Anatomie und Physiologie II

In Ruhe, führt das Atmungssystem seine Funktionen in einem konstanten, rhythmischen Rhythmus aus, der von den Atmungszentren des Gehirns gesteuert wird. In diesem Rhythmus versorgt die Atmung alle Gewebe des Körpers mit ausreichend Sauerstoff. Es gibt jedoch Zeiten, in denen das Atmungssystem den Rhythmus seiner Funktionen ändern muss, um dem Sauerstoffbedarf des Körpers gerecht zu werden.

Hyperpnoe

Hyperpnoe ist eine erhöhte Tiefe und Rate der Ventilation, um einen erhöhten Sauerstoffbedarf zu decken, wie er bei körperlicher Anstrengung oder Krankheit, insbesondere bei Krankheiten, die die Atemwege oder den Verdauungstrakt betreffen, auftreten kann. Dadurch wird der Sauerstoff- oder Kohlendioxidgehalt im Blut nicht wesentlich verändert, sondern lediglich die Tiefe und Geschwindigkeit der Ventilation erhöht, um den Bedarf der Zellen zu decken. Im Gegensatz dazu ist Hyperventilation eine erhöhte Beatmungsrate, die unabhängig vom Sauerstoffbedarf der Zellen ist und zu abnorm niedrigen Kohlendioxidwerten im Blut und einem hohen (alkalischen) pH-Wert im Blut führt.

Interessanterweise verursacht körperliche Betätigung keine Hyperpnoe, wie man annehmen könnte. Die Muskeln, die während des Trainings arbeiten, erhöhen ihren Sauerstoffbedarf, was zu einer Steigerung der Ventilation führt. Die Hyperpnoe bei körperlicher Anstrengung scheint jedoch aufzutreten, bevor es zu einem Abfall des Sauerstoffgehalts in den Muskeln kommen kann. Daher muss die Hyperpnoe durch andere Mechanismen ausgelöst werden, entweder anstelle eines Sauerstoffabfalls oder zusätzlich zu diesem. Die genauen Mechanismen, die der Hyperpnoe bei körperlicher Anstrengung zugrunde liegen, sind nicht genau bekannt, und einige Hypothesen sind umstritten. Neben niedrigem Sauerstoffgehalt, hohem Kohlendioxidgehalt und niedrigem pH-Wert scheint es jedoch ein komplexes Zusammenspiel von Faktoren zu geben, die mit dem Nervensystem und den Atmungszentren des Gehirns zusammenhängen.

Erstens führt die bewusste Entscheidung, Sport zu treiben oder eine andere Form der körperlichen Anstrengung zu betreiben, zu einem psychologischen Reiz, der die Atmungszentren des Gehirns dazu veranlassen kann, die Ventilation zu erhöhen. Darüber hinaus können die Atemzentren des Gehirns durch die Aktivierung von Motoneuronen stimuliert werden, die Muskelgruppen innervieren, die an der körperlichen Aktivität beteiligt sind. Schließlich stimuliert die körperliche Anstrengung die Propriozeptoren, d. h. die Rezeptoren in den Muskeln, Gelenken und Sehnen, die Bewegungen und Dehnungen wahrnehmen; die Propriozeptoren erzeugen somit einen Reiz, der auch die Atemzentren des Gehirns auslösen kann. Diese neuronalen Faktoren stehen im Einklang mit dem plötzlichen Anstieg der Atmung, der unmittelbar zu Beginn der Belastung zu beobachten ist. Da die Atmungszentren während des Trainings durch psychologische, motorische Neuronen und Propriozeptoren stimuliert werden, unterstützt die Tatsache, dass es unmittelbar nach dem Ende des Trainings, wenn diese neuronalen Reize aufhören, zu einer plötzlichen Abnahme der Ventilation kommt, die Vorstellung, dass sie an der Auslösung der Ventilationsänderungen beteiligt sind.

Höheneffekte

Eine Zunahme der Höhe führt zu einer Abnahme des atmosphärischen Drucks. Obwohl der Anteil des Sauerstoffs an den Gasen in der Atmosphäre bei 21 Prozent bleibt, sinkt sein Partialdruck (siehe Tabelle 1). Infolgedessen ist es für einen Körper schwieriger, in großer Höhe den gleichen Grad an Sauerstoffsättigung zu erreichen wie in geringer Höhe, da der Luftdruck geringer ist. Tatsächlich ist die Hämoglobinsättigung in großen Höhen niedriger als auf Meereshöhe. Zum Beispiel beträgt die Hämoglobinsättigung in einer Höhe von 19.000 Fuß über dem Meeresspiegel etwa 67 Prozent, während sie auf Meereshöhe etwa 98 Prozent erreicht.

Tabelle 1. Partialdruck von Sauerstoff in verschiedenen Höhen
Beispielort	Höhe (Fuß über dem Meeresspiegel)	Luftdruck (mm Hg)	Partialdruck von Sauerstoff (mm Hg)
New York City, New York	0	760	159
Boulder, Colorado	5000	632	133
Aspen, Colorado	8000	565	118
Pike’s Peak, Colorado	14.000	447	94
Denali (Mt. McKinley), Alaska	20.000	350	73
Mt. Everest, Tibet	29.000	260	54

Wie Sie sich erinnern, ist der Partialdruck extrem wichtig, um zu bestimmen, wie viel Gas die Atmungsmembran passieren und in das Blut der Lungenkapillaren eindringen kann. Ein niedriger Sauerstoffpartialdruck bedeutet, dass der Unterschied zwischen den Partialdrücken in den Alveolen und im Blut geringer ist, so dass weniger Sauerstoff die Atmungsmembran durchqueren kann. Infolgedessen werden weniger Sauerstoffmoleküle vom Hämoglobin gebunden. Trotzdem erhalten die Körpergewebe in der Ruhephase in großen Höhen immer noch eine ausreichende Menge an Sauerstoff. Dies ist auf zwei wichtige Mechanismen zurückzuführen. Erstens ist die Anzahl der Sauerstoffmoleküle, die aus dem Blut in das Gewebe gelangen, auf Meereshöhe und in großen Höhen nahezu gleich. Auf Meereshöhe ist die Hämoglobinsättigung höher, aber nur ein Viertel der Sauerstoffmoleküle wird tatsächlich an das Gewebe abgegeben. In großen Höhen wird ein größerer Anteil der Sauerstoffmoleküle an das Gewebe abgegeben. Zweitens wird in großen Höhen eine größere Menge an BPG von den Erythrozyten produziert, was die Dissoziation von Sauerstoff aus dem Hämoglobin fördert. Körperliche Anstrengung, wie Skifahren oder Wandern, kann aufgrund der geringen Sauerstoffreserven im Blut in großen Höhen zur Höhenkrankheit führen. Auf Meereshöhe ist im venösen Blut eine große Sauerstoffreserve vorhanden (auch wenn venöses Blut als „sauerstoffarm“ gilt), aus der die Muskeln bei körperlicher Anstrengung schöpfen können. Da die Sauerstoffsättigung in höheren Lagen viel niedriger ist, ist diese venöse Reserve gering, was zu pathologischen Symptomen eines niedrigen Sauerstoffgehalts im Blut führt. Vielleicht haben Sie schon einmal gehört, dass es wichtig ist, mehr Wasser zu trinken, wenn Sie in größeren Höhen unterwegs sind, als Sie es gewohnt sind. Der Grund dafür ist, dass Ihr Körper in großen Höhen vermehrt uriniert, um den Auswirkungen des niedrigeren Sauerstoffgehalts entgegenzuwirken. Durch den Flüssigkeitsentzug sinkt der Blutplasmaspiegel, nicht aber die Gesamtzahl der Erythrozyten. Auf diese Weise erhöht sich die Gesamtkonzentration der Erythrozyten im Blut, was dazu beiträgt, dass die Gewebe den benötigten Sauerstoff erhalten.

Die akute Höhenkrankheit (AMS) oder Höhenkrankheit ist ein Zustand, der durch eine akute Exposition in großen Höhen aufgrund eines niedrigen Sauerstoffpartialdrucks in großen Höhen entsteht. AMS kann typischerweise in einer Höhe von 2400 Metern (8000 Fuß) über dem Meeresspiegel auftreten. AMS ist eine Folge des niedrigen Sauerstoffgehalts im Blut, da der Körper akute Schwierigkeiten hat, sich an den niedrigen Sauerstoffpartialdruck anzupassen. In schweren Fällen kann AMS ein Lungen- oder Hirnödem verursachen. Zu den Symptomen von AMS gehören Übelkeit, Erbrechen, Müdigkeit, Benommenheit, Schläfrigkeit, Orientierungslosigkeit, erhöhter Puls und Nasenbluten. Die einzige Behandlung für AMS ist der Abstieg auf eine niedrigere Höhe; allerdings können pharmakologische Behandlungen und zusätzlicher Sauerstoff die Symptome verbessern. AMS kann verhindert werden, indem man langsam in die gewünschte Höhe aufsteigt, dem Körper die Möglichkeit gibt, sich zu akklimatisieren, und auf eine ausreichende Flüssigkeitszufuhr achtet.

Akklimatisierung

Besonders in Situationen, in denen der Aufstieg zu schnell erfolgt, kann die Reise in Gebiete mit großer Höhe AMS verursachen. Akklimatisierung ist der Anpassungsprozess, den das Atmungssystem aufgrund der chronischen Exposition in großer Höhe durchführt. Über einen gewissen Zeitraum hinweg passt sich der Körper an den niedrigeren Sauerstoffpartialdruck an. Der niedrige Sauerstoffpartialdruck in großen Höhen führt zu einer geringeren Sauerstoffsättigung des Hämoglobins im Blut. Im Gegenzug ist auch der Sauerstoffgehalt im Gewebe geringer. Infolgedessen werden die Nieren zur Produktion des Hormons Erythropoietin (EPO) angeregt, das die Produktion von Erythrozyten anregt, was bei einer Person, die sich über einen längeren Zeitraum in großer Höhe aufhält, zu einer größeren Anzahl zirkulierender Erythrozyten führt. Je mehr rote Blutkörperchen vorhanden sind, desto mehr Hämoglobin steht für den Transport des verfügbaren Sauerstoffs zur Verfügung. Auch wenn die Sättigung der einzelnen Hämoglobinmoleküle niedrig ist, ist mehr Hämoglobin und damit mehr Sauerstoff im Blut vorhanden. Im Laufe der Zeit kann sich die Person so körperlich anstrengen, ohne AMS zu entwickeln.

Kapitelübersicht

Normalerweise halten die Atemzentren des Gehirns einen gleichmäßigen, rhythmischen Atemzyklus aufrecht. In bestimmten Fällen muss sich das Atmungssystem jedoch an situative Veränderungen anpassen, um den Körper mit ausreichend Sauerstoff zu versorgen. So führt z. B. körperliche Anstrengung zu einer verstärkten Ventilation, und eine chronische Exposition in großer Höhe führt zu einer größeren Anzahl von zirkulierenden Erythrozyten. Hyperpnoe, eine Erhöhung der Beatmungsrate und -tiefe, scheint eine Funktion dreier neuronaler Mechanismen zu sein, zu denen ein psychologischer Reiz, die Aktivierung der Motoneuronen der Skelettmuskeln und die Aktivierung von Propriozeptoren in den Muskeln, Gelenken und Sehnen gehören. Infolgedessen wird die Hyperpnoe im Zusammenhang mit körperlicher Betätigung zu Beginn der Betätigung ausgelöst und nicht erst dann, wenn der Sauerstoffbedarf des Gewebes tatsächlich ansteigt.

Im Gegensatz dazu führt eine akute Exposition in großer Höhe, insbesondere während körperlicher Anstrengung, zu einem niedrigen Sauerstoffgehalt im Blut und im Gewebe. Diese Veränderung wird durch einen niedrigen Sauerstoffpartialdruck in der Luft verursacht, da der atmosphärische Druck in großen Höhen niedriger ist als der auf Meereshöhe. Dies kann zu einem Zustand führen, der als akute Höhenkrankheit (AMS) bezeichnet wird und Symptome wie Kopfschmerzen, Orientierungslosigkeit, Müdigkeit, Übelkeit und Benommenheit aufweist. Über einen längeren Zeitraum hinweg gewöhnt sich der Körper an die große Höhe, ein Prozess, der als Akklimatisierung bezeichnet wird. Während der Akklimatisierung veranlasst der niedrige Sauerstoffgehalt im Gewebe die Nieren, größere Mengen des Hormons Erythropoietin zu produzieren, das die Produktion von Erythrozyten anregt. Erhöhte Mengen an zirkulierenden Erythrozyten sorgen für eine erhöhte Menge an Hämoglobin, das dazu beiträgt, eine Person mit mehr Sauerstoff zu versorgen und die Symptome von AMS zu verhindern.

Selbsttest

Beantworten Sie die folgende(n) Frage(n), um zu sehen, wie gut Sie die im vorherigen Abschnitt behandelten Themen verstehen.

Glossar

akute Höhenkrankheit (AMS): Zustand, der als Folge einer akuten Exposition in großer Höhe aufgrund eines niedrigen Sauerstoffpartialdrucks auftritt

Akklimatisierung: Anpassungsprozess, den das Atmungssystem aufgrund einer chronischen Exposition in großer Höhe durchläuft

Hyperpnoe: Erhöhte Beatmungsrate und -tiefe aufgrund eines erhöhten Sauerstoffbedarfs, der den Sauerstoff- oder Kohlendioxidgehalt im Blut nicht wesentlich verändert

Hyperventilation: Erhöhte Beatmungsrate, die zu einem abnorm niedrigen Kohlendioxidgehalt im Blut und einem hohen (alkalischen) pH-Wert im Blut führt