Der menschliche Körper: Atmungssystem

Die Atmung ist ein lebenswichtiger biologischer Prozess, bei dem molekularer Sauerstoff in die Zellen transportiert wird. Dort wird er in der Atmungskette verwendet, wobei Kohlendioxid und Wasser als Nebenprodukte entstehen. Diese werden entweder ausgeschieden oder im Körper recycelt.

Man unterscheidet zwischen der äußeren und der inneren Atmung. Die äußere Atmung, auch als Lungenatmung bekannt, umfasst den Atemgaswechsel, bei dem Sauerstoff aus der Umgebung aufgenommen und Kohlendioxid abgegeben wird. Die innere Atmung hingegen bezieht sich auf die Zellatmung, bei der organische Verbindungen oxidiert werden, um ATP (Adenosintriphosphat) zu produzieren, das als Energiewährung der Zellen dient.

Die Atmung beginnt entweder durch den Mund oder die Nase. Jede dieser beiden Eingänge hat spezifische Funktionen und Merkmale, die zur Effizienz und Schutz des Atmungsprozesses beitragen.

Mund und Nase

Nasenatmung: Bei der Nasenatmung wird die eingeatmete Luft durch Nasenhaare gefiltert, die größere Fremdkörper zurückhalten. Die Luft gelangt dann in die Nasenhöhle, die mit einer Schleimhaut ausgekleidet ist. Diese Schleimhaut hat mehrere Funktionen:

• Reinigung: Staubpartikel und Mikroorganismen werden im Schleim gefangen.
• Anfeuchtung: Die eingeatmete Luft wird angefeuchtet, um die Atemwege zu schützen.
• Anwärmung: Die Luft wird auf Körpertemperatur erwärmt, bevor sie die tieferen Atemwege erreicht.

Mundatmung: Die Mundatmung ermöglicht einen größeren Luftstrom, besonders bei körperlicher Anstrengung, bietet aber weniger Schutz und Konditionierung der eingeatmeten Luft im Vergleich zur Nasenatmung.

Pharynx (Rachen)

Die Luft passiert nach dem Mund oder der Nase den Pharynx, der eine gemeinsame Passage für Luft und Nahrung darstellt. Der Pharynx ist in drei Abschnitte unterteilt:

• Nasopharynx: Hinter der Nasenhöhle, dient ausschließlich der Luftpassage.
• Oropharynx: Hinter dem Mund, durch den sowohl Luft als auch Nahrung passieren.
• Laryngopharynx: Bereich oberhalb des Kehlkopfes, wo die Luft in den Larynx und die Nahrung in die Speiseröhre geleitet wird.

Larynx (Kehlkopf)

Der Larynx, oder Kehlkopf, spielt eine wichtige Rolle im Atemweg und bei der Stimmbildung. Er enthält die Stimmbänder und markiert die Grenze zwischen den oberen und unteren Atemwegen. Zu seinen Funktionen gehören:

• Schutz der unteren Atemwege: Der Kehlkopfdeckel (Epiglottis) schließt beim Schlucken, um das Eindringen von Nahrung in die Atemwege zu verhindern.
• Stimmbildung: Die Stimmbänder schwingen und erzeugen Töne, wenn Luft durch den Larynx strömt.

Trachea (Luftröhre)

Unterhalb des Kehlkopfes befindet sich die Trachea, die etwa 10-12 cm lang ist und von C-förmigen Knorpelringen gestützt wird. Diese Struktur hält die Luftröhre offen und ermöglicht einen ungehinderten Luftfluss. Die Trachea teilt sich in zwei Hauptbronchien, die in die Lungen führen.

Bronchien und Bronchiolen

Hauptbronchien: Die Trachea teilt sich in den rechten und linken Hauptbronchus, die jeweils in die rechte und linke Lunge führen. Der rechte Hauptbronchus ist breiter und kürzer als der linke, was das Risiko erhöht, dass eingeatmete Fremdkörper in die rechte Lunge gelangen.

Bronchien: Die Hauptbronchien verzweigen sich in kleinere Bronchien, die sich weiter in immer kleinere Bronchiolen verzweigen. Diese Verzweigungen bilden den Bronchialbaum, der die Luft tief in die Lungen transportiert.

Bronchiolen: Die kleinsten Verzweigungen der Bronchien, die keine Knorpelringe mehr enthalten. Die Bronchiolen enden in den Alveolargängen, die zu den Alveolen führen.

Alveolen (Lungenbläschen)

Am Ende der Atemwege befinden sich die Alveolen, winzige luftgefüllte Säcke, die von einem Netz aus Kapillaren umgeben sind. Die Alveolen sind der Ort des Gasaustauschs, wo Sauerstoff ins Blut aufgenommen und Kohlendioxid aus dem Blut abgegeben wird. Die Lunge enthält Millionen von Alveolen, die durch eine dünne Membran den Gasaustausch ermöglichen.

Lungen

Der Mensch besitzt zwei Lungen, die in Lungenlappen unterteilt sind:

• Rechte Lunge: Besteht aus drei Lungenlappen (Ober-, Mittel- und Unterlappen).
• Linke Lunge: Besteht aus zwei Lungenlappen (Ober- und Unterlappen), da das Herz auf der linken Seite des Brustkorbs Platz beansprucht.

Pleura (Brustfell)

Die Lungen sind von einer dünnen serösen Membran namens Pleura umgeben, die aus zwei Blättern besteht:

• Pleura visceralis: Bedeckt die Oberfläche der Lunge.
• Pleura parietalis: Bedeckt die innere Oberfläche des Brustkorbs. Zwischen diesen beiden Blättern befindet sich der Pleuraspalt, der eine kleine Menge Flüssigkeit enthält, die als Schmiermittel wirkt und die reibungsfreie Bewegung der Lungen ermöglicht.

Die Physiologie der Atmung umfasst die Prozesse, die den Gasaustausch und die Bewegung der Luft in und aus den Lungen ermöglichen. Diese Prozesse beinhalten die Lungenatmung, die Steuerung der Atmung und den Gasaustausch.

Lungenatmung

Die Lungenatmung ist das Ergebnis einer koordinierten Muskeltätigkeit, die das Heben und Senken des Thorax (Brustatmung) und des Zwerchfells (Bauchatmung) bewirkt. Bei Erwachsenen beträgt die Ruheatemfrequenz 12 bis 15 Atemzüge pro Minute.

Einatmung (Inspiration):

• Das Volumen des Thorax vergrößert sich durch die Kontraktion des Zwerchfells und der Zwischenrippenmuskulatur. Das Zwerchfell bewegt sich nach unten, und die Rippen heben sich.
• Diese Volumenvergrößerung führt zu einem Unterdruck in den Lungen, wodurch Luft durch die Atemwege in die Lungen strömt.
• Damit die Lunge den Atemexkursionen des Thorax folgt, ist die Pleura (Brustfell) wichtig. Die Pleura besteht aus zwei Blättern (Pleura visceralis und Pleura parietalis), zwischen denen sich der Pleuraspalt mit einer kleinen Menge Flüssigkeit befindet. Diese Flüssigkeit erzeugt Kapillarkräfte, die die Lungenoberfläche an der Thoraxwand halten.

Ausatmung (Exspiration):

• Die Ausatmung erfolgt in der Regel passiv. Nach der Kontraktion entspannen sich das Zwerchfell und die Zwischenrippenmuskulatur, wodurch das Volumen des Thorax wieder abnimmt.
• Der dadurch entstehende Überdruck in den Lungen presst die Luft durch die Atemwege aus den Lungen heraus.
• Bei forcierter Ausatmung (z.B. bei körperlicher Anstrengung) erfolgt der Prozess aktiv durch die Kontraktion der Bauchmuskulatur und der inneren Zwischenrippenmuskeln.

Atemsteuerung

Die Steuerung der Atmung erfolgt durch das Atemzentrum, das sich in der Medulla oblongata (Nachhirn) befindet. Dieses Zentrum steuert die Atemfrequenz und -tiefe und reagiert auf chemische Signale im Blut.

Chemorezeptoren:

• Chemorezeptoren im Gehirn und in den großen Blutgefäßen (z.B. Aorta und Karotis) überwachen den Kohlendioxid-Partialdruck (pCO₂), den Sauerstoff-Partialdruck (pO₂) und den pH-Wert des Blutes.
• Wenn der Kohlendioxid-Partialdruck im Blut einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, senden die Chemorezeptoren Signale an das Atemzentrum, das daraufhin einen Atemreiz auslöst, um die Atmung zu verstärken und das überschüssige Kohlendioxid abzuatmen.

Gasaustausch

Der Gasaustausch findet in den Alveolen (Lungenbläschen) statt, die von einem dichten Netz aus Kapillaren umgeben sind.

Mechanismus des Gasaustauschs:

• Der Gasaustausch erfolgt über eine dünne Membran, die die Alveolen von den Kapillaren trennt.
• Sauerstoff aus der eingeatmeten Luft diffundiert durch diese Membran in die Kapillaren und wird von den roten Blutkörperchen (Erythrozyten) aufgenommen.
• Gleichzeitig diffundiert Kohlendioxid, das als Stoffwechselprodukt im Blut transportiert wird, aus den Kapillaren in die Alveolen und wird mit der Ausatmung abgegeben.

Beteiligte Strukturen:

• Die dünne alveolokapilläre Membran besteht aus der Alveolarepithelzelle, der Basalmembran und der Kapillarendothelzelle. Diese Struktur ermöglicht einen effizienten Gasaustausch, da sie eine große Oberfläche und eine geringe Diffusionsstrecke bietet.