Physiologie lernen - den Organismus verstehen

Eine Reise durch die Physiologie


VII.       VIII. Respirationssystem, Atemgastransport       IX.


Aufbau des Respirationssystems, Atemarbeit, Totraum

Atemmechanik

Atemvolumina, Atemwiderstände, Oberflächenspannung

Ventilation, Diffusion und Perfusion

Abwehrmechanismen des Respirationsapparates

Regulation der Atmung

Atmung und Hämoglobin, Blutgaswerte

Funktionelle Atemuntersuchung

Atmung und Beatmung



Die Atmung entfernt die bei weitem größte Menge an Säure aus dem Körper.  Kohlendioxid ist das Anhydrid der Kohlensäure, und mit der Atmung werden täglich ca. 15.000 mM davon eliminiert - fast die gesamte Säureausscheidung des Organismus. Atmet man zu wenig, nimmt nicht nur die Sauerstoffversorgung ab, es steigt auch der CO2-Spiegel im Blut (Hyperkapnie) - was das Blut ansäuert (respiratorische Azidose) und die Hirngefäße weitet (zerebrale Vasodilatation). Übertriebene Atmung erzeugt umgekehrt Hypokapnie - das reduziert wiederum die zerebrale Perfusion, u.U. bis zum Auftreten einer Ohnmacht.

Die Mechanik der Ventilation (Luftbewegung) beruht auf dem Strömungsgesetz: Zur Bewegung von Luft (durch Trachea, Bronchien) bedarf es eines Druckunterschieds. Je größer dieser ist (und je geringer der Strömungswiderstand, d.h. je weiter die Bronchien), desto mehr Luft strömt, d.h. wird geatmet. Der äußere Luftdruck ist (meist) konstant, also muss sich der Druck in den Alveolen ändern: Pulmonaler Unterdruck läßt Luft einströmen (Inspiration), Überdruck ausströmen (Exspiration). Dazu muss das Volumen der Alveolen verändert werden (Boyle-Mariotte-Gesetz: [Druck mal Volumen] konstant). Bei Erweiterung des Thorax (Kontraktion des Zwerchfells und der äußeren Interkostalmuskeln) sinkt der Druck, es erfolgt Einatmung; Retraktion der Lunge verringert das Volumen und steigert den Alveolardruck, es erfolgt Ausatmung.

Die Atmung beeinflusst die Partialdrucke von Sauerstoff und Kohlendioxid im Blut. Daher werden diese Werte bei der Atmungssteuerung berücksichtigt: Chemorezeptoren in Gehirn und Glomusorganen messen den pO2- und pCO2-Wert, steigender [pCO2] stimuliert die Atmung bis zum Mehrfachen des Ruhewertes. Der stärkste Atemanreiz ist Muskelaktivität: Diese kann die Atmung mehr als zwanzigfach erhöhen.

Ein Gramm Hämoglobin (Hb) bindet bis zu 1,34 ml O2, abhängig vom pO2. Das ergibt ~200 ml O2 pro Liter Blut (~20 Vol-%). Je nach Bedarf und Durchblutung nehmen Gewebe dem Hämoglobin einen höheren oder geringeren Anteil des arteriell angebotenen Sauerstoffs ab - im Durchschnitt bei körperlicher Ruhe etwa 25% (5 Vol-%). Körperliche Belastung steigert den Sauerstoffumsatz und die O2-Ausschöpfung des Hämoglobins (bis auf fast 100%).

Der Atemgasaustausch erfolgt in den Alveolen (Lungenbläschen). Die Luftwege haben Verteilungs- und Schutzfunktion, in ihnen findet so gut wie kein Gasaustausch statt, ihr Volumen (~150 ml) wird als Totraum bezeichnet. Beträgt das Atemvolumen 600 ml, dann pendelt ein Viertel (150 ml) der ein/ausgeatmeten Luft im Totraum hin und her, 3/4 dienen dem alveolären Gasaustausch.

Die Lunge ist Umweltfaktoren ausgesetzt: Eingeatmete Luft enthält schädliche Beimengungen (Staub, Krankheitserreger, Reizgase). Zu den Schutzmechanismen zählen Schleimproduktion und Flimmerstrom in den Atemwegen, Surfactant, Phagozyten und protektive Moleküle in den Alveolen. Surfactant - eine Mischung aus Lipiden und Proteinen - verringert außerdem die Oberflächenspannung (Wasser - Luft), die sonst Alveolen kollabieren ließe. Mangelnde Produktion von Surfactant (Frühgeburten) kann die Entfaltung der Lunge behindern (respiratory distress syndrome).

Bei ausgeatmeter Ruhelage befindet sich die funktionelle Residualkapazität (FRC) in der Lunge, geatmet wird das Atemzugvolumen (tidal volume). Darüber hinaus kann ein inspiratorisches und ein exspiratorisches Reservevolumen geatmet werden. Einschränkungen der Atemweite heißen restriktive Störungen. Luftmengen können mit Spirometern direkt (vomuletrisch) ermittelt werden, nicht aber das Reservevolumen, dessen Größe indirekt - mittels Indikatorverdünnung (z.B. mit Helium) - bestimmt werden kann.

Der Strömungswiderstand (resistance; ist er erhöht, spricht man von obstruktiver Störung) kann mittels einfacher Tests (Kerzenausblasen) oder über die maximale Exspirationsgeschwindigkeit (der Vitalkapazität VC) abgeschätzt werden (Sekundenstoßwert: normalerweise >75% der VC in 1 Sekunde ausgeatmet). Der Betrag des Atemwiderstands wird mittels Strömungsmessung (Pneumotachographie) in einer luftdichten Kammer (Ganzkörperplethysmographie) ermittelt - letzteres ermöglicht indirekt die Quantifizierung des alveolären Druckverlaufs.

© H. Hinghofer-Szalkay