy: wytwarza krew. Krew opuszczająca wątrobę jest częściowo przesyłana żyłami do narządów, a częściowo do prawej komory serca. Część krwi żylnej przechodzi następnie do lewej komory i miesza się z wdychanym powietrzem: jest przekształcana w substancję witalną i rozprowadzana do narządów wraz z krwią tętniczą. Ta komunikacja między dwiema komorami odbywa się przez niewidoczne pory na poziomie ściany międzykomorowej. Idea ta dominowała przez wiele stuleci.

Ibn Al Nafis (1208-1288): Syryjski lekarz praktykujący w Kairze.

W swoim Komentarzu do Anatomii Kanonu Awicenny opisał to, co obecnie znane jest jako krążenie oboczne. Krew jest przesyłana z prawej komory do płuc przez tętnicę płucną, a następnie wraca do lewej komory przez żyłę płucną. Pomimo znaczenia tego odkrycia, model irygacyjny nie został zakwestionowany: krew tętnicza przepływa z serca do narządów, a krew żylna przepływa z wątroby do narządów. Pisma Ibn-al-Nafisa nie rozpowszechniły się na Zachodzie.

Michael Servetus (1509-1553): hiszpański lekarz, anatom i teolog.

Napisał kilka polemicznych książek teologicznych. W 1553 r. w Christianismi restitutio [Przywrócenie chrześcijaństwa] opisał małe krążenie. Opierając się na sekcjach, Servetus wyjaśnił duży kaliber tętnicy płucnej dużą ilością krwi wysyłanej do płuc. W ten sposób krew miesza się z powietrzem i wraca do lewej komory przez żyłę płucną. Servetus zginął na stosie oskarżony o herezję w 1553 roku, a większość jego dzieł została zniszczona. Podobnie jak w przypadku Ibn-al-Nafisa, kwestionowano przepływ krwi przez ścianę międzykomorową, ale nie model irygacji.

André Vesalius (1514-1564): flamandzki anatom i lekarz.

Jako przekonany galenista, jego liczne sekcje doprowadziły go jednak do zakwestionowania przepływu krwi przez ścianę międzykomorową: w drugim wydaniu swojej książki De humani corporis fabrica wskazał, że przegroda między dwiema komorami jest nieprzepuszczalna.

Realdo Colombo (1516-1559): włoski lekarz i profesor anatomii.

W 1558 roku opublikował De re anatomica, w którym na podstawie sekcji opisał przejście przez płuca między dwiema komorami. To rozpowszechnił to odkrycie, którego dokonali również Ibn-al-Nafis i Servetus. Nie kwestionował również modelu irygacyjnego. Krew jest zawsze zużywana przez narządy.

William Harvey (1578-1657): angielski lekarz

Jego odkrycie krążenia krwi podważyło model irygacyjny, który był akceptowany przez 1400 lat. Jako pierwszy wykazał, że krew wypływa z serca przez tętnice i wraca do serca przez żyły. Udowodnił swoją teorię poprzez rygorystyczne rozumowanie oparte na sekcjach, obserwacjach i obliczeniach. Jego główne argumenty opierają się na:

• Obliczenie ilości krwi wyrzucanej przez serce do aorty w ciągu doby. Ilość ta jest zbyt duża, aby pomieścić się we wszystkich naczyniach krwionośnych lub zostać zużyta przez narządy. Dlatego krew, która dociera do narządów, musi wrócić do serca i jest to ta sama krew, która przepływa przez serce kilka razy w ciągu 24 godzin w ruchu okrężnym.
• Eksperymenty z ligaturami (chirurgiczne zamykanie światła naczynia krwionośnego) na poziomie ramienia w celu zademonstrowania przepływu krwi z serca do narządów w tętnicach i z narządów do serca w żyłach.
• Obserwacja układu zastawek żylnych, które zapobiegają powrotowi krwi do narządów

Publikacja jego książki De motu cordis w 1628 roku, w której opisał swoje odkrycie, wywołała wielkie kontrowersje między zwolennikami i przeciwnikami obiegu.

Poniżej przedstawiamy kilka pomysłów do wykorzystania w związku z odcinkiem 1 w klasie z uczniami. W następnej sekcji przedstawimy bardziej szczegółową propozycję.

• Zbieranie i porównywanie początkowych koncepcji uczniów, identyfikacja koncepcji irygacyjnej.
• Czytanie komiksu (w całości lub w części) w celu postawienia problemu: co oznacza "okrągły"?
• Porównanie modeli Galena i Harveya: Czym się różnią i jakie są ich konsekwencje dla odżywiania narządów? W modelu Galena konieczna jest stała odnowa krwi, ponieważ narządy zużywają ją . W modelu Harveya krew musi być uzupełniana tlenem i substancjami odżywczymi. Pozwala to uczniom zastanowić się nad funkcjonalną organizacją krążenia krwi
• Wyszukiwanie bibliograficzne: wkład każdego naukowca w historię koncepcji krążenia krwi.
• Wykonanie modelu (np. plastelina) przepływu krwi według Galena i według Harveya w celu zrozumienia różnic.
• Praca nad obliczeniami Harveya (silny element jego demonstracji).
• Praca nad budową i naturą nauki: nieliniowość, pauzy, przełomy, niepowodzenia.

Dwa fragmenty utworów Williama Harveya

Proponowane fragmenty przedstawiają główne argumenty Williama Harveya mające na celu wykazanie krążenia krwi.

• Fragment 1 przedstawiający przepływ krwi według Willama Harveya

"Biorąc pod uwagę dużą ilość krwi, którą znalazłem w wiwisekcjach i otworach tętniczych (...), zastanawiając się (...) nad obfitością krwi wprawionej w ruch i nad szybkością tego ruchu, zadałem sobie pytanie, czy sok ze spożywanego pokarmu może wystarczyć do ciągłego odnawiania krwi, która była nieustannie wyczerpywana. Zrozumiałem, że żyły zostaną opróżnione i wyczerpane, a z drugiej strony tętnice zostaną uszkodzone przez ten ciągły napływ krwi, jeśli krew nie powróci w jakiś sposób z tętnic do żył i nie powróci do prawej komory serca. Zastanawiałem się wtedy najpierw, czy krew ma ruch okrężny, którego prawdziwość później uznałem; uznałem, że krew opuszczająca serce jest wyrzucana przez skurcz lewej komory z serca do tętnic i do wszystkich części ciała, podobnie jak przez skurcz prawej komory do tętnicy płucnej i płuc. Podobnie, gdy przechodzi przez żyły, wraca do żyły głównej i prawego przedsionka, a gdy przechodzi przez żyły płucne, wraca do lewego przedsionka. Możemy zatem nazwać ten ruch krwi ruchem okrężnym...".

Fragment książki Williama Harveya De Motus Cordis (1628).

• Fragment 2 dotyczący obliczania ilości krwi przepływającej przez serce

"Jak wykazano, zarówno racjonalnie, jak i eksperymentalnie, lewa komora, rozszerzona i pełna krwi, zawiera jedną, dwie lub trzy uncje krwi: sam znalazłem więcej niż trzy uncje w zwłokach. Możemy przyznać, że serce traci pewną ilość krwi podczas skurczu: w rzeczywistości komora podczas skurczu zawiera mniej krwi niż wcześniej: w ten sposób pewna ilość krwi przechodzi do aorty. (...) Tak więc u człowieka przypuszczamy, że przy każdym skurczu serca uncja lub trzy drachmy krwi przechodzą do aorty. Krew ta nie może wrócić do serca z powodu przeszkody, jaką stanowią dla niej zastawki. W ciągu pół godziny serce wykonuje ponad tysiąc skurczów; u niektórych osób dwa, trzy, a nawet cztery tysiące. Mnożąc przez drachmy, widzimy, że w ciągu pół godziny trzy tysiące drachm, czyli pięćset uncji, przechodzi przez serce do tętnic; krótko mówiąc, jest to znacznie większa ilość niż można znaleźć w całym ciele. (...) Tak więc, obliczając ilość krwi, którą serce wysyła przy każdym skurczu i licząc te skurcze, widzimy, że cała masa krwi przechodzi z żył do tętnic przez serce, a także przez płuca. W rzeczywistości, weźmy nie pół godziny, nie godzinę, ale dzień: jasne jest, że serce przesyła przez swój skurcz więcej krwi do tętnic, niż może dać pożywienie, więcej niż mogą pomieścić żyły".

*Uwaga: Jedna uncja odpowiada 28,35 g, a jedna drachma - 1,77 g.

Fragment książki Williama Harveya De Motus Cordis (1628).

• Fragment 3 dotyczący kierunku przepływu krwi w żyłach i tętnicach

"Jeśli przetniemy znacznie większą tętnicę i towarzyszącą jej żyłę, możemy wyraźnie zobaczyć, że część żyły, która znajduje się blisko serca, w ogóle nie oddaje krwi, podczas gdy z drugiej części płynie krew i tylko krew (...). Przeciwnie, w przypadku tętnicy, niewiele krwi wypływa z części obwodowej, podczas gdy z drugiej strony, jak z syfonu, tryska gwałtowny strumień czystej krwi. Eksperyment ten pokazuje, skąd pochodzi krew i dokąd płynie, gdy krąży w częściach. Co więcej, widzimy również, że płynie szybko, że jest ożywiana przez gwałtowny ruch i że nie płynie powoli i kropla po kropli

Fragment dwóch rozpraw anatomicznych na temat krążenia krwi skierowanych do Jeana Riolana przez Williama Harveya (1649).

Schematy różnych modeli historycznych

Prace Galena i Harveya nie zawierają schematów drogi krwi w organizmie. Poniższe dwa diagramy są dydaktycznymi wersjami obu modeli. Chociaż wątroba odgrywa centralną rolę w modelu Galena, jej reprezentacja została pominięta, aby uczniowie mogli skupić się na kierunku przepływu krwi między sercem a narządami.

Model krążenia krwi do budowy

Proponujemy możliwy scenariusz pedagogiczny dla klasy szkoły średniej. Opiera się on na różnych zasobach przedstawionych w innych sekcjach. Sekwencję tę można zaplanować w dwóch lub trzech sesjach.

Etap 1 - Zbieranie wstępnych wyobrażeń uczniów na temat drogi krwi

Praca ta może być wykonana przed lekcją na temat krążenia krwi, aby dać nauczycielowi czas na przeprowadzenie analizy.

Sugerowane zadanie dla uczniów: W jaki sposób krew odżywia narządy? Jaka jest droga krwi w organizmie? Przedstaw swoją odpowiedź w formie tekstu i diagramu.

Uczniom można dostarczyć sylwetkę ludzkiego ciała, aby ułatwić pracę.

Faza 2- Problematyzacja sekwencji

Czytanie rozdziału 1 komiksu. Ta lektura pozwala nam poruszyć problem z uczniami: co oznacza okrąg?

Utworzenie grup uczniów (3-4) z ich pracami z fazy 1 i dyskusja między nimi.

Faza 3 - Czytanie rozdziałów 1 i 2 komiksu

Prezentacja schematów dwóch modeli historycznych (bez nazw) i porównanie ich z modelami uczniów.

Sugerowane zadanie dla ucznia: Wyjaśnij różnice między dwoma historycznymi modelami i porównaj je z własnymi produkcjami. Jakie są konsekwencje każdego modelu dla odżywiania narządów?

Faza 4 - Historia krążenia krwi

Opracowany problem: Jakich odkryć dokonano między modelem Galena a modelem Harveya?

W grupach uczniowie szukają odkrycia naukowca na temat krążenia krwi przed Harveyem (Ibn-al-Nafis, Colombo, Vesalius).

Sugerowane zadanie dla uczniów: zidentyfikuj odkrycie dokonane przez naukowca wspomnianego w kreskówce.

Stwórz chronologię podsumowującą różne odkrycia. Może to pozwolić na dyskusję z uczniami na temat budowy wiedzy naukowej.

Faza 5 - Uzasadnienie modelu cyrkulacyjnego Harveya

Czytanie Harveya, fragment 1

Poruszony problem: jakie są argumenty przedstawione przez Harveya w celu uzasadnienia jego modelu cyrkulacyjnego?

Czytanie fragmentu Harveya 2.

Sugerowane zadanie dla ucznia: Oblicz w kilogramach ilość krwi, która opuszcza serce w ciągu godziny i dnia.

Czytanie fragmentu Harveya 3.

Sugerowane zadanie dla ucznia: Określ kierunek krążenia żył i tętnic.

Faza 6 - Wnioski dotyczące drogi krwi w organizmie

Problem w pracy: W jaki sposób krążenie krwi zapewnia stały dopływ tlenu i składników odżywczych do narządów?

Wykonanie modelu z uczniami.

Wnioski z uczniami: powrót do modelu Harveya tam, gdzie nie występują aspekty funkcjonalne.