So funktioniert Lungenatmung & Gasaustausch bei Menschen und Tieren
Die Lungenatmung ist ein Prozess des Atemgasaustausches bei höher entwickelten Tieren. Hierbei wird über eine Muskelkontraktion die Lunge geweitet, was zu einer Sauerstoffaufnahme führt. Der Sauerstoff und andere Gase aus der Atemluft gelangen hierbei über sogenannte Alveolen (Lungenbläschen) in Blutgefäße und werden über den Blutkreislauf im ganzen Körper verteilt. Beim Ausatmen wird die eingeatmete Luft hauptsächlich in Form von Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Der Lungenkreislauf ist bei Krokodilen, Vögeln und Säugetieren vom Herzkreislauf getrennt. Hierbei gibt es jedoch einige Unterschiede, wenn verschiedene Tierstämme miteinander verglichen werden.
Inhalt
Warum ist die Lungenatmung für den Menschen und viele Tiere so wichtig
Ein Organismus benötigt Energie, um lebenswichtige Prozesse aufzunehmen und aufrechthalten zu können. Diese Energie kann der Organismus nicht ohne Weiteres selbst schöpfen, sondern muss Energieträger von außen beziehen.
Solche Energieträger sind Nahrungsmittel, welche aus organischen Stoffen bestehen – die wiederum Energie gespeichert haben. So bestehen bspw. Pflanzenteile, wie Obst oder Gemüse, bereits aus organischen Stoffen. Auch das Fleisch eines Tieres besteht aus organischen Stoffen, welches eine bestimmte Menge an Energie im Gewebe gespeichert hat.
Um jetzt die Energie aus den körperfremden Stoffen zu ziehen, muss der Organismus diese als Nahrung aufnehmen, dann in ihre Einzelteile zerlegen und in körpereigene Stoffe umbauen, welche ebenfalls organisch sind.
Die Grundstoffe, welche der Organismus aus der Nahrung gewinnt, sind Kohlenhydrate (z.B. Zucker), Proteine (Eiweiße) und Fette. Das Konzept wird in der Biologie als Stoffwechsel oder Energiestoffwechsel bezeichnet. Die Energie, welche der Organismus aus der Stoffumwandlung gewinnt, investiert er in Wachstum, Entwicklung, Fortpflanzung, Bewegung usw.
Aber um die Nahrung in ihre kleinsten Bestandteile aufzuspalten, um dann daraus körpereigene Betriebsstoffe herzustellen – bedarf es verschiedener chemischer Reaktionen, wie Reduktion und Oxidation.
Um also aus einer Nahrungseinheit, Energie zu generieren – müssen chemische Reaktionen stattfinden. Aber diese chemischen Reaktionen benötigen ein Oxidationsmittel, Reduktionsmittel – also irgendeine Form von Zündstoff. Und dieser Zündstoff ist Sauerstoff. Das bedeutet: Ohne Sauerstoff kein Stoffwechsel. Und ohne Stoffwechsel keine Energie. Und ohne Energie kein Leben.
Die entsprechende Sauerstoffmenge bezieht der Organismus aus seiner unmittelbaren Umwelt. Denn Sauerstoff ist in zwei entscheidenden Medien enthalten. Das erste Medium ist die Luft. Ein anderes Medium ist Wasser.
Im Wasser lebende Tiere, wie die Fische, können über ihre Kiemen den Sauerstoff aus dem Wasser herausziehen und diesen in den Organismus einschleusen. Andere Lebewesen, welche an Land leben, benötigen Atmungsorgane – welche genau das Gleiche vollbringen, allerdings spezialisiert auf Luftatmung sind. Und die Lunge ist so ein Atmungsorgan, welche darauf spezialisiert ist, den Sauerstoff aus der Luft zu entnehmen, um diesen dann in den Organismus einzuschleusen.
Wie funktioniert die Lungenatmung beim Menschen und anderer Landwirbeltiere
Die Lunge ist nur ein Atmungsorgan im Tierreich.
Andere Atmungsorgane sind die Kiemen der Fische, die Tracheen der Insekten oder die Haut aller Landwirbeltiere, zu denen auch der Mensch zählt.
Einige Landwirbeltiere, wie bspw. der Riesensalamander, sind sogar auf die Hautatmung spezialisiert und die Lungen dienen lediglich dazu, den Auftrieb im Wasser zu regulieren. Denn die Lunge ist ein homologes Organ, welches in der Stammesgeschichte der Wirbeltiere aus der Schwimmblase der Knochenfische hervorging – die bei dieser Wirbeltiergruppe immer noch als Auftriebsorgan fungiert.
Auch die Kiemen werden, während der Embryonalentwicklung aller Landwirbeltiere (auch des Menschen) angelegt, verschwinden allerdings beim Embryo und gehen in verschiedene Schädelknochen und Schädelmuskeln über. So wird bspw. die Kiemenspalte eines menschlichen Embryos so umgebaut, dass daraus der Gehörgang entsteht.
Aber zurück zur Atmung…
Bei der Atmung wird zwischen einer inneren und einer äußeren Atmung unterschieden. Letztere wird fachlich als Respiration bezeichnet und beschreibt das Ein- und Ausatmen. Auf Ebene der Zellen findet dann die innere Atmung statt, bei dem der Sauerstoff dazu genutzt wird, um aus der Nahrung einen internen Energieträger aufzubauen – welcher als Adenosintriphosphat (kurz ATP) bezeichnet wird. Diese internen Vorgänge finden in den Mitochondrien der Zelle statt und werden als Zellatmung bezeichnet.
Durch Zellatmung entsteht der universelle Energieträger ATP, welcher als Energiewährung in Zellen eingesetzt wird
Die Lunge ist also das Atmungsorgan, um die äußere Atmung zu vollziehen – welche den Sauerstoff einschleust, damit dieser für die innere Atmung zur Verfügung steht. Und bei der Lungenatmung unterscheidet man zwischen Einatmung und Ausatmung.
Das Einatmen als erster Teil der Lungenatmung
Beim Einatmen (Inspiration) wird sauerstoffreiche Luft über Mund und Nase aufgenommen, gelangt dann in die Luftröhre und von dort aus ins Bronchialsystem. Dieses Bronchialsystem besteht aus Bronchien und Bronchiolen.
Was ist der Unterschied?
Die Bronchien sind bereits verästelte Luftwege der Lunge, welche sich immer weiter verästeln und in Bronchiolen übergehen. Diese Verästelung nimmt weiter zu und geht in einen Bläschenzustand über. In diesen Lungenbläschen findet der Transfer des Sauerstoffs ein zweites Mal statt.
Die Lungenbläschen (Alveolen) gehen aus den Bronchiolen hervor
Warum ist diese Bläschenform wichtig?
Ganz einfach. Blasen sind ein dreidimensionaler Körper, wo sich die Atemluft am besten ausbreiten kann – ohne viel Raum einzunehmen. Dadurch bietet die Bläschenform eine viel größere Kapazität – auf engsten Raum – als die Schlauchform einer Luftröhre oder der Bronchien. Beim Menschen beträgt die Anzahl der Lungenbläschen circa 400 Millionen. Würde man diese Bläschen ausbreiten, könnten diese ein Oberfläche von über 100 m² ausfüllen.
Die Atemluft ist also über Mund und Nase, Luftröhre, Bronchien schließlich in den Lungenbläschen angekommen und füllt diese aus. Das Ausfüllen geschieht aufgrund eines Druckunterschieds zwischen der Außen- und Innenluft, welcher durch die Kontraktion der Atemmuskulatur an den Rippen und dem Zwerchfell zustande kommt.
Das heißt jetzt….
Immer wenn wir einatmen, sind Muskeln beteiligt, welche die Lungen im Organismus auseinanderpressen – wodurch ein Druckunterschied entsteht, welcher wiederum das Ausfüllen der Lungenbläschen bewirkt. Beim Ausatmen entspannt sich die Atemmuskulatur wieder, was ebenfalls einen Druckunterschied ausmacht, der wiederum die Leerung der Lunge bewirkt.
Muskelarbeit beim Einatmen (links) und Ausatmen (rechts)
An die Lunge angeschlossen sind Blutgefäße, welche bis in den letzten Winkel des kompletten Organismus reichen. Zusammen mit dem Herz bilden jene Gefäße das Herz-Kreislauf-System.
Bei den Blutgefäßen unterscheidet man grob zwischen Arterien und Venen. Die Arterien sind Blutgefäße, welche das Blut vom Herzen wegführen. Das Herz ist ein Muskel, welcher als Pumporgan dafür sorgt, dass das Blut durch die Gefäße geleitet wird. Die Arterien verzweigen sich immer weiter und gehen dann in kleinere Arterien, die sogenannten Arteriolen, über.
Bei den Venen ist dies genauso. Größere Venen verästeln sich in Venolen. Die kleinsten Blutgefäße sind die Kapillaren und diese überziehen jedes Organ, auch die Lunge.
Blutgefäße im Überblick
Man muss sich dieses Organsystem wie ein riesiges Netzwerk vorstellen. Überall dort, wo der Körper bluten kann – ist ein Blutgefäß versteckt. Da man innen und außen an jeder Stelle bluten kann, wird klar – dass die Blutgefäße den gesamten Körper überziehen.
Nochmal…
Die kleinsten Blutgefäße sind Kapillaren, welche die Organe überziehen und somit auch an der Bläschenwand der Lungenbläschen fließen. In den Lungenbläschen steckt immer noch die Atemluft mit dem Sauerstoff. Zwischen dem Blutgefäß und den Lungenbläschen herrschen Konzentrationsunterschiede. Und jeder Konzentrationsunterschied strebt einen Ausgleich an. Das Prinzip dieses Konzentrationsausgleiches bezeichnet man in der Chemie und Physik als Diffusion.
Was passiert genau?
Im Blut der vorbeifließenden Kapillaren ist eine geringere Konzentration an Sauerstoff als im Blutbläschen. Der Sauerstoff ist ein Molekül und wie jedes Elementarteilchen vollzieht es immer eine Eigenbewegung. Diese Kleinstteilchen, zu denen auch Ionen oder Atome gehören, stehen niemals still. Sie sind immer in Bewegung. Diese Eigenbewegung führt dazu, dass es in einem Medium mit hoher Konzentration stets an andere Teilchen stoßen wird. Durch den Aufprall wird es abgestoßen und mittelfristig aus dem System herausgedrängt. Dadurch fließen Teilchen immer von einem System mit hoher Konzentration zu einem System mit niedriger. Man kann auch sagen, beide mischen sich.
Wichtig ist nur…
Durch den Konzentrationsunterschied und das Gesetz des Konzentrationsausgleichs (Diffusion) gelangt das Sauerstoff-Molekül vom Lungenbläschen in die Kapillaren. Das funktioniert, da jede Zellmembran – auch die der Kapillarwand kleine Öffnungen hat, was man als Semipermeabilität (Halbdurchlässigkeit) bezeichnet. Und die Moleküle sind so klein, dass sie wie Bausteine hindurchpassen.
Gasaustausch im Lungenbläschen: Sauerstoff (O2) wandert in die Blutbahn und Kohlendioxid (CO2) wandert ins Lungenbläschen
Sobald der Sauerstoff im Kapillarsystem angekommen ist, kann dieser vom Blut aufgenommen werden. Denn im Blut existiert ein Protein, namens Hämoglobin, welches in der Lage ist – vier Sauerstoffmoleküle zu binden. Fortan fließt der Sauerstoff durch die Kapillaren, welche wieder in Arteriolen und Arterien übergehen. Nun kann das sauerstoffreiche Blut jedes Zielorgan erreichen.
Die roten Blutkörperchen enthalten Hämoglobin, wodurch der Sauerstoff in den ganzen Organismus gelangt
Durch Konzentrationsunterschiede an den Organen gelangt der Sauerstoff, wieder durch Diffusion, in die Zellen der Organe. Dort wird der Sauerstoff bei der Zellatmung verbraucht. Als Stoffwechselendprodukt entsteht Kohlenstoffdioxid, welches vom Blut ebenfalls aufgenommen und abtransportiert wird.
Ausatmung als zweiter Teil der Lungenatmung
Kohlenstoffdioxid entsteht in den Organen, nachdem der Sauerstoff in den Organzellen für den Stoffwechsel verbraucht wurde. In den Venen-Kapillaren herrscht eine geringere Konzentration an Kohlenstoffdioxid als in den Gewebezellen der Organe, weshalb auch hier der Konzentrationsausgleich dazu führt, dass Kohlenstoffdioxid ins Blut gelangt. Dieses wird nun an die Lungen zurückgeführt.
Von den Kapillaren, welche kohlenstoffdioxidreiches bzw. sauerstoffarmes Blut abführen, geht das Blut in Venolen und schließlich in Venen über. Dadurch kann es wiederum jedes Organ im Organismus erreichen, so auch die Lunge.
An den Lungenbläschen herrscht wieder Konzentrationsunterschied und durch erneute Diffusion wandern die Kohlendioxidteilchen in die Lunge. Beim Ausatmen entspannt sich die Atemmuskulatur des Zwerchfells und der Rippen, wodurch der Druckunterschied ein Auspressen der Luft aus den Lungenbläschen bewirkt.
Der Gasaustausch zwischen Sauerstoff und Kohlendioxid findet somit bei der Ein- und Ausatmung statt.
Bei welchen Tierstämmen bzw. Tierklassen existiert die Lungenatmung?
Die ursprüngliche Form einer erkennbaren Lunge gab es bei den sogenannten Fleischflossern (Sarcopterygii). Hierbei bildete sich eine Aussackung des Vorderdarms, die bei den Strahlenflossern (Actinopterygii) die Schwimmblase darstellte. Diese Aussackung des Vorderdarms war dazu in der Lage, Sauerstoff aufzunehmen und zu transportieren – ähnlich wie die Lunge von höher entwickelten Tieren. Vermutlich wurde diese Art der „Ur-Lunge“ lediglich als Ergänzung zu Kiemen genutzt, sofern die Sauerstoffkonzentration im Wasser zu gering war.
Aus der Evolution der Fleisch- und Strahlenflosser gingen sogenannte Quastenflosser hervor, die lange Zeit als ausgestorben galten. Dennoch wurde im Jahr 1954 ein lebendes Exemplar eines Quastenflossers gefangen, der Komoren-Quastenflosser. Weiterhin existieren in Afrika, Südamerika und Australien eine Tierordnung, namens die Lungenfische, die in schlammigen bis sumpfigen Gebieten leben. Sobald das Wasser aus diesem Gebiet verdunstet, graben sich die Lungenfische in den Schlamm ein, wobei die Kiemenatmung durch die Lungenatmung ersetzt wird, bis die Gebiete wieder ausreichend Wasser führen.
Der Übergang zum Landleben erfolgte durch stetige Anpassungen der Gliedmaßen und der Optimierung der Lungenatmung. Hieraus entstanden die ersten Amphibien, die sowohl an Land als auch im Wasser leben können. Neben den Amphibien gingen weitere Tierstämme aus der Evolution hervor, die zur Lungenatmung befähigt sind. Hierbei spielte auch die Weiterentwicklung der Eier und der Haut eine entscheidende Rolle, um die Nachkommen und die ausgewachsenen Tieren vor Austrocknung zu schützen. Diese Tierstämme sind die Reptilien, Vögel und Säugetiere. Insekten verfügen zwar auch über ein lungenähnliches Atmungssystem, das allerdings nur wenig mit der wirklichen Lunge gemeinsam hat, weshalb Insekten nicht als Lungenatmer gelten.
Überblick der Tierstämme, die Lungenatmung betreiben
- Lungenfische
- Amphibien
- Reptilien
- Vögel
- Säugetiere
Unterschiede in der Lungenatmung innerhalb der Tierwelt
Um die Unterschiede des Lungenkreislaufs besser nachvollziehen zu können, ist es hilfreich, sich die ursprünglichen Formen des Atemkreislaufs bei Fischen und Lungenfischen vor Augen zu führen.
Bei Fischen ist das Kreislaufsystem ein einfacher Kreislauf, bei dem das Blut von einem zweikammerigen Herzen durch die Kiemen und von dort aus in weitere Organe gepumpt wird. Lungenfische weisen jedoch bereits eine Trennung zwischen dem Körper- und Lungenkreislauf auf, wie er bei landlebenden Tieren zu finden ist. Amphibien besitzen jedoch immer noch ein zweikammeriges Herz, da ihre Atmung zu einem großen Teil über die Haut erfolgt.
Reptilien weisen in den meisten Fällen (mit Ausnahme der Krokodile) ein dreikammeriges Herz auf. Somit wird der Blutstrom, der in den Lungenkreislauf einfließt, kontrolliert. Dies dient dem Sparen von Energie, sofern die Reptilien kaum oder nicht atmen, wenn sie beispielsweise ihre Winterruhe halten.
Bei Krokodilen, Vögeln und Säugetieren liegt ein vierkammeriges Herz vor, das eine strikte Trennung von Lungen- und Körperkreislauf ermöglicht. Hierdurch wird der Sauerstofftransport optimiert, indem es einen Druckunterschied in zwei vorhandenen Kreisläufen gibt. Somit kann entweder der Sauerstofftransport zu den benötigten Geweben stärker erfolgen, aber auch der Gasaustausch in der Lunge.
Unterschiede der Lungenatmung bei Lungenfischen und Amphibien
Die Lungenatmung von Amphibien und Lungenfischen unterscheidet sich in gewissen Merkmalen. Amphibien entwickeln ihre Lungen erst im adulten (ausgewachsenen) Stadium, während sie als Larven über außenliegende Kiemen atmen. Dies lässt sich hervorragend am Beispiel des Axolotls beobachten, der sein gesamtes Leben in einer Art Larvenstadium verbringt und gut erkennbare, außenliegende Kiemen besitzt. Lungenfische besitzen sowohl Kiemen als auch Lungen.
Der Herzkreislauf ist bei adulten Amphibien und Lungenfischen jedoch sehr ähnlich. Beide weisen ein dreikammeriges Herz auf. Hierbei wird das Blut von einem Ventrikel in die Lunge und den Rest des Körpers gepumpt. Das Blut, das zum Herzen zurückfließt, wird von zwei Atrien (Vorhöfen) aufgenommen. Sauerstoffreiches Blut, das von der Lunge kommt, wird vom linken Vorhof aufgenommen. Der rechte Vorhof nimmt sauerstoffarmes Blut aus dem Körper auf.
Grundsätzlich könnte man davon ausgehen, dass bei dieser Art des Kreislaufsystems eine Durchmischung von sauerstoffarmem und sauerstoffreichem Blut geschieht. Tatsächlich geschieht das nur in begrenztem Maße, da es weitere anatomische Strukturen gibt, die sauerstoffreiches Blut aus dem linken Vorhof in die Aorta lenken, während sauerstoffarmes Blut aus dem rechten Vorhof in den Lungenkreislauf gelenkt wird.
Unterschiede der Lungenatmung bei Vögeln und Säugetieren
Vögel und Säugetiere weisen beide ein vierkammeriges Herz auf, das Lungen- und Körperkreislauf vollständig voneinander trennt. Evolutionär haben sie diesen Aufbau jedoch unabhängig voneinander entwickelt. Dennoch sind sich diese Kreislaufsysteme sehr ähnlich. Der Aortenbogen von Vögeln verläuft allerdings nach rechts, nicht nach links wie bei Säugetieren. Entstanden ist dieser Aortenbogen aus der vierten rechten Kiemenarterie der Fische. Analog ist der Aortenbogen der Säugetiere aus der vierten linken Kiemenarterie entstanden.
Da Vögel und Säugetiere endotherme Tiere (Tiere, die ihre Körpertemperatur selbstständig aufrechterhalten) sind, weisen sie auch eine erhöhte Stoffwechselrate auf, da für die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur viel Energie benötigt wird. Die Trennung von Lungen- und Körperkreislauf bietet hierbei diverse Vorteile:
- Keine Durchmischung von sauerstoffarmem und sauerstoffreichem Blut – dadurch wird der Körper stets mit sauerstoffreichem Blut versorgt.
- Optimierter Gasaustausch, da das Blut mit dem höchsten Kohlenstoffdioxidgehalt zurück zur Lunge geleitet wird
- Unterschiedliche Blutdrücke innerhalb des Körper- und des Lungenkreislaufs
Fazit
Im Laufe der Evolution entwickelten sich diverse Formen von Lungen- und Körperkreislaufsystemen. Das Kiemensystem von Fischen ist ein anfängliches Atmungssystem, das im Vergleich zu dem Lungensystem von Vögeln oder Säugetieren nicht die gleiche Effizienz aufweist. Dies liegt unter anderem an der Zweikammerigkeit des Herzens, aber auch an der eher passiv ablaufenden Sauerstoffaufnahme der Kiemen.
Vögel und Säugetiere haben jedoch einen getrennten Körper- und Lungenkreislauf, der eine optimale Sauerstoffversorgung der verschiedenen Gewebe gewährleistet, da keine Durchmischung von sauerstoffarmem und sauerstoffreichem Blut erfolgt. Dies ist auch notwendig, da diese Tierstämme aufgrund ihrer endothermen Lebensweise eine erhöhte Stoffwechselrate aufweisen. Interessant ist auch die Analogie des Kreislaufsystems von Vögeln und Säugetieren, das sich nur in der Richtung des Aortenbogens unterscheidet.
Über den Autor
