Das Fachgebiet der Physiologie beschreibt Vorgänge und Lebensfunktionen im Körper, welche sich mit physikalischen Gesetzen beschreiben lassen. Angewandt auf das Herz sind vor allem die physikalischen Gesetze von Druck- und Strömungslehre wichtig. Ziel ist das Verständnis über die grundlegenden Mechanismen während eines Herzzyklus. Weil die Physiologie gerade beim Herz eng mit der Anatomie zusammenhängt, lohnt es sich, den Artikel zur Anatomie des Herzens vorgängig zu lesen.

Das Herz ist anatomisch gesehen ein Muskel und von der physiologischen Betrachtungsweise her eine Pumpe – eine Bluttransportpumpe. Dabei pumpen sowohl der linke als auch der rechte Ventrikel Blut in das jeweilige Kreislaufsystem (vgl. Beitrag Anatomie des Herzens). Wie im vorangehenden Artikel zur Anatomie des Herzens erwähnt, sind die Herzklappen für den Herzzyklus zentral. Diese Klappen erlauben einen Druckanstieg im jeweiligen Hohlraum. Druck (p) wird definiert als Kraft (F) pro Fläche (A). Die physikalische Formel lautet also p = F/A. Ohne Druckdifferenz kann kein Blut fliessen. Das Blut fliesst immer vom höheren zum tieferen Druck. Nebst dem Druck gibt es eine zweite physiologische Begründung für die Wichtigkeit der Herzklappen: Sie erlauben den Blutfluss in eine Richtung, dadurch kommt der sogenannte unidirektionale Blutfluss zustande.

Die physiologischen Grundlagen sind somit bekannt, nun gilt der Fokus dem Herzzyklus. Ganz grundlegend lässt sich der Herzzyklus in eine systolische und eine diastolische Phase unterteilen. Beide Begriffe kommen aus dem Griechischen. „Systole“ bedeutet Zusammenziehen und „Diastole“ bedeutet Ausdehnung. Die Systole beschreibt also die Phase, in welcher der Herzmuskel kontrahiert und Blut auswirft. Sind die Herzklappen geschlossen, erhöht sich der Druck in den Ventrikeln. Sobald dieser Druck den Druck des nachfolgenden Gefässes übertrifft, kann Blut fliessen, indem sich die Klappe öffnet. Sind beispielsweise die Mitralklappe und die Aortenklappe geschlossen, erhöht sich der Druck im linken Ventrikel. Übersteigt der Druck im linken Ventrikel den Druck in der Aorta, öffnet sich die Aortenklappe passiv und der linke Ventrikel kann Blut auswerfen. Die Diastole hingegen beschreibt die Phase, bei der das Herz mit Blut gefüllt wird und durch den Bluteinstrom gedehnt wird. Dabei ist der Druck im jeweiligen Vorhof tiefer als in den davorliegenden Venen, damit die dem Blutfluss zugrundeliegende Druckdifferenz erfüllt ist. Alle beim Herzzyklus involvierten Klappen werden passiv durch den Blutstrom geöffnet.

Die Dauer eines Herzzyklus lässt sich einfach berechnen, indem man 60 Sekunden durch die Herzfrequenz teilt. Die Herzfrequenz sagt aus, wie häufig das Herz in einer Minute schlägt. In Ruhe liegt die Herzfrequenz zwischen 60 und 80 Schlägen pro Minute. Angenommen das Herz schlägt 60 Mal pro Minute, dann dauert ein Herzzyklus also genau eine Sekunde. Ist die Herzfrequenz höher als 60, dauert ein Herzzyklus folglich weniger lang als eine Sekunde. Die physiologische Ruhe beschreibt eine Person, welche sich nicht bewegt, aber wach ist, zum Beispiel eine sitzende Person. Wenn man sich körperlich betätigt, kann die Herzfrequenz sich bei sportlichen Personen ohne Weiteres verdreifachen. Angenommen die Herzfrequenz liegt also bei 180 Schlägen pro Minute, dauert ein Herzzyklus nur noch 1/3 Sekunden. Dabei ist wichtig, dass vor allem die Diastolendauer verkürzt wird. Die Systolendauer bleibt nicht konstant, verändert sich bei höherer Herzfrequenz jedoch deutlich weniger stark als die Diastolendauer. Eine von Physiologieprofessoren häufig gelehrte Faustregel besagt, dass bei sportlicher Betätigung eine Herzfrequenz von 220 minus das eigene Alter eine gesunde Obergrenze ist. Wenn die Herzfrequenz in ruhendem Zustand für einen längeren Zeitraum (länger als 5min am Stück) 100 Schläge pro Minute übertrifft, sollte man einen Arzt aufsuchen.

Nebst der Dauer eines Herzzyklus und der Herzfrequenz ist auch das ausgeworfene Blutvolumen pro Herzzyklus physiologisch interessant. Das ausgeworfene Blut pro Herzzyklus heisst auch Schlagvolumen und ist die Differenz vom Blutvolumen im Ventrikel am Ende der Diastole (dort ist das Herz maximal gedehnt) und dem Volumen am Ende der Systole. Also gilt Schlagvolumen = Enddiastolisches Volumen minus endsystolisches Volumen. Das Schlagvolumen beträgt ca. 70ml. Das enddiastolische Volumen beträgt jedoch ca. 130ml und ist somit fast doppelt so gross wie das Volumen, das effektiv ausgeworfen wird. Soll heissen, dass nicht das gesamte Blut, das einströmt auch in einem Herzzyklus wieder ausgeworfen wird. Aus den beiden vorgestellten Grössen, Herzfrequenz und Schlagvolumen, lässt sich ein weiterer wichtiger Parameter berechnen: das sogenannte Herzminutenvolumen. Der Name sagt eigentlich schon alles. Dieser Parameter zeigt an, wieviel Blut in einer Minute ausgeworfen wird. Das Herzminutenvolumen ist das Produkt aus Herzfrequenz und Schlagvolumen. Angenommen die Herzfrequenz beträgt 70 Schläge pro Minute und das Schlagvolumen liegt bei 70ml, pumpt das Herz also fast fünf Liter (4900ml) Blut pro Minute durch den Körper!

Zum Abschluss noch eine kurze Erläuterung zu einem häufig gemachten Fehler: Oft werden die Begriffe „Herzfrequenz“ und „Puls“ gleichgesetzt. Wenn man es physiologisch genau nimmt, gibt es zwischen diesen beiden Begriffen jedoch einen Unterschied. Von der Anzahl her entspricht der Puls im physiologischen Zustand der Herzfrequenz. Der Unterschied liegt jedoch darin, dass die Herzfrequenz die Anzahl der Herzschläge pro Minute angibt und der Puls die regelmässig weitergeleitete Druckwelle des Blutes in Arterien am Handgelenk oder am Hals beschreibt. Das Blut wird in diesen Gefässen transportiert und bei jedem Herzschlag gegen die Gefässwand gedrückt. Dadurch entsteht eine regelmässige Pulsation (Druckwelle) – der Puls. Vereinfacht gesagt erzeugt also die Herzfrequenz den Puls.