Herz und Blutkreislauf

Den Antrieb für den Transport übernimmt ein Hohlmuskel, das Herz. Seine Kontraktionen bewirken den Blutkreislauf.
Während das Herz der Fische lediglich aus einem Vorhof und einer muskulösen Hauptkammer besteht, wird das Herz der Säugetiere durch die Herzscheidewand in eine linke und rechte Hälfte geteilt. Jede Hälfte besteht aus einer Vorkammer, in die die Venen führen, und einer Herzkammer, in die die Arterien münden. Beide sind durch Segelklappen miteinander und durch Taschenklappen mit den Arterien verbunden. Herzkranzgefäße versorgen den Herzmuskel.

Im Blutkreislauf zirkuliert das Blut durch regelmäßige Herzschläge.
Die linke Herzkammer pumpt das sauerstoffreiche Blut in die Körperarterie (Aorta). Von hier aus wird es in alle Organe verteilt. Durch Aufteilung der Arterien bildet sich ein dichtes Netzwerk von Kapillaren in den Organen. In Richtung der Venen vereinigen sich die Kapillaren wieder zu größeren Gefäßen. Das Blut wird über die Körpervene (untere und obere Hohlvene) zum Herzen in die rechte Vorkammer und dann in die rechte Herzkammer transportiert. Von dort wird das sauerstoffarme und ${\text{CO}}_{\text{2}}$-beladene Blut über die Lungenarterie in die Lunge gepumpt. In der Lunge findet der Gasaustausch statt. Das sauerstoffreiche Blut gelangt über die Lungenvene in die linke Herzvorkammer und von dort in die Herzkammer.

Gasaustausch in Lunge und Gewebe

In der Lunge nimmt das Blut Sauerstoff auf und gibt Kohlenstoffdioxid ab. Beides sind Diffusionsvorgänge. Die Gase diffundieren entlang eines Konzentrationsgradienten. Beim Einatmen gelangt Sauerstoff in die Lungenbläschen, während das Blut einen großen Teil des Sauerstoffs in den Zellen abgeladen hat. Sauerstoff diffundiert aus den Lungenbläschen ins Blut. Die Menge der diffundierenden Gase wird durch den Partialdruck (P) bestimmt. Die eingeatmete Luft besteht zu 21 % aus Sauerstoff und zu 0,04 % aus Kohlenstoffdioxid.

In Meereshöhe hat die Luft insgesamt einen Druck von 101 kPa, dies entspricht einem Partialdruck des Sauerstoffs von 21,28 kPa und des Kohlenstoffdioxids von 0,03 kPa (0,133 kPa = 1 mm Hg). Blut, das die Lunge über die Lungenarterie erreicht, hat = 5,99 kPa und in den Lungenalveolen immer noch 5,32 kPa. Deshalb diffundiert Kohlenstoffdioxid aus dem Blut in die Lungenalveolen.
Umgekehrt ist der Partialdruck des Sauerstoffs im Blut äußerst gering, sodass Sauerstoff von den Alveolen in die Blutkapillaren diffundiert. Ausgeatmete Luft enthält etwa 17 % Sauerstoff und 4 % Kohlenstoffdioxid. Das entspricht = 15,96 kPa und = 3,59 kPa.

Durch das Hämoglobin im Blut wird der Sauerstofftransport noch effizienter gestaltet, da ein großer Teil des Sauerstoffs im Blut an das Hämoglobinmolekül gebunden wird. Die Blutfarbstoffe verschiedener Tiere haben eine unterschiedliche Sauerstoffkapazität.

Die Partialdruckgradienten in den Körperkapillaren bewirken die Abgabe von Sauerstoff an die Zellen und die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid ins Blut. Ändern sich die äußeren Druckverhältnisse z. B. bei Bergsteigen in extrem großen Höhen oder beim Tauchen, ist eine Anpassung nur in bestimmten Grenzen möglich.

Transport von Kohlenstoffdioxid

Der Transport des Kohlenstoffdioxid-Moleküls ist komplizierter als der des Sauerstoffmoleküls. Auch daran sind die roten Blutzellen (Erythrocyten) und das Hämoglobin beteiligt. Das bei der Zellatmung entstehende ${\text{CO}}_{\text{2}}$ gelangt aus den Zellen ins Blut. 7 % der Menge werden in gelöster Form im Blutplasma transportiert. Das übrige ${\text{CO}}_{\text{2}}$ diffundiert aus den Körperzellen in die Erythrocyten, wird an das Hämoglobin gebunden und so transportiert. Ein Großteil des ${\text{CO}}_{\text{2}}$ reagiert in den Erythrocyten mit Wasser und bildet Kohlensäure.

${\text{H}}_{\text{2}}{\text{O + CO}}_{\text{2}}\to {\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3}}$

Kohlensäure dissoziert in Protonen und Hydrogencarbonat-Ionen.

${\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3}}\to {\text{H}}^{\text{+}}{\text{+ HCO}}_{\text{3}}{}^{\text{-}}$

Die meisten Hydrogencarbonat-Ionen diffundieren zurück ins Blutplasma und werden so zur Lunge transportiert. Das Hämoglobin bindet die Protonen. Dadurch bleibt der pH-Wert nahezu konstant und schwankt nur in geringen Grenzen: $\text{pH = 7}\text{,}\text{4}\pm \text{0}\text{,5}\text{.}$
Die Protonen werden zur Lunge transportiert. In den Lungenkapillaren gibt das Hämoglobin die Protonen zur Bildung von Kohlensäure ins Blutplasma ab. Es entsteht Kohlenstoffdioxid, was ausgeatmet wird. Außerdem wird Wasser gebildet. Das Hämoglobin wird in der Lunge wieder mit Sauerstoff beladen.
Kohlenstoffmonooxid ist deshalb ein gefährliches Atemgift, weil es die Kontaktstellen des Hämoglobins zu Sauerstoff dauerhaft blockiert.