Holger Weitzel | Sarah Gogolin | Sabrina Mathesius

Arielle – Fisch oder Säugetier?

Holger Weitzel | Sarah Gogolin | Sabrina Mathesius

Die kleine Meerjungfrau „Arielle ist ein „Halbwesen: halb Fisch, halb Säugetier. Arielle wünscht sich sehnlich, statt unter Wasser bei den Menschen an Land zu leben. Im Unterricht werden am Beispiel der kleinen Meerjungfrau Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen den Wirbeltierklassen Fisch und Säugetier erarbeitet. Ein Fokus liegt dabei auf der Kiemen- und Lungenatmung.

Meerjungfrauen sind beliebte Filmfiguren. Am bekanntesten ist wohl Disneys sehr freie Verfilmung des Märchens „Die kleine Meerjungfrau von Hans Christian Andersen. „Arielle ist ein „Halbmensch: Mit ihrer Schwanzflosse kann sie sich hervorragend im Wasser fortbewegen, ohne in Atemnot zu geraten. Zugleich ist sie in der Lage, aus dem Wasser aufzutauchen, ihre Flosse abzuwerfen und an Land das Leben eines Menschen zu führen.
Aus biologischer Sicht besonders interessant ist Arielles Fähigkeit, sowohl im Wasser als auch an der Luft zu atmen, da die Verfügbarkeit des lebensnotwendigen Sauerstoffs in beiden Medien völlig unterschiedlich ist. So enthält Luft etwa 30 mal mehr Sauerstoff als Wasser. Um mit einem Liter Sauerstoff in Berührung zu kommen, müssen Landbewohner bei 20 °C etwa 5l Luft, Wasserlebewesen dagegen rund 140l Wasser bewegen (Heldmaier/Neuweiler 2004). Mit steigenden Temperaturen sinkt der Sauerstoffgehalt von Wasser, weil sich Sauerstoff anders als viele Salze bei höheren Temperaturen schlechter in Wasser löst. Bei 30 °C enthält Wasser nur halb so viel Sauerstoff wie bei 0 °C.
Dagegen ist Wasser der Luft in Bezug auf Dichte und Viskosität um den Faktor 800 bzw. 50 überlegen. Mit Blick auf die Atmung kehrt sich der Vorteil allerdings in einen Nachteil um: Aufgrund der höheren Dichte und Viskosität diffundiert Sauerstoff im Wasser etwa 1.000 Mal langsamer als in der Luft. Dies erhöht den Energieaufwand für den Gastransport: Wasserlebende Wirbeltiere wenden bis zu 20 Prozent ihrer gesamten Stoffwechselenergie allein dafür auf, Sauerstoff aus dem Wasser aufzunehmen (Hickman u.a. 2011), während landlebende Säugetiere in Ruhe lediglich ein bis zwei Prozent ihrer Stoffwechselenergie für die Sauerstoffaufnahme benötigen.
Kiemen und Lungen gegensätzlich angeordnet
Die Stoffwechselenergie wird nicht für den eigentlichen Gasaustausch benötigt, denn der beruht ausschließlich auf Diffusion, also auf der spontanen thermischen Bewegung von Molekülen. Die Menge der über Diffusion ausgetauschten Gase ist proportional zur Austauschfläche und zur Konzentrationsdifferenz und umgekehrt proportional zur zurückzulegenden Strecke. Anders gesagt: Um möglichst viel Sauerstoff pro Zeiteinheit zu bewegen, müssen die Aufnahmefläche und die Differenz der Sauerstoffkonzentrationen zwischen Außenmedium und Atemorgan möglichst groß, die trennenden Epithelien dazwischen aber möglichst dünn sein.
Vor seinem Übergang in das Blut muss der Sauerstoff in Gewebsflüssigkeit gelöst werden. Um die Diffusion zu ermöglichen, müssen die Oberflächen, an denen der Gasaustausch stattfindet, feucht sein. Bei wasserlebenden Tieren ist dies normalerweise kein Problem, bei luftatmenden Tieren dagegen schon: Je nach äußeren Bedingungen kann das Feuchthalten der Atemoberfläche zu einem erheblichen Wasserdefizit führen. Bei Land- und Wasserlebewesen sind die Atmungsorgane daher umgekehrt angeordnet:
  • Bei Wasserlebewesen, die keine Austrocknung befürchten müssen, aber mit der niedrigen Sauerstofflöslichkeit im Wasser zu kämpfen haben, sind die respiratorischen Oberflächen nach außen gerichtet (Material 3).
  • Bei Landlebewesen sind hingegen die respiratorischen Oberflächen von der trockenen Außenluft abgewandt.
Gemeinsam ist Kiemen und Lungen die starke Vergrößerung der äußeren bzw. inneren Oberflächen, über die der Gasaustausch erfolgt, und die damit verbundene gute Durchblutung. Die innere Oberfläche einer menschlichen Lunge ist z.B. mit 70 – 90 m2 so groß wie eine mittelgroße Wohnung und die Länge...

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aus: Unterricht Biologie Nr. 413 / 2016

Hollywood-Biologie

Friedrich+ Kennzeichnung Unterricht (45-90 Min) Schuljahr 5-13