Atmung

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Einleitung

Atmung, physiologischer Vorgang, der im Organismus der Energiegewinnung aus Nahrungsmolekülen wie Kohlenhydraten und Fetten dient.

Die meisten Lebewesen nehmen bei der Atmung Sauerstoff aus der Umgebung auf und geben Kohlendioxid und Wasser ab. Nur manche anaerobe Mikroorganismen (bestimmte Bakterien und Hefen) veratmen anstelle von Sauerstoff Substanzen wie Nitrat, Sulfat oder Eisenionen. Die an der Sauerstoffatmung beteiligten Gase werden in speziellen Organen wie der Lunge oder über die Körperoberfläche aufgenommen bzw. abgegeben. Der eigentliche biochemische Prozess der Atmung im Körper, bei dem Energie erzeugt wird, findet in den Zellen statt und wird daher als Zellatmung bezeichnet.

Die Zellatmung läuft bei fast allen Lebewesen – von Einzellern über Pflanzen bis zu den höheren Tieren – sehr ähnlich ab. Die wichtigsten Reaktionen finden in den Mitochondrien innerhalb der Zellen statt. Mit Hilfe von Oxidoreduktasen, speziellen Enzymen, werden in einer Kette von Redoxreaktionen (siehe Atmungskette) Moleküle aus der Nahrung oxidiert. Die dabei frei werdende Energie speichern die Zellen in Form von Adenosintriphosphat (ATP).

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Ablauf der Atmung

Einzeller und einfach gebaute vielzellige Lebewesen, z. B. Hohltiere, viele Würmer und unter den Pflanzen die Algen, besitzen keine spezialisierten Atmungsorgane, sondern sind darauf angewiesen, dass der Sauerstoff aus der Umgebung in ihre Zellen diffundiert. Im Inneren der Zelle ist die Sauerstoffkonzentration geringer als im Wasser oder in der Luft, die Kohlendioxidkonzentration dagegen höher. Deshalb diffundiert Sauerstoff durch die Zellmembran ins Zellinnere, gleichzeitig strömt Kohlendioxid nach außen. Schwämme unterstützen die Verteilung des Sauerstoffs durch Kragengeißelzellen (Choanozyten), die einen Wasserstrom in den Kanälen im Inneren des Organismus erzeugen.

Bei höheren Tieren bieten spezialisierte Organe (Lungen, Kiemen, Tracheen) eine größere Fläche für den Kontakt zwischen Umgebung und Körperflüssigkeit. Darin befördert ein Kreislaufsystem Sauerstoff zu allen Körperteilen. Die Körperflüssigkeit – bei Wirbeltieren das Blut, bei Gliederfüßern und Weichtieren die Hämolymphe – enthält außerdem spezielle Atempigmente: komplexe Proteinmoleküle, die Porphyrin-Ringstrukturen mit gebundenen Metallionen enthalten.

Über das eisenhaltige Atempigment Hämoglobin verfügen die Wirbeltiere und einige Wirbellosen; bei Wirbeltieren befindet es sich in den Erythrozyten. Die meisten Insekten und Weichtiere besitzen als Atempigment das Hämocyanin. Dessen Molekülstruktur ähnelt der des Hämoglobins, enthält aber anstelle des Eisenions ein Kupferion. Atempigmente binden Sauerstoffmoleküle nicht dauerhaft, sondern werden damit „beladen”. Ob Sauerstoff auf- oder abgeladen wird, hängt vor allem vom Partialdruck (der Konzentration) der Gase und dem pH-Wert der Körperflüssigkeit an der betreffenden Körperstelle ab.

Beim Menschen läuft der Gasaustausch bei der Atmung – vereinfacht dargestellt – folgendermaßen ab: In der Lunge werden die Hämoglobinmoleküle in den Erythrozyten wegen des hohen Sauerstoff-Partialdrucks an der Oberfläche der Alveolen (Lungenbläschen) mit Sauerstoff beladen. Im Gewebe herrscht dagegen ein niedriger Partialdruck, weil der Sauerstoff dort laufend von den Zellen verbraucht wird. Daher geben die Hämoglobinmoleküle den Sauerstoff in den Kapillaren der Gewebe wieder ab.

Kohlendioxidmoleküle nehmen den umgekehrten Weg: Sie werden vom Gewebe zur Lunge transportiert und dort wieder in die Luft zum Ausatmen abgegeben. Der Großteil des Kohlendioxids löst sich im Zellplasma der Erythrozyten sowie im Blutplasma in Form von Natriumcarbonat- bzw. Hydrogencarbonationen, nur ein geringer Anteil gelangt auf dem Hämoglobinmolekül zur Lunge zurück. Diese chemische Reaktion wird in den Erythrozyten durch das Enzym Carboanhydrase beschleunigt.

Atmung und Kreislauf können an unterschiedliche Umweltbedingungen angepasst werden, z. B. an ein Leben in sauerstoffarmer Umgebung. Bewohner der Anden, die in Höhen von über 3 000 Metern leben, haben eine größere Lunge, stärker verzweigte Kapillaren und einen schnelleren Puls als Menschen, die in tiefer gelegenen Regionen zu Hause sind. Außerdem enthält das Blut von Hochgebirgsbewohnern 30 Prozent mehr Erythrozyten als das von Menschen, die auf Meereshöhe wohnen. Auf diese Weise wird die Sauerstoffmenge, die im Hochgebirge um rund ein Drittel geringer ist, effizienter genutzt.

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Atmung bei Tieren

Viele Tiere, die im Wasser leben, atmen mit Hilfe von Kiemen, an denen ständig frisches Wasser vorbeifließt. Die Kiemen sind stark verästelt, so dass die Oberfläche für den Gasaustausch möglichst groß und die Strecke für die Diffusion möglichst kurz ist. Polychaeten (meereslebende Ringelwürmer), Meeresschnecken und wasserlebende Larven von Insekten und Amphibien haben meist büschel- oder federförmige Kiemen, die ins Wasser ausgestreckt werden. Bei Fischen sind die Verästelungen auf den Kiemenblättchen so angeordnet, dass zwischen Blut und Wasser nur zwei Zellschichten liegen – die eine ist die Wand der Kapillaren, die andere gehört zum Epithel der Kiemen.

Bei manchen Landbewohnern, z. B. bei Regenwürmern, erfolgt die Atmung über Kapillaren dicht unter der Haut. Frösche atmen sowohl mit der Haut als auch mit ihrer Lunge. Insekten besitzen Tracheen. Das sind feine Luftkanäle, die an der Körperoberfläche nach außen münden und sich im Gewebe verzweigen, um Luft zu den inneren Organen zu leiten. Reptilien und Säuger atmen weitgehend mit Hilfe ihrer Lungen. Vögel besitzen zusätzlich Luftsäcke in der Körperhöhle und in Knochen, die mit der Lunge verbunden sind und die Lungenatmung unterstützen.

Wasserlebende Säugetiere besitzen eine Reihe von Anpassungen zur Blutspeicherung, damit sie möglichst lange tauchen können, ohne Luft zu holen. Das Blutvolumen je Kilogramm Körpergewicht und die Konzentration der Erythrozyten im Blut ist bei Walen und Robben deutlich höher als beim Menschen. Deshalb wird das Gewebe dieser Tiere nachhaltig mit Sauerstoff versorgt. Wenn eine Robbe taucht, verlangsamt sich ihr Herzschlag auf wenige Schläge in der Minute. Bei den besten Tauchern unter den Robben setzt eine größere Milz zusätzliche Erythrozyten ins Blut frei und speichert sie beim Auftauchen wieder.

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Atmung des Menschen

Beim Menschen wird die Lungenatmung von Brustkorb (Thorax) und Zwerchfell unterstützt. Die Lunge wird durch den äußeren Luftdruck eng an die innere Brustkorbwand gedrückt. Dehnt sie sich mit dem Brustkorb aus, entsteht ein Unterdruck, der in die oberen Atemwege Luft strömen lässt. Vor dem Einatmen sind die Rippen nach vorn und unten gerichtet. Werden sie von der Zwischenrippenmuskulatur angehoben, erweitert sich der Brustkorb. Eine weitere Vergrößerung des Brustkorbvolumens ergibt sich durch die Kontraktion des Zwerchfells, das im entspannten Zustand nach oben gewölbt ist. Entspannen sich die Muskeln beim Ausatmen wieder, wird die Luft aus der Lunge gedrückt.

Bei einem normalen Atemzug werden 500 bis 600 Kubikzentimeter Luft (das Atemvolumen) ein- und ausgeatmet. Durch kraftvolles Einatmen kann ein Mensch bis zu 3 300 Kubikzentimeter (das inspiratorische Reservevolumen) aufnehmen. Maximal können 1 700 Kubikzentimeter (das exspiratorische Reservevolumen) durch kräftiges Ausatmen ausgestoßen werden. Die Summe dieser drei Volumina nennt man Vitalkapazität. Etwa 1 300 Kubikzentimeter Luft (Restvolumen oder Residualvolumen) bleiben dauerhaft in der Lunge zurück.

Die beiden Lungenflügel des Menschen sind nach dem Brustkorb geformt, also länglich und pyramidenförmig. Sie befinden sich links bzw. rechts der Brustmitte, sind aber nicht symmetrisch: Der rechte Lungenflügel besteht aus drei Lappen; der linke besitzt nur zwei und hat nahe der unteren Innenkante eine Vertiefung, in die das Herz hineinragt. In der Mitte sind die Lungenflügel über die Lungenwurzeln am Mittelfell (Mediastinum) befestigt, das den Brustkorb in der Mitte teilt.

Die Lungenwurzel besteht aus Falten des Brustfells, Bronchien sowie Lungenarterien und -venen. Die Bronchien verzweigen sich nach dem Eintritt in die Lungenflügel in immer feinere Äste (Bronchiolen), die schließlich in die Lungenläppchen, die Struktur- und Funktionseinheiten der Lunge, führen. Parallel zu den Bronchien verzweigen sich auch die kleinen Arterien und Venen, die über ein feines Kapillarnetz verbunden sind. Nach dem gleichen Prinzip sind die Nerven aus dem Lungengeflecht (Plexus pulmonalis) und Lymphgefäße verteilt.

Innerhalb der Lungenläppchen verzweigen sich die Bronchiolen in feinste Kanäle (Bronchioli terminales), die jeweils in eine Gruppe von Hohlräumen (Bronchioli respiratorii) münden. Diese Hohlräume sind ihrerseits mit den Lungenbläschen verbunden, an deren Wänden der Gasaustausch stattfindet.

Atemtiefe und -geschwindigkeit werden vom Atemzentrum in der Brücke und dem verlängerten Mark des Hirnstamms (siehe Gehirn) gesteuert. Dort registrieren Zellen den Säuregrad des Blutes. Ein hoher Säuregrad entsteht in der Regel durch eine hohe Kohlendioxidkonzentration im Blutplasma. In diesem Fall regt das Atemzentrum die Atemmuskulatur zu stärkerer Aktivität an. Bei niedriger Kohlendioxidkonzentration wird die Atmung verlangsamt.