Wie Vögel und Insekten atmen
DU TUST es etwa 23 000mal täglich, und doch bist du dir dessen kaum bewußt. Wovon sprechen wir? Vom Atmen. Dein Atmungssystem ist so gut konstruiert und funktioniert so wirkungsvoll, daß du kaum bemerkst, daß du in diesem Augenblick Atem holst.
Wenn du dich natürlich gerade auf dem Gipfel eines Berges befändest, wo die Luft sehr dünn ist, dann würde dir das Atmen nicht so leicht fallen, nicht wahr? Auch wenn du eine Zeitlang unter Wasser schwimmst, wird dir bald sehr deutlich die Notwendigkeit bewußt, Atem zu schöpfen. Doch Vögel können in großer Höhe fliegen, ohne beim Atmen Schwierigkeiten zu haben. Und einige Insekten können unter Wasser atmen, obwohl sie auf den Sauerstoff der Atmosphäre angewiesen sind. Wie machen sie das? Wenn wir einmal näher betrachten, wie Vögel und Insekten atmen, wird eine bemerkenswerte Intelligenz und Konstruktion offenbar.
Die Atmung der Vögel
Jeder, der schon einmal mit einem Flugzeug geflogen ist, kennt zwei wichtige Faktoren, die zum Fliegen erforderlich sind — ein leichter Flugapparat und eine Menge Treibstoff. So, wie das Atmungssystem der Vögel konstruiert ist, werden beide Bedürfnisse berücksichtigt.
Bei Tätigkeiten, die viel Energie erfordern, wird der Sauerstoff sehr schnell verbrannt. Der Mensch gleicht Sauerstoffmangel dadurch aus, daß er tiefer und schneller atmet. In großen Höhen muß er sich langsamer bewegen und häufig Rast machen, um seinem Organismus die Zeit zu geben, den Sauerstoffspiegel im Blut auszugleichen. Stell dir vor, ein Vogel hätte beim Fliegen die gleichen Probleme! Aber das Atmungssystem des Vogels erspart ihm diese Verlegenheit, so daß er auch in 6 000 Meter Höhe keine Anzeichen von Schwierigkeiten zeigt. Seine Augen treten nicht hervor, sein Gesicht ist nicht blaß, und er schnauft noch nicht einmal. Wie schafft er das?
Nun, seine Atmungsorgane sind so konstruiert, daß er viel wirkungsvoller Sauerstoff absorbieren kann. Die menschliche Lunge könnte man mit Säcken oder Blasebälgen vergleichen, die sich füllen und leeren. Anders ist es mit der Lunge der Vögel. Sie ist einzigartig. Die Luft gelangt wie normal in die Lunge. Aber dann geht sie durch die Lunge hindurch und gelangt in mehrere dünnwandige Luftsäcke, die sich in der Brust und in der Bauchhöhle befinden. (Siehe Abbildung.) Im Jahre 1758 entdeckte ein Mann namens John Hunter etwas wirklich Überraschendes. Er beobachtete, daß ein Vogel, der eine blockierte Luftröhre und einen gebrochenen Flügel hatte, immer noch atmen konnte. Wie war das möglich?
Die Knochen der Vögel enthalten im allgemeinen kein Mark, sondern sind hohl und enthalten Luft. Die Hohlräume in den Knochen sind mit den Luftsäcken verbunden, die wiederum mit der Lunge verbunden sind. Als daher die Luftröhre des Vogels blockiert war, gelangte die Luft durch den gebrochenen hohlen Flügelknochen in die Lunge. Welch eine raffinierte Möglichkeit, das Gewichts- und das Treibstoffproblem gleichzeitig zu lösen — durch eine gleichmäßige Verteilung des Treibstofftanks im ganzen Flugapparat! Doch wie steht es mit den Treibstoffvorräten?
Die eigentlichen Treibstoffvorräte sind minimal. Der Vogel nimmt seinen Treibstoff, den Sauerstoff, unterwegs auf — mitten in der Luft! Die Luft, die durch all diese Säcke und Verbindungswege hindurchgeht, kommt mit großen Flächen Gewebe in Berührung, was eine größere Aufnahme von Sauerstoff vor dem Ausatmen ermöglicht. Das Fliegen in großen Höhen ist jedoch eine energieintensive Arbeit. Der Treibstoff muß daher so wirkungsvoll wie möglich genutzt werden. In der Atmungsausrüstung des Vogels ist deshalb ein System eingebaut, das nach dem Gegenstromprinzip funktioniert. Es ermöglicht dem Vogel, der Luft schnell und wirkungsvoll Sauerstoff zu entziehen.
In der Lunge des Vogels kommen die Luft und das Blut aus entgegengesetzten Richtungen. Während die Luft durch die Lunge fließt, gibt sie mehr und mehr Sauerstoff an das Blut ab, und das Blut kann fortgesetzt mehr und mehr Sauerstoff aufnehmen. Anders ausgedrückt: Das „durstige“ venöse Blut erreicht zuerst Luft, der bereits Sauerstoff entzogen worden ist und die gewissermaßen nur noch ein paar „Tropfen“ Sauerstoff übrig hat. Das „durstige“ Blut saugt sie auf und kommt dann an „feuchterer“ Luft vorbei, die mehr Sauerstoff enthält. Inzwischen ist das Blut nicht mehr so „durstig“, und so saugt es immer weniger Sauerstoff auf. Das Endergebnis dieses bemerkenswerten Vorganges ist ein äußerst wirkungsvoller Sauerstoffentzug aus der Luft. Und genau das braucht der Vogel, um in großen Höhen fliegen zu können!
Die Atmung bei den Insekten
Hast du schon einmal darüber nachgedacht, wie es wäre, wenn eine Ameise die Größe eines Elefanten hätte? Stell dir vor, welche Kraft sie hätte! Eine Ameise kann das Doppelte ihres Gewichts tragen. Und so klein Insekten auch sind (das größte, der Atlasspinner, mißt nur 25 bis 30 cm von Flügelspitze zu Flügelspitze), haben sie doch einen enormen Appetit! In Norddakota (USA) richteten Grashüpfer in nur einem Jahr Ernte und Flurschäden in Höhe von 1 714 000 Dollar an. Wie groß wäre der Schaden gewesen, wenn die Grashüpfer die Größe von Pferden gehabt hätten?
Aber es besteht kein Grund zur Besorgnis. Das Atmungssystem des Insekts sorgt dafür, daß es an seinem Platz bleibt — größenmäßig. Wie in der Zeitschrift Scientific American berichtet wurde, hat das Atmungssystem der Insekten — in der Zeitschrift als „fast unglaubliche Vollendung biologischer Ingenieurkunst“ bezeichnet — einen eingebauten Wachstumsbegrenzungsfaktor. Und genauso, wie sich das Atmungssystem der Vögel ideal zum Fliegen eignet, so ist das der Insekten ideal für ihre Lebensweise. Inwiefern?
Insekten sind Energiefabriken. Für ihre Größe vollbringen sie wahre Herkulestaten. Ihr Sauerstoffbedarf ist daher sehr hoch. Doch Insekten haben keine Lunge. Dennoch wirst du wohl nie einem atemlosen Insekt begegnen! Warum? Weil das Atmungssystem der Insekten so konstruiert ist, daß es einem unbegrenzten Bedarf gerecht wird.
Im Embryonalstadium wölbt sich die Haut eines Insekts an vielen Stellen nach innen und bildet hohle Röhren (Tracheen genannt), die sich nach der Luft hin öffnen. Je tiefer diese Röhren in den Insektenkörper wachsen, desto mehr verzweigen sie sich, und jeder Zweig wird dünner und dünner. Schließlich kommt eine oder mehrere dieser Röhren mit jeder Zelle in Kontakt. Auf diese Weise hat jede Zelle eine direkte Pipeline zur Luft, so daß ihr der Sauerstoff unmittelbar zur Verfügung steht, ohne daß dieser erst einen Weg durch einen Blutkreislauf zurücklegen muß. Und genau das brauchen die Insekten, um ihren hohen Energiebedarf zu decken.
Aber bei einem System von Röhren für die Atmung besteht das Problem, daß nicht nur Sauerstoff in den Körper hinein-, sondern auch Kohlendioxyd hinausgelangen muß. Die Röhren ermöglichen es, daß Sauerstoff in den Körper des Insekts hineingelangt. Doch was passiert mit dem Kohlendioxyd? Nun, im Gegensatz zum Sauerstoff durchdringt Kohlendioxyd Gewebe ziemlich leicht. Es versucht gar nicht erst, durch die Röhren hinauszugelangen, sondern tritt vielmehr durch die Haut des Insekts ins Freie.
Trotz der Abhängigkeit vom Sauerstoff der Atmosphäre leben gewisse Insektenlarven unter Wasser. Wie atmen sie dort? Einige lassen eine „Schnorchel“röhre an die Oberfläche aufsteigen. Diese Röhre ist manchmal mit einem Ventil ausgerüstet für den Fall, daß das Wasser stark bewegt ist und in die Röhre einzudringen droht. Andere leben in einer „Tauchglocke“, das heißt in einer Luftblase. Natürlich muß der Sauerstoff, den sie verbrauchen, ersetzt werden. Forscher wunderten sich lange Zeit darüber, daß ein Insekt unter Wasser leben konnte, noch lange nachdem es den in der Luftblase enthaltenen Sauerstoffvorrat aufgebraucht haben mußte. Wie war das möglich?
Hier kommt der Vorgang der Diffusion ins Spiel. Wenn der Sauerstoffdruck in der Blase unter den Sauerstoffdruck des umgebenden Wassers sinkt, dringt Sauerstoff aus dem Wasser in die Luftblase ein. (Erinnere dich, daß Wasser aus zwei Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff besteht.) „Aber warum platzt die Luftblase nicht?“ magst du dich fragen. Nun, in der Luftblase befindet sich auch Stickstoff, und dieser entweicht nicht ins Wasser; er bleibt in der Luftblase. Somit hängt das Leben der Insektenlarve vom Stickstoff ab, wenn sie ihn auch vielleicht nicht für ihren Stoffwechsel braucht.
Nachdem wir einen kleinen Einblick in die Atmung der Vögel und der Insekten genommen haben, stimmst du gewiß zu, daß die Atmungssysteme dieser Geschöpfe wirklich von einer bemerkenswerten Intelligenz und Konstruktion zeugen. Fällt es dir aber leicht, zu glauben, daß diese Atmungssysteme, die so sehr von wissenschaftlichen Prinzipien abhängig sind, durch blinden Zufall entstanden sind oder daß die Vögel und die Insekten sie selbst entwickelt haben? Oder kommst du zu dem gleichen Schluß wie der berühmte Erfinder Thomas Edison, der einmal sagte: „Nachdem ich die Naturvorgänge jahrelang beobachtet habe, kann ich das Dasein einer höchsten Intelligenz nicht bezweifeln.“?
[Bild auf Seite 22]
Das Atmungssystem eines Vogels
Luftröhre
Lunge
Luftsäcke
[Bild auf Seite 23]
Das Atmungssystem eines Insekts — Wie es funktioniert
keine Lunge
Trachee
Zellen