Von ganzem Herzen: eine praktische Demonstration des Säugetier Herzschlags Teach article

Übersetzt von Tina Martin. Mit nichts als einem Schweine Herz, einem Messer und einer Zufuhr von Wasser können Sie und Ihre Schüler untersuchen, wie das Herz pumpt.

Abbildung 1: Das Herz und
die Koronargefäße von
Leonardo da Vinci. Da Vincis
Zeichnungen und Notizen
zeigen sowohl seine
bemerkenswerte
Beobachtungsgabe als auch
seine Unfähigkeit zu
versöhnen, was er mit dem
traditionellen Verständnis
des Herzens zu dieser Zeit
sah. Die Blutzirkulation war
für weitere hundert Jahre
nicht entdeckt. Zum
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Public Domain Bild; Bildquelle:
Wikimedia Commons

Leonardo da Vinci war einer der ersten Menschen, die sorgfältig das Herz betrachteten und beschrieben, was es tat. Seine Zeichnungen des Herzens und der Herzklappen sind Meisterwerke der wissenschaftlichen Kunst (Abbildung 1) und er machte bemerkenswerte Beobachtungen über die Art und Weise, wie das Blut durch die Gefäße und Kammern fließt und die arteriellen Ventile aktiviert.

Eine typische Darstellung
des Herzens, welche die
beteiligten Strukturen zeigt,
jedoch nur sehr wenig über
die Funktion erklärt.
A: Rechte Herzkammer,
B: linke Herzkammer;
C: Trikuspidalklappe
(atrioventrikulär),
D: Mitralklappe
(atrioventrikulär),
E: Aortenklappe (arteriell);
F: Pulmonalklappe (arteriell);
G: Aorta, H: Lungenarterie ;
I: Lungenvene, J: Vena cava
superior; K: Vena cava,
L: rechter Vorhof; M: linker
Vorhof. Zum Vergrößern auf
das Bild klicken.

Mit freundlicher Genehmigung
von Edmond Hui

Dennoch verstand da Vinci nie vollständig, wie das Herz pumpt, weil er nichts von der Zirkulation des Blutes im Körper wusste. Er konnte die Arterien und Venen sehen, aber nicht die Kapillaren, die sie verbinden.

Er wurde auch von der vorherrschenden Ansicht zu dieser Zeit gehemmt: die, dass das Herz Blut bewegt, um Wärme von der Leber zu den Muskeln zu transportieren, und dass die Funktion der Lunge war, das Blut zu kühlen. So erschient da Vinci das Herz als pumpe es das Blut in Gefäße, die in immer kleinere Gefäße verzweigt waren – im Grunde genommen Sackgassen. Und woher kam das Blut, das in das Herz floss? Ohne dies zu wissen, konnte er die großen Mengen nicht mit der Tatsache in Einklang bringen, dass das Herz eindeutig pumpt, so dass es anscheinend nirgends für das gepumpte Blut hin zu gehen scheint.

Heute ist die Durchblutung gut verstanden, aber nur ein kleiner Teil der Leute haben tatsächlich die Pumpfunktion des Säugetier Herzens erlebt. Herzen sind kryptische Organe, die in lebenden Tieren versteckt sind; ein Aussetzen des Herzens verursacht in der Regel, dass das Tier stirbt. Sogar bei Operationen am offenen Herzen werden die Ventile und die Blutströmung durch die opaken Herzgewebe verdeckt. Moderne medizinische bildgebende Systeme können spektakuläre Ansichten des Herzens in Aktion produzieren, aber diese Bilder sind für Laien schwer zu interpretieren und unmöglich, in den Schulen zu erzeugen. Die biomechanische Funktion des Herzens ist daher so düster, dass in der populären Kultur das Organ in erster Linie als eine Metapher für Gefühle gilt.

Schulischer Biologie Unterricht dokumentiert den dualen Kreislauf des Gefäßsystems und benennt die Teile des Herzens, aber erklärt nicht wirklich,wie das Blut getrieben wird oder warum das Herz so angeordnet ist, wie es ist. Versuchen Sie, im Internet nach Demonstrationen des Herzens zu suchen und Sie werden Tausende von Diagrammen und andere Lernmittel finden. Trotzdem haben wir keine gefunden, die tatsächlich die Pumpwirkung einen realen Säugerherzens zeigt.

Untersuchung des Säugertierherzens für uns selbst

Wir wollten für uns selbst entdecken, wie das Säugetierherz eigentlich pumpt. Wir begannen mit der Idee, dass wir in der Lage sind, das Herz zu pumpen, indem wir es manuell drücken, ähnlich wie bei einer einfachen Kunststoff-Handpumpe.

Wir erhielten ein unbeschädigtes Schweine Herz und versuchten es manuell unter Wasser zu komprimieren. Wir haben auch probiert es zu pumpen während wir Wasser aus dem Wasserhahn in die Vorhöfe laufen ließen; das war schwierig, da die Vorhöfe schlaff waren und mehrere Öffnungen hatten. Kein Ansatz schien zu funktionieren – Wasser wurde weder aus der Lungenarterie, noch aus der Aorta ausgetrieben.

Nach diesem Misserfolg haben wir erneut sowohl das Herz als auch unser erstes Verständnis seiner Funktion überprüft und fingen an, es zu sezieren. Zunächst entfernten wir vollständig beide Vorhöfe, die schlappen Taschen mit Löchern darin ähneln. Der Rest, buchstäblich der Boden des Herzens, besteht aus einem Paar offenen Kammern mit der Aorta und Lungenarterie, die zwischen ihnen aufsteigen. Das System ist optisch und mechanisch sehr einfach – klar, nur ein Paar Pumpen. Auf den ersten Blick gab es keine Zeichen der AV-Klappen: sie hingen runter wie Vorhänge, in der Nähe der Wände der Herzkammern.

Details des Herzens und der
Koronargefäße von Leonardo
da Vinci.

Public Domain Bild; Bildquelle:
Wikimedia Common

Um festzustellen, welche Herzkammer mit der Arterie verbunden ist, ließen wir Wasser in eine der Kammern aus dem Wasserhahn laufen. Zu unserer Überraschung schloss sich die AV-Klappe sofort nach innen in Richtung des Wasserstroms (Abbildung 4). Als da Vinci die arterielle Klappe beschrieben hatte, war es nicht Druck, Kontraktion oder Komprimierung, was die AV-Klappen aktivierte, sondern die tatsächliche Bewegung der Flüssigkeit. Wir fanden heraus, dass wir durch manuelles Zusammendrücken des Herzens während Wasser in die Ventrikel floss, die AV-Klappe vollständig schließen und einen effektvollen Wasserstrahl aus der Arterie erzeugen konnten.

Wir erkannten, dass in unserem früheren Versuch, die Vorhöfe den Fluss von Wasser in die Kammern blockiert hatten. Nun aber hatten wir einen ungehinderten Fluss und konnten manuell die Pumpfunktion des Herzens reproduzieren. Wir konnten nicht nur sehen, wie die Kontraktion (oder manuelle Kompression) der Ventrikel die Flüssigkeit bewegt, sondern auch die genaue Wirkung der Klappen – etwas sehr selten von jemand außer einem Herzchirurgen Gesehenes.

Ursprünglich glaubten wir, dass die AV-Klappen robuste, aufklappbare oder elastische Klappen (Segel) hätten, die auf Druckunterschiede reagieren. Wie falsch wir waren! Stattdessen sind die Klappen membranös und schlaff, wie Fallschirme, die an den Ventrikelwänden anliegen – wenn der Flüssigkeitsstrom sie infiltriert, bauschen sie sich auf und werden am Umkrempeln von ‚heartstrings‘ (Sehnenfäden) gehindert, die wie Fallschirm Schnüre funktionieren.

Wenn sich das Blut aus dem Ventrikel in die Arterie bewegt, hält eine weitere Klappe (das arterielle Ventil) das Hochdruck-Blut davon ab in den Ventrikel zurück zu laufen. Durch Trimmen der Aorta und Lungenarterie näher am Ventrikel konnten wir beobachten, wie sich diese Ventile öffnen und schließen.

Abbildung 2: Das Auffinden
der Arterien. Die
Pulmonalarterie und Aorta
können manuell von dem
umliegenden Gewebe isoliert
werden, bereit, um
geschnitten zu werden. Zum
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Mit freundlicher Genehmigung
von Edmond Hui

Persönlich haben wir nicht schlecht gestaunt. Die inneren Organe eines Schweins zu sortieren, das Herz zu entfernen und dann all diese komplizierten Details für sich zu entdecken, war ein wissenschaftliches Abenteuer. Wir wurden auch von der Erkenntnis getroffen, dass wir die verfügbaren Ressourcen noch nicht richtig verstanden haben, und dass das, was wie eine komplizierte und undurchsichtige Thematik schien, in der Tat voll zugänglich für Schüler war.

Ein schlagendes Herz im Klassenzimmer demonstrieren

Wir glauben, dass diese Demonstration des Herz-Pumpmechanismus neuartig ist, dennoch ist sie leicht in jedem Schullabor zu wiederholen. Nach der Vorführung sollten die Schüler die funktionelle Anatomie des Herzens verstanden haben, indem direkt die Bewegung und Funktion der vier Herzklappen beobachtet und die Bedeutung der Strömung auf die Bewegung der Ventile erfasst wird.

Der Pumpmechanismus allein kann in nur wenigen Minuten vorgeführt werden. Allerdings kann eine vollständige Demonstration – mit Beteiligung der Schüler und eine Diskussion über die Verbindungen des Herzens zu den umliegenden Organen und des Kreislaufsystems – zwei Stunden in Anspruch nehmen.

Die Arbeitseinheit ist für jedes Alter von Gymnasiasten geeignet (11+).

Materialien

Für jede Gruppe benötigt man:

Abbildung 3: Die Vorhöfe
wurden entfernt und die
Vorhofwände bis zu den
Spitzen der Ventrikel
getrimmt. Die beiden Löcher
sind die Öffnungen zu den
Kammern. Das Herz wird in
der richtigen Orientierung
für die Demonstration
gehalten, der Zeigefinger der
rechten Hand bereit, um den
rechten Ventrikel zu
komprimieren. Zum
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Mit freundlicher Genehmigung
von Edmond Hui
  • Ein Schweine oder Schaf Herz.

    Das Herz, welches komplett an Leber und Lunge angeschlossen ist, ist in Großbritannien als ‘full pluck’ bekannt und kann von einem guten Metzger oder lokalen Schlachthof angefordert werden.

    Alternativ können Sie vorverpackte Herzen aus dem Supermarkt verwenden. In diesem Fall stellen Sie sicher, dass Sie ein paar Ersatzteile kaufen, denn normalerweise wurden sie getrimmt, indem quer durch die Vorhöfe geschnitten wurde. Die Aorta und Lungenarterie kann auch sehr kurz geschnitten worden sein, aber wenn die Ventrikel unbeschädigt sind, wird die Demonstration funktionieren.
     

  • Ein scharfes Messer oder Skalpell
  • Fließendwasser.

Durchführung

Präparation eines Geschlinges

  1. Entfernen Sie das Pericard und trennen Sie das Herz von den Lungen, indem Sie die Pulmonalarterie und Vene so nah wie möglich am Herzen abschneiden (Abbildung 2). Die Vena cava und Aorta wurden schon geschnitten als die Organe aus dem Körper entnommen wurden.
  2. Identifizieren Sie die blass gefärbte und elastische Aorta sowie Pulmonalarterie; die dunkle Vena cava und die Pulmonalvene; und die Vorhöfe. Entfernen Sie die Vorhöfe, schneiden Sie ihre Wände nah an der Spitze der Ventrikel ab (Abbildung 3). Seien Sie vorsichtig und beschädigen Sie die Aorta und Pulmonalarterie nicht, die im Zentrum des Herzens aufsteigen. Das Herz ist nun gebrauchsfertig.

Präparation eines Supermarkt Herzens

  1. Trimmen Sie alle Überreste der Vorhöfe auf der Ventrikelwand.
Abbildung 4A: Da der
Wasserstrom in die rechte
Herzkammer eintritt, schließt
sich die Trikuspidalklappe
nach innen. Der Wasserstrom
fließt in die Mitte des rechten
Ventrikels. Die
Trikuspidalklappe hat sich
innen gegen den
ankommenden Strom
geschlossen. Die linke Hand
unterstützt die Aorta. Zum
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Mit freundlicher Genehmigung
von Edmond Hui

Durchführung der Demonstration

Identifizieren Sie den linken und rechten Ventrikel; die Demonstration funktioniert besser mit dem dünnwandigeren rechten Ventrikels. Drehen Sie den Wasserhahn auf, so dass ein glatter, kontinuierlicher Wasserstrom fließt. Halten das Herz so, dass der Strom in der Mitte der Öffnung des rechten Ventrikels eintritt. Die Trikuspidalklappe sollte sich nach innen schließen, um den eintretenden Wasserstrom zu berühren (Abbildung 4).

Abbildung 4B: Wenn der Wasserstrom angehalten wird, ist die geschlossene Trikuspidalklappe sichtbar. Beachten Sie, dass die Mitralklappe in dem linken Ventrikel geöffnet bleibt, da das Wasser nur in den rechten Ventrikel gelangte. Der eigentliche Nachweis sollte mit dem Herzen durchgeführt werden, das in einen kontinuierlichen Wasserstrom gehalten wird.
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Mit freundlicher Genehmigung von Edmond Hui

Wenn Sie jetzt das Herz komprimieren, wird sich das Ventil vollständig schließen und Wasser sollte aus der Lungenarterie ausgestoßen werden (Abbildung 5). Pressen Sie es rhythmisch, um die Aktivität eines schlagenden Herzensw1. zu imitieren. Wenn Sie die Aorta und Lungenarterie nahe genug am Herzen trimmen, sollten Sie in der Lage sein, die arteriellen Ventile zu sehen (Abbildung 6).

Ventrikel mit der rechten Hand komprimiert wird, wird ein Wasserstrom aus der Pulmonalarterie ausgestoßen. Dieser Strom kann durch Fliegen über die Knöchel der rechten Hand in Richtung Kamera gesehen werden.
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Mit freundlicher Genehmigung von Edmond Hui
Abbildung 6: Durch Trimmen
der Aorta und
Pulmonalarterie nah genug
am Herzen sollten Sie in der
Lage sein, die arteriellen
Klappen zu sehen. Zum
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Mit freundlicher Genehmigung
von Edmond Hui

Weitere Untersuchungen

  1. Befestigen Sie chirurgische Schläuche an den abführenden Gefäßen, dann messen Sie den Wasserdruck, der erreicht wird, wenn Sie das Herz komprimieren.
  2. Fordern Sie Ihre Schüler heraus zu prüfen, dass das Herz ein Paar aus unabhängig voneinander funktionierenden Pumpen ist, indem Sie einen ganzen Ventrikel abschneiden. Indem Sie ein zweites Herz benutzen, wiederholen Sie die Übung und verwenden den anderen Ventrikel.
  3. In lebenden Tieren kontrahieren die beiden Ventrikel gleichzeitig und treiben so Blut zunächst durch eine Herzkammer und schließlich durch die andere. Trotz ihrer deutlich unterschiedlichen Morphologie müssen die beiden Herzkammern im Lauf der Zeit durchschnittlich genau das gleiche Volumen an Blut pro Schlag ausstoßen. Wie wird dieses Gleichgewicht erreicht? Aufgrund ihrer Beobachtung, dass der dünnwandige rechte Ventrikel leichter manuell als der linke Ventrikel zu komprimieren ist, sollten die Schüler die Auswirkungen für Herz-Lungen Wiederbelebung betrachten, die im Wesentlichen diese Demonstration darstellt, die mit dem Herzen in situdurchgeführt wurde.
  4. Diese Demonstration ist nur möglich, wenn die Vorhöfe entfernt wurden. Fordern Sie Ihre Schüler auf, die Funktion der Vorhöfe zu erforschen.

Danksagung

Abbildung 7: “Ich kann es
blutig machen!” Archie Taplin
hält ein Schweine Herz,
indem sie lediglich das
Pericard entfernte. Die Leber
kann am oberen Ende des
Bildes gesehen werden, die
Lunge ist links, die Luftröhre
erstreckt sich bis zur Zunge
ganz links außen. Zum
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Mit freundlicher Genehmigung
von Edmond Hui

Wir sind der TED Organisation und Teddington Schule dankbar, ohne die keiner von uns diese Beobachtungen gemacht hätte. Laverstoke Park Farm stellt die vollen Geschlinge mit großer Sorgfalt und Aufmerksamkeit bereit. Eine Reihe von Herz-Experten beantwortete großzügig unsere grundlegenden Fragen zur Herz Anatomie und Funktion, einschließlich Dr. Andrew Ho (Evelina Children’s Hospital, London), Professor David Firmin (Imperial College, London), Dr. Gary Ruiz (King’s College Hospital, London), Professor David Celermajer (Universität von Sydney), Dr. Louise Robson (Universität von Sheffield) und Martin Clayton (The Royal Collection, Windsor Schloss). Dennoch sind Fehler und Versäumnisse in diesem Artikel ganz uns zu verschulden.

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Web References

Resources

Author(s)

Dr. Edmond Hui ist Meeresbiologe durch Training und Netzwerk-Manager an der Teddington Schule sowie der Organisator der Konferenz TEDxTeddington. Archie Taplin, 15 Jahre alt, ist Schülerin an der Teddington Schule.

Die beiden unternahmen diese Demonstration, weil Archie daran interessiert war, eine Diskussion für TEDxTeddington auf einem zoologischen Gebietw2. zu entwickeln. Als Ed auf die Schwierigkeit der Erschaffung einer dramatischen zoologischen Präsentation auf der Bühne hinwies („Es wird entweder lebende Tieren beinhalten oder es wird blutig …“), antwortete Archie „Ich kann es blutig machen!“. Dieser Kommentar zeitgleich mit Eds Genuss der „Leonardo da Vinci: Anatomy ‚Ipad Appw3, war die Inspiration, um das pumpende Herz zu untersuchen.


Review

Der Artikel zeigt, wie wichtig Neugier sein kann: in diesem Fall führte der Wunsch für ein besseres Verständnis der Physiologie des Säugetier Herzens zur Entdeckung einer einfachen, aber effektiven Strategie zu untersuchen, wie Blut gepumpt wird.

Obwohl neuartig ist die Strategie so einfach, dass sie mit Schülern fast jeden Alters genutzt werden könnte. Bei jüngeren Schülern (11-14 Jahre) sollte der Lehrer die Aktivität demonstrieren, ältere Schüler (im Alter von 15-19) sollten in der Lage sein, eigenständig in Gruppen zu arbeiten.

Die Autoren schlagen auch einige weitere Untersuchungen vor, die den pädagogischen Wert der Übung erweitern und interdisziplinäre Möglichkeiten mit Mathematik schaffen. Darüber hinaus wären die historischen Informationen in der Einleitung ein ausgezeichneter Ausgangspunkt für Gespräche mit älteren Schülern über die Geschichte der Wissenschaft und die Beziehung zwischen Wissenschaft und Technik.


Betina Lopes, Portugal




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CC-BY-NC-SA