Uit de grond van ons hart: een praktische demonstratie van de hartslag van zoogdieren Teach article

Vertaald door Piet Das. Met behulp van niets anders dan een varkenshart, een mes en een hoeveelheid water kun jij en je leerlingen onderzoeken hoe het hart pompt.

Figuur 1: Het hart en de
omringende bloedvaten door
Leonardo da Vinci. Da Vinci’s
tekeningen en notities laten
zowel zijn opmerkelijke
observatievermogen zien en
tegelijkertijd zijn
onvermogen om wat hij zag
in overeenstemming te
brengen met het traditionele
begrip van het hart in die
tijd. De bloedsomloop werd
pas honderd jaar later
ontdekt. Klik op de figuur om
te vergroten.

Figuur in het publiek domein;
Bron: Wikimedia Commons

Leonardo da Vinci was een van de eerste mensen die zorgvuldig naar het hart keek en beschreef wat het deed. Zijn tekeningen van het hart en de kleppen zijn meesterwerken van wetenschappelijke kunst (figuur 1) en hij deed opmerkelijke waarnemingen over de manier waarop het bloed door de vaten en kamers stroomt en de arteriële kleppen activeert.

Een veel voorkomend schema
van het hart, met daarin de
bijbehorende structuren,
maar heel weinig uitleg over
de functie. A: Rechter
hartkamer; B: linker
hartkamer; C: tricuspidalisklep
(atrioventriculair);
D: mitralisklep
(atrioventriculair),
E: aortaklep ( slagaderlijk);
F: pulmonaalklep
(slagaderlijk); G: aorta;
H: longslagader,I: longader
J: bovenste holle ader,
K: onderste holle ader;
L: rechterboezem;
M: linkerboezem.
Klik op de figuur om te
vergroten.

Figuur met dank aan Edmond
Hui

Niettemin heeft da Vinci nooit volledig begrepen hoe het hart pompt omdat hij niet op de hoogte was van het circuleren van het bloed in het lichaam. Hij kon de slagaders en aders bekijken, maar niet de capillairen die hen verbonden.

Hij werd ook belemmerd door het overheersende idee in die tijd dat het hart bloed voortbewoog om warmte van de lever naar de spieren te transporteren en dat de functie van de longen was om het bloed te koelen. Dus voor da Vinci leek het hart bloed te pompen in vaten die steeds verder vertakten tot steeds kleinere vaten -die in wezen doodlopend zijn. En waar komt het bloed vandaan dat het hart instroomt? Zonder dit te weten kon hij niet de grote volumes die het hart duidelijk kon rondpompen in overeenstemming brengen met het feit dat het gepompte bloed blijkbaar nergens naar toe ging.

Tegenwoordig begrijpt men beter hoe de bloedsomloop werkt, maar slechts een klein aantal mensen is daadwerkelijk getuige geweest van het kloppen van het zoogdierenhart. Harten zijn geheimzinnige organen, verborgen in levende dieren; het hart zichtbaar maken veroorzaakt meestal dat het dier sterft. Zelfs in open hart chirurgie zijn de kleppen en de bloedstroom moeilijk te zien door het ondoorzichtige hartweefsel. Moderne medische beeldapparatuur kan spectaculaire beelden van het werkende hart laten zien, maar deze beelden zijn moeilijk te interpreteren voor leken en onmogelijk in scholen te produceren. De biomechanische werking van het hart is dus zo onduidelijk dat bij het grote publiek het orgaan voornamelijk wordt gezien als een metafoor voor emotie.

Biologielessen op school beschrijven de twee bloedsomlopen en benoemen de onderdelen van het hart, maar leggen niet echt uit hoe het bloed wordt voortgestuwd of waarom het hart is opgebouwd zoals het is. Probeer op het internet maar eens te zoeken naar demonstraties van het hart en je zult duizenden schematische tekeningen en andere leermiddelen vinden. Toch vonden we er geen een die daadwerkelijk de pompwerking van een echt zoogdierhart liet zient.

Wijzelf onderzoeken het zoogdierenhart

We wilden zelf ontdekken hoe het zoogdierhart eigenlijk pompt. We zijn begonnen met het idee dat we in staat zouden moeten zijn om het hart te laten pompen door handmatig te knijpen, net als met een eenvoudige plastic handpomp.

We kregen een onbeschadigd varkens- hart en probeerden het met de hand onder water samen te drukken. We probeerden er ook mee te pompen tijdens een poging om water uit de kraan in de boezems te laten lopen; dit was moeilijk omdat de boezems slap waren en meerdere openingen hadden. Geen van beide methodes leek te werken – er kwam geen water uit ofwel de longslagader of aorta.

Na deze mislukking hebben we opnieuw zowel het hart onderzocht en nagedacht over ons begrip in eerste instantie van zijn functie en zijn begonnen het te ontleden. Ten eerste hebben we beide boezems, die lijken op slappe zakken met gaten erin, volledig verwijderd. Het restant, letterlijk de bodem van het hart, bestaat uit een paar open hartkamers met daartussen de omhoogkomende aorta en longslagader. Het systeem is visueel en mechanisch zeer eenvoudig – het zijn duidelijk alleen maar een paar pompen. Op het eerste gezicht zag je geen van de atrioventriculaire kleppen: ze hingen dicht bij de wanden van de hartkamers naar beneden als gordijnen.

Detail van het hart en de
omringende bloedvaten
door Leonardo da Vinci.

Figuur in het publiek domein;
Bron: Wikimedia Common

Om erachter te komen welke hartkamer verbonden was met welke slagader, lieten we uit de kraan water in een van de hartkamers lopen. Tot onze verbazing werd de atrioventriculaire klep onmiddellijk naar binnen in de richting van de waterstroom gesloten (figuur 4). Zoals da Vinci beschreven had voor de aderlijke kleppen, sloot niet druk, samentrekking of compressie de atrioventriculaire kleppen, maar de beweging van de vloeistof. We ontdekten dat door het hart met de hand samen te drukken terwijl water de hartkamers instroomde, we de atrioventriculaire klep helemaal konden sluiten en een indrukwekkende straal water uit de slagader produceren.

We beseften dat bij onze eerdere poging de boezems de waterstroom in de hartkamers hadden geblokkeerd. Nu hadden we echter een onbelemmerde doorstroming en waren we in staat om de pompwerking van het hart handmatig te reproduceren. We konden niet alleen zien hoe de samentrekking (of met de hand samendrukken) van de hartkamers de vloeistof laat bewegen, maar ook de precieze werking van de kleppen – iets wat zeer zelden gezien is door iemand die geen hartchirurg is.

Aanvankelijk hadden we gedacht dat de atrioventriculaire kleppen robuuste, scharnierende of elastische kleppen (driehoekige slippen of klepbladen) hadden die reageerden op drukverschillen. Wat hadden we het verkeerd! In plaats daarvan zijn de kleppen vliezig en slap, net als parachutes aan de wand van de hartkamer – ze bollen op wanneer de vloeistofstroom hen opblaast en ‘peesdraden’ (chordae tendineae) die werken als parachutekoorden, beletten het binnenstebuiten draaien.

Wanneer het bloed zich beweegt van de hartkamer in de slagader, voorkomt een andere klep (het slagaderlijke ventiel) dat het bloed dat onder hoge druk staat, teruglekt in de hartkamer. Door de aorta en longslagader dichter bij de hartkamers af te snijden, konden we waarnemen dat deze kleppen ook openen en sluiten.

Figuur 2: Slagaders
ontdekken. De longslagader
en de aorta kunnen met de
hand geïsoleerd worden uit
omringende weefsels, klaar
om te worden gesneden.
Klik op de figuur om te
vergroten.

Figuur met dank aan Edmond
Hui

Persoonlijk zijn we verbaasd. De interne organen van een varken onderzoeken, het hart verwijderen en dan al deze ingewikkelde details voor onszelf ontdekken was een wetenschappelijk avontuur. We kwamen ook tot het besef dat we de beschikbare bronnen niet goed hadden begrepen en dat wat een complex en duister onderwerp had geleken in feite volledig begrijpelijk was voor middelbare school leerlingen.

Een kloppend hart in de klas demonstreren

Wij denken dat deze demonstratie van het pompmechanisme van het hart nieuw is maar in elk schoolpracticumlokaal is het eenvoudig te herhalen. Na het practicum moeten de studenten de functionele anatomie van het hart hebben begrepen, de beweging en de functie van de vier hartkleppen met eigen ogen hebben gezien en het belang van stroming in verband met de beweging van de kleppen hebben begrepen.

Het pompmechanisme op zich kan in slechts enkele minuten worden gedemonstreerd. Een volledige demonstratie – met deelname van studenten en een bespreking van de verbindingen van het hart met de omliggende organen en de bloedsomloop – kan echter productief wel twee uur in beslag nemen.

Het practicum is geschikt voor middelbare scholieren (11+) van elke leeftijd.

Materiaal

Figuur 3: De boezems zijn
verwijderd en de
boezemwanden afgesneden
tot de bovenkant van de
hartkamers. De twee gaten
zijn de openingen in de
hartkamers. Het hart is in de
juiste richting gehouden voor
de demonstratie; met de
wijsvinger van de
rechterhand klaar om de
rechterhartkamer samen te
drukken. Klik op de figuur
om te vergroten.

Figuur met dank aan Edmond
Hui

Voor elke groep heb je nodig:

  • Een varkens – of schapenhart.

    Een hart dat volledig vastzit aan de lever en longen is in Groot Brittannië bekend als een ‘full pluck’, en kan worden aangevraagd bij een goede slager of lokaal slachthuis.

    Als alternatief kun je voorverpakte harten uit de supermarkt gebruiken. Zorg er in dat geval voor dat je er een paar extra koopt, omdat ze meestal zijn ingekort door dwarsdoor de boezems te snijden. De aorta en de longslagader kunnen ook heel kort zijn afgesneden, maar de demonstratie zal goed gaan als de hartkamers onbeschadigd zijn.
     

  • Een scherp mes of scalpel.
  • Kraanwater.

Werkwijze

Het voorbereiden van de “full pluck”

  1. Verwijder het hartzakje en scheid het hart van de longen door de longslagader en ader zo ver mogelijk van het hart af te snijden (figuur 2). De holle aders en aorta zullen reeds zijn afgesneden op het moment dat de organen werden verwijderd uit de lichaamsholte.
  2. Zoek naar de lichtgekleurde aorta met zijn elastische wand en naar de longslagader, de donkere holle ader en de longslagader en de boezems. Verwijder de boezems, snijd de wanden nabij de toppen van de kamers af (figuur 3). Wees voorzichtig zodat u de aorta en de longslagader, die opkomt uit het midden van het hart, niet beschadigd. Het hart is nu klaar voor gebruik.

Het voorbereiden van een hart uit de supermarkt

  1. Snijd eventuele overblijfselen van de boezems terug tot de wand van de kamer.
Figuur 4A: Als water in de
rechter hartkamer stroomt,
sluit de tricuspidalisklep
naar binnen. De waterstroom
stroomt naar het midden van
de rechter hartkamer. De
tricuspidalisklep is naar
binnen gesloten, tegen de
inkomende stroom in. De
linkerhand steunt de aorta
Klik op de figuur om te
vergroten.

Figuur met dank aan Edmond
Hui

De demonstratie uitvoeren

Zoek naar de linker en rechter hartkamers; de demonstratie werkt beter met de dunwandiger rechter hartkamer. Zet de kraan open, zodat er een rustige en constante waterstroom loopt. Houd het hart zo dat de stroom in het midden van de opening van de rechterkamer loopt. De tricuspidalisklep zou dicht moeten gaan om zo de inkomende stroom van water te raken (figuur 4).

Figuur 4B: Zodra de waterstroom is gestopt is de gesloten tricuspidalisklep zichtbaar. Merk op dat de mitralisklep in de linkerhartkamer open blijft omdat het water alleen in de rechter hartkamer is gelopen. De echte demonstratie moeten worden uitgevoerd door het hart onder een continue waterstroom te houden. Klik op de figuur om te vergroten.
Figuur met dank aan Edmond Hui

Als je nu het hart samendrukt zal de klep helemaal sluiten en zou het water uit de longslagader moeten spuiten (figuur 5). Knijp ritmisch om zo het kloppen van het hart na te bootsenw1. Als je de aorta en de longslagader dicht genoeg bij het hart afsnijdt zou je de slagaderlijke kleppen kunnen zien (figuur 6).

Figuur 5: Als de rechter hartkamer met de rechterhand wordt samengedrukt zal een waterstroom uit de longslagader spuiten. Deze stroom kun je over de knokkels van de rechterhand in de richting van de camera zien vliegen.
Klik op de figuur om te vergroten.

Figuur met dank aan dmond Hui
Figuur 6: Door de aorta en de
longslagader dicht genoeg bij
het hart af te knippen, zou je
de kleppen in de slagaders
moeten kunnen zien. Klik op
de figuur om te vergroten.

Figuur met dank aan Edmond
Hui

Verder onderzoek

  1. Bevestig chirurgische slangen aan de bloedvaten waar het water uitstroomt, meet dan de waterdruk die ontstaat als je het hart samendrukt.
  2. Daag je leerlingen uit om te bewijzen dat het hart een paar zelfstandig functionerende pompen is door een complete hartkamer open te snijden. Herhaal de oefening met behulp van een tweede hart met de andere hartkamer. Deze geïsoleerde hartkamers moeten functioneren als ze met de hand worden samengedrukt.
  3. In levende dieren trekken de twee hartkamers zich tegelijk samen, waarbij ze bloed eerst door de ene hartkamer en uiteindelijk door de andere voortstuwen. Ondanks hun duidelijk verschillende morfologie, moeten de twee hartkamers dus in dezelfde tijd exact dezelfde hoeveelheid bloed per slag bevatten. Hoe wordt dit evenwicht bereikt? Gezien hun waarneming dat de dunwandiger rechter hartkamer gemakkelijker met de hand is samen te drukken dan de linker hartkamer zouden de leerlingen moeten nadenken over de gevolgen daarvan voor hartmassage en beademing die eigenlijk bij deze demonstratie uitgevoerd worden met het hart in situ.
  4. Deze demonstratie is alleen mogelijk als de boezems zijn verwijderd. Vraag je studenten om onderzoek te doen naar de functie van de boezems.

Dankwoord

Figuur 7: “Ik kan bloederig
zijn! ” Archie Taplin houdt
het hart van een varken vast,
waarvan net het hartzakje
verwijderd is. De lever is te
zien aan de bovenkant van
de afbeelding, de longen aan
de linkerkant en de luchtpijp
loopt door tot de tong aan de
linkerkant. Klik op de figuur
om te vergroten.

Figuur met dank aan Edmond
Hui

Wij zijn de TED organisatie en Teddington School dankbaar, want zonder hen zou niemand van ons deze waarnemingen hebben gedaan. Laverstoke Park Farm leverde met grote zorg en aandacht de volledige “plucks”. Een aantal hartdeskundigen beantwoordde ruimhartig onze fundamentele vragen over de anatomie en functie van het hart, met inbegrip van dr. Andrew Ho (Ziekenhuis Evelina Children’s, London); Professor David Firmin (Imperial College, Londen); Dr Gary Ruiz ( King’s College Hospital in Londen); Professor David Celermajer (Universiteit van Sydney); dr. Louise Robson (Universiteit van Sheffield) en Martin Clayton (The Royal Collection, Windsor Castle). Niettemin, fouten en omissies in dit document zijn uitsluitend aan onszelf te wijten.

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Dr Edmond Hui is opgeleid tot mariene bioloog en netwerkbeheerder op de Teddington School en tevens de organisator van de TEDxTeddington conferentie. Archie Taplin (15 jaar) is een student aan de Teddington School.

De twee begonnen aan deze demonstratie omdat Archie geïnteresseerd was in het ontwikkelen van een lezing voor TEDxTeddington over een zoölogisch onderwerpw2. Toen Ed wees op de moeilijkheid van het samenstellen van een indrukwekkende zoölogische presentatie op een podium (‘Er zullen of levende dieren bij betrokken zijn of het zal bloederig zijn …”), Antwoordde Archie: “Ik kan bloederig zijn!”. Deze opmerking die samenviel met Ed’s vreugde over ‘Leonardo da Vinci‘s Anatomy’ Ipad appw3, was de inspiratie om het kloppende hart te onderzoeken.


Review

Het artikel laat zien hoe belangrijk nieuwsgierigheid kan zijn: in dit geval leidde de wens om de fysiologie van het zoogdierhart te begrijpen tot de ontdekking van een eenvoudige maar effectieve methode om te bestuderen hoe bloed wordt rondgepompt.

Hoewel de methode nieuw is, is ze zo eenvoudig dat het gebruikt kan worden voor studenten van bijna elke leeftijd. Aan jongere studenten (leeftijd 11-14), zou de leerkracht het practicum moeten demonstreren; oudere leerlingen (leeftijd 15-19) moeten in staat zijn om zelfstandig in groepen te werken.

De auteurs stellen ook enkele verdere onderzoeken voor die de educatieve waarde van het practicum zou uitbreiden en samen met wiskunde vakoverschrijdende kansen creëert. Bovendien zou de historische informatie in de inleiding een uitstekend uitgangspunt zijn voor discussies met oudere leerlingen over de wetenschapsgeschiedenis en de relatie tussen wetenschap en technologie.


Betina Lopes, Portugal




License

CC-BY-NC-SA