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Atmung – Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut 07:23 min

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Transkript Atmung – Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut

Hallo. Willkommen zum Video Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut. Wir atmen ständig Luft ein und aus. Um unseren Energiegehalt zu decken, ist eine ständige Versorgung mit Sauerstoff wichtig. In diesem Video lernst du, warum eine Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut nötig ist. Du erfährst, wie diese Regulation in unserem Körper durchgeführt wird. Hierbei lernst du das entsprechende Regelkreisschema kennen. Um dieses Video optimal zu verstehen, solltest du bereits wissen, wie die Atmung über die Lungen abläuft und wie der Sauerstoff über den Blutkreislauf an die Organe im Körper transportiert wird. Der Sauerstoffverbrauch unseres Körpers ändert sich bereits, wenn wir zum Beispiel sprechen, singen oder wenn wir Aufregung verspüren. Am stärksten ändert sich der Sauerstoffverbrauch des Körpers, wenn Muskelarbeit verrichtet wird. Zum Beispiel, wenn wir schwere körperliche Arbeit verrichten oder uns sportlich betätigen. Bestimmt bist du schonmal beim Laufen zum Schnaufen gekommen. Um den erhöhten Sauerstoffbedarf nachzukommen, wird die Atemfrequenz und das Atemvolumen erhöht. Gleichzeitig muss die Durchblutung der Lungenkapillaren erhöht werden, damit die erhöhte Sauerstoffmenge genutzt werden kann. Deine Herzfrequenz steigt. Deshalb spürst du nach körperlicher Anstrengung dein Herz schlagen. Wieso ist dies nötig? Du weißt jetzt, durch Muskelarbeit steigt der Sauerstoffverbrauch. Das heißt, die Konzentration von Sauerstoff sinkt. Gleichzeitig wird die Kohlenstoffdioxid-Konzentration in den Venen erhöht. Es ist eine Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut nötig. Das Ziel dieses Mechanismus ist die Konstanthaltung der Konzentration von Sauerstoff, O2, und Kohlendioxid, CO2, im Blut der Arterien. Unsere Atemtätigkeit kann zwar willentlich beeinflusst werden, läuft aber hauptsächlich unbewusst ab und wird durch das Atemzentrum beeinflusst. Dies ist ein im Nachhirn gelegenes Gehirngebiet, das das Ein- und Ausatmen reguliert. Das Atemzentrum regelt den Grundrhythmus des Atmens. Nun ein Überblick des Regulationsmechanismus: Die Konzentration von Sauerstoff und Kohlenstoff wird von Chemorezeptoren gemessen. Diese befinden sich in den Halsschlagadern und an der Aorta. Auch der pH-Wert wird gemessen. Die Zunahme von CO2 im Blut führt zur Bildung von Kohlensäure. Andere Chemorezeptoren sitzen im Gehirn und messen dort den pH-Wert der Gehirnflüssigkeit. Es erfolgt eine Meldung dieses Messwertes an das Atemzentrum. Neben dieser chemischen Kontrolle existiert auch eine mechanische Kontrolle. Dehnungsrezeptoren im Lungengewebe und in der Zwischenrippenmuskulatur sind ebenfalls an der Regelung der Atembewegung beteiligt. Sie messen die Dehnung beziehungsweise die Volumenzunahme der Lunge beim Einatmen und stellen sicher, dass es zu keiner Überdehnung der Lunge kommt. Diese Dehnungsrezeptoren schicken eine Meldung an das Atemzentrum. Das Signal wird verarbeitet und der entsprechende Befehl wird an die Zwischenrippenmuskeln und das Zwerchfell geschickt. So kann die Atemtiefe an den jeweiligen Sauerstoffbedarf angepasst werden. Die Regulation der Sauerstoffkonzentration kann anhand eines Regelkreisschemas dargestellt werden. Gucken wir uns an, wie das Regelkreisschema für die Regulierung der Sauerstoffkonzentration ausschaut. Die Regelgröße ist die Größe, die den Anforderungen entsprechend eingehalten werden soll. In diesem Fall die Sauerstoffkonzentration und somit auch die Kohlenstoffdioxidkonzentration. Die Regelgröße kann durch die Störgröße beeinflusst werden. Das heißt, dass zum Beispiel Aufregung oder körperliche Arbeit einen Einfluss darauf haben, wie hoch die Konzentration an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid in unserem Blut ist. Damit die Regelgröße bei allen körperlichen Anforderungen eingehalten werden kann, müssen der Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt kontrolliert werden. Ein Messglied, in diesem Fall die Chemorezeptoren, messen die Werte. Außerdem wird auch der pH-Wert gemessen. Das Messglied wird manchmal auch als Fühler bezeichnet. Außerdem hast du gelernt, dass Dehnungsrezeptoren in der Lungenwand die Volumenzunahme messen. Der gemessene Wert wird als IST-Wert bezeichnet. Dieser wird an den sogenannten Regler übermittelt. Dieser bekommt vom Führungsglied, in diesem Fall das Atemzentrum im Gehirn, den SOLL-Wert, also den Idealwert, vorgeschrieben. Bei Abnahme des Sauerstoffgehalts im Blut wird das Stellglied aktiviert. Ein Stellglied übernimmt die Einstellung von SOLL-Werten im Regelkreis. Im Körper übernimmt die Atemmuskulatur diese Aufgabe. Das Stellglied gewährleistet über eine Stellgröße die Einhaltung des SOLL-Werts. Bei der Atmung wird die Atemtätigkeit an die Anforderungen angepasst. Es kommt zum Beispiel zur Erhöhung der Atemfrequenz und des Atemvolumens. Du hast nun gelernt, wie die Regulation des Sauerstoffgehalts in der Lunge stattfindet. Danke für deine Aufmerksamkeit. Tschüss, bis zum nächsten Video.

1 Kommentar
  1. ich finde das video echt gut, da ich das mit dem regelkreis im unterricht nicht verstanden habe. jetzt ist mir alles klarer geworden danke

    Von Sybille1, vor fast 6 Jahren

Atmung – Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Atmung – Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut kannst du es wiederholen und üben.

  • Definiere die Elemente eines Regelkreisschemas.

    Tipps

    Ein Regelkreis ist per Definition ein Kreislauf. Male dir diesen Kreislauf auf ein Blatt Papier und trage die oben genannten Elemente ein. Überlege, welche Reihenfolge sinnvoll ist.

    Betrachte die Elemente des Regelkreises noch einmal genauer und schaue dir besonders die Wortbestandteile an, aus denen sie zusammengesetzt sind. Achte auf die Bestimmungswörter wie Mess..., Stell..., Stör..., oder Regel....
    Was bedeuten sie?

    Lösung

    Ein Regelkreis ist ein sich selbst regulierendes, geschlossenes System. Viele biologische und auch technische Abläufe werden über Regelkreise reguliert, zum Beispiel der Blutzuckerspiegel, die Körpertemperatur und die Populationsdichte, oder die Temperatur einer Zentralheizung oder eines Kühlschranks.

    Ein Regelkreis dient dazu, eine bestimmte Größe (die Regelgröße) konstant zu halten. Dafür wird die Regelgröße über Messglieder oder auch Messfühler gemessen und dieser Wert als IST-Wert an den Regler übermittelt. Der Regler vergleicht den IST-Wert mit dem vorgegebenen SOLL-Wert. Gibt es eine Differenz zwischen diesen beiden Werten, wird das Stellglied aktiviert, welches über die Stellgröße die Regelgröße an den SOLL-Wert anpasst. Veränderungen in der Regelgröße geschehen durch Störgrößen.

  • Beschreibe, wie die Sauerstoffkonzentration im Blut reguliert wird.

    Tipps

    Du hast in der vorherigen Aufgabe bereits Definitionen für die Bestandteile eines allgemeingültigen Regelkreises erarbeitet. Wende diese Definitionen nun an, um zu erkennen, welches Element im Regelkreis welchem Element bei der Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut entspricht.

    Um die oben genannten Elemente in die richtige Reihenfolge zu bringen, brauchst du zunächst den korrekten Startpunkt. Überlege genau, auf welche der Elemente der Begriff Regelgröße zutrifft.

    Lösung

    Die Regelgröße bei der Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut sind die sogenannten Blutgaswerte, also der Gehalt an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid. Diese gilt es, unabhängig von sämtlichen körperlichen Anforderungen konstant zu halten. Dafür werden sie über Chemorezeptoren an den Halsschlagadern, der Aorta und im Gehirn gemessen und dieser Wert als IST-Wert an das Atemzentrum weitergeleitet. Dieses im Nachhirn gelegene Zentrum vergleicht den IST-Wert mit einem vorgegebenen Idealwert oder auch SOLL-Wert. Weichen die beiden voneinander ab, wird durch das Atemzentrum die Atemmuskulatur, bestehend aus Zwischenrippenmuskulatur und Zwerchfell, aktiviert. Mithilfe der Atemmuskulatur wird das Atemzugvolumen (die Atemtiefe) und Atemfrequenz so angepasst, dass sich der IST-Wert der Blutgaswerte dem SOLL-Wert wieder annähert.

  • Erkläre die Atemregulation anhand eines Beispiels.

    Tipps

    Schau dir das Diagramm noch mal genau an. Die meisten benötigten Information kannst du dieser Abbildung entnehmen. Überlege dir, welcher Graph was darstellt und wie sich diese Größe mit zunehmender Laufbandgeschwindigkeit verändert.

    Der zweite Textabschnitt besteht im Prinzip aus einer Wiederholung des Regelkreises für die Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut. Bei der Störgröße handelt es sich hierbei um das Laufen mit erhöhter Geschwindigkeit. Dies stellt eine körperliche Belastung dar. Wie reagieren die anderen Elemente des Regelkreises auf diese Belastung?

    Lösung

    Durch die Belastung des Laufens auf einem Trainingsgerät erhöht sich der Energiebedarf des Körpers. Bei der Produktion von Energieträgern wird, unter anderem, Sauerstoff verbraucht und in Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Betreiben wir Sport, sinkt also der Sauerstoffgehalt bzw. steigt der Kohlenstoffdioxidgehalt im Blut. Diese Werte werden von den Chemorezeptoren im Gehirn und den großen Blutgefäßen an das Atemzentrum übermittelt. Beim Vergleich von SOLL- und IST-Werten ist eine Differenz erkennbar, genauer ein Sauerstoffdefizit und ein Kohlenstoffdioxidüberschuss.

    Als Folge aktiviert das Atemzentrum die Atemmuskulatur, welche dafür sorgt, dass das Atemzugvolumen und Atemfrequenz erhöht werden. Beides sorgt dafür, dass mehr Sauerstoff in der Lunge zur Verfügung steht und gleichzeitig mehr Kohlenstoffdioxid abgeatmet werden kann. Damit der Abtransport von Kohlenstoffdioxid und die Sauerstoffaufnahme möglichst effizient abläuft, wird die Durchblutung der Lungenkapillaren erhöht. Dies geschieht mit einer Steigerung der Herzfrequenz. Somit wird der Gehalt an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid im Blut wieder den Idealwerten angepasst.

  • Vergleiche den Regelkreis zur Regulation der Atmung mit einem Klimacomputer.

    Tipps

    Zeichne schematisch einen Regelkreis und trage jetzt die einzelnen Elemente aus dem Regelkreis Klimacomputer, sowie dem Regelkreis Atemregulation ebenfalls ein, um deine Gedanken zu ordnen.

    Lösung

    In der nachstehenden Tabelle sind die einzelnen Bestandteile der Regelkreisschemata für den Klimacomputer sowie die entsprechenden Elemente bei der Atemregulation eingetragen.

    $\begin{array}{l|c|c} \color{#669900}{\ddot{\text{U}}\text{berbegriff}} & \color{#669900}{\text{Klimacomputer}}& \color{#669900}{\text{Atemregulation}}\\ \hline \text{Regelgr}\ddot{\text{o}}\text{ße} & \text{ideales Klima} & \text{Sauerstoffgehalt}\\ \hline \text{Messglied} & \text{Temperatursensor} & \text{Chemorezeptor}\\ \hline \text{F}\ddot{\text{u}}\text{hrungsglied} & \text{G} \ddot{\text{a}} \text{rtner} & \text{Gehirn}\\ \hline \text{Regler} & \text{Klimacomputer} & \text{Atemzentrum}\\ \hline \text{St}\ddot{\text{o}}\text{rgr}\ddot{\text{o}}\text{ße} & \text{Außentemperatur}& \text{Belastung}\\ \hline \text{Stellglied} & \text{Heizung} & \text{Atemmuskulatur}\\ \end{array}$

  • Beschreibe die mechanische und chemische Kontrolle der Atmung.

    Tipps

    Überlege dir, worin der grundlegende Unterschied zwischen mechanischer und chemischer Kontrolle besteht. An welchem Ort macht eine mechanische Kontrolle der Lunge am meisten Sinn?

    Lösung

    Die mechanische Kontrolle der Lungentätigkeit läuft über Dehnungsrezeptoren. Diese befinden sich im Lungengewebe, sowie der Zwischenrippenmuskulatur und werden durch eine Volumenzunahme der Lunge beim Einatmen stimuliert. Ab einem bestimmten Punkt geben diese Rezeptoren Signale an das Atemzentrum weiter, woraufhin die Einatmung gehemmt wird, um eine Überdehnung der Lunge zu vermeiden. Stattdessen wird die Atemfrequenz erhöht. Auch bestimmte Dehnungsrezeptoren in Muskeln und Sehnen sind mit der Lunge gekoppelt. Werden sie bei körperlicher Belastung stimuliert, reagiert das Atemzentrum mit einer Erhöhung der Atemfrequenz und dem Atemzugvolumen.

    Die chemische Kontrolle der Atemtätigkeit läuft über Chemorezeptoren. Diese messen den Gehalt an Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, sowie den pH-Wert im Blut und in der Hirnflüssigkeit. Daher befinden sich diese Rezeptoren im Gehirn selbst, sowie an der Halsschlagader und der Aorta. Wird ein Anstieg des Kohlenstoffdioxidgehalts bzw. ein Absinken des Sauerstoffgehalts registriert, aktiviert das Atemzentrum die Atemmuskulatur und erhöht Atemfrequenz und Atemzugvolumen.

  • Wende dein Wissen über die Atemregulation auf das Beispiel der Hyperventilation an.

    Tipps

    Die Erhöhung der Kohlenstoffdioxidkonzentration im Blut ist ein deutlich stärkerer Atemantrieb als die Verringerung der Sauerstoffkonzentration im Blut. Der Atemreiz wird also durch zu viel Kohlenstoffdioxid ausgelöst, nicht durch zu wenig Sauerstoff. Bei der Hyperventilation wird der Gehalt an Kohlenstoffdioxid im Blut stark abgesenkt. Was bedeutet das für die Auslösung des Atemreizes?

    Lösung

    Die Hyperventilation vor einem Tauchgang ist sehr gefährlich. Hierbei wird der Gehalt an Kohlenstoffdioxid im Blut durch schnelle, heftige Atmung künstlich abgesenkt. Dadurch wird der Atemreiz hinausgezögert, welcher durch eine Erhöhung des Kohlenstoffdioxidgehalts im Blut auf einen bestimmten Schwellenwert ausgelöst wird. Der Taucher kann folglich mit Hyperventilation länger unter Wasser bleiben als ohne. Da Tauchen eine große Belastung für den Körper darstellt, ist der Sauerstoffverbrauch währenddessen deutlich erhöht. Der Gehalt an Sauerstoff im Blut nimmt kontinuierlich ab und nähert sich der Ohnmachtschwelle (im Beispiel nach 70 Sekunden Tauchzeit), wohingegen der Kohlenstoffdioxidgehalt zum Zeitpunkt der Ohnmacht noch nicht hoch genug ist, um einen Atemreiz auszulösen. Im Beispiel geschieht dies erst bei 80 Sekunden Tauchzeit, also 10 Sekunden nach der Ohnmacht.

    Wird ohne vorherige Hyperventilation getaucht, ist die Gefahr des Schwimmbad-Blackouts deutlich geringer, weil hier das Level an Kohlenstoffdioxid vor dem Tauchen nicht durch eine falsche Atmung abgesenkt wird. Stattdessen wird nur wenige Male tief eingeatmet. Während des Tauchganges sinkt der Gehalt an Sauerstoff und das Kohlenstoffdioxidlevel steigt an. Ab einer bestimmten Konzentration, welche im Beispiel nach 50 Sekunden auftritt, wird der Atemreiz ausgelöst. Der Taucher ist hierbei bei Bewusstsein und kann vorher auftauchen.