“無風(fēng)不起浪”和“無風(fēng)三尺浪”：動(dòng)脈里也會(huì)“波濤洶涌”？

“無風(fēng)不起浪”和“無風(fēng)三尺浪”是日常生活中常用的俗語?？此泼艿倪@兩句話，其實(shí)都有其科學(xué)的道理。

由此我聯(lián)想到了在我們的身體里，也有一片 “海洋”——循環(huán)系統(tǒng)中川流不息的血液之海，它也是“波濤洶涌”。

今天，就讓我們開啟一場(chǎng)奇特的 “海洋之旅”，去探尋脈搏波在動(dòng)脈系統(tǒng)中的傳播奧秘，看看它與大海中波浪的形成有著怎樣異曲同工之妙。

一、“無風(fēng)不起浪”和“無風(fēng)三尺浪”的科學(xué)道理

1.“無風(fēng)不起浪” 的科學(xué)道理

從能量傳遞的角度來看，海浪主要是由風(fēng)提供能量而形成的。風(fēng)在海面吹過時(shí)，會(huì)將能量傳遞給海水。當(dāng)風(fēng)吹過海面，風(fēng)與海水表面產(chǎn)生摩擦力（即粘性剪切力），這個(gè)力就像一只大手掌一樣“搓動(dòng)”海水。而“流體不經(jīng)搓”是流體的一個(gè)重要特征。風(fēng)對(duì)海水施加這個(gè)“搓動(dòng)”力，海水就會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，海面會(huì)出現(xiàn)小的漣漪。如果風(fēng)的能量較小，那么只能引起海水表面輕微的波動(dòng)——正所謂相聲《八扇屏》中所言“風(fēng)吹水面層層浪”（圖1）。隨著風(fēng)力的增強(qiáng)，風(fēng)傳遞給海水的能量增多，海浪的高度和波長也會(huì)相應(yīng)增大。

圖1 風(fēng)對(duì)水面的“搓動(dòng)”，導(dǎo)致“風(fēng)吹水面層層浪”

從波動(dòng)理論的角度來看，風(fēng)是海浪產(chǎn)生的外部驅(qū)動(dòng)力。風(fēng)在海面上產(chǎn)生的壓力差是海浪形成的關(guān)鍵因素。當(dāng)風(fēng)吹過海面時(shí)，在海面的背風(fēng)面會(huì)形成低壓區(qū)，而迎風(fēng)面相對(duì)為高壓區(qū)。這種壓力差使得海水從高壓區(qū)向低壓區(qū)流動(dòng)，從而形成波浪（圖2）。而且，風(fēng)持續(xù)的時(shí)間和強(qiáng)度決定了海浪的持續(xù)時(shí)間和大小。如果風(fēng)長時(shí)間穩(wěn)定地吹過海面，海浪會(huì)不斷積累能量，變得更加洶涌。

圖2 壓差驅(qū)動(dòng)海水形成海浪

2.“無風(fēng)三尺浪” 的科學(xué)道理

考慮海底地形和洋流因素。即使沒有風(fēng)，海底地形的變化也可能導(dǎo)致海浪的產(chǎn)生。比如在淺海區(qū)域，當(dāng)海底地形有隆起或凹陷時(shí)，海水的流動(dòng)會(huì)受到干擾。海底山脈會(huì)使海水向上涌起，形成海浪（圖3）。就像河流中的礁石會(huì)使水流產(chǎn)生波浪一樣，海底地形的不規(guī)則性可以使海水產(chǎn)生波動(dòng)。洋流也會(huì)對(duì)海浪產(chǎn)生影響。不同溫度、鹽度的洋流相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生密度差異，從而導(dǎo)致海水的流動(dòng)和波動(dòng)。例如，在冷暖洋流交匯的地方，海水的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，會(huì)形成較大的海浪。

圖3海底山脈會(huì)使海水向上涌起，形成海浪

考慮遠(yuǎn)處風(fēng)浪的傳播因素。地球上海洋是一個(gè)相互連通的整體。在遠(yuǎn)處海域產(chǎn)生的海浪可以傳播到?jīng)]有風(fēng)的海域。當(dāng)海浪在廣闊的海洋中傳播時(shí)，它的能量會(huì)在一定程度上得到保持。例如，在太平洋的一些島嶼周圍，即使當(dāng)?shù)貨]有風(fēng)，但從遠(yuǎn)處風(fēng)暴中心傳播過來的海浪仍然可以到達(dá)這里，使島嶼周圍的海面出現(xiàn)波浪。而且，海浪在傳播過程中會(huì)發(fā)生折射、反射等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象也會(huì)使海浪的形態(tài)和大小發(fā)生變化，導(dǎo)致在沒有風(fēng)的情況下依然有浪。

考慮潮汐、地震、海嘯等天文地理因素。潮汐是由于地球、月球和太陽之間的引力相互作用引起的海水周期性漲落現(xiàn)象。在漲潮和落潮過程中，海水會(huì)發(fā)生大規(guī)模的水平運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生海浪。即使沒有風(fēng)的影響，當(dāng)潮汐漲落時(shí)，海水會(huì)涌向海岸或者從海岸退回大海，這個(gè)過程中會(huì)形成波浪。例如，在錢塘江大潮時(shí)，巨大的潮水涌入狹窄的河道，由于河道變窄，潮水的能量集中，就會(huì)形成很高的浪頭（圖4）。這種浪的形成主要是潮汐力的作用，而不是風(fēng)。另外，海底地震是導(dǎo)致海嘯的主要原因之一。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生在海底時(shí)，地殼的運(yùn)動(dòng)瞬間釋放出巨大的能量，使海底的水體發(fā)生劇烈的擾動(dòng)。這種擾動(dòng)以海嘯波的形式向外傳播，海嘯波在深海中速度極快，波長很長但波高相對(duì)較小。當(dāng)海嘯波靠近海岸時(shí)，由于海水深度變淺，波高會(huì)急劇增加，形成巨大的海浪。這種海浪的產(chǎn)生與風(fēng)沒有關(guān)系，完全是由海底地震引發(fā)的地殼運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。例如，2011 年日本福島地震引發(fā)的海嘯，海浪高達(dá)數(shù)十米，給沿海地區(qū)造成了巨大的災(zāi)難。

圖4 錢塘江大潮

此外，還有大氣溫度和壓力變化以及船舶等大型物體的運(yùn)動(dòng)都會(huì)引起波浪。

二、人體內(nèi)的“波濤洶涌”

血液循環(huán)系統(tǒng)之所以能把血液輸送到全身，就是因?yàn)樗幸粋€(gè) “動(dòng)力泵”，那就是我們的心臟；而錯(cuò)綜復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)就像是“河道”。在循環(huán)系統(tǒng)中也有一種“波濤洶涌”的現(xiàn)象，那就是脈搏波。

1.動(dòng)脈里的“無風(fēng)不起浪”

“無風(fēng)不起浪”，這是海邊常見的景象。海風(fēng)掠過海面，就像一雙無形的大手搓動(dòng)著海水，泛起波瀾。在人體中，心臟的運(yùn)作就如同海風(fēng)一樣推動(dòng)血液流動(dòng)。心臟，這個(gè)不知疲倦的 “動(dòng)力泵”，在收縮期時(shí)，心肌強(qiáng)力收縮，將血液迅猛地泵入動(dòng)脈系統(tǒng)（圖5）。這股力量就像是海風(fēng)給予海水的初始動(dòng)力，使得血液在動(dòng)脈血管中開始了它的 “旅程”，從而產(chǎn)生了最初的脈搏波。有研究表明，心臟每次收縮射出的血量約為 60 - 80 毫升，這股力量足以讓主動(dòng)脈壁開始擴(kuò)張，就像海風(fēng)讓海面泛起的漣漪，開啟了脈搏波傳播的第一步。

圖5 心臟泵向血管系統(tǒng)射血

隨著風(fēng)力的增強(qiáng)，海浪會(huì)變得更加洶涌澎湃。同樣，心臟收縮力量的變化也會(huì)影響脈搏波的強(qiáng)度。當(dāng)我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，心臟需要更努力地工作，收縮力增強(qiáng)，血壓升高，脈搏波的強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)增大。就好比狂風(fēng)呼嘯時(shí)，大海上的浪頭會(huì)高高涌起?？茖W(xué)家通過對(duì)運(yùn)動(dòng)員在不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的脈搏監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，脈搏波的振幅會(huì)比安靜狀態(tài)下增加 50% - 100%，可謂“波瀾壯闊”。這充分顯示了心臟作為脈搏波 “動(dòng)力源” 的關(guān)鍵作用，就像風(fēng)是海浪大小的決定因素之一。

2.動(dòng)脈里的“無風(fēng)三尺浪”

“無風(fēng)三尺浪”，也是大海中常有一種奇特的現(xiàn)象。即使沒有風(fēng)，海面也可能波濤起伏。這其中，海底地形和洋流可是 “幕后功臣”。海底山脈、海溝以及冷暖洋流的交匯等，都會(huì)使海水產(chǎn)生波動(dòng)。在我們的動(dòng)脈系統(tǒng)里，遠(yuǎn)離心臟的血管壁就像是海底的地形，起著至關(guān)重要的作用。血管壁具有彈性，當(dāng)脈搏波沿著動(dòng)脈血管傳播時(shí)，血管壁就像一個(gè)彈性十足的 “蹦床”。在脈搏波的壓力下，血管壁會(huì)發(fā)生彈性變形，儲(chǔ)存一部分能量。研究顯示，動(dòng)脈血管壁的彈性模量在 1 – 10 MPa之間，這種彈性能夠讓血管壁有效地儲(chǔ)存和釋放能量。當(dāng)脈搏波的壓力峰值過去后，在沒有心臟泵這個(gè)“海風(fēng)”的直接驅(qū)動(dòng)下，血管壁彈性回縮，釋放儲(chǔ)存的能量，推動(dòng)血液繼續(xù)向前流動(dòng)，維持脈搏波的傳播。這就如同海底地形使海水積蓄能量，在沒有風(fēng)的時(shí)候依然能產(chǎn)生波浪一樣神奇。

而且，血管的分支、彎曲和管徑變化等情況，就像大海中的礁石、島嶼和海峽。當(dāng)脈搏波遇到這些“障礙”時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和干涉現(xiàn)象。血管壁的彈性在這些過程中更是大顯身手，它會(huì)使反射波和原始脈搏波相互疊加，調(diào)整脈搏波的形態(tài)和強(qiáng)度。就像海浪在傳播過程中遇到礁石反射，與原海浪相互干涉，形成復(fù)雜多變的海浪形態(tài)。醫(yī)學(xué)研究人員利用血管造影和血流動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在血管分支處脈搏波的反射系數(shù)可達(dá)到 0.3 - 0.6 之間，這表明反射現(xiàn)象對(duì)脈搏波的影響不可小覷。有興趣的同學(xué)可以參看我的個(gè)人微信公眾號(hào)“醫(yī)用生物力學(xué)”的文章：脈搏波的波形為什么會(huì)“一波三折”？

在這場(chǎng)動(dòng)脈的 “海洋之旅” 中，我們還發(fā)現(xiàn)了一些有趣的 “海洋生物” 現(xiàn)象。比如，在一些深海魚類身上，有一種特殊的結(jié)構(gòu)可以幫助它們適應(yīng)深海的巨大水壓。而在我們的動(dòng)脈系統(tǒng)中，血管內(nèi)皮細(xì)胞就像是這些 “海洋生物”，它們分泌的一些物質(zhì)可以調(diào)節(jié)血管的張力和彈性，從而影響脈搏波的傳播。研究發(fā)現(xiàn)，血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌的一氧化氮可以使血管平滑肌舒張，增加血管直徑，降低脈搏波的傳播阻力，就像某些海洋生物的特殊結(jié)構(gòu)有助于它們?cè)趶?fù)雜的海洋環(huán)境中生存一樣。

再看看大海中的潮汐現(xiàn)象，它是由地球、月球和太陽之間的引力相互作用引起的海水周期性漲落。這和我們身體里的血壓調(diào)節(jié)有一定的相似之處。人體的血壓也有著晝夜節(jié)律的變化，就像潮汐的漲落。夜晚睡眠時(shí)，血壓會(huì)相對(duì)降低，而白天活動(dòng)時(shí)，血壓會(huì)升高。這種血壓的節(jié)律變化也會(huì)對(duì)脈搏波產(chǎn)生影響。研究表明，夜間睡眠時(shí)脈搏波的頻率會(huì)略有降低，而白天則相對(duì)較高，這與血壓的晝夜節(jié)律變化相匹配。

還有，當(dāng)大海中發(fā)生地震引發(fā)海嘯時(shí)，海底地殼的運(yùn)動(dòng)瞬間釋放出巨大能量，使海底的水體發(fā)生劇烈擾動(dòng)，形成海嘯波。在我們的身體里，如果血管壁發(fā)生病變，比如動(dòng)脈粥樣硬化、血管壁變得僵硬、動(dòng)脈瘤破裂等，就像海底發(fā)生了 “地質(zhì)災(zāi)害”。這時(shí)候，脈搏波的傳播就會(huì)受到嚴(yán)重影響。原本平滑的血管壁變得崎嶇不平，脈搏波在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生更多的反射和散射，導(dǎo)致血壓異常升高，增加心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，動(dòng)脈粥樣硬化患者發(fā)生心血管事件的風(fēng)險(xiǎn)比正常人高出 3 - 5 倍，這其中脈搏波傳播異常是一個(gè)重要的因素。

三、小結(jié)

從宏觀的身體循環(huán)系統(tǒng)到微觀的血管壁細(xì)胞，從心臟的強(qiáng)力泵血到血管壁的彈性回縮，脈搏波在動(dòng)脈系統(tǒng)中的傳播就像大海中波浪的形成與傳播一樣，充滿了奇妙的物理原理和復(fù)雜的生理機(jī)制。我們的身體就像一個(gè)精妙絕倫的 “海洋世界”，各個(gè)部分相互協(xié)作，維持著生命的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

了解這些奧秘，不僅能讓我們對(duì)自身的生理機(jī)能有更深入的認(rèn)識(shí)，也為醫(yī)學(xué)研究和心血管疾病的防治提供了重要的依據(jù)。希望大家在這場(chǎng)動(dòng)脈 “海洋之旅” 后，能更加珍惜自己身體這個(gè)神奇的 “海洋世界”，讓生命的 “脈搏波” 永遠(yuǎn)健康而有力地跳動(dòng)下去。