Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

22.2: Atmung
INHALTSVERZEICHNIS

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Breathing
 
PROTOKOLLE

22.2: Breathing

22.2: Atmung

The process of breathing, inhaling and exhaling, involves the coordinated movement of the chest wall, the lungs, and the muscles that move them. Two muscle groups with important roles in breathing are the diaphragm, located directly below the lungs, and the intercostal muscles, which lie between the ribs. When the diaphragm contracts, it moves downward, increasing the volume of the thoracic cavity and creating more room for the lungs to expand. When the intercostal muscles contract, the ribs move upward and the rib cage expands, similarly expanding the thoracic cavity.

Each lung is surrounded by two membranes called plurae, which are separated by fluid. This fluid creates an adhesive force that causes the lungs to stretch as the thoracic cavity expands. The increased volume in the lungs reduces the pressure. When the pressure drops below atmospheric pressure, this produces a pressure gradient that moves air from the higher-pressure atmosphere into the lower-pressure lungs.

When the diaphragm and intercostal muscles relax, the volume of the lungs decreases, increasing the pressure in the lungs. As pressure increases beyond atmospheric pressure, the resulting pressure gradient pushes air out of the body. In this way, the cycle of inhaling and exhaling is maintained.

Pressure-Volume Relationship

Boyle’s law states that, at a given temperature in a closed space, the pressure of a gas increases as the volume of its container decreases. Stated differently, pressure is inversely proportional to the volume. This law, combined with the movement of gas from higher-pressure to lower-pressure areas, explains why air is brought into the lungs when the diaphragm contracts.

How Do Lungs Increase in Volume?

The diaphragm contracts, moving downward and increasing the thoracic volume, but how does this increase the volume of the lungs? While bronchi and bronchioles are stiff and do not expand (although they can become blocked or inflamed), alveoli, tiny air sacs in the lungs, allow the lungs to increase in volume.

Restrictive vs. Obstructive Diseases

Pulmonary diseases decrease the flow of gas to and from the lungs and can be divided into two categories: restrictive and obstructive. Restrictive diseases, such as pulmonary fibrosis (scarring of the lung), restrict the expansion of the lungs. Obstructive diseases, like asthma, emphysema, and chronic bronchitis, obstruct the airway, limiting gas exchange.

Surfactant

The inner surfaces of alveoli are lined with fluid that contains surfactant, a mixture of phospholipids and lipoproteins. Surfactant reduces the surface tension of the alveolar fluid, preventing alveoli from collapsing and making it easier for alveoli to inflate with air.

Premature babies sometimes do not produce enough surfactant in their lungs, causing respiratory distress syndrome (RDS). Without sufficient surfactant, it takes a lot of energy to keep the alveoli open and filling repeatedly with air, making it difficult for babies with RDS to breath.

Der Prozess der Atmung bzw. des Ein -und Ausatmens umfasst die koordinierte Bewegung der Brustwand, der Lunge und der sie bewegenden Muskeln. Zwei Muskelgruppen mit wichtigen Aufgaben bei der Atmung sind das Zwerchfell, das sich direkt unter der Lunge befindet, und die Interkostalmuskeln, die zwischen den Rippen sitzen. Wenn sich das Zwerchfell zusammenzieht, bewegt es sich nach unten, wodurch sich das Volumen der Brusthöhle vergrößert und mehr Raum für die Ausdehnung der Lungen geschaffen wird. Wenn sich die Interkostalmuskeln kontrahieren, bewegen sich die Rippen nach oben und der Brustkorb dehnt sich aus, wodurch sich die Brusthöhle ebenfalls ausdehnt.

Jede Lunge ist von zwei Membranen, den sogenannten Plurae, umgeben. Sie sind durch eine Flüssigkeit getrennt. Diese Flüssigkeit erzeugt eine Adhäsionskraft, die die Lunge bei der Ausdehnung der Brusthöhle dehnt. Das erhöhte Volumen in den Lungen verringert den Druck. Wenn der Druck unter den atmosphärischen Druck fällt, entsteht ein Druckgradient, der Luft aus der Atmosphäre mit höherem Druck in die Lungen mit niedrigerem Druck bewegt.

Wenn sich das Zwerchfell und die Interkostalmuskeln entspannen, nimmt das Lungenvolumen ab. Dadurch steigt der der Druck in der Lunge. Wenn der Druck über den Atmosphärendruck hinaus ansteigt, drückt der resultierende Druckgradient die Luft aus dem Körper. Auf diese Weise wird der Zyklus des Ein -und Ausatmens aufrechterhalten.

Druck-Volumen-Beziehung

Das Boylesche Gesetz besagt, dass bei einer bestimmten Temperatur in einem geschlossenen Raum der Druck eines Gases zunimmt, wenn das Volumen seines Behälters abnimmt. Anders ausgedrückt ist der Druck umgekehrt proportional hoch zum Volumen. Dieses Gesetz und die Bewegung des Gases von Bereichen mit höherem Druck zu Bereichen mit niedrigerem Druck erklärt, warum Luft in die Lungen gebracht wird, wenn sich das Zwerchfell doch zusammenzieht.

Wie erhöhen die Lungen ihr Volumen?

Das Zwerchfell zieht sich zusammen, bewegt sich nach unten und vergrößert das Brustkorbvolumen. Wie wird dadurch jedoch das Lungenvolumen vergrößert? Während die Bronchien und Bronchiolen steif sind und sich nicht ausdehnen (obwohl sie blockiert oder entzündet sein können), erlauben die Alveolen, winzige Luftsäcke in der Lunge, das Volumen der Lunge zu vergrößern.

Restriktive vs. Obstruktive Erkrankungen

Pulmonale Erkrankungen vermindern den Gasfluss zu und von der Lunge und können in zwei Kategorien unterteilt werden: restriktive und obstruktive Erkrankungen. Restriktive Erkrankungen, wie z.B. die Lungenfibrose (Vernarbung der Lunge), schränken die Ausdehnung der Lunge ein. Obstruktive Erkrankungen, wie Asthma, Emphysem und chronische Bronchitis, behindern die Atemwege und begrenzen den Gasaustausch.

Tenside

Die inneren Oberflächen der Alveolen sind mit Flüssigkeit ausgekleidet, die ein Tensid, eine Mischung aus Phospholipiden und Lipoproteinen, enthalten. Das Tensid reduziert die Oberflächenspannung der Alveolarflüssigkeit, verhindert das Kollabieren der Alveolen und erleichtert das Aufblasen der Alveolen mit der Luft.

Frühgeborene produzieren manchmal nicht genug Tenside in ihren Lungen, was das Atemnotsyndrom (RDS) verursacht. Ohne genügend Tensid ist es sehr energieaufwändig, die Lungenbläschen offen zu halten und wiederholt mit Luft zu füllen, was es für Babys mit RDS schwierig macht, zu atmen.


Suggested Reading

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter