Zoologie (Fach) / Atmung (Lektion)

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Diese Lektion wurde von Topolina erstellt.

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• Innere und äußere Atmung   Man kann zwischen äußerer Atmung und innerer Atmung unterscheiden äußere Atmung: Weg von O2 in die Zellen und Entsorgung von CO2 („Gasaustausch“) innere Atmung: oxidativer Stoffwechsel in den Mitochondrien („Zellatmung“)
• Atemgase   Die Atemgase, die ausgetauscht werden müssen, sind Sauerstoff und Kohlendioxid O2 muss aus der Umgebung aufgenommen werden, damit durch Zellatmung ein angemessener ATP-Nachschub garantiert werden kann CO2 muss als Endprodukt der Zellatmung aus dem Körper entfernt werden, um toxische Effekte zu vermeiden  
• Welche Vorteile bietet Luft als Atemmedium gegenüber Wasser?   O2-Gehalt der Luft ist höher als der O2-Gehalt des Wassers O2 diffundiert in Luft viel schneller als in Wasser bei der Atmung muss Wasser bzw. Luft über die auf Gasaustausch spezialisierten Oberflächen bewegt werden → dazu verrichtet das Tier Arbeit → zur Bewegung von Wasser ist mehr Energie nötig als zur Bewegung von Luft (wg. höherer Dichte und höherer Viskosität)  
• Welche Konsequenzen hat es für die Atmung, dass Zellen in einem wässrigen Milieu liegen?   Mitochondrien (Orte der Zellatmung) liegen in einem wässrigen Medium, Zellen befinden sich ebenfalls in einem wässrigen Medium → die dort vorherrschende geringe Diffusions-geschwindigkeit wirkt begrenzend auf die Effizienz der Sauerstoffverteilung → tierische Zellen müssen sehr nah an einer ergiebigen Sauerstoffquelle im äußeren Milieu liegen → Größen- und Formbeschränkungen für Invertebraten ohne internes O2-Transportsystem (sehr klein, stark abgeflachte Körper...) → größere, komplexere Tiere entwickelten spezialisierte Atemorgane mit einer großen Oberfläche
• Zusammenhang zwischen Temperatur und Atmung bei Wassertieren   Problem 1: Ektothermie der meisten Wassertiere → wenn die Wassertemperatur steigt, steigt auch die Körpertemperatur und somit die Stoffwechselrate → bei steigender Temperatur wird mehr O2 verbraucht Problem 2: warmes Wasser enthält aber weniger gelöstes Gas als kaltes Wasser   → Der Wasseratmer muss immer mehr Sauerstoff aus einer Umgebung ziehen, die immer sauerstoffärmer wird! → Viele Fische haben sich angepasst, indem sie in solchen Situationen ab und zu an der OF nach Luft schnappen können    
• Zusammenhang zwischen Sauerstoffmenge und Höhe   mit zunehmender Höhe verringert sich die verfügbare O2-Menge in der Luft (der prozentuale Anteil ist identisch mit dem auf der Meereshöhe, aber der Gesamtluftdruck ist niedriger, d.h. weniger Gasmoleküle pro Volumeneinheit) durch den geringeren Luftdruck ist die Sauerstoffpartialdruckdifferenz zwischen Luft und Blut vermindert, was die Aufnahme von O2 durch Diffusion einschränkt  
• Anpassungen der Organismen für eine effektivere Atmung - Übersicht Atemorgane mit vergrößerter OF möglichst kurze Diffusionsstrecken Atembewegungen Kreislaufsysteme zum Transport von Atemgasen sauerstoffbindende Pigmente
• Anpassung durch Atemorgane mit vergrößerter OF   → Kiemen: Ausstülpungen der Körperoberfläche, die stark gefaltet und verzweigt sind → äußere Kiemen: → z.B. Amphibienlarven, Polychaeten, marine Schnecken → sind leicht zu ventilieren (Körperbewegung reicht) → Problem: leicht zu verletzen → innere Kiemen: befinden sich in einer schützenden Körperhöhle (z.B. Mantel von Mollusken, Carapax von Krebsen)   → Lungen:große OF entsteht durch starke Unterteilung des Bronchialbaums → durch ihre Elastizität können sie sich mit Luft füllen und wieder entleeren → Tracheen → bei Insekten → stark verzweigtes Netzwerk luftgefüllter Röhren → alle Gewebe werden dadurch direkt mit Luft versorgt → Endverzweigungen der Röhren sind so zahlreich, dass sie zusammen eine sehr große OF bilden  
• Verbesserung der Atemleistung durch möglichst kurze Diffusionsstrecken   → z.B. Cnidaria, Echinodermata: Leitung von Wasser durch den Körper mit Hilfe von Kanalsystemen → dünne Wände an Alveolen und Kapillaren  
• Verbesserung der Atemleistung durch Atembewegungen   → notwendig bei massenreichen Tieren, bei denen längere Transportstrecken der Atemgase nicht vermieden werden können → Ventilation: Luft / Wasser wird über die Außenseite des Atmungsorgans geführt  
• Verbesserung der Atemleistung durch Kreislaufsysteme   Kreislaufsysteme transportieren Atemgase von der Innenseite der Austauschflächen in die einzelnen Gewebe (oder wieder zurück) → Perfusion: Durchblutung der Lunge → Konvektion: Mitführen der Gase im Blutstrom des Kreislaufs  
• Atemzugvolumen     Atemzugvolumen: Volumen, das in Ruhe bei normaler Atmung ein- bzw. ausgeatmet wird (ca. 0,5l beim Erwachsenen) Wichtig: Das Gasvolumen, das sich in der Lunge befindet, ist wesentlich größer als das Volumen, das beim einzelnen Atemzug aufgenommen bzw. abgegeben wird → ein Teil der Luft bleibt also immer in der Lunge zurück    
• Inspiratorisches Reservevolumen   inspiratorisches Reservevolumen: Volumen, das man nach normaler Atmung noch zusätzlich einatmen könnte (ca. 2,5l beim Erwachsenen)
• Expiratorisches Reservevolumen   Volumen, das man nach normaler Ausatmung noch zusätzlich ausatmen könnte (ca. 1,5l beim Erwachsenen)
• Residualvolumen   Volumen, das nach maximaler Ausatmung noch in der Lunge zurückbleibt und nicht abgeatmet werden kann (ca. 1,5l beim Erwachsenen)
• Funktionelles Residualvolumen   funktionelles Residualvolumen: Volumen, das nach normaler Ausatmung noch in der Lunge enthalten ist → exp. Reservevolumen + Residualvolumen (= 3l beim Erwachsenen)  
• Totale Lungenkapazität   Atemzugvolumen + insp. Reservevolumen + exp. Reservevolumen + Residualvolumen (= 6l beim Erwachsenen)
• Inspirationskapazität   Atemzugvolumen + insp. Reservevolumen (= 3l beim Erwachsenen)
• Expirationskapazität   Atemzugvolumen + exp. Reservevolumen (= 2l beim Erwachsenen)
• Vitalkapazität   Volumen, das nach maximaler Einatmung maximal ausgeatmet werden kann → Atemzugvolumen + insp. Reservevolumen + exp. Reservevolumen (= 4,5l beim Erwachsenen) → stellt ein Maß für Ausdehnungsfähigkeit von Lunge und Thorax dar und hängt von zahlreichen Faktoren ab: - Alter (Elastizitätsverlust der Lunge, weniger Thoraxbeweglichkeit) - Geschlecht - Körpergröße - Körperposition (im Stand größer als im Liegen) - Trainingszustand
• Atemzeitvolumen   = ein- oder ausgeatmetes Gasvolumen pro Zeiteinheit → Atemzugvolumen x Atemfrequenz   Atemzugvolumen von Ein- und Ausatmung unterscheiden sich etwas, daher bezieht man sich auf das Ausatemvolumen   Normalwert Atemminutenvolumen: 5-8 l bei 10-16 Atemzügen / min → bei starker körperlicher Anstrengung und Panik ist ein Anstieg auf 150l / min möglich  
• Funktion der Atemwege Leitung der Luft Aufbereitung der Luft: Anfeuchtung                                                    Anwärmung                                                    mukoziliäre Reinigung Gasaustausch    
• Anatomie der Atemwege und Weg der Luft   Aufnahme von Luft über Mundhöhle oder Nasengänge → treffen sich im Rachenraum (Pharynx) über die Trachea gelangt die Luft in die Lunge → am Beginn der Luftröhre: Kehlkopf mit Stimmbändern Luftröhre gabelt sich in 2 Stammbronchien → führen zum rechten bzw. linken Lungenflügel Stammbronchien teilen sich wiederholt → Bildung einer baumartigen Struktur von immer kleineren Luftwegen → Äste erstrecken sich in alle Lungenregionen → am Anfang finden sich noch Knorpelringe in den Wänden, die dann aber verschwinden (Übergang zu den Bronchiolen) Bronchiolen enden in einer Ansammlung von Lungenbläschen (Alveolen) → gemeinsame OF aller Alveolen ist sehr groß   Im Alveolarraum findet der Gasaustausch statt. Alle anderen Bereiche, in denen nur Transport, aber kein Gasaustausch stattfinden, werden als „Totraum“ zusammengefasst → anatomischer Totraum: zuleitende Atemwege → funktioneller Totraum: zuleitende Atemwege und Alveolen, die durchlüftet, aber nicht durchblutet werden (gibt es beim Gesunden nur in geringer Zahl)
• Aufbau und Funktion der Alveolen   in den Alveolen kommt es zum Austausch der Atemgase Alveolen sind von einem dichten Kapillarnetz umgeben → Blut und Alveolen stehen über eine große OF miteinander in Kontakt Trennung von Blut- und Gasraum erfolgt nur durch eine dünne Wand, die normalerweise aus 3 Schichten aufgebaut ist: → Alveolarepithel → Basallamina → Kapillarendothel Trennung = Blut-Luft-Schranke  
• Reinigung der Atemluft   in der Nase werden kleinere Partikel (Staub, Bakterien etc.) von der Schleimhaut abgefangen Wege der zuleitenden Atemwege sind von einer Schleimschicht überzogen, die weitere Partikel abfängt → Bildung des Schleims erfolgt in Becherzellen und Drüsenzellen → Flimmerepithel: Cilien bewegen sich rhythmisch und bewegen den Schleim zur Epiglottis (Kehldeckel), wo er dann abgeschluckt oder ausgespuckt wird   größere Fremdkörper und Schleimablagerungen werden durch Abhusten entfernt → Reizung der Schleimhäute löst den Hustenreflex aus: forcierte Ausatmung gegen die geschlossene Stimmritze; Sitmmritze öffnet sich plötzlich und Fremdkörper wird mit dem beschleunigten Ausatmungsstrom herausgeschleudert  
• Surfactant   Manche Zellen produzieren Surfactant: = chemische Substanz, die die OF-Spannung einer Flüssigkeit senkt(durch Beeinflussung der Kohäsionskräfte) → OF-Spannung verleiht der OF einer Flüssigkeit die Eigenschaften einer elastischen Membran → in der Lunge trägt die OF-Spannung des Flüssigkeitsfilms am Alveolarepithel zur Lungenelastizität bei → diese Eigenelastizität verhindert beim Ausatmen ein kollabieren der Lunge → beim Einatmen muss die Eigenelastizität aber überwunden werden → bestimmte Zellen in den Alveolen werden durch Dehnung dazu angeregt, surfactant-Moleküle zu produzieren  
• Mechanismen des Transports der Atemgase   Der Transport der Atemgase erfolgt durch 2 Mechanismen: Diffusion Konvektion (= Mitführen von Stoffen durch eine Strömung)   Prozesse bei der Aufnahme von O2: → Konvektion von der umgebenden Atemluft in die Lungenalveolen bei der Ventilation (Belüftung der Lungen) → Diffusion von den Lungenalveolen ins Lungenkapillarblut → Konvektion vom Lungenkapillarblut in die Gewebskapillaren mit dem Blutstrom → Diffusion von den Gewebekapillaren in die umgebenden Zellen   Bei der Abgabe von CO2 laufen die Prozesse in umgekehrter Reihenfolge ab.  
• Anatomie und Eigenschaften von Brusthöhle und Inerpleuralspalt   Brusthöhle = geschlossenes Kompartiment → wird nach oben vom Schultergürtel begrenzt → wird nach unten vom Diaphragma begrenzt Brusthöhle ist ausgekleidet vom Brustfell (Pleura) → überzieht auch die Lungenflügel → äußeres Pleurablatt: verwachsen mit der Wand der Brusthöhle inneres Pleurablatt: verwachsen mit der Lunge Blätter des Brustfells bilden einen schmalen Raum: Interpleuralspalt → gefüllt mit einem Flüssigkeitsfilm → befeuchtet Innenflächen des Brutfells → Blätter können bei den Atembewegungen fast widerstandslos gegeneinander bewegt werden, aber schlecht voneinander getrennt werden im Interpleuralspalt herrscht Unterdruck → leichter Unterdruck zwischen den einzelnen Atemzügen (Rippenkorb zieht nach außen, Eigenelastizität der Lunge zieht nach innen) → Unterdruck sorgt dafür, dass die Alveolen teilweise gebläht bleiben → beim Einatmen nimmt das Volumen der Brusthöhle zu und der Unterdruck im Interpleuralspalt verstärkt sich  
• Vorgänge beim Einatmen   Einatmen (Inspiration) → Unterdruckatmung Zwerchfell kontrahiert sich Volumen der Brusthöhle vergrößert sich Unterdruck im Interpleuralspalt nimmt zu Interpleuralspalt kann sich nicht erweitern → inneres Pleurablatt baut Zug auf die Lunge auf Lungenflügel vergrößern sich Luft strömt von außen in die Lunge ein  
• Vorgänge beim Ausatmen   Ausatmen (Exspiration) beginnt, wenn Kontraktion des Zwerchfells aufhört Zwerchfell entspannt sich und bewegt sich nach oben Brusthöhle verengt sich Unterdruck im Interpleuralspalt nimmt ab Lungenflügel ziehen sich zusammen (elastische Rückstellkraft des Lungengewebes) Luft wird aus der Lunge gedrückt   In Ruhe ist Einatmen ein aktiver und Ausatmen ein passiver Prozess.  
• Unterstützende Atemmuskulatur   äußere Zwischenrippenmuskeln → heben die Rippen an und bewegen sie leicht nach außen → Erweiterung des Brustkorbs → bei intensiver Beanspruchung des Atemsystems kann das inspiratorische Reservevolumen durch diese Muskeln genutzt werden innere Zwischenrippenmuskeln → senken die Rippen und bewegen sie leicht nach innen → Verengung des Brustkorbs → bei intensiver Beanspruchung des Atemsystems kann das exspiratorische Reservevolumen durch diese Muskeln genutzt werden Bauchmuskeln → drücken bei Kontraktion die Eingeweide gegen das Zwerchfell → tragen zur Nutzung des exspiratorischen Reservevolumens bei  
• Hautatmung bei verschiedenen Tiergruppen   Hautatmung findet man z.B. bei Amphibien. Die Amphibienlunge hat im Verhältnis eine viel kleinere respiratorische Oberfläche als die Säugerlunge: Amphibien haben einen geringeren Sauerstoffbedarf als Säuger, weil sie ektotherm sind ein großer Teil des Gasaustausches erfolgt nicht über die Lunge, sondern über die Mundhöhle und die feuchte Haut unter der Haut befindet sich ein dichtes Kapillarnetz → Gasaustausch findet durch Diffusion statt   Beim Menschen hat Hautatmung nur für die Versorgung der Epidermiszellen Bedeutung → Haut ist viel zu dick und zu trocken → Hautoberfläche beträgt nur wenige % der Lungenoberfläche   Weitere Tiere / Tiergruppen mit Hautatmung: Anneliden (Regenwurm) → Atmung erfolgt komplett über die gut durchblutete Haut  
• Aufbau und Vorkommen von Tracheen   Vorkommen bei Insekten, Tausendfüßern, vielen Spinnentieren Tracheen sind ein System von Luftröhren, die durch Öffnungen (Stigmen) mit der Außenwelt in Verbindung stehen → Stigmen befinden sich normalerweise an den Flanken des Körpers → Stigmen können sich öffnen (ermöglicht Gasaustausch) und schließen (Verringerung von Wasserverlust) sind mit Cuticula ausgekleidet → spiralige Verdickungen verhindern ein Kollabieren der Äste Tracheen verzweigen sich in immer feinere Röhrchen, die dann blind enden (Tracheolen) → Mitochondrien befinden sich immer in unmittelbarer Nähe zu einer Tracheole  
• Funktionsprinzip von Tracheen   prinzipiell basiert die Tracheenatmung auf Diffusion zusätzliche Unterstützung durch Atembewegungen ist möglich → besonders bei erhöhtem Sauerstoffbedarf → Erneuerung der Luft in den großen Ästen → meist durch dorsoventrale Abflachung oder durch teleskopartige Verkürzung des Abdomens → Blutdruck steigt an, Tracheenräume werden zusammengedrückt (Exspiration) → darauf erfolgt eine passive Inspiration durch Elastizität der Körperwand  
• Vor- und Nachteile des Tracheensystems   Bis zu einer gewissen Körpergröße ist das Tracheensystem sehr leistungsfähig → einer Zelle kann bis zu 100x mehr Sauerstoff / Zeiteinheit zugefügt werden, als dies beim Menschen der Fall ist   Die Körpergröße, die mit Tracheenatmung erreicht werden kann, ist begrenzt, denn Diffusion läuft nur langsam ab.  
• Übersicht über den Aufbau von inneren Kiemen   Kiemen befinden sich in den Kiemenhöhlen → Kiemenhöhlen sind zur Mundhöhle hin offen → münden seitlich über Kiemenspalten ins Freie → Knorpelfische: Kiemenspalten liegen offen      Knochenfische: Kiemenspalten sind durch einen  Kiemendeckel(Operculum) geschützt Kiemen werden von Kiemenbögen gestützt Kiemen selbst sind stark unterteilt und haben so eine enorme OF → jede Kieme besteht aus hunderten blattförmigen Kiemenfilamenten → an OS und US der Kiemenfilamente befinden sich regelmäßig angeordnete Plättchen: Kiemenlamellen → an den Kiemenlamellen findet der Gasaustausch statt → OF der Lamellen: stark abgeplattete Epithelzellen sorgen dafür, dass der Abstand zwischen Atemwasser und roten Blutzellen des Fisches möglichst gering ist
• Ventilation von inneren Kiemen   Ventilation: Mundhöhlenboden arbeitet mit Lippen als Druckpumpe, Kiemendeckel wirken als Saugpumpe → Schließen des Mauls und Verengen der Mundhöhle drückt Wasser in die Kiemenhöhle → Erweitern der Kiemenhöhle vor dem Öffnen der Kiemendeckel zieht das Wasser durch die Kiemen → Wasser strömt in einer Richtung über die Mundhöhle durch die Kiemen und unter den Kiemendeckeln wieder ins Freie → ein Ventil verhindert, dass Wasser von hinten in die Kiemen strömt → Kiemen werden so ständig mit Frischwasser versorgt es gibt aber auch einige Fische, die ihre Kiemen ventilieren, indem sie permanent das Maul offenhalten (z.B. viele Haiarten, Thunfische, Sardellen)  
• Gegenstromaustausch bei der Kiemenatmung   Blutstrom über die Kiemenlamellen erfolgt in einer Richtung → afferente Blutgefäße transportieren Blut in die Kiemen → efferente Blutgefäße transportieren das Blut aus den Kiemen ab Gegenstromaustausch: der Blutstrom durch die Kiemenlamellen ist dem Wasserstrom über die Lamellen entgegengerichtet → durch enges, gegenläufiges Aneinandervorbeifließen von Flüssigkeiten in parallel laufenden Gefäßen ist ein maximaler Austausch von diffundierbaren Stoffen (oder Wärme) möglich  
• Besonderheiten der Vogellunge   Vögel können länger als Säuger ein hohes Aktivitätsniveau aufrecht erhalten – und zwar auch in großen Höhenlagen die Lunge des Vogels ist ziemlich starr (volumenkonstant) → sie erweitert sich während eines Atemzyklus weniger stark als die Lunge eines Säugers und zieht sich auch weniger stark zusammen Vogellungen kontrahieren sich beim Einatmen und erweitern sich beim Ausatmen die Luft durchströmt die Lunge in einer Richtung → d.h. sie strömt nicht durch die gleichen Luftwege ein und aus (wie beim Säuger) → es gibt wenig Totraum → einströmende Frischluft wird nicht mit verbrauchter Luft durchmischt Vögel haben Luftsäcke an mehreren Stellen des Körpers → 4 paarige und 2 unpaare Luftsäcke → breiten sich zwischen Eingeweiden und Muskeln aus → stehen in Verbindung mit der Lunge und mit Lufträumen in den Knochen → Luftsäcke nehmen eingeatmete Luft auf, aber haben keine respiratorische OF  
• Funktion der Vogellunge   Vögel besitzen eine Durchströmungslunge. Luft gelangt über die Luftröhre (Trachea) in das Atmungssystem und auch wieder daraus hinaus Luftröhre teilt sich in kleinere Bronchien Bronchien teilen sich in röhrenförmige Parabronchien (Lungenpfeifen) → ziehen parallel zueinander durch die Lunge von den Parabronchien zweigen zahlreiche winzige Luftwege ab: Luftkapillaren → Luftkapillaren stellen die respiratorische OF dar → sehr zahlreich → Bildung einer enormen Austauschfläche   ein einzelner Atemzug verbleibt zwei Inhalations- und Exhalationszyklen lang im Atemsystem des Vogels Luftsäcke fungieren als Blasebalg → halten einen ständigen, unidirektionalen Frischluftstrom aufrecht → beim Einatmen werden die Luftsäcke gefüllt beim Ausatmen durchströmt die Luft die Lunge Einatmen 1: die Einatemluft gelangt direkt in die hinteren Luftsäcke Ausatmen 1: die Luft strömt auch den hinteren Luftsäcken in die Lunge Einatmen 2: die Luft strömt aus der Lunge in die vorderen Luftsäcke Ausatmen 2: aus den vorderen Luftsäcken strömt die Luft über die Luftröhre nach außen Luftwege und Blutfluss laufen über Kreuz (Kreuzstromprinzip)  
• Vorteile der Vogellunge   es wird ständig Frischluft in einer Richtung über die respiratorische OF geführt Luftsäcke bilden gleichzeitig ein effizientes Kühlsystem Wasservögel können sich durch die Luftsäcke einen erheblichen Auftrieb verschaffen  
• Aufbau der Amphibienlunge   einfache Lunge, wenig gegliedert Lungenwände sind nur leicht gefaltet → kleine respiratorische Oberfläche  
• Schluckatmung   Amphibien haben keine Rippen und kein Zwerchfell, daher muss die Atmung anders funktionieren   Schritte der Atmung: Mund und Kehlkopfeingang verschlossen Lunge mit verbrauchter Luft gefüllt und gedehnt Mundboden wird gesenkt, Nasenlöcher werden geöffnet frische Luft strömt in den Mundraum ein Kehlkopfeingang öffnet sich verbrauchte Luft strömt aus und wird über die Nasenlöcher abgeatmet (sie strömt über die frische Luft in der Mundhöhle) Nasenlöcher werden geschlossen Mundboden wird nach oben gegen den Gaumen bewegt frische Luft wird durch Schluckvorgang in die Lunge gepresst Atemluft kann mehrmals zwischen Lunge und Mundhöhle hin und her strömen, das Maul bleibt immer geschlossen  
• Formen der Atmung bei Amphibien Hautatmung Schluckatmung (Lungenatmung) Mundhöhlenatmung / Kehlatmung
• Mundhöhlenatmung / Kehlatmung bei Amphibien   Sonderform der Hautatmung besondere Bedeutung vor allem bei reduziertem Stoffwechsel, z.B. bei der Überwinterung dichtes Blutkapillarnetz in der Mundschleimhaut über das Gasaustausch erfolgt Vena cutanea magna leitet Sauerstoff zum Herzen Arteria cutanea magna leitet Kohlendioxid in die Mundhöhle  

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