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Das was dem einen seine Lunge, sind dem anderen seine Kiemen. Fische nehmen das Wasser durch den Mund auf und leiten es über ihre Kiemen, die aus vielen feinen Blättchen bestehen. So bietet dieses Austauschorgan für Sauerstoff und Kohlendioxid insgesamt eine große Oberfläche — beim Karpfen etwa einen halben Quadratmeter. Zum Vergleich, die Lungenoberfläche eines Menschen misst etwa 70 bis 80 Quadratmeter. Genau wie die Lungenbläschen sind auch die Kiemenblätter von feinen Blutbahnen durchzogen.

Die Zellmembranen der Blättchen sind sehr dünn und so können Kohlendioxid und Sauerstoff leicht hindurchtreten. Dabei folgen sie dem Konzentrationsgefälle. Im Wasser ist mehr Sauerstoff als im verbrauchten Blut, das aus dem Körper der Fische in die Kiemen zurückkehrt. Dafür enthält das Blut mehr Kohlendioxid. Ähnlich wie bei dem Menschen wandert daher Kohlendioxid aus dem Blut ins Wasser. Das Blut nimmt im Gegenzug Sauerstoff auf. Das funktioniert nach dem Gegentauscher-Prinzip, das sauerstoffreiche Wasser fließt also gegenläufig zum Blutstrom über die Kiemen. So ist sichergestellt, dass das Konzentrationsgefälle aufrechterhalten wird. Das Wasser, das schon einen Großteil seines Sauerstoffs an das Fischblut abgegeben hat, trifft nämlich am Ende seines Weges durch die Kiemen auf das direkt aus dem Körper zurückkehrende Blut.

Dessen Sauerstoffkonzentration ist am niedrigsten, da es seinen Sauerstoff und die Muskeln und Organe abgegeben hat. Manche Fische, die in sauerstoffarmen oder sehr flachen Gewässern leben, haben zusätzliche Atmungsorgane, mit denen sie wie wir Menschen an der Luft atmen können. Daher rührt die Bezeichnung Lungenfische. Adere Fischarten können den Sauerstoff bei Bedarf über die Haut oder über den Darm aufnehmen.