2.7 Atmungssystem

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Wiederholung: Diffusion

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.

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. Dieser Prozess wird Diffusion genannt, er benötigt keine Energie – er läuft passiv ab.

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).

Siehe auch Kapitel 2.1

Inhaltsverzeichnis

• Einleitung
• Anatomie der Atemwege
  • obere Atemwege
  • untere Atemwege
• Der knöcherne Thorax
• Anatomie der Lunge
• Physiologie der Atmung
  • Atemmechanik
  • Gasaustausch
  • Atemregulation

Einleitung

Das Atmungssystem bildet die Stütze der primären Vitalfunktion „Atmung“ – um diese sicherzustellen, sind einerseits die Atemwege zur „Leitung der Atemluft“ erforderlich, andererseits die Lunge mit den Alveolen, welche dem Gasaustausch dienen.

Die Hauptfunktion des Atmungssystems ist es, eine ausreichende Sauerstoffversorgung des Körpers sicherzustellen (Oxygenierung), um die adäquate Funktion der Zellen aufrecht zu erhalten, andererseits Kohlendioxid abzuatmen, um den Säure-Basen-Haushalt des Körpers in seinen engen physiologischen Grenzen zu halten (Decarboxylierung).

Neben den Atemwegen und der Lunge spielt für die Funktion des Atmungssystems die Atemmuskulatur und teilweise die Atemhilfsmuskulatur physiologischerweise eine große Rolle, ohne die eine Atmung schlicht nicht möglich wäre.

Anatomie der Atemwege

Damit überhaupt Luft zu den Alveolen gelangen kann, wo der Gasaustausch stattfindet, muss es einen Weg dorthin geben: dies sind die Atemwege.

Die Atemwege umfassen generell alle „luftleitenden“ Anteile des Atmungssystems, ein Gasaustausch findet an dieser Stelle nicht statt.

Obere Atemwege

Die oberen Atemwege beginnen mit der Mundhöhle respektive der Nasenhöhle.

Letztere ist für die Funktion der Luftleitung geradezu prädestiniert: die Nasenhöhle ist mit einem dichten Kapillarbett durchzogen, welches über den Blutfluss eine Vorwärmung und Befeuchtung der Atemluft ermöglicht.

Ferner wird die Atemluft beim Weg durch die Nase und die Nasenhöhle „gefiltert“: die Nasenhaare sorgen dafür, dass sich Fremdkörper hierin verfangen und nicht in die Lunge geraten, durch schleimproduzierende Zellen wird entsprechend Nasensekret gebildet, welches für den Abtransport der Fremdkörper sorgt.

Die Erwärmung und die Filterung der Atemluft geschieht nicht bei einer Atmung durch den Mund.

Anschließend passiert die Atemluft den Rachen (Pharynx), bis er an den Kehldeckel (Epiglottis) gelangt, welcher die Luftröhre (Trachea) beim Schluckvorgang verschließt und die Grenze zwischen oberen und unteren Atemwegen bildet sowie den in Mundhöhle und Pharynx kombinierten Weg von Atmungs- und Verdauungssystem trennt.

Untere Atemwege

Nach dem Kehldeckel bildet der Kehlkopf (Larynx) im oberen Bereich der Luftröhre (Trachea) den Beginn der unteren Atemwege. Im Bereich des Kehlkopfes finden sich die Stimmbänder, welche maßgeblich an der Lautbildung und damit der Sprache beteiligt sind.

Die Trachea ist mit Schleimhaut ausgekleidet, wird durch nach hinten (dorsal) offene Knorpelspangen offen gehalten und verläuft vom Kehlkopf aus nach kaudal (unten), bis sie sich auf Höhe des vierten bis fünften Brustwirbelkörpers in den rechten und linken Hauptbronchus aufteilt (Bifurkation, auch: Carina tracheae).

Die beiden Hauptbronchien bilden die Luftwege zu den beiden Lungenflügeln. Der rechte Hauptbronchus verläuft hierbei deutlich steiler als der linke Hauptbronchus, da im Falle des linken Hauptbronchus der Platzbedarf für das Herz einen flacheren Verlauf notwendig macht.

Die Hauptbronchien verzweigen sich weiter zu den Lappenbronchien, welche sich im Verlauf in verschiedene Segmentbronchien aufteilen. Das Bronchialsystem verzweigt sich weiter in immer kleiner werdende Bronchiolen, bis zu den Alveolen, an denen der Gasaustausch stattfindet.

Die Bronchien sind ebenfalls mit Schleimhaut ausgekleidet und werden aus glatter Muskulatur gebildet – während größere Bronchien durch Knorpelspangen und -platten offen gehalten werden, fehlen diese bei den Bronchiolen.

Insbesondere die Bronchiolen können ihren Muskeltonus – und damit den Durchmesser – mit Einflüssen des vegetativen Nervensystems regulieren. So verfügen sie über beta-2-Adrenorezeptoren, die unter einem Einfluss des Sympathikus eine Erweiterung (Bronchodilatation) bewirken, sowie über muskarinerge Acetylcholinrezeptoren, welche bedingt eine Verengung bewirken (Bronchokonstriktion).

Der knöcherne Thorax

Der Brustkorb an sich hat für das Atmungssystem ebenfalls eine bedeutende Rolle: die Atemmechanik würde ohne ihn schlichtweg nicht funktionieren.

Er besteht aus insgesamt zwölf Rippenpaaren, davon sind

• 7 „echte“ Rippen, welche direkt mit dem Brustbein (Sternum) in Verbindung stehen,
• 3 „unechte“ Rippen, welche nur über Knorpelverbindungen mit dem Sternum verbunden sind und
• 2 kurze Rippen, die frei in der Muskulatur enden.

Neben der Stabilität und der Schutzfunktion spielen Rippen und Sternum als Ursprung des Zwerchfells sowie die Rippen für die Interkostalmuskulatur – also für die Atemmuskulatur – eine erhebliche Rolle.

Anatomie der Lunge

Die Lunge selbst besteht aus einem rechten und einem linken Lungenflügel, welche beide innerhalb des knöchernen Thorax liegen und durch das Mediastinum, welches das Herz beinhaltet, getrennt werden.

Beide Lungenflügel lassen sich in in mehrere Lungenlappen unterteilen – drei rechts, zwei links; auch hier ist das überwiegend linksseitig liegende Herz der Grund für das Fehlen eines Lungenlappens.

Entsprechend der weiteren Verzweigung der Bronchien spricht man innerhalb des Lungenlappens von kleineren Lungensegmenten, die letztendlich auch die Alveolen beinhalten.

Die Alveolen sind dünnwandige, von einem dichten Kapillarnetz überzogene Bläschen, die letztendlich den Gasaustausch zwischen Körper und Umgebungsluft mittels Diffusion ermöglichen.

Die Lunge selbst wird von einer dünnen, serösen Haut überzogen – dem Lungenfell – welches nahtlos in das Rippenfell, welches die Rippenseite des Thorax von innen auskleidet, übergeht. Man spricht hier von der Pleura und den zwei „Blättern“ – der auf der Lunge aufliegenden viszeralen Pleura und der auf den Rippen aufliegenden parietalen Pleura.

Zwischen den beiden Blättern bildet sich der Pleuraspalt, der mit einer serösen Flüssigkeit gefüllt ist und in dem physiologischerweise Unterdruck herrscht – die Flüssigkeit sorgt für die Möglichkeit der Lunge zu „gleiten“, der Unterdruck verhindert einen Kollaps der Lunge und ermöglicht das Ausdehnen und Zusammenziehen der Lunge, da diese durch Adhäsionskräfte den Bewegungen folgen kann.

Physiologie der Atmung

Wie funktioniert „atmen“ eigentlich?

Die Tatsache, dass wir atmen können (und es tun), beruht auf einem Zusammenspiel von den knöchernen Strukturen, der Atemmuskulatur, ggf. der Atemhilfsmuskulatur, einem freien Atemweg, der Lunge selbst und letztendlich der Regulation der Atmung.

Diese Punkte werden wir im Folgenden näher beleuchten.

Atemmechanik

Die Atemmechanik beschreibt letztendlich das Zusammenspiel der Atemmuskulatur mit dem knöchernen Thorax und der Lunge: stark vereinfacht meint es die Bewegungen, die zur Ein- oder Ausatmung führen.

Das Zwerchfell (Diaphragma) ist der Hauptatemmuskel des Körpers und leistet den Großteil der Arbeit, der für die Einatmung (Inspiration) erforderlich ist. Es ist ähnlich eines Zeltes zwischen Lendenwirbelsäule, Rippen und Brustbein gespannt (muskulärer Ursprung) und setzt an einem gedachten Mittelpunkt (Centrum tendineum) an. Es wird vom Nervus phrenicus innerviert, der aus dem Rückenmark Halswirbelsäule (C3 – C5) entspringt.

Sofern das Zwerchfell kontrahiert, zieht es sich zusammen – und nach kaudal (steißwärts). Die Lunge folgt entsprechend den Adhäsionskräften, das Lungenvolumen steigt, ein Unterdruck entsteht und Luft strömt über die Atemwege in die Lunge bis hin zu den Alveolen.

Ebenfalls auf den Prinzip der „Volumenvergrößerung“ beruht auch die Funktion der äußeren Zwischenrippenmuskeln (Musculi intercostales externi), die die Abstände der Rippen untereinander vergrößert und letztendlich ebenso zu einem Unterdruck führt – wenngleich in einem deutlich geringeren Maße.

Die Einatmung (Inspiration) ist somit ein aktiver Vorgang, der eine Muskelarbeit erfordert.

Die Ausatmung (Exspiration) hingegen erfolgt passiv – die Muskulatur entspannt sich, das Zwerchfell wird durch die Rückstellkräfte nach oben gezogen, das Lungenvolumen verkleinert sich, ein Überdruck entsteht und Luft strömt aus.

Neben der eigentlichen Atemmuskulatur gibt es auch noch weitere Skelettmuskeln, welche insbesondere die Inspiration unterstützen können, es physiologisch allerdings nicht tun – hier spricht man von der Atemhilfsmuskulatur, die überwiegend aus Brust- und Schultermuskulatur gebildet wird, und überwiegend bei Atemnot zusätzlich eingesetzt wird.

Gasaustausch

Letztendlich ist dies ja der eigentliche Zweck, weshalb wir atmen: die Oxygenierung (Sauerstoffaufnahme) und die Decarboxylierung (Kohlendioxidabgabe) – der Gasaustausch in den Alveolen mittels Diffusion.

Hierbei macht sich der Körper die Konzentrationsunterschiede – die sich in unterschiedlichen Partialdrücken äußern – zwischen Sauerstoff und Kohlendioxid im Blut und in der Atemluft zu nutze.

Da die Diffusion vom Ort höherer zum Ort niedriger Konzentration erfolgt, wird Sauerstoff aus der Lunge in das Blut aufgenommen, und Kohlendioxid aus dem Blut in die Lunge abgegeben. Gleichermaßen funktioniert das Prinzip auch an den Zellen in der Körperperipherie, die zur Energiegewinnung Sauerstoff verbrauchen und Kohlendioxid produzieren.

Sauerstoff wird dabei an das Hämoglobin der roten Blutkörperchen (Erythrozyten) gebunden, Kohlendioxid wird hingegen zu großen Teilen im Blut gelöst (als Kohlensäure) und nur teilweise an den Erythrozyten gebunden transportiert.

Damit „Sinn und Zweck der Atmung“ letztendlich funktionieren, sind allerdings mehrere Komponenten von Belang:

• die Lunge muss belüftet werden (Ventilation), was einen freien Atemweg voraussetzt – nur auf diese Weise lassen sich die Konzentrationsunterschiede aufrecht erhalten, Sauerstoff steht zur Aufnahme zur Verfügung und Kohlendioxid kann abgeatmet werden,
• eine funktionierende Atemmechanik – der Brustkorb muss sich „ausdehnen“ können, ohne die Kontraktion der Atemmuskulatur erfolgt schlicht keine Inspiration und nachfolgend keine Exspiration,
• gute Bedingungen für die Diffusion – und damit kurze Diffusionsstrecke, große Diffusionsfläche und ausreichende Konzentrationsunterschiede,
• eine ausreichende Durchblutung der Lunge und des Körpers (Perfusion), um einen Transport des aufgenommenen Sauerstoffs zu den Zellen und ein Abtransport des Kohlendioxids zur Lunge zu gewährleisten
• eine funktionierende neuromuskuläre Regulation der Atmung sowie
• ein ausreichendes Sauerstoffangebot in der Umgebungsluft zur Oxygenierung.

Atemregulation

Damit wir atmen, muss zwangsläufig auch eine Regulation des Atemvorgangs erfolgen – die Atmung erfolgt hierbei unwillkürlich, auch wenn diese bewusst gesteuert werden kann.

Letztendlich erfolgt ein Atemanreiz über Chemorezeptoren, wobei unterschiedliche Rezeptoren eine Rolle spielen und der Atemanreiz durch verschiedene Rezeptoren unterschiedlich stark ist.

Den stärksten Atemanreiz bildet hierbei CO₂ – ein Anstieg des CO₂-Gehalts im Blut (Hyperkapnie) ist physiologischerweise der stärkste Trigger zum Atmen.

Ferner erfolgt auch eine Atemregulation über den Blut-pH-Wert – im Falle eines CO₂-Anstiegs oder eines Anstiegs der H⁺-Ionen im Blut sinkt der pH-Wert (das Blut wird „sauer“), was ebenfalls zu einem Atemanreiz führt.

Der physiologischerweise schwächste Atemanreiz ist ein Abfall des O₂-Gehaltes im Blut – eine Hypoxie bzw. eine Hypoxämie führt damit zwar auch zu einem Atemanreiz, aber weitaus weniger schnell als eine Hyperkapnie.

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Interessenkonflikte

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Quellen

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