Hoe ademen vogels? Zo werken luchtzakken en vogellongen

Hoe ademen vogels? Met kleine, stijve longen en meestal negen luchtzakken die als blaasbalg lucht in één richting door de longen duwen. Daardoor stroomt er zowel bij het inademen als bij het uitademen verse lucht langs de plekken waar zuurstof in het bloed komt. Eén hap lucht doet er volgens het biologiehandboek Life twee volledige ademcycli over.

Het systeem werkt totaal anders dan het onze. Vogels hebben bovendien geen middenrif: ze ademen door hun ribben en borstbeen te bewegen, waardoor de luchtzakken uitzetten en samengedrukt worden.

Deze opbouw is een van de efficiëntste ademhalingssystemen onder de gewervelde dieren. Het helpt verklaren hoe vogels urenlang kunnen vliegen en hoe sommige soorten de hoogste bergen op aarde oversteken.

Kort antwoord: hoe ademen vogels?

Vogels ademen met luchtzakken die het pompwerk doen en longen die bijna stilstaan. Lucht gaat bij het inademen eerst naar de achterste luchtzakken, stroomt bij het uitademen in één richting door de longen, gaat bij de volgende inademing naar de voorste luchtzakken en verlaat het lichaam bij de tweede uitademing.

• Luchtzakken doen het pompwerk. Ballonachtige zakken in borst en buik zetten uit en trekken samen om lucht te verplaatsen.
• De longen staan bijna stil. Vogellongen zijn compact en vastgegroeid aan de ribben, dus hun volume verandert nauwelijks.
• Lucht stroomt één kant op. In de longen beweegt lucht door piepkleine buisjes, parabronchi, in één richting.
• Twee cycli per hap lucht. Een bepaalde hap lucht wordt ingeademd, door de longen gestuurd en uitgeademd over twee in- en uitademingen.
• Geen middenrif. Spieren bewegen de ribben en het borstbeen om de lichaamsholte uit te zetten en samen te drukken.
• Kruisstroomuitwisseling. Bloed stroomt dwars op de luchtstroom, zodat zuurstof efficiënt wordt opgenomen.

Uit welke delen bestaat het ademhalingssysteem van een vogel?

Het ademhalingssysteem van een vogel bestaat uit de neusgaten en de snavel, de luchtpijp met onderaan de syrinx, twee hoofdbronchiën, twee kleine, stijve longen vol parabronchi en luchtcapillairen, en meestal negen luchtzakken in borst en buik. Sommige luchtzakken lopen zelfs door tot in de botten.

Hoe komt de lucht binnen?

Lucht komt binnen via de neusgaten, die meestal aan de basis van de bovensnavel liggen, of via de bek. Ze gaat door de luchtpijp, de trachea, die bij vogels wordt gesteund door gesloten ringen van kraakbeen of bot. Onderaan de luchtpijp zit de syrinx, het stemorgaan van vogels, waar de luchtweg zich splitst in twee hoofdbronchiën, één voor elke long.

Vogels hebben voor hun formaat vaak een relatief lange luchtpijp. Sommige kraanvogels en zwanen hebben een luchtpijp die in lussen in het borstbeen ligt, wat waarschijnlijk de klank van hun roep beïnvloedt. Een langere luchtpijp voegt “dode ruimte” toe, lucht die wel wordt vastgehouden maar niet wordt uitgewisseld. Vogels compenseren dat deels met een wijdere luchtpijp en door dieper te ademen.

Hoe zien de longen eruit?

Vogellongen zijn klein, compact en sponzig, en liggen tegen de ribben en de wervelkolom aan de rugzijde van de lichaamsholte. Anders dan zoogdierlongen, die opzwellen en leeglopen, veranderen ze heel weinig van volume. Ze bestaan uit veel parallelle buisjes, de parabronchi. Aan elke parabronchus vertakt zich een netwerk van zeer fijne luchtcapillairen, verweven met bloedcapillairen. Daar komt zuurstof in het bloed en verlaat koolstofdioxide het lichaam.

De scheidingswand tussen lucht en bloed is bij vogels extreem dun, gemiddeld dunner dan bij zoogdieren, waardoor gassen snel kunnen passeren.

Wat zijn de luchtzakken?

Luchtzakken zijn dunne, doorzichtige, ballonachtige structuren die een groot deel van de lichaamsholte vullen. De meeste vogels hebben er negen:

De zakken hebben weinig bloedvaten en spelen nauwelijks een directe rol bij de gaswisseling. Hun taak is lucht opslaan en verplaatsen. Sommige lopen door tot in de botten en vullen die met lucht, zoals uitgelegd in hebben vogels holle botten.

Hoe stroomt lucht door de longen van een vogel?

In één richting, zowel bij het inademen als bij het uitademen. De route is: luchtpijp, bronchiën, achterste luchtzakken, parabronchi in de longen, voorste luchtzakken en weer de luchtpijp. Omdat de longen nauwelijks dode ruimte hebben, mengt de verse lucht zich niet met oude lucht, zoals bij zoogdieren wel gebeurt.

Dit is de kern van het verhaal. Volg één hap lucht door het systeem:

1. Eerste inademing. De vogel vergroot zijn lichaamsholte. De nieuwe lucht gaat door de luchtpijp naar beneden en stroomt grotendeels langs de long heen naar de achterste luchtzakken (de achterste borstluchtzakken en de buikluchtzakken).
2. Eerste uitademing. De lichaamsholte wordt samengedrukt. De achterste zakken duwen de verse lucht naar voren de longen in, waar ze door de parabronchi stroomt en het bloed zuurstof opneemt.
3. Tweede inademing. Terwijl de vogel opnieuw inademt, verplaatst de inmiddels zuurstofarme lucht zich van de longen naar de voorste luchtzakken (de hals-, sleutelbeen- en voorste borstluchtzakken). Tegelijk vult een nieuwe hap lucht de achterste zakken.
4. Tweede uitademing. De voorste zakken duwen de gebruikte lucht via de luchtpijp naar buiten, terwijl de achterste zakken de nieuwe hap door de longen sturen.

In de praktijk lopen alle vier de stappen door elkaar. Bij elke inademing en elke uitademing stroomt er lucht in dezelfde richting door de longen. Daarom krijgen vogellongen bijna voortdurend verse lucht.

Hoe “weet” de lucht welke kant ze op moet?

Er zitten geen kleppen in de vogellong. De eenrichtingsstroom ontstaat door de vorm en de hoeken van de luchtwegen, die lucht afhankelijk van de druk langs bepaalde routes sturen. Onderzoekers noemen dit aerodynamische klepwerking. Studies met luchtstroommetingen en modellen ondersteunen die verklaring. Natuurkundigen van New York University en het New Jersey Institute of Technology, onder leiding van Leif Ristroph, lieten met door de Amerikaanse National Science Foundation gefinancierd onderzoek zien dat de lusvormige luchtwegen van de vogellong vanzelf een eenrichtingsstroom opwekken, terwijl de vertakte, boomvormige luchtwegen van mensen lucht heen en weer laten gaan.

Waarin verschilt dit van de ademhaling van mensen?

Zoogdierlongen eindigen in miljoenen piepkleine doodlopende blaasjes, de longblaasjes of alveoli. Lucht gaat erin en komt langs dezelfde weg weer terug, dus er blijft altijd wat oude lucht achter die zich met verse lucht mengt. Vogels omzeilen dat probleem, omdat de lucht door de longen heen stroomt in plaats van in doodlopende ruimtes.

Wat is het verschil in luchtstroom bij vogels en zoogdieren?

Bij zoogdieren gaat lucht heen en weer: bij inademing de longblaasjes in en bij uitademing langs dezelfde weg terug. Bij vogels stroomt lucht in één richting door de longen, bij inademing én bij uitademing. Zoogdierlongen zetten zelf uit, vogellongen blijven stijf en worden geventileerd door luchtzakken.

Zo kun je het verschil per fase beschrijven:

Inademing

• Zoogdier: het middenrif zakt en de tussenribspieren tillen de ribben op. De longen zetten uit, de druk daalt en lucht stroomt via luchtpijp en bronchiën naar de longblaasjes. Daar komt zuurstof in het bloed.
• Vogel: ribben en borstbeen bewegen naar buiten en naar beneden, de lichaamsholte wordt groter en de luchtzakken zetten uit. Verse lucht gaat grotendeels langs de long naar de achterste luchtzakken. Tegelijk stroomt lucht die al in de longen was verder naar de voorste luchtzakken.

Uitademing

• Zoogdier: het middenrif ontspant, de longen worden kleiner en de gebruikte lucht gaat langs dezelfde weg terug naar buiten. Er blijft altijd wat oude lucht achter in de longen.
• Vogel: de lichaamsholte wordt samengedrukt. De achterste luchtzakken duwen verse lucht in dezelfde richting door de parabronchi van de longen, terwijl de voorste luchtzakken gebruikte lucht via de luchtpijp naar buiten duwen.

Het belangrijkste verschil in één zin: bij zoogdieren keert de luchtstroom in de longen bij elke ademhaling om, bij vogels gaat de lucht altijd dezelfde kant op, en daardoor krijgt de vogellong bij beide fasen verse lucht.

Hebben vogels een middenrif?

Nee. Vogels missen het gespierde middenrif dat zoogdieren gebruiken om te ademen. Ze verplaatsen lucht met spieren die de ribben en het borstbeen bewegen, waardoor de lichaamsholte en de luchtzakken daarin uitzetten en samengedrukt worden. Daarom kan stevig knijpen in het lijf van een vogel zijn ademhaling belemmeren.

Bij het vliegen helpen de vliegspieren en het borstbeen mee: dezelfde bewegingen die de vleugels aandrijven, pompen ook de luchtzakken. Dat verklaart waarom bij veel soorten de ademhaling gelijk loopt met de vleugelslag, zoals verderop beschreven.

Waarom is de vogellong zo efficiënt?

De vogellong is efficiënt omdat er bij elke in- en uitademing verse lucht in één richting doorheen stroomt, er nauwelijks dode ruimte is, de scheidingswand tussen lucht en bloed extreem dun is, en bloed en lucht elkaar in een kruisstroomsysteem ontmoeten. De talloze luchtcapillairen vormen samen een enorm oppervlak voor gaswisseling.

Wat is kruisstroomuitwisseling?

In de vogellong lopen de bloedcapillairen schuin over de parabronchi, onder een hoek met de luchtstroom. Terwijl de lucht door een parabronchus trekt, komt ze een reeks bloedvaten tegen, die elk wat zuurstof opnemen. Omdat elk bloedvat lucht met een iets ander zuurstofgehalte tegenkomt, kan het bloed dat de long verlaat uiteindelijk een hoger zuurstofgehalte hebben dan de uitgeademde lucht. Dat kruisstroomsysteem wordt doorgaans als effectiever beschouwd dan dat van zoogdieren, al zijn de kieuwen van vissen, met hun tegenstroomprincipe, nog efficiënter.

Waarom heeft vliegen zulke goede longen nodig?

Klapwiekend vliegen is een van de meest energievretende activiteiten in het dierenrijk. Vliegspieren hebben een constante, hoge aanvoer van zuurstof nodig. De combinatie van eenrichtingsstroom, een heel dunne scheidingswand en kruisstroomuitwisseling helpt vogels daaraan te voldoen. Efficiënt ademen is één manier om zuinig te vliegen; een andere is samen vliegen in een V-formatie. Kolibries, die met razendsnelle vleugelslagen stilhangen in de lucht, hebben een van de hoogste stofwisselingssnelheden van alle gewervelde dieren. Wilde kolibries leven alleen in Noord- en Zuid-Amerika; wat in Europese tuinen soms voor een kolibrie wordt aangezien, is de kolibrievlinder, een dagactieve pijlstaartvlinder. Meer over het stilhangen lees je in hoe kolibries stilhangen.

Hoe ademen vogels op grote hoogte?

Met dezelfde efficiënte longen, aangevuld met extra aanpassingen. Indische ganzen hebben hemoglobine dat zuurstof sterker bindt, relatief grote longen en een diepe ademhaling. Uit satellietonderzoek bleek dat ze de Himalaya in één dag oversteken en daarbij in 7 tot 8 uur doorgaans van 4.000 naar 6.000 meter klimmen.

Hoe hoog kunnen vogels vliegen?

Sommige vogels vliegen verbazingwekkend hoog. Indische ganzen trekken over de Himalaya tussen Centraal-Azië en Zuid-Azië. Een studie uit 2011 in PNAS volgde hun oversteek met satellietzenders. De ganzen staken de Himalaya in één dag over en klommen doorgaans in 7 tot 8 uur van 4.000 naar 6.000 meter, met klimsnelheden van minstens 0,8 tot 2,2 kilometer per uur, zelfs ‘s nachts. Ze vermeden de harde middagwinden en vlogen liever ‘s nachts en vroeg in de ochtend, als de lucht kouder en dichter is. Verhalen over ganzen die over de allerhoogste toppen vliegen, zijn moeilijker te bevestigen.

Het beroemdste hoogterecord staat op naam van een Rüppells gier die in 1973 boven West-Afrika door een vliegtuig werd geraakt, op een hoogte die werd opgegeven als ongeveer 11.300 meter. Het is één enkel voorval, maar het laat zien dat sommige vogels extreme hoogtes kunnen halen.

Wat maakt vliegen op grote hoogte mogelijk?

De efficiëntie van de vogellong is een deel van het antwoord, maar er spelen meer aanpassingen mee. Indische ganzen hebben hemoglobine dat zuurstof sterker bindt dan dat van laaglandganzen, grotere longen ten opzichte van hun lichaam dan veel andere eenden en ganzen, en een diepe, efficiënte ademhaling. Vogels verdragen ook lage koolstofdioxidewaarden in het bloed beter dan zoogdieren. Daardoor kunnen ze op hoogte hard ademen zonder de duizeligheid die een mens zou krijgen.

Ademen andere dieren ook zoals vogels?

Gedeeltelijk. Vogels zijn niet de enige dieren met een eenrichtingsstroom in hun longen: in 2010 werd die ook bij Amerikaanse alligators aangetoond, en later bij sommige hagedissen, ook al hebben die geen luchtzakken zoals vogels. Het luchtzakkensysteem zelf is wel typisch voor vogels en hun dinosaurusvoorouders.

Een studie uit 2010 in Science van Farmer en Sanders vond eenrichtingsstroom in de longen van Amerikaanse alligators. Vergelijkbare bevindingen zijn sindsdien gemeld bij sommige hagedissen. Die ontdekkingen wijzen erop dat de eenrichtingsstroom al vóór de vogels is ontstaan, mogelijk bij een gemeenschappelijke voorouder van krokodilachtigen en dinosauriërs, en later in de vogellijn is verfijnd.

Fossiel bewijs uit dinosaurusbotten ondersteunt die geschiedenis. Veel theropode dinosauriërs hadden met lucht gevulde wervels met openingen die overeenkomen met de ligging van de luchtzakken bij vogels.

Waarvoor gebruiken vogels hun ademhaling nog meer?

Vogels gebruiken hun ademhaling ook om te zingen, af te koelen en warmte vast te houden. Lucht uit de luchtzakken laat de membranen van de syrinx trillen, hijgen en keelfladderen voeren warmte af op hete dagen, en in de winter winnen de neusholtes warmte en vocht terug uit de uitgeademde lucht.

Hoe helpt de ademhaling bij het zingen?

Vogelzang wordt aangedreven door het ademhalingssysteem. Lucht die uit de luchtzakken wordt geduwd, stroomt door de syrinx, waar membranen trillen en geluid maken. Omdat de syrinx precies zit waar de luchtweg zich splitst, kunnen veel zangvogels beide kanten apart aansturen en twee tonen tegelijk maken. Zangvogels nemen ook snelle “miniademteugjes” tussen de noten, waardoor ze lange, ingewikkelde liederen kunnen zingen zonder zonder lucht te komen. Denk aan het lange, rollende lied van een winterkoning of de eindeloze strofen van een zanglijster. Meer lees je in hoe vogels hun lied leren.

Hoe helpt de ademhaling vogels koel te blijven?

Vogels zweten niet. Op warme dagen hijgen ze met open snavel, waardoor er meer vocht verdampt van de vochtige oppervlakken in de luchtwegen. Veel soorten gebruiken ook keelfladderen: ze laten de dunne huid van de keel snel trillen om de verdamping te vergroten. De luchtzakken dragen mogelijk bij aan de koeling doordat ze het vochtige oppervlak vergroten dat aan bewegende lucht wordt blootgesteld.

Hoe beïnvloedt de ademhaling de warmte in de winter?

Bij koud weer winnen de neusholtes van veel vogels een deel van de warmte en het vocht uit de uitgeademde lucht terug voordat die het lichaam verlaat. Samen met opgezette veren en een lagere lichaamstemperatuur ‘s nachts beperkt dat het warmteverlies. Zie hoe vogels warm blijven in de winter.

Hoe snel ademen vogels?

Dat hangt vooral af van lichaamsgrootte en activiteit. Kleine vogels zoals mezen ademen veel sneller dan grote vogels zoals zwanen of struisvogels. Tijdens het vliegen stijgen ademtempo en ademdiepte sterk, en bij veel soorten loopt de ademhaling gelijk met de vleugelslag. In rust en in koude nachten vertraagt de ademhaling juist.

Het ademtempo hangt vooral af van lichaamsgrootte en activiteit. Als algemene regel ademen kleine vogels veel sneller dan grote, net zoals een muis sneller ademt dan een olifant. Een rustende koolmees of pimpelmees haalt veel vaker adem per minuut dan een knobbelzwaan of een struisvogel, die langzaam en diep ademen. Exacte cijfers verschillen sterk per soort, temperatuur en stress, dus wees voorzichtig met elk los getal dat voor “vogels” in het algemeen wordt genoemd.

Activiteit verandert alles. Tijdens het vliegen stijgen ademtempo en ademdiepte flink om aan de vraag van de vliegspieren te voldoen. Bij veel onderzochte soorten is de ademhaling gekoppeld aan de vleugelslag, bijvoorbeeld één ademhaling per één of meer vleugelslagen, al verschilt het patroon per soort en vliegstijl. Die mechanische koppeling is logisch: de vliegspieren en het borstbeen bewegen bij elke vleugelslag mee, en dezelfde structuren pompen de luchtzakken.

In rust en tijdens de slaap vertraagt de ademhaling. In koude nachten verlagen sommige kleine vogels hun lichaamstemperatuur en stofwisseling, en vertraagt de ademhaling nog verder om energie te sparen.

Hoe houden duikende vogels hun adem in?

Duikende vogels slaan zuurstof op in bloed en spieren, die veel hemoglobine en myoglobine bevatten, vertragen tijdens het duiken hun hartslag en leiden het bloed naar hersenen en hart. Ook regelen ze hoeveel lucht ze meenemen. Keizerpinguïns duiken zo enkele honderden meters diep en langer dan 20 minuten.

Duikende vogels hebben het omgekeerde probleem van hoogvliegende ganzen: ze moeten het helemaal zonder ademhalen stellen. Pinguïns, duikers, aalscholvers, alken en duikeenden delen een aantal aanpassingen:

• Zuurstof opgeslagen in bloed en spieren. Duikende vogels hebben vaak veel hemoglobine en myoglobine, de eiwitten die zuurstof vasthouden in bloed en spieren. Hun donkerrode vlieg- of zwemspieren zijn een teken van veel myoglobine.
• Een tragere hartslag. Tijdens het duiken laten veel vogels een duikreflex zien: het hart vertraagt en het bloed wordt naar hersenen en hart geleid.
• Beheerst luchtvolume. Sommige duikers ademen uit voor of tijdens de duik, of drukken hun verenkleed plat om het drijfvermogen van ingesloten lucht te verminderen.

Keizerpinguïns zijn de diepzeekampioenen onder de vogels, met geregistreerde duiken tot enkele honderden meters diepte en een duur van meer dan 20 minuten. De meeste tuinvogels hebben zulke aanpassingen nooit nodig, maar een kuifeend of fuut op een vijver in de buurt laat een mildere versie zien telkens als hij naar voedsel duikt.

Kunnen vogels luchtweginfecties krijgen?

Ja. De bekendste zijn aspergillose, een schimmelinfectie van luchtzakken en longen die vaak samenhangt met beschimmeld zaad, vogelgriep, die onder meer de luchtwegen aantast, en Mycoplasma-bacteriën bij pluimvee en Noord-Amerikaanse roodmussen. Schone voederhuisjes, vers zaad en droge opslag verkleinen die risico’s.

Een aantal is van belang voor mensen die vogels voeren.

• Aspergillose is een schimmelinfectie door Aspergillus-schimmels die groeien in vochtig, beschimmeld zaad, strooisel of hooi. Sporen nestelen zich in de luchtzakken en de longen, waar ze ernstige ziekte kunnen veroorzaken. Nat, aan elkaar geklonterd zaad in voederhuisjes is een risico.
• Vogelgriep is een virusziekte die onder meer de luchtwegen kan aantasten. Wilde watervogels, pluimvee en sommige roofvogels en aaseters worden het zwaarst getroffen, maar ook tuinvogels kunnen besmet raken. Zie onze gids over vogelgriep en voederhuisjes voor het actuele advies.
• Mycoplasma-bacteriën veroorzaken luchtwegziekten bij pluimvee, en één stam veroorzaakt de gezwollen, korstige ogen die in Noord-Amerika bij Mexicaanse roodmussen aan voederhuisjes worden gezien.

Schone voederhuisjes, vers zaad en droge opslag verkleinen die risico’s.

Fabels en feiten over hoe vogels ademen

Wat betekent dit voor vogelaars en vogelhouders?

Knijp nooit in het lijf van een vogel, omdat hij zijn ribben en borstbeen moet kunnen bewegen om te ademen. Let op tekenen van moeizaam ademen, houd huisvogels ver van dampen uit de keuken, houd voederhuisjes schoon en droog, en gebruik geen sprays bij voederplekken. Vogels nemen stoffen in de lucht snel op.

Weten hoe vogels ademen heeft directe, praktische toepassingen.

1. Knijp nooit in het lijf van een vogel. Omdat vogels hun ribben en borstbeen moeten bewegen om te ademen, kan een vogel stikken als je hem stevig om de borst vasthoudt. Moet je een gewonde vogel verplaatsen, til hem dan voorzichtig op in een handdoek en zet hem in een doos met luchtgaten. Onze gidsen over wat te doen met een gewonde vogel en een jonge vogel gevonden behandelen veilig vastpakken.
2. Let op moeizaam ademen. Een vogel aan je voederhuisje die ademt met een sterk op en neer wippende staart, met open snavel zit te happen of lange tijd bol opgezet zit, kan ziek zijn. Zie zieke vogels bij het voederhuisje voor wat je kunt doen.
3. Wees voorzichtig met dampen binnenshuis. Huisvogels zijn kwetsbaar voor dampen van oververhitte antiaanbakpannen, spuitbussen, geurkaarsen en rook. Vogeldierenartsen raden algemeen aan vogels ver uit de keuken te houden.
4. Houd voederhuisjes schoon. Beschimmeld zaad kan schimmels zoals Aspergillus bevatten, die de luchtzakken en longen van een vogel kunnen infecteren. Bewaar zaad droog en maak voederhuisjes regelmatig schoon.
5. Vermijd bestrijdingsmiddelen bij voederplekken. Sprays in de lucht kunnen vogels snel schaden, juist omdat ze zo efficiënt ademen.

Snelle feiten

• Vogels hebben kleine, stijve longen en meestal negen luchtzakken.
• Lucht stroomt in één richting door de vogellong.
• Eén hap lucht doet er twee volledige ademcycli over om door het systeem te gaan.
• Vogels hebben geen middenrif en ademen door ribben en borstbeen te bewegen.
• Kruisstroomuitwisseling helpt vogels zuurstof efficiënt op te nemen.
• Indische ganzen steken de Himalaya in één dag over en klimmen daarbij in 7 tot 8 uur van 4.000 naar 6.000 meter.
• Bij zoogdieren keert de luchtstroom in de longen bij elke ademhaling om, bij vogels niet.
• Ook alligators hebben een eenrichtingsstroom in hun longen.
• Door hun efficiënte ademhaling zijn vogels gevoelig voor gifstoffen in de lucht, de reden dat kanaries in kolenmijnen werden gebruikt.

Bronnen

• Farmer and 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 and Claessens (2005), Basic avian pulmonary design and flow-through ventilation in non-avian theropod dinosaurs, Nature
• Cornell Lab of Ornithology, All About Birds
• Vogelbescherming Nederland
• Sadava et al., Life: The Science of Biology, hoofdstuk 48.3: ademhaling bij vogels
• USGS: The trans-Himalayan flights of bar-headed geese (samenvatting Hawkes et al. 2011)
• National Science Foundation: How do birds breathe so efficiently? Looped airways