Atemsteuerung

Die Lunge hat rechts drei Lungenlappen und links zwei. Von der Luftröhre aus, verzweigt sich ein Bronchialsystem,  das immer kleiner wird und letztendlich zu den Alveolen (luftgefüllte Bläschen)  führt. An den ~ 300 Millionen Alveolen findet der Gasaustausch von Kohlendioxid (CO2)  und  Sauerstoff (O2)  mittels Diffusion statt. Sauerstoff wird für die Zellstoffwechselprozesse im Körper benötigt. Kohlendioxid ist das Endprodukt im Zellstoffwechselprozess bei der Energiegewinnung (s. Energiebereitstellung). Die Alveole wird von Blutgefäßen (Kapillaren) umspült. Der Gasaustausch findet durch Gasdiffusion zwischen den Alveolarräumen und den Erythrozyten (rote Blutkörperchen) in den Blutkapillaren statt, wobei die Druckunterschiede von CO2 und O2 zwischen Alveolarraum und venösem Blut der Kapillare, die treibenden Kräfte sind. Die gesamte Oberfläche der Alveolen beträgt rund einhundert Quadratmeter. Die alveolären Partialdrücke für O2 betragen 13,3 kPa und für CO2 5,3 kPa. Die Partialdrücke im kapillären, venösen Blut, betragen für O2 5,33 kPa und für CO2 6,1 kPa. Hieraus ergibt sich das genannte Partialdruckgefälle für die Gasdiffusion. Das Atemminutenvolumen in Ruhelage beträgt rund sieben Liter pro Minute und bei maximaler Belastung rund 120 Liter pro Minute, für einen durchschnittlichen Menschen. Über die Atmung, kann der pH-Wert im Blut beeinflusst werden (H2O + CO2 = H2CO3 = HCO3- +  H+). Eine Mehratmung, kann CO2 abatmen und zu einer Alkalose führen bzw. eine metabolische Azidose ausgleichen. Eine Minderatmung, kann über eine CO2-Erhöhung zu einer H+ - Erhöhung  und somit zu einer Azidose führen bzw. eine Alkalose ausgleichen.

Regulation und Steuerung der Atmung

Die Atmung die unwillkürlich abläuft, wird hauptsächlich von den Partialdrücken von Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid im Blut (CO2) geregelt. Übergeordnet erfolgt zunächst die Regulierung der Atmung über den CO2-Partialdruck (zentral), bevor die Regulierung über den O2-Partialdruck (peripher) einsetzt. Bei bestimmten Erkrankungen (z.B. COPD) mit einer chronischen Erhöhung des CO2-Partialdruckes, wird die Atmung v.a. über den O2-Partialdruck reguliert. Beim Asthma bronchiale (allgergisches o. nicht-allgergisches o. belastungsinduziertem) beispielsweise, kann durch die Hyperreagibilität des Bronchialsystems (durch Allergene, nach Infektionen, beim Sport, durch Nikotin...) der Regelkreis der Atmung beeinträchtigt sein, so dass der Körper in seiner Belastungs- und Leistungsfähigkeit sehr eingschränkt sein kann.

Zentrale (hirnnahe)  Chemorezeptoren am Hirnstamm (Bereich Medulla oblongata) reagieren auf einen pH-Abfall im Hirnwasser (Liquor) durch einen CO2-Anstieg im Blut. Durch den pH-Abfall werden Bereiche der  Medulla oblongata stimuliert. Von der Medulla oblongata aus werden dann Impulse an Nerven im Hals- und Brustmark gesendet, die für die Atemmuskulatur verantwortlich sind. Bei einem CO2-Anstieg durch vermehrte Körperanstrengungen (z.B. Sport, harte Arbeit...), wird der Organismus also versuchen, durch Erhöhung der Atemarbeit, das erhöhte CO2 wieder abzuatmen und den CO2-Partialdruck zu senken.
Ergänzt wird die o.g. zentrale Atemregulierung durch periphere (hirnferne) Chemorezeptoren, die sich am Bogen der Hauptschlagader und dem hier gelegenen Abgang der Halsschlagader befinden (Glomus aorticum u. Glomus caroticum). Diese peripheren Chemorezeptoren kontrollieren den Partialdruck von O2 im arteriellen Blut. Bei einem Abfall des O2-Partialdruckes, werden über die Hirnnerven (N. vagus u. N. glossopharyngeus) Impulse von den peripheren Chemorezeptoren, an die Schaltstelle in der Medulla oblongata gesandt. Von der Medulla oblongata aus werden dann wiederum Impulse an Nerven im Hals- und Brustmark gesendet, die für die Atemmuskulatur verantwortlich sind.  Bei einem O2-Abfall, durch vermehrten Verbrauch bei Körperanstrengungen (z.B. Sport, harte Arbeit...), wird der Organismus also versuchen, durch Erhöhung der Atemarbeit, mehr Sauerstoff über die Lungen einzuatmen und den O2-Partialdruck damit wieder anzuheben. Es besteht hiermit ein Regelkreis im Körper, der auf senden und empfangen von Signalen (CO2 u. O2-Partialdruckwerten) und deren Reaktionen darauf besteht, um durch gegenseitige Rückkopplungen, die Werte von CO2 und O2 im physiologischen Bereich zu halten (s. Funktion d. Atmung).

Weitere Einflüsse auf die Atemsteuerung

Bei vermehrter Muskelarbeit und Körperanstrengungen (z.B. Sport), stimulieren erregte Dehnungsrezeptoren in der Muskulatur und den Sehnen, über Nervensignale, die Medulla oblongata (im Hirnstamm). Von der Medulla oblongata aus werden dann wiederum Impulse an Nerven im Hals- und Brustmark gesendet, die für die Atemmuskulatur verantwortlich sind. Danach kommt es je nach Körperanstrengung zu einer Vermehrung der Atemarbeit.

• Psychische Erregungen (z.B. Angst, Schmerz...) führen über höheren Zentren im Gehirn zu Stimulationen der Medulla oblongata, die wie man sieht, eine Art Schaltzentrale darstellt und wiederum bei vermehrter Köperanstrengung und Erregung, die Atemmuskulatur antreibt, um wie oben beschrieben, die Werte von CO2 und O2 im physiologischen Bereich zu halten
• Eine Veränderung der Körpertemperatur, ob Erhöhung (bei Fieber, Überhitzung...) oder Erniedrigung (bei Unterkühlung...), führt eben wieder über die Stimulation der Medulla oblongata, zu einer Stimulation der Atemmuskulatur und einer vermehrten Atemarbeit.
• Auch Hormone können die Medulla oblongata stimulieren und zu einer Mehratmung führen. Bei Frauen beispielsweise, ist in der zweiten Hälfte des Mentruationszyklus und in der Schwangerschaft, durch Veränderung der Hormonlage, die Atemarbeit vermehrt.