Aufgaben: Das Herz-Kreislauf-System

Nenne die drei Bestandteile des Blutes, die Aufgaben beim Transport, bei der Abwehr und bei der Gerinnung erfüllen, und gib an, was jeder von ihnen tut.

Betrachte die Abbildung des Herzens im Schnitt. Gib an, welche Nummern die beiden Vorhöfe und welche die beiden Herzkammern kennzeichnen, und erkläre einen Unterschied zwischen den Wänden der einen und der anderen.

Vervollständige den Satz mit den richtigen Begriffen: „Die $\dots$ führen das Blut vom Herzen zu den Organen, die $\dots$ bringen es von den Organen zum Herzen zurück und die $\dots$ sind sehr feine Gefäße, in denen der Stoffaustausch mit den Geweben stattfindet.“

Erkläre, was das Blutplasma ist, wie das Blut aussieht, wenn man seine Bestandteile trennt, und nenne zwei Arten von Stoffen, die darin gelöst transportiert werden.

Nenne die vier Herzhöhlen und gib an, durch welche von ihnen das sauerstoffarme Blut aus dem Körper in das Herz eintritt und aus welcher das sauerstoffreiche Blut in den gesamten Körper hinausgepumpt wird.

Erkläre, was Blutplättchen (Thrombozyten) sind, und beschreibe Schritt für Schritt, was passiert, wenn wir uns einen kleinen Schnitt in die Haut zufügen, bis die Blutung aufhört.

Gib an, ob diese Aussagen richtig oder falsch sind, und begründe deine Antwort: a) Das gesamte Blut, das durch die Arterien fließt, ist sauerstoffreich; b) Die Kapillaren verbinden die Arterien mit den Venen; c) Die Herzklappen verhindern, dass das Blut zurückfließt.

Erkläre, was weiße Blutzellen (Leukozyten) sind, und begründe, warum ihre Anzahl im Blut bei einer Infektion zunimmt.

Beschreibe den vollständigen Weg des Blutes in den beiden Kreisläufen des Herz-Kreislauf-Systems: den kleinen Kreislauf (Lungenkreislauf), indem du angibst, in welcher Herzhöhle er beginnt, welches Gefäß das Blut herausführt, was in der Lunge mit dem Blut geschieht und durch welches Gefäß und in welche Herzhöhle es zurückkehrt; und den großen Kreislauf (Körperkreislauf), indem du angibst, aus welcher Herzhöhle das Blut austritt, durch welche große Arterie, zu welchen Körperteilen das Blut gelangt und durch welche große Vene es zum Herzen zurückkehrt.

Auf der Abbildung des Herzens sind die nummerierten Klappen zwischen den Herzhöhlen zu erkennen. Erkläre die Funktion dieser Klappen und begründe, welches Problem eine Person hätte, bei der die Klappe zwischen linkem Vorhof und linker Herzkammer nicht richtig schließt.

Ein Junge misst seinen Puls am Handgelenk und zählt $72$ Schläge in einer Minute; nach dem Rennen in der Pause zählt er $115$ Schläge in einer Minute. Erkläre, warum die Herzfrequenz bei körperlicher Anstrengung steigt, und stelle dabei den Zusammenhang zum Bedarf der Muskelzellen her.

Arterien haben dicke, elastische Wände, Venen dagegen dünnere Wände. Stelle einen Zusammenhang zwischen diesem Unterschied und dem Druck her, unter dem das Blut in jedem Gefäßtyp fließt, und erkläre, was geschehen würde, wenn eine Vene dem Druck einer Arterie standhalten müsste.

Erkläre, was der Blutdruck ist, welche zwei Werte bei der Messung bestimmt werden und in welchem Gefäßtyp er üblicherweise gemessen wird, und begründe, warum ein dauerhaft hoher Blutdruck die Blutgefäße schließlich schädigt.

Verfolge den Weg eines Glucosemoleküls von der Aufnahme im Dünndarm bis zu einer Zelle im Oberschenkel. Gib an, durch welche Gefäße es fließt, welche Herzhöhlen es durchquert und welchen zwangsläufigen „Umweg“ es macht, bevor es sein Ziel erreicht.

Man sagt, das Herz sei eigentlich „zwei Pumpen in einer“. Erkläre, was dieser Ausdruck bedeutet, welche innere Wand die beiden Hälften trennt und welches Problem entstünde, wenn sich das Blut beider Seiten vermischte.

Bei einer Blutspende werden etwa $450\ \text{mL}$ entnommen. Wenn ein Erwachsener etwa $5\ \text{L}$ Blut hat, berechne, wie viel Prozent seines Blutes er spendet, und erkläre, warum der Körper diese Menge innerhalb weniger Wochen problemlos wieder ersetzen kann.

Ein Patient geht zum Arzt und bekommt die Diagnose schwere pulmonale Hypertonie (der Widerstand der Gefäße, die zur Lunge führen, ist ungewöhnlich hoch), während der Druck im übrigen Körper normal ist. Nach zwei Jahren zeigt eine Ultraschalluntersuchung, dass sich die Muskelwand einer seiner beiden Herzkammern verdoppelt hat, um diese Mehrbelastung auszugleichen.

1. a) Begründe, welche der beiden Herzkammern dicker geworden ist.
2. b) Sage voraus, welche Folgen es für den Gasaustausch in den Lungenbläschen und für den Körper hätte, wenn diese Herzkammer schließlich durch Erschöpfung der Muskulatur versagte.

Ein Mitschüler liest, dass das Herz eines Erwachsenen jeden Tag etwa $7500\ \text{L}$ Blut pumpt, und behauptet: „Das muss ein unmöglicher Druckfehler sein, denn wenn wir nur etwa $5\ \text{L}$ Blut im Körper haben, müssten wir täglich mehr als $7000\ \text{L}$ Blut herstellen und abbauen.“

1. a) Zeige durch eine Rechnung, ob die Angabe von $7500\ \text{L/Tag}$ für eine Person plausibel ist, deren Herz mit $75$ Schlägen pro Minute schlägt und bei jedem Schlag $70\ \text{mL}$ Blut auswirft (gib das Ergebnis in Litern an).
2. b) Widerlege die Behauptung deines Mitschülers mit biologischen Argumenten, indem du erklärst, wie der geschlossene Aufbau und der kontinuierliche Verlauf des Herz-Kreislauf-Systems es ermöglichen, dieses tägliche Volumen mit nur $5\ \text{L}$ Blut zu pumpen.

Ein Schüler stellt im Unterricht folgende Frage: „Die Herzhöhlen sind ständig mit sauerstoffreichem Blut aus der Lunge gefüllt. Deshalb ergibt es keinen Sinn, dass ein Verschluss der Herzkranzgefäße einen Herzinfarkt auslöst, denn der Herzmuskel könnte die Nährstoffe direkt aus dem Blut aufnehmen, das er pumpt.“

1. a) Widerlege dieses Argument, indem du begründest, warum die Zellen des Herzmuskels nicht direkt durch Diffusion aus dem Inneren der Herzhöhlen versorgt werden können und ausschließlich von den Herzkranzarterien abhängen.
2. b) Erkläre den „Dominoeffekt“, der im übrigen Körper auftritt, wenn ein Bereich des Herzmuskels abstirbt, und vergleiche dies mit dem, was geschähe, wenn die verschlossene Arterie in einem Arm läge.

Ein Schüler versucht zu prüfen, ob sein Mitschüler einen Puls hat, indem er die Finger fest auf eine sichtbare Vene auf dem Handrücken legt. Da er keinen Pulsschlag spürt, sagt er besorgt: „Er hat keinen Puls, also fließt durch diese Vene kein Blut.“

1. a) Widerlege die Schlussfolgerung des Schülers, indem du erklärst, welcher mechanische Vorgang die Pulswelle genau hervorruft und warum dieser Puls beim Durchgang durch die Kapillaren und beim Erreichen der Venen verschwindet, obwohl das Blut weiterfließt.
2. b) Begründe, welcher Unterschied im Aufbau der elastischen Schicht der Arterienwände (im Vergleich zu den Venen) es ihnen ermöglicht, diese ständigen Druckstöße auszuhalten und abzufedern, ohne zu reißen.

In einer Arztpraxis werden die Fälle von drei Patienten untersucht, die mit demselben Symptom kommen: Sie leiden unter extremer Muskelermüdung und geraten bei der kleinsten körperlichen Anstrengung außer Atem.

• Patient A: Rote Blutkörperchen und Hämoglobin normal, aber sein Herz pumpt wegen einer Herzinsuffizienz nur mit halber Leistung.

• Patient B: Herz und Lunge völlig in Ordnung, aber er hat eine schwere Anämie mit einem Hämoglobinwert von $6,5\ \text{g/dL}$ (der Normalwert beträgt $12\text{--}15\ \text{g/dL}$).

• Patient C: Herz und Blutwerte normal, aber er leidet an einer Erkrankung, die die Nährstoffaufnahme im Dünndarm drastisch verringert.

1. a) Begründe, warum alle drei Patienten genau dieselbe Muskelermüdung zeigen, und bestimme, welcher chemische Zellprozess in den Mitochondrien ihrer Muskeln jeweils eingeschränkt ist.
2. b) Erkläre, warum der Körper von Patient B versucht, seinen Zustand durch eine Erhöhung der Herz- und Atemfrequenz auszugleichen.

Die Mitglieder der Ehrengarde müssen stundenlang völlig aufrecht und regungslos stehen. Häufig erleiden einige plötzlich Schwindel und sogar Ohnmachtsanfälle. Dürfen sie dagegen die Wadenmuskeln rhythmisch anspannen, indem sie die Fersen anheben, ohne sich fortzubewegen, bleiben die Ohnmachtsanfälle völlig aus.

1. a) Erkläre, wie die Schwerkraft, die Kontraktion der Beinmuskulatur und die Taschenklappen der Venen zusammenwirken, damit das Blut zum Herzen zurückfließt.
2. b) Begründe, warum regungsloses Stehen die Durchblutung des Gehirns verringert und zur Ohnmacht führt, und sage voraus, welche Veränderung die Venenklappen langfristig erleiden, wenn eine Person jahrelang viele Stunden still im Stehen arbeitet (Entstehung von Krampfadern).

In Ruhe benötigen sowohl eine wenig aktive Person als auch eine Leistungssportlerin, dass ihr Herz genau das gleiche Gesamtvolumen an Blut pro Minute pumpt: $4,8\ \text{L/min}$ ($4800\ \text{mL/min}$).

• Die wenig aktive Person hat eine Ruheherzfrequenz von $80$ Schlägen/min.

• Die Sportlerin hat eine Ruheherzfrequenz von $48$ Schlägen/min.

1. a) Berechne das Blutvolumen, das die Herzkammer jeder Person bei einem einzigen Herzschlag auswirft (gib es in $\text{mL}$ an).
2. b) Begründe anhand deiner Berechnungen, welche Veränderungen der Herzmuskel der Sportlerin durch das Training erfahren hat, um effizienter zu sein.
3. c) Sage voraus, was mit der Herzfrequenz der beiden geschieht, wenn sie mit einer Geschwindigkeit zu laufen beginnen, die ein Herzzeitvolumen von $14\ \text{L/min}$ erfordert, und begründe, wer zuerst an seine Ermüdungsgrenze gelangt.

Ein Blutgerinnsel, das eine Hirnarterie verschließt, löst einen Schlaganfall aus, während es bei einem Verschluss einer Herzkranzarterie einen Herzinfarkt verursacht. In beiden Fällen sagen die Rettungsdienste: „Zeit ist Gewebe“, und jede Minute Verzögerung verschlechtert die Prognose erheblich.

1. a) Erkläre die Abfolge der Ereignisse auf Zellebene (vom Mangel an Sauerstoff und Glucose bis zum Zelltod oder zur Nekrose), die die betroffenen Zellen (Nervenzellen oder Herzmuskelzellen) nach dem Verschluss erleiden.
2. b) Begründe, warum die Gabe eines Medikaments, das das Gerinnsel auflöst, in der ersten Stunde die Funktion des Organs vollständig wiederherstellen kann, dieselbe Behandlung aber zunehmend an Wirksamkeit verliert und nach mehreren Stunden das abgestorbene Gewebe nicht mehr retten kann.
3. c) Erkläre, warum die Folgen eines Schlaganfalls (wie Sprachverlust oder Bewegungseinschränkung) oft unumkehrbar oder nur sehr schwer rückgängig zu machen sind, und stelle dabei einen Zusammenhang zur Teilungs- und Regenerationsfähigkeit von Nervengewebe im Vergleich zu anderen Geweben her.