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Gasaustausch
Gasaustausch findet im Rahmen der Atmung als Transport von Atemgasen zwischen dem umgebenden Außenmedium (Luft, Wasser) und den verstoffwechselnden Zielzellen …
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Grundbegriff und biologische Bedeutung
Gasaustausch, auch Gaswechsel genannt, ist ein physikalischer Vorgang, bei dem sich Gase zwischen zwei Kompartimenten räumlich neu verteilen. Diese Bereiche können durch eine permeable Membran, also eine durchlässige Trennschicht, oder durch Öffnungen beziehungsweise Poren getrennt sein. Der Austausch betrifft nicht nur Gase in der Luft: Auch physikalisch in Flüssigkeiten gelöste Gase können ausgetauscht werden, etwa wenn Kiemen Sauerstoff aus Wasser ins Blut aufnehmen.
Im Zusammenhang mit der Atmung werden Atemgase zwischen dem umgebenden Außenmedium – Luft oder Wasser – und den verstoffwechselnden Zielzellen transportiert. Sauerstoff gelangt dabei zu den Zellen, während Kohlenstoffdioxid aus dem Körper abgegeben wird. Bei mehrzelligen, differenzierten Organismen übernehmen häufig spezielle Organe den Gasaustausch und seine aktive Unterstützung. Als äußere Atmung gelten alle Teile des Organismus, die für den Gasaustausch und den Transport der Atemgase zwischen Umgebungsmedium und Zielzellen verantwortlich sind.
Der Gasaustausch kann durch Muskelarbeit aktiv unterstützt werden. In der Klimatechnik wird er vor allem durch Ventilatoren erreicht; auch Abwärme kann dafür geeignet genutzt werden.
Faktoren, die den Gasaustausch beeinflussen
Für den Austausch über eine Grenzschicht, in der Biologie meist eine Membran, muss diese für die betreffenden Stoffe möglichst ungehindert durchlässig sein. Häufig handelt es sich um eine Semipermeabilität, also eine selektive Durchlässigkeit. Außerdem begünstigt eine möglichst große Membranoberfläche den Austausch.
Wichtige Einflussfaktoren sind:
- die Permeabilität der Membran für die auszutauschenden Gase,
- die Fläche der Membran,
- die Membrandicke, die zugleich die Diffusionsstrecke darstellt,
- die Temperatur, da sie die Geschwindigkeit der Moleküle beeinflusst,
- der Konzentrationsunterschied zwischen den beiden getrennten Räumen: Je größer dieser Unterschied ist, desto schneller erfolgt der passive Gasaustausch,
- das Atemzeitvolumen des Organismus, also die pro Zeit bewegte Atemluft bei aktiver äußerer Atmung.
Bei normaler Atmung in Ruhe nimmt der Mensch pro Liter Atemluft ungefähr 170 ml Sauerstoff auf und gibt 130 ml wieder ab. Der Anteil des ausgeatmeten Sauerstoffs steigt mit höherem Atemzeitvolumen und sinkt mit erhöhtem Sauerstoffbedarf. Die meisten Organismen können den Gasaustausch entsprechend ihrem Bedarf durch Muskelarbeit steigern. Gesteuert wird dies mithilfe hormonaler und/oder nervöser Stimulation.
Physik
Der Gasaustausch durch eine Membran erfolgt immer passiv durch Diffusion. Bei einer ideal permeablen Membran, also einer Öffnung oder Pore, bewegen sich Gase entlang bestehender Partialdruckdifferenzen. Der Partialdruck ist der Druckanteil eines einzelnen Gases innerhalb eines Gasgemisches.
Die Teilchen bewegen sich dabei von Bereichen mit hoher Konzentration zu Bereichen mit niedrigerer Konzentration. Dieser Vorgang erfolgt in Richtung einer Erhöhung der Entropie, einer Zustandsgröße der Thermodynamik. Im Idealfall setzt sich die Diffusion fort, bis überall die gleiche Konzentration herrscht.
Pulmonaler Gasaustausch
Bei Lungenatmern bezeichnet der pulmonale Gasaustausch hauptsächlich die Aufnahme von Sauerstoff aus dem Alveolarraum, also dem Innenraum der Lungenbläschen, über die alveolokapilläre Membran in das Blut und anschließend in das Gewebe. Gleichzeitig wird Kohlenstoffdioxid in umgekehrter Richtung aus dem Blut in den Alveolarraum abgegeben und ausgeatmet.
Der Sauerstofftransport verläuft entlang eines von etwa 155 bis auf unter 5 mmHg abnehmenden Partialdrucks: von der Atmosphäre und der Inspirationsluft über die Alveolarluft und das arterielle Blut zum gemischtvenösen Blut und von dort in die Zellen. Kohlenstoffdioxid nimmt den umgekehrten Weg. Sein Partialdruck sinkt dabei von über 45 mmHg bis auf Null.
Der alveoläre Gasaustausch erfolgt passiv durch Diffusion über die alveolokapilläre Membran sowie durch Molekularbewegung in den Lungenbläschen. Als optimal gilt der Austausch in einer Alveole, wenn das Verhältnis von Ventilation, also Belüftung, zu Perfusion, also Durchblutung, 0.8 beträgt. Praktisch wird der Gasaustausch unter anderem durch die Messung des arteriellen Sauerstoff-Partialdrucks beurteilt.
