Wie atmen Tiere unter Wasser?

Vor Hunderten von Millionen von Jahren hatten sehr, sehr entfernte Vorfahren von Menschen - und von allen Landtieren mit Rückgrat und vier Gliedmaßen - diese Fähigkeit, Wasser zu atmen, aber sie ging verloren, nachdem die ersten luftatmenden Kreaturen ganztägig an Land lebten . Heutzutage kann der Mensch Wasser nur mit speziellen Geräten einatmen - oder in Filmen wie "Aquaman" (Warner Bros. Pictures) über Comicfiguren mit einzigartigen Unterwasserfähigkeiten.

Die Comic-Überlieferung erklärt, wie der halb menschliche, halb atlantische Hybrid-Aquaman (Jason Momoa) und all seine menschlich aussehenden atlantischen Cousins ​​in den Tiefen des Ozeans atmen können - "Kiemen" werden erwähnt, obwohl sie nicht sichtbar sind. und die Einzelheiten bleiben der Vorstellungskraft des Betrachters überlassen. Aber wie genau atmen reale Kreaturen in ihrer wässrigen Umgebung? [Fotos: Sehen Sie die süßesten Meerestiere der Welt]

Zufällig gibt es in den meisten Meeren, Seen und Flüssen des Planeten viel gelösten Sauerstoff, obwohl unsere luftatmenden Lungen ihn einfach nicht verarbeiten können. Experten zufolge haben die Wasserbewohner der Welt jedoch mehrere andere Methoden für den Zugang zu Sauerstoff im Wasser entwickelt .

Eine alte Technik

Einige Tiere wie Quallen nehmen den Sauerstoff im Wasser direkt über die Haut auf. Eine gastrovaskuläre Höhle in ihrem Körper dient einem doppelten Zweck: der Verdauung von Nahrungsmitteln und der Bewegung von Sauerstoff und Kohlendioxid, sagte Rebecca Helm, Assistenzprofessorin an der Universität von North Carolina, Asheville .

Tatsächlich haben die frühesten Formen des mikrobiellen Lebens auf der Erde, die Sauerstoff verwendeten, ihn auf die gleiche Weise wie Gelees erhalten - durch Diffusion. Diese Form der Atmung trat wahrscheinlich vor etwa 2,8 Milliarden Jahren auf, "kurz nachdem Cyanobakterien begonnen hatten, Sauerstoff in die Atmosphäre zu pumpen", so der Ozeanwissenschaftler Juli Berwald, Autor von "Spineless: Die Wissenschaft der Quallen und die Kunst, ein Rückgrat zu züchten" (Riverhead) Bücher, 2017).

"Da sie nur eine äußere und eine innere Zellschicht haben und ihre Innenseiten aus Gelee bestehen und keine Zellen haben, benötigen sie nicht so viel Sauerstoff wie Tiere, die tatsächlich Gewebe im Inneren haben", sagte Berwald in einer E-Mail.

Es gibt jedoch auch Nachteile beim "Atmen" durch Diffusion.

"Es ist viel langsamer als die Verwendung eines Kreislaufsystems, um Sauerstoff in die Ferne des Körpers zu bringen. Das bedeutet wahrscheinlich, dass das Wachstum großer Quallen begrenzt ist", fügte Berwald hinzu.

Hintertür-Methode

Das Atmen durch Sauerstoffdiffusion über die Körperoberfläche findet sich auch bei Stachelhäutern - einer Gruppe von Meerestieren, zu denen Seesterne, Seesterne, Seeigel und Seegurken gehören.

Seesterne absorbieren Sauerstoff, wenn Wasser über Beulen auf ihrer Haut fließt, die Papeln genannt werden, und durch Rillen in anderen Strukturen, die als Rohrfüße bezeichnet werden, sagte der Zoologe Christopher Mah, ein Forscher des Smithsonian National Museum of Natural History in Washington, DC .

Einige Arten von Flachwasser-Seegurken haben jedoch eine andere Art der speziellen Anpassung für die Atmung: eine "Baum" -Struktur der Atemwege, die sich in der Körperhöhle in der Nähe des Anus befindet. Während die rektale Öffnung der Gurke Wasser in ihren Körper saugt, extrahiert der Atmungsbaum Sauerstoff und stößt Kohlendioxid aus.

"Es atmet buchstäblich aus seinem Arsch", sagte Mah. [Gefahren in der Tiefe: 10 gruseligste Meerestiere]

Eine "grundlegende Blaupause"

Laut dem Northeast Fisheries Science Center haben sich Kiemen bei Fischen als erfolgreiches Atmungssystem erwiesen, bei dem mithilfe eines Netzwerks von Blutgefäßen Sauerstoff aus dem fließenden Wasser angesaugt und durch Kiemenmembranen diffundiert wird.

Bei den meisten Fischen haben Kiemen "den gleichen Grundplan", sagte Solomon David, Assistenzprofessor am Department of Biological Sciences der Nicholls State University in Louisiana .

"Sie sollen diesen Gegenstromaustausch von Gas haben - Sauerstoff herausziehen und Abfall freisetzen", sagte David. Wenn Fische ihren Mund öffnen, erzeugen sie einen Wasserstrom, der über ihre Kiemen fließt. Rötliches, stark vaskularisiertes Gewebe saugt Sauerstoff an und stößt Kohlendioxid aus, "ähnlich wie Kapillaren in unseren Alveolen", sagte er.

Kiemen sind jedoch nicht gerade eine Einheitsgröße. Laut David kann ihre Struktur zwischen den Arten variieren, um ihrem Sauerstoffbedarf zu entsprechen. Die Kiemen eines schnell schwimmenden Thunfischs unterscheiden sich beispielsweise etwas von denen eines Fisches, der ein Raubtier ist, wie zum Beispiel ein Alligator-Gar.

"Wenn Sie ein aktives Raubtier sind, das ständig unterwegs ist, werden Sie unterschiedliche Kiemen für einen höheren Sauerstoffbedarf haben", sagte David.

Die Kiemenform kann sogar zwischen Individuen derselben Art variieren, abhängig von den Sauerstoffbedingungen im Wasser, in dem sie leben, fügte er hinzu. Studien haben gezeigt, dass Fische ihre Kiemenmorphologie anpassen können, wenn ihr wässriger Lebensraum verschmutzt wird. Mit der Zeit werden ihre Kiemenfilamente kondensierter, um den Verunreinigungen im Wasser zu widerstehen.

Einige aquatische Amphibien haben auch Kiemen - verzweigte Strukturen, die sich von ihren Köpfen nach außen erstrecken. Dies ist ein Larvenmerkmal bei Amphibien, das mit zunehmender Reife der meisten Arten verschwindet, aber Wassersalamander wie Sirenen behalten diese äußeren Kiemen bis ins Erwachsenenalter bei, teilte Kirsten Hecht, Wasserökologin an der School of Natural Resources and Environment der University of Florida, in einer E-Mail mit.

Lungenfische - eine Gruppe von Fischen, die mit einer modifizierten Schwimmblase sowohl Luft als auch Wasser atmen - haben in jungen Jahren auch äußere Kiemen, "aber fast alle Lungenfischarten verlieren sie vor Erreichen des Erwachsenenalters", sagte Hecht.

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