Einsatzzentrale Atmung

Kontrollzentrum.jpg

Wie wird die Atmung kontrolliert, um den Anforderungen der Zellen gerecht zu werden?

Deine Atmung wird schnell und intensiv, wenn du dich körperlich anstrengst. Während du schläfst, ist deine Atmung ruhig und langsam. Woher weiß dein Körper, wie er atmen muss? Atmung ist normalerweise kein bewusster Prozess. Du kannst dich dazu bringen, schneller oder langsamer zu atmen oder die Luft anzuhalten. Allerdings atmest du unter normalen Umständen ganz von alleine, ohne daran denken zu müssen. Die interessante Frage ist nun: "Woher weiß dein Körper, wann und wie er atmen soll?" Wie kontrolliert er die Sauerstoffaufnahme und Kohlenstoffdioxidabgabe? In diesem Kapitel wirst du die Regelsysteme deines Körpers erkunden, die dabei helfen, Körperfunktionen zu regulieren und aufrechtzuerhalten.

Aufgabe

Homöostase
Suche im Internet nach dem Begriff Homöostase. Was bedeutet er? Woher kommt der Begriff? Was für einen Zusammenhang gibt es zwischen Homöostase und Rückkopplung (Feedback)?



Rückkopplungssysteme können auf der Basis von positiven oder negativen Rückkopplungen arbeiten. Bei einem positiven Rückkopplungssystem werden Funktionen fortgesetzt und immer mehr gesteigert. Bei negativen Rückkopplungssystemen wird eine Funktion gedrosselt, angehalten oder rückgängig gemacht. Die meisten deiner Rückkopplungssysteme arbeiten auf der Basis von negativem Feedback. Wenn du beispielsweise dein Gleichgewicht verlierst und nach links kippst, registrieren die Gleichgewichtssensoren in deinem linken Ohr, dass du nach links kippst. Sie senden diese Information zu den Gleichgewichtsreglern in deinem Gehirn. Diese Gleichgewichtsregler senden die Anweisung zu deinen Muskeln, dich wieder nach rechts zu drücken, um dein Gleichgewicht wiederherzustellen. Da die Sensorinformation "Kippt nach links." eine gegenläufige Bewegungsreaktion "Bewege dich nach rechts!" veranlasst, speisen die Sensoren das Rückkopplungssystem mit negativem Feedback.

Ein anderer Regler in deinem Gehirn funktioniert wie das Thermostat in klimatisierten Räumen (z. B. im Kaufhaus oder in einem Zugabteil) oder Häusern mit Zentralheizung. Ein Thermostat kontrolliert die Temperatur. Das Thermostat reagiert auf Veränderungen der Raumtemperatur und aktiviert die Heizung oder die Klimaanlage, um die Raumtemperatur konstant zu halten. Die aktuelle Raumtemperatur wird von dem Thermostat gemessen und mit dem Soll-Wert in der Voreinstellung verglichen. Wenn die Raumtemperatur kälter ist, als es in der Einstellung des Thermostats vorgegeben ist, stellt es die Heizung an. Wenn die Raumtemperatur höher ist, als sie laut Voreinstellung des Thermostats sein soll, wird die Heizung abgestellt.

Dein Körper hat einen Regler, der ähnlich wie ein Thermostat funktioniert. Das Thermostat deines Körpers sitzt in einem Teil des Gehirns, der sich Hypothalamus nennt. Deine Körpertemperatur bleibt während der verschiedenen Jahreszeiten, während du ruhst oder Sport machst, mehr oder weniger konstant. So wie das Thermostat die Heizung kontrolliert, bewirkt das Thermostat in deinem Körper, dass du zitterst, wenn dir zu kalt ist, oder dass du schwitzt, wenn dir zu warm wird. Durch das Zittern wird dein Körper gewärmt, und durch den Schweiß wird dein Körper gekühlt. Wenn deine Körpertemperatur steigt, wird dein Thermostat aktiviert, was zur Folge hat, dass dein Körper wieder heruntergekühlt wird, bis er die ‚Normaltemperatur’ erreicht hat (Soll-Wert). Genauso wird dein körpereigenes Thermostat aktiviert, wenn deine Körpertemperatur zu niedrig ist, und es setzt Mechanismen wie das Zittern in Gang, um den Körper wieder zu wärmen.

Refexion

Überprüfe dich selbst!
Deine Atmungskontrollsysteme benutzen eine negative Rückkopplung (negatives Feedback). Fallen dir andere Systeme deines Körpers ein, die ebenfalls negative Rückkopplungen benutzen?

Wie deine Atmung geregelt wird

Dein Atmungssystem ist für den wichtigen Gasaustausch von Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff in deinem Körper zuständig. Deine Atemfrequenz gibt Aufschluss darüber, wie viel Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid in deinem Blut vorhanden sind. Diesen Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidwert nennt man Blutgaslevel. Dein Atmungsregler in Pons und Medulla deines Gehirns empfängt Informationen über die Menge an gelöstem Sauerstoff (O2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) im Blut. Wenn der CO2-Wert ansteigt oder der O2-Wert abfällt, veranlasst dein Atmungskontrollsystem, dass deine Atmungsfrequenz höher oder niedriger wird. Deine Herzfrequenz wird je nach Blutgaswert ebenfalls angehoben oder verringert.

Die Atmungskontrolle arbeitet auf ähnliche Art und Weise wie ein Thermostat. Sie vergleicht das Verhältnis von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid. Sensoren nehmen Unterschiede der Konzentrationen von CO2 und O2 im Blut wahr. Die Sensoren senden diese Informationen an das "Atemkontrollzentrum" im Gehirn, nämlich die Brücke und das verlängerte Rückenmark. Das Atemkontrollzentrum sendet nun entsprechende Signale zur Atemmuskulatur und zum Herzen. Diese bewegen sich dann entsprechend schneller oder langsamer. Wenn der Kohlenstoffdioxidwert zu hoch oder der Sauerstoffwert zu niedrig ist, arbeiten deine Lunge und dein Herz stärker.

Gehirn farbige Zeichnung.jpg

Dein wundervoller, sich anpassender Körper

Erinnere dich daran, dass bei einer hohen körperlichen Anstrengung, – wie z. B. beim Sport – deine Zellen mehr O2 brauchen und dementsprechend mehr CO2 produzieren. Das bedeutet, dass sich die Konzentration der Gase in deinem Blut verändert – es gibt weniger Sauerstoff und mehr Kohlenstoffdioxid. Wenn deine Atmungsregler einen niedrigen Sauerstoffwert und einen hohen Kohlenstoffdioxidwert in deinem Blut messen, werden deine Atemfrequenz und Herzfrequenz von den Reglern erhöht. Dadurch, dass du schneller atmest und dein Herz das Blut schneller durch deinen Körper pumpt, werden die Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidkonzentration wieder angeglichen. Die Regler sind also dazu da, den Blutgaswert konstant zu halten.

Manchmal wird die Blutgaskonzentration verändert, wenn sich die Konzentration der Gase in der Atemluft verändert. Zum Beispiel: Bist du jemals auf einen sehr hohen Berg gewandert? Je höher du auf den Berg steigst, desto weniger O2 gibt es in der Luft. Da es weniger O2 in der Luft gibt, ist die Konzentration von O2 in deinem Blut ebenfalls geringer. Wenn das der Fall ist, kannst du dich schnell außer Atem fühlen und musst intensiver atmen.

Bergsportler, die die höchsten Gipfel der Welt besteigen, nehmen Sauerstoff in Druckgasflaschen mit. Gas ist sehr kompressibel, was bedeutet, dass mehr Gas in einen Behälter gezwängt werden kann als die gleiche Menge an Flüssigkeit. Durch diese Kompression kann man sehr viel Gas in einer kleinen Flasche aufbewahren. Was passiert aber mit dir, wenn du in einem Flugzeug über diese hohen Berge fliegst? Der Kabinen-Innendruck des Flugzeugs gleicht dem, den man in 1200 m Höhe hat. Wenn man in einem Flugzeug sitzt, ist es so, als ob man sich auf einem 1200 m hohen Berg befindet - egal, wie hoch das Flugzeug steigt.

So wie Bergsteiger auf ihren Touren zu den höchsten Gipfeln der Erde eine Sauerstoffflasche dabeihaben, führen auch Taucher ihren Sauerstoffvorrat in einer Druckgasflasche oder einem Luftbehälter mit sich. Wenn Taucher sehr tief tauchen, befinden sich ihre Körper unter sehr hohem Druck. Die Sportler brauchen den Luftbehälter, um ihre Lunge aufzupumpen. Die Atmung bei hohem Außendruck bewirkt allerdings, dass die Gase flüssig werden und sich im Blut des Tauchers lösen. Wenn ein Taucher zu schnell einem großen Druckwechsel ausgesetzt ist, kann das lebensbedrohlich werden - wenn er beispielsweise aus einem Tauchgang in großer Tiefe zu schnell auftaucht: Durch den extremen Druckverlust werden die im Blut gelösten, flüssigen Gase zu schnell wieder gasförmig und treten aus dem Blut aus. Dies ist vergleichbar mit einer Sektflasche, in der Kohlenstoffdioxid zunächst im Sekt gelöst ist, aber plötzlich ein Heraussprudeln des Sekts bewirkt, sobald die Flasche geöffnet wird. Wenn die gelösten Gase im Blut des Tauchers genauso plötzlich als Gasblasen aus dem Blut sprudeln, ist das für den Taucher sehr gefährlich und schmerzhaft. Dieses plötzliche Heraustreten von Gas durch zu schnelles Auftauchen nennt man Taucherkrankheit. Die Taucherkrankheit kann medizinisch behandelt werden, indem der erkrankte Taucher in einen Hochdrucktank eingeschlossen wird, damit das Gas wieder in seine flüssige Form übergeht. Anschließend wird der Druck im Tank langsam auf den ‚Normaldruck’ gesenkt, so dass das Gas auf dem sicheren Weg durch die Lunge entweichen kann.

Kletterer.jpg



Taucher.jpg



Taucher, die in tiefere Gewässer tauchen, tragen häufig Sauerstoffflaschen auf dem Rücken. Andere Taucher hingegen sind von ihrer Lungenkapazität abhängig. Es gibt Taucher im Fernen Osten, die im Wasser Perlen suchen und ohne zusätzliche Sauerstoffflasche einzig und allein auf ihre Lunge angewiesen sind. Die Taucher trainieren ihre Atmung so, dass sie mit einem tiefen Atemzug die Luft für mehrere Minuten anhalten können. Sie sparen Sauerstoff, den sie fürs Schwimmen brauchen, indem sie sich mit schweren Gegenständen an den Meeresgrund herabziehen lassen. Stell dir vor, du wärst im Fernen Osten, um nach Perlen zu tauchen. Du nimmst einen tiefen Atemzug und tauchst ab. Während du schwimmst, verbraucht dein Körper Sauerstoff und produziert Kohlenstoffdioxid – während der gesamten Zeit, die du unter Wasser bist. Während der Sauerstoff immer weniger wird, wird immer mehr Kohlenstoffdioxid angestaut. Die Konzentration dieser beiden Gase in deinem Blut bewirkt, dass deinem Regelsystem im Gehirn gemeldet wird, dass du atmen musst. Das ist der Zeitpunkt, an dem du wieder an die Wasseroberfläche zurückschwimmen musst, um Luft zu holen.

Der Atmungsregler in deinem Gehirn reagiert sensibler auf die Erhöhung der Kohlenstoffdioxidkonzentration als auf einen Sauerstoffabfall im Blut. Wie du bereits gelesen hast, holen Leute, die eine lange Zeit unter Wasser verbringen wollen, schnell und heftig Luft, bevor sie ihre Luft anhalten. Diese schnelle Atmung nennt man Hyperventilation. Hyperventilation reichert das Blut nicht sonderlich mit Sauerstoff an, aber es beseitigt eine Menge Kohlenstoffdioxid. Wenn also der Taucher anfängt, unter Wasser zu schwimmen, ist er durch die geringere Kohlenstoffdioxidkonzentration im Blut nicht so schnell wieder gezwungen, Luft zu holen. Allerdings kann das sehr gefährlich werden, denn der Schwimmer könnte auch zu viel Sauerstoff verbrauchen und ohnmächtig werden, bevor er den Drang verspürt, wieder Luft zu holen. Jedes Jahr ertrinken Taucher, weil sie unterschätzen, wie sehr Hyperventilation ihre Atmungsregler beeinflusst.

Tauchen ohne Sauerstoff.jpg



Wie du siehst, kann sich dein Atmungsregler kurzzeitig an unterschiedliche Bedingungen - wie einen hohen Druck oder einen geringen Sauerstoffgehalt in der Luft - anpassen. Dein Körper kann sich allerdings auch für längere Zeit oder für immer an diese Veränderungen anpassen. Menschen können beispielsweise auf sehr hohen Bergen leben. Es ist sogar so, dass fast 15 Millionen Menschen trotz des niedrigeren Sauerstoffgehalts 3000 Meter oder mehr über dem Meeresspiegel leben. Manche Menschen verbringen ihr gesamtes Leben in den Anden Südamerikas, fast 5000 Meter über dem Meeresspiegel. Wie können Menschen dort leben? Ihre Körper haben sich auf verschiedene Weise angepasst. Eine Möglichkeit, wie sich der Körper anpasst, liegt in einer Erhöhung der Lungenkapazität. Die Lunge eines Menschen, der beispielsweise in den Anden lebt, kann mehr Sauerstoff aufnehmen, als die Lung eines Menschen, der auf Meereshöhe lebt. Ein weiterer Anpassungsmechanismus ist die Produktion einer höheren Anzahl roter Blutkörperchen. Rote Blutkörperchen sind Zellen, die Sauerstoff durch das Blut zu anderen Zellen transportieren. Ein weitere Möglichkeit des Körpers, sich an eine sauerstoffärmere Luft anzupassen, ist die Verbesserung der Fähigkeit der Blutkörperchen, Sauerstoff an die Zellen abzugeben.

Vertiefung

Wusstest du schon?
Ein rotes Blutkörperchen enthält 280 Millionen Moleküle Hämoglobin. Jedes Hämoglobinmolekül kann 4 Sauerstoffmoleküle transportieren. Wie viele Sauerstoffmoleküle kann dann ein rotes Blutkörperchen transportieren?



Du weißt, dass Hämoglobin Sauerstoff absorbiert, während das Blut die Lungenbläschen (Alveolen) der Lunge passiert. Erinnere dich daran, dass die mit Sauerstoff beladenen roten Blutkörperchen von der Lunge in den Körper gepumpt werden und die Zellen versorgen. Lass uns nun herausfinden, was passiert, wenn das mit Sauerstoff gesättigte Hämoglobin bei deinen Zellen ankommt. Denke daran, dass deine Zellen kontinuierlich Sauerstoff verwenden und Kohlenstoffdioxid herstellen. Das Kohlenstoffdioxid gelangt durch Diffusion in das Blut, es diffundiert. Dort wird es von den roten Blutkörperchen aufgenommen. Da es innerhalb der Zellen weniger Sauerstoff als im Blut gibt, lässt das Hämoglobin den Sauerstoff aus dem Blut frei. Dann diffundiert der Sauerstoff in die Zelle und wird dort verbraucht. Nachdem das Hämoglobin den Sauerstoff entlassen und Kohlenstoffdioxid aufgenommen hat, strömt es im Blut wieder zurück zur Lunge. Bei den Alveolen deiner Lunge lassen die roten Blutkörperchen das Kohlenstoffdioxid wieder frei und es wird von dir ausgeatmet.

Was passiert, wenn du die Luft anhältst? Nimm einen großen Atemzug. Halte die Luft an. Versuche, nicht zu atmen. Wenn du einatmest und dann die Luft anhältst, ist der Sauerstoffgehalt in deiner Lunge zunächst hoch. Nach einiger Zeit aber wird der Sauerstoffgehalt in deiner Lunge niedriger. Das geschieht, da dein Blut ständig zu den Alveolen gepumpt wird und dort Sauerstoff aufnimmt. Da aber dein Mund geschlossen ist und du die Luft anhältst, kann kein neuer Sauerstoff in deine Lunge gelangen. Während die Sauerstoffkonzentration in deiner Lunge abfällt, steigt die Kohlenstoffdioxidkonzentration an. Wenn du die Luft anhältst, ist die Kohlenstoffdioxidkonzentration in deiner Lunge zunächst gering. Je mehr Blut an den Alveolen vorbeifließt und je mehr Gasaustausch stattfindet, desto mehr Sauerstoff wird der Lunge entnommen und desto mehr Kohlenstoffdioxid wird aus den Zellen in deine Lunge transportiert. Die Kohlenstoffdioxidkonzentration in deiner Lunge steigt an. Schau dir Abbildung 4.17 an. Die Kurvenverläufe stellen dar, was passiert, wenn du die Luft anhältst.

Luftanhalten.jpg

Einzelnachweise