Weg der Atmung

Nach der Einatmung wird die Luft in der Nase und im Nasen- Rachen-Raum gereinigt, angefeuchtet und auf Körpertemperatur erwärmt.Über den Rachen-Raum gelangt die Luft zum Kehlkopf, hier kreuzt sich der Luftweg mit dem Verdauungsweg vom Mund zur Speiseröhre.

Nach Passage des Kehlkopfes mit den Stimmbändern erreicht die Luft über die Luftröhre die beiden Hauptbronchien der linken und rechten Lunge.

In den Lungen erfolgt eine weitere Aufzweigung der Atemwege in kleinere Bronchien und Bronchiolen.

Die feinste Struktur innerhalb der Lunge ist das Lungenbläßchen, lat.: Alveole.

Diese werden von einem feinen Netz von Lungenkapillaren umsponnen.

Anatomie

Die beiden Lungen sind nur zur Körpermitte hin durch den sogenannten Lungenstiel mit dem Körper fest verbunden. Dieser Lungenstiel enthält den Hauptbronchus, Lungenarterien und Lungenvenen. Sonst wird die Lunge zu allen Seiten durch das Lungenfell, lat.: "Pleura visceralis", begrenzt.

Dem Lungenfell gegenüber liegt das Rippenfell, lat.: "Pleura parietalis". Es bildet die Grenzschicht des Körpers sowohl zu den Rippen hin, zum Zwerchfell und zum "Mediastinum". Als Mediastinum bezeichnet man den Raum zwischen den beiden Lungen, der das Herz, die großen Gefäße und die Luftröhre enthält. Zwischen Lungenfell und Rippenfell befindet sich der sogenannte "Pleuraspalt". Dieser zu allen Seiten hin abgeschlossene Raum ist mit einer geringen Menge Gleitflüssigkeit gefüllt.

Bedingt durch den hohen Anteil elastischer Fasern ist die Lunge immer bestrebt, ein möglichst kleines Volumen einzunehmen. Bei der Einatmung folgt die Lunge passiv dem Brustkorb, der sich durch Anspannung der Zwischenrippenmuskulatur und des Zwerchfells vergrößert. Da diese Aktion entgegen der elastischen Rückstellkräfte der Lunge erfolgt, entsteht dabei im Pleuraspalt ein leichter Unterdruck.

Physiologie

• Durch Anspannung der Atemmuskulatur (Zwischenrippenmuskeln, Zwerchfell, Hilfsatemmuskulatur des Schultergürtels) wird die Lunge passiv gedehnt.
• Durch den in der Lunge entstehenden relativen Unterdruck wird Luft durch die Atemwege in die Lunge gesaugt.
• Die Ausatmung folgt weitgehend passiv durch die elastischen Rückstellkräfte der Lunge.

Bei einem jungen Mann beträgt die durchschnittliche Atemzugtiefe ca. 0,5l. Über die normale Einatmung hinaus besteht eine Einatemreserve von ca. 3l, nach der normalen Ausatmung besteht eine Ausatemreserve von ca. 1l. Die Gesamtmenge der maximal zu bewegenden Luft zwischen tiefster Ausatmung und tiefster Einatmung wird als Vitalkapazität bezeichnet und beträgt in unserem Beispiel 4,5l.

Selbst nach tiefster Ausatmung bleibt jedoch in der Lunge ein Restvolumen (= "Residualvolumen") von ca. 1,5 l Luft vorhanden. Aus der Summe von Vitalkapazität und Residualvolumen errechnet sich die Totalkapazität der Lunge von 6 l. Die hier genannten Beispielwerte sind natürlich nicht für alle Menschen zutreffend, da die Lungenvolumina sehr stark von Körpergröße, Lebensalter und Geschlecht abhängen.

Totraum

Zum Volumen der Lunge selbst muss noch das Volumen der Atemwege von der Nase bis zu den kleinen Bronchiolen gerechnet werden, bei Erwachsenen beträgt es ca. 150ml.

Dieses Volumen wird als Totraumvolumen bezeichnet, da die Luft in den Atemwegen nicht am Gasaustausch in der Lunge teilnimmt sondern lediglich bei jedem Atemzyklus durch die Atemwege hin und her geschoben wird.

Bei einem normalen Atemzug von 0,5l erreichen also lediglich 350ml die Lunge, um am Gasaustausch teilzunehmen.

Der Gasaustausch

Man unterscheidet einen

• äußeren Gasaustausch in der Lunge zwischen Lungenalveole und Lungenkapillaren und einen
• inneren Gasaustausch im Körpergewebe zwischen den Körperzellen und den Gewebekapillaren.

Beim Stoffwechsel wird Sauerstoff (= O2) vom Körper verbraucht und Kohlendioxyd (= CO2) als Abfallprodukt produziert.

Äußerer Gasaustausch

Das vom rechten Herz in die Lunge gepumpte CO2-reiche und O2-arme Blut wird beim Kontakt von Lungenkapillaren und Alveolen von CO2 befreit und mit O2 angereichert.

Das CO2 wird auf drei Wegen zur Lunge transportiert:

• Gebunden an den Blutfarbstoff (= Hämoglobin) der roten Blutkörperchen,
• in physikalischer Lösung im Blutplasma und
• nach Reaktion mit Wasser als
  HCO3--Ionen: CO2 + H2O
  HCO3- + H+.

Diese Reaktion ist leicht umkehrbar, so dass auch ein als HCO3--Ion transportieres CO2-Molekül in der Lunge abgeatmet werden kann.

In der Lunge diffundiert das CO2 in gelöster Form durch die dünne Zellmembran zwischen Lungenkapillaren und Alveole entlang dem Konzentrationsgefälle, da der CO2-Teildruck im venösen Blut 60 mbar beträgt, während in der Lunge nur ein CO2-Teildruck von 52 mbar herrscht.

Nach dem gleichen Schema (Diffusion entlang des Konzentrationsgradienten) erfolgt die Aufnahme von O2 aus der Lunge in die Lungenkapillaren, da im venösen Blut lediglich 53 mbar O2-Teildruck herrschen, während in der Alveolarluft ein O2-Teildruck von 133 mbar herrscht.

In den Lungenkapillaren wird dann O2 wie zuvor das CO2 auf den o.g. beiden Wegen transportiert: gebunden an das Hämoglobin und physikalisch gelöst im Plasma.

Innerer Gasaustausch

Der Gaswechsel im Gewebe erfolgt entsprechend dem äußeren Gasaustausch entlang des Konzentrationsgefälles für die beiden betroffenen Gase. O2 diffundiert in gelöster Form aus den Kapillaren mit einem O2-Teildruck von 127 mbar in die Körperzellen mit einem durchschnittlichen O2-Teildruck von 53 mbar. Das CO2 diffundiert aus dem Körpergewebe in die Gewebekapillaren entlang des Konzentrationsgradienten von 60 mbar im Gewebe zu 55 mbar in den Kapillaren.

Obwohl annähernd soviel CO2 vom Gewebe produziert wird wie O2 verbraucht wird, fällt auf, dass sowohl bei der äußeren als auch bei der inneren Atmung die Konzentrationsgefälle für CO2 wesentlich geringer sind als für O2. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass ein Großteil des Blut-CO2 nach Reaktion mit Wasser als HCO3- transportiert wird und sich dann nicht mehr anhand des CO2-Teildrucks erkennen lässt. Aus der Höhe des CO2-Teildrucks kann man somit nur indirekt auf die tatsächliche Menge des CO2 im Kreislauf schließen.

Inertgase

Neben den beiden am Stoffwechsel aktiv beteiligten Gasen O2 und CO2 werden selbstverständlich auch alle übrigen Gasbestandteile der Einatemluft im Blut und den Körpergeweben gelöst. So wird Stickstoff (= N2), der mit 78% der Atemluft den größten Gasanteil ausmacht, beim äußeren Gasaustausch als gelöstes N2 vom Blut aufgenommen und beim inneren Gasaustausch ebenfalls in gelöster Form auch in die Körpergewebe aufgenommen. Da N2 nicht am Stoffwechsel teilnimmt, nicht verbraucht wird und chemisch unverändert bleibt, wird er als "Inertgas" bezeichnet und auf allen Stationen des Gasaustausches in gleicher Höhe angetroffen. Der Teildruck des N2 in der Lunge steht im Fließgleichgewicht mit dem N2-Teildruck im Blut und in den einzelnen Körpergeweben (765 mbar).

Wasserdampf

Das Atemgas wird bei der Einatmung in Nase und Nasenrachenraum angefeuchtet und ist in der Lunge zu 100% wasserdampf-(H2O-)gesättigt. Bei 37°C Körpertemperatur beträgt der H2O-Teildruck in der Lunge 63 mbar. Wie für N2 besteht auch für H2O ein Fließgleichgewicht beim äußeren und inneren Gasaustausch. Für eine korrekte Berechnung des Gesamtgasdrucks ist in Grafik 5 der H2O-Teildruck auf allen Ebenen berücksichtigt.

Sauerstoff-Verbrauch

Bei körperlicher Aktivität verbraucht die Muskulatur vermehrt O2. Während der Gesamt-O2-Bedarf eines Menschen in Ruhe ca. 300 ml/min. beträgt, können trainierte Personen bei Schwerstarbeit bis zu 4000 ml Sauerstoff pro Minute verbrauchen.

Entsprechend des O2-Verbrauchs wird vom Körper bei Belastung auch vermehrt CO2 produziert. Durch eine Vertiefung der Atemzüge und die Erhöhung der Atemfrequenz kann das vermehrt anfallende CO2 abgeatmet werden und der vermehrte O2-Bedarf gedeckt werden. Das Atemminutenvolumen kann von 7 l/min. in Ruhe bis auf über 150 l/min. gesteigert werden.

Diese Werte sind selbstverständlich abhängig von Alter und Trainingszustand.

Atemgrenzwert

Die maximal mögliche Atmung in l/min. bezeichnet man als Atemgrenzwert. Neben den oben beschriebenen Faktoren sind für die Berechnung des Atemgrenzwertes beim Tauchen drei Punkte von Bedeutung:

Atemgasdichte

Die Dichte des Atemgases, die sich mit zunehmender Wassertiefe erhöht, beeinflusst erheblich die Transportkapazität der Atemwege. Grafik 6 zeigt, dass bei Luftatmung in einer Wassertiefe von 50 m der Atemgrenzwert auf ca. 80 l/min. sinkt. Das bei Schwerstarbeit erforderliche Atemminutenvolumen könnte in dieser Tiefe nicht mehr aufgebracht werden. Eine Verbesserung dieser Situation schafft der Austausch des N2 gegen das Inertgas Helium (= He), welches wesentlich leichter ist und eine höhrere Arbeitsleistung auch in größeren Wassertiefen ermöglicht.

Eine weitere Atemerleichterung kann durch eine Reduzierung des O2-Anteils zugunsten des He im Atemgas erreicht werden. Um in dieser Situation einen für die Gewebeversorgung ausreichenden O2-Teildruck zu erreichen sind Atemgasmischungen wie in Grafik 6 mit 1% O2 und 99% He aber erst in größeren Tiefen, jenseits der Tiefengrenze für die Sporttaucherei möglich.

Ausrüstung

Ein weiterer Faktor, der sich negativ auf den Atemgrenzwert beim Tauchen auswirkt, ist die Ausrüstung des Tauchers. Ein engsitzender Neoprenanzug beeinträchtigt die Arbeit der Atemmuskulatur durch seine elastische Rückstellkraft. Eine weitere Behinderung der Atemmuskulatur bewirkt die Flaschenbänderung, sowie eine Rettungs- und Tarierweste oder ein Stabilizing-Jacket je nach Füllungszustand.

Atemregler

Neben diesen Faktoren kann auch der Lungenautomat durch einen erhöhten Atemwiderstand bei Ein- und Ausatmung zu einer Beeinträchtigung des Atemgrenzwertes führen.

Atemsteuerung

Die Steuerung der Atemfrequenz und Atemzugtiefe erfolgt durch das Atemzentrum im verlängerten Rückenmark. Man kann diese Steuerung als geschlossenen Regelkreislauf darstellen. Die Sensoren in diesem Regelkreis regristieren den CO2-Teildruck im arteriellen Blut, den O2-Teildruck im arteriellen Blut sowie den Dehnungszustand der Lunge und damit indirekt das Lungenvolumen.

In Abhängigkeit von den durch die Sensoren aufgenommen Informationen steuert das Atemzentrum die Frequenz und die Atemzugtiefe über entsprechende Befehle an die Atemmuskulatur. Den stärksten Atemreiz stellt ein erhöhter CO2-Teildruck im arteriellen Blut dar. Ist bei der momentanen Atemfrequenz und Atemzugtiefe das überschüssige CO2 nicht in ausreichendem Maße aus dem Blut zu entfernen, so erfolgt durch das Atemzentrum solange eine Erhöhung von Atemfrequenz und Atemzugtiefe bis die Sensoren wieder eine Normalisierung des CO2-Teildrucks messen. Die prinzipiell gleiche Wirkung wie ein erhöhter CO2-Teildruck hat auch ein erniedrigter O2-Teildruck im arteriellen Blut.

Dieser Atemreiz ist jedoch wesentlich schwächer ausgeprägt als der CO2-Atemreiz. Wird der Atem angehalten, so kann man den Einfluss des Lungenvolumens bzw. des Dehnungszustandes der Lunge auf die Atmung feststellen: In Einatemstellung kann die Luft wesentlich länger angehalten werden als in Ausatemstellung der Lunge.

Hyperventilation

Eine bewusste oder unbewusste Mehratmung über das physiologische notwendige Maß hinaus, d.h. ohne dass die Sensoren des oben angesprochenen Regelkreises eine vermehrte Atmung fordern, wird als "Hyperventilation" bezeichnet.

Eine Hyperventilation kann bewusst durchgeführt werden aber auch unbewusst auftreten, z.B. bei starker psychischer Anspannung in Streßsituationen. Durch die Mehratmung wird vermehrt CO2 abgeatmet und so der arterielle CO2-Teildruck erniedrigt.

Obwohl hierdurch der stärkste Atemreiz deutlich reduziert werden kann, ist bei willentlicher Durchführung der Hyperventilation vor einem Atemanhalteversuch die Apnoe oder Atemanhaltezeit nicht deutlich zu verlängern.

Im Gegensatz zur Beeinflussbarkeit der CO2-Menge im arteriellen Blut kann der O2-Gehalt nur unwesentlich beeinflusst werden, daüber 99% des O2-Transports an Hämoglobin gebunden erfolgt, welches unter Normalbedingungen bereits zu etwa 97% mit Sauerstoff gesättigt ist. Der Anteil des physikalischen im Blutplasma gelösten Sauerstoffs spielt demgegenüber nur eine untergeordnete Rolle.