Auf Meereshöhe beträgt der durchschnittliche Luftdruck [PB] etwa 101 kPa (760 mmHg), der Sauerstoffgehalt F/q2 = 0,209 und der partielle Sauerstoffdruck bei der Einatmung PIO2 ca. 21 kPa. Mit zunehmender Höhe verringert sich der Luftdruck jedoch (L, in km):
PB (in Höhe h) = PB (auf Meereshöhe) * e^(-0.127 * h)
Dies führt zu einem Abfall des Sauerstoffdrucks in der Lunge (PIO2), des alveolaren Sauerstoffdrucks (PAO2) und des arteriellen Sauerstoffdrucks (PaO2). Der PAO2 auf Meereshöhe beträgt ca. 13 kPa. Wenn der PAO2 unter einen kritischen Wert (etwa 4,7 kPa = 35 mmHg) fällt, tritt Hypoxie und eine Beeinträchtigung der Gehirnfunktion auf. Dieser kritische PAO2-Wert entspricht einer Höhe von 4000 m über dem Meeresspiegel bei normaler Ventilation.
Die niedrigen PaO2-Werte aktivieren jedoch Chemorezeptoren, die eine Erhöhung der Gesamtventilation (VE) stimulieren (Hypoxieventilation). Dadurch werden große Mengen an CO2 ausgeatmet, was zu sinkenden PAO2- und PaCO2-Werten führt. Jeder Rückgang des PaCO2 führt gemäß der alveolären Gasgleichung zu einem Anstieg des PAO2.
Die Hypoxieventilation verhindert ein Absinken des PAO2 auf kritische Werte bis zu einer Höhe von 7000 m über dem Meeresspiegel. Oberhalb dieser Höhe ist reiner Sauerstoffatem aus Druckflaschen erforderlich, um das Überleben zu sichern.
Zusätzlich stimulieren die Hochgebirgsbedingungen die Erythropoese, was langfristig zu einem erhöhten Hämatokrit führt, allerdings begrenzt durch den Anstieg der Blutviskosität.
Sauerstofftoxizität
Wenn der Sauerstoffpartialdruck in der Lunge (PIO2) durch erhöhte Sauerstoffzufuhr oder erhöhten Gesamtdruck (z.B. beim Tauchen) über die Norm ansteigt (> 22 kPa oder 165 mmHg), tritt Hyperoxie auf. Die Toxizität hängt vom PIO2 (kritisch > 40 kPa oder 300 mmHg) und der Dauer der Hyperoxie ab. Schädigungen der Lunge (Surfactantmangel) treten auf, wenn der PIO2 über 70 kPa (525 mmHg) für mehrere Tage oder über 200 kPa (1500 mmHg) für 3-6 Stunden anhält. Bei PIO2 über 220 kPa (1650 mmHg) besteht die Gefahr kurz- oder langfristiger Bewusstlosigkeit.
Neugeborene können erblinden, wenn sie längerer Exposition gegenüber PIO2 über 40 kPa (300 mmHg) (z.B. in Säuglingsinkubatoren) ausgesetzt sind, da dies zur Trübung des Glaskörpers führt.
Häufig gestellte Fragen
Wie verändert sich die Atmung in großen Höhen?
Mit zunehmender Höhe sinkt der Luftdruck, was zu einem Abfall des Sauerstoffpartialdrucks in der Lunge, des alveolaren Sauerstoffdrucks und des arteriellen Sauerstoffdrucks führt. Dies aktiviert Chemorezeptoren, die eine Erhöhung der Atemtiefe und -frequenz (Hyperventilation) stimulieren, um den Sauerstoffmangel auszugleichen.
Bis zu welcher Höhe kann die Hyperventilation das Absinken des Sauerstoffdrucks kompensieren?
Die Hyperventilation verhindert ein Absinken des alveolaren Sauerstoffdrucks auf kritische Werte bis zu einer Höhe von etwa 7000 Metern über dem Meeresspiegel. Darüber hinaus ist reiner Sauerstoffatem aus Druckflaschen erforderlich, um das Überleben zu sichern.
Wie verändert sich die Blutbeschaffenheit in Hochgebirgslagen?
Die Hochgebirgsbedingungen stimulieren die Erythropoese, was langfristig zu einem erhöhten Hämatokrit führt, jedoch begrenzt durch den Anstieg der Blutviskosität.
Wann kann Sauerstoffüberdosierung gefährlich werden?
Wenn der Sauerstoffpartialdruck in der Lunge (PIO2) durch erhöhte Sauerstoffzufuhr oder erhöhten Gesamtdruck (z.B. beim Tauchen) über 22 kPa (165 mmHg) ansteigt, tritt Hyperoxie auf. Ab einem PIO2 von über 40 kPa (300 mmHg) besteht Gefahr für Lungenschädigungen und ab über 220 kPa (1650 mmHg) sogar Bewusstlosigkeit. Neugeborene können bei Exposition gegenüber PIO2 über 40 kPa (300 mmHg) erblinden.