Tier­phy­sio­lo­gie: Wie funk­tio­nieren Tieren? Wie sind die Mecha­nismen in der Evolution entstan­den?

Tierphysiologie

Grundfragen:

Wie funktionieren Tiere (Menschen)?

Wie sind innere Vorgänge an die Erfordernisse der Umwelt angepasst?

Wie sind die Mechanismen in der Evolution entstanden?

1. Konzepte & Geschichte

3 Konzepte:

Schmidt-Nielsen: Sauerstoff ( Atmung, Blut, Kreislauf)

Nahrung (Nahrung, Stoffwechsel, Temperatur)

Wasser (Osmoregulation, Exkretion)

Bewegung (Muskeln, Bewegung)

Integration (Nerven, Hormone, Sinne)

Eckert: Prinzipien ( Moleküle, Membranen, Transport)

Prozesse (Botenstoffe, Nerven, Muskeln, Verhalten)

Integration (Herz& Kreislauf, Gas, Ionen, Ernährung, Energie)

Penzlin: Energetik (Thermodynamik, Biokatalyse, Membran)

Kommunikation (Hormone, Nervenzelle)

Stoff & Energiestrom (Ernährung, Atmung, Exkretion, Ionen, Abwehr)

Informationsstrom: ( Sinne, Muskeln, Verhalten)

Wir bedienen uns einer Mischform (vegetative /animalische Tphy.):

• Räumliche und zeitliche Grenzen von Methoden (von Millisekunde bis Stunden/Tage)

Verhalten -> System & Bahnen -> Zentrale & lokale Kreise -> Neuronen -> Mikroneuronen -> Synapsen -> Membran & Moleküle

• Griechen Philosophen Beschreiben Gehirn & Seele -> 15/16 Nervensystem u. Gehirn unabhängiger Mechanismus von Seele -> 17/18 elek. NS -> 19 chem. Synapsen -> 1960 Neurointeraktionen -> 70 DNA/Protein -> 80 Computer/neue Modelle NS und Funktion ( Vision/Sprache/Erinnerung/Logik)

1. Atmung A Vegetative Physiologie

• Physikalische Veränderungen: Entstehung/ Diffe renzierung von Lebewesen

• Mehr 0₂ = Vielzeller

• Stabile Ozonschicht (UV-Schutz) = Landtiere

• Sauerstoffangebot in vers. Lebensräumen ( Meere, Flüsse, Seen, Land) sehr unters.

• Mit zunehmender Höhe sinkt der Luftdruck, d.h. der Sauerstoffpartialdruck bzw. Sauerstoffkonzentration (mbar)

• Tiere in variablen Biotope = müssen Schwankungen der Partialdrucke von O₂ & Co₂, d.h. auch pH des Wassers ausgleichen können

• z.B. Gezeitentümple: Flut: Bedingungen wie im Meer

• Ebbe: tags (da Photosynthese) -> PO₂ + / pH – n nachts: umgekehrt

1.1. Atmung

• Zur Erhaltung eines CO2 Spiegels innerhalb enger, konstanter Grenzen

1. Zellatmung: Mechanismen der oxidativen Umsetzung von Nährstoffen in den Zellen

2. Externer/interner Gasaustausch: Aufnahme & Abgabe der Atemgase und deren Transport im Körper und zu den Zellen

3. Konvektion: Wasser/ Blut/Luftströme erzeugt von biologischen Pumpen ( Herz/Lunge ect.) die gelösten Teilchen werden passiv mittransportiert

• Ventilation: dringt O₂ in d. respiratorisches Organ(Lunge) ein

• Perfusion: wird O₂ zu den Zellen transportiert (Fick`sche Prinzip)

• Umgebungsbedingungen

1.2. Diffusion & Partialdruck

• Gasaustauschorgane ( Körperoberfläche, Kiemen, Lungen) transportieren das Gas von einem ins andere Medium mit Hilfe der Diffusion (0₂ rein, Co₂ raus)

• Dabei ist nicht der Konzentrationsunterschied entscheidend, sondern die Partialdruckdifferenz (modifiziertes Fick`sche Diffusionsgesetz)

• Aufgrund der“ Gleichverteilungsbedürfnis“ einer Substanz herrscht solange ein Netto-Flux, bis dieser Konzentrationsunterschied wieder Ausgeglichen ist

• Bei Substanzen diffundiert der Netto-Flux vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren K.

• Bei Gasen (O₂) ist aber nicht die K. zweier unterschiedlichen Medien entscheidend, sondern die Partialdruckdifferenz -> d.h. diffundiert 0₂ vom Ort der niedrigeren K. zum Ort der höheren K.

2.1. Universelle Gasgleichung: PV = nRT / P ges. = P O₂ + P CO₂

2.2. Das Henry´sche-Gesetz: (G)_{mol K}= P* L / im Gleichgewicht (O₂ in Lsg)

• Externer Transport der Gase (0₂ u. Co₂-abgabe aus Wasser oder Luft)

• Gaskonzentration (C) und Partialdruck (P) sind verknüpft über den Kapazitätskoeffizienten (β) bei Luft/ in Wasser Löslichkeitskoeffizient(α) β=α

• Dabei gilt: Gasphase β_g O₂ = β_g CO₂ hingegen in Wasserphase β_w O_{2 viel} ≤ β_w O₂

d.h. auch Blutgaspartialdrücke bei Wasser/Luftatmer grundverschieden

Wasseratmer haben d.h. große Probleme genügend O₂ aufzunehmen, aber dafür geben Sie problemlos CO₂ ab

2.3. Partialdruckdifferenz

• Menge O₂ durch geringere Diffusion & Konzentration im Wasser begrenzt

• D.h. müssen Kiemenatmer hohen Partialdruckdifferenz zw. Atemorgan u. Blut erhalten

1.2.4. Modifiziertes Fick´sches Diffusionsgesetz (elek. Leitwert in komplexen Wechselstrom)

• Mediumsstrom und dessen quantitative Beschreibung

m = D * F / L * (C1 - C2) m = K * F / L * ( P1 - P2)

K = a * D

m diffundierende Menge (mol)

K Kroghsche Konstante (Sauerstoff diffundiert schneller als Co2, da es leichter ist)

D Diffusionskonstante P Partialdruck

F Fläche a Löslichkeit

l Weg oder Membrandicke

D Diffusionskonstante C Konzentration

F Fläche

Weg oder Membrandicke

1.3. Atemorgane Allgemein

3.1. Unterschiede

3.2.Wasseratmung durch Kiemen/Hautlappen bei Invertebraten

1.3.3.Prinzipien der Atmung

1.4. Tracheen

4.1. Aquatische Insekten, Plastronatmung der Wasserinsekten

• Sowohl offenes bzw. geschlossenes Tracheensystem

• Entziehen dem Wasser oder der Luft O₂

• Stigmen: Eintrittsöffnung von O₂ ins Röhrensystem (Tracheen/ Trachelolen) der Insekten -> Stigmen können durch Deckel teilweise verschlossen werden

• Gastransport über Diffusion und Pumpen (Atembewegung des Körpers)

• Die aktive Tracheenkontraktion unterstützt die Ventilation

4.2. Unterschied Plastron/ Physikalische Lunge

2.1. Plastron (z.B. Wasserwanze)

• Inkompressible Gaskieme, echte Wasseratmer -> Luftvolumen Konstant!!!

• Durch Polster aus vielen, feinen, hydrophobe Haare auf der Kutikula, in der sich eine dünne Luftblase (Plastron) verfängt

• Das Plastron liegt innerhalb der Brustplatte

• Die Luftschichten (Plastron) zwischen den Haaren wird von Wasserdruck nicht beeinträchtig Aufgrund der Kohäsionskräfte des Wassers (Wasserspannung)

• Vermutlich ist N₂ in Blase u. Wasser konstant

• Da das Tier Sauerstoff verbraucht, sinkt der Sauerstoffpartialdruck PO₂ ↓ u. d.h. auch der Luftdruck in dieser Schicht P_atm ↓

• So kann O₂ aus dem Wasser ins Plastron diffundieren und wird weitergeleitet ins Tracheensystem

1.4.2.2.Physikalische Lunge (z.B. Rückenschwimmer)

• kompressible Gaskieme, kein echter Wasseratmer

• hydrophobe Haare Nähe der Tracheen (Bauchseite) dienen zur Bildung einer Blase

• Gasbewegung abhängig von Partialdrücken: 0₂, CO₂, N₂ + ges. Druck in der Blase

• Austausch über Blase/Wasser + Blase/Tracheensystem/Gewebe (Abgabe CO₂ ins H₂0)

• Wasserphase/Atmosphäre P konstant 742 mm Hg

• Unter der Oberfläche verbraucht das Tier O_2, d.h. nimmt O₂-Gehalt ab

• der Sauerstoffpartikeldruck sinkt demnach (PO₂ ↓)

• Der Luftdruck in der Blase (P_atm= konstant) bleibt aber gleich, sodass der Stickstoffpartikeldruck steigt (PN₂ ↑)

• P_atm = PO₂ + PN₂

• Da Wasseroberfläche mit Luft äquilibriert (im Gleichgewicht) ist entstehen Partialdruckdifferenzen für Sauerstoff und Stickstoff

• ( pO₂) abnimmt ↓ = steigt ( p N₂ ↑); da (P_atm= konstant)

• Da der p N₂ größer wird als der entsprechende Umgebungspartikeldruck diffundiert Stickstoff aus der Blase in die Umgebung

• Und Sauerstoff aus der Umgebung in die Blase

• Konsequenz:

• Blase schrumpft, da N2- Verlust ( Tier muss zurück an die Oberfläche)

• ≤ Tauchtiefe, ≤ steigt mit Wasserdruck auch Luftdruck in Blase, da ≤ mehr Partialdruckdifferenz für Stickstoff ≥ schnell kleinere Blase

• Tauchen: Wasser -> Tracheen: pO₂ (100 mm Hg)+ pN₂(640 mm Hg) + CO₂ P_ins. = 740

• N₂- Verlust in Blase bereits 1m Tiefe, Blasengröße verringert sich schnell

• Anfangszustand: pO₂ (165 mm Hg)+ pN₂( 704 mm Hg) + CO₂ P_INS.=814

• O2 + N2- Verlust ins Wasser, kleiner werdende Blase

• Endzustand: pO₂ (100m Hg)+ pN₂( 714mm Hg) + CO₂ p_ins.=814

• N2 –Verlust, 0₂-Aufnahme aus dem Wasser, Blasengröße verringert sich weiter

1.5. Grundmodelle des Gasaustausches bei Wirbeltieren

1. 6.Kiemen

6.1. Anatomie

• Bei ventilierenden Wasseratmern (Fischen, Crustaceen)

• Gegenstromaustausch durch Wasserstrom/ Blutstrom (Höhe Ausnutzung des Sauerstoffs)

• Einströmendes Wasser: hohen O₂-Partialdruck und niedrigen CO₂-Partialdruck

• Kapillarblut bereits O₂ gesättigt und CO₂ arm, d.h. tausch das Wasser kurz vorm Ausstrom Gase mit dem venösem Kapillarblut aus

• Bei Knochenfischen Kiemen mit :

• 4 Kiemenbögen an jeder Seite des Kopfes

• Jeder Bogen hat 2 Reihen dorsoventral abgeflachte Kiemenblätter,

• mit senkrechten (oben/unten) sitzenden dünnhäutige Kiemenlamellen(sekundärer)

• in den Lamellen fließt das Blut entgegengesetzt zum Wasserstrom

• Durch das Partialdruckgefälle (konstant über ganze Lamelle) diffundieren Gase zw. Wasser/ Blut durch mehrere Schichten:

• Äußere Schleimschicht, Epithel, Basalmembran, Kapillarendothel, Blutplasma und Zellraum der Erythrocyten

1.6.2. Besonderheiten und Unterschiede bei der Atmung der Fischen

1. Hochaktive Fische haben eine stark vergrößerte Kiemenoberfläche. Zahlen geben Kiemenfläche in Relation zum Körpergewicht an

2. Der Sauerstoffgehalt eines schwimmenden Fisches, nimmt bei steigender Schwimmgeschwindigkeit stetig zu. Zur Abnahme von O2 kommt es trotz erhöhter Geschwindigkeit nur, wenn der Fisch von der Kiemendeckelpumpe zu der Staudruckventilation übergeht

Merke:

die meisten sind moderne Teleostei (Knochenf.); nur letzter echter Dipnoi (Lungenfisch)

akzessorische (zusätzliche zu den Kiemen) oder obligate Luftatmer

6.3. Schwimmblase Unterschiede

• um Dichte des Körpers zu kompensieren- erzeugt neutralen Auftrieb

• dient auch als Atemorgan (primär/sekundär)

Physostomen: Schwimmblase über Kanal mit Oesophagus verbunden (z.B. Angulilla)

Physocilisten: k. Verbindungskanal, Gas geht direkt über Blut in Schwimmblase (Barsch)

1.6.4. Lunge und Hautatmung beim Frosch (Amphibie)

• Offen (Blutkapillaren/ Haut/ Atmosphäre)

• Mechanismus bei dem nie Frischluft, sondern immer nur Mischluft in die Lunge gelangt!

• Im Jahresverlauf bleibt die Hautatmung weitestgehend konstant, während die Lungenatmung im Frühjahr stark zunimmt

• Allgemein gilt: 1. ≤ 5° mehr Haut als Lunge

2. ≥ 8 ° umgekehrt

3. CO₂ -Abgabe stets größer über Haut als über Lunge

• Mechanismus

1. Luft strömt in die Tasche am Mundhöhlenboden (Kehloszillation)

2. Kehldeckel (Glottis) öffnet sich,

• Lungenvolumen wird verringert durch:

• elastische Rückstellkraft der Lunge u. Kompression der Brustwand

• Luft wird aus der Lunge heraus u. aus Mund u. Nasenlöcher gepresst

3. Mund und Nasenlöcher verschließen sich

• Mundhöhlenboden hebt sich

• Luft wird in die Lunge gedrückt

4. Kehldeckel schließt sich

• Gasaustausch in der Lunge

1.7. Lungen der Wirbeltiere (Entwicklung der Lunge)

7.1. Anatomische Voraussetzung der Atmung

• Diaphragma: Thorax-erweiterung durch bei der Abwärtsbewegung des Zwerchfells u. das Anheben der unteren Rippenränder

• Inspiration: Mm. Intercostales interni (Rippensenkung)

• Exspiration: Mm.intercostales externi (Rippenhebung)

7.2. Steuerung der Atmung

• Das Atemzentrum in der Medulla oblongata (Verlängertes Mark) steuert die Atmung. Dazu werden ständig im Blut gemessen:

• Sauerstoffgehalt des Blutes (= pO₂ = O₂-Partialdruck)

• Kohlendioxidgehalt des Blutes (= pCO₂ = CO₂-Partialdruck)

• Diese Steuerung durch das Atemzentrum hält den Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt sowie den pH-Wert in engen Grenzen konstant.

2.1. Besonderheit: Surfactanz

• oberflächenaktive Substanz in Lunge aus 90% Lipide und 10% Proteine

• Expansion/ Kompression abhängig von Dichte des Surfacant

• Anteil in Wirbeltierlungen mit Größe des Tieres/Lunge ansteigend

• 1.Senkung des Eröffnungsdrucks

• Erhöhung der Lungennachgiebigkeit

1.2.3.Gasaustausch (Pool)

• Durch Konvektive Ventilation gelangt der Luftstrom in die Lunge hervorgerufen von Volumen – u. Druckveränderung im Acinus

• Der konvektive Luftstrom gelangt über Luftröhre/ Haupt- u. Nebenbronchien/ Terminalbronchien in die Gasaustauschzone: Acinus

• Respiratorische Bronchiolen, Alveolengänge, Alveolensäcke, Alveolen

• Gasaustausch zw. Blut u. Acini über Diffusion (d.h. Luftphase (endalveolar Raum) u. unterschiedliche wässrige Medien(Zellen, Plasma) -> dabei ist die Luftphase leichter u. schneller

• die Diffusionsstrecke in wässriger- Phase ist minimiert und die Diffusionsfläche maximiert (ca. 300 Million Alveolen)

• So gleichen sich die Partialdrücke im strömenden Kapillarblut fast denen in den Lufträumen an, abzüglich der für den diffusen Transportweg benötigt wird

• O₂Sauerstoff diffundiert von der Aveole in den Erythrozyten (Kapillarblut) und wird vom Hämoglobin chemisch gebunden

• CO₂Kohlendioxid ( aus Bikarbonat o. Karbaminoverb.) nimmt den umgekehrten Weg

• Einatmung: Luft gelangt konvektiv in die Aveloen -> 0₂ diffundiert ins Blut-> eindiffundiertes CO₂ reichert sich zusammen mit Wasserdampf an

• Ausatmung: Mischung Alveolarluft mit Restluft aus Atemwegen

• D.h. mit Wasserdampf gesättigt, mehr O₂ und weniger CO₂ als Alveolarluft

• Durch Restluftbeimischung und Partialdruckabfall in der wässrigen Phase besitzt die Ausatmungsluft einen deutlichen höheren Sauerstoffpartialdruck als arterielles Blut

1.7.3. Vogellunge

• Kreuzstrom (zw. Luftstrom in Parabronchien u. Blutstrom in den Kapillaren)

• Permanent durchströmtes Organ, nach Dudelsackprinzip

• Sehr effektiver Gasaustausch sowohl beim Ein- u. Ausatmen ein

• Ges. Atemvolumen kann so in 2 Zügen ausgetauscht werden

• Schaukelartige Bewegung mit Sternum (Atmung)

• Dadurch werden abwechselnd der vordere/hintere Luftsack gequetscht

• Sodass die Luft über die Lungenpfeifen in die Parabronchien (zw. v/h Luftsack) geleitet wird

• Und dann diffundiert O₂ von dort aus an die senkrecht angeschlossenen Luftkapillaren Richtung Gewebsschichten (Blutkapillaren)

Praktikum Atmung + indirekte Kalometrie

Atmung ist der Energiegewinnung aus Oxidation eines energiereichen (reduzierten) Subtrats durch Reduktion eines Elektronen akzeptierenden Subtrats (Sauerstoff)

1. Steuerung und Regulation der Atmung

1. Atemzentrum: in Modulla oblongata

• Rhythmusgenerator: erregungsantrieb aus RAS (reticuläres aktivierendes System) der Formatius reticularis im Hirnstamm

1.1. inspiratorischen (I-) Neuronen

• kontrolliert Atemrhythmus:

• starten abrupt, steigern schnell die Aktivierung und mit Erreichen eines Schwellenwerts bauen sie diese ab

• Weg:

• Signal über Reticuspinale Axone

• Spinale Motoneurone der Atemmuskulatur

• Kontraktion der äußeren Zwischenrippen – und Diaphragma-Muskeln (Inspiration)

1.2. exspiratorisch (E-) Neuronen

• nur bei forcierten Atmung und willentlich aktiv, in Ruhe ist Exspiration passiv

2. Regulation

Atemregulation steht im Dienst der Homöostase, Anpassung der Atmung an Stoffwechselleistung

2.1. Regelgrößen der Atmung: im arteriellen Blut, Blutgas

• CO2 –Partialdruck

• O2 – Partialdruck

• pH-Wert/ Wirkung

• über chemische Rezeptoren (chemosensible Strukturen) wahrgenommen, wenn Istwert vom Sollwert abweicht

• wird Atemzentrum zu Aktivitätsänderung veranlasst

• Änderungen über Nervenwege modifiziert

• Tätigkeit der Atemmuskulatur zur Angleichung an Sollwert

2.2. Strukturen

3. Spirograph

• Vorrichtung zur Messung Atemvolumen (Inspiration/Exspiration)

• Mittels Glocke im Wasserbad

• Aus dem Atemfluss wird über die Zeit, das Atemvolumen integriert

• BTPS- Korrektur (Body –Temperatur, Pressure, Wasser gesättigt )

• Rechnerische Korrekturen notwendig da: Feuchtigkeit + Temperatur

• Volumenverlust: wasserdampfgesättigte Luft wird ausgeatmet, durch Abkühlung Kondensiert Wasser an Schläuchen (Messanordnung)-> Wasserdampfdruck sinkt + verliert Feuchtigkeit

• Volumenzunahme, denn eingeatmete Luft wird durch die am Schlauch niederschlagende Luft befeuchtet

5. Muskeln der Lungenventilation

Wirkung der Atemmuskulatur

• Bei der Abwärtsbewegung des Zwerchfells wird der Thorax geweitet.Gleichzeitig werden die unteren Rippenränder gehoben, was den Toraxraum zusätzlich erweitert

• Die Innervation des M.i.c.externi hebt die Rippen + vergrößert den Durchmesser des Thorax und dient damit der Inspiration

• Die m.i.c.interni dienen der Experiation ; senken Rippen + verkleinern Thorax-Durchmesser

1. Hauptmuskeln: Zwerchfell (Diaphragma)

• Aüßere Zwischenrippenmuskeln (M.intercostales externi ): Inspiration (Rippen heben)

• Innere Zwischenrippenmuskulatur( m.intercostales interni): Expiration (Rippensenken)

2. Atemhilfsmuskeln.

• kleiner u. großer Bauchmuskel (M. pectoralis minor et major): Inspiration

• vorderer Sägemuskel

• Kopfwender

• Bauchmuskeln/Ledenmuskeln/ breiter Rückenmuskel: Exspiration

6. Atemvolumina

6.1. Totraumvolumen

• Beschreibt Volumen der Atemwege, Luftführende Strukturen

• Abschnitte: Nase u. Mundhöhle, Rachen, Tracheen, Bronien, Bronchioli (150 ml)

• Funktion: Atemluft wird gereinigt, angefeuchtet, gewärmt und transportiert

7. Indirekte Kalometrie

• Methoden zur Messung des Energieumsatzes eines Organismus

• Verbrauchte Sauerstoffmenge wird gemessen (direkte Kalomerie= Wärmemessung)

• Für Rückschluss auf die umgesetzte Energiemenge

• Voraussetzungen: Tiere mit aeroben Katabolismus, besitzen keine O2-Speicher, feste Beziehung zw. O2-Menge und freigesetzter Energie, unabhängig von Stoffklassen

7.1. Direkte Kalometrie

• Messung der freigesetze Wärmeenergie

• Benötigt geschlossenes System; Keine gespeicherte Arbeit messbar

• Energietische Abgabe von Stoffen (Kot, Haare ect)

7.2. Anteilige Zusammensetzung der Nahrung nach Stoffklassen oder RQ

• Energieumsatz = Sauerstoffaufnehme x kalorische Äquivalent

2. Herz & Kreislauf

2.1. Kreislauf: offen & geschlossen

Mechanismus bei Ein – Mehrzellern um jede Zelle im Körper mit aufgenommenen Nährstoffen und O2 zu versorgen bzw. Endprodukte auszuscheiden.

• Kanäle: Transportsystem bei niedrig Entwickelten

• Kreislaufsystem: bei komplex Entwickelten ( ab Annelida geschlossen… )

• Ab Lungenfischen neben KS auch Lymphsystem (Lymphknoten reinigen interstitielle Flüssigkeit)

Mehrzeller zu groß (mehrschichtige Gewebe/komplexe Organe), d.h. zusätzliches System (Kanalsystem) um größere Strecke schneller zu überwinden

• Hämolymphe (Bluterzsatz) umspült Organe im Mixocoel

• Mixocoel (prim./sek. Leibeshöhle) : höhere Vertebraten

1.1. Übersicht Kreislaufsystem

1.2. Vergleich Kreislaufsysteme

Invertebraten:

2.1. Offenes System bei Invertebraten:

• Zirkulierende Flüssigkeit von Gewebsflüssigkeit nicht getrennt. Hämolymphe wird durch Interzellularräume befördert, wenn Tier sich bewegt (unterstützt durch Herz)

• Die Kontraktion treibt Hämolymphe durch Arterien in versch. Körperregionen, wo sie Gefäße verlässt und durch Lakunen ins Gewebe sickert und

• anschließend kehrt sie zum Herzen zurück.

• Dorsales Herz pumpt Hämolymphe nach vorne in die Arterien

• Von dort aus geht’s ins Mixocoel -> umspület dann Gewebe und Zellen

• aufnehmende Gefäße führen Hämolymphe wieder zum Herzen

• zw. Gefäße und Herz 0₂ -Aufnehme (bei Crustaceae) über Kiemen

Merke: Ausnahme Invertebraten: mit geschlossens KS

• Crustaceae (Kopffüßler), Annelida(Ringelwürmer):

besitzen aber kein Kapillarsystem (Blutlakunen); bzw. Spalträume im Gewebe ohne eigene Wandung

Vertebrate

2.2. Geschlossenes Kreislaufsystem

• Adern halten das zirkulierende Blut von der Gewebsflüssigkeit getrennt. Blut wird von einem oder mehreren Herzen durch das Gefäßsystem gepumpt

• erstmals ab Annelida

• Das Blut wird vom Herzen mit hohem Druck ins arterielle System gepresst,

• Strömt dann in die Kapillaren, die zum Stoffaustausch mit dem Gewebe dienen

• ( Diffusion/ Filtration)

• Hoher Druck ermöglicht zudem Ultrafiltration in den Nieren

Arthropoden (Spinnen)

2.3. Mischform : aus offenen/ geschlossenen Kreislaufsystem

• Lokomotion u. Herzkontraktion für Blutstrom gleichermaßen wichtig !

• röhrenförmiges Herz, auf gehangen im Perikard gehalten durch Ligamente (Hinterleib)

• Geschlossene, gefäßbegrenzte und offene Bereiche (Spalt- Zwischenräume)

• Arterielles System: gerichtete, rasche Blutverteilung

• Kreislauf: Niederdrucksystem – begrenzt, durch fehlende Kapillarisierung, die dicke des Herzens

• Diffusion: zw. Hämolymphe und Herzmuskelzellen

Hämolymphe als Hydraulikflüssigkeit (dringen bei Streckung in Beine ein)

Versorgung des Vorderleibs über Aorta, eine Hauptarterie in jedes Bein

Durch recht grobe Arteriolen und anschließenden offenen Hämolymphraum (Versorgung Muskelfaser/ Gewebe) gelangt die Hämolymphe zu den Buchlungen

Die Buchlungen halten einen konstanten Druck bei Systole und Diastole aufrecht

Der venöse Rückfluss der Hämolymphe aus dem offenen System wird vom Niederdrucksystem (Ansaugung, da Unterdruck in beiden Kammern) gewährleistet

bei schneller Bewegung kommt es zu Probleme zw. Lokomotion/ Zirkulation die zur anaeroben Energie Gewinnung führen

• die Zirkulation im Vorderleib bei rascher Bewegung sinkt und die Hämolymphe kann so schnell nicht vom Herzen nach vorne gepumpt werden

2.4. Unterschiede Rückfluss

2.5. Herztypen

2.6. Vertebraten: Unterschiede bei KS bei Vögeln /Säugern

• geschloss. KS mit 1x Herz und 2-4 Kammern

• Ventile/ Klappen zw. Kammern und zw. Kammern/ Gefäßen verhindern Rückfluss, wenn Herz kontrahiert

• Entwicklung zeigt Trennung zw. Blut/Lungenkreislauf durch Scheidewand

Vögel haben aber mehr rote Blutkörperchen (für Flugleistung) + besitzen Atmungssystem mit Luftsäcke

2.3. Kreislauf der Wirbeltiere

3.1. Übersicht

Merke: Ausnahme : Beispiel Afrikanischer Lungenfisch

• Trennung zw. O₂ armen/ O₂ reichen Blut

• durch Septum zw. Vor u. Hauptkammer !!!

• und der Spiralfalte im Bulbus cordis

• zudem gelangt Blut nicht über Kiemenlamellen, sonder direkt von der Aorta dorsales in den Körperkreislauf

• je nach ob der Fisch Luft / oder H₂O atmet, arbeiten Ductus – und das pulmonale vasmotorische Segment entgegengesetzt (Richtung Lunge/ Aorta)

Herzschlagfrequenz abhängig von:

• Gewicht

• Grundsätzlich bei Invertebraten (Niederdrucksystem) geringer als bei Vertebraten!

2.4. Herz

4.1.Aufbau Herz

• 4 Kammern, 2 Atrien, 2 Ventrikel

• Sinusknoten: Auslöser für autorythmischen Herzschlag (Bioelektrizität)

• rechte Herz : pumpt Blut durch Lungenkreislauf

• linke Herz: durch den Körperkreislauf (dickwandiger)

• Segelklappen verhinder Rückfluss zum Atrium bei Ventrikelkontraktion

• Taschenklappen verhindern Rückfluss aus Aorta/Lungenarterie in die Ventrikel

Herztöne werden von Schließmechanismus der Herzklappen verursacht

4.2. Herzzyklus:

1. Kontraktion der Atrien

2. Kontraktion der Ventrikel (Systole)

3. Entspannung der Ventrikel (Diastole)

2.5.Blutdruck

5.1 Hydrodynamik

Die Gesamtenergie einer Strömung setzt sich zusammen aus:

• Internen Druck

• der Schwerkraft

• der kinetischen Energie

5.2.Merkmale:

• Waagerechtes Rohr: Reibungswiderstand führt zum Druckabfall entlang des Rohes

• Verengung im Rohr: Strömungsgeschwindigkeit punktuell erhöht, Erhöhte Geschwindigkeit führt zum Druckabfall

• U-förmiges Rohr: Ruhezustand im Rohr. Durch Schwerkraft jedoch hoher Druck am Boden des Rohres, Arme Druck deutlich schwächer

Auf Kreislauf übertragen:

Höhendifferenz: Giraffe: brauchst starkes Herz um Blut 2 Meter hoch in den Kopf zu pumpen, ein Mensch würde bei gleichen Blutdruck in Lebensgefahr schweben

Neigungswinkel: Schlange: Blutdruck steigt bei spitzen Winkel des Kopfes??

2.5.3. physikalische Grundlagen der Hämodynamik (Poiseuille Gesetz)

• Flüssigkeiten sind nicht kompressibel: