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Vor 1,5 Milliarden Jahre entstanden die ersten Lebewesen, die Sauerstoff zur Energiegewinnung nutzten. Seitdem haben vor allem Tiere unterschiedliche Atmungssysteme entwickelt, die ihnen eine optimale Anpassung an ihren jeweiligen Lebensraum erlauben. Drei Zoologen der Universität Bonn stellen nun in einem Buch die Bandbreite der dabei entstandenen Lösungen in ihrem evolutiven Rahmen vor. Das Werk mit dem Titel „Respiratory Biology of Animals“ nimmt Studierende und Wissenschaftler mit auf eine Reise durch die Welt der Atmungsbiologie. Erschienen ist es bei Oxford University Press.
Am 29. November 1973 kollidierte in einer Höhe von 11.300 Metern über der Elfenbeinküste ein Sperbergeier mit einem Düsenjet. Für ihn endete die Begegnung tödlich (als einzige Überreste identifizierten Experten später „fünf vollständige und 15 teilweise erhaltene Federn“). Erstaunlich ist aber, dass der Geier so weit über dem Erdboden überhaupt überleben und sogar fliegen konnte – ein Mensch hätte bereits nach wenigen Minuten sein Bewusstsein verloren. Der Luftdruck beträgt in dieser Höhe nur gut ein Fünftel des Normalen. Unsere Atmung könnte uns unter diesen Bedingungen kaum noch mit Sauerstoff versorgen.
Geier sind jedoch an das Leben in großen Höhen besser adaptiert. Bei Sauerstoffmangel vergrößert sich zum Beispiel ihr Atemzugvolumen erheblich. Noch wichtiger ist aber eine andere Anpassung: Sie verfügen über vier verschiedene Hämoglobine, die Sauerstoff unterschiedlich stark binden können. Das wirksamste davon funktioniert noch bei Druckverhältnissen, bei denen das menschliche Hämoglobin fast komplett versagen würde.
Viele Lösungen sind mehrfach entstanden
Prof. Dr. Steven F. Perry, Dr. Markus Lambertz und die Privatdozentin Dr. Anke Schmitz dokumentieren das Beispiel des Sperbergeiers in ihrem Buch „Respiratory Biology of Animals“. Denn es zeigt sehr schön, mit welchen Schwierigkeiten die Atmungssysteme von Tieren in extremen Ökosystemen zu kämpfen haben und welche Anpassungen sie daher durchlaufen mussten. „Interessanterweise beobachten wir dabei immer wieder, dass völlig verschiedene Tiergruppen auf ähnliche Probleme ähnliche Antworten geben“, sagt Prof. Perry. Anders gesagt: Viele Lösungen sind im Tierreich gleich mehrfach evolutiv entstanden; sie sind also nicht unbedingt Ausdruck einer stammesgeschichtlichen Verwandtschaft. Denn die Atmung unterliegt in jedem Organismus denselben physikalischen und chemischen Gesetzen; die Zahl der Stellschrauben, an denen die Evolution drehen kann, ist begrenzt.
Das 240-Seiten-Werk richtet sich an Studierende der Biologie ebenso wie an Absolventen und Wissenschaftler. Die drei Autorinnen und Autoren nehmen ihre Leser darin in bester angelsächsischer Tradition an die Hand und begleiten sie auf einer Reise durch die Welt der Atmungsbiologie. Dabei spannen sie den Bogen von den physikalischen und chemischen Grundlagen wie der Diffusion und den Gasgesetzen über die sauerstoffbindenden Proteine und Anpassungen an extreme Ökosysteme bis hin zu Atmungssystemen und ihrer Regulation in den verschiedenen Tiergruppen. „Atmung ist ein integraler Bestandteil des Lebens“, betont Steven Perry. „Ihr Leitmotiv ist es, die Reaktion von Sauerstoff zu steuern und in lebenskompatible Bahnen zu lenken.“
Doppelt hält besser
Das Buch zeigt unter anderem, dass erstaunlich viele Tierarten mehrfache Atmungssysteme besitzen: Manche Amphibien (also Frösche oder Lurche) verfügen beispielsweise über Kiemen und Lungen. Spinnen dagegen decken die Grundversorgung ihres Körpers mit Sauerstoff über eine besondere Form von Lungen. Die Organe, die besonders hohe Stoffwechselleistungen vollbringen müssen, versorgen sie aber zusätzlich über Tracheen – dünne Schläuche, über die die Umgebungsluft (und damit der Sauerstoff) direkt an die Stelle gelangt, wo sie gebraucht wird.
Prof. Perry befindet sich seit mehr als zehn Jahren im Ruhestand. Die Atmungssysteme von Tieren beschäftigen ihn inzwischen seit fast fünf Jahrzehnten. Manche Zusammenhänge seien ihm dennoch erst während der Arbeit an dem Buch so wirklich bewusst geworden, sagt er. Dazu gehört beispielsweise die Erkenntnis, dass sich die Zellen jedes einzelnen heute lebenden Tieres die Sauerstoffbedingungen schaffen, wie sie vor 1,5 Milliarden Jahren bei der Entstehung der Atmung geherrscht haben. Perry: „Wir tragen in uns gewissermaßen die Erinnerung an eine Atmosphäre mit nur 10 Prozent des heutigen Sauerstoffgehalts.“
Prof. Dr. Steven Perry
Institut für Zoologie der Universität Bonn
Tel.: 0228/4223126
E-Mail: perry@uni-bonn.de
Steven F. Perry, Markus Lambertz und Anke Schmitz: Respiratory Biology of Animals. Evolutionary and Functional Morphology. Oxford University Press, DOI: 10.1093/oso/9780199238460.001.0001
Criteria of this press release:
Journalists
Biology
transregional, national
Scientific Publications
German
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