Der Begriff „Atmung“ bezieht sich auf zwei getrennte Prozesse, die beide in Lebewesen ablaufen und mit der Energiegewinnung zusammenhängen. Eine davon ist die physiologische Atmung, der Prozess, bei dem ein Organismus Sauerstoff aufnimmt und Kohlendioxid ausscheidet. Die zweite ist die Zellatmung, eine Reihe biochemischer Reaktionen, die es einer Zelle ermöglichen, Energie zu erzeugen.
Physiologische Atmung
Dieser Prozess beim Menschen und anderen Säugetieren besteht aus vier Phasen, und sie zeigen den Fortschritt des Sauerstoffs von der Inhalation in die Lunge bis zur Absorption durch innere Organe und andere Gewebe. Es umfasst auch das Ausatmen von Kohlendioxid.
Lüftung
Die erste Stufe ist die Beatmung, bei der Luft in die Alveolen der Lunge ein- und ausströmt. Dies sind faserige Kollagenstrukturen, die sich während der Inhalation ausdehnen, um die maximale Menge an Sauerstoff aufzunehmen; Beim Ausatmen ziehen sie sich zusammen und setzen Kohlendioxid frei. Alveolen sind nur in der Lunge von Säugetieren vorhanden; ähnliche Strukturen existieren jedoch bei anderen Wirbeltieren wie Reptilien und Vögeln.
Lungengasaustausch
In diesem Stadium gelangt Sauerstoff aus den Alveolen über die Lungenkapillaren in das Kreislaufsystem. Die Alveolen und die Lungenkapillaren sind durch eine nur zwei Zellen dicke Barriere getrennt; Sobald diese Barriere überwunden ist, binden Sauerstoffmoleküle an das Hämoglobin, ein spezielles Protein in den roten Blutkörperchen.
Gastransport
Der Gastransport beginnt in den Lungenkapillaren. In diesem Schritt bewegt sich an Hämoglobin gebundener Sauerstoff durch die Blutgefäße des Kreislaufsystems und gelangt schließlich in die Kapillaren im ganzen Körper. Kapillaren ernähren Organe, Drüsen und andere Gewebe, die eine ständige Sauerstoffzufuhr benötigen, um zu funktionieren.
Peripherer Gasaustausch
Die letzte Stufe ist der periphere Gasaustausch, bei dem Sauerstoff aus den Kapillaren in die Zellen gelangt. Dies geschieht ähnlich wie Gase zwischen Alveolen und Lungenkapillaren in der Lunge diffundieren. Abgase, wie beispielsweise von Zellen ausgeschiedenes Kohlendioxid, gelangen in die Kapillaren und gelangen durch das Kreislaufsystem in die Lunge, wo sie beim Ausatmen freigesetzt werden.
Andere physiologische Systeme
Die Atmung ist nicht ausschließlich auf Organismen mit Lungen beschränkt. Bei den meisten Fischarten kommt es beispielsweise in Kiemen vor, die es den Tieren ermöglichen, dem Wasser Sauerstoff zu entziehen. Bei Amphibien findet der meiste Gasaustausch über die Haut statt; Die Lunge bietet ein Mittel zur Kontrolle des Sauerstoffgehalts des Körpers, indem sie als sekundäre Sauerstoffquelle agiert. Pflanzen produzieren Sauerstoff durch Photosynthese und nehmen mehr durch Diffusion über ihre Blätter auf. Unabhängig vom physikalischen Vorgang nehmen alle diese Organismen Sauerstoff auf und scheiden Kohlendioxid aus, genau wie Säugetiere.
Zellatmung
Der Sauerstoff, der über die physiologische Atmung dem Gewebe zugeführt wird, wird in allen Zellen für den biochemischen Prozess der Zellatmung genutzt. Dieser Prozess, der auch als oxidativer Stoffwechsel bezeichnet wird, besteht aus einer Reihe chemischer Reaktionen, bei denen viele Sauerstoff beteiligt sind und die es dem Körper ermöglichen, bestimmte Moleküle in nutzbare Energie umzuwandeln. In tierischen und pflanzlichen Zellen finden die Reaktionen statt, die Nährstoffe in ein energiereiches Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP) umwandeln.
Sauerstoff wird für die Zellatmung benötigt, da während des gesamten Atmungsprozesses viele Oxidations-Reduktions-Reaktionen, auch Redox-Reaktionen genannt, auftreten. Dieses Gas ist ein starkes Oxidationsmittel, was bedeutet, dass es bei chemischen Reaktionen leicht seine verfügbaren Elektronen abgeben kann. Dies macht es sehr nützlich in Reaktionen.
Die dabei auftretenden Reaktionen werden auch als katabole bezeichnet, weil sie große Nährstoffmoleküle in kleinere zerlegen. Diese Moleküle sind Zucker, die aus Kohlenhydraten gewonnen werden; Fettsäuren aus Nahrungsfett; und Aminosäuren, abgeleitet von Protein. Beim Abbau der Nährstoffe werden Elektronen freigesetzt, und die Elektronen werden in Reaktionen verwendet, die ATP produzieren. Dieses energiereiche Molekül wird dann in Zellen verwendet, um fast alle Reaktionen anzutreiben, die in ihnen ablaufen.
Anaerobe Zellatmung
Bei Tieren und Pflanzen sowie bei vielen Bakterienarten ist die Art der Zellatmung aerob, was einfach bedeutet, dass Sauerstoff verwendet wird. Bei einigen Bakterienarten ist die Atmung anaerob, das heißt, sie verwendet keinen Sauerstoff. Stattdessen verwenden diese Organismen Moleküle wie Nitrat oder Schwefel als Ersatz. Einige haben sich sogar so weit entwickelt, dass sie nur in sauerstofffreien Umgebungen leben können.