Das Atmungssystem besteht aus den oberen Atemwegen mit Nasenhöhle und Rachen sowie den unteren Atemwegen mit Kehlkopf, Luftröhre, Bronchien, Bronchiolen und Lunge.
Die luftleitenden Abschnitte transportieren die Atemluft und bereiten sie durch Erwärmung, Anfeuchtung und Reinigung auf.
Die respiratorischen Abschnitte mit den Alveolen (= Lungenbläschen) sind für den Gasaustausch zuständig: Sauerstoff wird aufgenommen und Kohlenstoffdioxid abgegeben.
Für den Gasaustausch sind drei Vorgänge nötig: die Ventilation (= Belüftung der Alveolen), die Perfusion (= Durchblutung der Lungenkapillaren) und die Diffusion (= Übertritt der Atemgase durch die Alveolarwand). Die Atmung wird durch das Atemzentrum in der Medulla oblongata gesteuert und durch chemische sowie nicht chemische Atemreize beeinflusst.
InfoInnere und äußere Atmung
- Die äußere Atmung findet in der Lunge statt und umfasst die Belüftung der Lungen, die Durchblutung der Lungenkapillaren und den Transport von Kohlenstoffdioxid (= CO2) und Sauerstoff (= O2) durch Diffusion
- Die innere Atmung findet in den Mitochondrien der Zellen statt und produziert Energie (ATP) unter Verwendung von Sauerstoff und energiereichen Nährstoffen, wobei Kohlenstoffdioxid als Abfallprodukt freigesetzt wird
Nase
- Die Nasenscheidewand trennt die beiden Nasenhöhlen
- Die Schleimhaut mit Flimmerhärchen befeuchtet, erwärmt und reinigt die Atemluft
- Im vorderen Bereich der Nasenscheidewand liegt der Kiesselbach-Plexus, ein dichtes Geflecht feiner Kapillaren
Rachen (Pharynx)
Der Rachen ist schlauchförmig. Er verläuft von der Schädelbasis bis zum Ringknorpel des Kehlkopfs. Er wird in drei Abschnitte unterteilt:
- Nasopharynx: Oberer Teil, Verbindung zur Nasenhöhle und zur Ohrtrompete
- Oropharynx: Mittlerer Teil, Verbindung zur Mundhöhle
- Laryngopharynx: Unterer Teil, Übergang zu Kehlkopf und Speiseröhre
Der Eingang des Rachens ist von lymphatischem Gewebe umgeben, das der Abwehr von Krankheitserregern dient.
TippKlinischer Bezug: Würgereflex
Im Bereich des Oropharynx kann der Würgereflex ausgelöst werden. Daher ist bei Maßnahmen im Mundrachen besondere Vorsicht erforderlich, insbesondere beim Atemwegsmanagement.
- Ein Guedel-Tubus darf nur bei Patient:innen ohne Schutzreflexe eingelegt werden, da er sonst Würgereiz und Erbrechen auslösen kann
- Als Alternative eignet sich ein Wendl-Tubus. Er wird meist besser toleriert, da er den Würgereflex seltener auslöst
Kehlkopf (Larynx)
Der Kehlkopf liegt zwischen Rachen und Luftröhre und trennt die oberen von den unteren Atemwegen. Er ist mit der Luftröhre sowie dem Zungenbein verbunden. Sein Gerüst besteht aus Knorpeln:
- Schild- und Ringknorpel: Bilden das Gerüst des Kehlkopfs. Der Schildknorpel bildet beim Mann den Adamsapfel, eine sichtbare Vorwölbung am Hals
- Kehldeckelknorpel (Epiglottis): Verschluss des Kehlkopfs beim Schlucken
Im Kehlkopf liegen die Stimmbänder. Zwischen ihnen liegt die Stimmritze, eine Engstelle der Atemwege.
Luftröhre (Trachea)
Die Luftröhre liegt im Hals und Mediastinum vor der Speiseröhre. Sie beginnt unterhalb des Ringknorpels und endet auf Höhe des 4. Brustwirbelkörpers an der Bifurkation.
- Die Trachea besteht aus etwa 20 hufeisenförmigen Knorpelspangen, die durch Bänder miteinander verbunden sind. Die Rückseite besteht aus Bindegewebe und Muskulatur
- Die Bifurkation beschreibt die Aufzweigung der Trachea in den rechten und linken Hauptbronchus
- Der rechte Hauptbronchus verläuft steiler, ist kürzer und weiter. Der linke Hauptbronchus verläuft flacher, ist länger und enger
- In das Innere ragt die Carina tracheae, ein Knorpelsporn, der den Luftstrom lenkt und sehr sensibel ist. Ihre Reizung löst Hustenreiz aus
Bronchialbaum
Die Bronchien verzweigen sich wie ein Baum in immer kleinere Äste:
- Hauptbronchien: Teilen sich rechts in 3 und links in 2 Lappenbronchien, passend zu den Lungenlappen
- Kleinere Bronchien: Verzweigen sich immer weiter
- Bronchiolen: Feinste Verzweigungen ohne Knorpel. Die Bronchioli terminales sind der letzte Abschnitt der Luftleitung
Die größeren Bronchien tragen Flimmerhärchen und besitzen Knorpelanteile, jedoch nicht in Form von Spangen, sondern als unregelmäßig geformte Knorpelplatten. In den Bronchiolen (= feinste Verzweigungen der Bronchien) verschwinden diese Knorpelstrukturen schließlich vollständig. Stattdessen enthalten sie eine deutliche Schicht glatter Muskulatur sowie elastische Fasern, die eine aktive Verengung und Erweiterung der Bronchiolen ermöglichen.
MerkeDer Gasaustausch beginnt erst in den Bronchioli respiratorii und findet hauptsächlich in den Alveolen statt.
Auf die Bronchioli terminales folgen die Bronchioli respiratorii. Sie münden über die Alveolargänge (Ductus alveolares) in die Alveolen, den Hauptort des Gasaustauschs.
Alveolen und Blut-Luft-Schranke
Die Alveolen sind mit einer sehr dünnen Zellschicht ausgekleidet, über die der Gasaustausch stattfindet. Spezielle Zellen in der Alveolarwand bilden zusätzlich Surfactant.
MerkeSurfactant senkt die Oberflächenspannung in den Alveolen, wodurch ein Kollabieren verhindert, die Atemarbeit reduziert und eine normale Atmung überhaupt erst ermöglicht wird.
Die Lungenarterien transportieren sauerstoffarmes Blut zu den Kapillaren, die die Alveolen dicht umgeben. Dort findet der Gasaustausch statt. Damit dieser möglichst effizient ablaufen kann, ist die Blut-Luft-Schranke extrem dünn aufgebaut, sodass die Diffusionsstrecke (= Weg der Gase zwischen Atemluft und Blut) minimal ist. Nach dem Gasaustausch fließt das nun sauerstoffreiche Blut über die Lungenvenen zurück zum Herzen.
Lunge
Die Lunge besteht aus zwei Lungenflügeln, die in Lungenlappen und weiter in Lungensegmente unterteilt sind. Die Basis der Lungen liegt auf dem Zwerchfell. Nach oben verjüngen sich die Lungen zur Lungenspitze.
Lungenlappen:
Die Lungenflügel sind durch Einschnitte in Lappen unterteilt. Der rechte Lungenflügel hat 3 Lappen, der linke Lungenflügel hat 2 Lappen.
Die Lappen sind weiter in Lungensegmente unterteilt. Am Lungenhilum auf der Innenseite der Lungenflügel treten Bronchien, Gefäße und Nerven ein und aus.
Lungen- und Rippenfell (Pleura)
Jeder Lungenflügel ist von einer zweiblättrigen serösen Haut, der Pleura, umgeben:
- Lungenfell (Pleura visceralis): Stellt das innere Blatt der Pleura dar und überzieht jeden Lungenflügel direkt
- Rippenfell (Pleura parietalis): Stellt das äußere Blatt dar und bedeckt die Brusthöhle von innen
Zwischen den beiden Blättern befindet sich der Pleuraspalt mit einer dünnen Flüssigkeitsschicht. Die Pleuraflüssigkeit dient als Schmiermittel, das die Reibung zwischen den Pleurablättern während der Atembewegungen minimiert.
Aufbereitung und Schutz der Atemluft
- Nase: Nasenhaare halten grobe Partikel zurück. Die Schleimhaut befeuchtet und erwärmt die Einatemluft und bindet Schadstoffe und Bakterien
- Rachen: Er leitet Luft zur Trachea und Nahrung zur Speiseröhre, ist wichtig für den Schluckakt und durch das lymphatische Gewebe an der Immunabwehr beteiligt
- Kehlkopf: Er hält die Atemwege offen und ermöglicht den Transport der Luft von den oberen in die unteren Atemwege. Durch Schwingungen der Stimmbänder beim Ausatmen entsteht die Stimme
- Schutz der Atemwege: Beim Schlucken verschließt die Epiglottis den Kehlkopfeingang, sodass keine Nahrung oder Flüssigkeit in die Atemwege gelangt. Das ist der Aspirationsschutz
- Luftröhre: Die Schleimhaut befeuchtet und erwärmt die Atemluft. Abwehrzellen und Schleim fangen Krankheitserreger ab
- Mukoziliäre Clearance: Durch Flimmerhärchen wird Schleim mit Schmutz und Partikeln kontinuierlich aus den Atemwegen Richtung Rachen transportiert
Gasaustausch
MerkeDie Hauptfunktion der Lunge besteht im Gasaustausch:
- Sauerstoff wird ins Blut aufgenommen
- Kohlenstoffdioxid wird an die Atemluft abgegeben
- Voraussetzung für den Gasaustausch ist ein Partialdruckgefälle: Der Sauerstoffpartialdruck ist in den Alveolen höher als im Blut, der Kohlenstoffdioxidpartialdruck ist im Blut höher als in den Alveolen
Diffusion:
Durch die Diffusion gelangen Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid zwischen den Alveolen und den umliegenden Kapillaren hin und her. Der Sauerstoff diffundiert durch die dünne Wand zwischen Alveolen und Blutgefäßen. Der Körper nimmt so den Sauerstoff auf, den er zur Energiegewinnung benötigt. Das Kohlenstoffdioxid gibt er als Abfallprodukt des Stoffwechsels ab.
Die Diffusion hängt von drei Faktoren ab:
- Partialdruckunterschied: Druckunterschied eines Gases zwischen Alveole und Blut
- Fläche: Je größer die Fläche, desto mehr Gas tritt über
- Diffusionsstrecke: Je dünner die Wand, desto schneller der Übertritt
Ventilation:
DefinitionAls Ventilation bezeichnet man die Belüftung der Lunge, also den Ein- und Ausstrom von Atemluft bis in die Alveolen. Ziel ist die ausreichende Belüftung der Alveolen zur Sicherstellung des Gasaustauschs.
- Die Ventilation erfolgt durch Druckunterschiede zwischen Außenluft und Alveolen
- Alveoläre Ventilation = (Atemzugvolumen minus Totraum) × Atemfrequenz: Entscheidend ist die Belüftung der Alveolen, nicht nur die Atemfrequenz
- Hypoventilation: Führt zu einem CO₂-Anstieg, der Hyperkapnie
- Hyperventilation: Führt zu einem CO₂-Abfall, der Hypokapnie
Perfusion:
Neben der Ventilation ist die Lungenperfusion für den Gasaustausch von entscheidender Bedeutung. Die Durchblutung der Lunge muss an die Ventilation angepasst sein. Im Ruhezustand ist nur ein Teil der Lungenkapillaren durchblutet. Bei körperlicher Belastung öffnen sich weitere Kapillaren.
Belüftung und Durchblutung müssen zueinanderpassen. Ist ein Lungenbereich belüftet, aber nicht durchblutet, wie bei einer Lungenarterienembolie, ist der Gasaustausch gestört. Dasselbe gilt, wenn ein Bereich durchblutet, aber schlecht belüftet ist, etwa bei einer Lungenentzündung.
Atemmechanik
DefinitionDie Atemmechanik beschreibt die physikalischen Vorgänge bei der Ein- und Ausatmung.
Einatmung (Inspiration):
- Die Atemmuskulatur kontrahiert (Zwerchfell und äußere Interkostalmuskeln), das Thoraxvolumen nimmt zu
- Die Flüssigkeit im Pleuraspalt und der dort bestehende Unterdruck halten das Lungenfell am Rippenfell. Die Lunge folgt der Thoraxbewegung und dehnt sich aus
- Das Lungenvolumen vergrößert sich, der Druck in der Lunge sinkt
- Luft strömt entlang des Druckgefälles in die Lunge
Ausatmung (Exspiration):
- Die Atemmuskulatur erschlafft, das Thoraxvolumen nimmt ab
- Durch elastische Rückstellkräfte zieht sich die Lunge zusammen
- Das Lungenvolumen verkleinert sich, der Druck in der Lunge steigt
- Luft strömt entlang des Druckgefälles aus der Lunge heraus
- Bei erhöhtem Atembedarf oder verengten Atemwegen wird die Ausatmung aktiv: Die inneren Interkostalmuskeln und die Bauchmuskulatur unterstützen sie
TippAtemhilfsmuskulatur
Bei Atemnot setzen Patient:innen zusätzlich Hals-, Schulter- und Brustmuskulatur ein. Typisch ist der Kutschersitz mit aufgestützten Armen, z. B. bei Asthma oder COPD. Der Einsatz der Atemhilfsmuskulatur ist ein Zeichen erhöhter Atemarbeit.
Atemgrößen
Richtwerte für gesunde Erwachsene in Ruhe:
| Bezeichnung | Bedeutung | Richtwert |
|---|---|---|
| Atemfrequenz | Anzahl der Atemzüge pro Minute | 12–20/min |
| Atemzugvolumen | Volumen, das bei jedem Atemzug ein- und ausgeatmet wird | In Ruhe etwa 0,5 l |
| Anatomischer Totraum | Teil des Atemzugvolumens, der die Alveolen nicht erreicht | Etwa 0,15 l |
| Atemminutenvolumen | Volumen, das pro Minute ein- und ausgeatmet wird. Es kann bei Belastung ansteigen | In Ruhe 7,5 l bei 15 Atemzügen pro Minute |
Atmungsregulation
Die Atmung wird automatisch durch das Atemzentrum in der Medulla oblongata gesteuert, kann aber auch bewusst beeinflusst werden. Das Atemzentrum reguliert Atemfrequenz und Atemtiefe, um O₂, CO₂ und pH-Wert im Blut konstant zu halten. Dafür erhält es Informationen von Messfühlern, den Chemorezeptoren.
Der wichtigste Atemreiz ist ein Anstieg des Kohlenstoffdioxids im Blut. Dann steigen Atemfrequenz und Atemtiefe. Auch ein Sauerstoffmangel und ein saurer pH-Wert steigern die Atmung.
- Menche, N., Biologie Anatomie Physiologie, Elsevier, 2016, ISBN: 978-3437268038
- Flake, F., Dönitz, S., Mensch Körper Krankheit für den Rettungsdienst, Elsevier, 2018, ISBN: 978-3437462023
- Koch, S., Schwarz, M., retten - Anatomie Physiologie, Elsevier, 2023, ISBN: 978-3132421172
- Behrends, J. et al., Duale Reihe Physiologie, Thieme, 2021, ISBN: 978-3132438644
