E10 Auftrieb und Schwimmblase

Thema

Der Auftrieb beschreibt die Kontrolle der resultierenden vertikalen Kraft, die auf einen Fisch in einer Flüssigkeit wirkt, und ist für ihn essenziell, um seine Position in der Wassersäule mit möglichst geringem Energieaufwand zu halten. Das Archimedische Prinzip besagt, dass jeder eingetauchte Körper eine Auftriebskraft erfährt, die dem Gewicht der von ihm verdrängten Flüssigkeit entspricht. Damit ein Fisch neutralen Auftrieb hat – die resultierende vertikale Kraft auf seinen Körper also null ist –, muss er seine durchschnittliche Dichte an die Dichte des umgebenden Wassers anpassen. Diese Dichte variiert mit Temperatur, Salzgehalt und Tiefe.

Die Schwimmblase ist das Organ, das dem Fisch diese Anpassung der durchschnittlichen Dichte ermöglicht: Sie ist eine Gaskammer, die hauptsächlich aus Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff besteht. Ihr Volumen reguliert der Fisch, indem er Gas über zwei Strukturen – das Wundernetz und die Gasdrüse – nach innen pumpt oder nach außen aufnimmt.

Das Gasvolumen in der Schwimmblase gehorcht dem Boyle-Mariotte-Gesetz, das besagt, dass bei konstanter Temperatur das Volumen eines Gases umgekehrt proportional zum Kompressionsdruck ist. Beim Absinken des Fisches steigt der hydrostatische Druck des Wassers auf seinen Körper, da dieser Druck von der Dichte des Wassers, der Schwerkraft und der Wassertiefe abhängt. Dieser erhöhte Druck komprimiert das Gas in der Schwimmblase, wodurch diese schrumpft und die Auftriebskraft auf den Fisch abnimmt. Dadurch wird die Schwimmblase dichter als das umgebende Wasser.

Um den durch diese Kompression verlorenen neutralen Auftrieb wiederzuerlangen, muss der Fisch mehr Gas in die Schwimmblase abgeben. Dieser Prozess verbraucht zusätzliche Stoffwechselenergie. Die Reaktionszeit der Schwimmblase auf eine Tiefenänderung – begrenzt durch die Geschwindigkeit, mit der das Wundernetz Gas in die Blase abgeben kann – ist genau der biologische Faktor, der bestimmt, wie schnell der Fisch sicher auf- oder absteigen kann, ohne seinen Auftrieb zu verlieren.

Nicht alle Fische regulieren das Volumen ihrer Schwimmblase auf dieselbe Weise: Physostomische Fische, deren Schwimmblase mit der Speiseröhre verbunden bleibt, können dieses Volumen durch direktes Schlucken oder Ausstoßen von Gasen anpassen, während physoklistische Fische, deren Schwimmblase diese Verbindung nicht besitzt, ausschließlich auf das Wundernetz angewiesen sind, um dieselbe Anpassung zu erreichen.

Erwartungsgemäß zwingt bereits eine geringe Abweichung des Auftriebs von nur zwei bis fünf Prozent des Fischgewichts den Fisch zu kontinuierlicher Muskelkraft, um seine vertikale Position im Wasser zu halten. Der damit verbundene Energieaufwand steigt quadratisch mit der Abweichung. Jede Abweichung vom zu Beginn dieses Modells angenommenen neutralen Auftriebszustand führt somit zu einem Energieaufwand, der deutlich schneller ansteigt als die Abweichung selbst.

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