Kreislauf und Atmung
Wie Tiere Sauerstoff aufnehmen und Kohlendioxid abgeben, und wie Pumpen und Gefäße diese und andere Substanzen durch den Körper verteilen, um den Stoffwechselbedarf zu decken.
Definition
Atmung in diesem physiologischen Sinne ist der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen einem Tier und seiner Umwelt und deren Transport zu und von Geweben; Zirkulation ist die Massenbewegung von Blut oder Hämolymphe durch ein Pumpen- und Gefäßsystem, das Gase, Nährstoffe, Abfallprodukte, Hormone und Wärme im gesamten Körper verteilt.
Scope
Dieser Bereich umfasst die vergleichende Physiologie des Gasaustauschs und des internen Transports: Atemoberflächen wie Kiemen, Lungen und Tracheen; die Bindung und den Transport von Sauerstoff durch Atemwegspigmente; die Struktur und Funktion von Herzen und Kreislaufsystemen; und die Regulation von Atmung und Blutgasen einschließlich des Säure-Basen-Haushalts. Er umfasst die physikalischen Prinzipien der Diffusion und Konvektion sowie die Vielfalt der Lösungen, die Tiere im aquatischen, luft- und landlebenden Umfeld entwickelt haben. Die Abdeckung ist vergleichend und mechanistisch und nicht klinisch.
Sub-topics
Core questions
- Wie maximieren Atemoberflächen den Gasaustausch in verschiedenen Medien wie Wasser und Luft?
- Wie laden Atemwegspigmente Sauerstoff dort, wo er reichlich vorhanden ist, und geben ihn dort ab, wo er benötigt wird?
- Wie sind Kreislaufsysteme und Herzen organisiert, um Blut bei Tieren unterschiedlicher Größe und Lebensweise effizient zu bewegen?
- Wie nehmen Tiere ihre Blutgase wahr und regulieren sie, und wie halten sie den Säure-Basen-Haushalt aufrecht?
Key theories
- Kooperative Sauerstoffbindung und die sigmoide Dissoziationskurve
- Atemwegspigmente wie Hämoglobin binden Sauerstoff kooperativ, was eine sigmoide Dissoziationskurve ergibt, die ein effizientes Laden an der Atemoberfläche und Entladen in aktiven Geweben fördert, wobei die Position der Kurve durch Kohlendioxid, pH-Wert und Temperatur verschoben wird.
- Konvektions-Diffusions-Design des Gastransports
- Ein effektiver Gasaustausch kombiniert die konvektive Zufuhr von Medium und Blut zu und von einer dünnen Atemoberfläche mit der Diffusion darüber, und Anordnungen wie der Gegenstrom in Kiemen maximieren die Gradienten, die die Diffusion antreiben.
Mechanisms
Der Gasaustausch hängt von der Diffusion über dünne, großflächige Atemoberflächen ab, die durch Belüftung des externen Mediums und Perfusion des Blutes versorgt werden. Kiemen nutzen den Gegenstrom von Wasser und Blut, um hohe Diffusionsgradienten aufrechtzuerhalten; Lungen nutzen einen Gezeitenfluss oder, bei Vögeln, einen unidirektionalen Fluss; Insekten liefern Sauerstoff direkt über Tracheen an die Gewebe. Sauerstoff wird hauptsächlich an Atemwegspigmente gebunden transportiert, deren kooperative Bindung und Empfindlichkeit gegenüber CO2, pH-Wert und Temperatur das Laden und Entladen steuern. Herzen erzeugen Druck, um Blut durch offene oder geschlossene Kreislaufsysteme zu treiben, und der Gefäßwiderstand und die Kapazität verteilen den Fluss. Atmung und Kreislauf werden durch Chemorezeptoren reguliert, die O2, CO2 und den pH-Wert überwachen und die Belüftung und das Herzzeitvolumen anpassen, während Pufferung und Ionenaustausch den Säure-Basen-Haushalt aufrechterhalten.
Clinical relevance
Vergleichende Arbeiten an tauchenden Säugetieren, Hochgebirgsarten und luftatmenden Fischen beleuchten die Grenzen der menschlichen kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit und informieren die Forschung zu Hypoxie, Bewegung sowie Atem- und Herz-Kreislauf-Funktion. Dieser Eintrag dient der Bildung und bietet keine medizinische Beratung.
History
August Kroghs Studien zur Kapillarfunktion und zum Gasaustausch sowie Christian Bohrs Entdeckung des Einflusses von Kohlendioxid auf die Sauerstoffbindung legten die Grundlagen der Atemphysiologie. Schmidt-Nielsen und andere erweiterten das Feld auf die bemerkenswerten Anpassungen von Wüsten-, Tauch- und Hochgebirgstieren und betrachteten Kreislauf und Atmung als Designprobleme unter physikalischen Einschränkungen.
Key figures
- August Krogh
- Knut Schmidt-Nielsen
- Christian Bohr
- John B. West
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1997
- hill2016
- westsd2012
Frequently asked questions
- Warum ist der Gegenstrom in Fischkiemen wichtig?
- Das Fließen von Wasser und Blut in entgegengesetzte Richtungen hält einen Sauerstoffgradienten entlang der gesamten Kiemenoberfläche aufrecht, sodass das Blut weitaus mehr Sauerstoff aufnehmen kann, als wenn die beiden zusammenfließen würden.
- Was macht die Sauerstoffdissoziationskurve S-förmig?
- Hämoglobin bindet Sauerstoff kooperativ, sodass die Bindung eines Sauerstoffs die nächste erleichtert; dies erzeugt eine sigmoide Kurve, die eine vollständige Beladung in den Lungen oder Kiemen und eine leichte Entladung in aktiven Geweben begünstigt.