Wie atmen Vögel? Luftsäcke und Einbahnlunge erklärt

Vögel atmen mit einem System, das sich grundlegend von unserem unterscheidet. Ihre Lunge ist klein und starr, und eine Reihe dünnwandiger Luftsäcke, meist 9 Stück, arbeitet wie ein Blasebalg, der Luft in einer Richtung durch die Lunge drückt. Dank dieser Einbahnströmung streicht beim Einatmen und beim Ausatmen frische Luft über die Gasaustauschflächen. Ein einzelner Atemzug braucht zwei vollständige Atemzyklen, um das System zu durchlaufen, und ein Zwerchfell haben Vögel nicht: Sie atmen, indem sie Rippen und Brustbein bewegen.

Diese Bauweise gehört zu den effizientesten Atemsystemen der Wirbeltiere. Sie hilft zu erklären, wie Vögel stundenlang fliegen können und wie manche Arten die höchsten Gebirge der Erde überqueren.

Kurz beantwortet: Wie atmen Vögel?

• Die Luftsäcke pumpen. Ballonartige Säcke in Brust und Bauch dehnen sich aus und ziehen sich zusammen, um die Luft zu bewegen.
• Die Lunge bleibt fast unbewegt. Die Vogellunge ist kompakt und mit den Rippen verwachsen, ihr Volumen ändert sich kaum.
• Die Luft strömt in einer Richtung. In der Lunge fließt sie durch feine Röhrchen, die Parabronchien, immer in dieselbe Richtung.
• Zwei Zyklen pro Atemzug. Eine bestimmte Portion Luft wird über zwei Ein- und Ausatemzyklen eingeatmet, durch die Lunge geführt und ausgeatmet.
• Kein Zwerchfell. Muskeln bewegen Rippen und Brustbein und weiten oder verengen so die Leibeshöhle.
• Kreuzstrom-Austausch. Das Blut fließt quer zum Luftstrom und holt dabei sehr wirksam Sauerstoff heraus.

Aus welchen Teilen besteht das Atmungssystem eines Vogels?

Wie gelangt die Luft hinein?

Die Luft tritt durch die Nasenlöcher ein, die meist an der Basis des Oberschnabels liegen, oder durch den Schnabel. Sie strömt die Luftröhre hinunter, die bei Vögeln von vollständigen Ringen aus Knorpel oder Knochen gestützt wird. Am unteren Ende der Luftröhre sitzt die Syrinx, das Stimmorgan der Vögel, wo sich der Luftweg in zwei Hauptbronchien teilt, einen für jeden Lungenflügel.

Vögel haben im Verhältnis zu ihrer Größe oft eine lange Luftröhre. Bei manchen Kranichen und Schwänen bildet sie sogar Schlingen im Brustbein, was vermutlich die Resonanz ihrer Rufe beeinflusst. Wer den trompetenden Ruf ziehender Kraniche im Herbst gehört hat, hat das Ergebnis dieser Bauweise im Ohr. Eine längere Luftröhre bedeutet mehr “Totraum”, der Luft enthält, ohne am Gasaustausch teilzunehmen. Vögel gleichen das teilweise durch eine weitere Luftröhre und tiefere Atemzüge aus.

Wie sieht die Vogellunge aus?

Die Vogellunge ist klein, dicht und schwammig und liegt an Rippen und Wirbelsäule entlang des Rückens der Leibeshöhle. Anders als die Säugetierlunge bläht sie sich nicht auf und fällt nicht zusammen, ihr Volumen ändert sich nur wenig. Sie besteht aus vielen parallel liegenden Röhrchen, den Parabronchien. Von jedem Parabronchus zweigt ein Geflecht feinster Luftkapillaren ab, das mit Blutkapillaren verwoben ist. Dort tritt Sauerstoff ins Blut über und Kohlendioxid verlässt es.

Die Schranke zwischen Luft und Blut ist bei Vögeln extrem dünn, im Durchschnitt dünner als bei Säugetieren, was den Gasen einen schnellen Übertritt ermöglicht.

Was sind die Luftsäcke?

Luftsäcke sind dünne, durchsichtige, ballonartige Gebilde, die einen großen Teil der Leibeshöhle ausfüllen. Die meisten Vögel haben neun:

Die Säcke sind nur spärlich durchblutet und tragen kaum direkt zum Gasaustausch bei. Ihre Aufgabe ist es, Luft zu speichern und zu bewegen. Einige reichen bis in Knochen hinein und füllen diese mit Luft, wie der Artikel haben Vögel hohle Knochen erklärt.

Wie bewegt sich die Luft durch die Vogellunge?

Das ist der Kern der Sache. Verfolgen wir eine Portion Atemluft durch das System:

1. Erstes Einatmen. Der Vogel weitet seine Leibeshöhle. Die frische Luft strömt die Luftröhre hinab, umgeht die Lunge größtenteils und fließt in die hinteren Luftsäcke, also die hinteren Brust- und die Bauchluftsäcke.
2. Erstes Ausatmen. Die Leibeshöhle wird zusammengedrückt. Die hinteren Säcke schieben die frische Luft nach vorn in die Lunge, wo sie durch die Parabronchien strömt und das Blut Sauerstoff aufnimmt.
3. Zweites Einatmen. Beim nächsten Einatmen wandert die nun sauerstoffarme Luft aus der Lunge in die vorderen Luftsäcke, also Hals-, Schlüsselbein- und vordere Brustluftsäcke. Gleichzeitig füllt ein neuer Atemzug die hinteren Säcke.
4. Zweites Ausatmen. Die vorderen Säcke drücken die verbrauchte Luft durch die Luftröhre hinaus, während die hinteren Säcke den neuen Atemzug durch die Lunge schicken.

In der Praxis überlappen sich alle vier Schritte. Bei jedem Ein- und jedem Ausatmen fließt Luft in derselben Richtung durch die Lunge. Deshalb bekommt die Vogellunge fast ununterbrochen frische Luft.

Woher “weiß” die Luft, wohin sie strömen soll?

Die Vogellunge hat keine Ventile. Die Einbahnströmung entsteht durch die Form und die Winkel der Atemwege, die die Luft je nach Druckverhältnissen auf bestimmte Bahnen lenken. Fachleute sprechen von aerodynamischer Ventilwirkung. Messungen des Luftstroms und Modellrechnungen haben diese Erklärung gestützt.

Worin unterscheidet sich das von der menschlichen Atmung?

Die Lunge der Säugetiere endet in Millionen winziger, blind endender Bläschen, den Alveolen. Die Luft strömt hinein und auf demselben Weg wieder hinaus, deshalb bleibt immer etwas verbrauchte Luft zurück und vermischt sich mit der frischen. Vögel umgehen dieses Problem, weil die Luft durch die Lunge hindurchströmt, statt in Sackgassen zu enden.

Warum ist die Vogellunge so effizient?

Was ist Kreuzstrom-Austausch?

In der Vogellunge verlaufen die Blutkapillaren schräg zum Luftstrom über die Parabronchien. Während die Luft einen Parabronchus entlangströmt, trifft sie auf eine Reihe von Blutgefäßen, von denen jedes etwas Sauerstoff aufnimmt. Weil jedes Gefäß auf Luft mit etwas anderem Sauerstoffgehalt trifft, kann das Blut, das die Lunge verlässt, am Ende mehr Sauerstoff enthalten als die ausgeatmete Luft. Diese Kreuzstrom-Anordnung gilt allgemein als wirksamer als die der Säugetiere, auch wenn Fischkiemen mit ihrem Gegenstromprinzip noch effizienter sind.

Warum braucht der Flug eine so gute Lunge?

Der Schlagflug gehört zu den energieaufwendigsten Tätigkeiten im Tierreich. Die Flugmuskeln brauchen eine gleichmäßige, hohe Sauerstoffversorgung. Einbahnströmung, eine sehr dünne Gasaustauschschranke und Kreuzstrom-Austausch helfen Vögeln zusammen, diesen Bedarf zu decken. Kolibris, die mit sehr schnellen Flügelschlägen in der Luft stehen, haben eine der höchsten Stoffwechselraten aller Wirbeltiere. Wild leben Kolibris nur in Amerika, doch das Prinzip gilt genauso für unsere heimischen Vögel. Mehr dazu in wie Kolibris in der Luft stehen.

Wie atmen Vögel in großer Höhe?

Wie hoch können Vögel fliegen?

Manche Vögel fliegen erstaunlich hoch. Streifengänse ziehen zwischen Zentralasien und Südasien über den Himalaya. Eine 2011 in PNAS veröffentlichte Studie verfolgte ihre Überquerungen per Satellitentelemetrie und fand, dass sie auf etwa 6.000 Meter steigen, oft nachts und am frühen Morgen, wenn die Luft kälter und dichter ist. Anekdotische Berichte, nach denen sie direkt über die höchsten Gipfel fliegen, lassen sich schwerer belegen.

Den bekanntesten Höhenrekord hält ein Sperbergeier, der 1973 über Westafrika mit einem Verkehrsflugzeug zusammenstieß, in einer angegebenen Höhe von etwa 11.300 Metern. Es ist ein Einzelfall, aber er zeigt, dass manche Vögel extreme Höhen erreichen können.

Was macht den Flug in großer Höhe möglich?

Die Effizienz der Vogellunge ist ein Teil der Antwort, doch mehrere weitere Anpassungen tragen dazu bei. Streifengänse haben ein Hämoglobin mit höherer Sauerstoffaffinität als Gänse des Flachlands, im Verhältnis zur Körpergröße größere Lungen als viele andere Wasservögel und eine tiefe, effiziente Atmung. Vögel vertragen außerdem niedrige Kohlendioxidwerte im Blut besser als Säugetiere. Dadurch können sie in der Höhe kräftig atmen, ohne den Schwindel zu bekommen, unter dem ein Mensch leiden würde.

Atmen andere Tiere wie Vögel?

Vögel sind nicht die einzigen Tiere mit Einbahnströmung in der Lunge. Eine 2010 in Science veröffentlichte Studie von Farmer und Sanders fand eine gerichtete Luftströmung in der Lunge des Mississippi-Alligators, obwohl Alligatoren keine Luftsäcke wie Vögel haben. Ähnliche Befunde wurden seither bei einigen Echsen beschrieben. Diese Entdeckungen deuten darauf hin, dass die Einbahnströmung schon vor den Vögeln entstand, möglicherweise bei einem gemeinsamen Vorfahren von Krokodilen und Dinosauriern, und in der Linie der Vögel später verfeinert wurde.

Fossilien von Dinosauriern stützen diese Geschichte. Viele Theropoden hatten luftgefüllte Wirbel mit Öffnungen, die genau zu den Positionen der Luftsäcke bei Vögeln passen.

Wofür nutzen Vögel ihre Atmung sonst noch?

Wie hilft die Atmung beim Singen?

Vogelgesang wird vom Atmungssystem angetrieben. Aus den Luftsäcken gedrückte Luft strömt durch die Syrinx, wo Membranen schwingen und den Ton erzeugen. Weil die Syrinx genau an der Gabelung der Atemwege sitzt, können viele Singvögel beide Seiten getrennt steuern und zwei Töne gleichzeitig erzeugen. Singvögel nehmen außerdem zwischen den Tönen schnelle “Mini-Atemzüge”, so können sie lange, komplexe Gesänge vortragen, ohne dass ihnen die Luft ausgeht. Der minutenlange Gesang einer Nachtigall oder eines Zaunkönigs, der für seine Größe erstaunlich laut schmettert, wäre ohne diese Technik kaum möglich. Mehr dazu in wie Vögel ihren Gesang lernen.

Wie hilft die Atmung beim Abkühlen?

Vögel schwitzen nicht. An heißen Tagen hecheln sie mit offenem Schnabel, was die Verdunstungskühlung über die feuchten Oberflächen der Atemwege verstärkt. Viele Arten nutzen zusätzlich das Kehlsackflattern, bei dem die dünne Haut der Kehle schnell vibriert und so mehr Feuchtigkeit verdunstet. Die Luftsäcke könnten die Kühlung unterstützen, weil sie die feuchte Oberfläche vergrößern, an der Luft vorbeistreicht. Im Hochsommer sieht man Amseln und Spatzen im Garten oft mit geöffnetem Schnabel im Schatten sitzen: Das ist genau dieses Hecheln, und eine flache Vogeltränke hilft ihnen dann besonders.

Wie beeinflusst die Atmung die Wärme im Winter?

Bei Kälte gewinnen die Nasengänge vieler Vögel einen Teil der Wärme und Feuchtigkeit aus der ausgeatmeten Luft zurück, bevor sie den Körper verlässt. Zusammen mit aufgeplustertem Gefieder und einer nachts abgesenkten Körpertemperatur verringert das den Wärmeverlust. Siehe wie Vögel im Winter warm bleiben.

Wie schnell atmen Vögel?

Die Atemfrequenz hängt vor allem von Körpergröße und Aktivität ab. Als Faustregel gilt: Kleine Vögel atmen viel schneller als große, so wie eine Maus schneller atmet als ein Elefant. Ein ruhender Singvogel wie eine Blaumeise nimmt pro Minute viel mehr Atemzüge als ein Höckerschwan oder ein Strauß, die langsam und tief atmen. Genaue Werte schwanken stark mit Art, Temperatur und Stress, deshalb ist bei jeder einzelnen Zahl, die für “Vögel” allgemein genannt wird, Vorsicht angebracht.

Aktivität ändert alles. Im Flug steigen Atemfrequenz und Atemtiefe stark an, um den Bedarf der Flugmuskeln zu decken. Bei vielen untersuchten Arten ist die Atmung an den Flügelschlag gekoppelt, zum Beispiel ein Atemzug pro Flügelschlag oder pro mehrere Flügelschläge, wobei das Muster je nach Art und Flugstil variiert. Die mechanische Kopplung ist naheliegend: Flugmuskeln und Brustbein bewegen sich bei jedem Flügelschlag, und dieselben Strukturen pumpen die Luftsäcke.

In Ruhe und im Schlaf wird die Atmung langsamer. In kalten Nächten senken manche Kleinvögel ihre Körpertemperatur und ihren Stoffwechsel, und die Atmung verlangsamt sich weiter, um Energie zu sparen.

Wie halten tauchende Vögel die Luft an?

Tauchvögel haben das umgekehrte Problem wie hochfliegende Gänse: Sie müssen ganz ohne Atmung auskommen. Pinguine, Seetaucher, Kormorane, Alken und Tauchenten teilen mehrere Anpassungen:

• Sauerstoffspeicher in Blut und Muskeln. Tauchvögel haben meist viel Hämoglobin und Myoglobin, die Proteine, die Sauerstoff in Blut und Muskeln binden. Ihre dunkelroten Flug- oder Schwimmmuskeln sind ein Zeichen für reichlich Myoglobin.
• Verlangsamter Herzschlag. Bei vielen Vögeln setzt beim Tauchen ein Tauchreflex ein, der das Herz verlangsamt und das Blut vor allem zu Gehirn und Herz lenkt.
• Gesteuertes Luftvolumen. Manche Taucher atmen vor oder während des Tauchgangs aus oder pressen ihr Gefieder an, um den Auftrieb durch eingeschlossene Luft zu verringern.

Kaiserpinguine sind die Tieftauch-Meister unter den Vögeln, mit belegten Tauchgängen in mehrere hundert Meter Tiefe und von mehr als 20 Minuten Dauer. Die meisten Gartenvögel brauchen solche Anpassungen nie, doch Reiherenten, Haubentaucher und Blässhühner auf einem nahen See zeigen eine mildere Version davon bei jedem Tauchgang nach Futter.

Können Vögel Atemwegsinfektionen bekommen?

Ja, und einige davon sind für Menschen, die Vögel füttern, von Bedeutung.

• Aspergillose ist eine Pilzinfektion durch Aspergillus-Schimmelpilze, die in feuchtem, verschimmeltem Futter, Einstreu oder Heu wachsen. Die Sporen setzen sich in Luftsäcken und Lunge fest und können schwere Erkrankungen auslösen. Nasses, verklumptes Futter im Futterhaus ist ein Risiko.
• Vogelgrippe ist eine Viruserkrankung, die unter anderem die Atemwege befallen kann. Am stärksten betroffen sind wilde Wasservögel, Geflügel sowie manche Greifvögel und Aasfresser, doch auch Vögel am Futterhaus können erkranken. Aktuelle Empfehlungen finden Sie in unserem Ratgeber zu Vogelgrippe und Futterhäusern.
• Mykoplasmen sind Bakterien, die bei Geflügel Atemwegserkrankungen auslösen. Ein bestimmter Stamm verursacht in Nordamerika die geschwollenen, verkrusteten Augen, die man bei Hausgimpeln am Futterhaus sieht.

Saubere Futterstellen, frisches Futter und trockene Lagerung verringern diese Risiken.

Mythen und Fakten zur Vogelatmung

Was bedeutet das für Vogelfreunde und Vogelhalter?

Wer versteht, wie Vögel atmen, kann dieses Wissen ganz praktisch nutzen.

1. Den Körper eines Vogels nie zusammendrücken. Weil Vögel zum Atmen Rippen und Brustbein bewegen müssen, kann ein fester Griff um die Brust sie ersticken. Wenn Sie einen verletzten Vogel bewegen müssen, heben Sie ihn behutsam in einem Handtuch hoch und setzen Sie ihn in einen Karton mit Luftlöchern. Unsere Ratgeber was tun mit einem verletzten Vogel und Jungvogel gefunden erklären den sicheren Umgang.
2. Auf angestrengte Atmung achten. Ein Vogel am Futterhaus, der mit stark wippendem Schwanz atmet, mit offenem Schnabel nach Luft schnappt oder lange aufgeplustert sitzt, kann krank sein. Was dann zu tun ist, steht in kranke Vögel am Futterhaus.
3. Vorsicht mit Dämpfen in der Wohnung. Ziervögel wie Wellensittiche und Kanarienvögel sind anfällig für Dämpfe aus überhitzten antihaftbeschichteten Pfannen, Sprays, Duftkerzen und Rauch. Vogelkundige Tierärzte raten allgemein, Vögel fern von der Küche zu halten.
4. Futterhäuser sauber halten. In verschimmeltem Futter können Pilze wie Aspergillus wachsen, die Luftsäcke und Lunge eines Vogels befallen. Lagern Sie Futter trocken und reinigen Sie Futterstellen regelmäßig.
5. Keine Pestizide in der Nähe der Futterstellen. Sprühnebel können Vögeln wegen ihrer effizienten Atmung schnell schaden.

Kurz und knapp

• Vögel haben eine kleine, starre Lunge und meist neun Luftsäcke.
• Die Luft strömt in einer Richtung durch die Vogellunge.
• Ein Atemzug braucht zwei vollständige Atemzyklen, um das System zu durchlaufen.
• Vögel haben kein Zwerchfell und atmen durch Bewegungen von Rippen und Brustbein.
• Der Kreuzstrom-Austausch hilft Vögeln, Sauerstoff wirksam aufzunehmen.
• Streifengänse wurden beim Flug über den Himalaya in etwa 6.000 Meter Höhe verfolgt.
• Auch Alligatoren haben eine Einbahnströmung in der Lunge.
• Die effiziente Atmung macht Vögel empfindlich für Giftstoffe in der Luft, deshalb nahmen Bergleute Kanarienvögel mit unter Tage.

Quellen

• Farmer und Sanders (2010), Unidirectional airflow in the lungs of alligators, Science
• Hawkes et al. (2011), The trans-Himalayan flights of bar-headed geese, PNAS
• O’Connor und Claessens (2005), Basic avian pulmonary design and flow-through ventilation in non-avian theropod dinosaurs, Nature
• Cornell Lab of Ornithology, All About Birds (englisch)
• Wikipedia: Streifengans