Tierphysiologie: Ernährung, Atmung und Kreislauf

Ernährung und Stoffwechselprozesse

Ernährung: Der Prozess, durch den alle lebende Materie die Energie erhält, die sie benötigt, um ihre eigenen Strukturen zu bilden und ihre lebenswichtigen Funktionen auszuführen. Sowohl Materie als auch Energie werden von Tieren verwendet, um zu wachsen, sich zu entwickeln, sich fortzupflanzen und zu sozialisieren. Die Energie stammt aus dem Abbau organischer Substanz bei heterotrophen, vielzelligen Tieren.

Die sechs Phasen der Ernährung

1. Verschlucken und Verdauung: Aufnahme der Nahrung und Freisetzung der darin enthaltenen Nährstoffe.
2. Verteilung: Transport der Nährstoffe zu allen Körperzellen.
3. Sauerstoffaufnahme: Absorption von Sauerstoff aus der äußeren Umgebung und anschließender Transport zu den Zellen.
4. Zellstoffwechsel: Chemische Prozesse innerhalb der Zellen.
5. Abfallbeseitigung: Ausscheidung der in der vorherigen Phase produzierten Abfallstoffe durch die Zellen.
6. Exkretion: Entfernung dieser Stoffe nach außen.

Verdauung und ihre Mechanismen

Verdauung: Dies beinhaltet die Umwandlung von Makromolekülen, die die Nahrung bilden, in kleine, einfache Moleküle, die von den Zellen aufgenommen werden können.

Verdauungsprozesse

• Physikalisch oder mechanisch: Fragmentierung großer Nahrungsteile in kleinere Stücke und Vermischung mit Verdauungssäften.
• Chemisch: Aufspaltung der Nahrung in molekulare Einheiten durch die Einwirkung von Verdauungsenzymen.

Verdauung ohne Verdauungssystem

Die Porifera (Schwämme) führen die Verdauung von Nahrungspartikeln in speziellen Zellen durch, den sogenannten Choanozyten, die das Innere des Körpers auskleiden. Die Choanozyten besitzen eine Geißel und eine kragenähnliche Struktur an ihrem freien Ende. Nahrung gelangt durch Poren in das Tier. Die Geißel treibt das Wasser an den Kragen, wodurch Nahrungspartikel gefiltert und durch Endozytose in die Choanozyten aufgenommen werden. Die Vakuole, die sich bildet, nutzt lysosomale Verdauungsenzyme, um die Nahrung in einfachere Moleküle zu zerlegen. Rückstände, die nicht verdaut werden, werden durch Exozytose ausgestoßen. Diese Art der Verdauung heißt intrazelluläre Verdauung. Sie erlaubt nur die Aufnahme mikroskopisch kleiner Partikel, und jede Zelle muss über die erforderlichen Mechanismen zur Verdauung und Assimilation verfügen.

Verdauung in einer Körperhöhle

Für große Brocken von Lebensmitteln entwickelte sich eine Tasche im Inneren des Körpers, die Gastrovaskularhöhle genannt wird. Sie besitzt eine einzige Öffnung, die sowohl als Mund als auch als Anus fungiert. Dies tritt bei Tieren mit niedrigem Energiebedarf auf. Das Essen wird durch Verdauungsenzyme, die direkt in die Kammer abgegeben werden, in kleinere Stücke gebrochen. Diese Art wird als extrazelluläre Verdauung bezeichnet. Bei Nesseltieren und Plattwürmern ist die Verdauungshöhle stark verzweigt, um die Nährstoffe effizient zu allen Zellen zu transportieren. Die Verdauung in der Gastrovaskularhöhle ist oft unvollständig; die vorverdaute Nahrung wird von den Zellen der Höhlenwand aufgenommen, wo die Katalyse abgeschlossen wird (intrazelluläre Verdauung).

Verdauung in einem Rohr-System

Bei Tieren mit bilateraler Symmetrie tritt eine Röhre auf, die durch den Körper verläuft und zwei Öffnungen hat: einen Eingang (Mund) und einen Ausgang (Anus). Dieses System ermöglicht es dem Tier, häufig große Mengen an Nahrung zu essen und effizienter zu verdauen, da jeder Teil des Rohres spezialisiert ist (Zerkleinerung, enzymatischer Abbau, Nährstoffabsorption).

Basissystem bei Wirbeltieren und Wirbellosen

• Empfangsregion: Mundhöhle, muskulöser Schlund, Krallen.
• Lagerung und Transport: Speiseröhre und Kropf.
• Mahlregion und erste Verdauung: Magen oder Muskelmagen.
• Endgültige Verdauung und Resorption: Dünndarm.
• Wasseraufnahme und Ausscheidung: Dickdarm und Anus/Kloake.

Spezialisierte Regionen des Verdauungstrakts

Empfangsregion

Mund oder Mundhöhle sind an die Art der Nahrung angepasst. Tiere, die sich von Flüssigkeiten ernähren, haben Strukturen wie Strohhalme entwickelt, etwa die Spiritrompa von Schmetterlingen oder die stechend-saugenden Mundwerkzeuge von Mücken. Krebstiere nutzen Krallen zum Fangen von Beute. Spinnen besitzen Giftklauen, um Beute zu halten und Enzyme zu injizieren, bevor sie die „Suppe“ aufsaugen. Kopffüßer nutzen Tentakel und einen Hornschnabel. Seesterne öffnen Muscheln mit ihren Ambulacralfüßchen und stülpen ihren Magen nach außen. Weitere Strukturen sind die Radula der Gastropoden (Raspelzunge) und die Laterne des Aristoteles bei Seeigeln. Bei Wirbeltieren erscheinen Zähne und Zunge, wobei Vögel und Schildkröten einen Schnabel besitzen. Säugetiere nutzen Speichel mit dem Enzym Amylase (Ptialin), um Stärke in Maltose zu spalten.

Region von Lagerung und Transport

Die Speiseröhre transportiert die Nahrung zum Magen. Ringelwürmer, Insekten und Vögel besitzen einen Kropf, eine Erweiterung der Speiseröhre zur vorübergehenden Speicherung großer Nahrungsmengen.

Region des Mahlens und der ersten Verdauung

Der Magen ist eine Erweiterung des Verdauungstraktes, in der Nahrung gespeichert und mit Magensäften gemischt wird. Tiere ohne Zähne besitzen oft einen Muskelmagen, der mit geschluckten Steinen Nahrung zerkleinert. Krebstiere haben eine Magenmühle aus Kalkstein, Insekten besitzen chitinöse Zähne. Wiederkäuer haben ein komplexes System aus Pansen, Netzmagen, Blättermagen und Labmagen. Im Pansen fermentieren Mikroorganismen die Fasern, bevor die Nahrung erneut gekaut wird. Der Labmagen ist der eigentliche Magen für die chemische Verdauung.

Region der Verdauung und Absorption

Im Dünndarm findet der Großteil der chemischen Verdauung und Nährstoffaufnahme statt. Unterstützt wird dies durch Drüsen wie Leber und Bauchspeicheldrüse. Zur Oberflächenvergrößerung besitzen Anneliden ein Typhlosolis, Haie eine Spiralklappe und Säugetiere Darmzotten sowie Mikrovilli.

Region der Wasseraufnahme und Ausscheidung

Im Dickdarm wird Wasser resorbiert und Kot gebildet. Bei vielen Wirbeltieren (Amphibien, Reptilien, Vögel) mündet der Darm in eine Kloake, die auch Harn- und Geschlechtswege aufnimmt.

Respiratorische Funktion: Die Atmung

Respiration ist der Gasaustausch zwischen Organismus und Umwelt. Die Zellatmung ist ein kataboler Prozess in den Mitochondrien zur Energiegewinnung. Gase bewegen sich durch Diffusion. Atmoberflächen müssen feucht, großflächig und dünn sein.

Atmungstypen

• Ohne Atemwege: Schwämme, Nesseltiere und Plattwürmer nutzen direkte Diffusion.
• Hautatmung: Ringelwürmer nutzen ein Kapillarnetz unter der Haut.
• Kiemenatmung: Gills (Kiemen) sind verzweigte, vaskularisierte Ausstülpungen. Sie können extern (Polychaeten, Larven) oder intern (Muscheln, Fische) sein. Bei Knochenfischen sind sie durch das Operculum geschützt.
• Tracheenatmung: Ein System aus Röhren (Tracheen), das direkt zu den Zellen führt. Luft tritt durch Stigmen (Luftlöcher) ein, die Ventile besitzen.
• Lungenatmung: Einstülpungen des Vorderdarms. Bei Fischen dient die Schwimmblase teils dem Auftrieb.

Die Kreislauffunktion

Das Kreislaufsystem verteilt Nährstoffe und Sauerstoff und transportiert Abfälle ab. Es besteht aus Blut, Blutgefäßen und einem Herzen.

Systemarten

• Offenes Kreislaufsystem: Blut verlässt die Gefäße und füllt Hohlräume (Arthropoden). Das Herz hat oft Saugöffnungen (Ostien).
• Geschlossenes Kreislaufsystem: Blut bleibt in Gefäßen (Ringelwürmer, Wirbeltiere).

Blutgefäße und Blutdruck

Arterien sind dickwandig und elastisch. Arteriolen regulieren den Fluss durch präkapilläre Sphinkteren. Kapillaren ermöglichen den Stoffaustausch durch dünne Wände. Venen führen Blut zum Herzen zurück und besitzen Klappen gegen den Rückfluss. Ein geschlossenes System ermöglicht eine selektive Durchblutung und einen höheren Blutdruck.

Kreislaufvarianten

• Einfacher Kreislauf: Das Blut passiert das Herz nur einmal pro Runde (Fische).
• Doppelter Kreislauf: Besteht aus Lungenkreislauf und Körperkreislauf. Säugetiere haben ein tetraventrikuläres Herz (zwei Vorhöfe, zwei Kammern), was für Warmblüter zur effizienten Sauerstoffversorgung essenziell ist.

Ausscheidungsfunktion und Homöostase

Homöostase: Aufrechterhaltung eines konstanten inneren Milieus (Salze, pH-Wert). Dies geschieht durch das Zusammenspiel von Nerven-, Hormon- und Exkretionssystemen.

Exkretionsorgane

Die Niere ist das Hauptorgan der Wirbeltiere und besteht aus Nephronen. Ein Nephron umfasst:

• Glomerulus: Ein Kapillarknäuel zur Hochdruckfiltration.
• Bowman-Kapsel: Sammelt das Ultrafiltrat.
• Nierentubulus: Verändert die Zusammensetzung durch Reabsorption und Sekretion. Bei Säugetieren gibt es die Henle-Schleife.

Osmoregulation

Landwirbeltiere müssen Wasserverlust durch Verdunstung ausgleichen. Säugetiere scheiden Harnstoff aus. Die Henle-Schleife ermöglicht es ihnen, Wasser zurückzugewinnen und hochkonzentrierten (hypertonen) Urin zu produzieren.