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Gase, Wasser, Druck und Atmen wäre auch noch nett....

TheYeti

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Da hier immer wieder die tollsten Mythen über Sauerstoff und CO2 im Wasser und im Tier herumschwirren, habe ich mich dazu entschlossen ein Wenig Licht ins Dunkel bringen zu wollen. Mal schauen, ob das so funktioniert, wie ich mir das vorstelle. Man darf gespannt sein.

Daher erwartet den Leser hier ein munterer Ausflug in die Welt der Physik, Biologie, Chemie und Biochemie. Für all Diejenigen, welche nun schon wieder das Gesicht verziehen und den geistigen Abwehrzaun hochziehen sei gesagt, dass es so kompliziert nicht wird, wenn man bereit ist sich darauf einzulassen und mitzudenken.

Fangen wir also mal ganz langsam mit gelösten Gasen an:

Wie stark sich ein Gas in Wasser löst, oder auch nicht, wird von unterschiedlichen Faktoren bestimmt. Wichtig hierbei sind Temperatur und Partialdruck des entsprechenden Gases, um das Ganze möglichst übersichtlich darzustellen.

Für Sauerstoff wird hier eine Löslichkeit von 8,84mg/L angegeben für CO2 1,77g/L. Das ist eine ganze Menge CO2.

Warum ist es also mit so viel Aufwand verbunden, genug CO2 ins Wasser zu bekommen? Naja, oben habe ich den Begriff Partialdruck verwendet, und diesen Begriff müssen wir uns genauer anschauen, um hinter das Mysterium gucken zu können.

Der Naturforscher John Dalton (der hat nix mit Lucky Luke zu tun!!) hat zu diesem Thema das Dalton´sche Gesetz aufgestellt, welches besagt, dass Gase in einem Gemisch so viel zum Gesamtdruck beitragen, wie ihr Anteil am Gemisch entspricht.

Bei Luft steuert Sauerstoff mit 20,95% Volumenanteil auch 20,95% zum Gesamtdruck von 1013mbar (Normaldruck) bei. Stickstoff mit 78% natürlich auch 78% zum Gesamtdruck und, ihr ahnt es schon, CO2 mit etwa 0,33% auch nur 0,33/ des Gesamtdrucks.

Warum ist das jetzt wichtig? Vereinfacht kann man sagen, dass der Partialdruck ein Maß dafür darstellt, wie stark die einzelnen Gase versuchen durch eine Grenzfläche (Wasseroberfläche) zu gelangen.

Irgendwie passt diese Erklärung aber nicht zu den 8,84mg/L Sauerstoff und 1,77g/L CO2, oder? Richtig, diese Abweichung ist aber durch das Messverfahren zu erklären:

Um auszuprobieren, wieviel CO2 sich z.B. bei 20°C in Wasser maximal lösen kann, lässt man reines CO2 durch Wasser blubbern, und das auch noch in einem geschlossenen System. Somit ist der Partialdruck in diesem Fall gleich dem Gesamtdruck, weil das Gas ja zu 100% aus CO2 besteht, was in der Natur ja nicht passiert (außer vielleicht in Senken oder Grotten, die voll CO2 stehen).

Aber ich glaube man kann jetzt nachvollziehen, warum es mühsam ist CO2 im Wasser anzureichern. Den Beweis für meine Ausführungen hat übrigens jeder schon in der Hand gehabt: Die Mineralwasserflasche. Hier sorgt ein erhöhter Druck dafür, dass sich mehr CO2 im Wasser löst. Öffnet man die Flasche, so sinkt der Druck schlagartig ab und das „Zuviel“ an CO2 perlt spontan aus.

Wer bis jetzt mitgelesen und mitgedacht hat, ist sicher am Begriff „Grenzfläche“ hängen geblieben, und das völlig zu Recht.

Ein Gas aus der Luft muss natürlich die Grenzfläche Wasser-Luft überwinden. Wenn man sich die Wasseroberfläche als eine Art Tür zum Wasser vorstellt, so kann man sich gut vorstellen, dass eine größere Tür (größere Grenzfläche) einen schnelleren Wechsel von Gasmolekülen ermöglicht.

Fassen wir mal zusammen: In Abhängigkeit von Temperatur und Partialdruck können sich Gase bis zu einem Maximalwert in Wasser lösen. An diesem Wert kann man nichts machen, man kann jedoch die Geschwindigkeit beeinflussen, mit der sich der Wert einstellt, indem man die Grenzfläche vergrößert oder verkleinert.

Damit wäre auch erklärt, warum Luftsprudler CO2 austreiben bzw. Sauerstoff einbringen können, denn die vielen Blasen vergrößern die Grenzfläche massiv und das Maximum stellt sich einfach schneller ein. Bei 30mg/L CO2 im Wasser handelt es sich also nur um einen Rückstau an der Grenzfläche auf dem Weg zur Einstellung des druckabhängigen Maximalwertes. Der Sprudler stellt durch Oberflächenvergrößerung nur eine weitere Fahrspur zur Verfügung, um den Stau aufzulösen.

Für heute soll es mal genug sein. Beim nächsten Mal werfen wir dann einen Blick auf die Anatomie von Kiemen und Blutgefäßen, bevor wir uns dann den Gastransport im Blut bzw. in der Perilymphe und die zugehörigen Transportproteine anschauen.

VG vom Himalaya
Yeti
 
Hallo,

wie versprochen geht es heute weiter.

Nachdem wir uns ja schon mit dem Überwinden von Grenzflächen, diesen Vorgang nennt man übrigens Diffusion, beschäftigt haben, müssen wir mal schauen, wie es mit so einem Gasmolekül weitergeht, wenn es erstmal in der Flüssigkeit angekommen ist.

Wenn wir von Diffusion sprechen, so meinen wir damit die Verteilung von Teilchen (Molekülen) in einem Raum oder einem Medium (z.B. einer Flüssigkeit).
Angetrieben wird die Diffusion von der Brown´schen Molekularbewegung. Das klingt sehr kompliziert, aber eigentlich meint es nur, dass Teilchen hin und her schwingen, und sich dadurch durch einen Raum oder ein Medium bewegen können.
Wie schnell die Teilchen schwingen hängt hierbei von der vorhandenen Energie ab. Da es Energie in verschiedenen Formen gibt, ist Wärme hier ein guter Maßstab. Und in der Tat schwingen Teilchen umso schneller, je höher die Temperatur, und umso langsamer, je niedriger die Temperatur ist.

Wenn man sich bewusst machen will, dass sich Teilchen auf diese Art bewegen können, so muss man sich eigentlich nur vorstellen was passiert, wenn man auf der Stelle auf und ab hüpft. Sicher hat jeder schon bemerkt, dass man sich zufällig mehr oder weniger stark vom Startpunkt wegbewegt.
Genau dies passiert auch bei der Molekularbewegung, und Teilchen bewegen sich so durch einen Raum oder ein Medium.

Eigentlich sehr praktisch, dass sich Teilchen mal eben von allein durch die Gegend bewegen, könnte man meinen. Dummerweise hängt es vom Zufall ab, in welche Richtung so ein Teilchen gerade hüpft. Auf lange Sicht sagt die Statistik zwar, dass sich alle Teilchen im zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig verteilen, und so überall am Ende die gleiche Konzentration vorherrscht, dummerweise dauert das unter Umständen und je nach Entfernung aber eine ganze Weile, und nicht immer hat man die Zeit darauf zu warten.

Wie langsam Diffusion ist verdeutlich folgendes Beispiel: Die meisten Bakterien sind etwa 1µm groß. Das ist ein Millionstel Meter, um mal etwas gut sichtbares als Vergleichsgröße zu nehmen. Von der Membran bis zur Mitte des Bakteriums wäre es sogar nur ein halber µm. Da sollte man eigentlich meinen, dass solch eine winzige Strecke locker mit Diffusion hüpfend zurückgelegt werden kann. Aber genau das ist nicht der Fall, und so leistet sich das Bakteriem spezielle Transportmechanismen um Stoffe gezielt und zügig in, aus und durch die Zelle transportieren zu können.

Wenn man jetzt bedenkt, dass Sauerstoff und Kohlendioxid über lange Strecken von der Lunge oder den Kiemen ins Gewebe oder zurück transportiert werden müssen wird klar, dass ein Organismus sich da nicht auf Diffusion verlassen kann.

Aus diesem Grund hat die Natur Transportproteine entwickelt, die Sauerstoff und CO2 zügig durch das Blut oder die Hämolymphe transportieren.
Bei Wirbeltieren handelt es sich um Hämoglobine, während es sich bei Wirbellosen um Hämocyanine handelt. Eine Ausnahme stellt hier die Posthornschnecke dar, die auch Hämoglobin benutzt.

Da Hämoglobine und Hämocyanine jedoch viel pfiffigere Konstruktionen sind, als eine einfache Schubkarre oder Tragetasche zum Warentransport darstellen, und das sinnvoll zu erklären ein wenig Zeit erfordert, mache ich hier mal einen Break. Aber es geht weiter. Versprochen.


VG vom Himalaya
Yeti
 
Hallo,
bin schon auf die Fortsetzung gespannt...
 
Hallo Yeti,

sehr interessant bisher. Ich freue mich auf weitere Teile.

Danke und viele Grüße
Dominik
 
Hallo,

ich hatte ja versprochen noch ein Wenig über Hämoglobin und Hämocyanin zu erzählen. Anfangen werde ich mal mit dem Hämoglobin, denn da meine Patienten eigentlich die meiste Zeit Menschen sind, habe ich mich von berufswegen natürlich deutlich intensiver mit Hämoglobin befassen müssen. Da Hämoglobin der Atemgastransporter der Wirbeltiere ist, und Fische schließlich auch Wirbeltiere sind, fange ich einfach mal damit an.

Um es vorweg zu nehmen: Hämoglobin ist auf seine eigene Art schön. Ok, jetzt zweifelt ihr wahrscheinlich am Verstand des Yeti, aber ich habe mal ein wenig im Netz nach einem Bild unter Creative Commons Lizenz gesucht, um das hier zeigen zu können.
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten Moleküle darzustellen, um bestimmte Strukturen hervorzuheben und besser sichtbar zu machen.Beim Hämoglobin wird oft eine Kombination aus dem Bänder-und dem Stäbchenmodell genutzt, um die Bindungszentren für Sauerstoff und CO2 zu zeigen. Hier ist mal ein Bild davon, ohne groß zu erklären, was man da sieht:
480px-1GZX_Haemoglobin.png
Quelle: Von Zephyris aus der englischsprachigen Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2300973

Schon irgendwie hübsch, oder?
Aber jetzt mal zur Funktion dieses hübschen Kameraden zurück. Welche Aufgaben muss das Hämoglobin denn eigentlich so erfüllen?

1. In der Lunge soll es Sauerstoff aufnehmen und während des Transports im Blut festhalten, damit nix abhanden kommt
2. Im Gewebe soll es Sauerstoff abgeben und gleichzeitig CO2 aufnehmen, um es zur Lunge zu transportieren, wo es abgeatmet werden kann

Wenn wir uns das Bild des Hämoglobins nochmals anschauen und ein Wenig unserer Phantasie einsetzen, so sieht die Bandstruktur irgendwie aus wie ein haufen Sprungfedern. Aufgrund seines Aufbaus möchte das Molekül genauso aussehen, wie es das auf dem Bild auch tut. Gleichzeitig ist das Molekül quasi "elastisch" und unbeladen befindet es sich in einem entspannten Zustand.
Beim Begriff Partialdruck hatte ich ausgeführt, dass dieser Druck von der Größe des Anteils eines Gases am gesamten Gasgemisch abhängt. Vereinfacht setzen wir diese Aussage jetzt einfach mal mit dem Begriff Konzentration gleich.
Bei hoher Sauerstoffkonzentration, wie z.B. in der Lunge, wird das Hämoglobin mit Sauerstoff beladen und dabei zusammengedrückt und verformt. Unsere Ansammlung von Federn wird also unter Spannung gesetzt. Je mehr Sauerstoff dem Hämoglobin aufgpackt wird, desto mehr wir das Molekül unter Spannun gesetzt. Wenn jetzt das vollbeladene Molekühl durch die Arterien schwimmt, so passiert erstmal nichtwirklich viel, denn die großen Gefäße haben eine viel zu dicke und derbe Wand um einen Austausch mit dem Gewebe zuzulassen.


Ganz anders sieht das dann aber in den ganz feinen und dünnen Kapillargefäßen aus: Hier herrscht ein sehr geringer Sauerstoffpartialdruck, denn hier wird der Sauerstoff verbraucht und seine Konzentration ist somit niedrig. Wir das Hämoglobin jedoch durch den Sauerstoffpartialdruck nicht mehr gezwungen seine Sauerstofffracht (wie mir 3 f in Folge in den Augen weh tun!), so gibt es den Sauerstoff Schritt für Schritt ab.
Gleichzeitig ist der CO2-Partialdruck in den Gewebskapillaren jedoch deutlich höher als in der Lunge oder den Kiemen, denn hier gibt das Gewebe ja sein Kohlendioxid ab. Dadurch wird das Hämoglobin nun mit Kohlendioxid beladen und transportiert dieses zur Lunge, wo der Vorgang von vorn beginnt.


Jetzt habe ich gestern vollmundig behauptet, das die Transportproteine Hämoglobin und Hämocyanin mehr sind als eine Schubkarre oder eine Einkaufstüte zum Transport. Dies ist auch wirklich so, denn das Hämoglobin ist in der Lage, sich an die wechselnde Belastung des Körpers anzupassen und so die Atmung zu optimieren.
Es ist nämlich so, dass Sauerstoff besonders leicht bei saurem pH-Wert oder in Anwesenheit hoher CO2-Konzentrationen abgegeben wird. Auch Wärme erleichtert diesen Vorgang. Dies macht auch Sinn, denn wenn ein Gewebe eine hohen Sauerstoffbedarf hat und folglich viel CO2 loswerden muss, soll das Hämoglobin möglichst allen Sauerstoff ausladen und zur Verfügung stellen. Der gleiche Effekt tritt bei saurem pH auf. Um zu begreifen, warum dieser Effekt nützlich ist, müssen wir uns fragen, wann ein Gewebe "sauer" wird.
Ein gutes Beispiel ist hier der Muskel: Bekommt ein Muskel unter Belastung zu wenig Sauerstoff, so muss er anaerob arbeiten. Davon hat jeder Sportler schon gehört und versucht dem durch Trainig zu begegnen. Wenn ein Muskel anaerob arbeitet, so beginnt er durch Milchsäuregärung Energie zu gewinnen. Hierbei kommt es zu einem Überschuss an Milchsäure (Lactat. Deswegen der Lactat-Test in der Leistungsdiagnostik bei Sportlern) im Muskel: Der Muskel übersäuert.
Dadurch sinkt der pH im Muskelgewebe und Hämoglobin gibt dadurch seinen Sauerstoff leichter ab, um dem Sauerstoffmangel entgegenzuwirken.
Gleichzeitig wird Kohlendioxid leichter aufgenommen und abtransportiert. Dieser Effekt wird zusätzlich dadurch verstärkt, dass ein arbeitender Muskel sich erwärmt.


Für heute soll das auch erstmal reichen und in der nächsten Runde werfen wir dann mal einen Blick auf das Hämocyanin der Wirbellosen.


VG vom Himalaya
Yeti



Ach so! Bevor ich es vergesse: Fragen sind natürlich erlaubt und erwünscht. Für mich ist das in meinem Kopf ja alles voll logisch, weil ichs gewohnt bin. Wenn man aber kein verknotetes Yeti-Gehirn hat, kann das auch schon anders ausschauen. Daher immer nachfragen, wo nötig.
 
Zuletzt bearbeitet:
Noch kann ich folgen (glaube ich) und freue mich auf die Fortsetzung.

Danke für die Mühe :thumbup:

Johannes
 
Zuletzt bearbeitet:
Hallo,
dem folgt keine normale " Socke".
Post 1 ist Grundwissen, aber die anderen 2.
Top Yeti, echt genial.
LG Reiner:party:
 
So, nächste Woche gibts ein paar Tage Urlaub. Dann wirds wohl hier auch mal weitergehen.

VG vom Himalaya
Yeti
 
Hallo,

wie versprochen werde ich heute einmal ein wenig über das Hämocyanin erzählen. Wenn ich "das" Hämocyanin schreibe, so stimmt das eigentlich nicht so wirklich, denn es gibt verschiedene Hämocyanine, je nachdem aus welcher Tierart das Hämocyanin gewinnt. Alle Arthropoden verwenden Hämocyanin als Sauerstofftransporter. Im Gegensatz zum Hämoglobin der Vertebraten schwimmt das Hämocyanin jedoch frei in der Hämolymphe der Tiere, anstatt in spezialisierten Blutzellen konzentriert zu sein.
Dies hat natürlich auch Auswirkungen auf das Hämocyanin, denn es ist in der Hämolymphe sämtlichen chemisch-physikalischen Einflüssen ausgesetzt, während der Stoffwechsel des Erythrozyten dem Hämoglobin noch eine gewisse Konstanz in den Umgebungsbedingungen ermöglicht.
Gleichzeitig sind die Nutzer des Hämocyanins in der Regel wechselwarm, verfügen also über keine konstante Körpertemperatur. Somit muss das Hämocynin mit wechselnden Temperaturen klarkommen und trotzdem eine ausreichende Sauerstoffversorgung sicherstellen. Das ist allerdings nicht so einfach, weshalb meistens eine Anpassung an den jeweiligen Lebensraum erfolgt und die Tiere außerhalb dieses klar umrissenen Lebensraums nicht mehr vorkommen.

Im Gegensatz zum Hämoglobin, wo Eisen zur Bildung eines Bindunszentrum für Sauerstoff verwendet wird, ist das Bindungselement im Falle des Hämocyanins Kupfer. Sauerstoffarmes Hämocyanin ist farblos, während suerstoffbeladenes Hämocyanin eine blaue Farbe aufweist.
Generell kann man sagen, dass die Sauerstoffbindungskapazität vom Hämocyanin geringer ausgeprägt ist (bis zu 75% geringer, im speziellen Fall).
Die Spezialisierung der Hämocyanine auf die Lebensbedingungen wird deutlich, wenn man einmal die Hämocynine von Kopffüsslern aus unterschiedlichen Biotopen vergleicht:

Der Riesenkalmar lebt z.B. vor den Küsten von Norwegen, Südafrika, Neuseelands, Australien, Japan, Neufundlands, aber auch Großbritanniens in Tiefen über 300m und können Größen von bis zu 10 Metern (mit ausgestreckten Tentakeln) erreichen. In ihrem Lebensraum ist es mit ca. 6° C verhältnismässig kühl, gleichzeitig ist der Sauerstoffgehalt des Wasser in dieser Tiefe recht gering.
Durch Anpassung an diese Lebensbedingungen nimmt sein Hämocyanin bei niedrigem Sauerstoffpartialdruck und niedriger Temperatur schon maximale Sauerstoffmengen auf. Mit steigender Temperatur nimmt die Sauerstoffbindefähigkeit seines Hämocyanins jedoch rapide ab, weshalb immer höhere Sauerstoffpartialdrücke erforderlich werden, um eine ausreichende Sauerstoffsättigung zu erreichen. Gelangt ein solcher Riesenkalmar ins warme Oberflächenwasser, so führt dies zu akuter Atemnot, bis hin zum Ersticken, denn sein Hämocyanin kann bei 15-20° Wassertemperatur nicht mehr genug Sauerstoff binden, um seinen Körper ausreichend zu versorgen, obwohl in Oberflächennähe ein deutlich höherer Sauerstoffpartialdruck vorherrscht.
Betrachtet man Kopffüsser der Flachwasserregion, so sind diese deutlich stärkeren Temperaturschwankungen ausgesetzt, gleichzeitig ist das Sauerstoffangebot in Oberflächennähe deutlich größer. Das Hämocyanin der Tiere aus der Flachwasserregion ist daher, je nach Klimaregion, in der Lage bei höheren Temperaturen noch ausreichend Sauerstoff zu binden, wenn der Sauerstoffpartialdruck hoch genug ist. Bei kühleren Temperaturen wird die maximale Sauerstoffsättigung des Hämocyanins bei gleichbleibendem Sauerstoffpartialdruck früher erreicht, während steigende Temperaturen die Sauerstoffbindungskapazität verschlechtern.

Was können wir aus diesen Ausführungen für unsere Aquarien und damit unsere Schützlinge ableiten?

Ich denke mir wird jeder beipflichten, wenn ich behaupte, dass unsere kleinen Paddler wohl eher zu den Tieren der Flachwasserregion zählen. Gleichzeitig findet man z.B. Caridina Logemannii in Südchina/HongKong, wo die Temperatur im Jahresmittel 22,5°C beträgt und dabei zwischen 14 und 31°C variiert. Da man Wasser- und Lufttemperatur nicht einfach gleichsetzen kann (Außer vielleicht bei ner Kaffetasse voll Wasser), kommt es wohl ganz gut hin, wenn wir einmal 16-26° Wassertemperatur übers Jahr hinweg annehmen, was sich mit den Beobachtungen im Aquarium ganz gut deckt.

Gibt es in einem Becken Problem, so scheint es sinnvoll die Wärmezufuhr zum Becken zu unterbrechen und das Wasser relativ kühl zu halten. Dadurch steigt zum einen der Sauerstoffgehalt des Wassers, zum anderen wird die Sauerstoffsättigung des Hämocyanins früher erreicht, und den Tieren so das Atmen erleichtert. Dies bedeutet natürlich nicht, dass man ein Becken jetzt richtig runterkühlen soll, denn biochemische Prozesse benötigen auch Energie und ein wenig Stoffwechsel muss schon sein.

Gerne hätte ich euch noch ein Strukturbild des Hämocyanins gezeigt, allerdings habe ich kein gemeinfreies Bild gefunden welches ein komplettes Hämocyaning gezeit hätte.


VG vom Himalaya
Yeti
 
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