Biologie für Majors II

Abbildung 1. Die Zelle der einzelligen Alge Ventricaria ventricosa ist mit einem Durchmesser von ein bis fünf Zentimetern eine der größten bekannten. Wie alle einzelligen Organismen tauscht V. ventricosa Gase über die Zellmembran aus.

Alle aeroben Organismen benötigen Sauerstoff, um ihre Stoffwechselfunktionen auszuführen. Entlang des Evolutionsbaums haben verschiedene Organismen verschiedene Mittel entwickelt, um Sauerstoff aus der umgebenden Atmosphäre zu gewinnen. Die Umgebung, in der das Tier lebt, bestimmt stark, wie ein Tier atmet. Die Komplexität des Atmungssystems korreliert mit der Größe des Organismus. Mit zunehmender Tiergröße nehmen die Diffusionsabstände zu und das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen sinkt. In einzelligen Organismen reicht die Diffusion über die Zellmembran aus, um die Zelle mit Sauerstoff zu versorgen (Abbildung 1).

Diffusion ist ein langsamer, passiver Transportprozess. Damit die Diffusion ein praktikables Mittel zur Sauerstoffversorgung der Zelle ist, muss die Geschwindigkeit der Sauerstoffaufnahme der Diffusionsrate über die Membran entsprechen. Mit anderen Worten, wenn die Zelle sehr groß oder dick wäre, wäre die Diffusion nicht in der Lage, das Innere der Zelle schnell genug mit Sauerstoff zu versorgen. Daher bleibt die Abhängigkeit von der Diffusion als Mittel zur Gewinnung von Sauerstoff und zur Entfernung von Kohlendioxid nur für kleine Organismen oder solche mit stark abgeflachten Körpern wie viele Plattwürmer (Platyhelminthes) machbar. Größere Organismen mussten spezialisierte Atmungsgewebe wie Kiemen, Lungen und Atemwege entwickeln, die von einem komplexen Kreislaufsystem begleitet wurden, um Sauerstoff durch ihren gesamten Körper zu transportieren.

Direkte Diffusion

Abbildung 2. Der Atmungsprozess dieses Plattwurms erfolgt durch Diffusion über die äußere Membran. (credit: Stephen Childs)

Für kleine vielzellige Organismen ist die Diffusion über die äußere Membran ausreichend, um ihren Sauerstoffbedarf zu decken. Der Gasaustausch durch direkte Diffusion über Oberflächenmembranen ist für Organismen mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm effizient. In einfachen Organismen wie Nesseltieren und Plattwürmern befindet sich jede Zelle im Körper in der Nähe der äußeren Umgebung. Ihre Zellen werden feucht gehalten und Gase diffundieren schnell durch direkte Diffusion. Plattwürmer sind kleine, buchstäblich flache Würmer, die durch Diffusion über die äußere Membran „atmen“ (Abbildung 2). Die flache Form dieser Organismen vergrößert die Oberfläche für die Diffusion und stellt sicher, dass sich jede Zelle im Körper nahe der äußeren Membranoberfläche befindet und Zugang zu Sauerstoff hat. Wenn der Plattwurm einen zylindrischen Körper hätte, könnten die Zellen in der Mitte keinen Sauerstoff bekommen.

Haut und Kiemen

Regenwürmer und Amphibien nutzen ihre Haut (Integument) als Atmungsorgan. Ein dichtes Netzwerk von Kapillaren liegt direkt unter der Haut und erleichtert den Gasaustausch zwischen der äußeren Umgebung und dem Kreislaufsystem. Die Atemoberfläche muss feucht gehalten werden, damit sich die Gase auflösen und über die Zellmembranen diffundieren können.

Abbildung 3. Dieser Karpfen hat wie viele andere Wasserorganismen Kiemen, die es ihm ermöglichen, Sauerstoff aus Wasser zu gewinnen. (Kredit: „Guitardude012″/Wikimedia Commons)

Organismen, die im Wasser leben, benötigen Sauerstoff aus dem Wasser. Sauerstoff löst sich in Wasser, jedoch in geringerer Konzentration als in der Atmosphäre. Die Atmosphäre hat etwa 21 Prozent Sauerstoff. In Wasser ist die Sauerstoffkonzentration viel geringer. Fische und viele andere Wasserorganismen haben Kiemen entwickelt, um den gelösten Sauerstoff aus dem Wasser aufzunehmen (Abbildung 3). Kiemen sind dünne Gewebefilamente, die stark verzweigt und gefaltet sind. Wenn Wasser über die Kiemen fließt, diffundiert der gelöste Sauerstoff im Wasser schnell über die Kiemen in den Blutkreislauf. Das Kreislaufsystem kann dann das mit Sauerstoff angereicherte Blut zu den anderen Körperteilen transportieren. Bei Tieren, die anstelle von Blut Coelomflüssigkeit enthalten, diffundiert Sauerstoff über die Kiemenflächen in die Coelomflüssigkeit. Kiemen kommen in Mollusken, Anneliden und Krebstieren vor.

Die gefalteten Oberflächen der Kiemen bieten eine große Oberfläche, um sicherzustellen, dass der Fisch ausreichend Sauerstoff erhält. Diffusion ist ein Prozess, bei dem Material von Bereichen hoher Konzentration zu niedriger Konzentration wandert, bis das Gleichgewicht erreicht ist. In diesem Fall zirkuliert Blut mit einer geringen Konzentration von Sauerstoffmolekülen durch die Kiemen. Die Konzentration von Sauerstoffmolekülen in Wasser ist höher als die Konzentration von Sauerstoffmolekülen in Kiemen. Infolgedessen diffundieren Sauerstoffmoleküle von Wasser (hohe Konzentration) zu Blut (niedrige Konzentration), wie in Abbildung 4 gezeigt. In ähnlicher Weise diffundieren Kohlendioxidmoleküle im Blut vom Blut (hohe Konzentration) zu Wasser (niedrige Konzentration).

Abbildung 4. Wenn Wasser über die Kiemen fließt, wird Sauerstoff über die Venen in das Blut übertragen. (credit „fish“: Modifikation der Arbeit von Duane Raver, NOAA)

Trachealsysteme

Abbildung 5. Insekten atmen über ein Trachealsystem.

Die Insektenatmung ist unabhängig von ihrem Kreislaufsystem, daher spielt das Blut keine direkte Rolle beim Sauerstofftransport. Insekten haben ein hochspezialisiertes Atmungssystem, das Trachealsystem, das aus einem Netzwerk kleiner Röhren besteht, die Sauerstoff zum gesamten Körper transportieren. Das Trachealsystem ist das direkteste und effizienteste Atmungssystem bei aktiven Tieren. Die Schläuche im Trachealsystem bestehen aus einem polymeren Material namens Chitin.

Insektenkörper haben Öffnungen, sogenannte Spiracles, entlang des Thorax und des Abdomens. Diese Öffnungen verbinden sich mit dem röhrenförmigen Netzwerk, lassen Sauerstoff in den Körper eindringen (Abbildung 54) und regulieren die Diffusion von CO2 und Wasserdampf. Luft tritt durch die Spiralen in das Trachealsystem ein und verlässt es. Einige Insekten können das Trachealsystem mit Körperbewegungen belüften.

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