Luftige Dinosaurier

31.12.2013

Neuere Erkenntnisse über die Atmungsorgane der Dinosaurier, die ein höchst effizentes Atmen ermöglichten

In "Insel des vorigen Tages" hat Umberto Eco auf "Moby Dick" verwiesen: Wenn es Herman Melville recht und billig war, im Roman ein ganzes Kapitel über Wale unterzubringen und die Cetologie gekonnt darzulegen, so wollte Eco auch ein Kapitel über die Systematik der Papageien im eigenen Roman haben - was er auch tat. Kurz vor Neujahr sollte uns Normalsterblichen gestattet sein, den Lesern ein Kapitel über Dinosaurier anzubieten.

Seit jeher faszinieren Dinosaurier sowohl Naturwissenschaftler als auch das allgemeine Publikum. Jedes Jahr werden neue Fossilien ausgegraben, die zusätzliche Puzzleteile zum Gesamtbild dieser Lebewesen beitragen. Dinosaurier mit Federn, noch größere und gewaltigere Tiere, sowie noch frühere Verwandte der Vögel werden in allen Kontinenten, inklusive der Antarktika, regelmäßig entdeckt.

Dabei wurde erst im letzten Jahrzehnt eine spannende Forschungsrichtung rund um die Atmungsorgane der Dinosaurier eröffnet: Es geht um Luftsäcke, jene Organe, die bei Vögeln die Atmung mitbestimmen und sie gleichzeitig sehr leicht für den Flug machen. Es stellt sich heraus, dass Dinosaurier auch solche pneumatische Konstrukte im Körper aufwiesen, womit sie leichter wurden, aber vor allem effizienter atmen konnten. Dinosaurier beziehen viel mehr Sauerstoff aus der Luft, als Säugetiere extrahieren können (pro Flächeneinheit der Lunge gemessen). Sie waren, zusammen mit ihren Nachfahren, den Vögeln, die effizientesten Tier-Kraftwerke, welche die Natur je hervorgebracht hat.

Atmosphärischer Sauerstoff

Sauerstoff ist deswegen so wichtig für die Atmung geworden, weil er schnell mit vielen anderen Elementen reagiert und dabei viel Energie freisetzt. Atmosphärischer Sauerstoff war am Anfang der Erdentwicklung kaum vorhanden. Nach der Entstehung des Lebens und durch die Photosynthese der Pflanzen und Algen stieg der Anteil von Sauerstoff in der Atmosphäre jedoch graduell an: Es wurde mehr und mehr davon produziert, während die Meere beträchtliche Konzentrationen von Kohlenstoffen absorbiert haben, die andernfalls sofort Sauerstoff gebunden hätten.

Im Laufe der Jahrmillionen hat sich deshalb der prozentuelle Anteil des Sauerstoffs in der Atmosphäre ständig aus den Bedingungen des Lebens auf der Erde ergeben. Sind bewaldete Flächen wegen geologischen Phänomenen bzw. tektonischen Prozessen kleiner geworden, ist auch der Sauerstoffanteil in der Atmosphäre gefallen. Wohingegen der Sauerstoffanteil in Epochen anstieg, in denen die Vegetation auf der Erde explodiert ist. Heute atmen wir in einer Atmosphäre mit 21% Sauerstoff. Es gab jedoch geologische Epochen, bei denen dieser Anteil bis auf 10% gesunken war, und andere, bei denen der Anteil um bis zu 30% stieg.

Abb. 1 zeigt eine Kurve der postulierten Konzentration von Sauerstoff in der Erdatmosphäre während der letzten 600 Millionen Jahre. Obwohl die Fehlergrenzen für jede Epoche nicht unbeträchtlich sind, sieht man trotzdem einen deutlichen Rückgang des Sauerstoffanteils in der Trias (vor etwa 250 Millionen Jahren), der dann in der Jura wieder langsam ausgeglichen wurde. Das ist das Zeitalter der Dinosaurier.

Abb. 1: Sauerstoff- und CO2-konzentration in der Erdatmosphäre (vor 600 Millionen Jahren bis heute). Das Sauerstoff-Maximum tritt beim Permian auf, das Minimum am Ende der Trias. Abbildung aus Peter Ward, Out of Thin Air, National Academy of Sciences, USA, 2006.

Niemand hat wirksamer auf die Beziehung zwischen Tiermorphologie, Atmung und Sauerstoff in der Atmosphäre hingewiesen als Peter Ward in seinem Werk "Out of Thin Air" (2006), aus dem Abb. 1 stammt. Das Buch mutet manchmal wie eine großangelegte monokausale Erklärung des Lebens auf der Erde an, ist aber durch seine zugespitzten Aussagen, die dann mit paläontologischen Befunden falsifiziert werden können, wertvoll.

Wards These ist einfach: Ein Vorfahre der Dinosaurier hat vor mehr als 250 Millionen Jahren das effiziente Atmen entwickelt. Statt wie die Säugetiere Luft in die Lunge (eine Sackgasse) ein- und dann auszuatmen (womit wir die Hälfte der für die Sauerstoffaufnahme verfügbaren Zeit vergeuden), konnte Luft durch die Bronchien der Dinosaurier ohne Unterbrechung und nur in eine Richtung fließen, so wie bei heutigen Vögeln. Damit wird pro Zeit- und Lungenflächeneinheit mehr Sauerstoff aus der Luft extrahiert. Vögel können z.B. über die Alpen oder sogar den Himalaya fliegen, in Höhen, bei denen Säugetiere sofort das Bewusstsein verlieren würden.

Diese Anpassung an die niedrige Sauerstoffkonzentration der Trias und Jura hat den Dinosauriern die Herrschaft über die Erde beschert. Weniger effiziente und langsamere Tiere sind verschwunden. Während der Zeit der Dinosaurier konnten Säugetiere nur wenige ökologische Nischen besetzen -- sie waren nachtaktiv und von begrenzten Dimensionen.

Vögel benutzen für ein solches Kunststück Luftsäcke, die im Körper verteilt sind. Beim Einatmen fließt Luft durch die Lunge, füllt aber auch die Luftsäcke im vorderen und hinteren Körperbereich. Beim Ausatmen entleeren sich die Luftsäcke, die als Blasebälge arbeiten, und Luft fließt weiter durch die Bronchien und nach außen. Die Bronchien werden somit ständig mit frischer Luft versorgt. Abb. 2 zeigt, wie dieses "Turboladen" bei Vögeln durch die Zusammenarbeit der vorderen und hinteren Luftsäcke operiert.

Abb. 2: Atmung der Vögel. Links Einatmung, rechts Ausatmung. Luft strömt kontinuierlich durch die Bronchien.

Man wünschte sich als Säugetier ein so effizientes Atmungssystem zu haben, denn Luftsäcke ermöglichen folgendes:

  • Mit solchen Atmungsorganen hatten Dinosaurier mehr Energie und Ausdauer als andere Tiere. Während einige heutige kleine Reptilien nicht gleichzeitig rennen und atmen können, hatten Dinosaurier bei Verfolgungsjagden den längeren Atem.
  • Luftsäcke erhöhen die Oberfläche des Körpers, womit die Tiere sich schneller abkühlen können. Das wäre für Dinosaurier mit ihren massiven Leibern sehr wichtig gewesen. Außerdem arbeitet das ganze vollautomatisch: Mehr Anstrengung erzeugt mehr Sauerstoffdurchfluss und damit eine größere Kühlleistung.
  • Luftsäcke führen zu einem leichteren Körper. Wenn ein Tier einige Tonnen auf die Waage bringt, so hilft jeder hohle Raum Gewicht einzusparen. Dinosaurier und Vögel haben anscheinend diese "Pneumatizität" bis auf die Spitze getrieben.

Dinosaurier könnte man deswegen als agile Kraftwerke auffassen. Sie waren überdies leicht, da sie schlicht und einfach aufgebläht waren. Bei den Theropoda, mit ihrem aufrechten Gang, waren außerdem die Lungen von den Muskelbewegungen der Beine entkoppelt.

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