Gasaustausch - Schulbuchzentrum Online

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2 Gasaustausch
120.1 Aufnahme und Abgabe
von Atemgasen.
Konzentrationsgradienten der
Partialdrücke
beim Gasaustausch an der
respiratorischen
Oberfläche (Angaben in kPa)
Da Luft und Blut nicht in unmittelbarem Kontakt stehen können, befindet sich in den Atmungsorganen als Austauschfläche eine für
Gase durchlässige Zellschicht zwischen beiden Medien, die respiratorische Oberfläche.
Die Diffusionsrate verhält sich proportional
zur Austauschfläche und umgekehrt proportional zum Quadrat der Diffusionsstrecke, die
von den Gasmolekülen durchdrungen werden
muss. Je dünner die respiratorische Oberfläche und je größer ihre Ausdehnung ist, desto
effektiver ist der Gasaustausch. Beim Menschen ist diese Zellschicht in der Lunge 140
Quadratmeter groß und nur einen Mikrometer
dünn; so wird eine sehr hohe Diffusionsrate
erreicht.
Die menschliche Hautoberfläche von nur zwei
Quadratmetern spielt für den Gasaustausch
des Menschen praktisch keine Rolle – entgegen der landläufigen Fehlvorstellung, wie sie
auch in dem James-Bond-Film „Goldfinger“
zum Ausdruck kommt: Ein Mensch stirbt in
Wirklichkeit nicht den Erstickungstod, wenn
seine Haut gänzlich mit Goldfarbe überzogen
wird. Die obersten Hautschichten werden nur
bis zu einer Tiefe von 0,4 Millimetern direkt
mit Sauerstoff versorgt. Nur circa 0,4 Prozent
des gesamten Sauerstoffbedarfs werden über
die Haut gedeckt; eine Abdeckung der Haut
mit Goldfarbe ist atemtechnisch kaum von Bedeutung.
Die pro Zeiteinheit diffundierende Menge ei-nes Gases hängt neben der Fläche und der
Dicke der respiratorischen Oberfläche auch
von der Konzentrationsdifferenz beziehungsweise Druckdifferenz des Gases auf beiden
Seiten ab.
Der Gesamtdruck eines Gasgemisches wie der
Luft setzt sich aus der Summe eines jeden Teildruckes seiner Gaskomponenten zusammen.
Dieser jeweilige Druckanteil heißt auch Partialdruck. Die Atmosphäre übt auf Meereshöhe
einen Gesamtdruck von 101 Kilopascal (kPa)
aus. Der Anteil des Sauerstoffs (21 Vol.-%) am
Gesamtdruck der Luft bewirkt also einen Partialdruck von PO2 = 21,3 kPa, der des Kohlenstoffdioxids (≈ 0,04 Vol.-%) einen Partialdruck von nur PCO2 = 0,04 kPa. Wenn Wasser
in Kontakt mit Luft steht, wird ein Gleichgewicht zwischen den Gasanteilen der Luft
und den gelösten Gasanteilen im Wasser erreicht, sobald pro Zeiteinheit genauso viele
Gas-Moleküle in das Wasser hinein diffundieren, wie wieder heraus. Dann hat das betreffende Gas im Wasser denselben Partialdruck
wie in der Luft.
Damit Sauerstoff durch Diffusion ins Blut aufgenommen und Kohlenstoffdioxid aus dem
Blut abgegeben werden kann, muss der Partial-druck des Sauerstoffs im Blut der Alveolenkapillare niedriger und der des Kohlenstoffdioxids höher sein als in der Luft. Tatsächlich
hat der Sauerstoff hier einen Partialdruck von
PO2 = 5,3 kPa und das Kohlenstoffdioxid einen
Partialdruck von PCO2 = 6,0 kPa.
120
Atmung
Das häufige Ein- und Ausatmen der Luft in der
Lunge eines Landtieres dient hauptsächlich
dem Zweck, eine hohe Differenz der Partialdrücke der Atemgase an der respiratorischen
Oberfläche aufrechtzuerhalten. In Bezug auf
den Sauerstoffgradienten hält die Ventilation
also an der Außenseite der Austauschmembran den Sauerstoff-Partialdruck im Vergleich
zur Innenseite möglichst hoch. Gleichzeitig
wird dadurch der Kohlenstoffdioxid-Partialdruck an der Außenseite der Austauschmembran im Vergleich zur Innenseite möglichst
niedrig gehalten.
Zum selben Zweck erzeugen im Wasser lebende Tiere einen Wasserstrom an ihren Kiemen
durch Pumpen der Kiemendeckel oder Bewegung spezieller Anhängsel.
Bei den meisten Atemorganen ist neben der
Ventilation auch der Blutkreislauf an der Aufrechterhaltung der Konzentrationsdifferenz
beteiligt. An der Innenseite der Austauschmem-branen, in den Kapillargefäßen, wird
Sauerstoff schnell abtransportiert und kohlenstoff-dioxidreiches Blut angeliefert. Tracheen
bilden in dieser Hinsicht eine Ausnahme. Sie
stellen ein Luftgefäßsystem dar, das sich bis in
einzelne Zellen verzweigt.
1 Erläutern Sie, warum in den venösen Alveolarkapillaren der Partialdruck des Sauerstoffs
höher ist als in den arteriellen Alveolarkapillaren, in denen er sogar niedriger ist als der
Partialdruck des Kohlenstoffdioxids.
2 Erklären Sie, warum die Verwendung von
Schnorchelrohren, die länger als 48 Zentimeter
sind, nicht erlaubt werden darf.
3 Informieren Sie sich, wie ein Gelbrandkäfer
unter Wasser atmet. Erklären Sie mithilfe der
Partialdrücke der Atemgase, wozu er auftauchen muss.
Haut
Bei vielen kleineren Tieren, deren Körperoberfläche im Verhältnis zum Volumen groß ist,
wie beim Regenwurm, reicht
die Körperoberfläche als Respirationsorgan aus. Die Haut
spielt auch bei Amphibien als
Atemorgan eine bedeutende
Rolle.
So deckt ein Frosch seinen Sauerstoffbedarf im Sommer
etwa zur Hälfte durch die feuchte Außenhaut sowie durch
die Haut der Mundhöhle, während der Winterruhe sogar
ausschließlich durch die Außenhaut. Organismen, bei
denen die Haut als Respirationsorgan dient, sind an einen
feuchten Lebensraum gebunden.
STECKBRIEFE
Lebewesen nehmen den Sauerstoff, der für die
Zellatmung benötigt wird, aus dem umgebenden Atemmedium, also der Luft oder dem Wasser, auf. Das bei der Zellatmung entstehende
Kohlenstoffdioxid wird in das Atemmedium
abgegeben. Dieser Gasaustausch zwischen
Umgebung und Körperflüssigkeit geschieht
allein durch die Bewegung der Gasmoleküle
an der Grenze beider Medien, durch Diffusion.
Bei den verschiedenen Atemorganen der Tiere
ist die respiratorische Oberfläche auf unterschiedliche Weise vergrößert. So kann das
Verhältnis der Körperoberfläche zum Körpervolumen eine Rolle spielen (Hautatmung), es
können Verzweigungen (Tracheen) sowie Ausoder Einstülpungen (Kiemen oder Lungen)
vorkommen. Die ständige Aufrechterhaltung
der Konzentrationsdifferenz der Atemgase auf
beiden Seiten der respiratorischen Oberfläche
wird dabei auf verschiedenen Wegen erreicht.
Tracheen
Viele Gliedertiere, wie unter
anderem Insekten, atmen mit
Tracheen. Dies sind verzweigte, mit einer Cuticula und
Chitinspiralen versteifte Luftröhren. Sie beginnen seitlich
am Körper mit Atemöffnungen, den Stigmen, und verästeln sich im Körper stark.
Die Tracheen führen mit ihren feinsten Endverzweigungen, den Tracheolen, unmittelbar in die einzelnen Zellen
hinein. Die Enden der Tracheolen sind mit Gewebsflüssigkeit gefüllt. Die Wirksamkeit des Tracheensystems
beruht darauf, dass in den luftgefüllten Röhrchen ein rascher Gasaustausch erfolgt. Trotzdem bleibt bei dieser Art
der Sauerstoffversorgung die Körpergröße dieser Tiere auf
den Zentimeterbereich beschränkt.
Kiemen
Kiemen, die Respirationsorgane der meisten Wassertiere,
sind dünnhäutige, meist blattförmige Ausstülpungen der
Körperoberfläche oder des
Darmtrakts, die stark durchblutet sind. Sie liegen an verschiedenen Stellen des Körpers.
Bei Krebsen finden sich Kiemen an den Extremitäten, bei
Insektenlarven am Hinterleib, bei Muscheln in der Mantelhöhle. Bei Knochenfischen stehen die Kiemenblättchen
als Ausstülpungen des Vorderdarms seitlich am Kopf auf
den Kiemenbögen. Sie werden zum Schutz von einem
Kiemendeckel überdeckt, der durch ständige Bewegung
für einen Wasserstrom an den Kiemen sorgt.
Atmung
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