Atmung bei Tieren: Prozesse, Gasaustausch und Atemwege

In der Regel wird die Aufnahme von Sauerstoff in den Körper eines Tieres als Atmung bezeichnet. Die Atmung umfasst jedoch drei Hauptprozesse:

1. Belüftung

Sauerstoff wird aus der Umwelt aufgenommen und zu den Atmungsorganen transportiert, während Kohlendioxid abgegeben wird.

2. Gasaustausch

Der Gasaustausch zwischen den Atemwegen und dem Blut erfolgt durch Diffusion. Diffusion ist ein passiver Prozess, bei dem Moleküle von einer Region höherer Konzentration zu einer Region geringerer Konzentration wandern, ohne dass Energie aufgewendet werden muss. Diese Regionen sind durch eine semipermeable Membran getrennt.

Die Diffusionsgeschwindigkeit eines Gases durch eine Membran wird durch das Fick'sche Gesetz ausgedrückt:

Q = Konstante * (Oberfläche der Membran * (C1-C2)) / Dicke der Membran (E)

Aus dieser Formel lassen sich zwei Schlussfolgerungen ableiten:

• Erstens steigt die Diffusionsgeschwindigkeit mit zunehmender Oberfläche der Membran.
• Zweitens ist die Diffusionsgeschwindigkeit umso größer, je geringer die Dicke der Membran ist.

Die natürliche Selektion hat Organe mit großer Oberfläche und geringer Dicke begünstigt.

3. Zellatmung

Die Zellatmung ist ein biochemischer Prozess, der in den Mitochondrien stattfindet. Ihre Hauptfunktion ist die Energiegewinnung durch die Oxidation von Nährstoffen zu Kohlendioxid und Wasser.

Arten der Atmung und Atemwege

1. Direkte Diffusion

Diese Art der Atmung findet bei Porifera (Schwämmen), Cnidaria (Nesseltieren) und vielen Würmern statt. Dabei strömt Wasser über den Körper, und der Gasaustausch erfolgt direkt mit den Zellen.

2. Hautatmung

Der Gasaustausch erfolgt durch die Haut. Dies ist effektiv, wenn das Verhältnis von Körpermasse zu Körperoberfläche des Tieres hoch ist und die Haut feucht gehalten werden kann. Sie tritt bei Strudelwürmern, erwachsenen Amphibien und einigen Fischen auf.

3. Tracheenatmung

Die Tracheenatmung erfolgt über ein System von Röhren, den sogenannten Tracheen. Diese Tracheen öffnen sich über kleine Löcher, die Stigmen (Luftlöcher), zur Außenwelt. Im Körper des Tieres verzweigen sich die Tracheen immer feiner zu sogenannten Tracheolen, die die Zellen erreichen. Bei Insekten kann das Tracheensystem bis zu 50% des Körpervolumens ausmachen. Der Gasaustausch findet an den Tracheolen statt.

4. Kiemenatmung

Kiemen sind typische Atmungsorgane von Wassertieren. Es gibt zwei Haupttypen:

• Äußere Kiemen: Diese sind ungeschützt, liegen außerhalb des Körpers, sind oft weniger entwickelt und verfügen über keine speziellen Belüftungsmechanismen; das Tier muss sich bewegen, um Wasser über sie zu leiten (z.B. beim Axolotl).
• Innere Kiemen: Diese sind geschützt und besitzen einen Belüftungsmechanismus, der einen kontinuierlichen Wasserstrom über die Kiemen gewährleistet. Sie finden sich bei Fischen, Weichtieren und Krebstieren.

Bei Fischen sind die Kiemen an Kiemenbögen gruppiert. Jede Struktur wird als Kiemenfilament bezeichnet, und jedes Filament besteht aus kleineren Lamellen, den Kiemenlamellen, wo der eigentliche Gasaustausch stattfindet.

5. Lungenatmung

Die Lungenatmung ist charakteristisch für Amphibien, Reptilien, Vögel, Säugetiere, Spinnentiere und Schnecken.

Lungen bei Spinnentieren und Schnecken

Diese Lungen sind einfache Taschen ohne speziellen Belüftungsmechanismus. Der Gasaustausch erfolgt hier durch einfache Diffusion.

Lungen bei Wirbeltieren

Die Lungen von Wirbeltieren sind stark vaskularisierte, häutige Organe, die über einen Belüftungsmechanismus verfügen. Evolutionär haben sie sich von einfachen Taschen zu komplexeren Strukturen mit Lappen und inneren Verzweigungen entwickelt, um die Oberfläche für den Gasaustausch zu vergrößern.