Biologie I (Deutsch)

Bei allen Tieren, mit Ausnahme einiger einfacher Arten, wird das Kreislaufsystem zum Transport von Nährstoffen und Gasen durch den Körper verwendet. Die einfache Diffusion ermöglicht einen Wasser -, Nährstoff -, Abfall-und Gasaustausch in primitive Tiere, die nur wenige Zellschichten dick sind; Bulk Flow ist jedoch die einzige Methode, mit der auf den gesamten Körper größerer komplexerer Organismen zugegriffen wird.,

Kreislaufsystemarchitektur

Das Kreislaufsystem ist effektiv ein Netzwerk zylindrischer Gefäße: die Arterien, Venen und Kapillaren, die von einer Pumpe ausgehen, das Herz. In allen Wirbeltierorganismen sowie einigen Wirbellosen ist dies ein geschlossenes System, in dem das Blut nicht in einem Hohlraum frei ist. In einem geschlossenen Kreislaufsystem ist Blut in Blutgefäßen enthalten und zirkuliert unidirektional vom Herzen um den systemischen Kreislaufweg herum und kehrt dann wieder zum Herzen zurück, wie in Abbildung 1a dargestellt., Im Gegensatz zu einem geschlossenen System haben Arthropoden – einschließlich Insekten, Krebstiere und die meisten Mollusken—ein offenes Kreislaufsystem, wie in Abbildung 1b dargestellt. In einem offenen Kreislaufsystem ist das Blut nicht in den Blutgefäßen eingeschlossen, sondern wird in einen Hohlraum gepumpt, der als Hämocoel bezeichnet wird und Hämolymphe bezeichnet wird, da sich das Blut mit der interstitiellen Flüssigkeit vermischt. Wenn das Herz schlägt und sich das Tier bewegt, zirkuliert die Hämolymphe um die Organe in der Körperhöhle und tritt dann durch Öffnungen, die Ostia genannt werden, wieder in die Herzen ein. Diese Bewegung ermöglicht den Gas-und Nährstoffaustausch., Ein offenes Kreislaufsystem verbraucht nicht so viel Energie wie ein geschlossenes System, um zu funktionieren oder aufrechtzuerhalten; Es gibt jedoch einen Kompromiss mit der Blutmenge, die in metabolisch aktive Organe und Gewebe verschoben werden kann, die einen hohen Sauerstoffgehalt benötigen. Tatsächlich liegt ein Grund dafür, dass Insekten mit Flügelspannweiten von bis zu 70 cm heute nicht da sind, wahrscheinlich daran, dass sie vor 150 Millionen Jahren mit der Ankunft von Vögeln überfordert waren. Vögel, die ein geschlossenes Kreislaufsystem haben, sollen sich beweglicher bewegt haben, so dass sie schneller Nahrung bekommen und möglicherweise die Insekten jagen können.,

Abbildung 1. In (a) geschlossenen Kreislaufsystemen pumpt das Herz Blut durch Gefäße, die von der interstitiellen Flüssigkeit des Körpers getrennt sind. Die meisten Wirbeltiere und einige Wirbellose, wie dieser Annelide Regenwurm, haben ein geschlossenes Kreislaufsystem. In (b) offenen Kreislaufsystemen wird eine Flüssigkeit namens Hämolymphe durch ein Blutgefäß gepumpt, das sich in die Körperhöhle entleert. Hämolymphe kehrt durch Öffnungen, die Ostia genannt werden, in das Blutgefäß zurück. Arthropoden wie diese Biene und die meisten Mollusken haben offene Kreislaufsysteme.,

Variation des Kreislaufsystems bei Tieren

Das Kreislaufsystem variiert von einfachen Systemen bei Wirbellosen bis zu komplexeren Systemen bei Wirbeltieren. Die einfachsten Tiere, wie die Schwämme (Porifera) und Rotiferen (Rotifera), benötigen kein Kreislaufsystem, da die Diffusion einen ausreichenden Austausch von Wasser, Nährstoffen und Abfällen sowie gelösten Gasen ermöglicht, wie in Abbildung 2a gezeigt., Organismen, die komplexer sind, aber immer noch nur zwei Zellschichten in ihrem Körperplan haben, wie Gelees (Cnidaria) und Kammgelees (Ctenophora), verwenden auch die Diffusion durch ihre Epidermis und intern durch das gastrovaskuläre Kompartiment. Sowohl ihr inneres als auch ihr äußeres Gewebe werden in einer wässrigen Umgebung gebadet und tauschen Flüssigkeiten durch Diffusion auf beiden Seiten aus, wie in Abbildung 2b dargestellt. Der Austausch von Flüssigkeiten wird durch das Pulsieren des Quallenkörpers unterstützt.

Abbildung 2., Einfache Tiere, die aus einer einzigen Zellschicht wie dem (a) Schwamm oder nur wenigen Zellschichten wie der (b) Qualle bestehen, haben kein Kreislaufsystem. Stattdessen werden Gase, Nährstoffe und Abfälle durch Diffusion ausgetauscht.

Bei komplexeren Organismen ist die Diffusion nicht effizient, um Gase, Nährstoffe und Abfälle effektiv durch den Körper zu zirkulieren.Daher entwickelten sich komplexere Kreislaufsysteme. Die meisten Arthropoden und viele Mollusken haben offene Kreislaufsysteme., In einem offenen System drückt ein längliches schlagendes Herz die Hämolymphe durch den Körper und Muskelkontraktionen helfen, Flüssigkeiten zu bewegen. Die größeren komplexeren Krebstiere, einschließlich Hummer, haben arterienartige Gefäße entwickelt, um Blut durch ihren Körper zu drücken, und die aktivsten Mollusken, wie Tintenfische, haben ein geschlossenes Kreislaufsystem entwickelt und können sich schnell bewegen, um Beute zu fangen., Geschlossene Kreislaufsysteme sind ein Merkmal von Wirbeltieren; Es gibt jedoch signifikante Unterschiede in der Struktur des Herzens und der Blutzirkulation zwischen den verschiedenen Wirbeltiergruppen aufgrund der Anpassung während der Evolution und der damit verbundenen Unterschiede in der Anatomie. Abbildung 3 veranschaulicht die grundlegenden Kreislaufsysteme einiger Wirbeltiere: Fische, Amphibien, Reptilien und Säugetiere.

Wie in Abbildung 3a dargestellt, haben Fische einen einzigen Kreislauf für den Blutfluss und ein Zweikammerherz, das nur einen einzigen Vorhof und einen einzigen Ventrikel hat., Das Atrium sammelt Blut, das aus dem Körper zurückgekehrt ist, und der Ventrikel pumpt das Blut zu den Kiemen, wo der Gasaustausch stattfindet und das Blut wieder mit Sauerstoff versorgt wird; Dies wird Kiemenzirkulation genannt. Das Blut setzt sich dann durch den Rest des Körpers fort, bevor es wieder im Atrium ankommt; Dies wird systemische Zirkulation genannt. Dieser unidirektionale Blutfluss erzeugt einen Gradienten von sauerstoffhaltigem zu sauerstoffhaltigem Blut um den systemischen Kreislauf des Fisches., Das Ergebnis ist eine Begrenzung der Sauerstoffmenge, die einige Organe und Gewebe des Körpers erreichen kann, wodurch die gesamte Stoffwechselkapazität von Fischen verringert wird.

Bei Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugetieren wird der Blutfluss in zwei Kreisläufen geleitet: einer durch die Lunge und zurück zum Herzen, das als Lungenkreislauf bezeichnet wird, und der andere durch den Rest des Körpers und seiner Organe einschließlich des Gehirns (systemischer Kreislauf). Bei Amphibien tritt der Gasaustausch auch während des Lungenkreislaufs durch die Haut auf und wird als pulmokutane Zirkulation bezeichnet.,

Wie in Abbildung 3b gezeigt, haben Amphibien ein Dreikammerherz mit zwei Vorhöfen und einem Ventrikel anstelle des Zweikammerherzens von Fischen. Die beiden Vorhöfe (obere Herzkammern) erhalten Blut aus den beiden verschiedenen Kreisläufen (Lunge und Systeme), und dann vermischt sich das Blut im Herzventrikel (untere Herzkammer), was die Effizienz der Sauerstoffversorgung verringert. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass hoher Druck in den Gefäßen Blut in die Lunge und den Körper drückt., Die Vermischung wird durch einen Grat innerhalb des Ventrikels gemildert, der sauerstoffreiches Blut durch das systemische Kreislaufsystem und desoxygiertes Blut in den pulmokutanen Kreislauf leitet. Aus diesem Grund werden Amphibien oft als doppelt zirkuliert beschrieben.

Abbildung 3. (a) Fische haben die einfachsten Kreislaufsysteme der Wirbeltiere: Blut fließt unidirektional vom Zweikammerherz durch die Kiemen und dann den Rest des Körpers., (b) Amphibien haben zwei Kreislaufwege: einen zur Sauerstoffversorgung des Blutes durch Lunge und Haut und den anderen, um Sauerstoff zum Rest des Körpers zu bringen. Das Blut wird aus einem Dreikammerherz mit zwei Vorhöfen und einem einzigen Ventrikel gepumpt.

Die meisten Reptilien haben auch ein Dreikammerherz ähnlich dem Amphibienherz, das Blut in den Lungen-und Systemkreislauf leitet, wie in Abbildung 4a gezeigt. Der Ventrikel wird effektiver durch ein partielles Septum geteilt, was zu einer geringeren Vermischung von sauerstoffhaltigem und sauerstofffreiem Blut führt., Einige Reptilien (Alligatoren und Krokodile) sind die primitivsten Tiere, die ein Vierkammerherz aufweisen. Krokodile haben einen einzigartigen Zirkulationsmechanismus, bei dem das Herz während langer Tauchperioden Blut aus der Lunge in Richtung Magen und andere Organe mischt, während das Tier beispielsweise auf Beute wartet oder unter Wasser bleibt und darauf wartet, dass Beute verrottet. Eine Anpassung umfasst zwei Hauptarterien, die denselben Teil des Herzens verlassen: Eine nimmt Blut in die Lunge und die andere bietet einen alternativen Weg zum Magen und zu anderen Körperteilen., Zwei weitere Anpassungen umfassen ein Loch im Herzen zwischen den beiden Ventrikeln, das so genannte Foramen von Panizza, das es dem Blut ermöglicht, sich von einer Seite des Herzens zur anderen zu bewegen, und spezialisiertes Bindegewebe, das den Blutfluss in die Lunge verlangsamt. Zusammen haben diese Anpassungen Krokodile und Alligatoren zu einer der evolutionär erfolgreichsten Tiergruppen der Erde gemacht.

Bei Säugetieren und Vögeln ist das Herz auch in vier Kammern unterteilt: zwei Vorhöfe und zwei Ventrikel, wie in Abbildung 4b dargestellt., Das sauerstoffhaltige Blut wird vom sauerstoffhaltigen Blut getrennt, was die Effizienz der doppelten Zirkulation verbessert und wahrscheinlich für den warmblütigen Lebensstil von Säugetieren und Vögeln erforderlich ist. Das Vierkammerherz von Vögeln und Säugetieren entwickelte sich unabhängig von einem Dreikammerherz. Die unabhängige Evolution desselben oder eines ähnlichen biologischen Merkmals wird als konvergente Evolution bezeichnet.

Abbildung 4. (a) Reptilien haben auch zwei Kreislaufwege; Blut wird jedoch nur durch die Lunge mit Sauerstoff versorgt., Das Herz ist dreikammerig, aber die Ventrikel sind teilweise getrennt, so dass eine gewisse Vermischung von sauerstoffhaltigem und desoxygeniertem Blut auftritt, außer bei Krokodilen und Vögeln. (b) Säugetiere und Vögel haben das effizienteste Herz mit vier Kammern, die das sauerstoffhaltige und sauerstoffarme Blut vollständig trennen; es pumpt nur sauerstoffhaltiges Blut durch den Körper und sauerstoffhaltiges Blut in die Lunge.