Techniklexikon

Atemgastransport

Zufuhr von Sauerstoff zu den Körperzellen und Abtransport des Stoffwechselendproduktes CO₂, um den oxidativen Abbau von Nährstoffen in tierischen Zellen zu sichern. Das Problem des Atemgastransportes entsteht in grossen, kompakten mehrzelligen Lebewesen, in welchen die Zellen im Inneren einen zu langen Diffusionsweg für Gase hätten. Zur Überwindung dieser grossen Entfernungen im Organismus dienen Ventilationseinrichtungen (Atmung) und Transportsysteme (Kreislauf des Blutes oder der Hämolymphe, oft mit einem Herz als Antriebsorgan/-muskel). Biologische Organismen haben im Laufe der Evolution in Abhängigkeit von ihren Lebensbedingungen eine Vielzahl von Einrichtungen entwickelt, die der Gasversorgung der inneren Organe dienen. Generell besteht der Atemgastransport aus folgenden Teilprozessen:

(1) Konvektiver Gastransport (Ventilation) in den Atemwegen (z.B. im Bronchialbaum mit der Trachea oder in den Kiemenschächten). Mit der Inspiration gelangt sauerstoffreiches Umgebungsmedium (atmosphärische Luft, Wasser) in den Körper zu den Organen des Gasaustausches mit den Körperflüssigkeiten. Bei der Expiration wird das Medium, nun angereichert durch Stoffwechselendgase, wieder an die Umgebung abgegeben. Diese Transportprozesse werden durch die Gesetze der Mechanik und Dynamik kontinuierlicher Medien beschrieben. Periodische Kontraktionen der Skelettmuskulatur (z.B. des Thorax oder des Abdomens) verursachen die Atembewegungen.

(2) Diffusionsbasierter Gasaustausch (sogenannte äussere Atmung) im Organ des Gasaustausches (Lungen, Kiemen, Haut, Tracheen). Der Unterschied der Gaspartialdrücke für Sauerstoff und Kohlendioxid in den Körperflüssigkeiten und im Umgebungsmedium ist die Ursache der wechselseitigen Gasdiffusion an der Austauschfläche (Ficksches Gesetz). Um die Diffusion zu erleichtern, ist die Austauschfläche oft stark in der Oberfläche vergrössert, während die Dicke der Gewebeschranke zur Körperflüssigkeit (der Diffusionsweg) auf ein Minimum reduziert ist (z.B. bei den Alveolen in der Lunge). Normalerweise ist nur ein geringer Teil des Sauerstoffes in den Körperflüssigkeiten physikalisch gelöst. Der weitaus grösste O₂-Anteil ist an Transportproteinen (Hämoglobin) gebunden. Kohlendioxid existiert sowohl in physikalisch gelöster als auch in chemisch gebundener Form in den Körperflüssigkeiten.

(3) Konvektiver Transport mit der Körperflüssigkeit (Blut, Hämolymphe) innerhalb des Organismus. Oft existiert ein spezieller Muskel (Herz) zur besseren Perfusion der inneren Organe und Gewebe, eine gewisse Rolle spielt auch die Kontraktionsfähigkeit der Gefässwände.

(4) Gasdiffusionsaustausch zwischen den Zellen der inneren Organe und Gewebe und der Körperflüssigkeit in den Gewebeskapillaren. Sauerstoff diffundiert aus den Gewebekapillaren in die Zellen, die ihrerseits Kohlendioxid abgeben. Der Verbrauch des Sauerstoffes in den Zellen heisst innere Atmung (Atmungskette).

Die beiden Atemgasmedien Luft und Wasser sind in unterschiedlicher Weise für den Gaswechsel geeignet und verlangen entsprechende morphologische und biochemische Anpassungen. Die Gaszusammensetzung der Luft ist im Gegensatz zu der des Wassers relativ konstant, der Partialdruck des Sauerstoffes ist deutlich höher. Die Gaszusammensetzung und der Gasgehalt des Wassers hängen von der Löslichkeit der einzelnen Gase, der Temperatur, der Salzkonzentration, dem Wasserdruck (Wassertiefe) und den Möglichkeiten des Luftaustausches (Wasserbewegung) ab. CO₂ ist in hohem Masse in Wasser löslich. Deshalb ist für Wassertiere die Sauerstoffversorgung das grösste Problem, während für Landtiere die CO₂-Entsorgung die grössere Schwierigkeit darstellt. [FE]

Atemgastransport: Ventilation der Lunge: Volumina und Kapazität der menschlichen Lunge. Die absoluten Werte der Kenngrössen hängen von Alter und Geschlecht ab.