Atmung Dr. D. Wegener, Tierphysiologie SoSe 2007, ISTAB

Atmung und Sauerstoff _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Sauerstoff beschleunigt die Verbrennung organischer Substanzen: C6H12O6 + 6O2 + 6H2O  6CO2 + 12H2O + 36ATP Atmung bezeichnet den Vorgang, durch den Sauerstoff im Austausch gegen Kohlendioxid in den Körper aufgenommen wird. Sauerstoffaufnahme erfolgt in Abhängigkeit vom Lebensraum und den physikalischen Bedingungen über unterschiedliche organische Strukturen: Hautatmung Tracheenatmung Kiemenatmung Lungenatmung Die treibende physikalische Kraft für den Gasaustausch ist die Diffusion.

Sauerstoff: Physikalische Grundlagen _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Maximale Höhe, in der Menschen bei Einatmung von purem O2 überleben Maximale Höhe, in der aklimatisierte Menschen für kurze Zeit überleben Maximale dauerhafte Habituation Bewusstseinsverlust bei untrainierten Menschen !!! Die pro Liter Luft aufgenommene Menge an Sauerstoff hängt vom Sauerstoffpartialdruck ab!!!

Sauerstoff: Physikalische Grundlagen _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Die Lösbarkeit von Gasen in Wasser hängt ab von: der Art des Gases dem Partialdruck des Gases in der Gasphase der Temperatur dem Vorhandensein anderer löslicher Substanzen. 15°C, 1atm Die Lösbarkeit von Gasen in Salzwasser ist um ungefähr 20% geringer als in Frischwasser.

Sauerstoff: Physikalische Grundlagen _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Respiration über Diffusion _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Einige der einfachsten Mechanismen für den Gasaustausch findet man in aquatischen Tieren: O2-Aufnahme ausschließlich über Diffusion durch die Körperoberfläche Keine speziellen Atmungsorgane und Blutsystem für den O2-Transport

Respiration über Diffusion _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Einfachste geometrische Form eines Organismus: Kreisförmig (kleinste Oberfläche relativ zum Volumen) O2 Erforderlicher O2-Druck an der Oberfläche kann berechnet werden über die Newton Harvey Gleichung: Normaler O2-Druck bei 15°C: 159mm Hg FO2 = (VO2 x r2) / 6K = 1139mm Hg F: O2-Druck Oberfläche V: Metabolischer Sauerstoffverbrauch: 0.001ml/g/min r: Durchmesser: 1cm K: Diffusionskonstante FO2 = (VO2 x r2) / 6K F: O2-Druck Oberfläche V: Metabolischer Sauerstoffverbrauch: 0.001ml/g/min r: Durchmesser: 1cm K: Diffusionskonstante FO2 = (VO2 x r2) / 6K F: O2-Druck Oberfläche V: Metabolischer Sauerstoffverbrauch r: Durchmesser K: Diffusionskonstante

Respiration über Diffusion _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Protozoa  Durchmesser reduzieren  Oberfläche vergrößern  rel. O2-Verbrauch reduzieren Korallen Qualle

Respiration über spezielle Atmungsorgane _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Größere Tiere benötigen für eine ausreichende Sauerstoffversorgung spezialisierte Organe. stark vergrößerte Oberflächen für den Gasaustausch oft mit verdünntem Oberflächengewebe zur Beschleunigung der Diffusion Zu den Atmungsorganen zählen Tracheen (Kombination von Körperöffnungen und einem “Röhrensystem”) Kiemen (nach aussen gestülpte Respirationsoberfläche) Lungen (nach innen gestülpte Respirationsoberfläche)

Respiration über Tracheen _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Respiration über Tracheen _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Stigma

Kiemen-Atmung _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Zur Aufrechterhaltung der O2-Zufuhr muss eine permanente Zufuhr von sauerstoffreichem Wasser zu den Kiemen erfolgen: Bewegung der Kieme durch das Wasser Bewegung von Wasser entlang der Kieme

Kiemen-Atmung: Ventilation _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Ephemeoptera (Eintagsfliege), larval Schwierigkeiten bei aktiver Kiemenbewegung: sehr grosser Energieaufwand wegen eines mit dem Quadrat der Bewegungsgeschwindigkeit steigenden Widerstandes hohe mechanische Belastung der Kiemen praktisch nur möglich für sehr kleine Tiere Necturus (Molch) sehr langsame Kiemenbewegungen und redu-zierter Stoffwechsel

Kiemen-Atmung: Ventilation _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Energetisch günstiger und hinsichtlich der O2-Versorgung effizienter ist die Bewegung von Wasser über die Kiemen. Cilien-Bewegung: Muscheln

Kiemen-Atmung: Ventilation _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Energetisch günstiger und hinsichtlich der O2-Versorgung effizienter ist die Bewegung von Wasser über die Kiemen. Pump Ventilation

Kiemen-Atmung: Ventilation _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Energetisch günstiger und hinsichtlich der O2-Versorgung effizienter ist die Bewegung von Wasser über die Kiemen. Pazifische Sardine Galapagos-Hai Ram Ventilation

Kiemen-Atmung: Ventilation _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Viele Fische wechseln von Pump-Ventilation zu RAM-Ventilation, wenn bei schnelleren Schwimmbewegungen der O2-Bedarf ansteigt. Atlantische Makrele

Respirationsoberfläche Kiemen-Atmung: Respirationsoberfläche _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Schnell schwimmende Fische (Makrele, Hering etc.) verfügen aufgrund ihres bedeutend höheren Sauerstoffbedarfs über wesentlich größere respiratorische Oberflächen als eher träge, am Boden lebende Fische (Flunder, Scholle etc.).

Kiemen-Atmung: Aufbau der Kiemen _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Kiemen-Atmung: Gegenstrom-Prinzip _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Diffusion bei Gleichstrom

Kiemen-Atmung: Gegenstrom-Prinzip _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ PO2 Wasser 30 20 140 150 90 80 50 60 120 110 PO2 Blut Diffusion bei Gegenstrom Das Gegenstrom-Prinzip gewährleistet eine optimale Sauerstoffaufnahme aus dem Medium!!!

Lungen-Atmung _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Als Lungen werden generell solche Atmungsorgane bezeichnet, deren Gasaustauschoberfläche nach innen gestülpt ist. finden sich in sehr einfacher Form auch in bestimmten Invertebraten: Papuina pulcherrima: Grüne Baumschnecke erreichen in Wirbeltieren den Grad höchster Kom- plexität finden sich insbesondere in terrestrischen, aber auch in aquatischen Tieren

Lungen-Atmung Der Gasaustausch erfolgt über _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Der Gasaustausch erfolgt über - Diffusion allein (Pulmonata, Skorpione, einige Isopoden) - Ventilation (Wirbeltiere) - Pumpmechanismus - Saugmechanismus

Lungen-Atmung: Pumpmechanismus _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Amphibienatmung: - Befüllung der Mundhöhle mit Luft - Verschliessen von Mund und Nasenöffnungen - Verengen der Mundhöhle

Lungen-Atmung: Pumpmechanismus _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Haut-Atmung Plethodontidae – Lungenlose salamander _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Plethodontidae – Lungenlose salamander

Lungen-Atmung: Aufbau des Respirations-Apparates _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Lungen-Atmung: Saugmechanismus _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Lungen-Atmung: Saugmechanismus _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Hilfsmuskulatur für die Inspiration Hilfsmuskulatur für die Exspiration

Lungen-Atmung: Volumina _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Atemgas-Konzentration Lunge: CO2: 5% O2: 15%

Lungen-Atmung: Respirations-Steuerung _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Kontrolle der Atmung: Atmungszentrum im Hirnstamm: - Medulla oblongata und Pons (über Messung von [CO2]) - Chemorezeptoren in den Blutgefässen (Messung von PO2) Medulla oblongata Pons - Mortor-Cortex und Propriorezeptoren (Feedforward)