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Atmen mit dem Pobbes.

Ha, catchy Überschrift, ne? Habe den Staub vom Naturarium geklopft, nachdem ich in den letzten Wochen super krank war und dabei aber das Buch fertigstellen musste. ABER in der Zeit habe ich auch nebenher heimlich "fremdgeschrieben" und eine Menge Texte für den Newsletter vorproduziert. Einfach, weil ich so im Flow war und dachte "egal, du schläfst eh schon nicht, tipp einfach weiter". Und hier geht es jetzt direkt los mit einem Thema, das mich mit ner schlimmen Bronchitis die letzten Wochen umgetrieben hat: Es geht ums Atmen!

Stell dir vor, du könntest durch deine Haut oder sogar durch deinen Hintern atmen! Nun, das ist nicht nur Science-Fiction und tummelt sich in Serien wie Star Trek oder Akte X, sondern ist für einige Organismen auf der Erde Realität. Von Fischen mit Kiemen über Insekten mit einem weit verzweigten Röhrensystem bis hin zu Pflanzen mit Spaltöffnungen – atme tief durch und tauch ein in die fancy Welt der Atmung

Die Evolution des Atmens

Einzeller wie beispielsweise Bakterien sind die ältesten Lebensformen auf unserer Erde und existieren schon seit über 3,5 Milliarden Jahren, also schon ordentlich lang. Sie haben keine spezialisierten Organe wie Lungen und sind daher auf Diffusion angewiesen, um Gase auszutauschen. Dies ist ein langsamer und ineffizienter Prozess, bei dem sich die Teilchen einer Substanz von einem Bereich mit höherer Konzentration zu einem Bereich mit niedrigerer Konzentration ausbreiten, bis eine gleichmäßige Verteilung erreicht ist. Da sie keine effizientere Methode haben, um an Sauerstoff zu gelangen, sind ihre Stoffwechselaktivitäten begrenzt und sie bevorzugen Umgebungen mit relativ hohen Gaskonzentrationen, wie zum Beispiel in der Nähe von Hydrothermalquellen oder in seichtem Wasser. Marathon laufen sie auch eher nicht.

Die Entstehung von mehrzelligen Organismen vor rund 2-3 Milliarden Jahren war ein wichtiger Schritt in der Evolution der Atmung. Eines der frühesten Beispiele für spezialisierte Strukturen zum Gasaustausch sind die Kiemen bei Fischen, die vor etwa 500 Millionen Jahren entstanden sind, plus minus sach ich mal. Kiemen sind spezialisierte Organe, die gelösten Sauerstoff aus dem Wasser filtern und damit einen viel effizienteren Gasaustausch ermöglichen als die Diffusion allein. Diese erhöhte Effizienz ermöglichte es den Fischen, größere Körper und komplexere Stoffwechselprozesse zu entwickeln, sowie neue Umgebungen wie Süßwasser und Tiefsee zu besiedeln.

Ein weiterer wichtiger Schritt in der Evolution der Atmung war die Entwicklung landbewohnender Wirbeltiere vor etwa 360 Millionen Jahren. Sie entwickelten die Lunge als Organ zum Austausch von Gasen mit der Luft.

Es gibt aber immer noch Lebewesen, die sich mit Sauerstoff nicht anfreunden konnten: Das sind die sogenannten "Anaerobier".

Sauerstoff? Danke, für mich nicht.

Anaerobe Organismen sind Lebewesen, die ohne die Anwesenheit von Sauerstoff überleben können, und für die unser geliebter O2 sogar Gift ist. Sie haben verschiedene Mechanismen entwickelt, um ihren Stoffwechsel ohne Sauerstoff durchzuführen. Ihre Entstehung ist eng mit der Evolution des Sauerstoffs auf der Erde verbunden. Anaerobe Organismen gibt es seit den Anfängen des Lebens auf der Erde vor ungefähr 3,5 Milliarden Jahren. Zu dieser Zeit war der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre noch gering (sie bestand damals vor allem aus Methan, Ammoniak und anderen Gasen) und die ersten Lebensformen waren wahrscheinlich anaerob. Im Laufe der Zeit, als der Sauerstoffgehalt auf der Erde zunahm, entwickelten sich einige Organismen, die Sauerstoff zur Energiegewinnung nutzten und als Aerobier bezeichnet werden. Anaerobe Organismen hielten jedoch durch und suchten sich neue "Wirkungsstätten" wie sauerstofffreie Thermalquellen oder Moorböden. 

Die häufigste Art des anaeroben Stoffwechsels ist übrigens die Gärung, bei der Zucker von Mikroorganismen – wie beispielsweise Hefen – zur Energiegewinnung abgebaut wird. Bei der Gärung können Milchsäure, Ethanol oder andere Nebenprodukte entstehen. Sauerkraut, Bier, Kimchi – ohne anaeroben Stoffwechsel undenkbar!

Und wie hältst du's mit dem Atmen?

Wirbeltiere

Im Laufe der Evolution haben verschiedene Gruppen von Wirbeltieren unterschiedliche spezialisierte Atmungssysteme entwickelt. Vögel beispielsweise haben eine einzigartige Vogellunge, die ihnen ermöglicht, eine hohe Sauerstoffaufnahme und eine hohe Stoffwechselrate zu haben, was ihnen das Fliegen ermöglicht – denn das ist uuuuunglauublich energiefressend! Wir Säugetiere hingegen haben einen Zwerchfellmuskel entwickelt, der eine effiziente Belüftung der Lunge ermöglicht. Diese Anpassung ermöglicht uns eine effizientere Atmung und eine niedrigere Ruheherzfrequenz, was uns Säuger ermöglicht, Energie zu sparen und in Umgebungen mit geringer Sauerstoffkonzentration zu überleben.

Einige Amphibien, wie z. B. bestimmte Frosch- und Salamanderarten, können mit ihrer Haut atmen. So können sie Sauerstoff aus dem Wasser oder der Luft aufnehmen und Gase direkt mit der Umwelt austauschen.

Fische haben mit ihren Kiemen effiziente Atmungsorgane, mit denen sie Sauerstoff aus dem Wasser gewinnen können. Die Kiemen bestehen aus dünnen, feinen Filamenten und Lamellen, die mit winzigen Blutgefäßen bedeckt sind. Wenn nun Wasser über die Kiemen fließt, diffundiert Sauerstoff durch die dünnen Wände dieser Filemente und Lamellen in die Blutgefäße. Gleichzeitig diffundiert Kohlendioxid aus den Blutgefäßen in das Wasser. 

Die Kiemen befinden sich bei Fischen normalerweise an den Seiten des Kopfes und werden von einer knöchernen Platte geschützt. Das Wasser wird durch das Maul des Fisches über die Kiemen angesaugt und durch die Kiemendeckel wieder ausgestoßen. Einige Fischarten haben aber auch Kiemen, die sich an der Seite des Körpers oder im Rachen befinden.

Insekten

Insekten haben ein ganz anderes Atmungssystem entwickelt: Sie verwenden innere Röhren, die sogenannten "Tracheen", die meist an der Körperseite enden – Krabbler haben also kleine Löcher an der Seite. Diese Röhren ermöglichen es dem Sauerstoff, direkt in den Körper des Insekts zu diffundieren und direkt die Organe und Körperteile zu erreichen, die ihn benötigen. Dies erfolgt ohne spezielle Atmungsorgane. Dieses System ist relativ effizient, kann aber nur eine begrenzte Stoffwechselrate unterstützen. Die Röhrchen können jedoch leicht durch Ablagerungen wie Staub verstopft werden, was die Atmung des Insekts beeinträchtigt. Das ist einer der Gründe, warum Fliegen und andere Insekten ein so exzessives Putzverhalten an den Tag legen – niemand will Staub einatmen, oder?

Pflanzen

Aber nicht nur Tiere atmen – Pflanzen natürlich auch, nur sind sie eben Fans von Kohlenstoffdioxid und durch sie kommen wir überhaupt erst in den Genuss unseres geliebten Sauerstoffs. Auch unsere grünen Freundinnen haben spezielle Strukturen für den Gasaustausch, wie z. B. die Spaltöffnungen auf der Oberfläche von Blättern und Stängeln. Diese Spaltöffnungen ermöglichen den Austausch von Gasen zwischen der Pflanze und der Luft und dienen auch der Regulierung des Wasserhaushaltes. 

Jasmin, was ist denn jetzt mit dem Hintern und so?

Jaha. Also: Es gibt einen Prozess, den man als "Rektalatmung" oder "Kloakenatmung" bezeichnet.

Die Rektalatmung ist eine Atmungsmethode, die von einigen Fischarten oder Krabben, aber auch von anderen Tieren wie manchen Wasserschildkröten verwendet wird. Bei diesen Arten wird der Pobbes als zusätzliches Atmungsorgan genutzt, um dem Wasser Sauerstoff zu entziehen: Wasser fließt in das Rektum, Sauerstoff wird durch die Rektalschleimhaut diffundiert, dann wird das sauerstoffarme Wasser wieder abgegeben . Dieser Prozess ist eine Anpassung, um in Umgebungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt zu überleben.

Sumpfschildkröten sind beispielsweise sehr abhängig von der Fähigkeit ihres Hinterns, unter Wasser mitzuatmen – sie haben nämlich nur Lungen, keine Kiemen. Wenn das Wasser in ihren Seen im Winter zufriert, können sie nicht mehr an die Wasseroberfläche, um mal einen Atemzug zu nehmen. Also senken die Kerlchen ihre Stoffwechselrate um rund 95 % und brauchen nur noch sehr wenig, aber nicht gar keinen Sauerstoff. Dennoch verbringen sie rund die Hälfte ihres Lebens unter Wasser. Die Blutgefäße um ihren Pobbes, der bei Schildis übrigens Kloake heißt, können das Wasser direkt aus dem Wasser aufnehmen, weshalb sie ihre Lunge für eine Weile nicht nutzen müssen. 

Klar, die Rektalatmung ist nicht so effizient wie die Kiemen- oder Lungenatmung und wird von  Tieren im Allgemeinen nur als Hilfssystem genutzt.  Aber mittlerweile probiert man diese Form der Atmung auch bei Landwirbeltieren zu nutzen, natürlich immer mit der Anwendungsmöglichkeit beim Menschen im Blick. So könnte man Menschen mit Lungenversagen dennoch weiter mit Sauerstoff versorgen. Aktuell ist das noch alles recht instabil, es wurde bei Tieren versucht (ja, ich weiß ...). Man konnte Mäuse rund 50 Minuten durch rektale Atmung am Leben erhalten, allerdings entzündete sich dann auch der Darm. Klappt noch nicht alles so gut, aber wer weiß, wie sich das noch entwickelt.

Und sonst so?

Und hier siehst du mich und einen gewissen sehr kleinen Forscher im Norden bei den Flechten:

Bis zum nächsten Mal! :) Und danke für deine Unterstützung!

Jasmin

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