Wie funktioniert das Atmen durch Kiemen?

Die faszinierende Atmung der Fische: Ein Blick in die Welt der Kiemen

Fische atmen unter Wasser – das wissen wir alle. Doch wie funktioniert dieser lebenswichtige Prozess genau? Hinter der scheinbaren Einfachheit verbirgt sich ein hochkomplexes System, das die Aufnahme von Sauerstoff aus dem Wasser und die Abgabe von Kohlendioxid ermöglicht: die Kiemenatmung. Im Gegensatz zur Lungenatmung der Landtiere ist die Kiemenatmung an die spezifischen Eigenschaften des Wassermilieus angepasst.

Die Kiemen selbst sind meist fiederförmige Organe, die je nach Fischart unterschiedlich gestaltet sind und sich hinter den Kiemendeckeln befinden. Diese filigranen Strukturen bieten eine enorme Oberfläche, um den Gasaustausch zu maximieren. Diese große Oberfläche ist essentiell, da Sauerstoff im Wasser deutlich schlechter verfügbar ist als in der Luft. Während ein Mensch in einem Atemzug etwa 20% Sauerstoff aufnehmen kann, liegt der Sauerstoffgehalt im Wasser oft nur bei unter 10%, abhängig von Temperatur, Wasserströmung und Wasserverschmutzung.

Der Gasaustausch in den Kiemen funktioniert durch Diffusion, ein physikalischer Prozess, der auf Konzentrationsunterschieden beruht. Das im Wasser gelöste Sauerstoffmoleküle sind in höherer Konzentration vorhanden als im Blut des Fisches. Diese Differenz treibt den Sauerstoff durch die dünnen Kiemenlamellen, die von einem dichten Netz von Blutkapillaren durchzogen sind. Der Sauerstoff diffundiert passiv aus dem Wasser ins Blut, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Gleichzeitig diffundiert Kohlendioxid, ein Abfallprodukt des Stoffwechsels, in umgekehrter Richtung aus dem Blut ins Wasser.

Um den Gasaustausch zu optimieren, haben Fische verschiedene Mechanismen entwickelt:

• Kiemenbewegung: Viele Fischarten bewegen ihre Kiemendeckel rhythmisch, um Wasser über die Kiemen zu leiten. Dies sorgt für einen konstanten Fluss von sauerstoffreichem Wasser.
• Gegenstromprinzip: Bei vielen Fischarten fließt das Wasser über die Kiemen in Gegenrichtung zum Blutstrom in den Kapillaren. Dieses Gegenstromprinzip maximiert die Effizienz des Gasaustausches, da stets ein Konzentrationsunterschied zwischen Wasser und Blut besteht. Selbst am Ende der Kiemenlamellen findet noch ein geringer Gasaustausch statt.
• Blutkreislauf: Ein effizienter Blutkreislauf transportiert das sauerstoffreiche Blut vom Kiemengewebe zum restlichen Körper und das sauerstoffarme Blut zurück zu den Kiemen. Die Herzleistung des Fisches spielt dabei eine wichtige Rolle.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kiemenatmung ein hochentwickeltes System darstellt, das Fische ermöglicht, erfolgreich in ihrem aquatischen Lebensraum zu existieren. Die effiziente Nutzung des im Wasser gelösten Sauerstoffs durch Diffusion, unterstützt durch spezielle Mechanismen wie die Kiemenbewegung und das Gegenstromprinzip, zeigt die bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit der Natur an verschiedene Umweltbedingungen. Die scheinbare Einfachheit der Kiemen verbirgt ein komplexes Zusammenspiel von physikalischen und physiologischen Prozessen, die für das Überleben der Fische unerlässlich sind.