Gasaustausch und Atmungsorgane

Wie Tiere respiratorische Oberflächen – Kiemen, Lungen, Tracheen und Haut – aufbauen, die Sauerstoff schnell genug hereinlassen und Kohlendioxid schnell genug abgeben, um das Leben in Wasser und Luft zu ermöglichen.

Definition

Gasaustausch ist die Bewegung von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen einem Tier und seiner Umgebung über eine respiratorische Oberfläche, und Atmungsorgane sind die spezialisierten Strukturen, die eine große, dünne, gut belüftete und gut durchblutete Oberfläche für diese Diffusion bereitstellen.

Scope

Dieses Thema behandelt die Physik und das Design des Gasaustauschs bei Tieren: die Abhängigkeit der Diffusion von Oberfläche, Dicke und Gradient; die Ventilation des Atemmediums; und die kontrastierenden Architekturen von Fischkiemen, Wirbeltierlungen, dem unidirektionalen Vogel-Lungen-Luftsack-System, Insektentracheen und dem kutanen Austausch. Es wird untersucht, wie die Eigenschaften von Wasser im Vergleich zu Luft die Atemstrategie und die Kosten der Atmung beeinflussen. Die Darstellung ist vergleichend und mechanistisch.

Core questions

• Welche physikalischen Faktoren bestimmen die Rate des Gasaustauschs über eine respiratorische Oberfläche?
• Wie entziehen Kiemen dem Wasser Sauerstoff, trotz dessen geringem Sauerstoffgehalt und hoher Dichte?
• Warum ist die Vogellunge für einen unidirektionalen Luftstrom ausgelegt, und welchen Vorteil bringt das?
• Wie versorgen Insekten ihre Gewebe ohne ein respiratorisches Pigment mit Sauerstoff?

Key theories

Ficksches Prinzip des diffusiven Gasaustauschs

Die Rate des Gastransfers über eine respiratorische Oberfläche ist proportional zu ihrer Fläche und dem Partialdruckgradienten und umgekehrt proportional zu ihrer Dicke, was erklärt, warum Atmungsorgane dünn, ausgedehnt und gut belüftet und durchblutet sind.

Gegenstrom- und Kreuzstromaustausch-Designs

Fischkiemen leiten Wasser und Blut in entgegengesetzte Richtungen, und Vogellungen verwenden eine Kreuzstromanordnung, beides erhält günstige Gradienten entlang der Austauschfläche aufrecht und extrahiert mehr Sauerstoff, als ein einfacher gemischter Pool zulassen würde.

Mechanisms

Respiratorische Oberflächen werden dünn und groß gehalten, um die Diffusion zu maximieren, und das Medium wird durch Ventilation über sie bewegt, während Blut durch Perfusion unter ihnen bewegt wird. Fische pumpen Wasser in einem Gegenstrom zum Blutfluss über Kiemenlamellen, wodurch die Sauerstoffaufnahme aus sauerstoffarmem Wasser aufrechterhalten wird. Säugetierlungen ventilieren tidal, mischen frische und Restluft, während Vögel Luft mithilfe von Luftsäcken unidirektional durch starre Parabronchien leiten, wodurch eine hohe Effizienz erreicht wird. Insekten umgehen den Bluttransport vollständig, indem sie Luft durch verzweigte Tracheen direkt zu den Zellen leiten und den Austausch mit Stigmen regulieren. Die Haut dient bei Amphibien und anderen Tieren mit feuchter Haut als respiratorische Oberfläche. Da Wasser weitaus weniger Sauerstoff enthält als Luft und dessen Bewegung kostspieliger ist, wenden Wassertiere einen größeren Teil ihrer Energie für die Ventilation auf.

Clinical relevance

Vergleichende Studien zum Design von Atmungsorganen klären die Prinzipien des effizienten Gasaustauschs und die Folgen einer beeinträchtigten Diffusion, was die Forschung zur Atemfunktion und zu biomimetischen Austauschgeräten informiert. Dieser Eintrag ist als Lehrmaterial und Referenz gedacht, nicht als medizinische Anleitung.

History

Kroghs quantitative Arbeiten zur Diffusion und zum Gasaustausch bildeten den Rahmen, den spätere Physiologen nutzten, um Kiemen, Lungen und Tracheen zu vergleichen. Detaillierte Studien der aviären Kreuzstromlunge und des Gegenstromaustauschs in Kiemen klärten, wie die respiratorische Architektur an die physikalischen Eigenschaften des Mediums angepasst ist.

Key figures

• August Krogh
• Knut Schmidt-Nielsen
• Johannes Piiper
• Pierre Scheid

Seminal works

• schmidtnielsen1997
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

Warum ist das Atmen von Wasser kostspieliger als das Atmen von Luft?

Wasser enthält pro Liter viel weniger Sauerstoff als Luft und ist wesentlich dichter und viskoser, sodass Wassertiere große Mengen eines schweren Mediums bewegen müssen, um die gleiche Sauerstoffmenge zu erhalten, wodurch sie mehr Energie für die Ventilation aufwenden.

Wie können Insekten ohne Hämoglobin überleben?

Ihr Tracheensystem leitet Luft direkt zu den Geweben, sodass Sauerstoff die Zellen durch Diffusion durch Röhren erreicht, anstatt von einem Blutfarbstoff transportiert zu werden.