Tiere mit Lungenatmung müssen bei einem Leben im Wasser ihre
gesamte Physiologie auf Tauchgänge umstellen. Wale, Robben und
Seekühe haben sich dabei zu wahren Meistern entwickelt. Sie atmen
vor einem Tauchgang nicht ein sondern aus, was die Löslichkeit von
Stickstoff in den Geweben stark einschränkt. Der
Hämoglobingehalt des Blutes sowie der Myoglobingehalt der Muskeln
ist bei ihnen stark erhöht, so daß sich im Organismus eine
hohe Sauerstoffreserve ergibt. Die Durchblutung der Organe wird
während des Tauchens verändert, so daß sich der
Sauerstoffbedarf minimiert. Ihre Energiegewinnung können sie gut
auf anaerobe Mechanismen umstellen.
Meere und Seen sind als Lebensgrundlage sehr attraktiv. Zahlreiche
hochentwickelte Wirbeltiere bevorzugen deshalb trotz ihrer Lungenatmung
ein Leben im Wasser. Sie modifizierten als ursprünglich
landlebende Lebensformen ihre Physiologie und paßten sich an ein
Wasserleben an. Unter den Säugetieren haben beispielsweise Robben,
Seekühe und Wale eine völlig aquatische Lebensweise
entwickelt und verlassen das Wasser nur selten oder überhaupt
nicht. Primaten sind dagegen dem Leben im Wasser wenig zugeneigt und
unter ihnen besitzt allein der Mensch eine ausgesprochene Vorliebe zum
nassen Element. Das Leben am und im Wasser ist insbesondere bei der
Nahrungssuche mit langen Tauchgängen verbunden. Bei einer
Luftatmung über die Lunge muß deshalb während eines
Tauchvorgangs die gesamte Physiologie des Organismus umgestellt werden,
so daß gegenüber den rein landlebenden höheren
Lebensformen beachtliche Funktionsmodifikationen notwendig sind.
Probleme ergeben sich dabei hauptsächlich aus der
Energieversorgung, die trotz einer unterbrochenen Sauerstoffzufuhr
kontinuierlich verlaufen muß und aus einer Zunahme des
Wasserdruckes auf den Organismus.
Adenosintriphosphat (ATP) ist der wichtigste Energieträger der
Zelle und wird bei jeder Lebensfunktion verbraucht. ATP wird auf diese
Weise zum eigentlichen Treibstoff des Lebens. Zur maximalen
ATP-Gewinnung werden im Normalfall in der Zelle Zucker, Fettsäuren
und Aminosäuren unter Verbrauch von Sauerstoff abgebaut und die
freigesetzte Energie abgespeichert. Fehlt Sauerstoff, ist die
Energieausbeute aus dem Abbau extrem reduziert. So können beim
Abbau von einem Mol Glucose unter dem Verbrauch von Sauerstoff 30 bis
38 Mol ATP gewonnen werden und ohne Verbrauch von Sauerstoff nur 2 bis
3 Mol. Jeder längere Tauchvorgang reduziert deshalb mit der
abnehmenden Sauerstoffreserve die Energieversorgung des Organismus.
Säugetiere mit einer Anpassung an das Wasser haben zahlreiche
Strategien entwickelt, um in ihrem Körper eine Sauerstoffreserve
für den Tauchvorgang zu schaffen. Gute Taucher bevorzugen dabei
allerdings nicht die Lunge, sondern legen im Organismus selbst eine
Sauerstoffreserve an. Robben und Wale atmen zum Beispiel vor dem
Tauchen aus und nicht wie der Mensch ein. Sie speichern Sauerstoff
nicht in der mitgeführten Atemluft, sondern hauptsächlich im
Blut und im Muskelgewebe. Eine durchschnittliche Robbe wiegt rund 30 kg
und ein durchschnittlicher Mensch rund 70 kg, dennoch hat die Robbe
etwa soviel Blutvolumen wie der Mensch. Daneben kann die Robbe pro ml
Blut mehr Sauerstoff als der Mensch abspeichern. Bei 100 ml
menschlichem Blut liegt die Sauerstoffspeicherkapazität bei rund
20 ml, bei Walen und Robben dagegen beim gleichen Blutvolumen bei 30
bis 40 ml. Zusätzlich können Wale und Robben in ihren Muskeln
noch einmal große Mengen von Sauerstoff binden, der nach und nach
verbraucht werden kann. Diese Speicherleistung übernimmt das
Muskelprotein Myoglobin. Die Muskeln eines Menschen enthalten pro kg
etwa 6 g Myoglobin, die Muskeln eines Portwales dagegen pro kg rund 56
g und die Muskehl der Seehunde pro kg rund 52 g. Myoglobin bindet
Sauerstoff ähnlich wie das Hämoglobin der Roten
Blutkörperchen und ist für die rötliche Farbe von
Muskelfleisch verantwortlich. Das Fleisch der Robben und Wale ist
deshalb wesentlich dunkler gefärbt als das Fleisch von
Säugetieren an Land. Pro kg Muskelgewebe hat der Mensch durch
Myoglobin eine Sauerstoffbindungskapazität von rund 8 ml, der
Pottwal jedoch von rund 76 ml und die Seehunde von rund 70 ml. Nach der
Zusammenfassung aller Daten besitzt die Robbe pro kg Körpergewicht
eine doppelt so große Sauerstoffreserve wie der Mensch.
Um den Sauerstoffverbrauch einzuschränken, wird während eines
Tauchvorganges der Kreislauf modifiziert. Es kommt unter Wasser zu
einem Tauchreflex, und der Herzschlag beginnt sich zu verlangsamen
(Bradykardie); ein Phänomen, das auch beim Menschen beobachtet
werden kann. Schlägt bei der Kegelrobbe an Land das Herz noch rund
120 mal pro Minute, so kann sich der Herzschlag beim Tauchen bis auf
nur vier Schläge pro Minute reduzieren. Um den arteriellen
Blutdruck dennoch konstant zu halten, verengen sich die
Blutgefäße. Das Blut wird außerdem unterschiedlich in
den einzelnen Körperbereichen verteilt. Gehirn, Nervensystem und
Herz werden weiterhin normal versorgt, während die Eingeweide
vermindert durchblutet werden. Muskeln erhalten ebenfalls weniger Blut
und beginnen die Sauerstoffreserven des Körpers anzuzapfen.
Gleichzeitig setzt eine stetig wachsende anaerobe Energiegewinnung ein
und Lactat wird als Abfallprodukt an das Blut abgegeben. Bei
Tauchgängen von unter zehn Minuten kann die Robbe noch von ihren
Sauerstoffreserven zehren, dauert der Tauchgang allerdings länger,
nimmt die anaerobe Energiegewinnung zu und die Schwimmgeschwindigkeit
wird verlangsamt. Bei einem Tauchgang von etwa 45 Minuten ist ihr
Lactatgehalt im Blut bis auf rund 4 µmol pro ml angestiegen. Der hohe
Lactatgehalt stört zunächst nur wenig, denn erst nach dem
Auftauchen werden alle Organe wieder normal durchblutet und das
abgelagerte Lactat ausgewaschen. Jetzt können sich kurzzeitig
Konzentrationen von bis zu 14 µmol Lactat pro ml Blut ergeben. Die
Tiere benötigen nun bis zum nächsten Tauchgang eine kurze
Erholungsphase.
Mit der Wassertiefe steigt der Wasserdruck, weil beträchtliche
Wassermassen auf einem tauchenden Organismus lasten. Etwa alle zehn
Meter Wassertiefe nimmt im Meer der Wasserdruck um ungefähr l bar
zu. Werden Luftreserven mitgeführt, beginnt sich in
Abhängigkeit zur Tauchtiefe und Tauchdauer der Stickstoff der Luft
im Blut und in den Geweben zu lösen; besonders gut löst sich
dabei Stickstoff im Körperfett. Im gesamten Organismus kann es
durch diesen gelösten Stickstoff zu Vergiftungen kommen und das
Gehirn meldet einen Tiefenrausch, der ähnlich wie ein
Alkoholrausch wirkt. Schließlich kann sogar eine
Stickstoffnarkose eintreten. Insbesondere der Mensch wird am Ende eines
Tauchganges anfällig für die Caisson-Krankheit. Sobald er
auftaucht, perlt der gelöste Stickstoff als kleine Bläschen
aus und kann zu massiven Schädigungen führen.
Gasbläschen können dabei Blutkapillaren verschließen
und in den Gelenken heftige Schmerzen verursachen, im Gehirn
können sie schließlich zum Tod führen. Es herrscht eine
Situation wie bei einer verschlossenen Sprudelflasche. Wird diese
aufgedreht, beginnen im Wasser durch den Druckabfall ebenfalls
Gasbläschen zu perlen. Ein menschlicher Taucher darf deshalb nur
sehr langsam und mit Pausen auftauchen, daneben muß er
häufig noch bis zur Normalisierung seiner Physiologie in einer
Druckkammer verbleiben. Der gelöste Stickstoff kann beim Menschen
nur langsam die Gewebe verlassen, um dann über die Lunge wieder
ausgeatmet zu werden. Tauchende Seeschlangen sind hier weniger
empfindlich, denn sie können zusätzlich Stickstoff über
die Haut abgeben. Wale, Robben und andere an ein Wasserleben
angepaßte Säugetiere kennen solche Probleme nicht. Sie atmen
vor dem Tauchen einfach aus, so daß nur sehr wenig Luft in der
Lunge verbleibt und deshalb kaum Stickstoff in die Gewebe eindringen
kann. Bei der Wedell-Robbe ist die Lunge sogar ab 25 Meter Tiefe
völlig kollabiert und von der Durchblutung ausgeschlossen. Beim
Pottwal wird die Lunge bei zunehmender Tiefe gefaltet und die geringe
Restluft ab 100 Meter in die von Knochenringen verstärkte
Luftröhre gepreßt. In der Lunge gibt es anschließend
keinen Gasaustausch mehr. Der Pottwal kann durch diese Technik mehr als
1100 Meter tief tauchen und der See-Elefant mehr als 1500 Meter (das
Tier hält dabei einen Druck von rund 150 atm aus). Ein See-Elefant
kann zusätzlich noch etwa zwei Stunden lang die Luft anhalten, und
es ist ein Rätsel, wie er die dabei ansteigende
Lactatkonzentration kontrolliert. Wale, Seekühe und Robben
können außerdem problemlos und ohne Caisson-Krankheit aus
großen Tiefen rasch und senkrecht zur Meeresoberfläche
aufsteigen. Dennoch, auch der Mensch ist zu beachtlichen Leistungen
fähig. Ohne Hilfsmittel und allein mit angehaltenem Atem tauchte
Umberto Pelizzari 1992 rund 72 Meter tief; Alejandro Ravelo hielt
sogar 1993 am Boden eines Schwimmbades liegend für 6 Minuten und
41 Sekunden die Luft an und stellte damit einen Weltrekord auf. Der
Durchschnittsmensch kann allerdings nur l bis 2 Minuten die Luft
anhalten.
Die Ama Die japanischen Muscheltaucherinnen
Ama zählen zu den erfahrensten Taucherinnen der Welt. Sie tauchen
ohne Anzug und Atemgerät. In Tiefen von bis zu 20 Meter sammeln
sie unterschiedliche Schalentiere, aber auch Seegras oder
Kopffüßler. Bei Tiefen von 5 bis 7 Meter bleiben sie rund 15
Sekunden für ihre Sammelaktivitäten am Meeresboden und
können den Tauchgang bis zu 60 mal pro Stunde wiederholen. In
großen Tiefen dauert der Tauchgang rund l Minute, wobei die
Hälfte der Zeit für das Ab- und Auftauchen benötigt
wird. Bei der Arbeit in großen Tiefen können sie pro Tag
etwa 100 Tauchgänge absolvieren. Aufgrund ihrer großen
Erfahrungen, die über Jahrhunderte gesammelt werden konnten, gibt
es keine Hinweise, daß Ama unter der Caisson-Krankheit leiden. Zu
den Ama gehören nur Frauen. Die Beschäftigung ist
äußerst anstrengend, so daß die Zahl der Ama in Japan
inzwischen auf unter 1000 abgesunken ist.
Beim Tauchen in großen Tiefen ist der Mensch zusätzlich den
Gefahren von Druckverletzungen oder Barotraumen ausgesetzt. Alle
luftgefüllten Organe wie Lunge, Magen, Schädelhöhlen
oder auch schadhafte und hohle Zähne müssen enorme
Druckbelastungen aushalten und werden schadensanfällig. Die
menschliche Lungen füllt beispielsweise an der
Meeresoberfläche noch ein Volumen von rund 5 Liter aus, in etwa 40
Meter Tiefe wird sie jedoch durch den hohen Druck auf ein Volumen von
etwa l Liter zusammengepreßt (Abb. 1). In noch
größeren Tiefen läßt sich die menschliche Lunge
nicht weiter komprimieren und es kann zu schweren Verletzungen kommen.
Abb. 1: Das I.ungenvolumen (LV) des Menschen nimmt beim Tauchen
mit zunehmender Tiefe ab. Die Ursache liegt im steigenden Druck. Im
Inneren der Lunge steigt insbesondere der Sauerstoffpartialdruck (Po,)
dramatisch an (nach Schmidt, Thews).
Lungengefäße sowie -häute werden jetzt überdehnt
und können reißen. Gleichzeitig wird das Herz durch den
hohen Außendruck kleiner. In den luftgefüllten
Schädelhöhlen muß der Druck über den
Nasen-Rachen-Raum ausgeglichen werden und das Trommelfell kann platzen.
Gleichzeitig können Schleimhäute durch eine eingepreßte
erhöhte Blutfülle unter großen Schmerzen reißen.
Knochenschäden treten hauptsächlich an den großen
Gelenken wie Knie, Schulter oder Becken auf. Hat der Mensch vor dem
Tauchgang noch hyperventiliert, kann es zu Schwindelanfällen
kommen und die eigene Sauerstoffreserve wird falsch eingeschätzt.
Wird vor dem Tauchen noch rasch reiner Sauerstoff eingeatmet, wird die
Situation ebenfalls gefährlich, denn reiner Sauerstoff ist
für den Menschen langfristig ein Gift.
Literatur
Heldmeier, G., Neuweiler, G., Vergleichende Tierphysiologie, Bd. 2,
Vegetative Physiologie, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg (2004)
Schmidt-Nielsen, K., Physiologie der Tiere, Spektrum Akad. Verlag,
Heidelberg-Berlin (1999)
Schmidt, R.,Thews, G. (Hrsg.), Physiologie des Menschen, Springer
Verlag, Berlin-Heidelberg (1995)
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