2. Die Atmung

Bekanntlich kann der Mensch ohne Sauerstoff nicht überleben, da die meisten Zellen des Körpers für die Energiegewinnung von Sauerstoff abhängig sind. Die Atmung sichert die Versorgung des Organismus mit dem lebenswichtigen Sauerstoff.

Durch den oxidativen Stoffwechsel entsteht Kohlendioxid, welches – bei zu hohen Konzentrationen – schädliche Auswirkungen auf den Organismus hat. Aus diesem Grund muss es aus dem Körper transportiert werden. Die Luft, die uns auf der Erde umgibt, ist somit Lieferant des Sauerstoffs und sogleich auch Aufnehmer des abgeatmeten Kohlendioxids. Wie funktioniert aber nun dieser Gasaustausch zwischen der Umgebungsluft und dem Organismus und welche Mechanismen stehen dahinter?

Die folgenden Kapitel geben Einblick in die Thematik „Atmung“ und sollen als Grundlage für die in Kapitel 4.2 beschriebenen Auswirkungen des akuten Sauerstoffmangels dienen.

2.1. Anatomie des Atmungsapparates

In diesem Kapitel wird kurz auf die anatomischen Gegebenheiten des Atemapparates eingegangen, um die nachfolgende Physiologie der Atmung besser verstehen zu können (siehe Kapitel 2.2).

Die Atemwege – in Abbildung 1 dargestellt – werden in obere und untere Atemwege eingeteilt. Nasenhöhlen, Rachen und Kehlkopf gehören zu den oberen, Luftröhre (Trachea), Luftröhrenäste (Bronchien) und Lungenbläschen (Alveolen) zu den unteren Atemwegen (Marées, 2003, S.217).

Dabei ist zu betonen, dass die oberen und auch die unteren Atemwege (bis auf die Alveolen) der Leitungsfunktion – einer Teilfunktion der gesamten Atmung – dienen, um die Luft zu der Respirationszone – den Alveolen – zu befördern. Anschließend wird die sauerstoffarme Luft auf dem gleichen Weg wieder abgeleitet. Der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid findet ausschließlich in den Lungenbläschen statt – siehe Kapitel 2.2.2.

Weitere Funktionen der Atemwege sind die Reinigung, die Erwärmung und die Befeuchtung der eingeatmeten Luft (Thews & Vaupel 2005, S.233).

Abb. 1: Schematische Darstellung der Atemwege eines Menschen (Marées 2003, S.217).

2.1.1. Lungen- und Atemvolumina

Die Lunge ist ein sehr dehnbares Organ und dementsprechend können verschiedene Lungenvolumina unterschieden werden (Thews & Vaupel, 2005, S.238-240).

Atemzugvolumen

Das Atemzugvolumen ist das Volumen, das pro Atemzug ein- bzw. ausgeatmet wird.

Inspiratorisches Reservevolumen

Das Luftvolumen, das nach normaler Einatmung noch zusätzlich eingeatmet werden kann, wird als inspiratorisches Reservevolumen bezeichnet.

Expiratorisches Reservevolumen

Nach normaler Ausatmung in Ruhe könnte noch zusätzlich ein bestimmtes Luftvolumen, das expiratorische Reservevolumen, ausgeatmet werden.

Residualvolumen

Nach maximaler Ausatmung bleibt immer ein gewisses Luftvolumen in der Lunge übrig, welches nicht abgeatmet werden kann. Dieses Restvolumen wird als Residualvolumen bezeichnet.

Vitalkapazität

Die Vitalkapazität setzt sich aus Atemzugvolumen, inspiratorischem und expiratorischem Reservevolumen zusammen und ist das Luftvolumen, das nach maximaler Einatmung maximal ausgeatmet werden kann – dieser Parameter stellt ein Maß für die Dehnbarkeit der Lunge dar.

Inspirationskapazität

Die Inspirationskapazität ist die Luftmenge, die bei vorheriger normaler Expiration maximal eingeatmet werden kann.

Funktionelle Residualkapazität

Nach normaler Expiration bleibt ein gewisses Luftvolumen in der Lunge zurück, das als funktionelle Residualkapazität bezeichnet wird. Frisch eingeatmete Luft vermischt sich mit dieser „Restluft“ in der Lunge und dadurch wird eine gleichmäßige Sauerstoff- und Kohlendioxidfraktion im Alveolarraum gewährleistet.

Totalkapazität

Die Totalkapazität stellt das Luftvolumen dar, das sich nach maximaler Einatmung in der Lunge befindet.

Wie bereits beschrieben und in Abbildung 2 noch einmal grafisch dargestellt, gibt es verschiedene Lungenvolumina, wobei das Atemzugvolumen, die Vitalkapazität und die funktionelle Residualkapazität die wichtigsten Parameter darstellen. Die Vitalkapazität und das Atemzugvolumen spielen eine wichtige Rolle für das Atemzeitvolumen – in weiterer Folge auch für die Sauerstoffaufnahme – und die funktionelle Residualkapazität hat eine große Bedeutung für den Gasaustausch (Thews & Vaupel 2005; S.239-242). (Näheres siehe Kapitel 2.2.2.1).

Generell kann gesagt werden, dass die Lungenvolumina mit dem Geschlecht und der Körpergröße zusammenhängen, wobei größere Menschen ein größeres Lungenvolumen haben, sowie Männer eine größere Totalkapazität haben als Frauen (Brooks et al. 2005; S.263). Als Durchschnittswert für 20-30 Jahre alte Männer kann eine Vitalkapazität von 5,1 Liter und bei Frauen des gleichen Alters eine Vitalkapazität von 4,4 Liter angenommen werden (Thews & Vaupel 2005; S.238).

Abb. 2: Einteilung der Lungenvolumina; Darstellung einer maximalen Inspiration und Expiration zwischen einer Ruheatmung (Thews & Vaupel 2005, S.238).

Anatomischer Totraum

Es ist auch bedeutend, den so genannten „anatomischen Totraum“ kurz zu nennen. Dieser stellt das Volumen in den zuleitenden Atemwegen dar (obere Atemwege), welche zwar mit Luft gefüllt sind, dort aber kein Gasaustausch stattfindet. Dieses Totraumvolumen hat eine große Wirkung für den Gasaustausch im Alveolarraum, da im Falle einer sehr flachen Atmung mit hoher Atemfrequenz nur dieser Totraum mit Frischluft versorgt wird und nicht genügend sauerstoffreiche Luft zum Alveolarraum gelangt. Deswegen ist es wichtig, eine möglichst tiefe Atmung anzustreben, denn dadurch gelangt mehr Frischluft zu den Alveolen (Thews & Vaupel 2005; S.241).

2.2. Physiologie der Atmung

2.2.1. Funktionen der Atmung

Der Sauerstoff aus der Umgebungsluft hat einen langen Weg vor sich, bis er zu den sauerstoffbenötigenden Zellen des Organismus gelangt.

Dabei können verschiedene Teilfunktionen der Atmung unterschieden werden.

Die 2 Hauptfunktionen und deren Teilfunktionen sind:

I. Den Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu den Körperzellen zu transportieren. Dieser Transportmechanismus kann in 4 weitere Teilfunktionen gegliedert werden (Thews & Vaupel (2005, S229):

a. Konvektiver Transport zu den Lungenalveolen

b. Diffusion in das Lungenkapillarblut

c. Konvektiver Transport zu den Gewebekapillaren durch das Blut

d. Diffusion von den Gewebekapillaren in die umgebenden Zellen

II. Die Beseitigung des Kohlendioxids von den Zellen durch Abtransport und Abgabe in die umgebende Atmosphäre (Marées; 2003, S.220).

Anhand dieser Einteilung kann auch zwischen einer so genannten „inneren Atmung“ und einer „äußeren Atmung“ unterschieden werden.

Die Punkte a. und b. gehören zur äußeren Atmung oder auch Lungenatmung genannt. Punkt c. wird als Atemgastransport des Blutes und d. als innere Atmung oder Gewebeatmung bezeichnet.

2.2.2. Grundlagen des Gasaustausches in der Lunge

Da in oben stehenden Kapiteln der Atemapparat und die Funktionen der Atmung im Überblick besprochen wurden, ergibt sich nun die Frage, wie der Gastransport bzw. der Gasaustausch nun im Speziellen aussieht. Diese Fragestellung gilt es in den kommenden Kapiteln zu beantworten.

In Abbildung 3 ist der Gasaustausch in den Alveolen schematisch dargestellt.

Abb. 3: Schematische Darstellung des Gasaustausches zwischen Lungenalveolen und Lungenkapillaren (Thews & Vaupel, 2005, S.264).

Durch die Einatmung (Inspiration) gelangt sauerstoffreiche Frischluft in die Lunge bis zu den Alveolen und zur so genannten „respiratory Membrane“, welche die Trennschicht zwischen den Lungenkapillaren und dem Alveolarraum darstellt. Die Lungenbläschen, in welche die Atemwege münden, sind in Abbildung 3 als helle Kreise dargestellt. Auf der anderen Seite gelangt sauerstoffarmes Blut (blau dargestellt) über den Blutkreislauf durch die Lungenkapillaren zu der Membran. Diese ist dick genug, um eine Blutung aus den Blutgefäßen in die Lunge zu verhindern, jedoch andererseits auch dünn genug, um den Gasaustausch zwischen der...