Die Arbeit der Atmung | Biologie für Hauptschüler II

Lernergebnisse

Erläutern Sie die Bedeutung von Compliance und Widerstand in der Lunge

Die Anzahl der Atemzüge pro Minute ist die Atemfrequenz. Im Durchschnitt liegt die Atemfrequenz des Menschen bei Nicht-Belastung bei 12-15 Atemzügen/Minute. Die Atemfrequenz trägt zur Alveolarventilation bei, d. h. dazu, wie viel Luft in die Alveolen hinein- und aus ihnen herausströmt. Die alveoläre Ventilation verhindert die Ansammlung von Kohlendioxid in den Alveolen. Es gibt zwei Möglichkeiten, die alveoläre Ventilation konstant zu halten: Erhöhung der Atemfrequenz bei gleichzeitiger Verringerung des Atemzugvolumens pro Atemzug (flache Atmung) oder Verringerung der Atemfrequenz bei gleichzeitiger Erhöhung des Atemzugvolumens pro Atemzug. In beiden Fällen bleibt die Ventilation gleich, aber die geleistete Arbeit und die Art der erforderlichen Arbeit sind ganz anders. Sowohl das Tidalvolumen als auch die Atemfrequenz werden streng reguliert, wenn der Sauerstoffbedarf steigt.

Es gibt zwei Arten von Arbeit, die während der Atmung verrichtet wird: die flussresistive und die elastische Arbeit. Flow-resistive Arbeit bezieht sich auf die Arbeit der Alveolen und des Lungengewebes, während elastische Arbeit sich auf die Arbeit der Interkostalmuskeln, der Brustwand und des Zwerchfells bezieht. Eine Erhöhung der Atemfrequenz erhöht die flussresistive Arbeit der Atemwege und verringert die elastische Arbeit der Muskeln. Eine Verringerung der Atemfrequenz kehrt die Art der erforderlichen Arbeit um.

Tensid

Die Luft-Gewebe-Wasser-Grenzfläche der Alveolen hat eine hohe Oberflächenspannung. Diese Oberflächenspannung ist vergleichbar mit der Oberflächenspannung von Wasser an der Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche eines Wassertropfens, die zur Bindung der Wassermoleküle untereinander führt. Das Tensid ist ein komplexes Gemisch aus Phospholipiden und Lipoproteinen, das die Oberflächenspannung zwischen dem Alveolengewebe und der Luft in den Alveolen verringert. Indem es die Oberflächenspannung der Alveolarflüssigkeit senkt, verringert es die Tendenz der Alveolen, zu kollabieren.

Tenside wirken wie ein Reinigungsmittel, um die Oberflächenspannung zu verringern und das Aufblasen der Atemwege zu erleichtern. Wenn ein Luftballon zum ersten Mal aufgeblasen wird, ist ein großer Kraftaufwand erforderlich, um den Kunststoff zu dehnen und den Ballon aufzublasen. Wenn ein wenig Reinigungsmittel auf das Innere des Ballons aufgetragen wird, verringert sich der Kraftaufwand, der zum Aufblasen des Ballons erforderlich ist, und es wird viel einfacher, den Ballon aufzublasen. Dieses Prinzip gilt auch für die Atemwege. Eine kleine Menge Surfactant im Gewebe der Atemwege verringert die Anstrengung oder Arbeit, die zum Aufblasen dieser Atemwege erforderlich ist. Bei Frühgeborenen wird manchmal nicht genügend Surfactant produziert. Infolgedessen leiden sie unter dem Atemnotsyndrom, weil es mehr Anstrengung erfordert, ihre Lungen aufzublähen. Surfactant ist auch wichtig, um zu verhindern, dass kleine Alveolen im Vergleich zu großen Alveolen kollabieren.

Lungenwiderstand und Compliance

Lungenkrankheiten verringern den Gasaustausch in und aus der Lunge. Zwei Hauptursachen für einen verminderten Gasaustausch sind die Compliance (die Elastizität der Lunge) und der Widerstand (das Ausmaß der Obstruktion in den Atemwegen). Eine Veränderung dieser beiden Faktoren kann die Atmung und die Fähigkeit, Sauerstoff aufzunehmen und Kohlendioxid abzugeben, drastisch verändern.

Das Diagramm zeigt das ausgeatmete Volumen im Verhältnis zur Zeit. In einer normalen Lunge kann fast die gesamte Luft innerhalb einer Sekunde nach einem tiefen Atemzug ausgeatmet werden, was zu einer Kurve führt, die zunächst steil ansteigt und kurz nach einer Sekunde ein Plateau erreicht. Das Volumen, bei dem das Plateau erreicht wird, ist die FVC. In den Lungen von Personen mit restriktiver Lungenerkrankung ist die FVC deutlich niedriger, aber die Person kann angemessen schnell ausatmen, was zu einer Kurve führt, die eine ähnliche Form hat, aber mit einem niedrigeren Plateau oder FVC als bei normalen Lungen. In den Lungen von Personen mit obstruktiven Lungenerkrankungen ist die FVC niedrig und die Ausatmung ist viel langsamer, was zu einer flacheren Kurve mit einem niedrigeren Plateau führt.

Abbildung 1. Das Verhältnis von FEV1 zu FVC.

Das Verhältnis von FEV1 (die Luftmenge, die in einer Sekunde nach einem tiefen Atemzug zwangsweise ausgeatmet werden kann) zu FVC (die gesamte Luftmenge, die zwangsweise ausgeatmet werden kann) kann verwendet werden, um zu diagnostizieren, ob eine Person eine restriktive oder obstruktive Lungenerkrankung hat. Bei einer restriktiven Lungenerkrankung ist die FVC reduziert, aber die Atemwege sind nicht blockiert, so dass die Person in der Lage ist, die Luft relativ schnell auszuatmen. Bei einer obstruktiven Lungenerkrankung führt die Obstruktion der Atemwege zu einer langsamen Ausatmung und zu einem reduzierten FVC. Daher ist das FEV1/FVC-Verhältnis bei Personen mit obstruktiver Lungenerkrankung niedriger (weniger als 69 Prozent) als bei Personen mit restriktiver Erkrankung (88 bis 90 Prozent).

Restriktive Erkrankungen

Beispiele für restriktive Erkrankungen sind das Atemnotsyndrom und die Lungenfibrose. Bei beiden Krankheiten sind die Atemwege weniger nachgiebig, sie sind steif oder fibrotisch. Die Nachgiebigkeit nimmt ab, weil sich das Lungengewebe nicht biegen und bewegen kann. Bei diesen restriktiven Erkrankungen ist der intrapleurale Druck höher und die Atemwege kollabieren beim Ausatmen, wodurch Luft in der Lunge eingeschlossen wird. Die forcierte oder funktionelle Vitalkapazität (FVC), d. h. die Luftmenge, die nach dem tiefsten möglichen Atemzug zwangsweise ausgeatmet werden kann, ist viel niedriger als bei normalen Patienten, und die Zeit, die benötigt wird, um den größten Teil der Luft auszuatmen, ist stark verlängert (Abbildung 1). Ein Patient, der an diesen Krankheiten leidet, kann nicht die normale Luftmenge ausatmen.

Obstruktive Erkrankungen

Zu den obstruktiven Erkrankungen und Zuständen gehören Emphysem, Asthma und Lungenödeme. Beim Emphysem, das meist durch das Rauchen von Tabak entsteht, werden die Wände der Lungenbläschen zerstört, wodurch sich die Oberfläche für den Gasaustausch verringert. Die Gesamtnachgiebigkeit der Lunge nimmt zu, da mit der Schädigung der Alveolenwände der elastische Rückstoß der Lunge aufgrund des Verlusts elastischer Fasern abnimmt und am Ende der Ausatmung mehr Luft in der Lunge eingeschlossen wird. Asthma ist eine Krankheit, bei der eine Entzündung durch Umweltfaktoren ausgelöst wird. Die Entzündung verstopft die Atemwege. Die Obstruktion kann durch Ödeme (Flüssigkeitsansammlungen), Spasmen der glatten Muskulatur in den Wänden der Bronchiolen, vermehrte Schleimabsonderung, Schädigung des Epithels der Atemwege oder eine Kombination dieser Ereignisse verursacht werden. Bei Menschen mit Asthma oder Ödemen kommt es durch die zunehmende Entzündung der Atemwege zu einer verstärkten Verstopfung. Dies führt zu einer Verstopfung der Atemwege und verhindert den ordnungsgemäßen Transport von Gasen (Abbildung 1). Bei Personen mit obstruktiven Erkrankungen sind nach der Ausatmung große Luftmengen eingeschlossen und sie atmen mit einem sehr hohen Lungenvolumen, um die fehlende Rekrutierung der Atemwege zu kompensieren.

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