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Feb 27, 2024

Das Genie des fetalen Kreislaufsystems

Letzte Woche haben meine Frau und ich unser erstes Kind auf der Welt willkommen geheißen. Man kann sich kaum ein tieferes Zeugnis für Design vorstellen als die Geburt eines voll entwickelten Babys, das erst vor neun Monaten

Letzte Woche haben meine Frau und ich unser erstes Kind auf der Welt willkommen geheißen. Man kann sich kaum ein tieferes Zeugnis für Design vorstellen als die Geburt eines voll entwickelten Babys, das vor nur neun Monaten noch eine einzige Zelle war. Der Grad der regulatorischen Kontrolle und die Informationskomplexität des Prozesses, der die Embryonalentwicklung vorantreibt, liegen weit außerhalb des menschlichen Verständnisses. Nur wenige biologische Phänomene sind so fesselnd und beeindruckend wie der Fortpflanzungsprozess und die Entwicklung eines Babys im Mutterleib. Die Handschrift des Designs ist hier unverkennbar, denn ein großer Teil des Prozesses – von der Konzeption bis zur Lieferung – hängt von Weitsicht und Planung ab.

Bis zur Geburt, als unser Sohn seinen ersten Atemzug machte, war seine Sauerstoffversorgung vollständig auf den Fluss des mütterlichen Blutes durch die Plazenta und die Nabelschnur angewiesen. Nach seiner Entbindung bekam ich von der Hebamme eine Schere und wurde aufgefordert, die Nabelschnur zu durchtrennen. Dadurch habe ich die Verbindung unseres Sohnes zum Blut seiner Mutter und damit zu seiner Sauerstoffversorgung unterbrochen. Auch die Plazenta wurde kurz nach seiner Geburt entbunden, nachdem sie ihre Aufgabe erfüllt hatte. Als er den Übergang von der Abhängigkeit von Plazenta und Nabelschnur für den Gasaustausch zur Atmung außerhalb der Gebärmutter vollzog, brauchte er Sauerstoff – und zwar schnell. Darüber hinaus muss der Blutfluss in der Nabelvene sofort unterbrochen werden. Die Veränderungen, die in der Lunge und im Herzen des Babys stattfinden müssen, müssen schnell erfolgen, sonst sind die Folgen tödlich. Hier werde ich die Unterschiede zwischen den Kreislaufsystemen des Fötus und des Säuglings untersuchen, die Veränderungen beschreiben, die schnell stattfinden müssen, und eine Bewertung der jeweiligen Vorzüge von Evolution und Design anbieten. Die folgenden Informationen sind gut etabliert und können in jedem guten Lehrbuch über Anatomie und Physiologie gefunden werden. Dieses Material wird auch vom Arzt und Präsidenten des UK Centre for Intelligent Design Dr. David Galloway in seinem Buch „Design Dissected – Is the Design Real?“ behandelt. „A Clinical Look at Life's Complexity, Design, and Ultimate Causation“, ein Buch, das ich wärmstens empfehlen kann.1 Dr. Galloway diskutiert es auch in dieser Folge des ID the Future-Podcasts.

Nach der Geburt folgt das Kreislaufsystem einem anerkannten Weg, den sich jeder Biomedizinstudent einprägt. Wenn Sie mit diesem Thema nicht vertraut sind, empfehle ich Ihnen, beim Lesen das folgende Diagramm des Herzens zu Rate zu ziehen.

Sauerstoffarmes Blut gelangt über zwei Venen in die rechte Seite des Herzens – die obere Hohlvene und die untere Hohlvene. Die obere Hohlvene transportiert sauerstoffarmes Blut aus dem Oberkörper und die untere Hohlvene transportiert sauerstoffarmes Blut aus dem Unterkörper. Das sauerstoffarme Blut aus beiden Venen gelangt in den rechten Vorhof, die obere rechte Herzkammer. Wenn sich der rechte Vorhof zusammenzieht, drückt er das sauerstoffarme Blut durch die Trikuspidalklappe und in die rechte Herzkammer, die untere rechte Herzkammer. Der Zweck dieser Klappen besteht darin, den Rückfluss des Blutes zu verhindern und sicherzustellen, dass es nur in eine Richtung fließt. Bei der Kontraktion der rechten Herzkammer wird sauerstoffarmes Blut durch die Pulmonalklappe in die Lungenarterie gedrückt, wo es vom Herzen in Richtung Lunge transportiert wird. In der Lunge fließt das Blut durch die Kapillaren, die winzige Luftbläschen, sogenannte Alveolen, umgeben. Sauerstoff diffundiert von den Alveolen in das Blut, während Kohlendioxid vom Blut in die Alveolen gelangt und schließlich ausgeatmet wird.

Das mit Sauerstoff angereicherte Blut aus der Lunge kehrt über vier Lungenvenen zum Herzen zurück und gelangt in den linken Vorhof. Der linke Vorhof zieht sich zusammen und drückt das sauerstoffreiche Blut durch die Mitralklappe in den linken Ventrikel, die untere linke Herzkammer. Durch die kräftige Kontraktion der linken Herzkammer wird das sauerstoffreiche Blut durch die Aortenklappe und in die Aorta, die Hauptschlagader des Körpers, gepumpt. Die Aorta transportiert das sauerstoffreiche Blut vom Herzen weg und verteilt es über kleine Arterien an verschiedene Organe und Gewebe im ganzen Körper, wo es Sauerstoff und Nährstoffe ablagert. Wenn der Sauerstoff aufgebraucht ist und Abfallprodukte wie Kohlendioxid entstehen, wird das Blut wieder sauerstoffarm und kehrt zum Herzen zurück, um den Zyklus zu wiederholen.

Was sind die Hauptunterschiede zwischen dem oben besprochenen Kreislaufsystem des Säuglings (und Erwachsenen) und dem des Fötus in der Gebärmutter? Am wichtigsten ist, dass die Lunge noch nicht im Gasaustausch aktiv ist und tatsächlich mit Flüssigkeit gefüllt ist, die als fetale Lungenflüssigkeit bekannt ist. Diese Flüssigkeit unterstützt das Wachstum und die Entwicklung der Lunge und verhindert außerdem, dass die Lungenbläschen (Alveolen) aufgrund des äußeren Drucks in der Gebärmutter kollabieren. Etwa in der 24. bis 28. Schwangerschaftswoche beginnt die fetale Lunge mit der Produktion einer Substanz namens Surfactant, einer komplexen Mischung aus Lipiden und Proteinen, die die Oberflächenspannung in den Alveolen verringert und so verhindert, dass sie bei jedem Atemzug kollabieren. Die Produktion von Surfactant ist für die Funktionsfähigkeit der Lunge nach der Geburt unerlässlich. Die fetale Lunge trägt auch zur Produktion und Erhaltung von Fruchtwasser bei. Wenn der Fötus Fruchtwasser schluckt, wird ein Teil davon von der Lunge des Fötus aufgenommen. Diese Flüssigkeit wird dann verarbeitet und wieder in die Fruchtblase ausgeschieden. Dieser Prozess hilft bei der Entwicklung des Verdauungs- und Atmungssystems und sorgt für die Aufrechterhaltung der richtigen Fruchtwassermenge, damit sich der Fötus bewegen und wachsen kann.

Wie wird der Fötus mit Sauerstoff versorgt, da die Lunge während der Schwangerschaft nicht am Gasaustausch beteiligt ist? Der Fötus ist über die Plazenta, ein spezielles Organ, das sich in der Gebärmutter bildet und als Schnittstelle zwischen der mütterlichen und fetalen Blutversorgung dient, mit dem Kreislaufsystem der Mutter verbunden. Über die mütterlichen Arterien gelangt sauerstoffreiches Blut aus dem Kreislaufsystem der Mutter in die Plazenta. Das Blut des Fötus und das der Mutter vermischen sich nie. Die Plazenta enthält zahlreiche kleine Blutgefäße, sogenannte Zottenkapillaren, deren dünne Wände einen effizienten Gasaustausch ermöglichen. Aufgrund des Konzentrationsgradienten diffundieren Sauerstoffmoleküle aus dem mütterlichen Blut in die Zottenkapillaren der Plazenta. Sobald Sauerstoff in die Zottenkapillaren diffundiert, bindet er sich an Hämoglobin im fetalen Blut, wodurch das fetale Blut mit Sauerstoff angereichert wird. Das sauerstoffreiche Blut aus der Plazenta wird über die Nabelvene, eines der drei Blutgefäße in der Nabelschnur, zum Fötus zurücktransportiert. Die Nabelvene transportiert sauerstoffreiches, nährstoffreiches Blut von der Plazenta zur fetalen Leber. Ein Teil des sauerstoffreichen Blutes in der Nabelvene umgeht die fetale Leber durch ein kurzes Blutgefäß, den Ductus venosus. Der Ductus venosus leitet dieses sauerstoffreiche Blut zur Vena cava inferior, die das Blut zum rechten Vorhof des fetalen Herzens transportiert.

Im fetalen Herzen gibt es eine vorübergehende Öffnung zwischen dem rechten und linken Vorhof, das Foramen ovale. Durch diese Öffnung kann ein Teil des sauerstoffreichen Blutes aus dem rechten Vorhof direkt in den linken Vorhof gelangen. Durch die Umgehung der nicht funktionsfähigen fetalen Lunge trägt das Foramen ovale dazu bei, sauerstoffreiches Blut effizienter in den Rest des Körpers zu leiten. Das sauerstoffreiche Blut, das in die rechte Herzkammer fließt, wird in die Lungenarterie gepumpt. Da die Lunge des Fötus jedoch nicht funktionsfähig ist, leitet ein Shunt, der Ductus arteriosus genannt wird, dieses sauerstoffreiche Blut vom Lungenkreislauf weg und direkt in die absteigende Aorta, die den Unterkörper mit sauerstoffreichem Blut versorgt. Sauerstoffarmes Blut aus den fetalen Organen und Geweben wird in den beiden Nabelarterien gesammelt, die es zur erneuten Sauerstoffanreicherung und Entfernung von Abfallprodukten zurück zur Plazenta transportieren.

Welche Veränderungen müssen bei der Geburt stattfinden, um den Übergang von der Abhängigkeit von der Plazenta zur Atemluft erfolgreich zu gestalten? Die erste große Veränderung betrifft die Lunge, die bis zur Geburt kollabiert und inaktiv bleibt. Der erste Atemzug, den ein Baby nach der Geburt macht, löst eine Reihe physiologischer Veränderungen in der Lunge aus, die zum Aufblähen der Alveolen und zum Beginn der Atemfunktion führen. Beim Durchgang des Babys durch den Geburtskanal wird die Brust zusammengedrückt. Diese Druckänderung und Kompression des Brustkorbs tragen dazu bei, einen Teil der in den Atemwegen und der Lunge vorhandenen Flüssigkeit auszutreiben. Wenn das Baby in die Außenwelt kommt, kommt es zu erheblichen Veränderungen im Kohlendioxid- und Sauerstoffgehalt in seinem Blutkreislauf. Während der Wehen erhält das Baby weiterhin Sauerstoff aus der Plazenta der Mutter. Nach der Geburt ist jedoch die Durchblutung der Plazenta unterbrochen, was zu einer verminderten Sauerstoffversorgung führt. Diese Abnahme des Sauerstoffgehalts und die Ansammlung von Kohlendioxid im Blutkreislauf werden von speziellen Chemorezeptoren im Körper des Babys wahrgenommen. Wenn das Baby mit der kalten Luft und der Umgebung in Kontakt kommt, werden seine Haut und Nervenenden stimuliert, was zu reflexartigen Reaktionen führt, einschließlich Keuchen und dem ersten Atemzug. Dehnungsrezeptoren in der Lunge senden Signale an den Hirnstamm, der wiederum die Atemzentren hemmt, die die Atmung steuern. Dieser Reflex verhindert eine übermäßige Ausdehnung der Lunge und erhält die ordnungsgemäße Lungenfunktion aufrecht. Wenn diese Dehnungsrezeptoren versagen, kann es beim Einatmen zu einer Überblähung der Alveolen kommen, was zu einem Bruch und Kollaps der Alveolen führen kann.

Wenn sich die Lunge ausdehnt, wird die fetale Lungenflüssigkeit herausgedrückt und von den Atemwegen des Babys absorbiert oder ausgestoßen. Nach der Geburt wird die Lungenflüssigkeit des Fötus nach und nach aus der Lunge entfernt und mit Hilfe von Surfactant beginnt die Lunge, die wesentliche Funktion des Gasaustauschs zu übernehmen. Der Übergang vom nicht funktionsfähigen fetalen Lungenzustand zum voll funktionsfähigen Lungenzustand des Erwachsenen ist eine der wichtigsten physiologischen Veränderungen, die während des Geburtsvorgangs auftreten.

Wie bereits erwähnt, gibt es zwischen dem rechten und dem linken Vorhof eine vorübergehende Öffnung, das Foramen ovale, die es einem Teil des sauerstoffreichen Blutes aus dem rechten Vorhof ermöglicht, direkt in den linken Vorhof zu gelangen und dabei die nicht funktionsfähige fetale Lunge zu umgehen. Wenn das Baby seinen ersten Atemzug macht, lösen die Lungenausdehnung und die erhöhte Sauerstoffversorgung des Blutes Veränderungen in der Druckdynamik des Herzens aus. Das vermehrt mit Sauerstoff angereicherte Blut, das von der Lunge zum linken Vorhof zurückfließt, erhöht den Druck im linken Vorhof, während der verringerte Fluss von sauerstoffarmem Blut vom Körper zum rechten Vorhof den Druck im rechten Vorhof senkt. Diese Druckänderungen bewirken, dass der flexible Gewebelappen, der das Foramen ovale bedeckt, das sogenannte Septum primum, die Öffnung verschließt. Das Septum primum verschmilzt mit dem Septum secundum, einer starren membranartigen Struktur, die das Foramen ovale wirksam abdichtet und eine solide Trennwand zwischen den beiden Vorhöfen bildet. Diese Trennung verhindert die Vermischung von sauerstoffhaltigem und sauerstoffarmem Blut und stellt sicher, dass das gesamte Blut durch den Lungenkreislauf fließt, um von der Lunge mit Sauerstoff angereichert zu werden

Wie oben beschrieben, ist der Ductus arteriosus ein kurzes Blutgefäß, das die Lungenarterie mit der absteigenden Aorta verbindet und dabei die nicht funktionsfähige fetale Lunge umgeht. Durch diesen Shunt kann ein Teil des Blutes, das die rechte Herzkammer verlässt, direkt in den Körperkreislauf fließen. Nach der Geburt, wenn das Baby seinen ersten Atemzug macht und sich die Lunge ausdehnt, steigt der Sauerstoffgehalt im Blutkreislauf deutlich an. Der erhöhte Sauerstoffgehalt führt zur Verengung und schließlich zum Verschluss des Ductus arteriosus. Innerhalb von 12 bis 24 Stunden nach der Geburt durchläuft der Ductus arteriosus einen Prozess namens funktioneller Verschluss, bei dem sich die glatte Muskulatur in der Gefäßwand zusammenzieht und den Durchgang verschließt. Im Laufe der nächsten zwei bis drei Wochen wird der Ductus arteriosus durch Fibrose dauerhaft verschlossen und schließlich zu einem Band, dem Ligamentum arteriosum.

Die Lage des Foramen ovale und des Ductus arteriosus sowie ihr Zustand im fetalen bzw. neugeborenen Herzen sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Diese Veränderungen in der Lunge, den Klappen und den Gefäßstrukturen während des Geburtsvorgangs sind entscheidend für den erfolgreichen Übergang des Babys in die Außenwelt und den Aufbau eines voll funktionsfähigen, nicht überbrückten Kreislaufsystems. Durch den effektiven Verschluss des Foramen ovale und des Ductus arteriosus sind das Herz und das Kreislaufsystem des Babys bereit, die Rolle des effizienten Gasaustauschs durch die Lunge und der Zufuhr von sauerstoffreichem Blut zu allen Organen und Geweben zu übernehmen und so das unabhängige Leben des Babys außerhalb der Gebärmutter zu unterstützen .

Der Arzt Dr. David Galloway bemerkt:

Über die erstaunliche Physiologie hinaus kommen wir zu einem zweiten Rätsel. Offensichtlich muss ein solches System sofort funktionieren. Wenn eine wesentliche Komponente aus irgendeinem Grund, einer anatomischen Anomalie, einem biochemischen Fehler oder einem Signalausfall, ausfallen würde, wären nicht nur die verschiedenen Veränderungen gefährdet, sondern auch das Überleben des Neugeborenen ernsthaft gefährdet. Die erstaunliche Wahrheit ist, dass Tausende von Babys jede Minute und jeden Tag durch dieses gefährliche Gebiet navigieren. Wie könnte sich angesichts unseres derzeitigen Verständnisses über den Ursprung komplexer Systeme in der Biologie eine solch exquisite Anordnung entwickelt haben?2

Das ist eine gute Frage, und es scheint ziemlich unwahrscheinlich, dass ein solches System durch einen schrittweisen Versuch-und-Irrtum-Prozess entstanden sein könnte, wie ihn die neodarwinistische Evolutionstheorie vorsieht. Andererseits sind komplexe Systeme, bei denen mehrere Dinge gleichzeitig zusammenarbeiten müssen, genau das, was wir unter der Annahme von Design erwarten könnten.