Atmung bei Tieren

Der Sauerstoff der Luft ist nicht nur für den Menschen lebensnotwendig. Vom Einzeller bis zum Elefanten, ob Tier oder Pflanze - alle benötigen den Sauerstoff der Luft. Der Sauerstoff wird in den Zellen des Organismus ständig verbraucht, damit diese wachsen und sich vermehren können. Der Sauerstoff reagiert dabei mit energiereichen Traubenzucker und es entsteht, neben Wasser, auch Kohlenstoffdioxid. Bei diesem zentralen Prozess der Biologie - man spricht von Zellatmung oder innerer Atmung - wird die Energie, die im Traubenzucker steckt, in für den Körper verwertbare Energie umgewandelt. Jede Zelle des Körpers muss also nicht nur ständig mit Traubenzucker versorgt werden, sondern ebenso mit Sauerstoff. Während Sauerstoff zur Zelle hin transportiert wird, muss Kohlenstoffdioxid von der Zelle weg transportiert werden. Der Austausch dieser Atemgase über die Atmungsorgane wird als „äußere Atmung“ bezeichnet. Bei Einzellern erfolgt der Gasaustausch über ihre gesamte Zelloberfläche. Sie besitzen keine spezielle Struktur zu Aufnahme oder Abgabe der Atemgase. Für mehrzellige Organismen gilt jedoch: Der Sauerstoff muss zunächst aus der Umgebung – ob Luft oder Wasser – in den Organismus gelangen, das Kohlenstoffdioxid wieder abgegeben werden. Tier nutzen dabei verschieden Prinzipien, den Sauerstoff aus dem umgebenden Medium aufzunehmen. Zum Gasaustausch im Wasser dienen zum Beispiel Kiemen, wie wir sie bei Fischen und Krebstieren finden. Säuger atmen über ihre Lungen, auch im Wasser lebende Säugetiere. Bei Insekten wird die Luft über ein Röhrensystem, das sogenannte „Tracheensystem“ im gesamten Körper verteilt und dort von den Zellen aufgenommen. Viele Würmer, zum Beispiel unser Regenwurm, atmen über die Haut. Amphibien, z.B. Frösche, können über ihre Lungen und ihre Haut atmen. Die Larven der Amphibien, zum Beispiel die Kaulquappen, leben im Wasser und atmen mit Kiemen, die man in einer sehr frühen Phase der Entwicklung als Außenkiemen sehen kann. Jede Variante hat bestimmte Vorteile. So müssen sich zum Beispiel winterstarre Frösche zum Atmen nicht bewegen. Sie können ja den wenigen Sauerstoff, den sie in diesem Ruhestadium benötigen, über die Haut aufnehmen. Doch ganz gleich, welches Atmungsorgan vorhanden ist, eines ist allen gleich: Aus der Umgebung gelangt Sauerstoff in den Organismus des Tieres und gleichzeitig wird Kohlenstoffdioxid ausgeatmet. Diesen Vorgang bezeichnet man als „Atmung“. In Abgrenzung zur Zellatmung, die ja auch als „innere Atmung“ bezeichnet wird, spricht man hier von „äußerer Atmung“. Auch der Regenwurm atmet über seine Haut. Dabei muss die Haut immer feucht sein. Nur so kann der Sauerstoff über die Haut aufgenommen werden. Sonst stirbt er. Bei der Hautatmung erfolgt der Gasaustausch über die gesamte Oberfläche des Organismus. Je größer der Organismus wird, desto kleiner ist im Verhältnis dazu seine Oberfläche. Die Austauschfläche reicht dann nicht mehr aus, um den ganzen Organismus ausreichend mit Sauerstoff zu versorgen. Die Hautatmung hat also natürliche Grenzen. Betrachtet man den Axolotl, ein äußerlich im Larvenstadium verharrendes Amphibium, wird deutlich, wie dieses Versorgungsproblem gelöst werden kann. Kiemen sind keine flächigen Gebilde, sondern stark gefächert. Man spricht vom Prinzip der „Oberflächenvergrößerung durch Teilung“. Wie kann man dieses Prinzip darstellen? Der Würfel mit Kantenlänge ein Meter nimmt ein definiertes Volumen ein: einen Kubikmeter. Die Oberfläche beträgt dann sechs Quadratmeter. Die acht Würfel, die in dem großen Würfel versteckt waren, nehmen denselben Raum ein: also auch einen Kubikmeter. Die Oberfläche aller acht kleineren Würfel zusammen ist jedoch viel größer als beim ursprünglichen Würfel: Sie beträgt zwölf Quadratmeter, ist also doppelt so groß. Je stärker geteilt, je verästelter die Struktur des Atmungsorgans ist, desto größer ist also die Oberfläche. Dieses Prinzip der Oberflächenvergrößerung durch Teilung können wir auch bei den Atmungsorganen der Säuger finden. Die Lungenflügel der Amphibien sind einfach gestaltete, sackförmige Einstülpungen, deren Oberfläche zum Gasaustausch nicht ausreicht. Amphibien atmen deshalb zusätzlich über die stets feuchte Haut. Die Haut der Reptilien ist mit Schuppen bedeckt. Es ist keine Hautatmung möglich. Der gesamte Gasaustausch erfolgt über die Oberfläche der Lungen. Diese sind schon weiter verästelt. Noch weiter verästelt ist die Lunge dann bei den Säugetieren wie diese Maus. Und eben auch beim Menschen. Ist der Sauerstoff nun in den Körper aufgenommen, muss er noch im gesamten Organismus verteilt werden. Kohlenstoffdioxid als Abfallprodukt der Zellatmung muss gesammelt und zum Atmungsorgan transportiert werden Dabei gibt es unterschiedliche Transportwege. Meist ist das Blut das Transportmittel. Der Sauerstoff wird über das Blutgefäßsystem im gesamten Organismus verteilt und das Abfallprodukt zu den Atmungsorganen zurück geleitet. Es müssen übrigens nicht immer rote Blutkörperchen sein, die den Sauerstoff transportieren. Der Farbstoff Hämoglobin ist für die Rotfärbung bei den Wirbeltieren verantwortlich. Weichtiere wie die Schnecke besitzen einen anderen Farbstoff: Ihr Blut ist blau oder farblos. Bei den Insekten ist jedoch kein besonderes Transportmedium nötig. Die Luft wird über das Tracheensystem ja direkt zu den Zellen transportiert. Kohlenstoffdioxid wird dagegen hauptsächlich in Wasser gelöst im Blut transportiert. Das Gas löst sich sehr gut im Wasser. Wir kennen es alle vom spritzigen Mineralwasser. Es enthält viel Kohlenstoffdioxid, das im Wasser hauptsächlich als Kohlensäure vorliegt. Bei diesem Glas Wasser erkennt man deutlich, dass ein Gas, nämlich Kohlenstoffdioxid, beteiligt ist.