Wie atmen Fische unter Wasser? Ein Blick in die erstaunliche Kieme

Atmen ist für uns selbstverständlich: Mund auf, Lunge voll Luft, und Sauerstoff strömt ins Blut. Fische leben von Wasser umgeben, brauchen aber ebenfalls Sauerstoff – und bekommen ihn, ohne je Luft zu holen. Ihr Geheimnis ist eines der effizientesten Organe der Natur: die Kieme.

Das Sauerstoffproblem

Wasser enthält Sauerstoff, aber nicht als Teil des Wassermoleküls. Fische nutzen gelösten Sauerstoff, also Sauerstoffgas aus der Luft, das sich im Wasser gelöst hat. Davon gibt es nicht viel: Ein Liter Luft enthält etwa 280 Milligramm Sauerstoff, ein Liter kühles Süßwasser nur rund 10 Milligramm – etwa 30-mal weniger.

Außerdem ist Wasser rund 800-mal dichter als Luft, es über eine Atemfläche zu bewegen, kostet also viel mehr Kraft. Fische brauchen daher ein Organ, das jedem Schluck Wasser möglichst viel Sauerstoff entzieht.

Wie Kiemen funktionieren

Die meisten Knochenfische haben auf jeder Kopfseite vier Kiemenbögen, geschützt von einer harten Klappe, dem Kiemendeckel. Jeder Bogen trägt zwei Reihen dünner Kiemenblättchen, und jedes Blättchen ist mit winzigen Falten bedeckt, den Lamellen. Deren Wände sind nur wenige Zellen dick und voller Kapillaren, der kleinsten Blutgefäße.

Die Atmung läuft so ab:

1. Der Fisch öffnet das Maul und senkt den Mundboden, sodass Wasser einströmt, während die Kiemendeckel geschlossen bleiben.
2. Er schließt das Maul und hebt den Mundboden, wodurch das Wasser über die Kiemen gedrückt wird.
3. Sauerstoff diffundiert aus dem Wasser durch die dünnen Lamellen ins Blut, Kohlendioxid in die Gegenrichtung ins Wasser.
4. Das Wasser tritt durch die Kiemenspalten hinter dem Kopf aus.

Anders als in unserer Lunge, wo Luft denselben Weg hinein und hinaus nimmt, strömt Wasser nur in einer Richtung durch die Kiemen. Zusammen bieten alle Lamellen eine riesige Austauschfläche, bei manchen schnellen Schwimmern mehr als das Zehnfache ihrer Körperoberfläche.

Der Gegenstromtrick

Das eigentlich Geniale an Kiemen ist die Strömungsrichtung. In den Lamellen fließt das Blut dem Wasser entgegen – das Gegenstromprinzip.

Warum ist das wichtig? Auf seinem Weg durch eine Lamelle trifft das Blut ständig auf Wasser mit etwas mehr Sauerstoff, also geht über die ganze Länge Sauerstoff ins Blut über. Flössen Blut und Wasser gleichgerichtet, erreichten sie bald denselben Sauerstoffgehalt, und der Austausch käme auf halber Strecke zum Erliegen. Dank Gegenstrom holen Fische bis zu etwa 80 % des Sauerstoffs aus dem Wasser, das über ihre Kiemen strömt. Menschliche Lungen nehmen dagegen nur etwa ein Viertel des Sauerstoffs aus jedem Atemzug auf.

Mehr als Atmen

Kiemen sind Multitalente. Wie der Physiologe David Evans und Kollegen in einer großen Übersichtsarbeit beschrieben, sorgen sie außerdem für:

• den Salz- und Wasserhaushalt: Meeresfische pumpen überschüssiges Salz über spezielle Kiemenzellen hinaus, Süßwasserfische nehmen Salz auf;
• die Ausscheidung: Den Großteil ihres Stickstoffabfalls geben Fische als Ammoniak über die Kiemen ab, nicht über den Urin;
• die Regulierung des Säuregehalts im Blut.

Ungewöhnliche Atmer

• Stauatmer. Manche Haie, Thunfische und Makrelen schwimmen mit offenem Maul und lassen die Vorwärtsbewegung das Wasser über die Kiemen treiben. Einige müssen in Bewegung bleiben, um richtig zu atmen.
• Luftatmende Fische. Lungenfische haben neben Kiemen auch Lungen; Afrikanische Lungenfische überstehen Trockenzeiten monatelang im Schlamm und atmen Luft. Kampffische und Guramis besitzen ein Labyrinthorgan, mit dem sie an der Oberfläche Luft schnappen – nützlich in warmem, sauerstoffarmem Wasser.
• Gar keine Fische. Wale und Delfine leben im Wasser, sind aber Säugetiere mit Lungen und müssen zum Atmen auftauchen.

Warum Fische an Land ersticken

Luft enthält viel mehr Sauerstoff als Wasser – warum also stirbt ein Fisch an Land? Außerhalb des Wassers fallen die zarten Blättchen und Lamellen zusammen und verkleben, wie nasses Haar, das man aus der Badewanne hebt. Die Fläche zur Sauerstoffaufnahme schrumpft dramatisch, und die Kiemen trocknen aus. Der Fisch erstickt, umgeben von Sauerstoff.

Fische können auch im Wasser ersticken. Warmes Wasser hält weniger Sauerstoff, und Verschmutzung oder Algenblüten verbrauchen ihn – deshalb kommt es in heißen Sommern in Seen und Teichen manchmal zu Fischsterben.

Kurz gesagt

• Fische atmen mit Kiemen, dünnen Blättchen voller Blutgefäße.
• Wasser enthält etwa 30-mal weniger Sauerstoff als Luft – Kiemen müssen sehr effizient sein.
• Wasser strömt in einer Richtung durchs Maul hinein und durch die Kiemenspalten hinaus.
• Das Gegenstromprinzip lässt Fische bis zu etwa 80 % des Sauerstoffs nutzen.
• Kiemen regeln außerdem den Salzhaushalt und scheiden Ammoniak aus.
• An Land fallen die Kiemen zusammen – Fische ersticken trotz des Sauerstoffs in der Luft.