A6 Atem-/Kreislaufversagen

Thema

Atem- und Kreislaufversagen ist auf eine Störung der Sauerstofftransportkette zurückzuführen, die Sauerstoff aus der Umgebung zu den Mitochondrien der Muskeln transportiert. Diese Kette besteht aus drei miteinander verbundenen physikalischen Teilsystemen: der Lungenventilation, die Gas in die Lunge hinein und aus ihr heraus befördert; dem Herz-Kreislauf-System, das Blut durch den Körper transportiert; und der Gewebediffusion, die Sauerstoffmolekül für Molekül zwischen Blut und Gewebe transportiert. Bei Vierbeinern besteht zudem eine bemerkenswerte mechanische Kopplung zwischen Lungenventilation und Fortbewegung: Die durch den Aufprall der Gliedmaßen auf den Boden verursachte Rumpfverformung synchronisiert den Atemzyklus mechanisch mit dem Gangzyklus und reduziert so den Energieaufwand für die Atmung. Bei Erkrankungen geht diese Kopplung zwischen Ventilation und Fortbewegung verloren.

Die Lungenventilation wird als pulsierender Gasstrom modelliert, der in ein Netzwerk elastischer Kanäle ein- und ausströmt, analog zu einem Netzwerk von Rohren, die sich mit jedem Atemzyklus ausdehnen und zusammenziehen. In dieser Strömung vergleicht eine dimensionslose Kennzahl die relative Bedeutung der Trägheitskräfte des strömenden Gases mit den viskosen Kräften, die es an den Gefäßwänden abbremsen. Dieses Trägheits-Viskositäts-Verhältnis bestimmt, wie gleichmäßig oder pulsierend das Strömungsprofil in der Lunge ist.

Der Sauerstoff, den die Lungenventilation zu den Alveolen transportiert, muss dann Molekül für Molekül in das Blut gelangen, das in den Kapillaren um jede Alveole zirkuliert. Dies ist die Gewebediffusion, und die Geschwindigkeit, mit der Sauerstoff diese Barriere zwischen Alveole und Kapillare überwindet, ist direkt proportional zur Differenz des Sauerstoffpartialdrucks zwischen den beiden Seiten. Je größer diese Druckdifferenz ist, desto schneller gelangt der Sauerstoff ins Blut.

Sobald Sauerstoff in den Blutkreislauf gelangt, steigt der Anteil des Hämoglobins, der ihn tatsächlich gebunden transportiert – seine Sauerstoffsättigung – nicht proportional zum verfügbaren Sauerstoffpartialdruck. Stattdessen folgt sie einer S-förmigen Kurve: Sie flacht an den Extremen ab, sowohl bei sehr niedrigem als auch bei sehr hohem Druck, und steigt in einem mittleren Druckbereich steil an. Diese Kurve verschiebt sich zudem in Abhängigkeit von der Bluttemperatur, dem Säuregrad und der Menge an gelöstem Kohlendioxid: Wenn sich das Blut erwärmt, saurer wird oder mehr Kohlendioxid anreichert, gibt Hämoglobin bei gleichem Druckniveau leichter Sauerstoff ab. Diese Verschiebung der Kurve hat kritische Konsequenzen, wenn das Tier unter schwerer Hypoxie leidet.

Das Herz-Kreislauf-System, das sauerstoffreiches Blut durch den Körper transportiert, hängt in erster Linie davon ab, wie viel Blut das Herz mit jedem Schlag pumpt: Das Blutvolumen, das das Herz mit jeder Systole auswirft, steigt mit der Vorlast, also mit dem Blutvolumen, das das Herz am Ende der vorhergehenden Diastole enthält – je mehr sich das Herz vor der Kontraktion füllt, desto mehr Blut wirft es anschließend aus. Der mittlere arterielle Blutdruck wird wiederum durch den Widerstand der peripheren Blutgefäße gegen den Blutfluss und das vom Herzen pro Zeiteinheit gepumpte Blutvolumen bestimmt.

Als Reaktion auf längeren Aufenthalt in großer Höhe oder unter Wasser verändert der Körper diese Sauerstofftransportkette dauerhaft: Die Anzahl der im Blut zirkulierenden roten Blutkörperchen steigt, und die Sauerstoffbindungskapazität des Hämoglobins verändert sich. Dadurch wird die im vorherigen Abschnitt beschriebene Sättigungskurve permanent an die Bedingungen der neuen Umgebung angepasst.

Wenn die Sauerstofftransportkette zu den Muskelmitochondrien den Bedarf für die Bewegung nicht mehr decken kann, sinkt die maximale Sauerstoffaufnahme des Körpers unter diesen Bedarf, was das Tier zwingt, sich zu verlangsamen oder ganz anzuhalten. Bei tauchenden Säugetieren begrenzt dieselbe Kette die Apnoe: Die Apnoe hält an, solange die Kohlendioxidkonzentration im Blut niedrig ist, und endet, sobald diese Konzentration hoch genug ansteigt, um den Atemreflex auszulösen und das Tier zum Wiedereinatmen zu zwingen.

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