Atmung – so funktioniert der lebenswichtige Prozess

Beim Einatmen gelangt die Luft durch den Mund („Mundatmung“) oder durch die Nase („Nasenatmung“) über die Luftröhre in die Luftwege (Bronchien) der Lunge. Die Nasenatmung hat den Vorteil, dass die eingeatmete Luft durch die Härchen und Schleimhäute in der Nase gereinigt, angefeuchtet und angewärmt wird. In der Lunge wird die Luft über die sich bis in feinste Verästelungen aufzweigenden Bronchien bis zu den Lungenbläschen geleitet, wo der lebenswichtige Austausch der Atemgase Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2) stattfindet [1].

Atmungsorgane – das respiratorische System

Die Strukturen des Körpers, die direkt am Luftaustausch beteiligt sind, bezeichnet man als Atmungsorgane, Atemwege, Atmungsapparat oder respiratorisches System (von lat. respirare = ausatmen). Hierzu gehören [2]:

• die oberen Atemwege: Nasenhöhle und Nasennebenhöhlen, Mundhöhle und Rachen
• die unteren Atemwege: Kehlkopf, Luftröhre und als wichtigstes Atmungsorgan die Lunge
  

Die Lunge – maximale Austauschfläche auf minimalem Raum

Die Lunge besteht aus dem linken und rechten Lungenflügel. Diese sind in zwei (linke Seite) bzw. drei (rechte Seite) Lungenlappen unterteilt, von denen jeder einzelne wiederum mehrere Segmente aufweist [3]. Die Lunge ist ähnlich wie ein auf dem Kopf stehender Baum aufgebaut: Den Stamm bildet die Luftröhre (Trachea), die sich in die zwei Hauptäste (Hauptbronchien) aufteilt. Diese verzweigen sich immer weiter zu kleineren Bronchien und kleinsten Bronchien (Bronchiolen) – röhrenförmige, die Atemluft leitende Strukturen – die schließlich in den Lungenbläschen (Alveolen) enden. Die Wandungen von Luftröhre und großen Bronchien sind durch Knorpelspangen verstärkt [3–5].

Der größte Teil der Atemwege ist mit einem sogenannten Flimmerepithel ausgekleidet. Dieses ähnelt einem Teppich, der aus Millionen von Zellen mit beweglichen Flimmerhärchen besteht.[6] Sie haben eine wichtige Funktion bei der Reinigung der Atemwege von Fremdkörpern, die über die Atemluft eingedrungen sind und dienen dem aktiven Transport von Sekret aus den unteren Atemwegen [7].

Alveolen: Gasaustausch auf über 100 Quadratmetern

Am Ende des Bronchialbaumes befinden sich die sogenannten Lungenbläschen (Alveolen).
Die menschliche Lunge hat etwa 300 Millionen davon – mit einer Oberfläche von insgesamt ca. 100 bis 140 Quadratmetern. Die große Oberfläche ermöglicht einen optimalen Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid (Gasaustausch) [3].

Die Wände der Lungenbläschen sind extrem dünn (ca. 1 mikrometer) und mit einem Netz von feinsten Blutgefäßen (Kapillaren) bedeckt. Hier findet durch Diffusion der Gasaustausch zwischen Atemluft und Blut statt [8]:

• Sauerstoff (O2) diffundiert von den Lungenbläschen in die Kapillaren und kann dann über die Blutgefäße zu den einzelnen Geweben bzw. Organen transportiert werden
• Kohlendioxid (CO2), das als Abfallprodukt beim Stoffwechsel entsteht und dann über das Blut zur Lunge transportiert wird, diffundiert von den Kapillaren in die Lungenbläschen und kann so mit der Ausatemluft aus dem Körper entfernt werden

Unser Gehirn steuert unsere Atmung

Die Atmung wird über das Atemzentrum im Gehirn (Hirnstamm) gesteuert. Dazu melden chemische Fühler, sogenannte Chemorezeptoren, die in den Blutgefäßen sitzen, dem Gehirn die CO2- und O2-Konzentrationen [9].

Für die Steuerung der Atmung ist der Kohlendioxidgehalt am wichtigsten: Wenn zu viel CO2 im Blut vorhanden ist, erhöht das Atemzentrum die Atemfrequenz und das überschüssige Kohlendioxid kann über die Lungenbläschen verstärkt an die Atemluft abgegeben werden. Umgekehrt wird bei zu geringer CO2-Konzentration die Atemfrequenz reduziert [9].

Die Atmung ist zwar eine sogenannte autonome Grundfunktion des Körpers – wie z. B. auch Herzschlag und Verdauung –, sie kann allerdings zumindest teilweise willentlich beeinflusst werden [9].

Muskeln ermöglichen die Atembewegungen

Damit das Atmen reibungslos funktioniert, ist ein komplexes Zusammenspiel von mehreren Muskelgruppen im Oberkörper notwendig. Beim Einatmen kann man zwischen Brust- und Bauchatmung unterscheiden, wobei jeweils andere Atemmuskeln hauptsächlich beteiligt sind [10,11]:

• Bei der Brustatmung werden die sogenannten Zwischenrippenmuskeln angespannt, was dazu führt, dass sich die Rippen und damit der Brustkorb anheben. Dadurch vergrößert sich das Volumen des Brustraums und die Lunge dehnt sich aus. So entsteht ein Unterdruck und Luft wird in die Lunge eingesaugt.
• Bei der Bauchatmung wird das Zwerchfell – unser größter Atemmuskel – angespannt. Das Zwerchfell ist eine aus Muskeln und Sehnen bestehende Platte, die unterhalb der Lunge liegt und Brust- und Bauchhöhle vollständig voneinander trennt. Durch Anspannung senkt sich das Zwerchfell und vergrößert den Brustraum nach unten. Die Lungenflügel dehnen sich nach unten aus. Durch den so entstehenden Unterdruck gelangt Atemluft in die Lungen.
• In der Regel kombiniert der Mensch Brust- und Bauchatmung sowohl beim tiefen als auch beim flachen Einatmen.

Beim Ausatmen entspannt sich die Atemmuskulatur, das Volumen des Brustraums, und damit auch der Lunge, verkleinert sich. Es entsteht ein Überdruck – die Luft strömt aus. Dieser Vorgang verläuft normalerweise passiv, ohne dass eine Anstrengung nötig ist. Durch bewusstes Anspannen der Bauchmuskulatur kann man aber auch aktiv das Zwerchfell nach oben drücken und so ein kräftiges Ausatmen fördern [10,11].

Neben den Zwischenrippenmuskeln bzw. dem Zwerchfell können sogenannte Atemhilfsmuskeln (Brust- und Schultergürtelmuskeln) die Atmung zusätzlich unterstützen. Dies geschieht verstärkt, wenn das Einatmen schwerfällt, wie bei besonders starker körperlicher Belastung oder bei Lungenkrankheiten, z. B. COPD oder Asthma [10].

Atmung: Einige Zahlen und Fakten

• Die Lunge eines erwachsenen Menschen hat normalerweise ein nutzbares Lungenvolumen („Vitalkapazität“) von etwa 4,5–5 l. Damit ist das Luftvolumen gemeint, das man nach maximaler Einatmung maximal wieder ausatmen kann. Bei Ausdauersportlern, z. B. Schwimmern oder Langläufern, kann die Vitalkapazität deutlich erhöht sein [12].
• Ein erwachsener Mensch atmet in Ruhe 0,4–0,5 l mit jedem Atemzug ein und wieder aus (Atemzugvolumen) [12].
  
• In Ruhe beträgt die Atemfrequenz bei einem erwachsenen Menschen etwa 12–15 Atemzüge pro Minute [12]. Dabei werden insgesamt rund 7 l Luft ein- und wieder ausgeatmet [11]. Bei Kindern ist die Atemfrequenz deutlich höher. So atmen Säuglinge mit einer Frequenz von 30–40 Atemzügen pro Minute [12].
• Lungen- bzw. Atemvolumina können mittels Lungenfunktionsprüfung (Spirometrie) bestimmt werden. Dabei atmet der Patient bei verschlossener Nase über ein Mundstück in ein Gerät (Spirometer), das ein- und ausgeatmetes Luftvolumen sowie die Geschwindigkeit der ausgeatmeten Luft misst [13].