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Gasaustausch

1 Definition

Der Gasaustausch beschreibt den physikalischen Vorgang, bei dem sich zwei oder mehr Gase in einem definierten Raum neu verteilen.

Im menschlichen Körper spielt der Gasaustausch durch permeable Membranen bei der Atmung eine entscheidende Rolle.

2 Physiologie

2.1 Grundvoraussetzungen

Für einen hinreichenden Gasaustausch im menschlichen Körper müssen 3 Grundvorraussetzungen erfüllt sein:

  • Es muss eine ausreichende Ventilation der Lunge gewährleistet sein
  • Es muss eine ungestörte Diffusion der Atemgase in den Alveolen erfolgen
  • Die Lunge muss ausreichend durchblutet sein (Perfusion)

Dem gesunden Erwachsenen stehen stark variierend durch Körpergröße und Trainingsstatus zwischen 70 und 140 m2 Gasaustauschfläche zur Verfügung. Zu beachten ist, dass der anatomische Totraum nicht am Gasaustausch beteiligt ist.

Ebenfalls wichtig für einen funktionierenden Gasaustausch sind die unterschiedlichen Partialdrücke von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid in der Außenluft:

  • CO2 = 0,2 mmHg / 0,03 kPa
  • O2 = 150 mmHg / 20 kPa

2.2 Alveoläre Ventilation

Für eine konstante Gaszusammensetzung im Alveolarraum sorgt ein einfacher physikalischer Mechanismus. Bei jedem Atemzug wird nur ungefähr 1/10 der Luft ausgetauscht und diese "neue" Luft vermischt sich mit den 2,5 - 3 Litern Gas, die in der funktionellen Residualkapazität im Alveolarraum stetig verbleiben.

Bevor es in den Alveolen zur Diffusion kommen kann, also zum eigentlichen Gasaustausch, verändern sich im Laufe der Inspiration die Partialdrücke von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid. Diese Veränderungen kommen einmal durch den Austausch von CO2 und O2 zustande, zum anderen wird die eingeatmete Luft im Bronchialbereich zu 100% mit Wasserdampf gesättigt.

Inspirationsluft Alveoläres Gasgemisch
O2 150 mmHg = 20 kPa 100 mmHg = 13,3 kPa
CO2 0,2 mmHg = 0,03 kPa 40 mmHg = 5,3 kPa

2.3 Diffusion in den Alveolen

Nach dem 1. Fick'schen Diffusionsgesetz ist die Diffusion eines Gases von folgenden Faktoren abhängig:

  • Differenz zwischen den Partialdrücken
  • Diffusionsstrecke
  • Fläche, die für die Diffusion zur Verfügung steht
  • einem speziellem Koeffizient, der für jedes Gas unterschiedlich ist (Krogh'scher Diffusionskoeffizient)

Der Diffusionskoeffizient liegt für CO2 gut 20 mal höher, als für O2, das erklärt den geringeren Unterschied zwischen den CO2 Partialdrücken in der Luft und im Blut. Das heißt in gleicher Zeit diffundiert 20 mal soviel CO2 durch die Membran als O2.

Vor dem Gasaustausch Nach dem Gasaustausch
O2 = 40 mmHg O2 = 100 mmHg
CO2 = 46 mmHg CO2 = 40 mmHg

Diese Unterschiede nehmen während der Diffusion mit steigender Kontaktzeit des Blutes mit der Membran stetig ab, daher erfolgt der größte Gasaustausch zu Beginn der Kapillarzone.

Die Diffusion läuft über eine Diffusionsstrecke von nur gut 1-2 μm und die Kontaktzeit des Blutes mit der Membran in den Alveolen beträgt nur 0,5 Sekunden. Gemeinsam mit den gut 140 m2 Kontaktfläche kann ein voll ausreichender Gasaustausch erfolgen und es bleiben bei normaler Ruheatmung ausreichend Reserven für Leistungssteigerungen, welche durch eine Sympathikus-Aktivierung abgerufen werden können.

Fachgebiete: Physik

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