2.1 Naturwissenschaftliche Grundlagen

© 2022 SaniOnTheRoad.

Lernziele

Nach diesem Beitrag kennst Du

  • die Grundbedeutung naturwissenschaftlicher Kenntnisse für den Rettungsdienst,
  • die Kennzeichen lebendiger Strukturen,
  • die elementare Bedeutung der Zelle für Physiologie und Pathophysiologie,
  • die Bedeutung der Mikrobiologie für die rettungsdienstliche Arbeit,
  • die Grundbegriffe der Chemie sowie den Grundablauf chemischer Reaktionen,
  • die Bedeutung von ATP als Energieträger sowie den schematischen Ablauf der ATP-Herstellung,
  • relevante physikalische Grundbegriffe,
  • die grundlegenden Gasgesetze und das Gesetz von Hagen-Poiseuille,
  • die Funktion von Diffusion und Osmose,
  • grundlegende mathematische Formeln für den Rettungsdienst.

Abstract

Naturwissenschaften stellen eine unabdingbare Grundlage für das Verständnis von Physiologie, Pathophysiologie und damit die rettungsdienstliche Therapie dar. Relevant sind hier vor allem Biologie, Chemie und Physik – das Anforderungsniveau liegt, entsprechend der Zugangsvoraussetzungen, auf Mittelstufenniveau.

Nachdem der überwiegende Teil der Biologie themenspezifisch folgt, wurde sich an dieser Stelle auf einige wenige Grundprinzipien beschränkt.

Chemie stellt insbesondere in Form der Biochemie einen wichtigen Verständnisteil für zahlreiche Vorgänge im menschlichen Körper dar, so zum Beispiel für den Energiestoffwechsel.

Im Bereich der Physik beschränkt sich das notwendige Hintergrundwissen vor allem auf einige Formeln und Gesetze, aber auch auf Vorgänge wie Diffusion und Osmose.

Die Mathematik spielt als Formalwissenschaft eine eher kleinere, dafür aber praxisrelevante Rolle, z.B. bei der Berechnung von Dosierungen und Konzentrationen.

Dieser Beitrag dient primär zur Lernorientierung und zur Vermittlung von Hintergrundwissen.

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Naturwissenschaften bilden einen Teil der theoretischen Grundlagen der Medizin, damit der Notfallmedizin und schlussendlich der rettungsdienstlichen Tätigkeit.

Zu den typischen Naturwissenschaften, die von Belang sind, zählt vor allem die Biologie, gefolgt von der Chemie (insbesondere mit dem Teilbereich der Biochemie) und in geringerem Maße die Physik.

Naturwissenschaftliche Grundkenntnisse erleichtern nicht nur das Lernen fachspezifischer Themen wie Physiologie und Pathophysiologie erheblich, sie sind schlicht für das Verständnis verschiedenster Vorgänge essentiell. Ferner können Teilbereiche der naturwissenschaftlichen Grundlagen an sich bereits prüfungsrelevant sein.

Ebenfalls zu den Grundlagen zählen dabei direkt und indirekt auch Aspekte der Mathematik, welche als Formalwissenschaft nicht zu den Naturwissenschaften gezählt wird.

Das Anforderungsniveau liegt hierbei, entsprechend der schulischen Zugangsvoraussetzungen, auf Mittelstufenniveau.

Allgemeines zu den Naturwissenschaften für den Rettungsdienst

Man muss festhalten: die Naturwissenschaften an sich sind selten unmittelbar praxisrelevant und nur in Teilen für den Rettungssanitäter prüfungsrelevant.

Bevor nun die Frage aufkommt

“Wofür muss ich das lernen?”

Das rettungsdienstliche und notfallmedizinische Handeln basiert letztendlich auf der Kenntnis physiologischer und pathophysiologischer Vorgänge, für deren Verständnis die Naturwissenschaften die unverzichtbare Grundlage bilden.

Sie sind also klassisches Hintergrundwissen, auf denen das fachspezifische und anwendungsorientierte Wissen beruht.

Unabhängig davon muss man auch die gesellschaftliche Erwartungshaltung gegenüber Rettungsfachpersonal mit betrachten: von Gesundheitsfachberufen wie dem Notfallsanitäter wie auch von Gesundheitshilfsberufen wie dem Rettungssanitäter erwartet man ein Mindestmaß an medizinisch-naturwissenschaftlichen Wissen. Dies fällt mittelbar auch unter das berufliche Selbstverständnis des Rettungssanitäters.

Wichtig

Dieser Beitrag soll die verschiedenen Themen nicht umfassend behandeln und geht stellenweise deutlich über das notwendige Wissen hinaus, um Zusammenhänge zu erklären – es muss nicht alles auswendig gelernt werden; der Beitrag soll hier lediglich eine grobe Orientierung geben, wohin die Reise gehen kann.

Vorbereitung ist notwendig

Auch mit entsprechender Schwerpunktsetzung und auch an die Qualifikation zum Rettungssanitäter angepasst sind die naturwissenschaftlichen Grundlagen sehr große Themenbereiche, die weder die Rettungsdienstschulen im Rahmen des Fachlehrgangs, noch ich in einem Beitrag vollends abbilden kann.

Gerade im Fachlehrgang beschränken sich die naturwissenschaftlichen Grundlagen oft auf das Nötigste, es werden durchaus Vorkenntnisse vorausgesetzt und die Themen meist nur angeschnitten.

Grundsatzempfehlung daher: selbstständige Vorbereitung.

Insbesondere, wenn man in den naturwissenschaftlichen Fächern in der Schule schwächer war/Defizite hat oder die Schulzeit länger zurückliegt, sollte man den Stoff der Mittelstufe in Biologie, Chemie und Physik wenigstens grundlegend wiederholen.

Wer keine Bücher mehr hat oder weniger gut mit einem Selbststudium zurecht kommt, kann natürlich auch auf Lernvideos zurückgreifen.

Empfehlenswert sind dafür z.B. die Videos von simpleclub – diese decken den Großteil des Schulstoffs in den Fächern Biologie, Chemie und Physik von der Unter- bis zur Oberstufe in gut verständlichen Videos ab.

Großer Vorteil ist aber: ein umfassendes, tiefgehendes Detailverständnis ist nicht erforderlich – wohl aber ein Verständnis wichtiger Grundprinzipien.

Prüfungsrelevant

  • selbstständige Vorbereitung vor (!) dem Fachlehrgang
  • Grundprinzipien sollen verstanden werden, Details müssen nicht auswendig gelernt werden

Literaturempfehlungen

Letztendlich gelten hier die allgemeinen Literaturempfehlungen für Rettungssanitäter, ebenfalls mit dem Hinweis, sich nach Möglichkeit an der Literatur der jeweiligen Rettungsdienstschule zu orientieren.

In aller Regel werden die naturwissenschaftlichen Grundlagen in den Büchern für Rettungssanitäter in ausreichendem Umfang und Tiefe abgehandelt – wenn man zusätzlich tiefer gehen will, wird man allerdings um weitergehende Fachliteratur nicht herum kommen.

Grundlagen der Biologie

Biologie steht für die “Lehre des Lebens” – was sehr umfassend klingt, ist es auch. Die Biologie wird in unterschiedlichste Teilbereiche unterteilt, die mal mehr, mal weniger Bezug zur Medizin haben.

Teilweise werden Fachbereiche eins zu eins in die Medizin übernommen (z.B. Physiologie), andere sind sehr eng mit ihr verknüpft und haben große Schnittmengen, wie beispielsweise die Biochemie oder die Mikrobiologie.

Die Biologie ist mit ihren Teilbereichen die größte rettungsdienstrelevante Naturwissenschaft. Nachdem im weiteren Verlauf von rettsan-kompakt auf die Teilbereiche im Detail eingegangen wird (Themenbereich 2), beschränke ich mich an dieser Stelle auf die Grundlagen der einzelnen Teilbereiche.

Hinweis

Die Themen, welche unter den Teilbereich “Biologie” fallen, werden separat in den jeweiligen Einzelthemen behandelt.

Zellbiologie

Lebewesen unterscheiden sich durch durch mehrere Eigenschaften von nicht lebendigen Strukturen. Dies sind

  • Stoffwechsel,
  • Selbsterhaltungsfähigkeit
  • Fähigkeit zum Wachstum,
  • Fähigkeit zur Reaktion sowie
  • Fähigkeit zur Reproduktion.

Die kleinste Bau- und Funktionseinheit, die die Voraussetzungen erfüllt, ist die Zelle.

Zellen bilden die Grundbausteine jeglichen Lebens – so auch im menschlichen Körper. Grundsätzlich werden in der Zellbiologie Einzeller (Prokaryoten, z.B. bei Bakterien) von Vielzellern (Eukaryoten, wie beim Menschen) unterschieden werden,

Diese unterscheiden sich in Aufbau und Struktur erheblich, wobei Eukaryoten wesentlich komplexer und differenzierter aufgebaut sind. Zellen können entsprechend ihrer Aufgabe hochgradig unterschiedlich aussehen und unterschiedliche Eigenschaften haben.

Eukaryoten ist mindestens gemein, dass sie über eine Zellmembran (Plasmamembran) verfügen, welches die Zelle gegenüber anderen Zellen abgrenzt und Zytoplasma (d.h. die Zellflüssigkeit), den Zellkern (welcher die Erbinformationen in Form von DNA beinhaltet) und verschiedenste Zellorganellen (“Organe” der Zelle) umschließt.

Nahezu alle physiologischen und pathophysiologischen Vorgänge lassen sich auf die zelluläre Ebene herunterbrechen; für ein adäquates Verständnis dieser sind Grundkenntnisse der Zytologie daher notwendig.

Allgemein funktioniert unser Körper nur in sehr engen Grenzen einwandfrei – die Selbsterhaltungsfähigkeit stützt sich auf ein “inneres Gleichgewicht” (Homöostase), welche durch zahlreiche Regelkreise beeinflusst wird.

Gleichartige Zellen bilden Zellverbände, das Gewebe. Verschiedene Gewebe bilden wiederum Organe mit Funktions- und Stützgewebe als funktionelle und anatomische Einheiten. Organe werden wiederum in Organsystemen zusammengefasst, welche verschiedene unmittelbar in Verbindung stehende Organe mit einer gemeinsamen Aufgabe beinhalten (z.B. das Verdauungssystem).

Prüfungsrelevant

  • Stoffwechsel, Selbsterhaltungsfähigkeit sowie Fähigkeit zu Wachstum, Reaktion und Reproduktion sind Kennzeichen von Lebewesen
  • Menschliche Zellen: Eukaryoten, verfügen über Zellmembran, Zytoplasma, Zellkern und Zellorganellen
  • Homöostase: “inneres Gleichgewicht”, um einwandfreie Funktion zu gewährleisten
  • Der Körper verfügt über zahlreiche Regelkreise zur Beeinflussung physiologischer Funktionen
  • Ordnung des Körpers: Zelle -> Gewebe -> Organe -> Organsysteme

Molekularbiologie

Die Molekularbiologie umfasst die Beschäftigung mit größeren biologischen Molekülen (Makromolekülen), zum Beispiel der DNA, Proteinen und ihrer Synthese. Die Molekularbiologie hat zudem große Schnittmengen mit der durchaus rettungsdienstrelevanten Biochemie, welche nochmals als eigenständiges Teilgebiet folgt.

Die Relevanz für die Notfallmedizin beruht hier auf den Schnittmengen zwischen Zytologie (insbesondere der Zellphysiologie) und Biochemie.

Mikrobiologie

Der Teilbereich der Mikrobiologie beschäftigt sich mit der Erforschung von Mikroorganismen – darunter fallen beispielsweise Bakterien, Pilze und Viren.

Diese spielen physiologisch für den Menschen eine Rolle – beispielsweise Bakterien als Teil der gesunden Darm- und Hautflora, wo eine Art Symbiose (also ein Zusammenleben zum gegenseitigen Nutzen) vorliegt.

Gleichermaßen stellen Bakterien, Pilze und Viren auch Krankheitserreger dar, welche in Form von Infektionen negative Auswirkungen auf den menschlichen Organismus haben und damit auch pathophysiologisch relevant werden.

In Bezug auf den Rettungsdienst spielt dies auch insbesondere in Hinblick auf Infektionsschutz und Hygiene eine große Rolle.

Praxisrelevant

Bakterien, Pilze und Viren sind in Bezug auf Infektionskrankheiten und Hygienemaßnahmen rettungsdienstlich relevant.

Grundlagen der Chemie und Biochemie

Die zweite große Naturwissenschaft mit Relevanz für den Rettungsdienst ist die Chemie mit ihren Teilgebieten. Die Chemie beschäftigt sich mit Eigenschaften, Zusammensetzung und Umwandlung der chemischer Stoffe und ihrer Verbindungen.

Chemische Stoffe können dabei sowohl Elemente als auch Verbindungen und Gemische sein.

Für den Rettungsdienst interessant Teilgebiete sind die allgemeine Chemie, die organische Chemie und die Biochemie.

Während sich die allgemeine Chemie mit meist allgemeingültigen Grundlagen befasst (so z.B. den Aufbau von Atomen, dem Periodensystem der Elemente und chemischen Reaktionen), setzen die anderen Teilbereiche deutliche Schwerpunkte.

Die anorganische Chemie (Anorganik) befasst sich mit kohlenstofffreien Verbindungen (mit einigen Ausnahmen) – das umfasst hauptsächlich die Chemie der Metalle, Salze, Säuren, Laugen und verschiedener Gase.

Als Gegenstück befasst sich die organische Chemie (Organik) hingegen fast ausschließlich mit auf Kohlenstoff basierenden Verbindungen – diese spielen auch im menschlichen Körper eine sehr große Rolle; die überwiegende Mehrheit aller Strukturen des Körpers basiert auf Kohlenstoffketten oder -ringsystemen.

Die Biochemie beschäftigt sich mit der chemischen Zusammensetzung der Organismen und den chemischen Vorgängen in ihnen – schwerpunktmäßig also auch mit Stoffwechselvorgängen wie der Energiegewinnung – und überschneidet sich hier sowohl mit der organischen Chemie und der Biologie, wie auch in kleineren Teilen mit der Anorganik.

Chemische Begrifflichkeiten

Zum Verständis der chemischen Grundlagen ist es notwendig, sich mit einigen Begriffen der Chemie auseinanderzusetzen.

Die Chemie beschäftigt sich schließlich mit chemischen Elementen – dies sind Stoffe, die mit den Methoden der Chemie nicht weiter zerteilt werden können. Chemische Elemente werden mithilfe des Periodensystems dargestellt.

Periodensystem der Elemente. Quelle: Wikimedia Commons, gemeinfrei.

Dieses ordnet die bekannten Elemente nach der Ordnungszahl (Kernladung) von links nach rechts ansteigend in Zeilen (Perioden) sowie in Spalten (Haupt- und Nebengruppen). Die Elemente der jeweiligen Haupt- und Nebengruppe haben ähnliche chemische Eigenschaften, die Elemente in einer Periode haben die selbe Anzahl an Elektronenschalen.

Die kleinste Menge eines chemischen Elements stellt das Atom dar. Dieses besteht aus positiv geladenen Protonen und ggf. elektrisch neutralen Neutronen im Atomkern, sowie aus einer der Protonenanzahl entsprechenden Menge negativ geladener Elektronen auf den Schalen rund um den Kern. Ein Atom ist somit nach außen hin elektrisch neutral.

Für die Reaktivität sind dabei vor allem die Valenzelektronen relevant; dies sind die Elektronen der äußersten Schale (deshalb auch Außenelektronen), welche Verbindungen mit anderen Atomen oder Molekülen eingehen können. Es wird dabei grundsätzlich ein “entspannter Zustand“ angestrebt, bei denen alle Schalen vollständig mit Elektronen besetzt sind (dafür werden Elektronen aufgenommen oder abgegeben) – dies ist bei Edelgasen bereits der Normalzustand, deshalb spricht man auch von der “Edelgaskonfiguration“.

Medizinisch von Belang sind allerdings vor allem die Ionen. Dies sind elektrisch geladene Atome, welche entweder Elektronen abgeben oder aufnehmen und so nach außen positiv oder negativ geladen sind. Ionen als elektrisch geladene Teilchen ermöglichen einen “Ladungsfluss“, sprich einen Stromfluss und so beispielsweise die Weiterleitung von Informationen in Form elektrischer Signale.

Kationen haben dabei eine positive Ladung, Anionen eine negative Ladung. Ein Natrium-Ion (Na+) wäre ein Beispiel für ein Kation, ein Chlorid-Ion (Cl) ein typisches Anion.

Moleküle hingegen sind Teilchen, die aus mehreren Atomen bestehen, wobei sowohl mehrere identische Atome ein Molekül bilden können (z.B. Sauerstoff (O2) aus zwei Sauerstoffatomen), wie auch aus mehreren unterschiedlichen Atomen (z.B. Kohlendioxid (CO2), ein Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatome). Auch Moleküle können elektrisch geladen sein, man spricht in diesem Fall von einem Molekülion.

Zudem werden auch Radikale betrachtet. Radikale sind hochgradig reaktionsfreudige Atome oder Moleküle, die mindestens ein ungepaartes Valenzelektron haben und daher sehr leicht neue Verbindungen eingehen, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Das Problem dabei ist: Verbindungen werden ohne “Rücksicht auf Verluste“ eingegangen und bestehende Strukturen auch problemlos zerstört.

“Nice to know”

Ein Beispiel, in denen Radikale ein Problem darstellen können, ist auch die Sauerstofftherapie in der Notfallmedizin.

Praxisrelevant

  • Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle, die einen Ladungsfluss (= Stromfluss) ermöglichen
  • Signale innerhalb des Körpers werden u.a. elektrisch weitergeleitet
  • Radikale sind sehr reaktionsfreudige Atome, die körpereigene Strukturen zerstören können und im Rahmen von Entzündungsvorgängen relevant sind

Chemische Verbindungen und Reaktionen

Nahezu alle biochemischen Prozesse des Körpers beruhen darauf, dass chemische Elemente unterschiedliche Verbindungen miteinander eingehen können und miteinander reagieren können.

Chemische Verbindungen können unterschiedlich gebildet werden und dabei von “sehr fest” bis “sehr locker” sein, abhängig von Bindungsart und den beteiligten Elementen und Molekülen.

Eine typische Bindung ist eine kovalente Bindung, die zwischen zwei Nichtmetallen ausgebildet wird – die beteiligten Elemente sind hierbei über ein gemeinsames Valenzelektron verbunden (sie “teilen” es sich an einer Stelle). Ähnlich ist die Ionenbindung, die vor allem bei Salzen (Metall & Nichtmetall) vorkommt; sie ist dabei aber “fester” und in alle Richtungen gleichmäßig gerichtet, sie wirkt also nicht nur an einem Punkt.

Ausgangspunkt einer chemischen Verbindung ist eine chemische Reaktion – zwei Edukte (Ausgangsstoffe) ergeben ein oder mehrere Produkte (Endprodukte). Chemische Reaktionen können teilweise spontan ablaufen, teilweise benötigten sie bestimmte Voraussetzungen und zusätzliche Aktivierungsenergie. Gleichermaßen kann bei chemischen Reaktionen auch Energie frei werden, die für andere Prozesse oder Reaktionen genutzt werden kann.

Energiestoffwechsel und ATP-Synthese

Die wohl wichtigsten biochemischen Reaktionen drehen sich vor allem um ein Thema: Energie.

Wir brauchen für zahllose Prozesse in unseren Körper Energie, die letztendlich aus chemischer Energie gewonnen wird – in aller Regel in der Form von Adenosintriphosphat, kurz ATP. Diese besteht aus der Nucleinbase Adenin (die auch einen Teil der DNA darstellt), Ribose (einem Zucker) sowie drei Phosphatgruppen.

Durch die Abspaltung einer Phosphatgruppe (Adenosintriphosphat wird zu Adenosindiphosphat) wird Energie frei, die genutzt werden kann.

Die Energie wird über Kohlenhydrate, Fette (Lipide) und Eiweiße (Proteine) zur Energiegewinnung, sprich zur ATP-Synthese, bereitgestellt.

Längerkettige Kohlenhydrate wie beispielsweise die Stärke wird in mehreren Schritten zu Glucose (Traubenzucker) zerlegt, welcher weiter verwertet werden kann.

Im Rahmen der Glykolyse wird ein Glucosemolekül schließlich in zwei Moleküle Pyruvat aufgespalten, welches Grundlage für den weiteren Stoffwechselweg darstellt.

Nice to know: Übersicht über die Glykolyse. Quelle: Wikimedia Commons, gemeinfrei.

Der weitere Verlauf in sauerstoffabhängig (aerob) und sauerstoffunabhängig (anaerob) unterschieden.

Bei einem anaeroben Stoffwechsel unter Sauerstoffmangel wird das Pyruvat zu Lactat (einem Salz/Ester der Milchsäure) abgebaut – es reichert sich Lactat an, die Energieausbeute ist dabei gering.

Anaerobe Glykolyse und Milchsäuregärung. Quelle: Wikimedia Commons, gemeinfrei.

Sofern ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht, kann jedoch der aerobe Stoffwechselweg ablaufen. Das Pyruvat wird im Citratzyklus weiterverwertet, wodurch NADH (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid) und H+-Ionen entstehen, welche in der Atmungskette mehrere Reaktionen durchlaufen und dem Enzym ATP-Synthase die “Wiederaufbereitung” von ADP zu ATP ermöglichen. Die Energieausbeute ist hier wesentlich größer und es fällt kein Lactat an.

Prüfungsrelevant

  • Energie wird im Körper in Form von Adenosintriphosphat (ATP) bereitgestellt
  • Für eine ausreichende Bildung von ATP ist Sauerstoff vonnöten

“Nice to know”

Fällt übermäßig viel Lactat an, spricht man von einer Lactatazidose – eine Übersäuerung des Blutes durch zu viel Lactat. Dies liegt letztendlich an der Milchsäure, die einen Teil des Lactats darstellt. Als Säure ist sie ein Protonendonator, d.h. sie kann H+-Ionen abgeben.

Je mehr H+-Ionen in einer Lösung vorliegen, desto “saurer” ist sie. In diesem Falle fällt der pH-Wert ab, welcher der negativ dekadische Logarithmus der H+-Ionenkonzentration ist

pH = -log10(c[H+])

Grundlagen der Physik

Als dritte Naturwissenschaft im Bunde verbleibt die Physik – diese beschäftigt sich mit grundlegenden Erscheinungen, Vorgängen und Gesetzen (Naturgesetzen) unserer Umwelt.

Im Vergleich zu den anderen Naturwissenschaften kann man sich hier auf einige grundsätzliche Begriffe, Gesetze und Formeln beschränken, die für den Rettungsdienst relevant sind.

Physikalische Grundbegriffe

Einer der wichtigsten physikalischen Begriffe ist die Kraft (Formelzeichen F) – diese beschreibt die Einwirkung auf einen Körper, sei es eine Geschwindigkeits- oder Richtungsänderung oder eine Verformung. Die Kraft berechnet sich aus der Masse des Körpers und einer konstanten Beschleunigung.

Grundgleichung der Mechanik.

Kräfte werden in der Einheit Newton (Einheitszeichen N) angegeben. 1 Newton entspricht dabei 1 (kg * m)/s2.

Kräfte werden benötigt, um Arbeit zu verrichten. Arbeit (Formelzeichen W) ist in der Mechanik definiert als Kraft mal Weg. Die Einheit der Arbeit wird als Joule [J] angegeben, welche 1 N*m bzw. 1 W*s entspricht.

Arbeit pro Zeit wird als Leistung (Formelzeichen P) definiert, sie hat die Einheit Watt [W].

Druck beschreibt die Krafteinwirkung pro Fläche – angegeben wird diese in N/m², was zugleich 1 Pascal [Pa] entspricht.

Praxisrelevant

Im Rettungsdienst werden gleich drei unterschiedliche Einheiten für den Druck verwendet – darunter bar, Millimeter Quecksilbersäule [mmHg] und Zentimeter Wassersäule [cm H2O].

Unbedingt darauf achten, dass die richtige Einheit verwendet wird!

Energieerhaltung

Den Energieerhaltungssatz kann man relativ simpel zusammenfassen: in einem abgeschlossenen System kann Energie weder erzeugt, noch vernichtet werden, sondern lediglich umgewandelt. Bei jeder Umwandlung entstehen allerdings auch “Verluste”, i.d.R. in Form von Wärmeenergie.

Gasgesetze

Gesetz von Boyle-Mariotte

Das Gesetz von Boyle-Mariotte sagt aus, dass der Druck idealer Gase antiproportional zum Volumen ist.

Die Schlussfolgerung daraus: je mehr man das Volumen komprimiert, desto höher wird der Druck.

Gesetz von Gay-Lussac

Dieses Gesetz besagt, dass Volumen und Temperatur eines idealen Gases direkt proportional zueinander sind. Ein Gas dehnt sich also bei einer Erwärmung aus und zieht sich bei einer Abkühlung zusammen. 

Gesetz von Amontons

Während das Gesetz von Gay-Lussac die Abhängigkeit von Volumen und Temperatur betrachtet, wird hier der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur eines idealen Gases hergestellt – es liegt ebenfalls eine direkte Proportionalität vor.

Praxisbeispiel

Wer kennt es nicht? Die Sauerstoffflasche ist leer und muss gewechselt werden – nur haben wir Winter und die vollen Flaschen lagern platzbedingt im unbeheizten Sauerstofflager außerhalb der Wache.

Nach dem Wechsel zeigt die Flasche nur 180 bar statt der üblichen 200 bar an – Amontons lässt grüßen. Durch die direkte Proportionalität zwischen Druck und Temperatur (“Je mehr, desto mehr – je weniger, desto weniger”) sinkt der Druck bei kalten Temperaturen, bei warmen steigt er wieder an.

Gesetz von Hagen-Poiseuille

Ein weiteres Gesetz, welches sich mit Fluiden (Flüssigkeiten und Gasen) beschäftigt, ist das Gesetz von Hagen-Poiseuille. Dieses beschäftigt sich mit dem Volumenstrom durch Rohre – was vom Grundsatz her ebenfalls in unserem Körper passiert nämlich in den Atemwegen und in den Gefäßen.

Es muss dabei beachtet werden, dass im Körper noch zahlreiche andere Einflussfaktoren den Volumenstrom beeinflussen und das Gesetz sich nicht eins zu eins anwenden lässt; zur Verdeutlichung des Grundprinzips taugt es jedoch alle mal.

Es wird deutlich: mit der vierfachen Potenz des Radius ist dieser der Faktor mit dem größten Einfluss. Mit einer Halbierung des Radius sinkt der Volumenstrom auf 1/16 – oder der Strömungswiderstand als Kehrwehrt steigt um das 16-fache.

Praxisrelevant

Der Radius eines “Rohres” ist für den Volumenstrom (Durchfluss) die entscheidende Größe.

Diffusion und Osmose

Zwei Begriffe, die jeder Rettungsdienstler lernt und die selten groß erläutert werden, sind die Diffusion und die Osmose.

Die Natur strebt den Zustand maximaler Unordnung an (Entropie), in Flüssigkeiten oder Gasen gelöste Teilchen bewegen sich durch die Abstoßungskräfte spontan, sie unterliegen der so genannten Brown’schen Molekularbewegung. Der Übergang von einem “geordneten” zu einem “ungeordneten” Zustand ist jederzeit spontan möglich.

Das Prinzip macht sich die Diffusion zu Nutze.

Diffusion. Quelle: eigenes Werk. © 2022 SaniOnTheRoad.

Auf Grundlage der Entropie verteilen sich Teilchen in einer Lösung spontan gleichmäßig vom Ort der hohen Konzentration zum Ort der niedrigen Konzentration. Es entsteht eine „Unordnung“ der Teilchen. Der Prozess benötigt keine Energie – er läuft passiv ab.

Prüfungsrelevant

Diffusion: Verteilung von gelösten Teilchen vom Ort hoher zum Ort niedriger Konzentration – passiver Transportprozess ohne Energieaufwand.


Praxisrelevant

Die Diffusion ist unter anderem abhängig von der Diffusionsfläche (je größer, desto besser), dem Konzentrationsunterschied (je größer, desto besser) und der Diffusionsstrecke (je kleiner, desto besser).

Dieser Zusammenhang wird auch “Fick’sches Diffusionsgesetz” genannt.


Praxisbeispiel

Die Diffusion findet in unserem Körper fortlaufend statt – zum Beispiel an der Lunge. Die Lungenbläschen sind von einem dichten Netz an kleinsten Gefäßen, den Kapillaren überzogen, während sich auf der Innenseite die eingeatmete Luft befindet.

Durch die sehr dünnen Wände und die Konzentrationsunterschiede zwischen Sauerstoff und Kohlendioxid im Blut und in der Luft kommt es hier zum Gasaustausch per Diffusion. Sauerstoff wird ins Blut aufgenommen, Kohlendioxid an die Atemluft abgegeben.

Einem ähnlichen Prinzip unterliegt die Osmose – hier wird jedoch eine selektiv permeable Membran zwischen zwei Lösungen gesetzt, welche für das Lösungsmittel (z.B. Wasser) durchlässig ist, für die größeren Teilchen jedoch nicht. Die Teilchen sind osmotisch wirksam, d.h. sie “ziehen Wasser an”.

Osmose. Quelle: eigenes Werk. © 2022 SaniOnTheRoad.

Auch hier wird ein “Konzentrationsausgleich” angestrebt. Nachdem die Teilchen diesen nicht direkt ermöglichen können, entsteht durch die osmotisch wirksamen Teilchen ein osmotischer Druck, der den Fluss des Lösungsmittels bewirkt – von der weniger zur höher konzentrierten Lösung.

Prüfungsrelevant

Osmose: Fluss des Lösungsmittels durch eine selektiv permeable Membran von der niedriger konzentrierten zur höher konzentrierten Lösung.


Praxisbeispiel

Die Bedeutung der Osmose lässt sich am Beispiel von Blutzuckerentgleisungen verdeutlichen. Glucose ist stark osmotisch wirksam, d.h. sie hat die Eigenschaft, Wasser anzuziehen (man denke an ein Stück Zucker im Kühlschrank). Das ist im Körper nicht anders.

Haben wir bei einem Diabetiker einen stark erhöhten Blutzuckerspiegel (Hyperglykämie) – der Blutzucker kann also nicht in die Zellen aufgenommen werden – steigt die Osmolarität des Blutes, die Glucose zieht Wasser aus den Zwischenzellräumen und aus den Zellen selbst in das Blut. Folge: die Zellen schrumpfen zusammen und sterben im Extremfall ab.

Umgekehrt ist es bei einem Unterzucker (Hypoglykämie). Es befindet sich zu wenig Glucose in der Blutbahn, die Blutosmolarität sinkt und das Blutplasma wird schlechter im Gefäßsystem gehalten – es strömt in die Zwischenzellräume und die Zellen. Letztere können dabei anschwellen und im Extremfall platzen.

Elektrische Ladungen

Tatsächlich spielt auch die Elektrizität für physiologische Vorgänge eine Rolle – so zum Beispiel bei der Erregungsbildung und -weiterleitung im Nervensystem.

Strom ist erstmal nichts anderes als bewegte Ladungen – gleichnamige (positiv-positiv oder negativ-negativ) Ladungen stoßen sich ab, gegensätzliche Ladungen ziehen sich an. Es entsteht ein Ladungsfluss in einer bestimmten Zeit (Stromstärke I, Einheit Ampere [A]) mit einer gewissen Spannung (Formelzeichen U, Einheit Volt [V]).

Die Spannung drückt dabei die Fähigkeit aus, Ladungen zu verschieben – sie ist, vereinfacht gesagt, der “Druck”, mit welchem Ladungen fließen.

Ferner hat jedes durchflossene Medium auch einen elektrischen Widerstand (Formelzeichen R, Einheit Ohm [Ω]). Die Zusammenhänge zwischen Stromstärke, Spannung und Widerstand werden im Ohm’schen Gesetz verdeutlicht.

Anwendungsorientierte Mathematik

Wahrscheinlich ist es das “Hassthema” vieler – während einige Menschen in der Mathematik vollends aufgehen, betrachten andere sie als Hilfswissenschaft und scheuen sie wie der Teufel das Weihwasser.

Ganz ohne Mathematik geht es auch im Rettungsdienst nicht und man kommt durchaus in die Verlegenheit, Dinge zu berechnen.

Die gute Nachricht ist: mit relativ mittelprächtigen Mathematikkenntnissen kommt man ganz gut durch den Alltag als Rettungsdienstler.

Umrechnungen

Leider kommt man in der Medizin relativ oft in die Verlegenheit, Maßeinheiten umrechnen zu müssen. Dies liegt zum einen daran, dass selbst für ein und dieselbe physikalische Größe unterschiedliche Maßeinheiten bestehen; zum anderen daran, dass teilweise mit sehr großen und gleichzeitig sehr kleinen Anteilen gerechnet werden muss.

Praxisrelevant

CAVE: Im Rettungsdienst werden oft unterschiedliche Einheitensysteme für dieselbe physikalische Größe genutzt!

Vorsätze für Maßeinheiten

Wird mit sehr großen oder sehr kleinen Werten gerechnet, werden bestimmte Präfixe der eigentlichen Einheit vorangestellt. So wird zum Beispiel aus 1000 Gramm [g] ein Kilogramm [kg]. Die für den Rettungsdienst wichtigsten Präfixe findet ihr in nachfolgender Tabelle.

SymbolBedeutungZehner-
potenz
Zahl
kKilo10³1000
hHekto10²100
daDeka10110
1001
dDezi10-10,1
cCenti10-20,01
mMilli10-30,001
µMikro10-60,00001

Prüfungsrelevant

Auf richtige Maßeinheiten und korrekte Vorsätze für Maßeinheiten achten – gravierende Rechenfehler sind sonst vorprogrammiert!

Blutzuckerkonzentrationen

Gerade im Falle des Blutzuckers sind zwei unterschiedliche Maßeinheiten verbreitet: einmal mg/dl und mmol/l.

Diese Werte lassen sich nicht “schön” umrechnen, eine genaue Berechnung ohne Taschenrechner ist kaum möglich.

Eine nährungsweise Umrechnung ist allerdings mit dem Faktor 18 möglich:

“mmol/l mal 18 ergibt mg/dl und mg/dl geteilt durch 18 ergibt mmol/l”

Diabetiker Hannover

Praxisrelevant

Nährungsweise Umrechnung von verschiedenen Blutzuckerkonzentrationen:

mg/dl = mmol/l *18

mmol/l = (mg/dl)/18

Berechnung von Dosierungen und Konzentrationen

Wenn es um die Medikamentengabe geht, kommt man letztendlich weder um die Konzentration, noch um die Dosierung herum.

Die Konzentration ist dabei die Wirkstoffmenge geteilt durch die Gesamtmenge der Flüssigkeit.

Formel Konzentration

c = m/V

c: Konzentration, m: Wirkstoffmenge, V: Gesamtvolumen der Flüssigkeit


Praxisbeispiel

Die Ampulle eines Medikaments enthält 1 mg Wirkstoff und insgesamt 10 ml Flüssigkeit.

Entsprechend der Formel ergibt sich eine Konzentration von 1 mg/10 ml. Zur weiteren Rechnung, z.B. um eine Dosis zu bestimmten, ist die Konzentration für einen Milliliter erforderlich – hierfür werden schlicht Wirkstoffmenge und Flüssigkeitsmenge geteilt.

Es ergibt sich somit eine Konzentration von 0,1 mg/1 ml, diese wird meist abgekürzt als 0,1 mg/ml geschrieben.

Die Dosis ist die Wirkstoffmenge, die der Patient erhalten soll – diese ist neben dem Krankheitsbild oftmals auch vom Gewicht des Patenten abhängig (gewichtsadaptierte Dosierung).

Einige Medikamente haben feste Dosierungen (z.B. 100 mg), andere Dosierungen müssen jeweils nach dem Gewicht berechnet werden – die Dosierung wird dann meist in mg/kg Körpergewicht (KG) oder in µg/kg KG angegeben.

Um die benötigte Dosis zu erhalten, muss die Dosierung mit dem Körpergewicht multipliziert werden.

Formel Gewichtsadaptierte Dosierung

Dadap = Dallg * KG

Dadap: gewichtsadaptierte Dosierung, Dallg: allgemeine Dosierung, KG: Körpergewicht


Praxisbeispiel

Ausgehend von unserem vorherigen Medikament benötigt der Patient (100 kg KG) eine Dosierung von 0,005 mg/kg KG. Die benötigte Dosis beträgt somit 0,5 mg.

Um im letzten Schritt herauszufinden, wie viele Milliliter der Lösung appliziert werden müssen, wird die benötigte Dosis durch die Konzentration des Medikaments geteilt.

Formel Applikationsvolumen

Vapp = D/c

Vapp: zu applizierende Flüssigkeitsmenge, D: notwendige Dosis, c: Konzentration der Lösung


Praxisbeispiel

Mit einer Konzentration von 0,1 mg/ml sowie der benötigten Dosis von 0,5 mg/ml ergibt sich eine Flüssigkeitsmenge von 5 ml, die dem Patienten appliziert werden.

Letztendlich ist die Berechnung von Konzentrationen und Dosierungen nichts anderes als eine einfache Dreisatzrechnung.

Berechnung von Flussraten

Komplexer wird allerdings die Berechnung von Flussraten – einige Medikamente müssen kontinuierlich über eine Spritzenpumpe verabreicht werden.

Hierbei ist die Medikamentengabe nicht nur meist gewichts-, sondern zeitgleich auch zeitadaptiert (z.B. µg/kg/min); und die Einstellung der meisten Spritzenpumpen erfolgt in der Form ml/h.

Es müssen hier somit Dosierung, Konzentration und Flussrate berechnet und letztendlich eingestellt werden.

Schritt 1: Konzentration berechnen

Es erfolgt die “normale” Berechnung der Konzentration wie oben beschrieben, am Ende muss die Konzentration für einen Milliliter (d.h. x mg/ml) angegeben werden.

Praxisbeispiel

Es befinden sich 50 mg Wirkstoff auf einer 50 ml-Spritze. Daraus ergibt sich eine Konzentration von 1 mg/ml.

Schritt 2: Gewichtsadaptierte Dosis berechnen

Analog zur üblichen Berechnung wird die benötigte Dosierung mit dem Körpergewicht multipliziert. Man muss an dieser Stelle beachten, dass der Zeitfaktor zunächst erhalten bleibt (z.B. mg/min, der Gewichtsfaktor entfällt nun).

Praxisbeispiel

Der Patient soll eine Dosierung von 10 µg/kg/min erhalten – wie im vorherigen Beispiel hat der Patient 100 kg KG.

Es ergibt sich somit zunächst eine Dosierung von 1000 µg/min, was 1 mg/min entspricht.

Schritt 3: benötigte Flüssigkeitsmenge ermitteln

Um die benötigte Flüssigkeitsmenge zu erhalten, bringt man die berechnete Dosis wieder mit der Konzentration in Einklang. Wie bei der “normalen” Medikamentengabe wird die Dosis pro Minute durch die Konzentration geteilt.

Es ergibt sich in diesem Falle die Flüssigkeitsmenge pro Minute.

Praxisbeispiel

Aus der Dosis pro Minute (1 mg/min) und der Konzentration (1 mg/ml) ergibt sich 1 ml/min.

Schritt 4: Flüssigkeitsmenge pro Minute in Flussrate pro Stunde umrechnen

Um die benötigte Flussrate einstellen zu können, muss der Wert pro Minute auf einen Wert pro Stunde umgerechnet werden – eine Stunde hat 60 Minuten, ergo wird der Wert einfach mit dem Faktor 60 multipliziert.

Praxisbeispiel

1 ml/min entspricht 60 ml/h und damit der einzustellenden Flussrate.


Zusammenfassung

  • selbstständige Vorbereitung vor (!) dem Fachlehrgang
  • Grundprinzipien sollen verstanden werden, Details müssen nicht auswendig gelernt werden
  • Stoffwechsel, Selbsterhaltungsfähigkeit sowie Fähigkeit zu Wachstum, Reaktion und Reproduktion sind Kennzeichen von Lebewesen
  • Menschliche Zellen: Eukaryoten, verfügen über Zellmembran, Zytoplasma, Zellkern und Zellorganellen
  • Homöostase: “inneres Gleichgewicht”, um einwandfreie Funktion zu gewährleisten
  • Der Körper verfügt über zahlreiche Regelkreise zur Beeinflussung physiologischer Funktionen
  • Ordnung des Körpers: Zelle -> Gewebe -> Organe -> Organsysteme
  • Bakterien, Pilze und Viren sind in Bezug auf Infektionskrankheiten und Hygienemaßnahmen rettungsdienstlich relevant.
  • Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle, die einen Ladungsfluss (= Stromfluss) ermöglichen
  • Signale innerhalb des Körpers werden u.a. elektrisch weitergeleitet
  • Radikale sind sehr reaktionsfreudige Atome, die körpereigene Strukturen zerstören können und im Rahmen von Entzündungsvorgängen relevant sind
  • Energie wird im Körper in Form von Adenosintriphosphat (ATP) bereitgestellt
  • Für eine ausreichende Bildung von ATP ist Sauerstoff vonnöten
  • Im Rettungsdienst werden gleich drei unterschiedliche Einheiten für den Druck verwendet – darunter bar, Millimeter Quecksilbersäule [mmHg] und Zentimeter Wassersäule [cm H2O]. Unbedingt darauf achten, dass die richtige Einheit verwendet wird!
  • Der Radius eines “Rohres” ist für den Volumenstrom (Durchfluss) die entscheidende Größe.
  • Diffusion: Verteilung von gelösten Teilchen vom Ort hoher zum Ort niedriger Konzentration – passiver Transportprozess ohne Energieaufwand.
  • Die Diffusion ist unter anderem abhängig von der Diffusionsfläche (je größer, desto besser), dem Konzentrationsunterschied (je größer, desto besser) und der Diffusionsstrecke (je kleiner, desto besser). -> Fick’sches Diffusionsgesetz
  • Osmose: Fluss des Lösungsmittels durch eine selektiv permeable Membran von der niedriger konzentrierten zur höher konzentrierten Lösung.
  • CAVE: Im Rettungsdienst werden oft unterschiedliche Einheitensysteme für dieselbe physikalische Größe genutzt!
  • Auf richtige Maßeinheiten und korrekte Vorsätze für Maßeinheiten achten – gravierende Rechenfehler sind sonst vorprogrammiert!
  • Annäherungsweise Umrechnung von verschiedenen Blutzuckerkonzentrationen:
    • mg/dl = mmol/l *18
    • mmol/l = (mg/dl)/18
  • Konzentration einer Lösung: c = m/V (c: Konzentration, m: Wirkstoffmenge, V: Gesamtvolumen der Flüssigkeit)
  • Gewichtsadaptierte Dosierung: Dadap = Dallg * KG (Dadap: gewichtsadaptierte Dosierung, Dallg: allgemeine Dosierung, KG: Körpergewicht)
  • Applikationsvolumen: Vapp = D/c (Vapp: zu applizierende Flüssigkeitsmenge, D: notwendige Dosis, c: Konzentration der Lösung)

Lernziele

Du kennst nun

  • Grundbedeutung naturwissenschaftlicher Kenntnisse für den Rettungsdienst,
  • die Kennzeichen lebendiger Strukturen,
  • die elementare Bedeutung der Zelle für Physiologie und Pathophysiologie,
  • die Bedeutung der Mikrobiologie für die rettungsdienstliche Arbeit,
  • die Grundbegriffe der Chemie sowie den Grundablauf chemischer Reaktionen,
  • die Bedeutung von ATP als Energieträger sowie den schematischen Ablauf der ATP-Herstellung,
  • relevante physikalische Grundbegriffe,
  • die grundlegenden Gasgesetze und das Gesetz von Hagen-Poiseuille,
  • die Funktion von Diffusion und Osmose,
  • grundlegende mathematische Formeln für den Rettungsdienst.

Interessenkonflikte

Der Autor gibt an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Quellen

Aumüller G. et al. (2020): Duale Reihe Anatomie, 5. Auflage. Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart. ISBN 978-3-13-243502-5. DOI: 10.1055/b-007-170976. Hier erhältlich: https://amzn.to/3JI8Xry

Diabetiker Hannover (1998): mg/dl oder mmol/l ?, abgerufen unter http://www.diabetiker-hannover.de/diab_hannover/mgdlmmol.htm am 14.04.2022

Dönitz S., Flake F. (2015): Mensch Körper Krankheit für den Rettungsdienst, 1. Auflage. Urban & Fischer Verlag/Elsevier GmbH, München. ISBN 978-3-437-46201-6. 3. Auflage (2020): ISBN 978-3-437-46203-0. Aktuelle Auflage (3. Auflage, 2020) hier erhältlich: https://amzn.to/3BNVTic

Enke K., Flemming A., Hündorf H.-P., Knacke P., Lipp R., Rupp P. (2018): Lehrbuch für präklinische Notfallmedizin, Band A, 5. Auflage. Verlagsgesellschaft Stumpf & Kossendey mbH, Edewecht. ISBN: 978-3-943174-43-4. Aktuelles Gesamtwerk (3 Bände, 6. Auflage, 2019) hier erhältlich: https://amzn.to/3s8xH6L

Luxem J., Runggaldier K., Karutz H., Flake F. (2020): Notfallsanitäter Heute, 7. Auflage. Urban & Fischer Verlag/Elsevier GmbH, München. ISBN 978-3437462115. Hier erhältlich: https://amzn.to/3s8KEh5

Plattner H., Hentschel J. (2017): Zellbiologie, 5. Auflage. Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart. ISBN: 978-3-13-240227-0. DOI:10.1055/b-004-139120. Hier erhältlich: https://amzn.to/3KOk3wA

Rassow J. et al. (2016): Duale Reihe Biochemie, 4. Auflage. Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart. ISBN: 978-3-13-125354-5. Aktuelle Auflage (5. vollständig überarbeitete Auflage, 2022) hier erhältlich: https://amzn.to/3JHEE4u

SaniOnTheRoad (2021): Sauerstofftherapie in der Notfallmedizin, abgerufen unter https://saniontheroad.com/sauerstofftherapie-in-der-notfallmedizin/ am 14.04.2022

SaniOnTheRoad (2022): Welche Fachliteratur im Rettungsdienst braucht man wirklich?, abgerufen unter https://saniontheroad.com/welche-fachliteratur-im-rettungsdienst-braucht-man-wirklich/ am 14.04.2022

SaniOnTheRoad (2021): 1.13 Berufskunde für Rettungssanitäter II, abgerufen unter https://saniontheroad.com/1-13-berufskunde-fur-rettungssanitater-ii/ am 14.04.2022

SaniOnTheRoad (2021): 1.12 Berufskunde für Rettungssanitäter I, abgerufen unter https://saniontheroad.com/1-12-berufskunde-fur-rettungssanitater-i/ am 14.04.2022

SaniOnTheRoad (2020): 1.11 Grundlagen der Hygiene, abgerufen unter https://saniontheroad.com/1-11-grundlagen-der-hygiene/ am 14.04.2022

Silbernagl S., Despopoulos A., Draguhn A. (2018): Taschenatlas Physiologie, 9. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York. ISBN 978-3-13-241030-5. DOI: 10.1055/b-006-149287. Hier erhältlich: https://amzn.to/3tZwsHV

Vaupel P., Schaible H.-G., Mutschler E. (2015): Anatomie, Physiologie, Pathophysiologie des Menschen, 7. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart. ISBN 978-3-8047-2979-7. Hier erhältlich: https://amzn.to/3xnOm9A

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Über SaniOnTheRoad

2.1 Naturwissenschaftliche Grundlagen

SaniOnTheRoad

Notfallsanitäter, Teamleiter und Administrator des Blogs. Vom FSJler über Ausbildung bis zum Haupt- und Ehrenamt im Regelrettungsdienst und Katastrophenschutz so ziemlich den klassischen Werdegang durchlaufen. Meine Schwerpunkte liegen auf Ausbildungs- und Karrierethemen, der Unterstützung von Neueinsteigern, leitliniengerechten Arbeiten sowie Physiologie, Pathophysiologie, Pharmakologie und EKG für den Rettungsdienst.´ Mehr über mich hier.


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