Funktion der Atmung

Die Atmung dient dem Gasaustausch zwischen dem Organismus und der Umgebung. Organ des Gasaustausches ist die Lunge mit ihren ~ 300 Millionen Alveolen. Um die Lunge zu bewegen und das Lungenvolumen zu verändern, sind als Atemmuskulatur v.a. das Zwerchfell, die Scalenusmuskeln und die Zwischenrippenmuskeln beteiligt. Der Gasaustausch findet hier über Diffusion, entlang von Druckgefällen der Gase Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2) statt. Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2) sind wesentlich an der Steuerung der Atmung beteiligt (s. Atemsteuerung). Die Umgebungsluft hat einen Barometerdruck von 101,3 kPa. Die Umgebungsluft setzt sich aus Sauerstoff (O2), Kohlendioxid (CO2), Stickstoff (N2) und zu einem geringen Teil aus Edelgasen zusammen. Der Gesamtdruck der Umgebungsluft (eines Gasgemisches), setzt sich aus den einzelnen Partialdrücken der Gase im Gasgemisch zusammen (DALTON: P gesamt = PA + PB + PC + PD + PE …). Der Partialdruck des Sauerstoff´s (pO2) in der Einatemluft beträgt 21,33 kPa (21%). Der Sauerstoffanteil in der Einatemluft beträgt also 21% und in der Ausatemluft werden nur noch 17% gemessen. Somit nimmt der menschliche Organismus 4% Sauerstoff bei jedem Atemzug auf. Bei einem Atemminutenvolumen (AMV)  von 10 Litern, zum Beispiel, hat der Organismus 400ml Sauerstoff aufgenommen. Der Partialdruck des Sauerstoff´s (pO2) in den Alveolen der Lunge beträgt 13,3 kPa. Der Partialdruck des Kohlendioxid´s (pCO2) beträgt 0,03 kPa. Der Partialdruck von Stickstoff (pN2) inklusive Edelgase beträgt 80,13 kPa.
Der Sauerstoff im Blut ist an Hämoglobin gebunden und wird so durch den Körper zu allen Zellen, die Sauerstoff benötigen, transportiert. Der Körper hat im Durchschnitt 150g Hämoglobin. 1g Hämoglobin kann bis 1,38ml Sauerstoff aufnehmen. Damit hat 1 Liter Blut die Sauerstoff-Bindungskapazität (O2-Kapazität) von 207ml Sauerstoff. Der tatsächliche Teil des gesamten Hämoglobin´s im arteriellen Blut, der mit Sauerstoff  angereichert ist, nennt sich Sauerstoffsättigung (O2-Sättigung) und beträgt physiologischerweise 0,98 (bzw. 98%).

Anpassung der Atmung bei körperlicher Belastung

Bei einem normalen Atemzug, werden aus der Ruhelage heraus (Nullpunkt in der Grafik) im Schnitt 0,5 Liter Luft (Atemzugvolumen eingeatmet. Das Atemzugvolumen ist aber auch abhängig von der Konstitutioin, Körpergewicht und dem Trainingszustand und liegt etwa bei 8-10ml/kg/KG.  Bei etwa 12-15 Atemzügen in Ruhe pro Minute, ergibt sich ein Atemminutenvolumen in Ruhe von ~ 7,5l für einen durchschnittlichen Menschen. Je nach Konstitution und Trainingszustand, kann das Atemminutenvolumen variieren und bei extremer Belastung bis um das 15-20-fache ansteigen.
Bei Anstrengungen (harte Arbeit, Sport...) können etwa 2,5 bis ~6 Liter Luft, je nach Konstitution und Trainingszustand zusätzlich eingeatmet werden (inspiratorisches Reservevolumen), um genügend Sauerstoff (O2) für den Körper aufnehmen zu können. Es können bei Anstrengung aber auch etwa 1,5 bis ~4 Liter Luft vom Nullpunkt gesehen, mehr ausgeatmet werden (expiratorisches Reservevolumen), was den Körper zusätzlich mit vermehrt Frischluft und damit auch mit Sauerstoff (O2) versorgen kann.
Nach der maximalen Ausatmung bleibt noch Luft in der Lunge (Residualvolumen), damit diese nicht zusammenfällt (kollabiert) und ihre Stabilität behält. Dieses Residualvolumen beträgt etwa 1,5 Liter und kann durch die Spirometrie nicht gemessen werden.
Das Atemzugvolumen (0,5l), das inspiratorische Reservevolumen (2,5l) und das expiratorische Reservevolumen (1,5l), bilden zusammen die Vitalkapazität (~ 4,5l). Die totale Lungenkapazität (~6l)  bezeichnet die Vitalkapazität (~4,5l) und das Residualvolumen (~1,5l) zusammen. Diese Werte sind abhängig von der Konstitution und dem Trainingszustand und variieren entsprechend. So kann die Vitalkapazität bei einem spitzen Trainingszustand durchaus bei 7-10 Litern liegen. Bei Ausnahmeathleten können sicherlich von Fall zu Fall, auch Ausnahmewerte gemessen werden, die fernab des "Normalen" liegen können. Durch körperliches Training und vor allem durch Ausdauertraining, kann die Kapazität (o.g. Werte) der Lunge insgesamt deutlich angehoben werden (s. Spiroergometrie u. Trainingssteuerung).

Quelle: Taschenatlas der Physiologie, S.Silbernagl/A.Despopoulos