Anatomisch sinnvolles Atmungssystem für vom Menschen stammende Meermenschen

Es ist also wirklich schwer, Wasser zu atmen. Das größte Problem ist nicht, wo sich die Kiemen an Ihrem Körper befinden, sondern wie Kiemen überhaupt existieren können. Die grundlegende Grenze, auf die Sie stoßen werden, wenn Sie so etwas entwerfen, sei es durch biologische Technik oder so etwas wie künstliche Kiemen, ist, dass Wasser nur so viel Sauerstoff enthält - etwa 10 mg / l. Menschen brauchen VIEL mehr als das – hauptsächlich, weil wir nicht poliiothermisch sind und unsere Stoffwechselwärme nutzen, um uns warm zu halten. Wir verbrauchen sehr schnell 10 mg/l, also müssen wir sauerstoffreiches Wasser über unsere Kiemen fließen lassen, um zu überleben.

Im Wesentlichen gibt es drei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen:

1. Machen Sie die Menschen zu wirklich effizienten Metabolisierern.

Sie könnten die Abhängigkeit des Menschen von Sauerstoff auf zwei Arten reduzieren – erstens, indem Sie eine effizientere Methode des anaeroben Stoffwechsels entwickeln, oder zweitens, indem Sie mehr Energie aus der geringen Sauerstoffmenge gewinnen, die Sie aus dem Wasser erhalten. Beides ist denkbar, wäre aber sehr schwierig – es gibt einen mächtigen evolutionären Vorteil, wenn man die maximale Energie aus seiner Nahrung herausholt, also hat die Natur in diesem Bereich bereits viel optimiert.

2. Erhöhen Sie den Atembereich

Geben. Das. Meerjungfrauen. Flügel! Anstatt zu versuchen, riesige Mengen Wasser durch den Körper der Meerjungfrau zu drücken, wie es Fische tun, machen Sie die Kiemen nach außen. Wenn sie mit den Flügeln schlagen, findet durch die dünnen Membranen in ihren Flügeln ein unglaublich schneller Gasaustausch statt und sie können so dem Wasser Sauerstoff entziehen. Dies ist eine ziemlich übliche Methode für Meeresorganismen, insbesondere für die schönen Nacktschnecken , die buchstäblich nach ihren äußeren Kiemen benannt sind – Nudi – nackt, Ast – Lunge. Sie sind auch schön:

Diese Federn auf ihrem Rücken sind ihre Kiemen – keine Wasserfilterung nötig! Bei Meerjungfrauen würde ich mir vorstellen, dass ihre Flügel dünner und flacher sind, eher wie die klassischen „Feen“-Flügel. Sie würden nicht unbedingt zum Schwimmen verwendet werden, da sie ziemlich empfindlich wären, aber es ist sicherlich möglich, sie mit einer Muskulatur zu verstärken, die es ihnen ermöglicht, auch für die Mobilität nützlich zu sein.

Wenn Sie zögern, Meerjungfrauen Flügel zu geben, können Sie auch die dünnen Membranen wiederverwenden, die bereits am Schwanz der Meerjungfrau vorhanden sind. Dort hätten sie einen ähnlichen Mechanismus und es könnte tatsächlich besser funktionieren, wenn sie schnell schwimmen. Allerdings müssten sie ihre Schwänze auch dann hin und her schlagen, wenn sie still stehen, während sie sie mit Flügeln sanft hin und her schlagen könnten, während sie in der Wassersäule schweben.

3. Beseitigen Sie ihre Abhängigkeit von Sauerstoff vollständig

Nicht alles im Ozean braucht Sauerstoff. Sie könnten die Meerjungfrauen symbiotische Beziehungen mit Zooxanthellen (Algen) eingehen lassen, wie es Korallen tun, oder sie endosymbiotisch Chloroplasten aufnehmen lassen - sie hätten eine grüne Haut, aber das könnte völlig in Ordnung sein. Das würde sie jedoch auch auf die Sonnenlichtregion des Ozeans beschränken, und das könnte ein größeres Problem darstellen.

Wenn Sie bereit sind, etwas intensivere Gentechnik zu betreiben, könnten Sie sie vollständig chemosynthetisch herstellen – indem Sie Elemente wie Schwefel verwenden, um Stoffwechselenergie zu gewinnen. Sie müssten viel mehr Schwefel essen (so viel Sauerstoff, wie wir täglich verbrauchen), aber für eine fortgeschrittene Zivilisation wäre das kein Problem. Die allgemeine Gleichung für die Chemosynthese lautet$H_2S + CO_2$->$C_6H_{12}O_2 + H_2O+ S_{(s)}$.

Verwenden Sie die Lunge.

von http://archive.rubicon-foundation.org/xmlui/bitstream/handle/123456789/5903/SPUMS_V5N3_2.pdf?sequence=1

Die gesamte Kammer wurde mit Luft unter Druck gesetzt und ein anästhesierter Hund wurde in eine Wanne mit sauerstoffhaltiger Kochsalzlösung abgesenkt. Das Tier wurde bei etwa 32°C kühl gehalten, um seinen Sauerstoffbedarf zu reduzieren. Während er untergetaucht war, atmete der Hund weiter, und Wasserstrahlen, die von der Oberfläche aufstiegen, zeigten deutlich, dass er die Lösung in seine Lungen hinein- und herauspumpte. Am Ende der Beobachtungen wurde der Hund aus der Wanne gehoben und seine Lungen wurden entwässert und wieder mit Luft gefüllt. Einer dieser Hunde wurde später von der Besatzung des Schiffes HMS Cerberus der Royal Netherlands Navy als Maskottchen adoptiert.

Das war eine coole Lektüre. Ich wusste, dass Tiere (und Menschen) sauerstoffhaltige perfluorierte Flüssigkeiten auf unbestimmte Zeit einatmen können. Ich wusste nicht, dass vorher mit Wasser geforscht wurde. Probleme mit Atemwasser.

1: Wenn es sich osmotisch stark von Blut unterscheidet, schädigt es das Lungengewebe. Diese Versuchstiere (und Menschen!) atmeten also blutisotonische Salzlösungen ein. OK.

2: Es ist schwierig, genügend Sauerstoff in die Kochsalzlösung zu bekommen. Sie mussten Hochdruck-Überdruckkammern verwenden. Ich habe eine Schätzung von 160 atm gelesen, um genügend O2 in die Kochsalzlösung zu bringen, um den O2-Bedarf eines Säugetiers zu erfüllen. Das ist etwa 1 Meile tief.

3: Überraschenderweise (für mich) war es der allmähliche Aufbau von Kohlendioxid, der die Versuchstiere tötete. CO2 ist nicht sehr wasserlöslich. Wir können unser CO2 durch Hyperventilation abblasen.

Wenn wir all diese Faktoren zusammenfassen, stellen wir natürlich fest, dass sich ein wasseratmender Taucher erheblich bewegen müsste, um seinen arteriellen Kohlendioxidpartialdruck auf einem erträglichen Niveau zu halten – um ein Erstickungsgefühl oder sogar einen Bewusstseinsverlust zu verhindern ein größeres Wasservolumen pro Minute in seine Lunge ein- und ausströmt, als der luftatmende Taucher Luft bewegt.

Unter Wasser geht das offenbar nicht. Wenn ein Tier schwerer atmet, erreicht es die Grenzen dessen, was die biegsamen Atemwegsstrukturen aushalten können. Sie kollabieren (ähnlich wie Asthmatiker ihre Atemwege kollabieren lassen, wenn sie sehr stark versuchen einzuatmen – daher das Keuchen) und begrenzen so das Wasser, das hin und her bewegt werden kann.

Das Meervolk wird atmen wie Menschen atmen, Wasser in die Lunge hinein und aus ihr heraus bewegen.

• Diese Meermenschen können auf Tiefen beschränkt sein, in denen der Druck groß genug ist, dass das gelöste O2 ihren Bedarf deckt. So ähnlich wie luftatmende Menschen sind aus dem gleichen Grund auf niedrige Höhen beschränkt.
  

• Das Meervolk hat salzigeres Blut – isotonisch zum Meerwasser, in dem es sich befindet.
  

  • Die Meermenschen haben große Atemmuskeln – gut, um die Brust kräftig zu dehnen und kräftig zusammenzuziehen – dieses letztere Stück ist nicht besonders stark für Menschen, die viel besser einatmen können.
    

  • Meermenschen haben vergleichsweise starre Bronchien, die den höheren Drücken standhalten, die mit einem schnelleren Einatmen und Ausatmen von Wasser verbunden sind.

Hier gibt es viele nette Antworten! Ein Problem, auf das hingewiesen wurde, ist, dass Menschen als Warmblüter viel mehr Sauerstoff benötigen als Polikiothermen, weil die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur viel Stoffwechsel erfordert, der wiederum viel O2 verbrennt. Daraus ergeben sich allerlei Spezialstrategien, um genug „Gillage“ zu bekommen. So...

Warum machen wir sie nicht zu Polikiothermen (für unsere Zwecke kaltblütig), wie fast alle Fische? Das reduziert viele Probleme. Erstens weniger Sauerstoffverbrauch, was weniger extreme Lösungen für Kiemen bedeutet. Schau dir deinen freundlichen Riffhai an:

Seine Kiemen sind ziemlich groß.

Zweitens bedeutet Kaltblütigkeit, dass Sie diese ganze Isolierung nicht brauchen. Die meisten Meeressäuger haben umfangreiche Speckvorkommen, die ihnen helfen, sich warm zu halten, und das passt nicht wirklich zum Meerjungfrauen-Image. Von Meerjungfrauen wird erwartet, dass sie einen Hauch von Avoirdupois haben, aber die Tradition hat es ansprechender verteilt und so sehr … dekorativ wie nützlich.

Drittens brauchen kaltblütige Meerjungfrauen weniger Nahrung, sodass sie weniger Zeit mit der Nahrungssuche verbringen und mehr Zeit damit verbringen können, auf Felsen zu sitzen und Seeleute in ihr Verderben zu locken.

Das Hauptproblem, auf das Sie stoßen werden, ist, dass das menschliche Gehirn viel Sauerstoff benötigt , um zu funktionieren, und dass Wasser nicht annähernd so viel Sauerstoff enthält wie Luft. Wenn diese Meermenschen also in der Lage sein sollen, unter Wasser zu atmen, ohne aufzutauchen, brauchen sie entweder viel mehr Oberfläche auf ihren Kiemen als Menschen in ihren Lungen haben, oder sie müssen eine ganze Menge Wasser durch ihre Kiemen pumpen.

Laut der von Ihnen verlinkten "Gillung" -Antwort enthält Süßwasser etwa 8 cm3 / l gelösten Sauerstoff, während Luft 210 cm3 / l enthält. Das ist ein Faktor von 26,25 Unterschied. Wenn Sie also Meermenschen mit inneren Kiemen haben wollen, die ihre menschliche Lunge ersetzen, müssen sie über 26-mal so viel Wasser durch ihre Lungen pumpen wie Menschen Luft pumpen. Das wird alles andere als unpraktisch sein, selbst wenn sie nicht trainieren. Das Hinzufügen von Schlitzen zwischen den Rippen, um Wasser auszustoßen, damit es in eine Richtung durch die Kiemen fließt, wird helfen, aber sie müssen immer noch eine große Menge Wasser pumpen, um bei Bewusstsein zu bleiben. Und so viel Wasser zu pumpen, kostet viel Energie und erhöht den Sauerstoffbedarf.

Lösung: Äußere Kiemen und viele davon. Laut dieser Wikipedia-Seite haben äußere Kiemen bei den Kreaturen, die sie haben (Salamander-, Lungenfisch- und Bichir-Larven), typischerweise die Form von 3-4 farnartigen, verzweigten Stielen, die von beiden Seiten des Körpers der Kreatur hinter dem Kopf ausgehen. Ich bin mir nicht ganz sicher, wo das bei einem Menschen liegen würde – vielleicht am Hals? Sie könnten wahrscheinlich genauso einfach damit davonkommen, sie auf den Rücken Ihrer Meermenschen zu legen, was den Vorteil hat, dass sie näher an den Lungenarterien / -venen sind, in die sie sich einhaken müssen.

Ein System externer Kiemen, das in der Lage ist, mit einem Paar menschlicher Lungen Schritt zu halten, muss ziemlich groß sein, also werden diese Typen nicht hydrodynamisch sein. Sie müssen sich auch regelmäßig bewegen, um nicht den gesamten Sauerstoff in ihrer unmittelbaren Umgebung zu verbrauchen, und da sie vom Menschen genetisch verändert wurden, haben sie möglicherweise nicht den Instinkt, dies unbewusst zu tun. Es könnte also besser sein, sie in Flüssen leben zu lassen, damit sie sich keine Sorgen machen müssen. Alternativ könnten sie so konstruiert werden, dass sie mit ihren flauschigen tentakelartigen Kiemen Sauerstoff riechen können, was an sich schon ziemlich cool wäre. Das hängt davon ab, wie weit Sie Ihre genetische Handbewegung treiben wollen.

Eine andere Alternative könnte darin bestehen, den Wald der äußeren Kiemen abzuschaffen und ihnen entweder flüssigkeitsflexible krabbenartige Kiemen oder kleinere äußere Kiemen zu geben und sie in die Lage zu versetzen, mit den geringen Sauerstoffmengen zu überleben, die ihre Kiemen liefern könnten. Wenn sie sich ausruhen oder aus irgendeinem Grund tief tauchen müssen, könnten sie in einen Energiesparmodus wechseln, Sauerstoff sparen und sich auf ihre Kiemen verlassen; aber wenn sie jagen, kämpfen oder mathematische Probleme lösen müssen, könnten sie für einen Atemzug Sauerstoff auftauchen.

Oder Sie könnten es einfach wie Wale machen, die zwar Luft atmen, aber für längere Aufenthalte unter Wasser große Mengen an Sauerstoff im Inneren speichern können. Ich glaube, der Pottwal ist dafür bekannt, dass er über eine Stunde lang untertaucht, wenn er in große Tiefen geht, um nach Tintenfischen zu suchen.

Eine von Robben in arktischen Gebieten angewandte Technik besteht darin, die Luft an der Unterseite des Packeises in einer großen Blase auszuatmen, das Wasser den O2-Gehalt auffrischen zu lassen und ihn wieder einzuatmen. Vielleicht könnte ein Meermensch einen Hautlappen haben, den er ausatmen könnte und atmen Sie zu diesem Zweck eine Luftblase ein.

Bei einigen luftatmenden Wasserreptilien wie Schildkröten oder Alligatoren bedeutet ihr niedrigerer Stoffwechsel, dass sie nicht so viel Sauerstoff zur Hand haben müssen. Aber das ist eine radikale biologische Veränderung, während die Anpassung des Meermenschen, um viel mehr O2 aus der Luftatmung speichern zu können, eine wahrscheinlichere Veränderung wäre ... wie es bereits geschehen ist, als Säugetiere in die Ozeane zurückkehrten.

Warum willst du, dass der Wassermensch Luft statt Kiemen und Wasser atmet? Luft überträgt O2 viel effizienter und gibt der Kreatur unter Wasser größere Kraftreserven. Das größte nicht luftatmende Wasserlebewesen ist der Walhai mit etwa 40 Fuß, und es ist eine sehr langsame Kreatur mit einer etwas engen Auswahl an Lebensräumen. Vergleichen Sie das mit dem etwa doppelt so großen Blauwal, der sich schneller fortbewegen und sich in ein viel breiteres Spektrum von Lebensräumen wie die Antarktis wagen kann.

Fische ziehen Wasser durch ihr Maul ein und drücken es über ihre Kiemen aus, damit die Kiemen den Sauerstoff (oder etwas Ähnliches) entziehen können. Dies würde für Menschen nicht funktionieren, da die Menge an Wasser, die sie einziehen könnten, durch die Größe ihres Mundes und möglicherweise ihrer Nase begrenzt wäre.

Ich denke, die Ideen von @WilliamKumler und SomeoneElse37 für externe Kiemen wären die praktischste Lösung.

Während Flügel wahrscheinlich ästhetisch ansprechend anzusehen wären (ich liebe das Bild, das mir in den Sinn kommt), könnten sie aufgrund einer kleineren befestigten Fläche im Vergleich zu ihrer Länge und Breite weniger praktisch sein (denken Sie hier an Feen- / Libellenflügel. @ WilliamKimler, Sie stellen es sich vielleicht anders vor).

Kiemenranken (wie die auf den prächtigen Nacktschnecken), Kiemenfedern (wie sie auf Molchen und Salamandern getragen werden) wären der richtige Weg, und wenn man bedenkt, dass Ihr konstruiertes Wassermann wahrscheinlich in einem Gebiet mit einer gewissen Menge Wasserströmung sein müsste, die Ranken können in der Strömung passiv schwanken oder selbst wenn sich die Wasserperson bewegt, haben jedoch eine begrenzte Bewegung, falls die Wasserperson in einem Bereich mit begrenzter Wasserbewegung (wie beispielsweise einer Höhle) stationär ist.

In ähnlicher Weise können Sie Ihren Wassermenschen mit feinen haarähnlichen Ranken bedecken, die einen größeren Bereich seiner Körperoberfläche bedecken. Oder die Ranken können auf irgendeine Weise so konstruiert werden, dass sie von unserem menschlichen Haar abstammen und sich daher (meistens) auf dem Kopf befinden und sich auf irgendeine Weise an das bestehende Atemsystem anbinden.

Die Einschränkung der äußeren Kiemen wäre, dass sie feucht gehalten werden müssten oder vielleicht auf irgendeine Weise einziehbar sein müssten. Alternativ könnten sie schlafen gehen oder träge werden, wenn sich die Wasserperson auf trockenem Land wiederfindet, oder einen Schleim oder eine Art Gel absondern, um sich vor dem vollständigen Austrocknen zu schützen.

Apropos Nasen, Ohren und andere hervorstehende Teile, Sie möchten diese wahrscheinlich kleiner machen oder auf irgendeine Weise näher an den Körper bringen, um die Stromlinienform zu verbessern. Wenn Sie keinen meerjungfrauenartigen Schwanz haben möchten, benötigt Ihr Wassermann größere Hände mit Flossen, längeren Fingern und flacheren/größeren Füßen. Sie müssen möglicherweise auch muskulöser sein, da es schwieriger ist, sich durch Wasser zu bewegen, als sich durch die Luft zu bewegen.

Ich würde mich für die PEM-Elektrolyse entscheiden

Eine kiemenartige Struktur mit der Fähigkeit des Körpers, elektrischen Strom zu erzeugen, kann verwendet werden, um Sauerstoff direkt aus den Wassermolekülen abzuleiten (H2O -> H + O2). Diese Struktur kann das resultierende Gas direkt in die Lunge pumpen (sogar ziemlich menschliche Lungen) und kann außerhalb des Wassers umgeleitet und dem freien Sauerstoff in der Luft ausgesetzt werden.

Dies hat den Vorteil, dass es nicht von der im Wasser gelösten Sauerstoffmenge abhängig ist und ermöglicht daher das Überleben in sauerstoffarmen Gewässern wie großen Tiefen oder Verunreinigungen.

Dies ist ein relativ energieineffizienter Prozess, aber angesichts der komplexen Strukturen, die lebende Zellen bilden können, ist es denkbar, sogar die Hautatmung von Amphibien nachzuahmen (Aufnahme von Sauerstoff aus dem Wasser über die Haut).

Auch die Existenz eines solchen Organismus (in diesem Fall humanoid) kann eine symbiotische wasserstoffbasierte Ökologie mit möglichen Mikro-Reclaimern (H + O2 -> H2O) in Gebieten mit natürlichem hohem Sauerstoffgehalt im Wasser (vermutlich nahe der Oberfläche) unterstützen.

Kiemen auf dem Rücken wären mein Ziel.

Es ist nicht unvernünftig, eine Struktur zu schaffen, die die menschliche Brusthöhle durchquert oder sogar verändert. Derzeit gibt es Lücken, in denen Muskeln und Fleisch zwischen den Rippen vorhanden sind. Einfach zu sagen, dass eine sauerstoffaustauschende Membran die hinteren Rippen durchquert, ist nicht zu weit hergeholt. Oder einfach Hohlräume durch die hinteren Rippen, die Wasser zu den Kiemen/Lungen bringen.

Der zusätzliche Vorteil der Einfachheit besteht darin, dass Sie einen Großteil dieser Organstruktur wiederverwenden können, da es sich näher an der Lunge befindet. Sie könnten wahrscheinlich sogar beide Atmungsmethoden beibehalten, schließlich gibt es Kreaturen, die sowohl Luft als auch Wasser atmen können.

Was andere Eigenschaften betrifft. Nur weil Sie Kiemen hinzufügen, müssen Ohren und andere Organellen nicht verloren gehen. Wussten Sie, dass Wale noch ihre Hinterbeine haben?

Um dies vernünftiger zu machen. Ich würde den Abstand zwischen den Rippen auf dem Rücken vergrößern (also eine größere, ausgeprägtere Brust), um größere Kiemenschlitze zu ermöglichen. Ich würde die Lunge groß und dünn wachsen lassen und die Rückseite der inneren Brusthöhle auskleiden, damit Sie eine funktionellere Atmungsoberfläche haben. Die Form der Lunge ist bereits förderlich, da sie zwei getrennte Hälften mit einer Trennung in der Mitte hat, die benötigt würden, um das zentrale Nervensystem mit den übrigen Organen zu verbinden.

Wenn Sie sich für das Konzept der Hohlraumrippen entscheiden, besteht Ihre einzige Herausforderung darin, die Wasserzirkulation sicherzustellen. Glücklicherweise haben wir bereits ein Organ namens Zwerchfell, das dies löst. Modifizieren Sie einfach die Membran so, dass sie entleerbar/flutbar ist, damit sie in der gewählten Umgebung betrieben werden kann.