Innere und äußere Atmung – Veränderung bei Belastung

Atmen ist für uns ein ganz automatischer, oft unbewusster Prozess. Dabei atmen wir in der Minute etwas zehn bis zwölf Mal ein und aus und stoßen dabei, über das Jahr verteilt, bis zu 350 Kilogramm Kohlenstoffdioxid aus, ohne es zu bemerken. Atmung ist eine zusammenfassende Bezeichnung für den gesamten Stoffwechselprozess, bei dem mit Hilfe von Sauerstoff Energie gewonnen wird. Man unterscheidet dabei die äußere und innere Atmung. Die äußere Atmung beschreibt allgemein den Gasaustausch über die Atemwege, wie zum Beispiel Nase, Mund und die Atemorgane, die Lungen und das Ein- und Ausatmen der uns umgebenden Luft, sichtbar am Heben und Senken des Brustkorbes oder Bauches. Der folgende Versuch wir uns zeigen, wie abhängig wir vom Sauerstoff insbesondere bei Bewegung sind. Der Testperson wird dazu eine Atemmaske aufgesetzt, die mit einem Messgerät verbunden ist. Dieses misst die Menge des eingeatmeten Sauerstoffs, der über die Nase oder Mund zur Lunge transportiert wird. Vier Minuten lang wird der Sauerstoffverbrauch im Ruhezustand gemessen. Das Diagramm zeigt auf der waagerechten Achse die Zeit in Minuten und auf der senkrechten die Sauerstoffaufnahme in Milliliter. Der Sauerstoffverbrauch im Stehen liegt bei 500 Milliliter pro Minute. Was passiert, wenn unsere Testperson auf dem Laufband zu gehen beginnt? Das Messgerät zeigt eine Erhöhung des Sauerstoffverbrauchs auf 2.000 Milliliter pro Minute an. Die folgenden vier Minuten läuft die Sportlerin. Die letzten vier Minuten rennt sie. Der Körper braucht mehr Energie. Die Atemfrequenz wird erhöht, das Herz schlägt schneller und der Sauerstoffverbrauch steigt deutlich an. Je stärker die Muskelarbeit, desto mehr Sauerstoff wird gebraucht. Die Menge des ausgeatmeten Sauerstoffes sinkt. Gleichzeitig erhöht sich die Menge des ausgeatmeten Kohlenstoffdioxids. Diese erfordert eine schnellere Atemtätigkeit, um mehr Sauerstoff in das Blut hinein und das Kohlenstoffdioxid heraus zu transportieren. Von der äußeren Atmung unterscheidet man die innere Atmung oder auch Zellatmung. Die innere Atmung beschreibt den gesamten chemischen Prozess, bei dem über Körperzellen, Blut und Lungenbläschen ein Gasaustausch stattfindet. Dabei wird Sauerstoff aus der eingeatmeten Luft aufgenommen und Kohlenstoffdioxid abgegeben. Dies geschieht durch Diffusion. Der aufgenommene Sauerstoff wird von den roten Blutkörperchen zu den Zellen transportiert, wo die Energiegewinnung aus Zucker mit Hilfe des Sauerstoffes stattfindet. Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid als Abfallprodukt. Der Sauerstoff ist dabei zuständig, den Brennstoff Zucker in Energie in Form von Adenosintriphosphat, kurz ATP, umzuwandeln. Diesen Stoffwechsel bezeichnet man als aeroben Stoffwechsel. Das Wort aerob leitet sich vom griechischen Wort ἀήρ aer für Luft ab. Bei normaler Belastung reicht der eingeatmete Sauerstoff aus, um eine ausreichende Energiegewinnung zu gewährleisten. Doch bei höchster Beanspruchung der Muskulatur reicht der über das Atmen bereitgestellt Sauerstoff nicht mehr aus. Die Muskeln müssen auf ihre gespeicherten Reserven zurückgreifen. Es handelt sich um Glykogen, welches bei Bedarf durch Enzyme in Glukose umgewandelt wird. Verbrauchen die Muskeln mehr ATP als die aerobe Atmung zur Verfügung stellen kann, tritt der anaeroben Stoffwechsel ein. Die Muskelzellen gewinnen ATP, indem sie die Glukose über mehrere Zwischenstufen in das Abfallprodukt Laktat verwandeln, welches auch unter dem Begriff Milchsäure bekannt ist. Die Laktatkonzentration im Muskel spiegelt sich in einer entsprechenden, im Blut messbaren, Konzentration wieder. Der Punkt, bei dem die benötigte Energie nur durch zusätzliche Energiegewinnung aus dem anaeroben Stoffwechsel bereitgestellt werden kann, wird als aerobe Schwelle bezeichnet. Diese liegt bei einer Konzentration von circa von zwei Millimol Laktat pro Liter Blut. Bei steigender Belastung nimmt die Laktatbildung zu. Jedoch sind Laktatbildung und Laktatabbau im Gleichgewicht. Bei einer Konzentration von zwei bis vier Millimol pro Liter spricht man vom aerob-anaeroben Übergangsbereich. Dem Bereich zwischen der aeroben und der anaeroben Schwelle. Bei circa vier Millimol pro Liter spricht man von der anaeroben Schwelle. Laktatbildung und -abbau stehen gerade noch im Gleichgewicht. Erhöht sich nun die Belastung, für dies zu einem starken Anstieg der Laktatkonzentration im Blut. Um die Laktatkonzentration im Blut zu messen, entnimmt man einen Tropfen Blut aus der Fingerspitze oder dem Ohrläppchen und prüft die Probe in einem transportablen Messgerät. Im Ruhezustand beträgt der Wert zwischen 1,0 Millimol und 1,8 Millimol pro Liter Blut. Dies trifft bei dieser Sportlerin zu. Bei den nun folgenden Sprints müsste der Wert deutlich steigen. Die Folge ist eine Übersäuerung des Muskels. Und damit verbunden spürbare Schmerzen in der Muskulatur. Der Test wird wiederholt. Wieder ist dafür nur ein Tröpfchen Blut nötig. Das Ergebnis bestätigt den vermuteten höheren Laktatwert. Er ist jetzt sechs mal höher als im Ruhezustand. Die anaerobe Schwelle ist damit deutlich überschritten. Und die Energiegewinnung kann kurzzeitig durch den anaeroben Stoffwechsel gesteigert werden. Bei trainierten Sportlern ist diese Schwelle individuell und unterschiedlich hoch. In Grenzbereichen kann die Laktatkonzentration bis über 20 Millimol pro Liter ansteigen.