www.schullv.de Basiswissen > Physiologie > Die Atmung Die Atmung Skript PLUS Einführung Abb. 1: Hai; Abb. 2: Pfeilgiftfrosch Die Lebewesen auf der Erde sind alle unterschiedlich. Sie unterscheiden sich in Größe, Form und Gestalt und doch haben sie alle etwas gemeinsam: Sie atmen. Sauerstoff ist lebensnotwendig für jedes Lebewesen und im Laufe der Evolution wurden viele Wege erfunden, diesen aufzunehmen. Säugetiere, wie der Mensch, benutzen Lungen zum Atmen. Fische, wie der Hai, atmen über Kiemen, während Frösche den benötigten Sauerstoff über ihre Haut aufnehmen. Sogar die Kellerassel hat ihr eigenes Atmungssystem, die Tracheenatmung entwickelt. Im Folgenden wollen wir uns zunächst mit der Lungenatmung befassen, der Art, wie wir Menschen Sauerstoff aufnehmen, und lernen, was in unserem Körper mit dem Sauerstoff passiert. Der Weg in die Lunge www.schullv.de 1 von 7
Abb. 3: Der Aufbau der Atemwege Der Eintritt durch Nase und Mund Etwa 20% der Luft, die wir atmen, ist Sauerstoff. Damit dieser für uns nutzbar wird, muss er einen langen Weg auf sich nehmen. Es fängt damit an, dass wir über einen tiefen Atemzug mit der Nase Luft einatmen. In der Nase muss die Luft erst einmal unsere Nasenhaare passieren. Diese haben die Aufgabe, die Luft von Schmutzpartikeln zu filtern, bevor diese in den Nasenraum eindringen können. Im Nasenraum sitzt die Nasenschleimhaut. Sie übernimmt unterschiedliche Aufgaben: Sie erwärmt die Luft um eine Entzündung des Rachenraumes zu verhindern und sie produziert das Nasensekret, das durch viele kleine Härchen, die sogenannten Flimmerhärchen, etwaigen Schmutz, der es durch die Nasenhaare geschafft hat, aus der Nase zu transportieren. Deshalb läuft deine Nase manchmal, wenn dir etwas ungewollt in die Nase geraten ist. Wenn du viel Sport getrieben hast, dann kommt es oft vor, dass du tief durch den Mund einatmest. Diese Atemtechnik hat verschiedene Vor- und Nachteile. Der Mund bildet als solcher eine viel größere Öffnung als die Nase. Dadurch kannst du viel mehr Luft auf einmal aufnehmen. Jedoch haben wir im Mund keine Haare, die die eingeatmete Luft von Schmutz filtern könnten. Auch können wir über den Mund die Luft nicht so gut erwärmen, was für uns in einer Erkältung enden kann. Ein Atemzug kann durch verschiedene Atemtechniken zustande kommen. Die Zwerchfellatmung erfolgt durch Zusammenziehen des Zwerchfells. Dadurch dehnt sich die Lunge aus und Luft wird angesaugt. Diese Form der Atmung wird meist unbewusst im Entspannungszustand angewandt. Bei www.schullv.de 2 von 7
der Brustatmung wird durch Muskeleinsatz der Brustkorb kurzzeitig erweitert und es kommt ebenfalls zu einem Unterdruck, der Luft ansaugt. Vom Rachen abwärts Nach dem Einatmen gelangt die eingeatmete Luft am Kehldeckel vorbei in die Luftröhre. Der Kehldeckel funktioniert wie eine Klappe und verhindert, dass beim Schlucken etwas in die Luftröhre gelangt. Am Ende der Luftröhre gelangt die Luft über die Bronchien in die Lungenflügel. In der Lunge verzweigt sich der Weg über die Bronchiolen bis hin zu den Lungenbläschen, den sogenannten Alveolen. Diese werden von Blutgefäßen durchflossen. Hier findet der Gasaustausch statt. Aber wieso sind die Lungen nicht einfach zwei große, leere Säcke, in die die Luft hineingelangt? Welche Vorteile bietet der Aufbau unserer Lunge? Dafür gibt es zwei Gründe: Zum Einen wird die Fläche der Lunge, die die Lunge zum Gasaustausch besitzt, durch die Verzweigung in viele kleine Bläßchen vergrößert, wodurch viel mehr Sauerstoff ins Blut gelangen kann. Zum Anderen kann Sauerstoff nur an der Grenzfläche zwischen Blutbahn und Lunge ins Blut gelangen. Die Verzweigung in Alveolen (Lungenbläschen) minimiert die Menge an Luft, die ungenutzt in der Mitte des Raumes herumschwebt. Der Gasaustausch in der Lunge Abb. 4: Diffusion; Abb. 5: Osmose Diffusion: Moleküle stoßen aneinander und verteilen sich / Osmose: Kleine Moleküle passieren die Membran, große Moleküle können das nicht. Wenn man einen Löffel Salz in Wasser gibt, löst sich das Salz mit der Zeit auf. Es verschwindet aber nicht, es verteilt sich nur gleichmäßig. Dieser Vorgang heißt Diffusion und genau so funktioniert auch www.schullv.de 3 von 7
der Übergang von Sauerstoff ins Blut. Der Prozess kommt dir eventuell schon bekannt vor aus der Zellbiologie oder aus der Synapse. Die Diffusion und die Osmose Der Mechanismus der Diffusion beruht auf der Brown schen Molekularbewegung, also dass jedes Molekül eine eigene Bewegung hat. Je wärmer das Molekül ist, desto schneller bewegt es sich. Wenn sich ein Molekül im Raum bewegt, passiert es, dass es dabei auf ein anderes Molekül trifft und sich die beiden voneinander abstoßen. Wenn man fünf Leuten die Augen verbindet und sie in einen großen Raum auf eine Stelle platziert, geschieht dasselbe: Zuerst stoßen sie oft aneinander und fangen an sich voneinander zu entfernen, bis sie sich alle im Raum verteilt haben. Wenn man nun in den Raum eine Wand mit kleinen Türen einbringt, entspricht das in unserem Körper in etwa der Trennschicht zwischen Alveolen (Lungenbläschen) und Blutbahn. Hier sprechen wir von Osmose. Die Membranen in unserem Körper sind nicht komplett dicht. Sie sind teilweise durchlässig wie ein Sieb Man nennt diese Eigenschaft semipermeabel. Wenn einer unserer blinden Leute aus dem Beispiel oben nun per Zufall in die richtige Richtung läuft, kann es passieren, dass er durch eine offene Tür läuft, wenn er klein genug ist um durch die Tür zu passen. Genauso kann Sauerstoff in der Lunge durch die Membran hindurch in die Blutbahn gelangen, während die Membran gleichzeitig verhindert, dass größere Moleküle, wie zum Beispiel Hämoglobin, durch die Membran in die Lunge gelangen. Tauschhandel : Kohlenstoffdioxid geht und Sauerstoff kommt Abb. 6: Gasaustausch an der Alveole Wenn das Blut die Alveolen erreicht, hat es einen großen Teil seines Sauerstoffs bereits abgegeben und dafür eine große Menge Kohlenstoffdioxid aufgenommen. Fließt es nun an der Membran vorbei, kommt es zur gerichteten Diffusion: Sauerstoff diffundiert mit dem Konzentrationsgradienten, sprich von der Lunge aus, in der es viel Sauerstoff gibt, ins Blut, in dem es wenig Sauerstoff gibt. Dasselbe gilt für Kohlenstoffdioxid, nur dass das Blut reich und die Luft in der Lunge arm an Kohlenstoffdioxid ist. So wird erreicht, dass über die Zeit, die das Blut braucht, um die Alveole zu umfließen, es mit neuem Sauerstoff beladen wird und wieder zurück in den Körper kann, um diesen mit seiner Fracht www.schullv.de 4 von 7
zu beliefern. Die Luft in der Lunge, die nun weniger Sauerstoff, dafür aber mehr Kohlenstoffdioxid enthält, wird nun ausgeatmet und beim nächsten Atemzug durch neue Luft ersetzt. Was geschieht in der Blutbahn? Hämoglobin, der Sauerstofftransporter Abb. 7: Hämoglobin (hier zum Nachweis) Hämoglobin ist ein eisenhaltiges Protein, das sehr wichtig für den Sauerstofftransport in unserem Blut ist. Es schwimmt überall im Blut und ist in der Lage, Sauerstoff zu binden. Wie stark der Sauerstoff gebunden wird, hängt von der Umgebung ab: die Temperatur, die Kohlenstoffdioxidkonzentration, der ph-wert. All diese Faktoren beeinflussen, wie gut Sauerstoff von Hämoglobin gebunden werden kann. Wie sie das tun, kannst du dir einfach merken: Nehmen wir als Beispiel einen Sportler beim Training: Er braucht viel Sauerstoff, um Energie zu gewinnen. Seine Muskeln arbeiten hart, dabei entsteht Wärme. Außerdem wird dabei Milchsäure frei, die die Umgebung ansäuert. Durch den hohen Verbrauch von Sauerstoff in seinen Muskeln produziert unser Sportler auch dementsprechend viel Kohlenstoffdioxid. All diese Faktoren müssen also dafür sorgen, dass die Muskeln unseres Sportlers mit ausreichend Sauerstoff versorgt werden. Wenn nicht, wäre er ja nicht in der Lage, weiterhin Sport zu treiben, sondern ihm würde ganz schnell die Puste ausgehen. Deshalb bindet Hämoglobin Sauerstoff bei den genannten Bedingungen schlechter, also der Sauerstoff wird abgegeben. Bei einem Feuer entsteht oft als giftiges Nebenprodukt Kohlenstoffmonoxid doch wie genau ist es für den Körper giftig? Ganz einfach: Es bindet ca. 200 mal stärker an Hämoglobin als Sauerstoff. Dadurch werden die Bindungsstellen blockiert und der Körper kann nicht mehr mit Sauerstoff versorgt werden. Auch Zigarettenrauch enthält Kohlenstoffmonoxid. So sind bei starken Rauchern bis zu 10% des Hämoglobins durch Kohlenstoffmonoxid blockiert. www.schullv.de 5 von 7
Haltestelle : Sauerstoffbedarf Abb. 8: Kapillare; Abb. 9: Blutkreislaufsystem Von der Lunge aus geht die Reise des Sauerstoffs weiter durch den Körper. Über verschiedene Blutbahnen kann der Sauerstoff in jeden Winkel des Körpers vordringen. Ähnlich wie bei einer Busfahrt sorgt der Körper dafür, dass der Sauerstoff nicht während der Fahrt einfach abspringt, sondern erst an den beabsichtigten Haltestellen illusaussteigt. Dies geschieht über die weiter oben beschriebenen Faktoren. Erst in den Kapillaren (sehr feine und dünne Blutgefäße) wird der Sauerstoff abgegeben und gelangt in die Zelle und Kohlenstoffdioxid geht in die Blutbahn zurück, um in die Lunge transportiert zu werden. Hier wechselt auch die Blutbahn von einer Arterie zu einer Vene. Arterien laufen immer vom Herz weg, Venen immer zum Herz hin Blut. Im Körper gibt es zwei Bluttransportsysteme. Das eine Kreislaufsystem führt vom Herzen zur Lunge und zurück, um das Blut mit Sauerstoff anzureichern. Im zweiten Kreislaufsystem wird das Blut durch den Körper in den restlichen Organismus und zurück gepumpt. Die Arbeit einer Zelle Abb. 10: Mitochondrium (hier zum Nachweis) Nachdem der Sauerstoff in die Zelle gelangt ist, kann er nun endlich für seinen eigentlichen Zweck www.schullv.de 6 von 7
verwendet werden: Energiegewinnung. Im Mitochondrium, dem Kraftwerk der Zelle, wird der Sauerstoff verbrannt und über die Atmungskette wird Energie gewonnen. Diese Themen werden ausführlicher im Skript Katabolismus - Zellatmung behandelt. Was vom Sauerstoff übrig bleibt, ist Kohlenstoffdioxid, das nun zurück zur Zellmembran wandert, um dort auf die nächste Transportmöglichkeit zur Lunge zu warten, um ausgeatmet zu werden. Bildnachweise [nach oben] [1] Public Domain. [2] Public Domain. [3] Public Domain. [4] 2015 SchulLV. [5] 2015 SchulLV. [6] 2015 SchulLV. [7] http://commons.wikimedia.org/wiki/file:1gzx_haemoglobin.png Richard Wheeler, CC-BY-SA. [8] Public Domain. [9] Public Domain. [10] http://commons.wikimedia.org/wiki/file:%c3%9cberseemuseum_bremen_2009_237.jpg Sterilgutassistentin CC-BY-SA. www.schullv.de 7 von 7