Arten von Kreislaufsystemen offen oder geschlossen

Das Kreislaufsystem dient dazu, Blut zu einer oder mehreren Stellen zu befördern, an denen Sauerstoff zugeführt und Abfälle entsorgt werden können. Die Zirkulation dient dann dazu, neu mit Sauerstoff angereichertes Blut in das Gewebe des Körpers zu bringen. Während Sauerstoff und andere Chemikalien aus den Blutzellen in die Flüssigkeit diffundieren, die die Zellen des Körpergewebes umgibt, diffundieren Abfallprodukte in die Blutzellen, die abtransportiert werden sollen. Das Blut zirkuliert durch Organe wie Leber und Nieren, wo Abfälle entfernt und für eine frische Dosis Sauerstoff in die Lunge zurückgeführt werden. Und dann wiederholt sich der Vorgang. Dieser Kreislaufprozess ist für das weitere Leben der Zellen, Gewebe und sogar des gesamten Organismus notwendig. Bevor wir über das Herz sprechen, sollten wir einen kurzen Hintergrund über die zwei breiten Arten der Zirkulation geben, die bei Tieren vorkommen. Wir werden auch die fortschreitende Komplexität des Herzens diskutieren, wenn man die Evolutionsleiter hinaufsteigt.

Viele Wirbellose haben überhaupt kein Kreislaufsystem. Ihre Zellen sind nahe genug an ihrer Umgebung, damit Sauerstoff, andere Gase, Nährstoffe und Abfallprodukte einfach aus und in ihre Zellen diffundieren können. Bei Tieren mit mehreren Zellschichten, insbesondere bei Landtieren, funktioniert dies nicht, da ihre Zellen zu weit von der äußeren Umgebung entfernt sind, um durch einfache Osmose und Diffusion schnell genug Zellabfälle und benötigtes Material mit der Umwelt auszutauschen.

Offene Kreislaufsysteme

Bei höheren Tieren gibt es zwei Haupttypen von Kreislaufsystemen: offen und geschlossen. Arthropoden und Weichtiere haben ein offenes Kreislaufsystem. In dieser Art von System gibt es weder ein echtes Herz noch Kapillaren, wie sie beim Menschen vorkommen. Anstelle eines Herzens gibt es Blutgefäße, die als Pumpen dienen, um das Blut voranzutreiben. Anstelle von Kapillaren verbinden sich Blutgefäße direkt mit offenen Nebenhöhlen. "Blut", eine Kombination aus Blut und interstitieller Flüssigkeit, die als "Hämolymphe" bezeichnet wird, wird aus den Blutgefäßen in große Nebenhöhlen gedrückt, wo es die inneren Organe tatsächlich badet. Andere Gefäße erhalten Blut aus diesen Nebenhöhlen und leiten es zurück zu den Pumpgefäßen. Es ist hilfreich, sich einen Eimer mit zwei Schläuchen vorzustellen, die mit einer Quetschbirne verbunden sind. Wenn die Glühbirne zusammengedrückt wird, drückt sie das Wasser zum Eimer. Ein Schlauch schießt Wasser in den Eimer, der andere saugt Wasser aus dem Eimer. Dies ist natürlich ein sehr ineffizientes System. Insekten können mit dieser Art von System auskommen, weil sie zahlreiche Öffnungen in ihren Körpern (Spiracles) haben, die es dem "Blut" ermöglichen, mit Luft in Kontakt zu kommen.

Geschlossene Kreislaufsysteme

Das geschlossene Kreislaufsystem einiger Weichtiere und aller Wirbeltiere und höheren Wirbellosen ist ein viel effizienteres System. Hier wird Blut durch ein geschlossenes System von Arterien, Venen und Kapillaren gepumpt. Kapillaren umgeben die Organe und sorgen dafür, dass alle Zellen die gleichen Chancen haben, ihre Abfallprodukte zu ernähren und zu entfernen. Sogar geschlossene Kreislaufsysteme unterscheiden sich jedoch, wenn wir den Evolutionsbaum weiter nach oben bewegen.

Eine der einfachsten Arten von geschlossenen Kreislaufsystemen findet sich in Anneliden wie dem Regenwurm. Regenwürmer haben zwei Hauptblutgefäße - ein dorsales und ein ventrales Gefäß -, die Blut zum Kopf bzw. zum Schwanz befördern. Das Blut wird durch Kontraktionswellen in der Gefäßwand entlang des dorsalen Gefäßes bewegt. Diese kontrahierbaren Wellen werden "Peristaltik" genannt. Im vorderen Bereich des Wurms gibt es fünf Paare von Gefäßen, die wir lose als "Herzen" bezeichnen und die die dorsalen und ventralen Gefäße verbinden. Diese verbindenden Gefäße fungieren als rudimentäre Herzen und zwingen das Blut in das ventrale Gefäß. Da die äußere Hülle (die Epidermis) des Regenwurms so dünn und ständig feucht ist, gibt es reichlich Gelegenheit zum Austausch von Gasen, was dieses relativ ineffiziente System möglich macht. Es gibt auch spezielle Organe im Regenwurm, um stickstoffhaltige Abfälle zu entfernen. Dennoch kann Blut zurückfließen und das System ist nur geringfügig effizienter als das offene Insektensystem.

Zweikammerherz

Wenn wir zu den Wirbeltieren kommen, beginnen wir mit dem geschlossenen System echte Wirkungsgrade zu finden. Fische besitzen eine der einfachsten Arten von wahren Herzen. Ein Fischherz ist ein Zweikammerorgan, das aus einem Atrium und einem Ventrikel besteht. Das Herz hat Muskelwände und eine Klappe zwischen seinen Kammern. Das Blut wird vom Herzen in die Kiemen gepumpt, wo es Sauerstoff erhält und Kohlendioxid entfernt. Das Blut gelangt dann zu den Organen des Körpers, wo Nährstoffe, Gase und Abfälle ausgetauscht werden. Es gibt jedoch keine Aufteilung des Kreislaufs zwischen den Atmungsorganen und dem Rest des Körpers. Das heißt, das Blut wandert in einem Kreislauf, der Blut vom Herzen zu Kiemen zu den Organen und zurück zum Herzen führt, um seine Kreislaufreise wieder aufzunehmen.

Dreikammerherz

Frösche haben ein Herz mit drei Kammern, das aus zwei Vorhöfen und einem einzelnen Ventrikel besteht. Das den Ventrikel verlassende Blut gelangt in eine gegabelte Aorta, in der das Blut die gleiche Chance hat, durch einen Kreislauf von Gefäßen, die zur Lunge führen, oder einen Kreislauf, der zu den anderen Organen führt, zu wandern. Blut, das von der Lunge zum Herzen zurückkehrt, gelangt in ein Atrium, während Blut, das vom Rest des Körpers zurückkehrt, in das andere Atrium gelangt. Beide Vorhöfe entleeren sich in den einzelnen Ventrikel. Während dies sicherstellt, dass immer etwas Blut in die Lunge und dann zurück zum Herzen fließt, bedeutet das Mischen von sauerstoffhaltigem und sauerstoffarmem Blut in der einzelnen Herzkammer, dass die Organe nicht mit Sauerstoff gesättigtes Blut erhalten. Trotzdem funktioniert das System für ein kaltblütiges Wesen wie den Frosch gut.

Herz mit vier Kammern

Menschen und alle anderen Säugetiere sowie Vögel haben ein Vierkammerherz mit zwei Vorhöfen und zwei Ventrikeln. Desoxygeniertes und sauerstoffhaltiges Blut werden nicht gemischt. Die vier Kammern sorgen für eine effiziente und schnelle Beförderung von stark sauerstoffhaltigem Blut zu den Organen des Körpers. Dies hilft bei der Wärmeregulierung und bei schnellen, anhaltenden Muskelbewegungen.