Biologie

Wie funktionieren Kiemen von Fischen?

Fische pressen Wasser über hauchdünne Kiemenblättchen, in denen Blut in genau entgegengesetzter Richtung zum Wasser fließt. Dieses Gegenstromprinzip zieht dem Wasser bis zu 80-90 Prozent des gelösten Sauerstoffs ab und macht Kiemen effizienter als eine Lunge.

Der Weg des Wassers durch den Fisch

Ein Fisch öffnet das Maul und saugt Wasser ein. Statt es wieder vorne auszustoßen, presst er es durch den Rachen weiter nach hinten, wo es über die Kiemenbögen strömt und durch die Kiemenspalten seitlich am Kopf wieder austritt. Dieser Weg ist meist ein Einbahnstraßensystem: Muskelbewegungen von Mundboden und Kiemendeckel sorgen dafür, dass immer frisches Wasser nachströmt. Manche schnell schwimmende Arten wie Thunfische und einige Haiarten (etwa der Weißspitzen-Hochseehai oder der Walhai) sind dagegen sogenannte obligate Ram-Ventilierer: Sie schwimmen mit leicht geöffnetem Maul dauerhaft vorwärts und lassen sich das Wasser allein durch die eigene Bewegung durch die Kiemen schieben, weshalb sie nie ganz stillstehen können, ohne zu ersticken. An jedem Kiemenbogen sitzen reihenweise dünne Kiemenblättchen, die zusammen eine riesige Oberfläche bilden - je nach Art und Lebensweise kann die gesamte Kiemenfläche das Zehn- bis Sechzigfache der Hautoberfläche des Fisches erreichen. Genau dort findet der eigentliche Gasaustausch statt.

Warum das Blut gegen die Strömung fließt

Das eigentliche Geheimnis der Kiemen liegt nicht nur in der großen Fläche, sondern in der Fließrichtung des Blutes. In den Kiemenblättchen fließt das Blut entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Wassers. Dadurch trifft frisch eintretendes, sauerstoffarmes Blut auf Wasser, das zwar bereits einen Teil seines Sauerstoffs abgegeben hat, aber immer noch einen höheren Sauerstoffpartialdruck als das Blut besitzt. Umgekehrt trifft bereits stärker oxygeniertes Blut auf besonders sauerstoffreiches, frisch einströmendes Wasser. So bleibt entlang der gesamten Kiemenoberfläche ein Diffusionsgefälle vom Wasser ins Blut erhalten. Der Konzentrationsunterschied, der die Diffusion von Sauerstoff ins Blut antreibt, bleibt so über die gesamte Länge der Kiemen bestehen. Würden Blut und Wasser stattdessen in dieselbe Richtung fließen, könnte das Blut theoretisch höchstens die Hälfte des im Wasser gelösten Sauerstoffs aufnehmen, weil sich beide Konzentrationen schnell angleichen würden und der Austausch vorzeitig zum Stillstand käme. Durch den Gegenstrom dagegen kann der Fisch einen sehr großen Teil des im Wasser gelösten Sauerstoffs herausziehen - Schätzungen gehen von etwa 80 bis 90 Prozent aus.

Warum das effizienter ist als unsere Lunge

Unsere Lunge arbeitet nach einem anderen Prinzip: Beim Einatmen füllt sich ein begrenztes Luftvolumen in den Lungenbläschen, das Blut nimmt so lange Sauerstoff auf, bis sich die Konzentrationen in Luft und Blut angeglichen haben. Danach stagniert der Austausch, bis neue Luft eingeatmet wird - ein sogenanntes Gleichstrom- beziehungsweise Sackgassen-System, das Menschen nur einen Teil des eingeatmeten Sauerstoffs verwerten lässt. Kiemen umgehen dieses Problem, weil ständig frisches Wasser nachströmt und der Gegenstrom den Konzentrationsunterschied konstant hält. Das erklärt, warum Kiemen einen sehr hohen Anteil des im Wasser gelösten Sauerstoffs aufnehmen können. Wasser enthält ohnehin deutlich weniger gelösten Sauerstoff als Luft, deshalb ist diese hohe Ausschöpfung für Fische überlebenswichtig: Ohne sie würde die im Wasser verfügbare Sauerstoffmenge kaum reichen.

Warum Fische an Land ersticken, obwohl Luft mehr Sauerstoff enthält

Es klingt paradox: Luft enthält viel mehr Sauerstoff als Wasser, trotzdem sterben Fische an Land. Der Grund liegt in der Struktur der Kiemen. Im Wasser trägt der Auftrieb die feinen Kiemenblättchen und hält sie fein aufgefächert, sodass eine riesige Oberfläche für den Gasaustausch zur Verfügung steht. An Land fehlt dieser Auftrieb, weil Luft viel weniger dicht ist als Wasser. Die Blättchen fallen in sich zusammen und kleben aneinander, ähnlich wie nasse Haare, die zu einem Strang verkleben. Dadurch schrumpft die nutzbare Austauschfläche drastisch. Zusätzlich trocknen die feuchten Kiemenoberflächen an der Luft schnell aus, was den Gasaustausch weiter blockiert. Der Fisch erstickt also nicht, weil kein Sauerstoff da wäre, sondern weil sein Atmungsorgan außerhalb des Wassers strukturell nicht mehr funktioniert - meist schon innerhalb weniger Minuten.

Warum Landwirbeltiere trotzdem keine Kiemen behalten haben

Wenn Kiemen so effizient sind, stellt sich die Frage, warum Landtiere stattdessen Lungen entwickelt haben. Kiemen sind an das Medium Wasser gebunden: Sie brauchen dessen Auftrieb und ständige Umspülung, um funktionsfähig zu bleiben, und würden an Luft austrocknen und kollabieren. Lungen dagegen liegen geschützt im Körperinneren, mit einer feuchten Innenfläche, die dadurch nicht so leicht austrocknet oder in sich zusammenfällt. Die Evolution der Landwirbeltiere aus fischähnlichen Vorfahren ging deshalb mit der Umstellung von Kiemen- auf Lungenatmung einher, weil ein nach innen geschütztes Organ an Land dauerhaft funktioniert. Manche Fische, etwa Lungenfische, besitzen übrigens zusätzlich zu den Kiemen primitive Lungen und können so auch außerhalb des Wassers kurzzeitig überleben.

Haeufige Fragen

Können Fische auch ohne Wasser atmen?

Nur sehr wenige Arten mit Zusatzorganen, etwa Lungenfische oder Schlammspringer. Die meisten Fische ersticken an Land, weil ihre Kiemen ohne den Auftrieb des Wassers zusammenkleben und austrocknen.

Warum müssen manche Fische ständig schwimmen, um zu atmen?

Arten wie viele Thunfische und einige Haiarten (etwa Walhaie) sind sogenannte obligate Ram-Ventilierer: Sie sind auf die Anströmung von Wasser durch ständige Vorwärtsbewegung angewiesen, damit genug frisches Wasser über die Kiemen strömt.

Wie atmen dann Meeressäuger wie Wale, wenn sie doch im Wasser leben?

Wale und Delfine haben Lungen statt Kiemen, weil ihre Vorfahren Landsäugetiere waren. Sie müssen deshalb regelmäßig zum Auftauchen an die Wasseroberfläche.

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Quellen

Quelle

Angaben zur Sauerstoffausschöpfung sind Schätzwerte aus der Tierphysiologie und variieren je nach Fischart und Bedingungen.