Was ist der Unterschied zwischen innerer und äußerer Atmung?

Die äußere Atmung ist der Gasaustausch zwischen dem Organismus und seiner Umgebung. Die innere Atmung oder Zellatmung ist der Prozess, bei dem in den Zellen chemische Energie freigesetzt wird, meist unter Sauerstoffverbrauch.

Insekten atmen über ein System aus Tracheen, die durch Einstülpungen der Haut entstehen. Luft tritt durch die Stigmata an der Körperoberfläche ein und gelangt über immer feinere Kanäle bis zu den Zellen.

Bei der Hautatmung erfolgt der Gasaustausch über die gesamte Körperoberfläche durch Diffusion. Dafür muss die Haut dünn, feucht und gasdurchlässig sein.

Evolution der Verdauungs- und Atmungssysteme: Verdauung, Tracheenatmung und Diffusion

Zusammenfassung

Der Text beschreibt die Entwicklung des Verdauungssystems von einfachen Organismen mit extrazellulärer Verdauung bis zu Tieren mit zwei Öffnungen und Schließmuskeln. Außerdem erklärt er die Atmung, insbesondere die Tracheenatmung der Arthropoden, die Hautatmung und das Prinzip der Diffusion beim Gasaustausch. Student*innen lernen so die Grundlagen der Verdauungs- und Atmungsorgane im Tierreich kennen.

Kernpunkte

Frühe Organismen verdauten extrazellulär; die ursprüngliche Verdauungsöffnung diente als Mund und Anus zugleich.
Bei Nematoden entstanden zwei Öffnungen: Mund für die Nahrungsaufnahme und Anus für die Egestion.
Die innere Atmung (Zellatmung) setzt chemische Energie frei und benötigt meist Sauerstoff; die äußere Atmung ist der Gasaustausch mit der Umwelt.
Insekten atmen über Tracheen, die durch die Stigmata an der Körperoberfläche Luft aufnehmen; die feinsten Tracheolen reichen direkt an die Zellen.
Bei einfachen Tieren erfolgt der Gasaustausch durch Diffusion über die Haut (Hautatmung), was dünne, feuchte und gasdurchlässige Oberflächen erfordert.
Diffusion ist proportional zur Konzentrationsdifferenz und zur Größe der Austauschfläche.

Stellen Sie sich auf die Probe

Evolution des Verdauungssystems

Die Evolution des Verdauungssystems begann bei primitiven Organismen mit extrazellulärer Verdauung. Bei Mikrophagen gelangten Nahrungsteilchen in den Magen-Darm-Trakt, wo Verdauung und Resorption stattfanden. Das ursprüngliche Verdauungssystem besaß nur eine einzige Öffnung, die sowohl als Mund als auch als Anus fungierte. Bei Nematoden (Fadenwürmern) traten bereits zwei Öffnungen auf: der Mund für die Nahrungsaufnahme und der Anus für die Ausscheidung (Egestion).

Entwicklung spezialisierter Strukturen

Parallel zur Ernährung von Makrophagen entwickelten sich spezielle Strukturen für die Nahrungsaufnahme, wie Kiefer und Zähne. Zudem entstand eine Muskulatur, die zur Erzeugung von Peristaltik fähig ist, um die Nahrung durch den Verdauungstrakt zu befördern. Darüber hinaus gab es eine Reihe von Änderungen, die zur Effizienzsteigerung des Verdauungssystems beitrugen:

Verlängerung des Verdauungstrakts durch Faltenbildung, insbesondere im Darm.
Spezialisierung einzelner Bereiche mit unterschiedlichen Funktionen durch das Erscheinen von Schließmuskeln.
Erhöhung der Absorptionsfähigkeit der Oberfläche durch Falten der Schleimhaut.

Atmungsorgane und biologische Prozesse

Der Begriff Atmung bezieht sich auf zwei verschiedene biologische Prozesse:

Innere Atmung oder Zellatmung: Ein Prozess, bei dem chemische Energie freigesetzt wird; die meisten Organismen benötigen hierfür Sauerstoff.
Äußere Atmung: Ein Prozess des Gasaustauschs zwischen dem Organismus und seiner äußeren Umgebung.

Tracheale Atmung bei Arthropoden

Diese Art der Atmung ist charakteristisch für Insekten und andere terrestrische Arthropoden, bei denen der Gasaustausch durch ein System von Rohren, die Tracheen, erfolgt. Diese entstehen durch Einstülpungen der Haut, wobei Luft durch kleine Öffnungen an der Körperoberfläche, die sogenannten Stigmata oder Luftlöcher, eintritt.

Die Trachealkanäle nehmen im Umfang ab, während sie sich verzweigen, sodass die feinsten Kanäle (Tracheolen) in direktem Kontakt mit den Zellen stehen, in denen der Gasaustausch durch Diffusion stattfindet. Daher ist kein Kreislaufsystem für den Gastransport erforderlich, und das Kreislaufsystem dieser Organismen übernimmt diese Funktion nicht. Die Belüftung wird durch ein koordiniertes System zum Öffnen und Schließen der Stigmata mittels Muskelkontraktionen gesteuert.

Der Hinterdarm

Der Hinterdarm ist ein Rohr mit größerem Durchmesser als der Mitteldarm, auch als Dickdarm bekannt, und wird von jenem durch die Ileozökalklappe getrennt.

Der Mechanismus der Diffusion

Diffusion ist ein physikalisches Phänomen, das auf der Molekularbewegung beruht, wodurch eine gelöste Substanz eine Membran zwischen zwei Lösungen passieren kann. Die Diffusion ist proportional zur Konzentrationsdifferenz auf beiden Seiten der Membran sowie zur Oberfläche der Trennschicht.

Aufnahme von gasförmigen Nährstoffen

Tiere benötigen Sauerstoff, um Energie für zelluläre Prozesse zu gewinnen. Sie führen einen Gasaustausch zwischen der inneren und äußeren Umgebung durch, wobei Sauerstoff aus der Atmosphäre aufgenommen und Kohlendioxid, das während der Zellatmung entsteht, freigesetzt wird. Der Gasaustausch erfolgt je nach Größe, Habitat und Komplexität des Tieres unterschiedlich.

Bei einfachsten Tieren gelangt der im Wasser gelöste Sauerstoff (O₂) durch Diffusion in die Zellen, und CO₂ diffundiert auf die gleiche Weise zurück ins Wasser. Es gibt keine spezialisierten Strukturen für den Gasaustausch. Tiere, die in feuchten oder aquatischen Umgebungen leben, nehmen Sauerstoff über die Haut auf (Hautatmung).

Anforderungen an die Hautatmung

Diese Art der Atmung erfordert besondere Bedingungen, da der Gasaustausch über die gesamte Körperoberfläche erfolgt. Es ist wichtig, dass die Haut dünn und gasdurchlässig ist, stets durch Schleim befeuchtet bleibt und ein internes Milieu besitzt, das nah an der Außenseite liegt, um O₂ zu erhalten und zu den Zellen zu transportieren. Diese Tiere zeichnen sich durch eine im Verhältnis zu ihrer Größe sehr große Grenzfläche zur Umwelt und eine geringe Stoffwechselaktivität aus.

Mit zunehmender Komplexität der Tiere werden spezialisierte Strukturen benötigt, um die Effizienz der Diffusion zu steigern. Diese Strukturen weisen folgende Merkmale auf:

Eine große respiratorische Oberfläche für den Kontakt mit der Umwelt.
Dünne Wände, die von Flüssigkeit umspült werden, damit O₂ und CO₂ gelöst diffundieren können; eine trockene respiratorische Oberfläche ist physiologisch nutzlos. Bei Wassertieren werden diese Wände vom Umgebungswasser umspült, bei Landtieren durch einen Wasserfilm befeuchtet.
Eine effektive Sauerstoffversorgung durch ständige Belüftung (Austausch von Luft oder Wasser), was den maximalen Konzentrationsgradienten für die Diffusion aufrechterhält.
Strukturen für die Belüftung, die meist auf Muskelbewegungen basieren.
Ein Transportsystem (Blut, Hämoglobin), das die Verteilung von O₂ und den Abtransport von CO₂ gewährleistet.