Aufgaben: Das Atmungssystem

Schreibe den Weg auf, den ein Sauerstoffmolekül vom Eintritt durch die Nasenlöcher bis zu einem Lungenbläschen nimmt, und nenne der Reihe nach alle Strukturen, die es durchläuft.

Betrachte die Abbildung des Atmungssystems. Gib an, welche Nummer die Luftröhre und welche das Zwerchfell kennzeichnet, und beschreibe die Aufgabe dieser beiden Strukturen.

Erkläre mit eigenen Worten, was Lungenbläschen (Alveolen) sind und warum sie der geeignete Ort für den Gasaustausch zwischen Luft und Blut sind.

Erkläre den Unterschied zwischen Einatmung und Ausatmung und gib an, welches Gas die Lunge hauptsächlich aus der eingeatmeten Luft aufnimmt und welches Gas mit der ausgeatmeten Luft abgegeben wird.

Bringe die folgenden Strukturen in die Reihenfolge des Luftwegs von außen bis zu den Lungenbläschen: Bronchien, Luftröhre, Nasenlöcher, Kehlkopf, Bronchiolen, Rachen.

Erkläre, warum man sagt, der Rachen sei eine „Kreuzung“ zwischen Verdauungs- und Atmungssystem, und welche zwei Arten von Stoffen ihn passieren.

Gib an, ob die folgenden Aussagen richtig oder falsch sind, und begründe deine Antwort: a) Die Lungen sind Muskeln, die sich zusammenziehen, um Luft einzusaugen; b) Die Lungenbläschen sind von Blutkapillaren umgeben; c) Die ausgeatmete Luft enthält mehr Kohlenstoffdioxid als die eingeatmete.

Die Atemwege sind mit Schleim und Flimmerhärchen ausgekleidet. Erkläre, was diese beiden Elemente jeweils sind und wie sie zusammenwirken, um die Atemluft zu reinigen.

Beschreibe, was bei der Einatmung und bei der Ausatmung mit dem Zwerchfell und den Rippen geschieht, und erkläre, wie diese Bewegungen das Ein- und Ausströmen der Luft in die und aus der Lunge bewirken.

Wenn wir gewohnheitsmäßig durch den Mund atmen, gelangt die Luft kälter, trockener und mit mehr Partikeln in die Lunge als bei der Atmung durch die Nase. Erkläre anhand der nummerierten Strukturen in der Abbildung, was mit der Luft beim Durchströmen der Nasenhöhle geschieht und warum es empfehlenswert ist, durch die Nase zu atmen.

Ein Luftballon in einer Flasche mit elastischem Boden ist ein selbstgebautes Modell des Atmungssystems: Zieht man am Gummi am Boden, bläht sich der Ballon auf. Erkläre, was der Ballon, die Flasche und der Gummi am Boden darstellen, und nenne eine wichtige Einschränkung dieses Modells im Vergleich zum echten menschlichen Körper.

Beim Laufen atmen wir schneller und tiefer. Erkläre, welche Muskeln die Atembewegungen ausführen und warum die Muskelzellen bei körperlicher Anstrengung mehr Sauerstoff benötigen.

Die Wände der Lungenbläschen und der sie umgebenden Kapillaren sind extrem dünn. Erkläre, warum diese Dünnheit für den Gasaustausch unerlässlich ist, und überlege, was geschehen würde, wenn diese Wände dick wären.

Wenn die Nase durch eine Erkältung verstopft ist, atmen wir durch den Mund und spüren einen trockenen, gereizten Hals. Setze dieses Unwohlsein in Beziehung zu den Aufgaben, die die Luft beim Durchströmen der Nasenhöhle erfährt, und erkläre, warum die Verstopfung im Liegen meist schlimmer wird.

Erkläre, welche zwei Bewegungen der Brustkorb ausführt, um die Luft in der Lunge zu erneuern, und welcher unter der Lunge gelegene Muskel hauptsächlich für diese Bewegungen verantwortlich ist.

Wenn du auf eine kalte Glasscheibe hauchst, beschlägt sie durch die ausgeatmete Luft. Erkläre, was dieses Phänomen über den Inhalt der ausgeatmeten Luft zeigt, und setze es in Beziehung zu einer der Aufgaben, die die Nasenhöhle für die eingeatmete Luft erfüllt.

In Ruhe atmet eine Person bei jedem Atemzug etwa $0,5\ \text{L}$ Luft ein und macht etwa $14$ Atemzüge pro Minute. Berechne das Luftvolumen, das sie in einer Stunde bewegt. Wenn beim Sport das Volumen pro Atemzug auf $2\ \text{L}$ und die Frequenz auf $30$ Atemzüge pro Minute steigt, berechne, um das Wievielfache das pro Stunde bewegte Luftvolumen größer ist, und erkläre, warum der Körper diese Steigerung braucht.

Raucher zerstören im Laufe der Jahre einen Teil der Wände ihrer Lungenbläschen (Lungenemphysem), sodass die Lungenbläschen zu größeren Hohlräumen mit weniger Gesamtoberfläche verschmelzen. Begründe anhand der Funktionsweise des Gasaustauschs, warum diese Menschen bei körperlicher Anstrengung keine Luft bekommen, obwohl sich ihre Lunge weiterhin mit Luft füllt.

Bei einem Abendessen spricht und lacht ein Gast, während er kaut und schluckt. Plötzlich bekommt er einen heftigen Hustenanfall und greift sich an den Hals. Ein Zeuge sagt: „Er hat sich verschluckt, weil sich der Kehldeckel zur falschen Zeit geschlossen und das Essen in die Speiseröhre umgeleitet hat.“

1. a) Widerlege die Erklärung des Zeugen: Erkläre die tatsächliche Aufgabe des Kehldeckels beim Schlucken, welchen Weg er schützen muss und wohin die Nahrung in Wirklichkeit gelangt ist.
2. b) Begründe, warum es anatomisch unmöglich ist, gleichzeitig zu sprechen und zu schlucken, und erkläre, warum der kräftige Hustenreflex in dieser Situation die wirksamste Schutzreaktion des Atmungssystems ist.

In einer Notaufnahme werden zwei Patienten mit Sauerstoffversorgungsproblemen aufgenommen:

• Patient 1: Er hat einen schweren Asthmaanfall; er kann kaum belüften und die Luft gelangt kaum in seine Lunge.

• Patient 2: Er hat Kohlenstoffmonoxid aus einem defekten Kohlebecken eingeatmet. Atemfrequenz und Atemvolumen sind normal und die Luft gelangt ohne Schwierigkeiten bis in seine Lungenbläschen.

Ein Praktikant behauptet, Patient 2 sei nicht in Lebensgefahr, weil „seine Lunge Luft aufnimmt und völlig normal belüftet“.

1. a) Widerlege die Schlussfolgerung des Praktikanten: Bestimme, in welchem Teilschritt der Atmung (Lungenbelüftung, Diffusion in den Lungenbläschen, Transport im Blut oder Zellatmung) bei jedem Patienten die Störung auftritt.
2. b) Erkläre, warum die Zellen von Patient 2 trotz gut mit Luft gefüllter Lunge unmittelbar in Gefahr sind, wegen Sauerstoffmangel abzusterben.

Die folgende Tabelle zeigt die Entwicklung zweier Werte im Blut eines Radfahrers während seiner sportlichen Vorbereitung:

1. a) Deute die Daten: Begründe, warum sein Körper in den Bergen die Bildung roter Blutkörperchen erhöht hat, und stelle den Bezug zum geringeren Sauerstoffdruck der Luft und zur Diffusion in den Lungenbläschen her.
2. b) Sage voraus, zu welchem Zeitpunkt (direkt nach dem Abstieg oder nach vier Wochen) er bei einem Rennen auf Meereshöhe den größten Wettbewerbsvorteil hat, und erkläre, warum diese physiologische Verbesserung mit der Zeit verschwindet.

In der Notaufnahme werden zwei Fälle von Verschlucken mit Fremdkörpern behandelt, die die Atemwege blockieren:

• Fall A: Ein Stück Nahrung steckt im Kehlkopf fest und blockiert die Stimmritze.

• Fall B: Ein Spielzeugteil ist über die Luftröhre hinaus abgerutscht und steckt fest im rechten Hauptbronchus.

Das medizinische Team erwägt einen Notfall-Luftröhrenschnitt (künstliche Öffnung an der Vorderseite der Luftröhre).

1. a) Sage voraus und begründe, in welchem der beiden Fälle der Luftröhrenschnitt die Erstickung beseitigt, indem er Luft zu beiden Lungenflügeln gelangen lässt, und warum der Eingriff im anderen Fall das Problem nicht löst.
2. b) Erkläre für den Fall, in dem der Luftröhrenschnitt nicht wirksam ist, welche Folge die Verstopfung für den Gasaustausch in jedem Lungenflügel hat, und überlege, ob der Patient vorübergehend mit nur einem funktionierenden Lungenflügel überleben kann.

In einer Lungenarztpraxis wird bei zwei sportlichen Jugendlichen eine Spirometrie durchgeführt:

• Patient 1 (gesund): Er atmet in der ersten Sekunde einer erzwungenen Ausatmung $3,6\ \text{L}$ Luft aus.

• Patient 2 (während eines Atemnotanfalls): Er schafft in der ersten Sekunde nur $1,5\ \text{L}$, doch nach dem Inhalieren eines bronchienerweiternden Medikaments steigt sein Wert auf $3,3\ \text{L}$.

1. a) Deute die Daten von Patient 2: Leite her, welche physikalische Veränderung am Durchmesser seiner Bronchien und Bronchiolen während des Anfalls eingetreten ist und welche Wirkung das Medikament auf die Muskulatur dieser Atemwege hatte.
2. b) Ein Verwandter von Patient 2 behauptet: „Wenn die Lungenbläschen nicht geschädigt sind, müsste der Sauerstoffaustausch mit dem Blut während des Anfalls völlig normal sein.“ Widerlege diese Aussage und begründe, warum eine gestörte Belüftung der Bronchien den Sauerstoffaustausch verringern kann, auch wenn die Lungenbläschen gesund sind.

Die eingeatmete Luft enthält etwa $21\ \%$ Sauerstoff und $0,04\ \%$ Kohlenstoffdioxid; die ausgeatmete Luft etwa $16\ \%$ Sauerstoff und $4\ \%$ Kohlenstoffdioxid. Vergleiche beide Zusammensetzungen, erkläre, was die Lunge mit der Luft gemacht hat, und begründe anhand der Daten, warum die ausgeatmete Luft bei der Mund-zu-Mund-Beatmung noch verwertet werden kann.