Wie funktioniert Kiemenatmung
Die Kiemenatmung findet bei vielen – im Wasser lebenden – Tieren statt. Diese Form der Atmung ist analog zum Gasaustausch Kohlendioxid (CO2) gegen Sauerstoff, den wir Menschen betreiben.
Aber…
Bei der Kiemenatmung findet der Gasaustausch nicht mit der Luft, sondern mit dem Wasser statt. Ansonsten ist es derselbe Gasaustausch. Dieser findet in den sogenannten Kiemen der Tiere statt.
Inhalt
Bilderreihe zur Kiemenatmung kurz und schnell erklärt
Wie funktionieren Kiemen?
Fischkiemen sind grundsätzlich bei allen Fischarten ähnlich aufgebaut. Es gibt nur kleine artspezifische Unterschiede. Andere aquatische Tiere können auch größere Unterschiede aufweisen, das Prinzip bleibt aber stets dasselbe.
An jeder Seite des Kopfes haben die Fische (meistens vier) Kiemenbögen, die den Kiemenraum und die Mundhöhle voneinander abtrennen. (Flusskrebse beispielsweise besitzen hingegen 18 Kiemen in jeder Kiemenhöhle, die überall am Körper verteilt sitzen.)
Jeder dieser Kiemenbögen beim Fisch besitzt zwei Reihen von Kiemenblättern, die wiederum die Kiemenlamellen tragen. Diese Lamellen, der eigentliche Ort der Atmung beim Fisch, liegen sehr eng zusammen und durch sie ergibt sich eine starke Oberflächenvergrößerung, die für die Atmung notwendig ist.
Die ganze Kieme wirkt beinahe wie ein Sieb, welches aufgespannt wurde zwischen Maulhöhle und Kiemenhöhle und durch das Wasser hindurch strömt. Die Kiemenlamellen können sogar aufgrund von eigenen Muskelfasern den Blutfluss kontrollieren, indem sie sich zusammenziehen.
Aufgrund der hier notwendigen hohen Durchblutung und den sehr dünnwandigen Lamellenwänden sind die überlebensnotwendigen Kiemen allerdings auch sehr verletzlich und empfindlich. Deshalb verfügen sie über zwei Schutzvorrichtungen: Nach außen schließt ein stabiler Kiemendeckel oder gar ein Panzer diese ab.
Innerlich ist die Oberfläche der Kiemen mit einem Schleim bedeckt, der sie vor Verletzungen schützt. Diese könnten zum Beispiel durch Partikel entstehen, die beim Fressen von der Mundhöhle mit in den Kiemenkorb gelangen könnten. Gleichzeitig ist der Schleim auch eine Schutzschicht, falls der Fisch einmal an die Luft gerät, denn so trocknet diese künstlich sehr stark vergrößerte Oberfläche nicht sofort aus.
Wie funktioniert die Kiemenatmung?
Die Kiemenatmung erfolgt, indem das Maul des Fisches geöffnet wird und so sauerstoffreiches Wasser einströmt.
Das Wasser strömt bei fast allen Fischen nur in eine Richtung durch die Kiemen.
Ausnahme sind zum Beispiel Störe bei der Nahrungssuche und Rundmäuler aufgrund ihrer parasitären Lebensweise, da beide das Wasser nicht durchs Maul einströmen lassen können.
Bei den anderen Fischen wird bei geöffnetem Maul der Mundraum erweitert und der entstehende Sog sorgt dafür, dass Wasser von außen in die Mundhöhle strömt.
Damit nicht auch Wasser aus dem Kiemenraum in die Maulhöhle zurückgesaugt wird, werden die Kiemen währenddessen eng an den Körper gepresst und so dicht verschlossen.
Mit einer Verzögerung kommt es dann zu einer Erweiterung des Kiemenraumes durch Aufklappen des Kiemendeckels. Der dadurch erzeugte Unterdruck im Kiemenraum ist größer als derjenige in der Mundhöhle, wodurch das Wasser aus der Mundhöhle vorbei an den Kiemen in den Kiemenraum strömt. Das ist die sogenannte Saugpumpe.
Der verursachte Druckanstieg verschließt automatisch die Mundöffnung und das Wasser strömt weiter in den Kiemenraum.
Dann wird auch der Kiemenraum verkleinert, und dieser Druckanstieg wiederum hebt die Kiemen vom Körper ab und das Wasser kann wieder nach draußen. Das ist die sogenannte Druckpumpe.
Die Kiemenatmung findet an den oben beschriebenen Kiemenlamellen statt. Hier strömt das Wasser durch die schlitzartigen Kanäle, die sich jeweils zwischen den Lamellen bilden, vorbei, wenn es von der Mundhöhle in die Kiemenhöhle strömt.
Dort trifft das sauerstoffarme Blut, das aus dem Körper zurückkommt, an den sehr dünnen Lamellenwänden auf sauerstoffreicheres Wasser, welches an ihnen vorbei strömt. Dieser Unterschied im Partialdruck des Sauerstoffes führt zu einer Diffusion von Sauerstoff aus dem Wasser in das sauerstoffärmere Blut des Fisches.
Aufgrund der großen Oberfläche der aufgefächerten Kiemenlamellen kann hier viel Fläche genutzt werden, um die Sauerstoffausbeute zu erhöhen.
Ebenfalls hilfreich ist hier das Gegenstromprinzip, welches einen effizienten Austausch mit dem eher sauerstoffarmen Wasser möglich macht, da es den Partialdruck noch weiter erhöht, um mehr Diffusion von Sauerstoff ins Blut zu bekommen.
Es kann aber auch ein Gleichstromsystem nach Bedarf Anwendung finden, wenn der Sauerstoffgehalt des Wassers und der des Blutes sich sowieso stärker unterscheiden und keine Erhöhung des Partialdruckes notwendig ist.
Da Wasser deutlich weniger Sauerstoff enthält als Luft, benötigen Fische eine sehr viel stärkere aktive Ventilationsrate als wir beim Atmen von Luft. Hierdurch ist der Energieaufwand auch sehr hoch und die Kiemen benötigt daher selbst schon ca. 10 % des Sauerstoffes.
Bei Fischen, die am Boden leben, ist die Atmung im Übrigen lang und tief, bei schnellen Schwimmern hingegen kurz und flach, da der Wasserstrom allein durch die schnelle Fortbewegung und das damit schnell in die Mundhöhle einströmende Wasser ausreichend erzeugt wird. Dies ist zum Beispiel bei Forellen und Lachsen der Fall.
Was können Kiemen noch?
Die Kiemen übernehmen aufgrund ihrer Eigenschaft als Gegenstromaustauscher auch einige Funktionen, die bei den Säugern die Niere übernimmt. Sie dienen den Fischen nämlich auch als Ausscheidungsorgan für stickstoffhaltige Stoffwechselendprodukte und sind ebenfalls an der Regulierung des Ionenhaushaltes beteiligt, ebenfalls über Diffusion.
Auch sind die Kiemen sehr gute Wärmetauscher, da Wasser eine viel höhere Wärmekapazität hat als Luft. Daher ist das Blut, das die Kiemen wieder verlässt, genauso temperiert wir die Umgebung. Egal ob das aus dem Körper kommende Blut kälter oder wärmer als die Umgebung war.
Was macht ein Fisch auf dem Trockenen?
Wenn Kiemen der Luft ausgesetzt sind, kollabieren sie normalerweise und sind nicht mehr funktionsfähig. Dadurch erleidet der Fisch einen Sauerstoffmangel im Gewebe und einen erhöhten CO2-Wert im Blut.
So sinkt dann innerhalb kurzer Zeit der pH-Wert im Blut ab und es kommt zu einer Übersäuerung. Da dieses übersäuerte Blut keinen Sauerstoff mehr aufnehmen kann, kann keine Erholung mehr erfolgen.
Ist der Fisch also zu lange außerhalb des Wassers, sodass die schützende Schleimschicht auf seinen Kiemen ausgetrocknet ist, hilft es nicht mehr, ihn wieder ins Wasser zu setzen, weil er selbst im Wasser ersticken wird.
Einige Fische können zusätzlich zur Kiemenatmung auch atmosphärischen Sauerstoff atmen. Dies tun sie über sehr unterschiedliche Organe und Mechanismen, und es sichert ihr Überleben zum Beispiel in teilweise austrocknenden Tümpeln in heißen Gegenden der Erde oder in trockenfallenden Reisfeldern, wo sie ablaichen.
Einzig die Notwendigkeit der Ausschneidung von Giftstoffen zwingt sie immer wieder ins Wasser zurück, da sich sonst zu viele Schadstoffe im Körper ansammeln und die Fische sich innerlich selbst vergiften würden.
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