Atmung: Definition, Funktionsweise, Klinik

Die Atmung ist ein zentraler physiologischer Prozess, der den Gasaustausch zwischen dem Körper und der Umwelt ermöglicht. Sie versorgt den Organismus mit Sauerstoff, der für die Energiegewinnung in den Zellen unverzichtbar ist, und entfernt gleichzeitig das bei Stoffwechselprozessen entstehende Kohlendioxid. In diesem Artikel werden die anatomischen Grundlagen, der Ablauf der Atmung und ihre Regulation sowie häufige Störungen und deren klinische Bedeutung beleuchtet.

Atmung – Definition

Die Atmung ist der physiologische Prozess, bei dem Sauerstoff (O₂) aus der Umgebungsluft aufgenommen und Kohlendioxid (CO₂), ein Stoffwechselabfallprodukt, abgegeben wird. Dieser Gasaustausch erfolgt in der Lunge, dem zentralen Organ der äußeren Atmung, und erfordert die Zusammenarbeit mehrerer Systeme: Das Blut transportiert die Gase zwischen Lunge und Gewebe, das Herz sorgt für den notwendigen Blutfluss, und die Atemmuskulatur erzeugt die Druckdifferenzen, die den Austausch ermöglichen. Dabei sorgt die Atmungskette in den Zellen für die Umwandlung der Gase zu Wasser, um den Energiebedarf der Zellen zu decken. Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid. Dieser Vorgang beschreibt die innere Atmung.

Atmung – Einteilung

Die Atmung lässt sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: die äußere und die innere Atmung. Die äußere Atmung umfasst die Belüftung der Lungen (Ventilation) und den Gasaustausch zwischen den Alveolen der Lunge und dem Blut in den Lungenkapillaren. Durch Einatmen gelangt sauerstoffreiche Luft in die Lungen, wo Sauerstoff in das Blut übertritt und Kohlendioxid aus dem Blut in die Ausatemluft abgegeben wird. Dieser Austausch stellt sicher, dass sauerstoffreiches Blut zu den Geweben transportiert wird und Kohlendioxid aus dem Körper entfernt wird.

Die innere Atmung, auch als Zellatmung bekannt, bezieht sich auf die biochemischen Prozesse innerhalb der Zellen, bei denen Nährstoffe mithilfe von Sauerstoff oxidiert werden, um Adenosintriphosphat (ATP) zu produzieren – die primäre Energiequelle der Zelle. Dabei entsteht Kohlendioxid als Nebenprodukt, das aus den Zellen in das Blut diffundiert und schließlich über die äußere Atmung ausgeschieden wird.

Zusammenfassend beschreibt die äußere Atmung die Mechanismen des Gasaustauschs zwischen der äußeren Umgebung und dem Blutkreislauf, während die innere Atmung die zellulären Prozesse der Energiegewinnung unter Sauerstoffverbrauch umfasst. Beide Prozesse sind eng miteinander verknüpft und gewährleisten gemeinsam die Aufrechterhaltung der Homöostase im Körper.

Atmung – Weg der Atemluft

Dieser Artikel befasst sich vorwiegend mit der äußeren Atmung. Dabei nehmen die Atemwege und die Atemmuskulatur eine zentrale Stellung ein. Man unterscheidet anatomisch zwischen den oberen und unteren Atemwegen, während das Zwerchfell den Großteil der muskulären Arbeit übernimmt. Dabei wird es zusätzlich durch die Atemhilfsmuskulatur unterstützt.

Der Weg der Luft beginnt in den oberen Atemwegen. Die Nase und Nasenhöhle stellen dabei die erste Station dar. Die eingeatmete Luft passiert zunächst die Nasenhöhle, wo sie erwärmt, befeuchtet und von Partikeln gereinigt wird. Die Nasenschleimhaut ist mit Flimmerhärchen und Schleimdrüsen ausgestattet, die Fremdstoffe filtern und abtransportieren. Tritt die Umgebungsluft über die Nase ein, spricht man von einer Nasenatmung. Alternativ kann die Mundatmung über die Mundhöhle erfolgen. Daraufhin gelangt die Luft in den Rachen (Pharynx). Der Rachen dient als gemeinsamer Weg für Luft und Nahrung und leitet die Atemluft von der Nasenhöhle zum Kehlkopf (Larynx). Dieser verbindet den Rachen mit der Luftröhre (Trachea) und verhindert das Eindringen von Nahrungsbrei in die Luftwege. Die Stimmbänder des Kehlkopfs markieren den Übergang zu den unteren Atemwegen.

Die Luftröhre (Trachea) ist der erste Abschnitt der unteren Atemwege. Sie ist ein etwa zehn bis zwölf Zentimeter langer Schlauch, der die Luft in die Bronchien leitet. Ihre Wand wird durch hufeisenförmige Knorpelspangen stabilisiert, die ein Kollabieren verhindern.

Die Luftröhre teilt sich weiter kaudal in die rechten und linken Hauptbronchien auf, die in die jeweiligen Lungenflügel führen. Diese verzweigen sich weiter in kleinere Bronchien und schließlich in Bronchiolen, die die Luft zu den Alveolen transportieren. Die Atemwege sind außerdem mit einem spezialisierten Epithelgewebe ausgestattet, dem respiratorischen Flimmerepithel. Es dient dem Abtransport von Fremdkörpern, die mit der Atemluft aufgenommen werden können.

Die Lunge besteht aus Millionen von Alveolen, winzigen Lungenbläschen, in denen der eigentliche Gasaustausch stattfindet. Die Alveolen sind von einem dichten Kapillarnetz umgeben, das den Sauerstoff aufnimmt und Kohlendioxid abgibt.

Atmung – Physiologie und Funktionsweise

Die Physiologie der Atmung beschäftigt sich mit den Mechanismen, die den lebenswichtigen Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid ermöglichen. Im Laufe der Evolution haben Tiere unterschiedliche Atmungssysteme entwickelt, die sich an ihre spezifischen Lebensräume anpassen. Während einfache Organismen wie Amphibien teils noch über die gesamte Körperoberfläche atmen (Hautatmung), nutzen Fische spezialisierte Kiemen für den Gasaustausch im Wasser. Insekten setzen auf die Tracheenatmung, bei der röhrenförmige Einstülpungen der Haut Sauerstoff direkt zu den Geweben transportieren. Säugetiere und andere landlebende Wirbeltiere wie Vögel und Reptilien haben die Lungenatmung perfektioniert, bei der Lungen den Gasaustausch effizient und geschützt gewährleisten. Die Lungenatmung des Menschen steht dabei im Zentrum der modernen Atmungsphysiologie.

Atemmechanik

Die Atemmechanik beschreibt die physikalischen und mechanischen Prozesse, die den Ein- und Ausstrom von Luft während der Atmung ermöglichen. Zentrale Elemente dieses Systems sind die Atemmuskulatur, insbesondere das Zwerchfell, die Interkostalmuskulatur (zwischen den Rippen) und die Atemhilfsmuskulatur. Diese Muskeln erzeugen durch ihre Kontraktion und Entspannung Veränderungen im Thoraxvolumen, was zu Druckunterschieden zwischen der Lunge und der äußeren Umgebung führt und somit den Luftstrom in die Lungen hinein (Inspiration) und aus ihnen heraus (Exspiration) steuert.

Während der Inspiration kontrahiert das Zwerchfell und senkt sich ab. Gleichzeitig heben die äußeren Interkostalmuskeln die Rippen an. Dies führt zu einer Vergrößerung des Thoraxvolumens und einem Abfall des intrapulmonalen Drucks unter den atmosphärischen Druck, wodurch Luft in die Lungen strömt. Bei der Exspiration entspannen sich diese Muskeln, das Zwerchfell hebt sich, und die Rippen senken sich, was das Thoraxvolumen verringert und den intrapulmonalen Druck über den atmosphärischen Druck anhebt, sodass Luft aus den Lungen entweicht.

Die Effizienz dieser Prozesse wird durch Faktoren wie die Elastizität der Lunge (Compliance), den Widerstand der Atemwege (Resistance) und die Oberflächenspannung in den Alveolen beeinflusst. Ein Gleichgewicht dieser Faktoren ist entscheidend für eine optimale Ventilation und somit für einen effektiven Gasaustausch im Körper.

Voraussetzung für die Funktionalität dieses Systems ist die Anhaftung der Lunge an den Thorax (Brustkorb). Über die Pleura, eine sehr dünne und seröse Gewebsschicht, klebt die Lunge am Brustkorb. Die Pleura besteht aus zwei Blättern, der Pleura visceralis auf der Lungenoberfläche und der Pleura parietalis an der Innenseite des Thorax. Über einen dünnen Flüssigkeitsfilm im Pleuraspalt und die dadurch entstehenden Adhäsionskräfte haftet die Lunge am Thorax. Somit kann sie seinen Bewegungen folgen und sich entsprechend ausdehnen oder zusammenfallen.

Atemregulation

Die Atemregulation koordiniert kontinuierlich verschiedene Aufgaben, um den Gasaustausch zu gewährleisten und die Atmung an unterschiedliche Anforderungen anzupassen. Zentrale Steuerungszentren befinden sich in der Pons und der Medulla oblongata des Hirnstamms. Hier sind spezifische neuronale Gruppen identifiziert worden, darunter der Nucleus Kölliker-Fuse, der Parabrachialiskomplex, die parafaziale respiratorische Gruppe, der Nucleus retrotrapezoideus, die ventrale respiratorische Gruppe und der Nucleus tractus solitarius.

Diese neuronalen Netzwerke erzeugen den respiratorischen Rhythmus und steuern die Aktivität der Atemmuskulatur, insbesondere des Zwerchfells und der Interkostalmuskulatur. Die Atmung wird durch die alternierende Aktivierung und Hemmung von drei antagonistisch verschalteten Neuronengruppen reguliert: früh-inspiratorische, post-inspiratorische und exspiratorische Neuronen. Diese koordinieren die Phasen der Inspiration und Exspiration.

Die Anpassung der Atmung an verschiedene physiologische Zustände erfolgt durch Rückkopplungen von Mechanorezeptoren in Muskeln, Gelenken, den oberen Atemwegen, Bronchien und dem Lungenparenchym. Diese Rezeptoren lösen wichtige Regel- und Schutzreflexe aus, wie den Lungendehnungsreflex, Husten und Niesen. Zusätzlich beeinflussen Chemorezeptoren, die auf Veränderungen des Kohlendioxidgehalts und des pH-Werts im Blut reagieren, die Atemregulation, um die Homöostase aufrechtzuerhalten. Hypoxie (Sauerstoffmangel) nimmt in der Atemregulation nur eine untergeordnete Stellung ein.

Störungen in diesen Regulationsmechanismen können zu verschiedenen pathologischen Atemmustern führen, darunter Dyspnoe (Atemnot), Kussmaul-Atmung, Biot-Atmung, Cheyne-Stokes-Atmung, Schnappatmung und zentrale Apnoe.

Atemvolumina

Physiologisch kann man bei der Atmung verschiedene Atem- oder Lungenvolumina unterscheiden. Diese beschreiben, wie viel Luft sich in der Lunge befindet und wie viel davon ein- oder ausgeatmet werden kann. Die Normwerte erlauben zudem einen Rückschluss auf pathologische Veränderungen in der Lunge. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Volumina von Geschlecht, Körpergröße und Alter abhängig sind. Die hier angegebenen Normwerte beziehen sich dementsprechend auf einen jungen und gesunden Erwachsenen.

Atemfrequenz

Zur weiteren Charakterisierung der Atmung dient die Atemfrequenz. Diese unterscheidet sich beim Menschen physiologisch mit dem Alter. Erwachsene atmen in Ruhe etwa 12 bis 15 Mal pro Minute, während Jugendliche 16 bis 20 Atemzüge pro Minute nehmen. Kleinkinder kommen auf circa 25 Atemzüge pro Minute, während Säuglinge mit 30 und Neugeborene mit 40 Zügen pro Minute deutlich darüber liegen.

Ist die Atemfrequenz erniedrigt, spricht man von einer Bradypnoe. Bei erhöhter Frequenz liegt eine Tachypnoe vor. Bei körperlichen Beschwerden kann die Erhöhung oder Erniedrigung Rückschlusse auf die zu Grunde liegende Erkrankung ermöglichen.

Atmung – Klinik

Die klinische Beurteilung der Atmung umfasst verschiedene diagnostische Verfahren zur Erfassung der Lungenfunktion sowie die Identifizierung pathologischer Atemmuster.

Zur Untersuchung von Lungen- und Atemwegserkrankungen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Neben den aufwendigeren Verfahren sollte die simple Auskultation mittels Stethoskop nicht vergessen werden. Schon damit lassen sich leicht pathologische Veränderungen abhören.

• Lungenfunktionsmessung (Spirometrie): Dieses Verfahren misst die Atemvolumina und -flüsse, um die Leistungsfähigkeit der Lunge zu beurteilen. Es hilft, obstruktive und restriktive Ventilationsstörungen zu diagnostizieren.
• Blutgasanalyse (BGA): Die BGA bestimmt die Konzentrationen von Sauerstoff und Kohlendioxid im Blut sowie den pH-Wert, was Aufschluss über den Gasaustausch und den Säure-Basen-Haushalt gibt.
• Bildgebende Verfahren: Röntgenaufnahmen, Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglichen die Visualisierung der Lungenstruktur und die Identifizierung von Anomalien wie Tumoren oder Entzündungen.
• Bronchoskopie: Dieses endoskopische Verfahren erlaubt die direkte Inspektion der Atemwege und die Entnahme von Gewebeproben zur histologischen Untersuchung.

Pathologische Atemrhythmen

Abweichungen vom normalen Atemrhythmus können auf verschiedene Erkrankungen hinweisen:

• Cheyne-Stokes-Atmung:  Die Form ist gekennzeichnet durch periodisches An- und Abschwellen der Atemtiefe mit zwischenzeitlichen Atempausen. Sie tritt häufig bei schweren Herzinsuffizienzen oder Schädigungen des Atemzentrums auf.
• Biot-Atmung: Die Atmung beschreibt unregelmäßige, gleich tiefe Atemzüge, unterbrochen von abrupten Atempausen. Dieses Muster kann bei erhöhtem Hirndruck oder Schädigungen des zentralen Nervensystems beobachtet werden.
• Schnappatmung: Sie bezeichnet sporadisch auftretende, tiefe Atemzüge mit langen Pausen und ist oft ein Zeichen für eine bevorstehende Ateminsuffizienz oder im präfinalen Stadium.
• Schonatmung: Die bewusst flache Atmung dient der Minimierung von Schmerzen, beispielsweise bei Rippenbrüchen oder Pleuritis. Diese Atemweise kann jedoch zu unzureichender Belüftung der Lungenabschnitte führen.
• Kussmaul-Atmung:
  Die Kussmaul-Atmung ist durch sehr tiefe und regelmäßige Atemzüge gekennzeichnet und tritt häufig als Kompensationsmechanismus bei einer metabolischen Azidose auf, wie sie beispielsweise bei diabetischer Ketoazidose vorkommt. Durch die verstärkte Ausatmung von Kohlendioxid versucht der Körper, den pH-Wert des Blutes zu stabilisieren. Diese Atemform ist ein wichtiger Hinweis auf schwerwiegende Stoffwechselentgleisungen und erfordert eine sofortige medizinische Abklärung.

Die frühzeitige Erkennung und Differenzierung dieser pathologischen Atemmuster sind essenziell für die Diagnose und Therapie zugrunde liegender Erkrankungen.

Atemübungen

Atemübungen können im Alltag effektiv eingesetzt werden, um Stress zu reduzieren, die Schlafqualität zu verbessern und das allgemeine Wohlbefinden zu steigern. Zwei bemerkenswerte Techniken sind die 4-7-8-Methode und die Wim-Hof-Methode.

Die 4-7-8-Atemtechnik, entwickelt von Dr. Andrew Weil, basiert auf der alten indischen Praxis des Pranayama, die die Regulierung des Atems betont. Diese Methode fördert Entspannung und kann beim Einschlafen helfen.

Die Anwendung läuft in drei Schritten ab:

1. Einatmen: Durch die Nase einatmen und dabei langsam bis vier zählen.
2. Anhalten: Den Atem für sieben Sekunden anhalten.
3. Ausatmen: Durch den Mund ausatmen und dabei langsam bis acht zählen.

Regelmäßige Anwendung kann helfen, das Nervensystem zu beruhigen, Stress abzubauen und die Schlafqualität zu verbessern.

Die Wim-Hof-Methode, benannt nach dem niederländischen Extremsportler Wim Hof, kombiniert spezielle Atemtechniken mit Kältetherapie und mentalem Fokus. Ziel ist es, das Immunsystem zu stärken, die Stressresistenz zu erhöhen und das allgemeine Wohlbefinden zu fördern.

Die Anwendung der Atemtechnik erfolgt ebenfalls in drei Schritten:

1. Tiefe Atemzüge: 30-40 Mal tief durch die Nase ein- und durch den Mund ausatmen, in einem zügigen, aber kontrollierten Rhythmus.
2. Atemanhalten: Nach dem letzten Ausatmen den Atem anhalten, so lange es angenehm ist.
3. Tiefes Einatmen: Tief einatmen und den Atem für etwa 15 Sekunden vor dem Ausatmen halten.

Dieser Zyklus wird in der Regel drei- bis viermal wiederholt. Die Kombination aus Atemtechnik und Kälteeinwirkung soll verschiedene gesundheitliche Vorteile bieten, darunter eine verbesserte Immunfunktion und erhöhte Energielevels. Es ist dabei wichtig, diese Techniken in einer sicheren Umgebung zu praktizieren und auf die Signale des eigenen Körpers zu achten. Bei gesundheitlichen Bedenken sollte vor Beginn der Übungen ein Arzt konsultiert werden.