Die Äußere Atmung (Austausch von CO2 gegen O2) Sie bildet die Grundlage für die Innere Atmung, die der Energiefreisetzung dient und eine Kette von chemischen Reaktionen ist (Siehe: Biologische Oxidationen). Der CO2 bzw. O2 Transport aus dem Außenmedium in das Gewebe bzw. aus dem Gewebe ins Außenmedium erfolgt durch Diffusion: Das Diffusionsgesetz: dm/dt x A = D x dc/dx Die Zahl der Moleküle dm, die pro Zeiteinheit dt durch die Fläche A diffundieren (netto!!), ist proportional zur Diffusionskonstanten D und dem Konzentrationsunterschied dc und verkehrt proportional der Diffusionsstrecke dx! Abhängigkeit der Diffusionskonstante: Temperatur Molekül-, Atomgröße Lösungsmittelviskosität u.a. Einzeller, Schwämme, Hohltiere und viele Würmer: Gasaustausch erfolgt an der gesamten Körperoberfläche durch Diffusion. Ausreichende Erhöhung des dc durch Bewegung des Außenmediums, oder durch aktive Bewegung. Bei höher entwickelten Tieren kann Hautatmung nicht ausreichen, weil: Schützende Hautschichten den Gasaustausch erschweren (Horn, Chitin, Kalk) Das Volumen eines Körpers schneller wächst als seine Oberfläche: z.b. Würfel mit Kantenlänge a: a = 10 cm A = 600 cm 2 V = 1000 cm 3 a = 14,14 cm A = 1200 cm 2 V = 2833 cm 2 d.h. eine doppelt so große Oberfläche muss eine fast verdreifachte Zellmenge versorgen können!
Zur Problemlösung wird der Gasaustausch auf bestimmte Stellen beschränkt (Atmungsorgane) die durch Oberflächenvergrößerung ein Vielfaches der Körperoberfläche erreichen! An diesen Stellen muss durch dauernde Bewegung des Außenmediums das Konzentrationsgefälle hoch gehalten werden (Ein- und Ausatmen). Verschiedene Atmungsorgane: Tracheen: Bei den meisten Gliederfüßern. Über Tracheen erfolgt nicht nur der Gasaustausch, sondern auch der Gastransport. Das System mündet durch meist seitlich liegende Stigmen nach außen. Die Tracheen selbst sind fein verzweigte Chitinröhren können mit den feinsten Verzweigungen bis in einzelne Zellen reichen. Ventilation wird durch periodisches Abflachen des Körpers (Ausatmen) und Entspannen (Einatmen) erreicht. Eine bestimmte Körpergröße kann nicht überschritten werden, weil der Gasaustausch in den engen Röhren nur bedingt möglich ist Erhöhte Diffusionsgeschwindigkeit in heißen Gegenden. Kiemen: Kiemen sind dünnhäutige, reich durchblutete und feinst verzweigte Ausstülpungen der Körperoberfläche. Bei wirbellosen Tieren an verschiedensten Körperstellen: zb. marine (= im Meer lebende) Ringelwürmer: Seitlich am Körper oder auch rund um die Mundöffnung angeordnet. Die Tiere können dann ein Aussehen erreichen, das an die Blüten von Pflanzen erinnert. Krebse: Die Kiemenäste entspringen den ersten Segmenten der Beine und werden meist durch eine Falte im Chitinpanzer geschützt. In dieser Falte muss dann natürlich durch spezielle Einrichtungen ein dauernder Wasserstrom hergestellt werden.
Kiemen der Wirbeltiere sind entwicklungsgeschichtlich Spezialisierungen des Vorderdarmes: Am einfachsten bei Knorpelfischen: Die Speiseröhre (=der Vorderdarm) besitzt seitlich Spalten nach außen, die Kiemenspalten. An diesen Spalten sitzen feinst verzweigte und bestens durchblutete Lappen, die Kiemenblättchen. Durch diese strömt das Atemwasser und gibt den gelösten Sauerstoff an das Blut ab. Um den Wasserstrom durch die Kiemen zu ermöglichen, muss das Tier dauernd in Bewegung sein. Bei Knochenfischen sind Kiemenspalten durch Kiemendeckel verschließbar. Dadurch ist auch eine Atmung auch dann möglich, wenn das Tier an Ort und Stelle bleibt. Fischkiemen erreichen einen Wirkungsgrad von 80% (vgl. Lungenwirkungsgrad: 25%) Erklärung: Das Gegenstromprinzip: Das heißt, dass in den Kiemenblättchen das Blut immer der Strömungsrichtung des Wasser entgegen gerichtet ist. Lungen: Funktionieren prinzipiell wie Kiemen, sind jedoch Einstülpungen eines Teils der Körperoberfläche. Die Wirbeltierlungen sind blind endende, sackartige Ausstülpungen des vorderen Verdauungstraktes, sie leiten sich entwicklungsgeschichtlich von den Schwimmblasen der Fische her. Physostomen Physoclisten Physostomen: Schwimmblase wird mit Luft gefüllt, die über das Maul von der Oberfläche aufgenommen wird.
Physoclisten (meist Tiefseefische): Die Schwimmblasenwand ist mit einem feinen Kapillarnetz ausgekleidet. In das Kapillarnetz sind Milchsäuredrüsen integriert. Das von den Kiemenbögen kommende O2 - gesättigte Blut wird mit Milchsäure versetzt, wodurch sich die Löslichkeit für Sauerstoff und die Affinität zwischen Hb und Sauerstoff reduziert O2 gast aus und gelangt so in die Schwimmblase Volumen steigt Auftrieb steigt! Wird die Milchsäureproduktion gestoppt, steigt die Löslichkeit für Sauerstoff, der Sauerstoff wird aus der Schwimmblase entnommen Volumen sinkt Auftrieb sinkt! Amphibien: Larven mit Kiemen, Imagines mit einfachen, ungekammerten Lungen Unterstützung durch Hautatmung, die hier bis zu 90% der gesamten Atmung ausmachen kann.! Reptilien: Verhornte Haut (ermöglicht das Besiedeln von trockenen Standorten, weil die unkontrollierte Transpiration reduziert wird) verhindert die Hautatmung Vergrößerung der Lungenoberfläche durch Faltung und Kammernbildung Vögel: Besitzen die leistungsfähigsten Lungen aller Wirbeltiere 5 Paar häutige Luftsäcke, die mit den Spitzen bis in die hohlen Knochen reichen. Vorteile: Verringerung des spez. Gewichtes Kühlsystem Luftspeicher einmal eingeatmete Luft kann doppelt ausgenutzt werden Säugetiere: Kompliziert gekammerte und gefaltete Lungenoberfläche mit Alveolen (Lungenbläschen) als Austauschort. Weg der Atemluft: Nase bzw. Rachenraum Kehlkopf Luftröhre Bronchien Nebenbronchien Bronchiolen Alveolen. Atemmechaniken: Man unterscheidet Brust und Bauchatmung. Beide erfordern einen stabilen, durch Rippen gestützten Brustkorb. Ist ein solche nicht vorhanden (z.b. bei Amphibien) muss die Luft durch eine dem Schlucken ähnliche Bewegung der Luftröhre in die Lunge gebracht werden. Man spricht von eine Schluckatmung.
o Brustatmung Durch Anheben der in Ruhelage schräg nach unten hängenden Rippen wird das Brustvolumen vergrößert Unterdruck die in der Umgebung liegende Luft hat einen höheren Luftdruck und wird so in die Lungen gepresst. Diese weiten sich daraufhin aus und gleichen den Unterdruck um Brustraum wieder aus. o Bauchatmung Das physikalisch gleiche Prinzip. Unterschied ist der, dass der Unterdruck im Brustraum nicht durch Anheben der Rippen, sondern durch Absenken des Zwechfellmuskels (trennt den Bauch- vom Brustraum) aufgebaut wird. Bei sehr hohem Sauerstoffbedarf wird im Allgemeinen durch eine Kombination beider Techniken ein sehr hoher Luftdurchsatz erreicht. Der Brustraum muss luftdicht von der Außenwelt abgeschlossen sein. Eine Öffnung des Brustraumes (auch von der Lunge aus!) Pneumothorax führt immer zum Stillstand der Atmung. Dies kann jedoch auch therapeutisch genutzt werden, beispielsweise um einen erkrankten Lungenflügel vorübergehend still zu legen!