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