Vögel sind fleißige Tiere. Betrachten Sie insektenfangende Fliegenschnäpper, weit fliegende Küstenvögel und schwebende Kolibris, und Sie bekommen ein Bild davon, wie aktiv Vögel sein können. Deshalb bevorzugen sie energiereiche Nahrung und haben eine hohe Stoffwechselrate, die einen enormen Sauerstoffbedarf hat.
Das Atmungssystem von Säugetieren ist völlig unzureichend, um die Sauerstoffmengen zu liefern, die Vögel benötigen.
Beim Menschen zum Beispiel verbindet eine Röhre, die Luftröhre, unsere Nase und den hinteren Teil des Mundes mit unseren Lungen. Die Luftröhre teilt sich in zwei primäre Bronchien, die in die Lunge gelangen, wo sie sich in sekundäre Bronchien aufteilen, die sich wiederum in tertiäre Bronchien verzweigen. Aus diesen gehen kleine Röhren hervor, die Bronchiolen genannt werden und in dünnwandigen, traubenartigen Ansammlungen enden, die Alveolen genannt werden (in der obigen Abbildung links unten dargestellt). Umgeben von Kapillarnetzen sind die Alveolen die Orte für den Gasaustausch. Aufgrund von Druckunterschieden diffundiert Sauerstoff aus den Alveolen in die Blutkapillaren, und Kohlendioxid diffundiert aus den Blutkapillaren in die Alveolen.
Die Sackgassen-Natur unserer Lungen bedeutet, dass die Luft normalerweise in zwei Richtungen strömt – d.h. von den Nasenlöchern durch die Luftröhre zu den Alveolen und durch dieselben Kanäle wieder zurück. Daraus folgt, dass die erste Luft, die in die Alveolen eingeatmet wird, übrig bleibt und abgestanden ist, da sie den größten Teil ihres Sauerstoffs vor der letzten Ausatmung abgegeben hat. Der bidirektionale Luftstrom ist also ineffizient.
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Ein effizienteres System
Vögel verwenden ein effizienteres System, bei dem dünnwandige Luftsäcke mit der Lunge verbunden sind. Wie in der Abbildung des Kardinals gezeigt, füllen die Luftsäcke die Körperhöhle aus. Sie sind nicht direkt am Gasaustausch beteiligt, sondern fungieren als Blasebalg, um den Luftstrom durch die Lunge in eine Richtung zu lenken, von hinten nach vorne. Dies erhöht die Effizienz der Lunge.
Ein weiterer großer Unterschied zwischen Säugetieren und Vögeln ist, dass die traubenförmigen Alveolen durch dünnwandige, röhrenförmige Strukturen ersetzt werden, die Parabronchi genannt werden (in der Abbildung unten rechts). Wie die Alveolen des Menschen sind auch die Parabronchi der Vögel von reichlich Kapillaren bedeckt und dienen dem Gasaustausch. Parabronchi befinden sich überall in der Lunge zwischen den sekundären Bronchien. So wie sich die Luft in eine Richtung durch die Lunge bewegt, fließt sie auch in eine Richtung durch die Parabronchi, von einem sekundären Bronchus in den anderen.
Das Geniale an den Luftsäcken ist, dass sie einen kontinuierlichen, einseitigen Fluss sowohl während der Inspiration als auch der Exspiration ermöglichen. Die Luftsäcke sind in zwei Gruppen angeordnet: eine kommt von der Vorderseite der Lunge (anterior) und die andere von der Rückseite der Lunge (posterior). So funktioniert das System:
Bei der Inspiration dehnen sich die hinteren Lungenbläschen aus und ziehen Luft in die primären Bronchien, die am hinteren Ende der Lunge enden. Während ein Teil der Luft durch die sekundären Bronchien im hinteren Teil der Lunge und in die Parabronchien umgeleitet wird, gelangt der größte Teil der Luft direkt in die hintere Gruppe der Lungenbläschen. Gleichzeitig dehnen sich die vorderen Luftsäcke aus und ziehen Luft aus den Parabronchien durch die sekundären Bronchien. Dadurch entsteht der einseitige Fluss von hinten nach vorne durch die Lunge.
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Einseitiger Fluss
Bei der Exspiration ziehen sich die Lungenbläschen zusammen und drücken Luft aus beiden Lungenbläschengruppen. Die Luft aus den hinteren Luftsäcken bewegt sich durch die Parabronchien, während sich die Luft aus den vorderen Luftsäcken in die primären Bronchien und die Luftröhre und dann aus dem Körper bewegt. Ein Teil der verbrauchten Luft verbleibt im System, aber nicht genug, um die Gesamteffizienz wesentlich zu beeinträchtigen. Beachten Sie, dass sowohl bei der Inspiration als auch bei der Exspiration die Luft in eine Richtung durch die Parabronchi strömt.
Vögel atmen anders als Säugetiere, weil ihnen ein Zwerchfell fehlt. Sie bewegen die Luft in und aus ihren Lungen und Luftsäcken mit Hilfe spezieller Muskeln, die die Rippen und das Brustbein nach unten und vorne bewegen, wodurch sich die Körperhöhle ausdehnt und die Einatmung erfolgt, und dann nach oben und hinten, wodurch sich die Körperhöhle zusammenzieht und die Ausatmung erfolgt.
Die Thermoregulation ist eine weitere wesentliche Funktion der Luftsäcke. Durch die hohe Aktivität der Vögel entsteht viel Wärme, die abgeführt werden muss. Den Vögeln fehlen jedoch die wärmeabgebenden Schweißdrüsen, die wir besitzen.
Die Schweißdrüsen kühlen, indem sie ein salzhaltiges Sekret produzieren, das auf der Haut verdunstet. Die Wärme, die benötigt wird, um den Schweiß von einer Flüssigkeit in einen Dampf zu verwandeln, kommt von der Haut und kühlt sie dadurch. Vögel wandeln Wasser in den Luftsäcken auf ähnliche Weise in Dampf um, nur dass die Wärme, die zum Verdampfen des Wassers benötigt wird, aus Organen und Geweben stammt, die die Luftsäcke umgeben.
Ein fein abgestimmtes Atmungssystem, das die Luft in eine Richtung bewegt, ermöglicht das hohe Aktivitätsniveau der Vögel. Und die Luftsäcke helfen, die Temperatur zu regulieren, indem sie einen Mechanismus zur Ableitung überschüssiger Körperwärme bieten. Das System ist ein weiteres Beispiel für die erstaunliche Biologie der Vögel.
Dieser Artikel aus Eldon Greijs Kolumne „Amazing Birds“ erschien in der März/April 2014 Ausgabe von BirdWatching.