Die Luft in den Lungenbläschen

Unser Organismus besteht schätzungsweise aus 65 Millionen Zellen. Von wenigen Ausnahmen einmal abgesehen, müssen sie alle mit Sauerstoff versorgt werden. Dieser wurde im Jahre 1771 von dem schwedischen Chemiker Carl Wilhelm Scheele entdeckt und ist zunächst "Feuerluft" genannt worden. Dass es sich dabei um ein Element handelt, welches für die tierische und pflanzliche Atmung von entscheidender Bedeutung ist, erkannte der Franzose Antoine Laurent Lavoisier glücklicherweise noch bevor er am 8. Mai 1794 in den Wirren der französischen Revolution der Guillotine zum Opfer fiel. In einem seiner wohl berühmtesten Experimente zeigte er, dass jegliche Verbrennung im Grunde genommen nichts anderes ist, als ein Prozess, bei dem Substanzen eine Verbindung mit Sauerstoff eingehen.

Weil auch die Energiegewinnung in unseren Zellen im Wesentlichen auf einer chemischen Reaktion von Zucker mit Sauerstoff basiert, spricht man hier ebenfalls von einer Verbrennung. Sie spielt sich vornehmlich in den Mitochondrien ab, die man deshalb oft als "Kraftwerke der Zellen" bezeichnet. Unsere 65 Millionen Kraftwerke arbeiten zum einen außerordentlich sauber und effektiv: Als Verbrennungsprodukte entstehen lediglich sauberes Wasser und Kohlendioxid. Zum anderen benötigen sie als Brennmaterial lediglich Sauerstoff, der in der Luft zu einem Anteil von immerhin etwa 21 Prozent fast überall vorhanden ist. Ohne Brennstoff funktioniert das Kraftwerk allerdings nicht und die Zelle stirbt ab. Das ist bekanntlich bereits der Fall, wenn die Sauerstoffzufuhr auch nur für wenige Minuten unzureichend ist…

Einfache Triebkraft

Der Sauerstoff muss aus der Umwelt vom Körper aufgenommen werden. Niedere Tiere bewerkstelligen dies durch eine einfache Diffusion des Gases direkt in das körpereigene Gewebe, die durch das bestehende Konzentrationsgefälle zwischen dem Sauerstoffgehalt außerhalb und innerhalb der Zelle angetrieben wird. Höhere Lebewesen haben im Laufe der Evolution komplizierte Atmungsorgane gebildet, die eine enorm große Kontaktfläche für diesen Gasaustausch zur Verfügung stellen. Triebkraft des Gasaustausches ist jedoch auch bei ihnen das Konzentrationsgefälle der Gase zwischen dem Inneren der Lungenbläschen und der Außenluft. Dieses Konzentrationsgefälle wird durch den unterschiedlichen Gasdruck (Partialdruck) beschrieben. Bei einem Atmosphärendruck von 1013 hPa entwickeln 21 Prozent Sauerstoffanteil einen Partialdruck von 213 hPa. Im Inneren der Lungenbläschen (genauer in der Alveolarluft) beträgt der Sauerstoffanteil nur 16 Prozent entsprechend 162 hPa. Die herrschende Druckdifferenz von 51 hPa verursacht einen Übergang von Sauerstoff aus der Außenluft in die Lungenbläschen (eine ähnliche Betrachtung erklärt übrigens den Übergang von Kohlendioxid aus der Alveolarluft in die Außenluft der Umgebung):

Der Trick mit dem Hämoglobin

Ein Kreislaufsystem soll den in den Lungen aufgenommenen Sauerstoff zu den "Kraftwerken" transportieren (so gesehen ist unser Herz als Antrieb des Blutkreislaufs also eigentlich nur ein Hilfsmotor und "Diener der Lungen" J). Dazu muss der Sauerstoff für den Transport natürlich irgendwie "verpackt" werden. Dies geschieht durch eine Bindung an die im Blut vorhandenen Atempigmente. Sie sind kompliziert aufgebaute ringförmige Moleküle.

Das im Tierreich mit Abstand häufigste Atempigment besteht aus einer Eisenverbindung (Häm) und einem Eiweißrest (Globulin). "Hämoglobin" ist auch der Sauerstofftransporteur des Menschen. In der sauerstoffreichen Umgebung der Lungenkapillaren geht es eine Verbindung mit dem Sauerstoff ein. Diese Verbindung ist jedoch saurer als das Pigment allein und nimmt deshalb aus dem im Blut befindlichen Natriumbicarbonat Natriumionen auf. Die Folge ist, dass Kohlendioxid aus dem Natriumbicarbonat abgegeben wird. Wir sprechen also zurecht von einem Gasaustausch in der Lunge.

Im Gewebe herrschen umgekehrte Konzentrationsverhältnisse. Die sauerstoffarme Umgebung veranlasst das Hämoglobin zur Abgabe seines gebundenen Sauerstoffs. Das Blutpigment wird dabei "basischer" und setzt Natriumionen frei. Letztere verbinden sich mit den "Abfallprodukt" der Kraftwerke, dem Kohlendioxid, zu Natriumbicarbonat, das mit dem Blut seinen Weg in die Lungen antreten kann.



Atmung und Kreislauf können ihre "Zulieferkapazität" dem Bedarf der Kraftwerke anpassen. Bei hohem Energiebedarf des Organismus wird die Blutversorgung und damit die Sauerstoffanlieferung erhöht. In sauerstoffarmer Umgebungsluft bleibt nichts weiter übrig, als die Versorgung auf andere Weise sicherzustellen: Bewohner der mehr als 3.000 Meter hohen Anden haben deshalb nicht nur größere Lungen, stärker verzweigte Kapillaren und einen schnelleren Puls als andere Menschen, ihr Blut enthält auch wesentlich mehr Hämoglobin. Damit können sie insgesamt etwa ein Drittel mehr Sauerstoff aufnehmen als wir "Flachländler"

Atemnot beim Asthma

Der Mensch atmet etwa 10 bis 15 mal in der Minute ein und aus. Die wichtigste Leitzentrale für Atemtiefe und -geschwindigkeit ist ein entwicklungsgeschichtlich sehr alter Teil unseres Gehirns: Das in der so genannten Brücke und dem verlängerten Rückenmark liegende "Atemzentrum". Besonders spezialisierte Zellen registrieren hier den Säuregehalt des Blutes, der ein Ausdruck für die Kohlendioxidkonzentration ist: Ein hoher Säuregrad ist mit einer großen Menge an Kohlendioxid verbunden und führt zu einer Aktivierung der Atemmuskulatur. Bei nur geringer Kohlendioxidkonzentration wird die Atemarbeit "heruntergefahren". Regelgröße ist also der Kohlendioxidgehalt des Blutes und nicht der des Sauerstoffs.

Was passiert nun aber, wenn es trotz hoher Kohlendioxidkonzentration im Blut und der "Anweisung des Atemzentrums", die Atemarbeit zu verstärken, zu keiner Verbesserung des Gasaustausches in den Lungen kommt? An das Gehirn wird unverzüglich die Alarmmeldung "Atemnot" abgesetzt. Bis dahin erfolgte der Luftaustausch ohne unser dazutun, – ja ohne das wir uns der Atmung im eigentlichen Sinne "bewusst" wurden. Nun ist jedoch alles anders. Panik bricht aus. Der Mensch droht zu ersticken. Das vegetative Nervensystem ist im Ausnahmezustand. Die Durchblutungskapazitäten werden in die lebensnotwendigen Bereiche umgelenkt. Aus Sicht unseres Körpers sind das die Muskeln, die eine "Flucht" vor der Gefahr ermöglichen sollen. Haut und innere Organe bekommen nur noch das Nötigste. Bei längerem Versagen des Gasaustausches tritt Bewusstlosigkeit ein…

"Das kann ja wohl kaum vorkommen", mag mancher jetzt denken. Dennoch ist dieses Szenario eines der häufigsten Ursachen für Todesfälle. Es schildert genau das, was bei einem Asthmaanfall in unserem Körper vor sich geht…

Wie kommt es zum Asthma?

Wir wissen heute, dass Asthma eine chronisch entzündliche Erkrankung der Bronchialschleimhaut ist, die mit einer Überempfindlichkeit der Bronchien und einer anfallsweisen Verengung der Atemwege einhergeht. Die Entzündung wird dabei durch so genannte Allergene und Reizstoffe ausgelöst. Wie alle Schleimhäute reagiert auch die Bronchialschleimhaut auf die Entzündung mit einer starken Schwellung, vermehrter Durchblutung und zusätzlicher Schleimabsonderung. Dadurch wird der Innendurchmesser der Bronchien eingeengt:



Der französische Physiologe Jean Louis Marie Poiseuille und der deutsche Hydraulik-Ingenieur Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen erkannten als erste, dass eine Verengung des "Rohrdurchmessers" einen überproportionalen Druckverlust nach sich zieht. Der für den Gasaustausch erforderliche Druck ändert sich nämlich mit der vierten Potenz des Rohr-Radius´. Würde man den Radius eines Bronchus halbieren, so wäre ein 16fach höherer Anfangsdruck zum Transport der ursprünglichen Luftmenge erforderlich! Ein solcher Druck steht weder Gesunden noch Asthmatikern zur Verfügung. Wir alle müssen unter normalem Luftdruck atmen.

Die verkrampfte Bronchialmuskulatur, die entzündeten und geschwollenen Schleimhäute und die vermehrte Schleimbildung behindern den Luftstrom und den Gasaustausch in der Lunge daher so stark, dass sich im Blut immer mehr Kohlendioxid anreichert und schließlich das Alarmsignal "Atemnot" gesendet wird.

Es gibt einen Weg

In Deutschland leidet etwa jeder zwanzigste Erwachsene und jedes zehnte Kind an Asthma. Die Erkrankungshäufigkeit nimmt immer mehr zu. Dennoch muss Asthma heutzutage kein Schicksal mehr sein. Beim allergisch bedingten Asthma hilft natürlich eine Allergenkarenz, das strikte Meiden jeglicher Allergene, am besten. Leider ist das einfacher gesagt als getan. Meist ist es gar nicht möglich, allen Asthma-Auslösern auszuweichen.

Allergenkarenz: Leichter gesagt als getan

Dennoch gibt es einen Weg. Heutzutage stehen dem Asthmatiker zahlreiche wirksame Medikamente zur Verfügung, die die Asthma-Beschwerden zuverlässig lindern können, weil sie gleichzeitig die Einengung der Atemwege und die entzündlichen Prozesse der Bronchialschleimhaut unterdrücken. Leser, die unser Online-Journal schon seit langem kennen, wissen, dass die Rede von Beta-2-Sympathomimetika und Glukokortikoiden ist, die als Kombination inhaliert eine besonders gute Wirkung entfalten…


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