Believe it or not: some animals are breathing through their butt // Kaum zu glauben, aber wahr: manche Tiere atmen durch ihr Hinterteil

Butt-breathing is a very little known ability of a small group of animals. It is more formally known as enteral respiration or cloacal respiration. It means that the gas exchange occurs in the posterior cavity of the enteral system.

Typically this is not the major way for an animal to breathe. However, for some species this is a secondary mechanism they can use in hypoxic (oxygen-lacking) environments, i.e. when they have no other way to provide their bodies with oxygen. But who are the weird creatures that have evolved this way of breathing?

Butt-breathing & more craziness

The main group of animals that are known to for butt-breathing are aquatic turtles and terrapins (AKA pond or marsh turtles). As reptiles, they have lungs and breathe air. When resting underwater, however, turtles can dive for 4-7 hours without having to come up to the water surface for air. The cloacal respiration is helping them to do this. Turtles can contract muscles in their inguinal pocket, thereby pumping water into their cloacal orifice (in German we call this the anal bladder). Next, the water gets to a pair of pouch-like structures called the cloacal bursae. These are lined with long fimbriae which are equipped with an abundance of blood vessels ready to take up oxygen. Here the gas exchange takes place.

Aquatic turtles are able to use cloacal respiration to different degrees. One of the most impressive species is the Fitzroy River turtle Rheodytes leukops. Its cloacal respiratory system measures 10 cm at a shell length of 26 cm. The cloacal contraction for breathing is 15-60 times per minute.

However, this is not the only magic trick this cloacal respiratory system comes along with.  Additionally, it can be used to adjust the specific body weight of an aquatic turtle to the surrounding water to facilitate horizontal movements while diving. Also, when females are coming shore to nest/lay eggs, they use water from the “anal bladder” to soften the sand. In marsh turtles, this ability helps them during the winter torpor. Also frogs and salamanders, among others, are butt breathers.

In a similar way, sea cucumbers have a constant water flow through their cloacal respiratory tree. This offers a constant flow of water for other species as well: several fish and crab species live within the sea cucumber itself for protection. Many of these will emerge from the sea cucumber’s anus at night in search for food. The pearlfish are some of these lovely weirdos ;-). Luckily, the world wide web offers great photos and even videos (this one is fantastic!) of this very intimate relationship:

Another species to look at is the pond loach. These little creatures live in the intertidal zones of the Eastern Asian coasts. Their habitat dries periodically. As a response, the pond loaches burrow into the mud and exchange gas through the posterior end of their alimentary canal.

Butt-breathing and… COVID?

Studies have shown that some mammals, e.g. mice and pigs, are capable of enteral respiration as well (in extreme situations). In the course of the COVID-19 pandemic, (more) research is being conducted to look into this ability in humans for clinical application. Sars-cov-2 has often been associated with respiratory failure. A new technique – called „enteral ventilation via anus (EVA)“ – „with transanal oxygen delivery by leveraging the highly vascularized distal bowel region“ can assist respiratory function and is supposedly less invasive than more established techniques. So, maybe copying the butt-breathing abilities of turtles will save human lives in the future.

Das Atmen durch den Hintern ist eine sehr wenig bekannte Fähigkeit einer kleinen Gruppe von Tieren. Es ist formal als Kloakenatmung bekannt. Das bedeutet, dass der Gasaustausch in der Hinterhöhle des enteralen Systems stattfindet.

In der Regel is die Kloakenatmung nicht der wichtigste Atemmechanismus. Für einige Arten ist es jedoch ein sekundärer Mechanismus, den sie in hypoxischen (sauerstoffarmen) Umgebungen nutzen können, d. h. wenn sie keine andere Möglichkeit haben, ihren Körper mit Sauerstoff zu versorgen. Aber wer sind die seltsamen Kreaturen, die diese Art zu atmen entwickelt haben?

Hintern-Atmung & mehr Verrücktheiten

Die Hauptgruppe von Tieren, die für die Po-Atmung bekannt sind, sind Meeresschildkröten und Sumpfschildkröten. Als Reptilien haben sie Lungen und atmen Luft. Wenn sie sich jedoch unter Wasser ausruhen, können Meeresschildkröten 4-7 Stunden lang tauchen, ohne zum Luftholen an die Wasseroberfläche kommen zu müssen. Die Kloakenatmung hilft ihnen dabei. Schildkröten können Muskeln in ihrer Leistentasche kontrahieren und so Wasser in ihre Kloakenöffnung (auf Deutsch nennen wir das Analblase) pumpen. Als nächstes gelangt das Wasser zu einem Paar beutelartiger Strukturen, die als Schleimbeutel bezeichnet werden. Diese sind mit langen Fimbrien ausgekleidet, die mit einer Fülle von Blutgefäßen ausgestattet sind, die bereit sind, Sauerstoff aufzunehmen. Hier findet der Gasaustausch statt.

Wasserschildkröten können die Kloakenatmung in unterschiedlichem Maße nutzen. Eine der beeindruckendsten Arten ist die Fitzroy-Schildkröte Rheodytes leukops. Sein klokales Atmungssystem misst 10 cm bei einer Panzerlänge von 26 cm. Die Kloakenkontraktion zum Atmen beträgt 15-60 mal pro Minute.

Dies ist jedoch nicht der einzige Zaubertrick, den dieses Kloaken-Atmungssystem mit sich bringt. Darüber hinaus kann es verwendet werden, um das spezifische Körpergewicht einer Wasserschildkröte an das umgebende Wasser anzupassen, um horizontale Bewegungen beim Tauchen zu erleichtern. Auch wenn die Weibchen an Land kommen, um Eier zu nisten/legen, verwenden sie Wasser aus der „Analblase“, um den Sand aufzuweichen. Sumpfschildkröten hilft diese Fähigkeit während der Winterstarre.

In ähnlicher Weise haben Seegurken einen konstanten Wasserfluss durch ihren Kloaken-Atmungsbaum. Dies bietet auch anderen Arten einen konstanten Wasserfluss: Mehrere Fisch- und Krabbenarten leben zum Schutz in der Seegurke selbst. Viele von ihnen tauchen nachts auf der Suche nach Nahrung aus dem Anus der Seegurke auf. Einige dieser merkwürdigen Kreaturen sind die passend benannten Einegweidefische. Und zum Glück findet man tolle Fotos und sogar Videos (dieses hier hat deutsche Untertitel) dieser „Wohngemeinschaft“ in den weiten des Internets.

Eine weitere zu beobachtende Art ist die Teichschmerle. Diese kleinen Kreaturen leben in den Gezeitenzonen von ostasiatischen Küsten, die periodisch austrocknen. Als Reaktion graben sich die Teichschmerlen in den Schlamm und tauschen Gas durch das hintere Ende ihres Verdauungskanals aus.

Hintern-Atmung und… Corona?

Studien haben gezeigt, dass einige Säugetiere, z.B. Mäuse und Schweine, in Extremsituationen ebenfalls zur enteralen Atmung fähig sind. Seit der COVID-19-Pandemie wird (mehr) geforscht, um diese Fähigkeit beim Menschen für die klinische Anwendung zu untersuchen. SARS-CoV-2 geht oft mit Atemversagen einher. Eine neue Technik – genannt „enterale Beatmung über den Anus (EVA)“ – „mit transanaler Sauerstoffzufuhr durch Nutzung der stark vaskularisierten distalen Darmregion“ kann die Atmungsfunktion unterstützen und ist angeblich weniger invasiv als etabliertere Techniken. Vielleicht wird das Kopieren der Hintern-Atmungsfähigkeiten von Schildkröten also in Zukunft Menschenleben retten.