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Das Herz ist eine Doppelpumpe

Das Herz ist eine Doppelpumpe
Vergrößerte Ansicht menschlicher Blutkörperchen (Photo mit Genehmigung des National Cancer Institutes)

Was Zellen benötigen

Um die entscheidende Bedeutung des Herzens zu verstehen, müssen wir einen Schritt zurückgehen, und die Bedürfnisse verstehen, die die Zellen unseres Körpers haben. Erinnere dich daran, dass unser Körper aus mehr als 10 Billionen Zellen besteht, die in bemerkenswerter Einigkeit zusammenarbeiten (ein Beispiel für good governance!). Zellen haben grundlegende Bedürfnisse, von denen die wichtigsten vier hier aufgelistet sind:
1) Zugang zu Sauerstoff
2) eine Zuckerquelle
3) einen geeigneten Flüssigkeitshaushalt mit der richtige Balance zwischen Wasser und Elektrolyt
4) Abtransport von Abfallstoffen (wie z. B. Kohlendioxid)
Überlege einmal, wie ähnlich das den menschlichen Grundbedürfnissen ist: Einatmung, Ausatmung, Essen, Trinken, und Ausscheidung von Urin und Stuhl. Wenn du einmal genau darüber nachdenkst, stellst du fest, dass viele der Dinge, die wir tun, auf die Bedürfnisse der Zellen zurückzuführen sind.

Ein Atemzug

Die Lunge besteht aus einigen hundert Millionen winzigen Luftsäckchen, die Alveolen genannt werden. Jedes dieser Säckchen ist von einem Netzwerk aus Blutgefäßen (Kapillarbett) umgeben, in denen sauerstoffarmes Blut hintransportiert wird (blau dargestellt), und sauerstoffreiches Blut (hier in rot) abtransportiert wird. (In Anlehnung an ein Bild aus Wikipedia)
Lasst uns nun einem einzelnen Atemzug folgen. 21% der Moleküle in diesem Lufthauch sind Sauerstoffmoleküle. Nach Durchquerung der Atemwege landen sie in den Alveolen, winzigen luftgefüllten Säcken. Wenn die Lunge nicht so fantastisch wäre, würde die Geschichte wahrscheinlich hier enden. Die Sauerstoffmoleküle dürfen aber ihren Weg aus der Gasphase in eine neue flüssige Phase fortsetzen, während Kohlendioxidmoleküle den umgekehrten Weg aus flüssig nach gasförmig nehmen. Ganz ähnliche Vorgänge laufen auf der Oberfläche eines sprudelnden Getränks ab. Wie ein Tropfen Tinte in einem Wasserbecken diffundiert der Sauerstoff aus den Alveolen in das Blut, und wird dann von roten Blutkörperchen aufgenommen. Dieser Diffusionsvorgang läuft im Bruchteil einer Sekunde ab, da die Strecke zwischen Alveolen und Blutstrom so winzig klein ist.
Die weißen Bälle starten oben und bewegen sich dann mit zufälligen Bewegungen mit der Zeit durch die Matrix. Dieses Modell soll zeigen, wie sich auch O2-Moleküle durch zufällige Bewegungen aus einem Bereich mit hoher Konzentration (Alveolen) hin zu einem Bereich mit niedriger Konzentration (Kapillarbett der Alveolen) bewegen können - dieser Vorgang wird Diffusion genannt. (nach Runningamok19 aus Wikipedia)

Warum brauchen wir unser Herz?

Lasst uns nun einen Moment innehalten und Folgendes überlegen:
Was würde passieren, wenn es unser Herz nicht gäbe? Nun ja, die Diffusion funktioniert auf sehr kurzen Distanzen wunderbar, aber bei einer so riesigen Entfernung wie zwischen Lunge und den Füßen? Könnte ein einzelnes Sauerstoffmolekül einfach den ganzen Weg dorthin diffundieren? Theoretisch könnte es das, es würde aber sehr viel Zeit dafür benötigen! Bis der Sauerstoff in deine Füsse diffundiert ist, wären sie schon lange gestorben und abgefallen.
Sobald der Sauerstoff im Blutstrom angelangt ist, muss er rasch von einem Ort an einen anderen gelangen. An dieser Stelle kommt Hämoglobin, ein Molekül das mithilfe von Eisen Sauerstoffmoleküle bindet, zu Hilfe. Jede rote Blutzelle ist mit ungefähr 250 Millionen Hämoglobinmolekülen angefüllt, und jedes davon kann bis zu 4 Sauerstoffmoleküle binden (Die gebundene Form wird "Oxyhämoglobin" genannt). Das bedeutet, das jedes rote Blutkörperchen ungefähr 1 Milliarde Sauerstoffmoleküle binden kann! Das führt dazu, dass etwa 97% des Sauerstoffs im Blut an Oxyhämoglobin gebunden vorliegt. Nur eine geringe Menge Sauerstoff ist frei im Blut gelöst.
Querschnitt durch das menschliche Herz. Die rechte Herzkammer wird dabei als "Pumpe 1" und die linke Kammer mit "Pumpe 2" bezeichnet. (aus Wikipedia, Urheber: Zoofari)
Während die Lunge für das Ein- und Ausströmen der Atemluft sorgt, ist das Herz auch ordentlich beschäftigt. Über die obere und die untere Hohlvene fließt Blut aus den oberen und unteren Teilen des Körpers ins Herz zurück und gelangt zunächst in den rechten Vorhof, den man auch als Wartezimmer für die rechte Herzkammer ansehen kann. Die rechte Herzkammer (Pumpe #1) kann sich mit ihrer muskulären Wand zusammenziehen und dadurch das Blut sanft in die Arterien, Arteriolen und Kapillaren der Lunge pumpen. Als nächstes diffundiert Sauerstoff aus den Alveolen in das Blut und Kohlendioxid aus dem Blut in die Alveolen. Danach strömt das Blut über die Lungenvenen zum Herzen zurück und gelangt in einen ähnlichen Warteraum vor der linken Herzkammer, den linken Herzvorhof. Von der nächsten Station aus, der linken Herzkammer (Pumpe #2) wird das Blut durch starke muskuläre Wandbewegungen mit viel Wucht herausgequetscht und in die Arterien und Kapillaren des Körpers gepumpt, damit all die Zellen mit Sauerstoff versorgt werden können. Anschließend fließt das Blut über Venen zurück Richtung Herz und beginnt seinen Kreislauf von Neuem. Daher lautet die Überschrift dieses Artikels: Ein Herz - zwei Pumpen: die linke und die rechte Herzkammer.

Warum gibt es zwei Herzkammern?

Lasst uns ein kleines Gedankenexperiment machen: Warum nicht das Blut mit nur einer Herzkammer (Einzelpumpe) durch die Lunge und dann in den Rest des Körpers pumpen?
Das Herz ist in seiner Funktion ein Doppelkammersystem. Blut gelangt vom Körper aus erst in den rechten Vorhof, dann in die rechte Herzkammer. Von dort wird es in die Lunge gepumpt. In der Lunge wird das Blut mit Sauerstoff angereichert, fließt dann in den linken Herzvorhof, von dort in die linke Herzkammer und wird dann in den Körperkreislauf gepumpt.
Dieses Bild zeigt das Herz so, als hätte es nur einen einzigen Vorhof und nur eine Herzkammer. Das Blut fließt dabei in den Vorhof, von dort in die Herzkammer. Die Herzkammer pumpt das Blut dann in die Lungen, von wo aus es direkt wieder in den Körperkreislauf gelangt.
Im Grunde ist das eine großartige Frage, da es auf den ersten Blick sogar effizienter erscheint, wenn das Blut von der Lunge ohne Umweg über das Herz direkt in den Körper gelangt. Nun wollen wir uns auch mit den zugehörigen Zahlen beschäftigen. Um Blut durch die vielen Arterien, Kapillaren und Venen zu pumpen, ist Druck nötig. Die rechte Herzkammer quetscht das Blut mit einem Druck von etwa 25 mmHg raus, der Druck nimmt jedoch beim Durchqueren der Lunge um 20 mmHg ab bis auf etwa 5 mmHg im linken Vorhof. Von der linken Herzkammer wird das Blut wieder gewaltig gequetscht und angeschoben, wodurch der Blutdruck auf 120 mmHg ansteigt (das ist fast das 5-fache des Drucks im Lungenkreislauf!). Mit dieser Menge Druck kann das Herz das Blut durch alle Organe und Gewebe des Körpers pumpen.

Der richtige Druck an der richtigen Stelle

Wenn die rechte Herzkammer das Blut mit einem Druck von 140 mmHg rauspumpen würde, hätte das Blut nach dem Lungenkreislauf mit 20 mmHg weniger immer noch 120 mmHg, also genug für den Körperkreislauf. Das klingt erstmal nach einer großartigen Lösung, wären da nicht folgende Probleme: 1. unter diesem hohen Druck würde Flüssigkeit aus den Kapillaren heraus in das Lungengewebe gequetscht (und viele Kapillaren würden zerreißen!), und 2. durch den hohen Druck würde das Blut dermaßen schnell an den Alveolen vorbeirauschen, dass die O2-Moleküle kaum noch in das Blut diffundieren und an Hämoglobin binden könnten. Auch im restlichen Körper ist keine der Kapillaren so hohen Drücken von 120 - 140 mmHg ausgesetzt. Bis das Blut in diese kleinen Gefäße gelangt, ist der Druck auf dem Weg durch Arterien und Arteriolen sehr stark gefallen. Wenn man überlegt, wieviel der O2-Moleküle aus den Alveolen in das Blut diffundieren müssen, machen niedriger Druck und somit niedrigere Fließgeschwindigkeit doppelt Sinn - jede zusätzliche Millisekunde hilft!
Das ist der Grund, warum der menschliche Körper zwei Pumpen benötigt, die mit unterschiedlichem Druck arbeiten. Hoher Druck erlaubt dem Blut, durch den ganzen Körper zu zirkulieren, und niedriger Druck ermöglicht einen optimalen Gasaustausch in den Lungen, ohne dass die Kapillaren dabei bersten müssen!