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Das Atmungssystem ermöglicht den Gasaustausch zwischen Organismus und Umwelt. Es umfasst die innere Atmung (Zellatmung) und die äußere Atmung, die sich in Ventilation, Perfusion und Diffusion gliedert. Anatomisch besteht es aus den luftleitenden Wegen und dem respiratorischen Abschnitt der Lunge.
Das Atmungssystem baut auf den bereits gelernten Grundgeweben auf. Die luftleitenden Atmungsorgane (Nase, Nasennebenhöhlen, Rachen, Kehlkopf, Luftröhre, Bronchien) dienen dem Transport, der Befeuchtung, der Reinigung und der Anwärmung der Atemluft. Ab der Luftröhre sind sie mit einem hochprismatischen Flimmerepithel (respiratorisches Epithel) ausgekleidet, das durch Zilien (Härchen) und Becherzellen (Schleimproduktion) die Reinigung und den Abtransport von Schmutzpartikeln rachenwärts übernimmt. Man unterteilt das System in die oberen Atemwege (Nase, Nasennebenhöhlen, Rachen) und die unteren Atemwege (Kehlkopf, Luftröhre, Bronchialbaum).
Man unterscheidet zwischen der inneren und der äußeren Atmung. Die innere Atmung bezeichnet die Zellatmung, also die Energiegewinnung durch oxidativen Abbau von Nährstoffen unter Sauerstoffverbrauch und CO2-Entstehung. Die äußere Atmung umfasst den Gasaustausch in der Lunge und gliedert sich in Ventilation (Belüftung der Alveolen), Perfusion (Durchblutung der Kapillaren) und Diffusion (Gasaustausch über die Blut-Luft-Schranke). Die Hautatmung spielt beim Menschen mit nur 1–2 % eine zu vernachlässigende Rolle.
Der Kehlkopf (Larynx) bildet den Übergang zu den unteren Atemwegen und erfüllt zwei Hauptaufgaben: Er dient der Stimmbildung und schützt durch den Kehldeckel (Epiglottis) die Luftröhre vor dem Eindringen von Nahrung beim Schlucken. Die Luftröhre (Trachea) wird durch hufeisenförmige Knorpelspangen offen gehalten, damit sie bei Unterdruck nicht kollabiert.
Die Lunge besteht aus zwei Lungenflügeln. Der rechte Lungenflügel ist größer und besitzt drei Lappen (Ober-, Mittel-, Unterlappen), der linke aufgrund des Herzens nur zwei (Ober-, Unterlappen). Jeder Lungenflügel lässt sich weiter in broncho-pulmonale Segmente gliedern: rechts 10, links 9. Die Luftröhre teilt sich in die beiden Hauptbronchien; der rechte Hauptbronchus verläuft steiler, sodass aspirierte Fremdkörper leichter dorthin gelangen. Die Hauptbronchien verzweigen sich in Lappenbronchien (rechts drei, links zwei), Segmentbronchien und weitere Verästelungen – insgesamt rund 20-fach – bis hin zu den Bronchiolen. Die Lunge ist vom Brustfell (Pleura) umgeben, das aus Lungenfell und Rippenfell besteht; der Pleuraspalt steht unter Unterdruck und hält die Lunge an der Brustwand.
Der eigentliche Gasaustausch findet in den Alveolen (Lungenbläschen) statt. Diese sind von einem dichten Kapillarnetz umgeben. Die Trennschicht zwischen Luft und Blut wird als Blut-Luft-Schranke bezeichnet. Sie setzt sich aus der Surfactant-Schicht, den Typ-I-Pneumozyten, der Basallamina und den Fortsätzen der Kapillar-Endothelzellen zusammen. Um ein Verkleben der Alveolen beim Ausatmen zu verhindern, produzieren spezielle Zellen (Typ-II-Pneumozyten) den Surfactant, der die Oberflächenspannung herabsetzt.
Der Transport von Sauerstoff und Kohlendioxid im Blut erfolgt überwiegend mithilfe der Erythrozyten. Deren roter Blutfarbstoff Hämoglobin (Hb) enthält vier eisenhaltige Häm-Gruppen; jedes Eisen-Ion kann ein Sauerstoffmolekül binden, sodass ein Hb-Molekül insgesamt vier O2 transportieren kann. Die Bindung des ersten Sauerstoffs erhöht die Affinität für weitere O2 (positive Kooperativität). Das gebildete CO2 wird im Blut nur zu etwa 30 % direkt an Hämoglobin gebunden (Carbamino-Hb), während der Großteil (ca. 60 %) als Bicarbonat (HCO3-) und der Rest (ca. 10 %) physikalisch gelöst transportiert wird. Kohlenstoffmonoxid (CO) ist gefährlich, weil es eine rund 300-fach höhere Affinität zu Hämoglobin besitzt als Sauerstoff und so die O2-Versorgung blockiert. Quellen sind u. a. Autoabgase und defekte Gasthermen.
Die Belüftung der Lunge (Ventilation) erfolgt mechanisch durch Druckunterschiede. Pro Atemzug werden in Ruhe durchschnittlich etwa 0,5 Liter Frischluft bewegt (Atemzugvolumen). Der wichtigste Atemmuskel ist das Zwerchfell (Diaphragma), eine Sehnen-Muskel-Platte, die Brust- und Bauchhöhle trennt. Bei der Inspiration kontrahiert das Zwerchfell, flacht ab und die Baucheingeweide sinken, wodurch das Lungenvolumen zunimmt und Luft einströmt. Diese Bauchatmung macht beim Erwachsenen etwa 70 % der Ruheatmung aus, beim Neugeborenen aufgrund der horizontalen Rippenstellung nahezu 100 %. Die Ausatmung (Exspiration) erfolgt in Ruhe weitgehend passiv durch die Eigenelastizität der Lunge. Bei körperlicher Belastung kann die Brustatmung durch Einsatz der Zwischenrippenmuskulatur (Atemhilfsmuskulatur) ergänzt werden.
Die Zusammensetzung der Einatemluft beträgt in Volumenprozent: ca. 20,9 % Sauerstoff (O2), 0,03 % Kohlendioxid (CO2), 78,1 % Stickstoff (N2) und knapp 1 % Edelgase. In der Ausatemluft sinkt der Sauerstoffgehalt auf etwa 16 % und der Kohlendioxidgehalt steigt auf 4 %.
Die Regulation der Atmung erfolgt über das Atemzentrum im verlängerten Mark (Medulla oblongata). Der stärkste Atemantrieb ist der Anstieg des Kohlendioxid-Partialdrucks (pCO2) im Blut und die damit verbundene pH-Senkung. Periphere Chemorezeptoren im Bereich der Halsschlagader (Glomus caroticum) und der Aorta (Glomus aorticum) messen diese Veränderungen und veranlassen eine Erhöhung von Atemfrequenz und Atemtiefe. Darüber hinaus besteht eine lokale Autoregulation: Eine Alveole wird nur dann optimal durchblutet, wenn sie auch belüftet ist.
