Atemsysteme der Wirbeltierklassen

Atemsysteme der Wirbeltierklassen – Biologie

In den nächsten 24 Stunden wirst du mehr als 23 000 Atemzüge tun. Dieser Zahl ist zugrunde gelegt, dass ein erwachsener Mensch etwa 16-mal in der Minute im Ruhezustand ein- und ausatmet. Bei Jugendlichen (15–20 Jahre) rechnet man mit 20 Atemzügen pro Minute und Babys kommen sogar auf 40.
Und wozu dieser große Aufwand? Die Zellen des Körpers müssen ständig mit Sauerstoff beliefert werden, um Energie zu gewinnen. Um den Sauerstoff aufzunehmen, haben sich im Tierreich unterschiedliche Atmungssysteme entwickelt. Besonders aufwendige Atmungssysteme finden wir bei den Wirbeltieren. In diesem Lerntext erfährst du, wie die Atmung bei Wirbeltieren funktioniert.

Was ist Atmung?

Bei der Atmung wird Sauerstoff aufgenommen und über das Blut an die Zellen des Körpers verteilt. Die Zellen benötigen den Sauerstoff, um daraus Energie zu gewinnen. Das nennt man Zellatmung. Als Abfallprodukt entsteht dabei Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$). Dieses wird beim Ausatmen ausgestoßen. Im Körper wird also Kohlenstoffdioxid durch Sauerstoff „ausgetauscht“. Das nennt man Gasaustausch. (Zell-)Atmung gibt es nicht nur bei den Tieren, sondern zum Beispiel auch bei Pflanzen und Pilzen. Die Systeme zur Luft- bzw. Sauerstoffaufnahme sind sehr unterschiedlich. In diesem Text soll es darum gehen, wie die verschiedenen Wirbeltiere atmen.

Unterschiede der Atmung und der Lungen bei Wirbeltierklassen

In der Biologie werden die Wirbeltiere in fünf Klassen eingeteilt. Die Unterschiede in der Atmung zwischen diesen Gruppen werden dir am Beispiel verschiedener Wirbeltiere erklärt. In der unten stehenden Aufzählung findest du die fünf Klassen der Wirbeltiere mit Beispielen, die sich unter anderem in ihrer Atmung unterscheiden. Die Reihenfolge der fünf Klassen ist nicht zufällig. In der erdgeschichtlichen Entwicklung sind diese Arten in etwa in der genannten Reihenfolge in Erscheinung getreten. Und im Laufe der Evolution sind die Atmungssysteme immer komplizierter und leistungsstärker geworden.

• Fische (Forellen, Haie)
• Amphibien (Frösche, Molche, Salamander)
• Reptilien (Eidechsen, Schlangen)
• Vögel (Amseln, Schwäne)
• Säugetiere (Wale, Menschen, Katzen)

Wechselwarme und gleichwarme Tiere – Atmung

Amphibien, Reptilien und Fische sind wechselwarm (poikilotherm). Ihre Körpertemperatur ist weitgehend abhängig von der Umgebungstemperatur. Ist es draußen kalt, sinkt auch die Körpertemperatur. Ist es draußen warm, steigt die Körpertemperatur. Niedrige Temperaturen um den Nullpunkt lassen die Fische, Amphibien und Reptilien langsam und sogar unbeweglich werden (Kältestarre).
Vögel und Säugetiere sind gleichwarm (homoiotherm). Sie regulieren ihre Körpertemperatur also selbst und halten sie konstant. Sie können deshalb bei kalten wie bei warmen Temperaturen körperlich aktiv sein. Dafür brauchen sie viel Energie. Deshalb müssen die Lungen von Vögeln und Säugetieren auch leistungsstärker sein als die der Reptilien, Amphibien und Fische.

Kiemenatmung bei Fischen

Fische verfügen über Kiemen und sind damit die einzigen Wirbeltiere ohne Lunge. Die Kiemen bestehen aus frei vom Wasser umspülten Kiemenblättchen, an deren Oberfläche sich zahllose Adern befinden. Die Blättchen werden von Kiemenbögen in der Kiemenhöhle aufgespannt. Zum Schutz liegen die Kiemen unter einer Schutzhaut, dem Kiemendeckel.

Durch das Maul des Fischs strömt Wasser ein und durch die Kiemenöffnung wird es wieder herausgedrückt. An der Oberfläche der Adern wird Sauerstoff aus dem Wasser aufgenommen und Kohlenstoffdioxid abgegeben. Bei einem Karpfen kann man an der Maulbewegung und der Bewegung der Kiemendeckel sehr schön sehen, wie er Wasser aufnimmt und durch die Kiemenhöhle wieder hinausdrückt. Einige Fischarten wie z. B. die Haie müssen ständig mit offenem Maul umherschwimmen, damit sauerstoffhaltiges Wasser an den Kiemen vorbeiströmt.

Atmung von Amphibien

Zu den Amphibien gehören die Froschlurche und die Schwanzlurche. Amphibien sind Wirbeltiere, die ihre Eier im Wasser legen, sich aber mit dem Erwachsenwerden auf ein Leben an Land umstellen. Kurz nach dem Schlüpfen aus dem Ei haben Amphibien noch gut sichtbare Kiemen, die als Büschel seitlich vom Körper abstehen. An Land sind Kiemen nicht zu gebrauchen, da sie an der Luft verkleben. Sie verschwinden spätestens kurz vor dem Landgang.
Amphibien atmen mit sackförmigen Lungen und über die Haut. Über ihre weiche und feuchte Hautoberfläche können Amphibien Sauerstoff aus der Luft oder beim Tauchen aus dem Wasser aufnehmen (Hautatmung). Das reicht nicht dauerhaft zum Leben. Daher verfügen sie im Inneren ihres Körpers über Lungensäcke, die von Adern ausgekleidet sind. An der Innenseite der Lungensäcke befinden sich zahllose Falten, die die Oberfläche für den Gasaustausch vergrößern.

Atmung von Reptilien

Reptilien sind reine Landlebewesen und legen ihre Eier nicht ins Wasser. So haben bereits die Jungtiere eine Lunge. Das Innere der Lungen weist durch eine Kammerung der gefalteten Oberfläche eine deutliche Oberflächenvergrößerung auf. Damit können im Vergleich zu den Amphibien deutlich mehr Atemgase ausgetauscht werden. Daher sind Reptilien bei gleicher Größe leistungsfähiger als Amphibien.

Atmung von Säugetieren

Bei den Säugetieren sind die Lungen von vielen Millionen Lungenbläschen gefüllt. Durch ein aufwendiges Röhrensystem gelangt sauerstoffhaltige Luft zu den Adern, die die Bläschen umgeben, und so ins Blut. Und beim Ausatmen wird das vom Blut angelieferte $\ce{CO2}$ aus der Lunge „gepustet“. Durch 300 Millionen Bläschen verfügt ein erwachsener Mensch über eine Lungengesamtoberfläche von 100 Quadratmetern. Das ist gut 50-mal so viel wie seine Hautoberfläche.

Atmung von Vögeln

Die Vögel haben ein besonders leistungsfähiges Atmungssystem. Die Lunge ist stark gekammert und von einem speziellen Röhrensystem durchzogen. Beim Einatmen fließt ein Teil der Luft durch die Lungen und dann in spezielle Luftsäcke. Der andere Teil bewegt sich zunächst an der Lunge vorbei in ein zweites Luftsacksystem. Beim Ausatmen geht die bereits mit $\ce{CO2}$ angereicherte Atemluft der ersten Luftsäcke direkt nach draußen, die sauerstoffreiche Luft der anderen Luftsäcke wird erst noch durch die Lungen geschickt. Durch dieses System ist sichergestellt, dass die Lungen ständig mit sauerstoffreicher „Frischluft“ versorgt werden. Versorgungspausen, die zwischen dem Beginn des Ausatmens und dem Einatmen liegen, gibt es nicht. Für die gewaltigen Muskelanstrengungen des Fliegens ist eine stetige Sauerstoffversorgung sichergestellt.