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Atmung und Atmungsapparate
(1) physikalische Grundlagen(2) Atmung im Wasser(3) Atmung in Luft
Zusammensetzung der Luft
• Sauerstoff O2 20.95%• Kohlendioxid CO2 0.03%• Stickstoff N2 78.09 %• Edelgase (Argon) 0.93 %
(0.04 %)
aus: Willmer et al. 2000. Environmental Physiology of Animals. Blackwell, London
Spiegel online 2012.
https://klimakatastrophe.files.wordpress.com/2008/07/methan‐global3.jpg%3Fw%3D700
Druckeinheiten und Umrechnungsfaktoren
Pascal [Pa] Bar [bar] technische Atmosphäre [at] physikalische Atmosphäre [atm] Torr [torr]
≡ 1 N/m² ≡ 1 Mdyn/cm² ≡ 1 kp/cm² ≡ pSTP ≡ 1 mmHg
1 Pa 1 1,0000 · 10−5 1,0197 · 10−5 9,8692 · 10−6 7,5006 · 10−3
1 bar 1,0000 · 105 1 1,0197 · 100 9,8692 · 10−1 7,5006 · 102
1 at 9,8067 · 104 9,8067 · 10−1 1 9,6784 · 10−1 7,3556 · 102
1 atm 1,0133 · 105 1,0133 · 100 1,0332 · 100 1 7,6000 · 102
1 torr 1,3332 · 102 1,3332 · 10−3 1,3595 · 10−3 1,3158 · 10−3 1
Physikalische Eigenschaften von Wasser und Luft
aus: Schmidt‐Nielsen 1997. Animal Physiology. Adaptation and Environment. 5th Ed. Cambridge UP.
• Physikalische Grundlage der Atmung ist Diffusion!• Gasaustausch, sei es von gelösten Gasen im Wasser in der Organismus oder aus der Luft in den Organismus, findet immer und ausschließlich als Diffusion statt.
• Kiemen, Lungen und Tracheen sind „Hilfseinrichtungen“ , die Atemgase durch konvektive Transportprozesse aufnehmen / abgeben. Auch der Blutkreislauf ist ein konvektives Verteilersystem für Atemgase im Körper
Diffusion
Atmungsorgane
• Bauweise an Medium (Wasser / Luft) angepasst– „Diffusionslebewesen“ => Größenlimitiert– Kiemen
• Wasseratmung; hohe relative Dichte, hohe Viskosität, variabler Sauerstoffgehalt, langsame Diffusion
– Lungen• Luftatmung; geringe relative Dichte, geringe Viskosität, konstant hoher Sauerstoffgehalt, schnelle Diffusion
– Tracheen• Luftatmung; s.o.
Atmung mit konvektiven Hilfseinrichtungen
1) Konvektiver Transport zum Austauschgewebe (Ventilation)
2) Diffusion durch das Austauschgewebe in das Kapillarbett
3) Konvektiver Transport der gelösten Atemgase
4) Diffusion von den Gewebekapillaren in die umgebenden Zellen
Diffusion
Fick‘sches Diffusionsgesetz:
Q = Menge der diffundierenden SubstanzA = Fläche über die Diffusion stattfindetC = Konzentration der Substanz an Punkt x => KonzentrationsgradientD = Diffusionskoeffizient [cm² sec‐1] dx
dC
dxdCAD
dtdQ
Diffusion
Diffusionszeit: t Δx =Δx 2 / 2D
für Sauerstoff: 1 µm => 10‐4 sec10 µm => 10‐2 sec1 mm => 100 sec10 mm => 104 sec (ca. 3 h)1 m => > 3 Jahre
Gasaustausch durch Diffusion
Diffusionslebewesen
KrVF O
O 6²2
2
O2‐Verbrauch: 0.001 ml g‐1 min‐1Diffusionskonstante K: 11 x 10‐6 cm² atm‐1 min‐1
Notwendige FO2 bei: r = 1 cm => 15 atmr = 1 mm => 0,15 atm
Normaler FO2 ist 0.21 atm=> „Diffusionslebewesen von 1‐2 mm möglich“
Atmung und Atmungsapparate
(1) physikalische Grundlagen(2) Atmung im Wasser(3) Atmung in Luft
Kiemen – Thunfisch
aus: Walker and Liem. Functional Anatomy of Vertebrates. Fig. 18.2.
Kiemen
Fig. 18.6
aus: Walker and Liem. Functional Anatomy of Vertebrates. Fig. 18.3
Kiemen
Kiemen
Kiemen
Kiemen
aus: Walker and Liem. Functional Anatomy of Vertebrates. Fig. 18.2.
Kiemen
Gasaustausch
aus: Walker and Liem. Functional Anatomy of Vertebrates. Fig. 18.19.
aus: Walker and Liem. Functional Anatomy of Vertebrates. Fig. 18.4
Kiemen
Atmung und Atmungsapparate
(1) physikalische Grundlagen(2) Atmung im Wasser(3) Atmung in Luft
aus: Walker and Liem. Functional Anatomy of Vertebrates. Fig. 18.8.
Luftatmungsorgane bei Fischen
Luftatmungsorgane bei Fischen
Luftatmungsorgane bei Fischen
Lungenfische
aus: Walker and Liem. Functional Anatomy of Vertebrates. Fig. 18.13.
Lungen bei Amphibien
Hermida et al. 2002. Biocell (Mendoza) 26, 347‐355.
Lungen bei Amphibien
Atmung bei Amphibien
aus: Walker and Liem. Functional Anatomy of Vertebrates. Fig. 18.14.
Fig. 18.15
Schlangen‐Lungen
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