Die Physiologie der Atmung

Wie funktioniert unsere Atmung überhaupt? Was brauchen wir für diesen Prozess und wie geht das mit dem Gasaustausch? In diesem Beitrag schauen wir auf die Technik unserer Lungen und bringen unsere Herzen zum höher schlagen, denn es ist wieder einmal ein Thema, welches unseren Körper zur wahren Wundermaschine macht! Falls Du mehr zur Anatomie der Lunge wissen magst, lies Dir gern meinen Beitrag hierzu durch. Vielleicht fällt es Dir dann auch leichter, die Physiologie der Atmung zu verstehen 🙂 Let´s go!

Allgemeines zur Atmung

In Ruhe atmen wir (wenn wir gesund sind) 12-15 Mal ein und aus. Dieser Vorgang hat einige Funktionen, die wir nun erstmal klären:

Funktion: Gasaustausch

Zum Einen ist die Atmung natürlich für den Gasaustausch zuständig. Wir unterscheiden hier zwischen der äußeren und der inneren Atmung. Die äußere Atmung beschreibt den Prozess in den Alveolen und den Blutgefäßen, die sie umgeben. Die Alveole gibt den eingeatmeten Sauerstoff ans Blut (rote Blutkörperchen) ab und nimmt Kohlenstoffdioxid auf, damit es wieder abgeatmet werden kann. Näheres dazu kommt weiter unten.

Die innere Atmung ist der Austausch zwischen den roten Blutkörperchen und den Mitochondrien Deiner Zellen. Die Mitochondrien sind das Kraftwerk der Zelle, das haben wir alle im Bio-Unterricht gelernt. Sie benötigen Sauerstoff, um Energie zu produzieren. Also nehmen die Zellen den Sauerstoff von den Erythrozyten auf und die Mitochondrien erledigen damit ihre Arbeit.

Funktion: Regulation des Säure-Basen-Haushalts

Um es grob zu beschreiben: Unsere Wundermaschine benötigt immer einen bestimmten pH-Wert im Blut, damit sie vernünftig läuft. Er liegt zwischen 7,37 und 7,45. Um diesen pH-Wert aufrecht zu erhalten, hat sie ein paar Tricks auf Lager, unter Anderem die Atmung. Hier gehen wir immer vom CO2 Wert des Blutes aus. Je höher dieser ist, desto saurer wird unser Blut, der pH-Wert fällt also ab. Je weniger CO2 in unserem Blut, desto basischer wird es, der pH-Wert steigt also. Bei einem nicht korrekten pH-Wert können einige Enzyme nicht richtig arbeiten, der Stoffwechsel findet also nicht ordnungsgemäß statt. Deswegen atmen wir automatisch mehr oder weniger CO2 ab, um den pH-Wert zu regulieren. Mehr hierzu findest Du in meinem Beitrag zur Azidose und Alkalose!

Außerdem ist die Atmung für den Stoffwechsel wichtig, für die Regulation der Körpertemperatur und die Lunge dient unserem Körper als Blutspeicher!

Die Atemmechanik

Jetzt kommt ein ziemlich technischer Teil! Doch keine Sorge, ist alles halb so wild. Die Lungenflügel sind keine Muskeln, sie können sich also nicht allein ausdehnen und wieder zusammenziehen. Deswegen hat unsere Wundermaschine ein paar technische Helfer, die die Lungenflügel zum Bewegen bringen: Das Zwerchfell, der Brustkorb mit seiner Zwischenrippenmuskulatur und die Atemhilfsmuskulatur. 

Einatmung

Die Einatmung ist ein aktiver Prozess, wir benötigen also unsere Muskulatur. Diese wird jedoch unbewusst/ unwillkürlich gesteuert, wir achten also nicht wirklich darauf (Wir können sie auch bewusst steuern). Das Zwerchfell (auf schlau „Diaphragma“) ist ein Muskel, der sich bei der Einatmung anspannt und nach unten wölbt. Damit schafft er erstmal Platz für die Luft, die einströmen soll. Der Brustkorb wird von der äußeren Zwischenrippenmuskulatur (hier Mm. intercostales externi) nach vorn und zur Seite ausgeweitet. Also schafft auch er Platz für die einzuatmende Luft. Nun passieren zwei Dinge gleichzeitig: Einerseits folgen die Lungenflügel dem Zwerchfell und dem Brustkorb, denn durch das Brustfell (Pleura) sind sie ja miteinander verbunden. Andererseits entsteht auch noch ein Unterdruck in der Lunge, welcher dafür sorgt, dass die Atemluft gut einströmen kann.

Bei einer extremeren Situation, also wenn wir Sport treiben oder aufgeregt sind oder Sonstiges, kommen noch weitere Muskeln ins Spiel, die sog. Atemhilfsmuskulatur. Diese sind der M. sternocleidomastoideus, M. pectoralis minor und major, Mm. scaleni, M. serratus posterior, superior und inferior. Alles lateinische Wörter, mit denen man als Laie nichts anfangen kann, ich weiß. Doch für die Vollständigkeit bleibt es hier stehen. 🙂

Ausatmung

Die Ausatmung ist vorwiegend passiv, es wird also (fast) keine Muskelkraft für diesen Prozess benötigt. Alle Muskeln, die sich bei der Einatmung angespannt haben, entspannen sich wieder. Das heißt: Das Zwerchfell entspannt sich und wölbt sich wieder nach oben, die äußere Zwischenrippenmuskulatur entspannt sich, der Brustkorb geht wieder auf Normalstellung. Nun spannt sich jedoch die innere Zwischenrippenmuskulatur an (Mm. intercostales interni) und sorgt dafür, dass sich der Brustkorb zusammenzieht und sich senkt. Die Lungenflügel folgen dem Brustkorb und dem Zwerchfell wieder, der Platz innerhalb der Lunge wird kleiner, ein Überdruck entsteht und die Luft kann wieder ausströmen. Also ganz einfach und entspannt.

Doch auch hier gibt es wieder Extremsituationen, wo die Hilfsausatmungsmuskulatur ins Spiel kommt. Diese besteht aus unserer geraden Bauchmuskulatur (M. rectus abdominis), der schrägen Bauchmuskulatur (M. obliquus externus und internus) und der tiefliegenden Bauchmuskulatur (M. transversus abdominis und M. quadratus lumborum). Wie Du wahrscheinlich bemerkt hast, sind das alles Bauchmuskeln. Wenn es benötigt wird, wird also kräftig gepresst!

Steuerung der Atmung

Wer oder was steuert jetzt diesen ganzen Prozess, wenn wir doch unbewusst atmen? Gute Frage!

Chemorezeptoren

Wie oben bereits beschrieben, achtet unsere Wundermaschine vor Allem immer darauf, dass unser pH-Wert in Ordnung bleibt. Hierfür haben wir einige Rezeptoren in unserem Körper, die durchgehend Messungen des Bluts durchführen. Diese Rezeptoren nennen sich auch „Chemorezeptoren“. Sie liegen zum Einen in der Medulla oblangata (verlängertes Rückenmark, unter unserem Gehirn). Die Medulla misst in unserem Liquor die CO2-Konzentration und den pH-Wert. Der Liquor ist eine Flüssigkeit, die sich sowohl im Rückenmark, als auch in unserem Gehirn befindet. Zum Anderen gibt es Prüfstellen am Aortenbogen und den Halsschlagadern (A. Carotis oder Karotiden). Sie prüfen den O2-Gehalt des Blutes. Falls also etwas in Schieflage gerät, wird es direkt ans Gehirn gemeldet und wir atmen mehr/ weniger ein bzw. aus.

Nerven

Außer den Chemorezeptoren gibt es auch noch Nervenstränge, die für die Regulation der Atmung wichtig sind. Sogenannte Dehnungsrezeptoren an den Alveolen senden Signale an unseren Vagusnerv, welcher wiederum mit der Medulla oblangata in Verbindung steht. Außerdem befinden sich auch noch Nerven extra für die Ein- bzw. Ausatmung an bestimmten Stellen unseres Körpers. Der Nerv für die Einatmung innerviert das Zwerchfell (N. Phrenicus) und die Nerven für die Ausatmung die Muskulatur. Sie können die Atemhilfsmuskulatur aktivieren.

Weitere Einflüsse

Weitere Einflüsse sind die willkürliche Anspannung/ Entspannung der Atemmuskulatur, die Lage des Körpers (Liegen/ Stehen/ Sitzen), Hormone, die Körpertemperatur und Dinge wie Niesen, Husten, Brechen, Pressen oder Gähnen.

So wird die Atmung und der pH-Wert bzw. der Stoffwechsel unseres Körpers durchgehend reguliert, damit alles so laufen kann, wie es eben laufen soll! Bei einigen Erkrankungen oder Schockzuständen kann man die Atemsteuerung sehr gut beobachten. Wenn Du mehr zur respiratorischen Azidose/ Alkalose erfahren möchtest, lies Dir gern meinen Beitrag zum Säure-Basen-Haushalt durch. Dort habe ich die Phänomene mit anschaulichen Beispielen beschrieben 🙂

Gasaustausch bei der Atmung
Wie geht das?

Gasaustausch bei der Atmung bedeutet, dass Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid sozusagen „gewechselt“ werden. Während die Alveolen den Sauerstoff ans Blut abgeben, gibt das Blut den Kohlenstoffdioxid an die Alveolen ab. Sozusagen ein Tauschgeschäft der Alveolen und des Blutes. Doch wie funktioniert das nun genau?

Wir konzentrieren uns für die Beantwortung dieser Frage auf den Partialdruck der beiden Gase. Unser Körper möchte immer eine Homöostase, bedeutet einen Ausgleich, erzeugen. Der Partialdruck ist die Konzentration eines Gases in einem Gasgemisch. Das heißt, je mehr O2 im Blut ist, desto höher der Partialdruck. Je weniger O2 im Blut, desto niedriger der Partialdruck.

Es ist denke ich allseits bekannt, dass es Venen und Arterien gibt. Die Venen beinhalten sauerstoffarmes Blut und die Arterien befördern das sauerstoffreiche Blut. In der Lunge ist es leider umgekehrt; Die Lungenarterie ist sauerstoffarm und kommt vom rechten Herzen in die Lunge. Dort schlängeln sich ihre Kapillaren (also die kleinsten Ausläufer des Gefäßes) um die Alveolen. Hier werden die Gase nach Konzentrationsgefälle ausgetauscht. Im Blut der Arterie ist wenig O2, in der Alveole allerdings sehr viel (haben wir ja gerade eingeatmet). Der O2-Partialdruck ist in der Alveole also höher, als in der Arterienkapillare. Die Natur will solche Unterschiede immer ausgleichen, also diffundieren die Sauerstoffmoleküle nun in die Arterie. Somit wird das sauerstoffarme Blut nun sauerstoffreich. Es gelangt weiter in die Lungenvene zum linken Herzen, welches es in den Körperkreislauf pumpt.

Andersrum funktioniert es mit dem CO2 übrigens auch: Der CO2 Gehalt des Blutes der Lungenarterien ist höher, als der der Alveole. So diffundiert das Kohlenstoffdioxid in die Alveole, um die Homöostase wieder herzustellen. Schlau und interessant gemacht oder? 🙂

Gasaustausch Lunge Atmung

Transport der Gase im Blut

Wir wissen jetzt also, wie genau der Sauerstoff bzw. das Kohlenstoffdioxid ins Blut/ in die Alveolen gelangt. Doch, wenn diese Gase im Blut sind, müssen sie ja auch irgendwie transportiert werden, um zu den entsprechenden Zielzellen zu kommen. Und genau diesen Transport schauen wir uns jetzt genauer an!

Transport des Sauerstoffs
nach der Atmung

Da Sauerstoff sehr schlecht wasserlöslich ist, kann es nicht gelöst im Blut mitfließen. Das heißt, wir brauchen einen Transporter. Dieser ist das sogenannte Hämoglobin bzw. das darin enthaltende Eisen. Hämoglobin ist der rote Farbstoff der Erythrozyten und bindet Eisen. Das Eisen wiederum bindet den Sauerstoff, das gerade aus der Alveole ins Blut diffundiert ist.

Hämoglobin wird übrigens stärker vom bösen Kohlenmonoxid angezogen, als vom guten Sauerstoff (So wie manche Menschen sich eher zu Bad Boys oder Bad Girls hingezogen fühlen, als zu den Guten 😉 )! Bei einer Vergiftung durch Brände bspw. wird also weniger O2 aufgenommen, als Kohlenmonoxid. Dies kann dann zu einer Erstickung führen.

Transport des Kohlenstoffdioxids
vor der Atmung

Beim CO2 sieht der Transport durch den Körper etwas komplizierter aus. 10% sind wasserlöslich, werden also ohne Transporter einfach so mitgezogen. Weitere 10% des CO2 werden, so wie der Sauerstoff, vom Hämoglobin transportiert. Das ist auch noch einfach. Doch nun kommen wir zum Hauptteil, den letzten 80%: Dieser Teil wird nämlich zu Bicarbonat umgewandelt (Ich habe den Prozess auch in meinem Beitrag zum Säure-Basen-Haushalt erklärt!). Warum das jetzt? Weil CO2 mit dem im Blut enthaltenen Wasser zu Kohlensäure wird. Wenn wir Kohlensäure in unserem Blut hätten, dürften wir uns nicht mehr bewegen, weil wir sonst explodieren würden. Also formt der Körper die Kohlensäure zu Bicarbonat und Wasserstoff um. So kann es dann ganz unbeschwert durch den Körper wandern. Wenn es an der Alveole ankommt, wird es wieder zu CO2 und H2O umgewandelt und so ausgeatmet (Deswegen ist unser Atem auch feucht). Unten siehst Du die Formel zu diesem Prozess, falls es Dich interessiert!

CO2 und Bicarbonat Formel Atmung

Schreib mir was Du denkst!