Wirbellose sind ein äußerst vielfältiges Völkchen – weit vielfältiger als die relativ kleine Gruppe der Wirbeltiere. Dementsprechend haben die Wirbellosen eine riesige Vielfalt an Lebensformen und Körperplänen. Betrachten wir (vorerst) nur die Wirbellosen, die Luft atmen (und lassen vorübergehend diejenigen beiseite, die Sauerstoff aus dem Wasser beziehen).
Einige Wirbellose haben Lungen, obwohl sie sich von den Lungen der Wirbeltiere stark unterscheiden. Viele Schnecken haben eine gut durchblutete Lunge, die vom Mantel abgeleitet ist (das ist das Gewebe, das die Körperhöhle bildet und die inneren Organe umgibt; es bildet auch die Schale). Der Mantel bildet einen dünnwandigen Beutel, der sich nach außen hin öffnet. In den Beutel gelangt Luft und der Sauerstoff diffundiert in das Blut. Aber im Gegensatz zu den Wirbeltieren ist das Blut nicht in Blutgefäßen (wie Kapillaren) enthalten, sondern füllt Räume in der Körperhöhle aus. Bei diesen Schnecken (und den meisten anderen Mollusken) wird der Sauerstoff in Lösung (nicht in Blutzellen) durch Moleküle des kupferhaltigen Hämocyanins transportiert (im Gegensatz zum eisenhaltigen Hämoglobin der Wirbeltiere); das Blut ist bläulich, wenn es mit Sauerstoff angereichert ist. Diese Anordnung ist bei Landschnecken und einigen Süßwasserschnecken, die zum Luftholen an die Oberfläche kommen, üblich und kommt auch bei einigen marinen Arten in der Gezeitenzone oder im Mündungsgebiet vor.
Landkrabben haben eine Art Lunge, die aus einer modifizierten Kiemenkammer besteht. Funktionale Kiemen sind rudimentär oder nicht vorhanden. Ein Beispiel ist die Kokosnusskrabbe: Diese riesige Krabbe ist mit den Einsiedlerkrebsen verwandt, aber sie ist terrestrisch und benutzt Lungen zum Atmen. Die meisten terrestrischen Arthropoden (Krabben, Spinnen, Insekten usw.) haben eine Form von Hämocyanin im Blut. Die Larven bestimmter Mücken, die manchmal auch als Blutwürmer bezeichnet werden, sind jedoch insofern außergewöhnlich, als sie Sauerstoff mit einer Art Hämoglobin einfangen (daher sind sie rot gefärbt).
Die meisten Spinnen haben Strukturen, die „Buchlungen“ genannt werden, aber diese sind ganz anders als die Lungen von Wirbeltieren oder Schnecken oder Landkrabben. Sie öffnen sich unter dem vorderen Teil des Hinterleibs nach außen und bestehen aus einer Reihe von Säcken, die jeweils parallele Reihen von dünnen, blutgefüllten Blättern enthalten, die durch Luftkanäle getrennt sind (wie die Blätter eines Buches?). Dort findet der Gasaustausch statt, aber zusätzlich haben Spinnen auch „Tracheen“, die sich über einen Spirakel nach außen öffnen; sie sind verstärkte luftgefüllte Röhren, die sich durch den Körper verzweigen.
Luftatmende Insekten sind generell auf ein Tracheensystem angewiesen, um die Zellen mit Sauerstoff zu versorgen. Spirakeln im Außenskelett führen zu verzweigten „Bäumen“ aus immer kleineren Tracheen – die kleinsten erreichen einzelne Zellen (wie auch bei Spinnen). Durch die Tracheen kommt der Sauerstoff herein und das Kohlendioxid geht hinaus. Obwohl das Tracheensystem durch Blut, das sich in der Körperhöhle (nicht in Blutgefäßen) bewegt, etwas ergänzt wird, ist die Hauptfunktion des Insektenblutes nicht die Atmung; es dient hauptsächlich dazu, Nahrung aus dem Verdauungstrakt und Abfallprodukte zu den Ausscheidungsorganen sowie Hormone zu bestimmten Geweben zu transportieren.
Einige Wasserinsekten atmen auch Luft. Zum Beispiel sind Rattenschwanzmaden die aquatischen Larven bestimmter Schwebfliegen (auch bekannt als Blütenfliegen), die Blüten bestäuben. Eine untergetauchte Larve hat am Ende ihres Hinterleibs eine Röhre, die bis an die Wasseroberfläche reicht, wo Luft in die Röhre eindringen kann. Einige aquatische Mückenlarven tun dies auch. Naturforscher vergleichen diese Gewohnheit manchmal mit dem Schnorcheln.
Andere Wasserinsekten nehmen Luft mit, wenn sie untertauchen. Ausgewachsene Raubtier-Tauchkäfer haben am Hinterleib unter den Spitzen der Flügeldecken Luftspiralen. Ein erwachsenes Tier kann mit dem Kopf nach unten an der Oberfläche ruhen und die Flügeldecken anheben, um die Spirakel der Luft auszusetzen – und so Luft atmen, während es dort ruht. Wenn er taucht, kann er Luft unter den Flügeldecken speichern. Wasserschiffer haben eine Unterseite, die mit dichten, unbenetzbaren Haaren bedeckt ist, die eine Wasserschicht an den Spirakeln des Hinterleibs einschließen. Diese Luftspeicher können mit dem Wasser Gase austauschen und so den ursprünglichen Sauerstoffvorrat wieder auffüllen.
Extrem kleine terrestrische Wirbellose haben gar keine speziellen Atmungssysteme. Sie sind so klein, dass im Verhältnis zum Körpervolumen sehr viel Oberfläche vorhanden ist, und Sauerstoff und Kohlendioxid diffundieren einfach durch die äußere Hülle. In ähnlicher Weise vollziehen Regenwürmer mit ihrer langen dünnen Form und viel Oberfläche pro Volumeneinheit den Gasaustausch einfach durch ihre feuchte Haut.
– Mary F. Willson ist eine pensionierte Professorin für Ökologie. „On The Trails“ ist eine wöchentliche Kolumne, die jeden Mittwoch erscheint.