Biologie: Ausscheidung, Osmoregulation und Kreislaufsystem

Ausscheidung

Die Ausscheidung ist nicht nur ein Mechanismus zur Beseitigung von Abfallprodukten, sondern reguliert auch die chemische Zusammensetzung und die Eigenschaften des inneren Milieus.

Alle Funktionen, bei denen der Körper Substanzen nach außen abgibt, dienen der Ausscheidung (z. B. Tränen, Sperma, Ohrenschmalz).

Ausscheidungsrückstände werden durch den zellulären Katabolismus entfernt. Die Ausscheidung wird oft mit dem Stuhlgang verwechselt (Entsorgung unverdauter oder nicht resorbierbarer Stoffe durch den After) oder mit der Sekretion (Produktion potenziell nützlicher Substanzen, die später nach außen abgegeben werden).

Der Ausscheidungsprozess

Der Prozess umfasst drei Arten von Vorgängen:

• Filtration: Passage von Stoffen aus dem Milieu in die inneren Ausscheidungsröhrchen durch Diffusion. Dies ist ein spontaner Prozess, der durch ein Konzentrationsgefälle angetrieben wird.
• Resorption: Rückführung von für den Körper notwendigen Stoffen (Wasser, organische Stoffe, Salze, ...) aus dem Filtrationsröhrchen in das innere Milieu. Dieser Vorgang erfordert Energieaufwand.
• Sekretion (Aktiver Transport): Übertragung von Stoffen aus dem Milieu in das Ausscheidungsorgan mittels aktivem Transport, die aufgrund geringerer Konzentration nicht filtriert wurden, um Urin zu bilden. Benötigt Energie.

Klassifizierung der Abfallprodukte

Abfallprodukte, die von Tieren ausgeschieden werden, können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden:

• Nicht-stickstoffhaltige Stoffe: Hauptsächlich CO2 (eliminiert durch Atmung), Wasser (eliminiert durch Ausscheidungsorgane, Schweiß und Ausatmen), Mineralien und Gallenfarbstoffe (im Urin und Schweiß ausgeschieden) sowie Kot (unverdaute Reste).
• Stickstoffhaltige Produkte: Stammen aus dem Stoffwechsel von Aminosäuren und Nukleinsäuren.

Tiere werden nach dem ausgeschiedenen Stickstoffprodukt klassifiziert:

• Amoniotelisch: Scheiden überwiegend Ammoniak aus (z. B. Fische).
• Uricotelisch: Scheiden Harnsäure aus (z. B. Insekten, Vögel und Reptilien).
• Urotelisch: Scheiden Harnstoff aus (z. B. Amphibien, Schildkröten und Säugetiere).

Das Ausscheidungsröhrchen

Das Ausscheidungsröhrchen steht mit einem Ende in Kontakt mit der Außenwelt und endet am anderen Ende blind (Sackgasse). Das Röhrchen ist hohl und seine Wand wird durch das Endothel gebildet.

Ausscheidungsorgane der Wirbellosen

Weniger entwickelte Gruppen (Cnidaria und Porifera) besitzen keine spezialisierten Ausscheidungsorgane; Abfallstoffe werden direkt über die Körperoberfläche nach außen abgegeben. Die übrigen Wirbellosen haben spezialisierte anatomische Strukturen oder entwickelte Ausscheidungsorgane.

Ausscheidungsorgane der Wirbeltiere: Die Niere

Die Ausscheidungsorgane der Wirbeltiere sind die Nieren, die aus einer Reihe von Einheiten, den sogenannten Nephronen, aufgebaut sind.

Bei weiblichen Säugetieren ist der Ausscheidungsapparat völlig unabhängig von den Fortpflanzungsorganen. Bei männlichen Säugetieren hingegen dient die Harnröhre als gemeinsamer Endabschnitt für den Harn- und den Fortpflanzungsapparat.

Anatomie der Niere

• Nierenkapsel: Die äußerste Schicht.
• Kortikaler Bereich (Nierenrinde): Bildet eine kontinuierliche Abdeckung unter der Nierenkapsel, die Erweiterungen in den Innenraum aufweist.
• Medulla (Nierenmark): Ist gestreift und befindet sich dort, wo die Erweiterungen der Rinde erscheinen.
• Nierenbecken: Ein Bereich von Röhren, die den Urin sammeln.

Das Nephron – Funktionelle Einheit

Das Nephron besteht aus einem Nierenkörperchen, das die Filtration des Blutplasmas durchführt, und einem gewellten Röhrchen (Tubulus) variabler Länge mit verschiedenen morphologischen und funktionellen Spezialisierungen, in denen Resorption und aktive Ausscheidung von gelösten Stoffen stattfinden. Die Tubuli mehrerer Nephrone münden in Sammelkanäle und entleeren sich in den Harnleiter.

Die Harnbildung

Urin ist eine Flüssigkeit, die aus Wasser und Abfallstoffen besteht. Der Bildungsprozess im Nephron erfolgt in drei Stufen:

1. Filtration: Das Blut wird in der Bowman-Kapsel filtriert.
2. Resorption: Nützliche Substanzen, die in die Bowman-Kapsel gelangt sind, werden zurückgewonnen.
3. Sekretion: Bestimmte Stoffe gelangen aus dem Blut in den gebildeten Urin des Nephrons.

Der Urin gelangt von der Niere in die Sammelrohre, dann in die Harnleiter und von dort in die Blase, wo er gespeichert wird, bis er über die Harnröhre ausgeschieden wird.

Ausscheidung und osmotische Regulation

Die Ausscheidung dient nicht nur der Entfernung von Abfallprodukten, sondern reguliert auch die Menge an Wasser und Mineralien, um eine konstante Konzentration des inneren Milieus und das osmotische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.

Verschiedene Strategien zur Verhinderung des Verlusts oder Gewinns von H2O:

• Einfache Tiere: Leben in einem isotonischen Medium, was weder Wasserverlust noch -gewinn bedeutet.
• Süßwassertiere: Haben ihr inneres Milieu hypertonisch zur Umgebung. Ein kontinuierlicher Wasserzufluss durch Osmose würde Probleme verursachen. Kompensation: Diese Tiere trinken nicht und urinieren viel.
• Salzwassertiere: Haben ein hypotones Milieu und neigen dazu, Wasser durch Osmose zu verlieren. Sie nutzen zwei unterschiedliche Strategien:
  • Knochenfische: Trinken viel Wasser, urinieren wenig und pumpen Salze über die Kiemen ab.
  • Knorpelfische: Halten ihr inneres Milieu isotonisch zur Umgebung, indem sie Harnstoff in Lösung innerhalb ihrer Zellen halten.
• Landtiere: Neigen dazu, Wasser zu verlieren. Sie haben angepasste Harnwege zur Retention. Zu diesem Zweck sind die Nephron-Röhrchen sehr lang, sodass das Filtrat durch die Tubuli zieht und entlang der gesamten Strecke Wasser resorbiert wird.

Der Transport von Substanzen und das Kreislaufsystem

Bei einfacheren Tieren dient die extrazelluläre Flüssigkeit als Transportmittel. Bei komplexeren Tieren besteht das Kreislaufsystem aus zirkulierender Flüssigkeit, Gefäßen und einem Antriebsmechanismus (Pumpe).

Die zirkulierende Flüssigkeit (Körperflüssigkeiten)

Besteht aus Wasser, Mineralien, Proteinen und einer Reihe von Pigmenten, die für den Gastransport verantwortlich sind.

• Die Hydrolimph: Typisch für Stachelhäuter. Ihre Zusammensetzung ähnelt der des Meerwassers und sie enthält keine Gastransportmoleküle. Ihre Funktionen beschränken sich auf den Transport von Nährstoffen und Stoffwechselschlacken.
• Die Hämolymphe: Typisch für viele Wirbellose. Enthält bei einigen das respiratorische Pigment Hämocyanin.
• Lymphe: Ausschließlich bei Wirbeltieren. Ihre Zusammensetzung ähnelt der des Blutes, aber sie enthält keine roten Blutkörperchen und Blutplättchen.
• Blut: Bei Wirbeltieren und Anneliden (Ringelwürmern) zu finden. Wirbeltiere nutzen Hämoglobin als respiratorisches Pigment. Anneliden nutzen das Pigment Hämoerythrin.

Blut: Zusammensetzung und Funktion

Blut ist die zirkulierende Flüssigkeit der Wirbeltiere. Es besteht aus einer gelblichen Flüssigkeit, dem Plasma (enthält Wasser, Salze, gelöste Stoffe), und Zellen:

• Rote Blutkörperchen (Erythrozyten): Sind mit Hämoglobin gefüllt. Sie transportieren O2 und eine kleine Menge CO2 (der Rest wird gelöst im Plasma transportiert). Es sind zwischen 4,5 und 5 Millionen pro mm³ vorhanden.
• Weiße Blutkörperchen (Leukozyten): Sie sind für die Verteidigung des Körpers verantwortlich, und zwar auf zwei Wegen:
  • Durch intrazelluläre Verdauung/Phagozytose (Makrophagen).
  • Durch die Bildung spezifischer Antikörper gegen Antigene (Proteine, Viren, die als fremd erkannt werden). Der Antikörper ist spezifisch für jedes Antigen und wird nur in dessen Gegenwart produziert (Lymphozyten).
• Thrombozyten (Blutplättchen): Sie sind Zellfragmente, die ein Protein namens Fibrin enthalten. Wenn Fibrinogen aus den Blutplättchen freigesetzt wird, wandelt es sich in die unlösliche Form Fibrin um, das ein Netz von Fasern bildet, das Zellen einschließt und so ein Gerinnsel erzeugt. Dies geschieht bei einer Wunde.

Es gibt zwei Arten von Blut:

• Arterielles Blut: Blut, das reich an O2 und arm an CO2 ist. Es kommt von den Atemwegen, wo es O2 aufgenommen hat, und geht zu den Zellen.
• Venöses Blut: Blut, das arm an O2 und reich an CO2 ist. Es hat O2 in den Zellen abgegeben und ist noch nicht zu den Atemwegen zurückgekehrt.

Die Blut- und Lymphgefäße

Gefäße sind Leitungen, in denen die zirkulierenden Flüssigkeiten transportiert werden. Im Falle von Wirbeltieren gibt es zwei Arten von Gefäßen:

• Blutgefäße:
  • Arterien: Führen das Blut vom Herzen weg zu den Geweben.
  • Venen: Führen das Blut zurück zum Herzen.
  • Kapillaren: Hier findet der Austausch von Nährstoffen und Gasen zwischen Blut und Gewebe statt.
• Lymphgefäße: Sie bestehen aus einem Netz von Kapillaren. Auf ihrem Weg befinden sich Verdickungen, die Lymphknoten, die im ganzen Körper verteilt sind und aus Bindegewebe bestehen, in dem Lymphozyten reifen.

Funktion des Lymphsystems

Seine Hauptfunktion ist die Ableitung der interstitiellen Flüssigkeit (der Flüssigkeit zwischen den Zellen).

Der Austausch von Gasen und Nährstoffen zwischen Blut und Zellen erfolgt nicht direkt, sondern die Stoffe passieren zuerst die interstitielle Flüssigkeit, und einige bleiben dort zurück. Die Lymphgefäße sammeln die in der interstitiellen Flüssigkeit verbliebenen Stoffe und führen sie dem Blutkreislauf wieder zu.

Eine weitere Funktion des Lymphsystems ist die Produktion von Lymphozyten in den Lymphknoten und deren Transport über die Lymphe in das Blut.

Das gesamte Lymphsystem mündet über die Vena subclavia interna in die Blutbahn.

Der Antriebsmechanismus (Das Herz)

Alle Tiere benötigen einen Pumpmechanismus, der die Bewegung der Flüssigkeit gewährleistet. Dieser Mechanismus kann durch Körperbewegungen, Muskelkontraktionen oder das Vorhandensein eines Antriebsorgans, des Herzens, verursacht werden.

Herzen sind modifizierte, muskulöse Gefäße, die kontrahieren und entspannen, um die zirkulierende Flüssigkeit zu schieben. Es gibt verschiedene Arten von Herzen:

• Röhrenförmig (Tubular): Typisch für Arthropoden.
• Eingeschlossen (Kammertyp): Bei Weichtieren und Wirbeltieren vorhanden. Sie bestehen aus zwei Arten von Kammern: Vorhöfe (Atrien), durch die das Blut eintritt, und Kammern (Ventrikel), die das Blut ausstoßen.

Modelle des Kreislaufsystems

Je nachdem, ob die zirkulierende Flüssigkeit durch das Innere von Gefäßen fließt oder nicht, gibt es zwei Arten von Kreisläufen:

• Offener Kreislauf: (Einige Wirbellose) Die zirkulierende Flüssigkeit fließt nicht nur durch das Innere der Gefäße, sondern badet alle Körperzellen direkt oder mündet in Körperhöhlen. Es besteht ein direkter Kontakt zwischen der zirkulierenden Flüssigkeit und den Zellen.
• Geschlossener Kreislauf: (Wirbeltiere) Die zirkulierende Flüssigkeit fließt durch das Innere von Kreislaufgefäßen, die den gesamten Körper durchziehen. Der Kontakt der Flüssigkeit mit den Zellen ist indirekt und erfolgt durch Austausch über feine Oberflächen (Kapillaren). Nährstoffe und Gase passieren durch Diffusion.

Nach der Anzahl der Kreisläufe wird unterschieden:

• Einfacher Kreislauf: (Knochenfische) Besteht aus einem einzigen Kreislauf, sodass die zirkulierende Flüssigkeit das Herz nur einmal passiert.
• Doppelter Kreislauf: Das Blut passiert das Herz zweimal. Er besteht aus zwei Kreisläufen:
  • Kleiner oder Lungenkreislauf: Sauerstoffarmes Blut geht vom Herzen zur Lunge und kehrt zum Herzen zurück.
  • Großer oder Systemischer Kreislauf: Sauerstoffreiches Blut verlässt das Herz, um die Gewebe zu versorgen, gibt Sauerstoff ab und kehrt mit Kohlendioxid beladen zum Herzen zurück.

Die doppelten Kreisläufe können sein:

• Unvollständig: (Amphibien und die meisten Reptilien, außer Krokodilen) Die Trennung zwischen den beiden Kreisläufen ist im Herzen nicht vollständig.
• Vollständig: (Vögel und Säugetiere) Das Vorhandensein von Wänden im Herzen gewährleistet eine vollständige Trennung von sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Blut, was die Effizienz des Systems steigert.

Der Ursprung des doppelten Kreislaufs liegt darin, dass die Lungenatmung erfordert, dass das Blut zweimal durch das Herz geht, um genügend Schwung für die Bewegung durch den Körper zu erhalten.