Wie Herz und Lunge zusammenarbeiten

Im Jahr 1616 legte William Harvey am Royal College of Physicians in London einer Freiwilligen eine lederne Aderpresse um den bloßen Unterarm und drückte auf die geschwollenen Venen. Er führte etwas vor, das fast zu einfach klingt, um von Bedeutung zu sein: dass venöses Blut nur in eine Richtung fließt, zurück zum Herzen und niemals von ihm weg. Streicht man mit dem Finger eine hervortretende Vene zur Hand hin entlang, bleibt das Gefäß leer; das Blut fließt nicht rückwärts, um sie wieder zu füllen. Zwölf Jahre später, 1628, veröffentlichte Harvey die vollständige Argumentation in Frankfurt unter dem Titel De Motu Cordis (Über die Bewegung des Herzens), und die westliche Medizin war nie wieder dieselbe.

Was die Szene bemerkenswert macht, ist das, was sie ersetzte. Etwa eineinhalbtausend Jahre lang hatten gebildete Ärzte etwas völlig anderes über das Blut geglaubt, und Harveys stilles Experiment mit einem Streifen Leder genügte, um das ganze Gebäude zum Einsturz zu bringen. Um zu verstehen, warum seine Vorführung von Bedeutung war, und um das Organsystem in der eigenen Brust zu begreifen, beginnt man am besten mit dem, was die Ärzte so lange falsch verstanden hatten.

Was die Ärzte vor Harvey glaubten

Vor 1628 beruhte die europäische Medizin auf einem Modell, das vom griechischen Arzt Galen überliefert war, der im zweiten Jahrhundert praktiziert hatte und dessen Autorität die nächsten eineinhalbtausend Jahre weitgehend unangefochten blieb. In Galens Bild wurde das Blut überhaupt nicht in einem Kreislauf gepumpt. Die Leber stellte fortwährend frisches Blut aus der verdauten Nahrung her, und dieses Blut sickerte langsam in einer Art Einbahnflut nach außen durch den Körper, wo die Gewebe es verbrauchten, so wie ein Feuer Brennholz verzehrt. Blut wurde erzeugt, aufgebraucht und wieder erzeugt. Um zu erklären, wie das Blut von der rechten zur linken Seite des Herzens gelangte, nahm Galen unsichtbare Poren in der muskulösen Wand zwischen den Kammern an.

Harveys entscheidender Schritt war nicht anatomisch, sondern rechnerisch. Er schätzte ab, wie viel Blut das Herz mit jedem Schlag auswirft, und multiplizierte es mit der Zahl der Schläge in einer Stunde, und die Summe fiel weit größer aus, als der Körper in dieser Zeit aus Nahrung jemals herstellen könnte. Die Leber konnte Blut schlicht nicht schnell genug erzeugen, um es in diesem Tempo zu verbrauchen und zu verwerfen. Die einzige Erklärung, die zu den Zahlen passte, war, dass dasselbe Blut in einem geschlossenen Kreislauf umlaufen musste und immer wieder zum Herzen zurückkehrte. Die Aderpressen-Vorführung lieferte dann den sichtbaren Beweis: Die Klappen in den Venen lassen den Fluss nur in eine Richtung zu, zum Herzen hin, genau wie es ein rückführendes System verlangt.

Vier Kammern, zwei zu einer verschmolzene Pumpen

Das Organ, das Harvey beschrieb, versteht man am besten nicht als eine einzige Pumpe, sondern als zwei zu einem Muskelstück verschmolzene Pumpen. Das menschliche Herz hat vier Kammern, und eine dicke Muskelwand, die sogenannte Kammerscheidewand, verläuft durch seine Mitte und hält die rechte und die linke Seite vollständig getrennt. Diese Trennung ist der ganze Sinn der Sache, denn jede Seite bedient einen anderen Kreislauf.

Die rechte Herzseite empfängt Blut, das seinen Sauerstoff bereits an den Körper abgegeben hat und nun dunkel von Kohlendioxid ist. Sie drückt dieses sauerstoffarme Blut durch die Lunge und zurück, eine kurze Schleife, die als Lungenkreislauf bekannt ist. Die linke Seite empfängt das frisch mit Sauerstoff angereicherte Blut, das aus der Lunge zurückkehrt, und treibt es hinaus in den ganzen Körper, vom Gehirn bis zu den Zehen, eine weit längere Schleife, die als Körperkreislauf bekannt ist. Weil die linke Seite das Blut gegen viel größeren Widerstand durch den ganzen Körper treiben muss, ist ihre Muskelwand erheblich dicker als die der rechten.

Die beiden Kreisläufe laufen hintereinander in Reihe, wie zwei Runden einer Acht, die das Herz als ihren Kreuzungspunkt teilen. Jeder Tropfen Blut durchläuft beide und wechselt endlos zwischen dem Aufnehmen von Sauerstoff in der Lunge und dem Abgeben in den Geweben.

Vier Klappen und der Klang des Herzschlags

Damit zwei Pumpen das Blut vorwärts in Bewegung halten und es niemals zurückschwappen lassen, braucht das Herz Klappen, und es hat vier davon, jede ein Einwegtor. Zwei Klappen sitzen zwischen den Vorhöfen (den oberen aufnehmenden Kammern) und den Herzkammern (den unteren pumpenden Kammern): die Trikuspidalklappe rechts und die Mitralklappe links. Zwei weitere Klappen bewachen die Ausgänge der Herzkammern, wo das Blut das Herz verlässt: die Pulmonalklappe, durch die die rechte Kammer das Blut zur Lunge auswirft, und die Aortenklappe, durch die die linke Kammer das Blut in die Aorta und hinaus in den Körper treibt.

Diese vier Klappen sind die Quelle des vertrauten Herzschlags, den man durch ein Stethoskop hören kann. Das rhythmische Lub-Dub ist nicht das Pressen des Muskels; es ist der Klang der zuschnappenden Klappen. Der erste Ton, das Lub, ist das Schließen der Trikuspidal- und der Mitralklappe, wenn die Herzkammern sich zu kontrahieren beginnen, und der zweite Ton, das Dub, ist das Schließen der Pulmonal- und der Aortenklappe, wenn die Herzkammern erschlaffen. Wenn ein Arzt auf ein Herzgeräusch lauscht, lauscht er auf das leise Zischen von Blut, das durch eine Klappe, die nicht mehr richtig schließt, in die falsche Richtung leckt.

Ein einzelner Tropfen durch beide Kreisläufe

Verfolgt man einen Tropfen Blut auf seiner vollständigen Runde, fügt sich der gesamte geschlossene Kreislauf in sein Bild. Man beginne im rechten Vorhof, wo dunkles, sauerstoffarmes Blut aus dem Körper ankommt. Es fällt durch die Trikuspidalklappe in die rechte Herzkammer, die sich kontrahiert und es durch die Pulmonalklappe hinaus zur Lunge drückt. In der Lunge lädt sich das Blut mit Sauerstoff auf und gibt Kohlendioxid ab, dann kehrt es, nun leuchtend rot, in den linken Vorhof zurück. Von dort fällt es durch die Mitralklappe in die linke Herzkammer, die kräftigste Kammer, die sich hart kontrahiert und das Blut durch die Aortenklappe in die Aorta treibt. Aus der Aorta verzweigt es sich in den ganzen Körper, liefert jedem Gewebe Sauerstoff und fließt schließlich, wieder dunkel, zurück in den rechten Vorhof, wo die Reise begann.

Verfolgt man diesen Weg einmal, hat man die geschlossene doppelte Zirkulation verstanden, die Harvey 1628 veröffentlichte: rechtes Herz zur Lunge zum linken Herzen zum Körper und wieder zurück, dasselbe Blut, das ohne Ende umläuft, genau wie es seine Rechnung verlangte.

Der Ablauf eines einzelnen Schlags und der Funke, der den Takt vorgibt

Jeder Herzschlag ist nicht ein einzelnes Zucken, sondern ein abgestimmter dreistufiger Zyklus. Zuerst kommt die Vorhofsystole, in der die beiden Vorhöfe sich kontrahieren und die Herzkammern mit einem letzten Schub Blut auffüllen. Dann kommt die Kammersystole, in der die Herzkammern sich kraftvoll kontrahieren und Blut in die Lunge und den Körper auswerfen. Schließlich kommt die Diastole, die Ruhephase, in der alle vier Kammern erschlaffen und sich wieder füllen, bereit für den nächsten Schlag. Das zeitliche Zusammenspiel der Klappen, die sich der Reihe nach öffnen und schließen, ist es, was diesen Zyklus niemals rückwärts laufen lässt.

Was den Rhythmus stetig hält, ist ein kleiner Flecken spezialisierten Gewebes in der Wand des rechten Vorhofs, der Sinusknoten genannt wird und 1907 von den Anatomen Arthur Keith und Martin Flack beschrieben wurde. Der Sinusknoten ist der natürliche Schrittmacher des Herzens. Er feuert von sich aus einen elektrischen Impuls ab, ohne jedes Signal vom Gehirn, und dieser Impuls breitet sich in einer geordneten Welle über den Herzmuskel aus und weist die Vorhöfe an, sich zuerst zu kontrahieren, und dann den Bruchteil einer Sekunde später die Herzkammern. Deshalb kann ein aus dem Körper entferntes oder einem anderen Menschen verpflanztes Herz weiterschlagen: Der Funke kommt aus dem Muskel selbst.

Dreihundert Millionen winzige Bläschen und das Hämoglobin, das die Fracht trägt

Das Herz ist nur die Hälfte der Partnerschaft. Die andere Hälfte ist das Lungenpaar, wo der eigentliche Austausch der Gase stattfindet, und die Eleganz der Lunge liegt in ihrer gewaltigen Oberfläche, die auf engstem Raum zusammengepackt ist. Tief im Inneren verzweigen sich die Atemwege immer wieder, bis sie in mikroskopisch kleinen Luftbläschen enden, den sogenannten Alveolen, von denen die erwachsene Lunge irgendwo zwischen 300 und 500 Millionen enthält. Ihre Gesamtoberfläche erreicht rund 70 Quadratmeter, etwa die Grundfläche einer kleinen Einzimmerwohnung, alles zusammengefaltet in der Brust. Die Membran, die die Luft in einer Alveole vom Blut in der umgebenden Kapillare trennt, ist erstaunlich dünn, nur etwa 0,5 bis 1 Mikrometer, was den Sauerstoff hinüber ins Blut schlüpfen lässt und das Kohlendioxid auf der anderen Seite hinaus.

Sobald der Sauerstoff ins Blut übergetreten ist, braucht er einen Boten, denn er löst sich in reinem Plasma nicht gut. Dieser Bote ist das Hämoglobin, das eisenreiche Protein, das die roten Blutkörperchen füllt und ihnen ihre Farbe verleiht. Jedes rote Blutkörperchen trägt rund 270 Millionen Hämoglobinmoleküle, und jedes Molekül ist aus vier Untereinheiten aufgebaut, von denen jede eine Hämgruppe trägt, die ein einzelnes Sauerstoffmolekül binden kann. Das Raffinierte daran ist, dass diese vier Stellen zusammenwirken: Wenn das erste Sauerstoffmolekül bindet, formt es das Protein subtil um und lässt die nächsten Stellen leichter binden. Diese kooperative Bindung ist der Grund, warum ein Diagramm der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins gegen den Sauerstoffdruck S-förmig oder sigmoidal verläuft und keine Gerade ist, und diese Form ist keine bloße Kuriosität, denn sie lässt das Hämoglobin den Sauerstoff in der Lunge gierig greifen, wo Sauerstoff reichlich vorhanden ist, und ihn in den Geweben großzügig abgeben, wo er knapp ist.

Fünfundzwanzig Billionen Boten und der Mythos vom blauen Blut

Das Ausmaß der Lieferflotte ist schwer vorstellbar. Der erwachsene Körper enthält rund 25 Billionen rote Blutkörperchen, mehr als das Dreifache der Zahl der Sterne in der Milchstraße, und sie werden ständig erneuert. Jede Zelle ist eine bikonkave Scheibe, auf beiden Seiten eingedellt wie ein winziger Donut ohne Loch, etwa 7 bis 8 Mikrometer breit, gerade schmal genug, damit sich die Zelle falten und im Gänsemarsch durch die kleinsten Kapillaren des Körpers zwängen kann, wobei sie ihre Membran dicht an die Gefäßwand presst, damit der Sauerstoff den kürzestmöglichen Weg hinaus in die Gewebe hat.

Hier liegt auch der Ursprung eines der hartnäckigsten Mythen der Kindheit. Kindern wird routinemäßig erzählt, dass Venen blaues Blut führen, und der Handrücken scheint es zu beweisen, denn die Venen dort sehen deutlich bläulich aus. Das Blut darin ist jedoch nicht blau und war es nie. Sauerstoffarmes venöses Blut ist von einem dunkleren, stumpferen Rot als das leuchtende Scharlachrot des arteriellen Blutes, aber es bleibt unzweifelhaft rot. Der blaue Schimmer ist ein Spiel des Lichts: Haut und Gewebe streuen und absorbieren die längeren roten Wellenlängen stärker als die kürzeren blauen, sodass das Licht, das von einer Vene unter der Oberfläche zum Auge zurückgeworfen wird, ins Blaue verschoben ist. Schneidet man eine Vene auf, ist das Blut rot, nicht blau.

Warum es sich lohnt, dieses System zu verstehen

Es gibt einen ernüchternden Grund, warum diese Anatomie in jeden Lehrplan gehört. Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind seit Jahrzehnten die häufigste Todesursache weltweit und töten nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation jedes Jahr rund 18 Millionen Menschen. Herzinfarkte, Schlaganfälle und Herzversagen sind im Grunde Versagen genau jener Partnerschaft, die Harvey 1628 erstmals kartierte: eine verstopfte Herzkranzarterie, sodass der Herzmuskel hungert, ein verschlossenes Gefäß im Gehirn, sodass das dahinterliegende Gewebe abstirbt, ein zu schwach gewordenes Herz, das den Kreislauf nicht mehr in Bewegung halten kann. Zu verstehen, wie das System funktionieren soll, ist der erste Schritt, um zu verstehen, wie es versagt.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Herz und Lunge bilden eine geschlossene doppelte Zirkulation, die William Harvey 1628 erstmals bewies, als seine Rechnung zeigte, dass der Körper Blut nicht schnell genug herstellen kann, als dass Galens altes Einbahnmodell zutreffen könnte. Das Herz ist eine aus zwei Pumpen verschmolzene Einheit, getrennt durch die Kammerscheidewand: Die rechte Seite treibt sauerstoffarmes Blut im Lungenkreislauf durch die Lunge, und die dickwandigere linke Seite treibt sauerstoffreiches Blut im Körperkreislauf durch den Körper, wobei vier Einwegklappen den Fluss vorwärts halten und das vertraute Lub-Dub erzeugen. Jeder Schlag durchläuft Vorhofsystole, Kammersystole und Diastole, getaktet vom Sinusknoten, der im rechten Vorhof von sich aus zündet. Der Gasaustausch geschieht über 300 bis 500 Millionen Alveolen, deren Gesamtoberfläche mit einer kleinen Wohnung mithält und deren Membran weniger als einen Mikrometer dünn ist, und der Sauerstoff wird dann vom Hämoglobin befördert, mit vier kooperativen Bindungsstellen pro Molekül, was die sigmoidale Sättigungskurve erzeugt, die den Sauerstoff in der Lunge auflädt und ihn in den Geweben abgibt. Rund 25 Billionen rote Blutkörperchen, jedes so geformt, dass es sich im Gänsemarsch durch eine Kapillare zwängt, tragen diese Fracht, und obwohl venöses Blut durch die Haut blau aussieht, ist es immer nur ein dunkleres Rot. Weil Herz-Kreislauf-Erkrankungen mit rund 18 Millionen Todesfällen im Jahr der weltweit größte Killer bleiben, ist dies keine abstrakte Anatomie, sondern die Funktionsbeschreibung des Systems, von dem das eigene Leben abhängt.