Atmung: Steuerung durch verschiedene Kontrollmechanismen
Die Atmung als lebensnotwendige Funktion wird durch komplizierte Mechanismen genau reguliert. Gesteuert wird die Atmung durch das Zentralnervensystem. Das Atemzentrum im verlängerten Mark (Medulla oblongata), das aus Nervenzellen besteht, gibt Impulse ab, um die Einatmung einzuleiten. Diese Nervenimpulse gelangen zur Atemmuskulatur, worauf sich die an der Atmung beteiligten Muskelfasern im Zwerchfell und zwischen den Rippen verkürzen und den Brustkorb heben und weiten. Dehnungsrezeptoren in der Lunge begrenzen die Weitung des Brustkorbs, indem sie Impulse an das Atemzentrum senden. So wird gleichzeitig die Tiefe der Einatmung begrenzt.
Weitere Atmungskontrollmechanismen
Die Atmung wird jedoch nicht nur über das Zentralnervensystem gesteuert, auch die im Blut befindlichen Gase Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2) spielen eine wichtige Rolle. Sinkt der Sauerstoffpartialdruck im Blut, das heißt, wenn zu wenig Sauerstoff im Blut vorhanden ist, werden Chemorezeptoren (chemische Messfühler), die sich in Nervenausläufern des Parasympathikus befinden, aktiv.Sie melden die Tatsache, dass der O2-Partialdruck zu niedrig ist, dem Atemzentrum, woraufhin das Atemvolumen gesteigert wird (O2-Antwort). Auch ein erhöhter CO2-Partialdruck (es befindet sich zu viel CO2 im Blut) wird von Chemorezeptoren im verlängerten Mark registriert und an das Atemzentrum weitergeleitet, woraufhin sich ebenfalls das Atemvolumen erhöht (CO2-Antwort). Da sich infolge eines erhöhten Sauerstoffgehalts u. a. auch die im Blut befindliche Bikarbonatmenge erhöht, sinkt der pH-Wert des Blutes. Dieser pH-Wert wird vom Körper in engen Grenzen gehalten, weshalb auf sein Absinken auch eine Reaktion des Atemzentrums in Form einer Erhöhung des Atemvolumens erfolgt (pH-Antwort). Die stärkste Steigerung des Atemvolumens erfolgt bei erhöhtem CO2-Partialdruck. Übersteigt dieser Druck jedoch ein bestimmtes Maß (ca. 70 mmHg), wird das Atemzentrum gelähmt - die Folge ist Bewusstlosigkeit (CO2-Narkose) und es droht der Erstickungstod. Äußere Ursache für einen solch hohen CO2-Partialdruck sind Anreicherungen von CO2 in Bodennähe (z. B. in Futtersilos), innere Ursachen sind u. a. Lungenversagen und Schlafmittelvergiftung.
Im Blut von Menschen, die an chronischen Lungenerkrankungen leiden, herrscht oft ein erhöhter CO2-Partialdruck. Die Atmungsregulation erfolgt bei diesen Menschen fast nur über das Absinken des O2-Partialdrucks. Wird diesen Patienten Sauerstoff zugeführt, kann es zum Atemstillstand kommen, weil dann der Antrieb zur Atmung fehlt.
Die Blutgase spielen eine bedeutende Rolle bei der Atmungsregulation und geben Aufschluss über die Lungenfunktion. Die Analyse der Blutgase ist daher auch in der Intensivmedizin, z. B. bei der maschinellen Beatmung, von Bedeutung. Der Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt des Bluts kann sich u. a. unter Einfluss von Medikamenten verändern.
Veränderungen des Atemantriebs
Körperliche Belastung steigert die Atemtätigkeit ebenfalls - das Atemvolumen sowie die Atemfrequenz und damit das Atemminutenvolumen erhöhen sich bei körperlicher Tätigkeit. Das Herz passt sich der Belastung an und pumpt größere Mengen sauerstoffreiches Blut durch den Körper. Nicht nur die Partialdrücke der Blutgase sind an der Steigerung des Atemvolumens bei körperlichen Belastungen beteiligt, auch bestimmte Zonen des Großhirns, die motorischen Rindenfelder, tragen über Einflussnahme auf das Atemzentrum dazu bei, die Atemtätigkeit zu verstärken.
Auch Erkrankungen können Einfluss auf den Atemantrieb nehmen. So werden z. B. bei vielen Lungenerkrankungen die Blutgase auf andere Sollwerte einreguliert, wohl um einer Überlastung der Atemmuskulatur vorzubeugen. Der Zustand, bei dem der CO2-Partialdruck dauerhaft zu hoch ist, nennt sich Hyperkapnie. Durch hohe CO2-Werte wird auch der Atemantrieb beeinflusst - die CO2-Antwort ist nicht mehr so stark ausgeprägt. Solche Veränderungen des Atemantriebs können mit krankhaften Atemmustern einhergehen. Während die Ruheatmung beim Gesunden regelmäßig ist, kann es bei Hyperkapnie zur Cheyne-Stokes-Atmung kommen, bei der der Betroffene periodisch mal tiefer, mal weniger tief atmet und phasenweise Atemaussetzer auftreten. Ist der pH-Wert des Bluts dauerhaft niedrig (z. B. infolge von Stoffwechselstörungen), kommt es zur Kussmaul-Atmung mit außergewöhnlich tiefer Atmung. Die Schnappatmung, die schwerste Form der Atnemnot kurz vor dem Atemversagen, ist z. B bei Frühgeborenen mit unreifer Lunge zu beobachten.
Auch die Psyche hat Einfluss auf die Atmung - bei Angst neigen manche Menschen zur Hyperventilation, zu übermäßig schnellem und tiefem Atmen. Dadurch sinkt der CO2-Partialdruck, wodurch es zu Schwindel, im Extremfall zu Bewusstlosigkeit kommen kann. Langfristig helfen u. a. Psychotherapien, kurzfristig wendet das Atmen in eine Plastiktüte Bewusstlosigkeit ab.