Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

Bei ausgeatmeter Ruhestellung enthält die Lunge ein Luftvolumen, das als funktionelle Residualkapazität bezeichnet wird. Luft befindet sich hauptsächlich in den Lungenbläschen (Alveolen), hier wird Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen Luft und Blut ausgetauscht. Dabei folgen die Gase jeweils ihrem Konzentrationsgefälle (Partialdruckunterschied); O2 diffundiert in das Blut, CO2 aus dem Blut in die Alveolarluft. Durch Atembewegungen entstehen Druckunterschiede, und Luft strömt - je nach Druckgradient - in die Lunge (Inspiration) bzw. aus ihr heraus (Exspiration). Die bei einem Atemzug geförderte Luftmenge heißt Atemzugvolumen; die Dehnbarkeit der Lunge und ihrer Komponenten Compliance. Damit Luft strömen kann, muss der Atemwegwiderstand (Resistance) überwunden werden. Trachea und Bronchien leiten Luft, reinigen diese bei der Einatmung (Staub, Mikroorganismen: mukoziliäre Clearance), bringen die Temperatur auf 37°C und sättigen die Luft vollständig mit Wasserdampf (47 mmHg). Ihre Belüftung bezeichnet man als Totraumventilation (VD), die der Alveolen als alveoläre Ventilation (VA). Die Atemtiefe entscheidet über die Aufteilung des Atemzugvolumens - tiefe Atmung erhöht den Anteil der alveolären Ventilation, flache Atmung reduziert diesen. Die durch Muskelkontraktion bedingte Einatembewegung (Zwerchfell flacht sich ab, Rippen werden angehoben) vergrößert das Lungenvolumen und senkt den intrapulmonalen Druck (Boyle-Mariotte-Gesetz). Die Folge ist das Einströmen von Luft. Entspannen sich die Inspirationsmuskeln, zieht sich die (bei der Einatmung elastisch gespannte) Lunge in ihre Ausgangslage zurück und das Spiel kehrt sich um (Volumen sinkt, Druck steigt, Luft strömt aus).

---

Jeden Tag strömen durchschnittlich etwa 6.000 Liter Luft durch die Lungen einer erwachsenen Person, dabei wird Sauerstoff (O₂) für die oxidative Energiegewinnung aus der Atemluft extrahiert (400-800 l/d) und das entstandene Kohlendioxid (CO₂) in sie abgegeben (350-700 l/d).

Die Aufzweigung der Luftwege dient der Vergrößerung der Austauschfläche zwischen Luft (Alveole) und Körper (Blut) um den Faktor 10³: >300 Millionen Alveolen haben eine Oberfläche von bis zu ~100 m² (zum Vergleich: Hautoberfläche etwa 2 m²).

Die Trennwand zwischen Luft und Blut ist äußerst dünn (0,2-0,5 µm), das erleichtert die Diffusion (je geringer die Diffusionsstrecke, desto intensiver der Austausch: Diffusionsgesetz).

<Abbildung: Atemgastransport und seine Regelung
Nach einer Vorlage bei basicmedicalkey.com

---

Der Atemgasaustausch wird durch das Atemzentrum des Hirnstamms reguliert, der sich an Blutgaswerten (pO₂, pCO₂, pH) orientiert.
  
Die äußere Atmung tauscht Atemgase mit der Umwelt aus, die innere Atmung mit dem Zellstoffwechsel

---

    Ausgeatmete Luft (BTPS - body temperature and pressure, saturated): Bedingungen, wie sie in der Lunge herrschen: Umgebungsdruck, Körpertemperatur, H₂O-gesättigt ergiben sich etwa folgende Werte: 15% O₂ (Partialdruck ~115 mmHg), 5% CO₂ (Partialdruck ~40 mmHg), 6% Wasserdampf (p_H2O 47 mmHg bei H₂O-Sättigung und 37°C), 73% N₂, 1% Ar.

     Luft unter Standardbedingungen (STPD - standard temperature, pressure, dry): Normbedingungen: Druck 760 mmHg, Temperatur 0°C, trocken (p_H2O = 0). Diese Bedingungen entsprechen weder denen im Körper noch denen im Spirometer, sind aber einheitlich (Standard-Atmosphärendruck, kein Wasserdampf).

Zusammensetzung trockener Atmosphärenluft etwa: 21% O₂, 78% N₂, 1% Ar.
 
Die unterschiedlichen Werte (Inspirationsluft → Exspirationsluft) erklären sich einerseits durch Anfeuchtung (Wasserdampfsättigung), andererseits durch den Atemgasaustsusch (Aufnahme von O_2, Abgabe von CO₂).

Die Exspirationsluft kann weitere Bestandteile von Interesse enthalten, z.B.

     Wasserstoff (H₂-Atemtest): Normalerweise enthält die Atemluft keine nennenswerte Menge an Wasserstoff, aber Dickdarmbakterien können Kohlenhydrate metabolisieren, die im Dünndarm nicht resorbiert wurden (bei Zuckerresorptionsstörungen wie z.B. Laktasemangel oder Fruktosemalabsorption - Überforderung des GLUT5-Systems). Dabei entsteht neben Laktat, Azetat und CO₂ auch H₂;
 
     über Haut oder Schleimhäute aufgenommene Fremdstoffe (z.B. Medikamente).
Bei jeder Aufzweigung ist die Summe der Querschnitte der Tochterbronchien größer als der Querschnitt des Mutterbronchus. Der Gesamtquerschnitt der Atemwege nimmt mit zunehmender Generation zu: Zuerst moderat, auf ~100 cm² bei Generation 14, auf ~400 cm² bei Generation 18; die Alveolen erreichen eine Oberfläche von ~100 m² (10⁶ cm²).

---

Das bedeutet auch, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Luft von Generation zu Generation abnimmt (am schnellsten strömt die Luft in der Trachea), parallel zur Zunahme des Gesamtquerschnitts. Die niedrige Strömungsgeschwindigkeit im Übergangsbereich zwischen Bronchien und ductuli alveolares fördert die Deposition eiungeatmeter Mikropartikel (Reinigungsfunktion).

Bronchien liefern den Hauptanteil des Strömungswiderstandes (Luftwege mit >2 mm Durchmesser verfügen über Knorpelringe und liefern ~80% des gesamten Luftwegwiderstandes).

Bronchiolen tragen nur einen kleinen Teil zum gesamten Strömungswiderstand bei - Erkrankungen in diesem Bereich sind daher schwierig über den Widerstand zu detektieren.
  

<Abbildung: Verteilung des Strömungswiderstandes entlang der Aufteilung der Luftwege
Nach Thien FCK: Measuring and imaging small airways dysfunction in asthma. Asia Pacific Allergy 2013; 3:224-30

---

Trachea und Bronchien sind mit knorpeligen Ringen ausgestattet, sie enthalten außerdem Schleimdrüsen, glatte Muskelzellen, Mukuszellen und Flimmerepithel (>Abbildung unten). Die Knorpelringe sind notwendig, um diesen Strukturen die nötige Festigkeit zu verleihen. Das hat mit dem Bernoulli-Effekt zu tun:

Strömt Gas (oder Flüssigkeit) entlang einer Struktur (z.B. der Wand eines Bronchus), nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit der Druck senkrecht zur Strömungsrichtung ab. (Das erklärt z.B., warum ein Flugzeug abhebt, wenn die Luft an der Oberseite der Flügel rascher strömt als an der Unterseite, weil dann die nach oben gerichtete Kraft größer ist als die nach unten gerichtete).

In den Luftwegen bedeutet dieser Effekt, dass die Luft an Engstellen einen Sogeffekt auf die Wand der Luftwege ausübt und ein Kollaps dieses Abschnittes droht (dynamische Atemwegskompression, s. dort). Bei Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit steigt also die Wahrscheinlichkeit einer Obstruktion der betroffenen Luftwege. Durch die Verengung reißt die Strömung ab, der Vorgang wiederholt sich, und es kann zu Oszillationen der Wand kommen (z.B. bei "bellendem" Husten).

Bronchiolen hingegen haben keine Knorpelringe, sind am umgebenden Gewebe befestigt und werden von diesem im eingeatmeten Zustand geweitet ("aufgespreizt"). Das trägt dazu bei, dass der Betrag des Atemwiderstandes stark von der Atemlage abhängt ( s. dort): Mit der Inspiration werden die Luftwege weiter, der Strömungswiderstand geringer.

Zentrale Stenosen - im Larynx- bis Hauptbronchusbereich - führen zu massiver Widerstandserhöhung. Bei Verengung der kleinen Bronchien findet man hingegen oft einen unauffälligen Resistance-Betrag. Emphyseme zerstören das stützende Gewebe um die Bronchiolen und erhöhen deren Kollapsneigung.
 

---

---

Die Verteilung der Luft im Bereich der bronchioli respiratorii und der ductuli alveolares - die wegen Zahl (mehrere 10⁶) und Gesamtquerschnitt kaum zum Strömungswiderstand beitragen - ist vorwiegend über die Dehnbarkeit seiner Komponenten bestimmt: Je größer die Compliance, desto besser die Belüftung. Da die Compliance mit dem Durchmesser des betreffenden Luftweges abnimmt (je stärker gedehnt, desto steifer die Wand), werden gering gefüllte Teile (mit schlaffer Wand) besonders gut belüftet (z.B. in der Lungenbasis bei aufrechter Körperlage, s. dort).

Automatischer Angleich der alveolaren Dehnung: Dieser Mechanismus trägt zur gleichmäßigen Luftfüllung in benachbarten Lungenabschnitten bei (je geringer der Luftinhalt, desto leichter füllen sich die Alveolen). Unterstützt wird dieser "Nachbarschaftsabgleich" durch die Anwesenheit interalveolärer Öffnungen (Kohn-sche Poren), welche benachbarte Alveolen eines Lungenlappens untereinander verbinden. Auf diesem Wege können auch Alveolen belüftet werden, deren ductulus alveolaris obstruiert ist.
 
Mechanische Stabilisierung: Benachbarte Alveolen teilen sich bienenwabenartig gemeinsame Wände und sind mittels Kollagen- und Elastinfasern an benachbarten Luftwegen befestigt. Diese Architektur verteilt auftretende Kräfte stabilisierend auf das Gerüstwerk und verhindert den Kollaps einzelner Alveolen. Dazu kommt der Effekt der "Surfactant-Bremse" ( s. dort).
 
Atemgase (O₂, CO₂) lösen sich in den Körperflüssigkeiten entsprechend ihrem Partialdruck und ihrer spezifischen Löslichkeit. Nach dem Henry-Gesetz   ist die Konzentration c eines in einer Flüssigkeit gelösten Gases proportional zu dessen Partialdruck p mal dem Betrag des Löslichkeitskoeffizienten H:
 
Der Betrag von H ist spezifisch für das jeweilige Paar Gas-Flüssigkeit. Beispielsweise ist die Löslichkeit von CO₂ in Körperflüssigkeiten wesentlich höher als diejenige von Sauerstoff, s. dort.

Eine erwachsene Person verbraucht im Ruhezustand pro Minute ~0,3 Liter Sauerstoff für den (oxidativen) Energiestoffwechsel. Gleichzeitig werden etwa 0,25 Liter Kohlendioxid abgeatmet.

Das Zahlenverhältnis CO₂-Abgabe / O₂-Aufnahme beträgt im Schnitt ~0,82 und heißt respiratorischer Quotient; sein Betrag hängt von Ernährung und Stoffwechselzustand ab (~0,7 bei Oxidation von Fetten, ~1,0 bei Oxidation von Kohlenhydraten).

 
Ventilation ist die Belüftung der lufthältigen Räume (Luftwege: Trachea, Bronchien , Bronchiolen, Alveolen). In ausgeatmeter Ruhelage befindet sich in der Lunge eine Luftmenge, die als funktionelle Residualkapazität bezeichnet wird. Die Luftmenge, die pro Zeit geatmet wird, heißt Atemzeitvolumen.

Eingeatmete Luft gelangt durch die zuführenden Luftwege (Rachen, Kehlkopf, Bronchien, Bronchiolen) in die Lungenbläschen (Alveolen), wo der Atemgasaustausch mittels Diffusion stattfindet.

Die Belüftung der Alveolen (alveoläre Ventilation) ist für den Austausch der Atemgase maßgeblich. Sie ergibt sich aus insgesamt eingeatmeter Frischluft minus der Totraumbelüftung (s. unten). Macht z.B. das Inspirationsvolumen 600 ml und der Totraum 25% der eingeatmeten Luftmenge aus (150 ml), verbleiben bei diesem Atemzug 75% (also 450 ml) für die alveoläre Frischluftzufuhr (alveoläre Ventilation).

Erhöhung der Atemfrequenz und/oder Vertiefung der Atmung verstärkt den venösen Rückstrom (venous return) und damit (über den Starling-Mechanismus) das Herzzeitvolumen. Umgekehrt kann untypische Atmung wie z.B. Atmen gegen einen Widerstand (Valsalva-Versuch) den umgekehrten Effekt haben und die Auswurfleistung des Herzens (vorübergehend) reduzieren.
 


Normalerweise beansprucht die Atmung nur einen sehr kleinen Teil des Gesamt-Energieverbrauchs des Organismus. Je enger die Bronchien sind (Innendurchmesser), umso größer ist der Strömungswiderstand und umso schwerer erfolgt die Ventilation.

Bei der Atmung müssen zwei Arten von Widerstand (Resistance) überwunden werden:

     Der Atemwegwiderstand (Druck pro Strömung), der bei der Luftströmung durch die Atemwege auftritt, und
     der Gewebewiderstand, der bei diversen Verformungen des Gewebes auftritt.

Der Atemwegwiderstand ist physiologischerweise der führende Anteil, er macht ~85% des Gesamtwiderstandes aus.

Widerstand ( s. dort) und Dehnbarkeit (Compliance: Volumen pro Druck: ΔV / Δp_TP) des Atemapparats bestimmen, wieviel Energie für Strömung und Verformung aufgebracht werden muss.

Bei sehr langsamer (quasistatischer) Atmung ist der Effekt des Widerstandes auf die Beziehung zwischen transpulmonalem Druck (p_TP) und Volumen (V) vernachlässigbar gering, und das Volumen nimmt bei einem Anstieg des transpulmonalen Drucks (Druckunterschied zwischen Pleuraspalt - für die Lunge "außen" - und Alveolarraum, also "innen") so gut wie linear zu, entsprechend dem Betrag der Compliance (ΔV / Δp_TP) des Atemapparates bei der betreffenden Atemlage.

Bei rascher Einatmung hingegen muss zunächst ein Anstieg des transpulmonalen Drucks den Atemwiderstand überwinden, die Druck-Volumen-Beziehung "kurvt" von einer Linie zu einem Bogen aus, bevor im Druck-Volumen-Diagramm derselbe Punkt erreicht wird wie bei quasistatischer Einatmung. Bei der Ausatmung gilt analog: Der transmurale Druck muss zunächst abnehmen, um die Luftsäule in die Gegenrichtung zu beschleunigen, dann folgt das Volumen nach. Das Druck-Volumen-Profil beschreibt eine Hysterese ( s. dort).
 
Der pulmonale Gefäßwiderstand hat in mittlerer Atemlage ein Minimum:
 
     Tief exspiratorisch sind die Gefäße außerhalb des Alveolarbereichs komprimiert (niedriges Lungenvolumen),
 
     tief inspiratorisch (hohes Volumen) sind die Kapillaren der jetzt aufgedehntem Alveolen abgeplattet.
 
In beiden Fällen ist ein Teil des Gefäßbaumes verengt (erhöhter Strömungswiderstand); in Atem-Mittellage hingegen sind beide Gefäßpopulationen gut geöffnet und bieten einen geringen Strömungswiderstand.
 

---

Kräftegleichgewicht und Strömungswiderstand: Der Atemwegwiderstand ist umso größer, je enger die Bronchien sind (>Abbildung); diese werden


 
<Abbildung: Mechanik der Einatmung
Nach einer Vorlage bei basicmedicalkey.com

---

Der wichtigste Einatemmuskel ist das Zwerchfell (Diaphragma ); es erweitert den Thorakalraum zum Abdomen, die äußeren Interkostalmuskeln erweitern den Thorakalraum nach vorne und seitlich.
 
Kohäsionskräfte sichern das Aneinanderhaften der Pleurablätter

---

Obstruktive (d.h. verengende) Atemwegserkrankungen erhöhen den Atemwegwiderstand (COPD: Chronic obstructive pulmonary disease, chronisch-obstruktive Lungenerkrankung, Asthma bronchiale).

 Die Compliance der Lunge
 
     sinkt bei interstitiellen Erkrankungen - das Gewebe läßt sich nur schwer verformen - und ist
 
     erhöht bei Lungenemphysem - das rarefizierte Gewebe leistet kaum Verformungswiderstand.
 
        Zur Compliance s. dort


  Atemarbeit: Die Gesamtarbeit für die Überwindung respiratoricher Widerstände setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:

     Arbeit für Dehnung (Überwindung elastischer Widerstände) - inspiratorisch investierte Kraft wird exspiratorisch zurückgewonnen

     Arbeit für Friktion (Reibung bei Relativbewegungen: Luft bzw. im Gewebe) - muß sowohl bei Ein- als auch Ausatmung geleistet werden. Bei Ruheatmung ist nur die Einatmung muskelaktiv und nimmt nur einen geringen Anteil (1-2%) des gesamten Energieaufwands des Organismus in Anspruch. Mit zunehmender Ventilation steigt auch der Anteil der Arbeit zur Überwindung von Reibungswiderständen (wachsende Bedeutung von Turbulenzen).

Bei körperlicher Leistung müssen zusätzlich exponentiell anwachsende Widerstände überwunden werden, der Aufwand nimmt zu (bis über 10% des Sauerstoffverbrauchs des Körpers). Die Ausdauer der Atemmuskulatur kann die Leistungsgrenze insgesamt bestimmen.

Der Betrag der insgesamt geleisteten Atmungsarbeit ist aus Druck-Volumen-Kurven der respiratorischen Aktivität ersichtlich (vgl. Herzarbeit): Druck (Dimension: Kraft / L²) mal Volumen (L³) = Kraft x Weg, also Arbeit.
  Das Boyle-Mariotte-Gesetz (Spezialfall der allgemeinen Gasgleichung bzw. thermischen Zustandsgleichung idealer Gase) besagt, dass (bei gleich bleibender Temperatur) das Produkt aus Volumen (V) und Druck (p) einer gegebenen Gasmenge konstant ist:
 
Erhöht man den Druck auf eine gegebene (eingeschlossene) Gasmenge, verkleinert sich in entsprechendem Ausmaß das Volumen - und umgekehrt. Je enger der Raum, in den die Gasmoleküle gebracht werden, umso größer wird die kinetische Energie ihrer Wärmebewegung - und damit der Druck, den sie auf die Wand ausüben. Das Produkt aus beiden Größen bleibt dabei konstant. Übertragen auf die Lungenfunktion bedeutet das:

      Erweitern die Inspirationsmuskeln den Thoraxraum (Volumenzunahme), dann sinkt der Druck in der Lunge. Damit entsteht ein Druckgradient, der Luft in die Lunge stömen lässt (Einatmung).
 

Während der Einatmung ist der intrapulmonale Druck geringer als der Außendruck.

   
      Bei der Ausatmung zieht sich die (nicht weiter durch Muskelzug erweiterte) Lunge wieder zusammen, bedingt durch Rückstellkräfte (elastische Fasern im Lungengewebe, Oberflächenspannung in den Alveolen), welche die vorangegangene Inspiration erhöht hat. Der Gradient dreht sich um: Das Volumen nimmt ab und der Druck zu, Luft strömt aus der Lunge.
 

Die Atemruhelage erreicht man am Ende einer normalen Exspiration.

 

  

Bei der Exspiration folgt auf Totraumluft (eingeatmete atmosphärische Luft mit einem vernachlässigbaren CO₂-Anteil von 0,04%) Alveolarluft (Kohlendioxidanteil ~5%), der CO₂-Anteil steigt an. Die Form dieses Anstiegs gleicht einem S:
-- Zuerst kommt die Luft ausschließlich aus dem Totraum (pCO₂ sehr niedrig, entsprechend Außenluft),
-- dann folgt eine Mischung aus Totraum- und Alveolarluft, der pCO₂ steigt an (S),
-- schließlich stellt sich reine Alveolarluft ein, der pCO₂ erreicht "Körperniveau" und bleibt für den Rest der Exspiration stabil auf diesem Wert.
Die Mitte des "S" dient dann als Kriterium, um die Grenze zwischen Totraumluft und Alveolarluft abzuschätzen.

Man misst neben dem Volumen (Spirometer) den CO₂-Anteil in einer endexspiratorischen (reine Alveolarluft mit alveolärer CO₂-Fraktion F_ACO₂) sowie einer gemischt-exspiratorischen (Alveolarluft + Totraumluft, mit gemischter exspiratorischer CO₂-Fraktion F_ECO₂). Die Alveolarluft ist CO₂-reicher ist als die gemischte Exspirationsluft, die ja auch die zuletzt eingeatmete Frischluft im Totraum enthält (F_ACO₂ > F_ECO₂; der "Fraktion" F entspricht die Konzentration des Indikatorstoffs (CO₂).

VD = VT (FACO2 - FECO2) / FACO2

>Abbildung: Funktioneller und anatomischer Totraum (V_D)

Normalerweise sind alle Alveolen durchblutet und dienen dem Gasaustausch (Alveolarraum V_A). Der funktionelle Totraum ist definiert als die Summe der lufthältigen Räume, die nicht dem Gasaustausch dienen, sondern dem Transport, der Reinigung, Erwärmung und Anfeuchtung der Atemluft. Das sind normalerweise die zuführenden Luftwege.
 
Ist ein Teil der Alveolen nicht durchblutet, werden sie dem funktionellen Totraum zugeschlagen, denn sie dienen ja nicht mehr dem Gasaustausch (z.B. oberste Lungenabschnitte im Stehen). Dann ist der funktionelle Totraum größer als der anatomische - um den Betrag des Volumens nicht-durchbluteter Alveolen (alveolärer Totraum)

---

---

  zuerst Luft aus dem Totraum, die von der vorangegangenen Einatmung "übriggeblieben" ist (fast kein CO₂, pO₂ wie in der Außenluft, ~150 mmHg),

  anschließend Alveolarluft - ihre Ankunft ist durch Anstieg des pCO₂ (von ~0 auf ~40 mmHg, entsprechend ~5 Vol-%) und Absinken des pO₂ (von ~150 auf ~100 mmHg) gekennzeichnet.

Alveoläre Ventilation = K (CO2-Durchsatz / arterieller pCO2)

 

Alveolärer Gasaustausch und Anpassung an veränderte Atemgaswerte
   

 
>Abbildung: Zeitverlauf des Sauerstoff- und Kohlendioxidpartialdrucks in den Alveolen während eines normalen Atemzyklus
Modifiziert nach einer Vorlage bei medicine.mcgill.ca/physio/resp-web

---

Die Verzögerung des Umkehrpunktes in den Partialdruckkurven zu Beginn der Einatmung ergibt sich dadurch, dass zunächst Luft aus dem Totraum (vorausgegangene Exspiration) in die Alveolen geatmet wird, bevor frische Außenluft nachströmt

---

 

Hecheln hält die alveoläre Belüftung und damit die Blutgaswerte stabil, während der Luftstrom über die kühlende Zunge zunimmt - andernfalls käme es zu Hypokapnie, was die Hirndurchblutung drosselt (Arteriolen im Gehirn reagieren auf niedrigen pCO₂ mit Vasokonstriktion) und zu Bewusstlosigkeit führen kann.

    Der Quotient von alveolärer zu Totraumbelüftung nimmt mit der Atemtiefe zu.

 

>Abbildung: Kurz- und langfristige Anpassungsstrategien bei Veränderung des pO₂ / pCO₂
Nach Cummins EP, Strowitzki, MJ, Taylor CT. Mechanisms and Consequences of Oxygen and Carbon Dioxide Sensing in Mammals. Physiol Rev 100; 2020: 463-88

---

Veränderungen der Atemgas-Partialdrucke werden reflektorisch durch Anpassung von Atemfrequenz und -tiefe beantwortet (kurzfristige Reaktion, links). Dauerhaft veränderte Partialdrucke beeinflussen die Aktivität von Transkriptionsfaktoren und modifizieren so die Expression von Genen (langfristige Reaktion, rechts)

---