Der Motor unter Volllast

Wenn wir gemütlich auf dem Sofa sitzen, verbraucht unser Körper nur ein Minimum an Energie. Unsere Atmung plätschert leise vor sich hin, etwa zwölfmal pro Minute atmen wir ein und aus, was ein Luftvolumen von rund sechs bis acht Litern pro Minute bewegt. Doch sobald wir die Laufschuhe schnüren und zum Sprint ansetzen, ändert sich die Situation schlagartig. Der Stoffwechsel in der arbeitenden Muskulatur explodiert förmlich und benötigt bis zu zwanzigmal mehr Sauerstoff als im Ruhezustand. Gleichzeitig fällt massenhaft Kohlendioxid als Abfallprodukt an, das dringend entsorgt werden muss. Um diesen logistischen Kraftakt zu bewältigen, schaltet das Atmungssystem in einen hocheffizienten Hochleistungsmodus. Die Anpassung der Atmung an sportliche Belastung ist kein Zufallsprodukt, sondern ein präzise gesteuertes Zusammenspiel aus neuronalen Vorhersagen, chemischen Sensoren und mechanischer Höchstleistung. Es ist faszinierend zu sehen, wie unser Körper es schafft, die Belüftung der Lunge innerhalb kürzester Zeit von den erwähnten acht Litern auf bis zu einhundertachtzig Liter pro Minute bei Spitzenathleten hochzufahren.

Das Gehirn drückt den Startknopf

Ein erstaunliches Phänomen der Atemphysiologie ist, dass die Belüftung der Lunge oft schon zunimmt, noch bevor der erste Muskel richtig gezuckt hat oder sich die chemische Zusammensetzung des Blutes verändert hat. Dies verdanken wir dem sogenannten zentralen Mitverschaltungsprinzip oder Central Command. Das Gehirn sendet beim Entschluss zur Bewegung nicht nur Signale an die Beine, sondern gleichzeitig auch an das Atemzentrum im verlängerten Mark. Es handelt sich um eine Art Vorwärtssteuerung, die das System präventiv hochfährt. Unterstützt wird dieser Sofortstart durch Mechanorezeptoren in unseren Gelenken und Muskeln. Sobald wir uns bewegen, melden diese Sensoren die mechanische Arbeit an das Gehirn, was die Atemfrequenz und die Atemtiefe unmittelbar steigert. Diese erste Phase der Anpassung ist rein nervös gesteuert und stellt sicher, dass der Sauerstoffnachschub nicht erst dann eintrifft, wenn die Speicher bereits leer sind.

Der chemische Dirigent: Warum Kohlendioxid den Takt angibt

Nach dem ersten nervösen Impuls übernimmt die chemische Feinregulierung das Kommando. Entgegen der landläufigen Meinung ist es im moderaten Belastungsbereich nicht primär der Mangel an Sauerstoff, der uns heftiger atmen lässt, sondern der Anstieg von Kohlendioxid. In unserem Körper sitzen hochsensible Chemorezeptoren, vor allem in den Halsschlagadern und direkt im Gehirn. Diese Sensoren messen permanent den Partialdruck von Kohlendioxid sowie den pH-Wert des Blutes. Da Kohlendioxid bei Kontakt mit Wasser zu Kohlensäure wird, sinkt der pH-Wert, wenn wir viel davon produzieren – das Blut wird also saurer. Die Chemorezeptoren registrieren diese kleinste Abweichung sofort und feuern Signale an das Atemzentrum. Die Antwort ist prompt: Die Ventilation wird exakt so weit gesteigert, dass das überschüssige Kohlendioxid abgeatmet wird und der pH-Wert stabil bleibt. Der Sauerstoffgehalt spielt unter normalen Bedingungen auf Meereshöhe eher eine untergeordnete Rolle als Antriebsquelle für die Atmung, solange er nicht massiv abfällt.

Tiefe vor Schnelligkeit: Die Mechanik der Belüftung

Um mehr Luft in die Lunge zu befördern, hat der Körper zwei Stellschrauben: Er kann öfter atmen (Frequenz) oder tiefer atmen (Atemzugvolumen). Physiologisch gesehen ist es weitaus effizienter, zuerst die Tiefe der Atemzüge zu erhöhen. Das liegt am sogenannten Totraum der Lunge. Nicht jede Luft, die wir einatmen, gelangt bis in die Lungenbläschen, wo der Gasaustausch stattfindet; ein Teil bleibt in den Luftröhren und Bronchien hängen. Wenn wir nur sehr flach und schnell atmen würden, wie bei einem Hecheln, würde fast nur dieser Totraum belüftet, ohne dass viel frischer Sauerstoff im Blut ankommt. Daher vergrößert der Körper bei beginnender Belastung zunächst das Atemzugvolumen, indem er die Einatmitmuskulatur und auch die Ausatmitmuskulatur stärker aktiviert. Erst wenn das Volumen an seine mechanischen Grenzen stößt, wird die Frequenz massiv gesteigert. Diese Koordination spart wertvolle Energie, denn auch die Atemmuskulatur selbst verbraucht bei Höchstleistung eine beträchtliche Menge Sauerstoff.

Die Belastungsgrenze und die respiratorische Kompensation

Wenn die Intensität des Sports weiter steigt und wir uns dem anaeroben Bereich nähern, passiert etwas Entscheidendes. Die Muskeln produzieren nun mehr Laktat, als abgebaut werden kann. Dabei werden vermehrt Wasserstoffionen frei, die das Blut zusätzlich übersäuern. Das ist der Moment, in dem die Atmung nicht mehr nur den Gasaustausch regelt, sondern zum wichtigsten Puffer für den Säure-Basen-Haushalt wird. Um die Säureflut zu kompensieren, steigert der Körper die Atmung überproportional zur eigentlichen Belastung. Wir atmen nun deutlich mehr Kohlendioxid ab, als durch den aeroben Stoffwechsel entsteht, um den pH-Wert künstlich stabil zu halten. Das ist das typische Schnaufen am Ende eines harten Intervalls. Man nennt diesen Punkt den respiratorischen Kompensationspunkt. Hier wird die Atmung zum begrenzenden Faktor oder zumindest zum deutlichsten Anzeichen dafür, dass der Körper am Limit arbeitet und die rein aerobe Energiegewinnung nicht mehr ausreicht.

Diffusion und Trainingseffekte: Wird die Lunge eigentlich größer

Eine oft gestellte Frage ist, ob Sport die Lunge wachsen lässt. Die enttäuschende Antwort für viele: Die Lunge eines Erwachsenen verändert ihre Größe oder die Anzahl der Lungenbläschen durch Training kaum. Das Lungengewebe ist bei gesunden Menschen ohnehin meist überdimensioniert. Der eigentliche Flaschenhals ist oft nicht die Lunge selbst, sondern das Herz-Kreislauf-System, das den Sauerstoff abtransportieren muss. Dennoch gibt es Anpassungen. Bei Ausdauersportlern wird die Atemmuskulatur, vor allem das Zwerchfell, deutlich ausdauernder und kräftiger. Sie ermüdet weniger schnell, was die Atemarbeit ökonomischer macht. Zudem verbessert sich die Durchblutung der Lunge. In Ruhe werden oft nur die unteren Bereiche der Lunge gut durchblutet, während bei Sport durch den höheren Blutdruck auch die oberen Kapillaren der Lunge weit geöffnet werden. Dadurch vergrößert sich die effektive Fläche für den Gasaustausch massiv. Die Anpassung an Sport bedeutet also nicht, eine größere Lunge zu bekommen, sondern die vorhandene Kapazität durch bessere Durchblutung und effizientere Muskulatur perfekt auszunutzen.