01
Zwei Pumpen in einem faustgroßen Muskel
Ballen Sie eine Faust. Etwa so groß ist Ihr Herz. Es misst rund 12 mal 8 mal 6 cm und wiegt etwa 250 bis 350 g. Es liegt in der Mitte des Brustkorbs, hinter dem Brustbein und zwischen den Lungenflügeln. Weil es schräg sitzt, befinden sich etwa zwei Drittel davon links der Mittellinie. Seine Spitze zeigt nach links unten. In Ruhe schlägt ein gesundes Herz etwa 60- bis 100-mal pro Minute. In einer Studie mit 92.000 Erwachsenen, die Fitnesstracker trugen, lag der Durchschnitt bei etwa 65.
Typischerweise pumpt das Herz bei jedem Schlag etwa 70 ml Blut aus. In Ruhe sind das etwa 5 Liter pro Minute, ungefähr so viel Blut, wie Ihr ganzer Körper enthält. Im Schnitt dreht Ihr Blut also etwa einmal pro Minute eine volle Runde durch den Körper. Und Ihr Herz schlägt rund 100.000-mal am Tag. Eigentlich besteht es aus zwei Pumpen nebeneinander. Die rechte Seite schickt das Blut durch die Lunge, wo es Sauerstoff aufnimmt. Die linke Seite schickt es weiter durch den übrigen Körper.
Jede Pumpe hat zwei Räume. Ein Vorhof nimmt das ankommende Blut auf, eine Kammer pumpt es hinaus. Vier Klappen sorgen dafür, dass das Blut nur vorwärts fließt. Das Modell zeigt einen Herzschlag in Ruhe, bei 75 Schlägen pro Minute, stark verlangsamt. Dabei vereinfacht es einiges. Sauerstoffarmes Blut ist blau gezeichnet, wie in den meisten Anatomiebüchern. In Wirklichkeit ist es dunkelrot. Die Vorhöfe liegen eher hinter den Kammern als darüber. Die Gefäße enden eine Handbreit vom Herzen entfernt. Ziehen Sie den Regler der Zeitleiste, um den Herzschlag durchzugehen. Ziehen Sie das Modell, um es zu drehen.
Vielleicht haben Sie gehört, dass das Herz nie ausruht. Tatsächlich ruht es bei jedem Schlag. Wenn Sie ruhig sitzen, ziehen sich die Kammern nur während etwa zwei Fünfteln jedes Schlags zusammen. In den übrigen drei Fünfteln entspannt sich der Muskel, und das Herz füllt sich wieder. Diese Entspannungsphase heißt Diastole, das Zusammenziehen heißt Systole. Den einen normalen Puls gibt es übrigens auch nicht. In der Trackerstudie reichte der Ruhepuls von etwa 40 bis über 100. Bei zwei gesunden Menschen konnte der normale Wert um bis zu 70 Schläge pro Minute auseinanderliegen.
02
Vier Räume, zweierlei Druck
Das Modell ist jetzt entlang einer Ebene von vorn aufgeschnitten. Diese Lehrbuchansicht zeigt alle vier Räume auf einmal. Das Herz ist Ihnen zugewandt, seine rechte Seite liegt also links von Ihnen. Blut, das seinen Sauerstoff abgegeben hat, kommt über zwei große Venen, die Hohlvenen, aus dem Körper zurück. Sie münden in den rechten Vorhof. Von dort fließt das Blut in die rechte Kammer, die es in die Lunge gleich nebenan pumpt. Das kostet wenig Kraft: Der Druck in der rechten Kammer steigt nur auf etwa 25 mmHg.
Mit Sauerstoff beladen kehrt das Blut aus der Lunge über vier Lungenvenen in den linken Vorhof zurück. Von dort fließt es in die linke Kammer, den kräftigsten der vier Räume. Diese Kammer muss das Blut durch den ganzen Körper pumpen, vom Gehirn bis in die Zehen. Der Druck in ihr erreicht etwa 120 mmHg, rund fünfmal so viel wie rechts. Deshalb ist ihre Wand etwa dreimal so dick wie die der rechten Kammer, meist 6 bis 9 mm. Am aufgeschnittenen Modell sehen Sie den Unterschied.
Eine Muskelwand, die Kammerscheidewand, trennt die beiden Seiten. So vermischen sich sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Blut nicht. Beide Kammern pumpen gleich viel, typischerweise etwa 70 ml pro Schlag. Pumpte eine Seite auf Dauer auch nur etwas mehr, würde sich das Blut vor der anderen stauen. Die Füllung geschieht größtenteils von selbst: Das Blut fließt durch die Vorhöfe in die entspannten Kammern. Am Ende ziehen sich die Vorhöfe zusammen und füllen ein wenig nach, in Ruhe bis zu etwa einem Fünftel, bei schnellem Herzschlag mehr. Tippen Sie auf einen Raum, um zu sehen, woher sein Blut kommt und wohin es fließt.
Woher weiß jede Seite, wie viel sie pumpen muss? Niemand muss es ihr sagen. Der Herzmuskel folgt einer einfachen Regel, dem Frank-Starling-Mechanismus: Je voller eine Kammer ist, desto kräftiger zieht sie sich zusammen. Zusätzliches Blut dehnt die Muskelzellen. Gedehnte Zellen ziehen sich kräftiger zusammen, und die Kammer pumpt den Überschuss wieder hinaus. Was hineinfließt, fließt also Schlag für Schlag wieder heraus. Die Regel steckt im Muskel selbst. Ausdauersportler nutzen sie weit mehr als Untrainierte: Das Herz eines Sportlers füllt sich stärker und pumpt deshalb mehr.
03
Vier Türen, eine Richtung
Zwischen jedem Vorhof und seiner Kammer sitzt eine Klappe aus dünnen Segeln. Rechts ist es die Trikuspidalklappe mit drei Segeln. Links ist es die Mitralklappe mit zwei. Wenn sich die Kammer zusammenzieht, drückt der steigende Druck die Segel zu. Dünne Sehnenfäden verbinden ihre Ränder mit kleinen Muskeln in der Kammerwand, den Papillarmuskeln. Diese spannen sich beim Zusammenziehen an. So können die Segel nicht in den Vorhof durchschlagen wie ein Regenschirm, den der Wind umstülpt.
An den Ausgängen sitzt eine andere Art von Klappe. Die Pulmonalklappe öffnet den Weg zur Lunge, die Aortenklappe den Weg in den Körper. Jede hat drei kleine Taschen, daher der Name Taschenklappe. Solange das Blut hinausströmt, liegen die Taschen flach an der Wand. Entspannt sich die Kammer und will das Blut zurückströmen, füllt es die Taschen. Die Taschen blähen sich auf, schnappen zu und treffen sich in der Mitte. Das Modell zeigt alle vier Klappen der Übersicht halber in einer Schnittebene. In einem echten Herzen liegt die Pulmonalklappe höher und weiter vorn.
Keine Klappe hat eigene Muskeln. Jede öffnet sich, wenn der Druck hinter ihr höher ist als vor ihr, und schließt sich, wenn es umgekehrt ist. Beim Zuschlagen entstehen die Herztöne, das bekannte Ba-dumm, das man mit dem Stethoskop hört. Der erste Ton entsteht, wenn sich Mitral- und Trikuspidalklappe zu Beginn des Zusammenziehens schließen. Der zweite entsteht, wenn sich Aorten- und Pulmonalklappe an seinem Ende schließen. Die Töne kommen also von den Klappen, nicht vom Muskel. Tippen Sie auf eine Klappe, und die Kamera folgt ihr durch den Herzschlag.
Genau genommen besteht jeder Ton aus zweien. Die Mitralklappe schließt den Bruchteil einer Sekunde vor der Trikuspidalklappe. Dieser Abstand ist zu kurz, um sie mit dem Stethoskop zu hören. Vergleichen Sie im Modell die Zeiten der beiden Klappen. Auch die Aortenklappe schließt kurz vor der Pulmonalklappe. Dieser Abstand, die Spaltung des zweiten Herztons, ändert sich mit der Atmung und sogar, wenn Sie die Körperlage wechseln. Das Herz eines gesunden Erwachsenen macht nur diese zwei Töne. Ein dritter Ton ist bei Kindern normal, bei Erwachsenen aber oft ein Zeichen für eine Krankheit.
04
Ein Herzschlag, Schritt für Schritt
Das Diagramm zeigt die linke Herzhälfte während eines Herzschlags. Am Anfang ist die Kammer entspannt und schon größtenteils gefüllt. Die Vorhöfe ziehen sich zusammen und füllen sie auf etwa 120 ml auf. Dann beginnt die Kammer, sich zusammenzuziehen. Die Mitralklappe schließt sich, und für einen Moment sind alle vier Klappen zu. Das Blut kann nirgendwohin. Also bleibt das Volumen gleich, während der Druck von etwa 10 auf etwa 80 mmHg hochschießt. Diese Phase heißt Anspannungsphase oder isovolumetrische Kontraktion: Zusammenziehen bei gleichem Volumen.
Bei etwa 80 mmHg übersteigt der Druck in der Kammer den in der Aorta, und die Aortenklappe schwingt auf. Das Blut schießt mit bis zu etwa 1 m/s in die Aorta, und der Druck erreicht etwa 120 mmHg. In rund einer Viertelsekunde pumpt die Kammer etwa 70 ml aus, etwa 50 ml bleiben zurück. Jeder Schlag leert sie also nur zu etwas mehr als der Hälfte, zu etwa 55 bis 65 Prozent. Dieser Anteil heißt Auswurffraktion. Die Kurven sind typische Lehrbuchformen, keine Messung an einem bestimmten Menschen. Echte Herzen fassen oft mehr.
Lässt die Anspannung nach, will das Blut zurückströmen, und die Aortenklappe schnappt zu. Das erzeugt die kleine Kerbe in der Aortenkurve. Während der Druck fällt, sind wieder alle vier Klappen geschlossen, 0,07 s lang oder kürzer. Sobald er unter den Druck im Vorhof sinkt, öffnet sich die Mitralklappe. Das Blut strömt ein, erst schnell, dann langsam. Die elastische Aorta dehnt sich bei jedem Stoß und federt dazwischen zurück. Deshalb fällt der Druck in ihr nur auf etwa 80. Höchst- und Tiefstwert zusammen ergeben den Blutdruck in der Aorta, die bekannten 120 zu 80.
Der Herzmuskel hat eine eigene Blutversorgung: die Herzkranzgefäße auf seiner Oberfläche. Doch ein Muskel, der sich zusammenzieht, drückt auf seine eigenen Gefäße. Deshalb fließt der größte Teil dieses Bluts zwischen den Schlägen, wenn der Muskel entspannt ist. Schlägt das Herz schneller, wird vor allem die Entspannung kürzer. Bei 75 Schlägen pro Minute ist das Herz etwa 33 Sekunden pro Minute entspannt. Bei 150 bleiben nur etwa 22. Ein doppelt so schneller Puls kürzt die Zeit, in der sich das Herz selbst versorgt, also um etwa ein Drittel. Das ist vor allem wichtig, wenn die Herzkranzgefäße verengt sind.
05
Der Funke kommt von innen
Jeder Herzschlag beginnt im Herzen selbst, nicht im Gehirn. Oben in der Wand des rechten Vorhofs sitzt eine kleine Gruppe besonderer Zellen, der Sinusknoten. Sich selbst überlassen, würde er etwa 100-mal pro Minute feuern. Doch der Vagusnerv bremst ihn den ganzen Tag über auf einen Ruhepuls von 60 bis 80. Nerven und Hormone wie Adrenalin drehen den Takt nur hoch oder herunter. Sogar die Atmung verändert ihn: Jedes Einatmen lockert kurz die Bremse des Vagus. Deshalb wird ein gesunder Puls beim Einatmen etwas schneller und beim Ausatmen wieder langsamer.
Jedes Mal, wenn der Knoten feuert, läuft eine elektrische Welle in etwa 90 ms über beide Vorhöfe, und sie ziehen sich zusammen. In der Kurve ist das der kleine Buckel, den man P-Welle nennt. Dann trifft die Welle auf einen Ring aus festem Bindegewebe, den sie nicht durchdringen kann. Es gibt nur ein Tor: den AV-Knoten, ausgeschrieben Atrioventrikularknoten. Mit etwa 0,05 m/s ist er der langsamste Teil des Systems. Er hält das Signal etwa eine Zehntelsekunde lang auf. So haben die Vorhöfe Zeit, sich zu entleeren, bevor die Kammern loslegen.
Hinter dem Knoten läuft das Signal mit etwa 2 m/s durch das His-Bündel und seine zwei Schenkel, je einen auf jeder Seite der Kammerscheidewand. Ein feines Netz, die Purkinje-Fasern, verteilt es dann mit etwa 4 m/s über die Innenwände, rund 80-mal schneller als im Knoten. Die ganze Kammerwand feuert in weniger als einer Zehntelsekunde: Das ist die hohe Zacke in der Kurve, der QRS-Komplex. Danach erholen sich die Wände, was die Kurve als T-Welle zeigt. Tippen Sie auf eine Welle, um zum passenden Moment zu springen.
Ein transplantiertes Herz zeigt, wie sehr sich das Herz selbst steuert. Bei der Transplantation werden keine Nerven angeschlossen, und trotzdem schlägt es. Ohne den bremsenden Vagus schlägt es in Ruhe schneller als normal. Bei Belastung steigt sein Puls dennoch, nur langsamer: Adrenalin und ähnliche Hormone erreichen es über das Blut. Bei 40 bis 70 Prozent der Patienten wachsen Monate bis Jahre später einige Nerven nach. Das Herz hat außerdem Ersatztaktgeber. Fällt der Sinusknoten aus, übernimmt der AV-Knoten mit etwa 40 bis 60 Schlägen pro Minute.
06
Zwei Kreisläufe und was sich beim Laufen ändert
Folgen Sie einem Blutstropfen. Die rechte Kammer schickt ihn durch die Lungenarterien in die Lunge, wo er Sauerstoff aufnimmt. Über die Lungenvenen kehrt er zur linken Seite zurück, die ihn durch die Aorta in den Körper schickt. Über die Hohlvenen kommt er dann zur rechten Seite zurück. Es gibt also zwei Kreisläufe hintereinander, den Lungenkreislauf und den Körperkreislauf. Das Herz treibt beide gleichzeitig an. Arterien sind einfach die Gefäße, die Blut vom Herzen wegführen. Mit Sauerstoff hat das nichts zu tun: Die Lungenarterien führen sauerstoffarmes Blut. In Ruhe braucht ein Tropfen im Schnitt etwa eine Minute für die ganze Runde.
Schieben Sie jetzt den Regler für die Belastung nach oben. Bei 25-Jährigen steigt der Puls von etwa 75 auf bis zu etwa 190 Schläge pro Minute, und jeder Schlag pumpt mehr aus. Puls mal Blut pro Schlag ergibt das Herzzeitvolumen, also die Blutmenge, die pro Minute gepumpt wird. Es steigt von etwa 5 Litern in Ruhe auf etwa 20 bei starker Belastung. Das Zusammenziehen wird etwas kürzer, die Zeit zum Füllen schrumpft aber viel stärker. Verdoppelt sich der Puls, verliert das Zusammenziehen weniger als ein Drittel seiner Zeit, das Füllen etwa zwei Drittel. Achten Sie darauf, wie der blaue Teil im Diagramm schrumpft.
All diese Arbeit hat ihren Preis. Das Herz versorgt sich über seine Herzkranzgefäße selbst, in Ruhe mit etwa 250 ml Blut pro Minute. Das sind rund 5 Prozent dessen, was es pumpt. Es verbraucht etwa ein Zehntel des Sauerstoffs, den Ihr Körper aufnimmt. Seine Pumpleistung ist dagegen bescheiden: etwa 1 W für die linke Seite. Im Lauf eines Lebens schlägt es rund 3 Milliarden Mal. Das ist viel für ein Säugetier. Bei Säugetieren sind es grob eine Milliarde Schläge pro Leben, je nach Art bis zu zehnmal mehr oder weniger. Das Herz eines tauchenden Blauwals schlägt nur 2- bis 8-mal pro Minute.
Ausdauertraining formt das Herz um. Die linke Kammer wird geräumiger, bei männlichen Sportlern etwa 55 mm im Durchmesser gegenüber etwa 48 mm bei Untrainierten, und ihre Wand wird etwas dicker. Dieses Sportlerherz ist eine gesunde Anpassung. Jeder Schlag bewegt mehr Blut, und der Ruhepuls sinkt auf etwa 50, bei Spitzenradsportlern auf fast 30. Bei voller Belastung pumpt es etwa 28 Liter pro Minute. Die Rekorde liegen bei etwa 42 Litern pro Minute und 210 ml bei einem einzigen Schlag. Trotzdem ist sein Höchstpuls nicht höher als bei anderen Menschen. Und die Faustregel „220 minus Lebensalter“ ist nur eine grobe Schätzung, die um etwa 10 Schläge nach oben oder unten danebenliegen kann. Tippen Sie zum Vergleich auf den Ausdauersportler.