Das Atmungssystem dient der Aufnahme von Sauerstoff in den Körper und der Abgabe von Kohlenstoffdioxid aus dem Körper. Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid sind Atemgase. Der Vorgang der Aufnahme und Abgabe von Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff durch die Spaltöffnungen einer Pflanze oder Lunge (Säugetier), Tracheen (Insekten) oder Kiemen (Fische) eines Lebewesens wird Gasaustausch genannt.
Orte des Gasaustausches
Tracheen sind die Atmungsorgane
vieler Gliedertiere. Es sind röhren- oder sackförmige Einstülpungen
der Außenhaut, die meist stark verzweigt und oft durch Chitin
verstärkt sind. Sie stehen durch Atemöffnungen mit der Außenluft
in Verbindung und dienen dem Gasaustausch zwischen Organismus und Luft.
Kiemen sind die Atmungsorgane
der Fische und vieler wirbelloser Wassertiere. Sie sind dünnhäutig,
zur Vergrößerung der Oberfläche stark gegliedert und
befinden sich an der Körperoberfläche (Außenkiemen)
oder in vom Wasser durchströmten Körperhohlräumen (Innenkiemen).
Sie dienen dem Gasaustausch zwischen Organismus und Wasser (also den
im Wasser gelösten Gasen wie z. B. Sauerstoff).
Lungen sind die Atmungsorgane der Wirbeltiere. Sie sind stark durchblutet, dünnhäutig und können an der Oberfläche durch Ausstülpungen stark vergrößert sein. Sie liegen immer im Körperinneren und dienen dem Gasaustausch zwischen Organismus und Außenluft. Gasaustausch findet im Körper zwischen Atmungsorgan und Blut sowie zwischen Blut und Körperzelle statt.
Neben den auf ihre Funktion spezialisierten Atmungsorganen ermöglicht
auch die Außenhaut
den direkten Gasaustausch zwischen Organismus und Außenluft; diese
Hautatmung erfolgt z. B. bei Frosch, Katze oder Mensch.
Spaltöffnungen dienen dem Gasaustausch bei Pflanzen. Sie bestehen aus zwei Schließzellen und einem Spalt. Unter günstigen Bedingungen sind die Spaltöffnungen tagsüber für die Kohlenstoffdioxidaufnahme bzw. Wasserdampf- und Sauerstoffabgabe (im Zuge der Fotosynthese) geöffnet. Nachts findet dagegen in der Regel überwiegend eine Sauerstoffaufnahme und Kohlenstoffdioxidabgabe (im Rahmen der Atmung) statt. Bei geschlossenem Zustand kann keinerlei Gasaustausch erfolgen.
Gasaustausch beim Menschen
Mit jedem Atemzug eines Menschen strömt mit Sauerstoff angereicherte
Atemluft von der Nasenhöhle
über den Rachenraum und den Kehlkopf in die Luftröhre, von
dort über die Bronchien zur Lunge bis in die 300 bis 500 Millionen
Lungenbläschen.
Die Einatemluft wird auf ihrem Weg zur Lunge gereinigt, angefeuchtet
und vorgewärmt. Die Aufgliederung der Lunge in Lungenbläschen
führt zu einer enormen Vergrößerung der inneren Oberfläche
für den Gasaustausch in der Lunge. Der Gehalt an Sauerstoff ist
in den Lungenbläschen höher als in den feinen, sie netzartig
umgebenden Kapillaren. Würde
man die Blutkapillaren aneinander legen, beträgt ihre Gesamtlänge
geschätzt etwa 2 500 km. Der Sauerstoff gelangt durch
die dünnen Wände der Lungenbläschen in das Blut und wird
zu den Organen und Zellen transportiert.
Der Transport von
Sauerstoff durch das Blut erfolgt in alle Teile des Körpers,
gebunden an den Blutfarbstoff Hämoglobin der roten Blutzellen.
Das Hämoglobin ist
ein kompliziert aufgebauter organischer Stoff, der sich in den roten
Blutkörperchen befindet.
Sauerstoff wird mithilfe des Bluts an die Orte im Körper transportiert,
an denen er benötigt wird. In komplizierten Stoffwechselvorgängen
wird er verbraucht, dabei entsteht u. a. Kohlenstoffdioxid, das
als Stoffwechselendprodukt
ausgeschieden werden muss. Kohlenstoffdioxid wird von den Blutkapillaren
zurück zur Lunge gebracht. Dort gelangt es in die Lungenbläschen
und wird wieder ausgeatmet.
Gasaustausch bei Pflanzen
Bei Pflanzen erfolgt der Gasaustausch, also die Aufnahme und Abgabe
von Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff, durch die Spaltöffnung.
Die Gase werden durch Diffusion
aufgenommen und abgegeben. Die Diffusion ist ein physikalischer Vorgang,
bei dem aufgrund der Eigenbewegung der Stoffteilchen ein ungehinderter
Konzentrationsausgleich
zwischen zwei aneinandergrenzenden, unterschiedlich konzentrierten gasförmigen
oder flüssigen Stoffen erfolgt.
Während der Fotosynthese
werden die Ausgangsstoffe Kohlenstoffdioxid und Wasser in den Chloroplasten
mittels Lichtenergie in die Produkte Glucose und Sauerstoff umgewandelt.