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St.Ex. Herz und Gasaustausch - Handout Melanie Holzbauer SS 19
Biologie I
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
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Aufbau und Funktion des Herzens
1. Kreislaufsysteme
Kreislaufsystem besteht aus: - Muskulöser Pumpe (Herz) - Flüssigkeit zum Stofftransport (Blut) - Leitungsbahnen zur Flüssigkeitszirkulation im Körper (Blutgefäße) Funktionen von Kreislaufsystemen - Nährstofftransport (An- und Abtransport) - Atemgastransport (NICHT bei Insekten) - Signalstofftransport (z. Hormone) Kreislaufsysteme im Tierreich - Gastrovaskularsysteme z. Nesseltiere (Hydra) und Plattwürmer - Offener Kreislauf z. Arthropoden, Mollusken → Hämolymphe umströmt innere Organe direkt, keine Trennung von Blut und interstitieller Flüssigkeit (=Hämolymphe), Netz aus Lakunen/Sinus + Spalten => Blutsinus und Herz ➔ dorsales röhrenförmiges Herz mit Ostien - Geschlossener Kreislauf z. Annelida, Cephalopoda, Wirbeltiere: Gefäßnetz &Pumpe o Blutgefäße: ▪ Venen = zum Herzen hin ▪ Arterien = vom Herzen weg ▪ Kapillarnetz sorgt für Oberflächenvergrößerung o Evolutionäre Tendenz zur zunehmenden Trennung von Lungen- und Körperkreislauf in ein Niederdruck- (Lunge) und Hochdrucksystem (Köper). ▪ Fische: Herz 2 Kammern -> 1 Atrium, 1 Ventrikel ▪ Amphibien (+Lungenfische) Herz 3 Kammern -> 2 Atrien, 1 Ventrikel ▪ Säuger und Vögel (konvergente Entwicklung/Evolution!): Herz 4 Kammern -> 2 Atrien, 2 Ventrikel ➔ ventrales 4-kammeriges Herz; ➔ vollständige Trennung von Körper- und Lungenkreislauf
- Vorteile geschlossene vs. offene Kreislaufsysteme: o Rascherer Nährstoff- und Abfallprodukttransport durch barriereärmere /-freiere Gefäße anstatt barrierereichere Interzellularräume o Bestimmtes Gewebe gezielter und dosierter durchbluten, durch wechselnde Widerstände in den Gefäßen o Spezialisierte Zellen und große Moleküle, welche den Hormon- und Nährstofftransport unterstützen, geben die Transportstoffe ins benötigte Gewebe ab und können in Gefäßen besser gehalten werden ➔ Meistens ist daher bei höherer Stoffwechselaktivität und körperlichen Größe ein geschlossenes Kreislaussystem nützlicher!
2. Funktion & Aufbau des Säugerherzens
Faustgroßer, 250-300g schwerer Hohlmuskel
Druck- und Saugpumpe
4-kammeriges Herz, durch Herzscheidewand (Septum) in zwei Hälften geteilt. Je eine Kammer (Ventrikel) und ein Vorhof (Atrium)
Lage: o zwischen den zwei Lungenflügeln in der Mitte der Brusthöhle (2/3 auf der linken Seite) o Im Herzbeutel (Perikard) frei verschiebbar, lediglich mit Basis verwachsen
Blutfluss: o Von Lunge: Lungenvenen → linker Vorhof (li. Atrium) → linke Herzkammer (li. Ventrikel) → Aorta (--> Richtung Körper) o Von Körper: Obere Hohlvene → rechter Vorhof (re. Atrium) → rechte Herzkammer (re. Ventrikel) → Lungenarterie (--> Richtung Lunge)
Herzmuskel: o Sonderform der quergestreiften Muskulatur o Muskelzellen zu einem Syncytium verbunden (gap junctions) ➔ Alle Herzmuskelzellen kontrahieren synchron o Erregung autorythmisch (Schrittmacherzellen)
= Obere Hohlvene
= Untere Hohlvene Septum = Herzscheidewand
= Lungenvene
Der Herzzyklus
- Atrium & Ventrikeldiastole: Entspannungsphase und Artien-&Ventrikelauffüllphase → Segelklappen offen & Taschenklappen (Rückstromventile) zu
- Atriumssystole: Ventrikel-Auffüllphase → Segelklappen offen & Taschenklappen zu
- Atriumsdiastole & Ventrikelsystole: Austreibphase → Segelklappen zu & Taschenklappen offen
- Entspannungs- & Auffüllphase: Während der Füllungsphase sind Atrien und Ventrikel entspannt (Diastole) Blut strömt aus den großen Venen in Atrien, danach durch geöffnete Segelklappen in die Ventrikel. Taschenklappen sind geschlossen und verhindern den Rückfluss in Aorta oder Lungenarterie (=Rückstromventil)
- Aktive Auffüllphase: Kurze Kontraktionen der Atrien treiben anschließend das gesamte Blut, das noch in den Atrien verblieben ist, in die Ventrikel
- Austreibphase: Die Kontraktion der Ventrikel pumpt Blut bei geöffneten Taschenklappen in die großen Arterien, Segelklappen sind geschlossen, um den Rückfluss in die Atrien zu verhindern Bei einem erwachsenen Menschen dauert ein vollständiger Herzzyklus ca. 0,8 Sekunden.
➔ ≈ 70 Herzzyklen pro Minute (Normalpuls: ≈ 60-70 Schläge/min) → 5-25 Liter/min
3. Atemgasaustausch Säuger und Vögel
- Ventilationslunge – Lunge der Landwirbeltiere o Evolution aus der Schwimmblase o Aktive Ventilation → durch Über- oder Unterdruckatmung o Regulierung anhand der Blutkonzentration von CO 2 → Sensoren im Stammhirn o Stufen des Gastransports: 1. Atembewegungen, 2. Diffusion durch respiratorisches Epithel, 3. Beförderung im Kreislauf, 4. Diffusion in das Gewebe
Säuger-Lunge
Austausch der Atemgase bei Vögeln
- Unidirektionale Durchströmungslunge mit Kreuzprinzip ➢ Unidirektionale Fließrichtung des Atemmediums durch die Luftsäcke ➢ Vögel können ihr Blut in großer Höhe bis zu 85% mit O 2 sättigen. ➢ Ein- und Ausatmung erfolgen aktiv! ➢ Durch Durchströmung keine Probleme bei langen Hälsen durch Totraum ➢ Kreuzprinzip in den Parabronchien erzeugt große Partialdruckdifferenzen ➢ Sehr dünne respiratorische Epithelien
- Vögel benutzen für den Transport von frischer Luft in ihre Lunge ≈ 8-9 Luftsäcke ➢ Diese sind nicht direkt am Gasaustausch beteiligt, sondern dienen als Blasebälge, die dafür sorgen, dass Luft durch die Lunge strömt ➢ Statt Alveolen sind feine Luftkanäle bei Vögeln die Orte des Gasaustauschs ➢ Damit die Luft einmal durch das gesamte Atmungssystem passieren kann sind zwei Inspirations- und Exspirationszyklen notwendig.
- Die hohe Effizienz der Vogellunge kommt von ➢ der unidirektionalen Strömungsrichtung der Luft über gasaustauschende Flächen ➢ und daher, dass sich die eingeatmete Luft nicht mit der verbrauchten vermischt.
- Die Luft in der Vogellunge wird bei jedem Ausatmen erneuert, deshalb ist der maximale Sauerstoffpartialdruck in der Lunge von Vögeln höher als in der Säugerlunge
Das Atmungssystem von Vögeln
a) 1. Einatmung: Sauerstoffreiche Luft füllt hintere Luftsäcke b) 1. Ausatmung: Die hinteren Luftsäcke kontrahieren und pressen sauerstoffreiche Luft in die Lunge c) 2. Einatmung: Die Luft strömt durch die Lungen und sauerstoffarme Luft füllt die vorderen Luftsäcke d) 2. Ausatmung: Wenn die vorderen Luftsäcke kontrahieren, wird sauerstoffarme Luft aus dem Körper gepresst, die während der ersten Einatmung in den Körper strömte.
Unterschiede zu den Säugern
➔ Beim Einatmen vermischt sich die frische Luft mit der in der Lunge verbliebenen Luft ➔ Bidirektionale Fließrichtung des Atemmediums ➔ Residualvolumen der Trachea und Bronchien (→Totraum) ➔ Alveolen sind Ort des Gasaustausches ➔ Kombination aus Brust- und Bauchatmung bei Säugern, Beteiligung des Zwerchfells an der Atmung ➔ Dickeres respiratorisches Epithel
St.Ex. Herz und Gasaustausch - Handout Melanie Holzbauer SS 19
Kurs: Biologie I
Universität: Julius-Maximilians-Universität Würzburg
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