Anatomie, Atemweg und Physiologie der Atmung
Die Anatomie:
Die Atmung unterteilt man in äußere und innere Atmung.
Die äußere Atmung beschreibt den Gasaustausch zwischen Umwelt und Organismus in den Lungen.
Die innere Atmung (oder Gewebeatmung) beschreibt die Verbrennungsvorgänge beim Stoffwechsel in den Zellen.
Anatomisch unterscheidet man die äußere Atmung in den Luft leitenden Anteil (obere und untere Luftwege) und dem Gasaustausch zwischen der Atemluft und dem Blut in den Lungenbläschen (Alveolen).
Die oberen Luftwege bestehen aus Nasenhöhle (Cavitas nasi), Mundhöhle (Cavitas oris), Nasennebenhöhlen (Stirnbeinhöhle (Sinus frontalis)), Siebbeinhöhle (Sinus ethmoidalis), Keilbeinhöhle (Sinus sphenoidalis), Kieferhöhle (Sinus maxillaris), Rachen (Pharynx) und Kehlkopf (Larynx). Die unteren Luftwege setzen sich aus Luftröhre (Trachea) und Bronchialbaum zusammen.
Die Funktionen der Luftleitenden Atmungsorgane sind a) Transport der Atemluft in die Lungenbläschen (Alveolen), b) Anwärmung der Atemluft, c) Befeuchtung der Atemluft, d) Reinigung der Atemluft, e) Kontrolle der Atemluft (über die Geruchsrezeptoren).
Der Kehlkopf dient zusätzlich als Verschluss- und Stimmorgan zur Lautbildung. Die beiden Nasenhöhlen werden durch die Nasenscheidewand (Septum nasi) getrennt. Durch die obere, mittlere und untere Nasenmuschel an den Seitenwänden der beiden Nasenhöhlen wird die Oberfläche stark vergrößert. In den Nasenhöhlen wird die Atemluft angewärmt, befeuchtet und gereinigt. Hier sitzt auch die Riechschleimhaut (Regio olfactoria) mit ihren zahlreichen Riechnerven.
Die Nasennebenhöhlen (Sinus paranasales) dienen hauptsächlich der Vorwärmung der Luft und als Resonanzraum für die Klangbildung. Von der Nasenhöhle führt der Luftweg in den Rachenraum. Hier liegt der Kehlkopf, der den unteren Luftweg (Luftröhre und Bronchien) verschließen kann. Das dient u. a. zur Drucksteigerung im Brust- und Bauchraum, zum Pressen und Husten. Dadurch werden Luftgeschwindigkeiten von bis zu 900 km/h erreicht.
Im Rachen kreuzt sich der Atem- und Verdauungsweg, deren Funktion durch den Kehldeckel (Epiglottis) kontrolliert wird. Beim Schlucken senkt sich der Kehlkopfdeckel auf den Kehlkopfeingang und verhindert so das Eindringen von Nahrung in die Luftröhre.
Die unteren Luftwege bestehen, wie bereits erwähnt, aus der Luftröhre (Trachea) und dem Bronchialbaum (luftleitender Teil der Lunge), der sich aus den Hauptbronchien (linker und rechter Hauptbronchus), den Lappenbronchien und den Segmentbronchien zusammensetzt.
An der Teilungsstelle der Luftröhre (Bifurcatio tracheae) verzweigt sich die Lunge in den rechten (Pulmo dexter) und den linken Lungenflügel (Pulmo sinister). Die rechte Lunge unterteilt sich wiederum in Oberlappen (Lobus superior), Mittellappen (Lobus medius) und Unterlappen (Lobus inferior). Die linke Lunge besitzt aufgrund des Raumbedarfs des Herzens nur den Oberlappen und Unterlappen. Die Lungenlappen unterteilen sich erneut in 10 einzelne Lungensegmente, wobei das 7. Segment im linken Unterlappen fehlt.
Der Bronchialbaum verzweigt sich bis zu den Bronchioli (Bronchioli terminalis und Bronchioli respiratorii), deren Durchmesser weniger als 1 mm beträgt. Diese münden schließlich in die Lungenbläschen (Alveolen), in denen der Gasaustausch stattfindet.
Die Lunge besitzt ca. 300 Millionen Lungenbläschen mit einem Durchmesser von etwa 0,2 mm. Das entspricht bei einem erwachsenen Menschen einer Fläche von ca. 100 m2. Die Alveolen (auch Atmungskammern der Lunge genannt) sind mit einem dichten Kapillarnetz umgeben. Durch die dünne Zellmembran der Alveolen gelangt schließlich wegen der Partialdruckunterschiede zwischen den Alveolen und des Blutes Sauerstoff (O2) in das Blut und Kohlendioxid (CO2) aus dem Blut in die Lungenbläschen. Dies wird dann durch die Ausatmung abtransportiert (Blut-Luft-Schranke).
Der Atemweg:
Nase/Nasenflügel → Nasenhöhle → Rachen → Kehldeckel → Kehlkopf → Luftröhre → linker/rechter Hauptbronchus → Lappenbronchien → Segmentbronchien → Bronchioli → Alveolen → Blut-Luft-Schranke→ Blutplasma → rote Blutkörperchen (Erythrozyten, O2 am Hämoglobin gebunden) → Lungenvene (Lungenkreislauf) → Herz (linker Vorhof) →linke Herzkammer → Körperschlagader → Blutkreislauf → arterielles Kapillarnetz → durch die Zellmembran in die Körperzelle → Mitochondrien → Energiegewinnung durch Verbrennung (oxidativer Abbau von Nährstoffen) CO2 (Abfallprodukt bei der Verbrennung in den Mitochondrien): durch die Zellmembran der Körperzelle in das Blutplasma → rote Blutkörperchen (Erythrozyten, CO2 am Hämoglobin gebunden) → venöses Kapillarnetz → Körpervenen (Blutkreislauf) → Herz (rechter Vorhof) → rechte Herzkammer → Lungenschlagader (Lungenarterie) → Lungenkreislauf → Kapillarnetz → Blut-Luft-Schranke → Alveolen → Bronchioli → Segmentbronchien → Lappenbronchien → linker/rechter Hauptbronchus → Luftröhre → Kehlkopf → Kehldeckel → Rachen → Nasenhöhle → Nase/Nasenflügel
Physiologie:
Der menschliche Körper gewinnt einen Großteil seiner Energie aus der Verbrennung von Nährstoffen in den Zellen (oxidativer Abbau). Hierzu benötigt er Sauerstoff, mit dessen Hilfe in den Mitochondrien der Körperzellen die spezielle Energieform ATP (Adenosintriphosphat) hergestellt wird. Bei diesem Verbrennungsprozess fällt als Abfallprodukt CO2 an. Zuführung von O2 und Abtransport von CO2 wird durch die Atmung gewährleistet.
Man unterscheidet zwei wesentliche Atemregulatoren: bei der zentralen Atemregulation wird die Atembewegung von Brustkorb und Zwerchfell durch rhythmische Erregungen von Nervenzellen des Atemzentrums im verlängerten Mark (Medulla oblongata) gesteuert. Die für die Inspiration verantwortlichen Neuronen (inspiratorische Neuronen) senden über das Rückenmark Nervenimpulse zu den Einatmungsmuskeln, wodurch sich der Innerraum des Brustkorbes vergrößert und die Lungen gedehnt werden. Dies registrieren Dehnungsrezeptoren in der Lunge, die wiederum Nervenimpulse zum Atemzentrum senden. Dadurch werden die für die Einatmung verantwortlichen Nervenzellen gehemmt und gleichzeitig die Zellen für die Ausatmung (exspiratorische Neuronen) erregt.
Bei der chemischen Atemregulation messen Chemorezeptoren, die mit dem Atemzentrum über Nervenfasern verbunden sind, ständig die CO2 und O2 Konzentration im Blut, sowie den pH-Wert in den Arterien. Durch diese Rückkopplung wird die Atmung ständig an die Stoffwechselleistung des Körpers angepasst.
Nicht ein verminderter O2-Gehalt, sondern ein erhöhter CO2-Gehalt im Blut ist hierbei der stärkste chemische Anreiz, der zur Steigerung des Atemzeitvolumens führt.
Bei der Einatmung (Inspiration) wird der Brustraum erweitert und die Lungen folgen passiv durch den entstehenden Unterdruck im Pleuraspalt. Dies geschieht durch die Kontraktion des Zwerchfells (Diaphragma, Zwerchfellatmung ca. 75% der Atmung) und die Erweiterung und Hebung des Brustkorbs durch die Zwischenrippenmuskeln (Mm. intercostales externi, Brustatmung).
Die Atemluft strömt in die Lunge. Bei der forcierten Einatmung wirken zusätzlich die Atemhilfsmuskel Mm. scaleni (Treppenmuskeln), M. sternocleidomastoideus (Kopfwender), M. serratus posterior superior (hinterer, oberer Sägezahnmuskel), M. serratus anterior (seitlicher Sägezahnmuskel), M. pectoralis major (großer Brustmuskel), M. pectoralis minor (kleiner Brustmuskel). Sie dienen hauptsächlich zum Anheben des Thorax (Schlüsselbeinatmung).
Die Exspiration erfolgt durch Erschlaffung des Zwerchfells. Die Brusthöhle und das Lungengewebe ziehen sich passiv wieder bis zum Ausgangsvolumen zusammen, wobei die Luft herausgepresst wird. Man nennt das „passive recoil“ (passives Zurückfedern, siehe L. Kaminoff, “Yoga Anatomie“).
Bei der forcierten Ausatmung wirken zusätzlich die inneren Zwischenrippenmuskeln (Mm. intercostales interni) und die Bauchpresse, die das Zwerchfell nach oben drückt. Dies erfolgt durch die Bauchmuskulatur (M. obliquus externus abdominis (äußerer, schräger Bauchmuskel)), M. rectus abdominis (gerader Bauchmuskel), M. transversus abdominis (quere Bauchmuskulatur)).
Die Atemluft besteht zu 78,1% aus Stickstoff (N2), zu 20,9% aus Sauerstoff (O2) und zu etwa 0,03% aus Kohlendioxid (CO2) und Edelgasen (z. B. Argon, Neon etc.). Bei der Passage der oberen und unteren Luftwege wird die Atemluft mit Wasserdampf gesättigt, was eine Reduzierung des Sauerstoffgehalts in der alveolären Atemgaszusammensetzung auf 14,0 % zur Folge hat.
Das normale Lungenvolumen eines Erwachsenen beträgt ca. 5 l, das Atemzugvolumen in Ruhe ca. 0,5 l, das maximale Atemvolumen (Vitalkapazität) einer gesunden Lunge bis zu 7 l.
In Ruhe besteht die Atemfrequenz aus etwa 15 Atemzügen/Minute. Das entspricht einem Volumen von ca. 7,5 l /min. Der Gasaustausch in den Alveolen erfolgt über die Blut-Luft-Schranke. Hier wird aus dem sauerstoffarmen und kohlendioxidreichen venösen Blut das arterielle Blut mit seinem hohen O2-Gehalt. Diese Diffusion der Atemgase wird im Wesentlichen durch die Partialdruckunterschiede zwischen den Alveolen und dem Blut angetrieben (Alveolen O2 = 100 mmHG, CO2 = 40 mmHG, Blut O2= 40 mmHG, CO2 = 46 mmHG).
Am Hämoglobin der Erythrozyten wird der Sauerstoff gebunden und gelangt so über den Lungenkreislauf in das Herz (linker Vorhof, linke Herzkammer). Über den Blutkreislauf wird das arterielle Blut weiter bis in das Kapillarnetz transportiert. Dort gelangt der Sauerstoff durch Diffusion in die Körperzelle.
In den „Kraftwerken“ der Zelle, den Mitochondrien, wird mit Hilfe des Sauerstoffs der universelle biologische Brennstoff (ATP, Adenosintriphosphat) hergestellt. Als Abfallprodukt entsteht H2O und CO2. das über das venöse Blut wieder zu den Alveolen transportiert wird, wo es in die Ausatmung abgegeben wird. Hier schließt sich der Kreislauf der äußeren und inneren Atmung.
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