Der zulässige CO₂ -Gehalt in der Atemluft von Tauchausrüstung ist ein kontroverses Thema. Einige aktuelle Normen¹ ,² erlauben einen durchschnittlichen CO₂ -Partialdruck von bis zu 20 mbar (2 kPa, 2 % SEV), während andere Studien, beispielsweise die der Autoren dieses Artikels³, ⁴, diesen Wert als gefährlich einstufen. Da U-Boot-Fahrer höhere CO₂ -Konzentrationen in der Atemluft tolerieren als die geltenden Grenzwerte für Tauchausrüstung, könnte man Herstellern, die mit den Vorteilen niedrigerer CO₂ -Konzentrationen werben, leicht einen Marketingtrick unterstellen. Ein Blick auf die Physiologie von CO₂ zeigt jedoch, dass die Gefahr hoher CO₂- Konzentrationen beim Tauchen real und bedeutend ist. (Kontamination mit Kohlenmonoxid)
Auswirkungen eines erhöhten CO2- Partialdrucks im Blut
CO₂ beeinflusst normalerweise die Atmung , sodass der Körper einen gesunden arteriellen CO₂ -Partialdruck ( PaCO₂ ) von etwa 40 Torr (40 mmHg, 5,3 kPa) aufrechterhält, selbst wenn die eingeatmete Luft eine niedrige CO₂ -Konzentration aufweist. Die Verwendung von Atemgeräten ist jedoch ein ungewöhnlicher Zustand, der in Physiologiekursen selten behandelt wird.
Was ist Partialdruck?
Das Konzept des Partialdrucks eines beliebigen Gases, beispielsweise „Gas A“, in einem Gasgemisch in einer Gasflasche ist relativ einfach: Es ist der Druck, der übrig bliebe, wenn alle Gasteilchen außer „Gas A“ entfernt würden. (Abbildung 1a) (Wir gehen von einem idealen Gas aus, d. h., wir betrachten Wechselwirkungen zwischen den Gasteilchen als vernachlässigbar.) Der Partialdruck von A gibt die Anzahl der Moleküle von A pro Volumeneinheit an. Numerisch ist er das Produkt aus Gesamtdruck und dem Anteil der Moleküle von A am Gasvolumen. (Beispielsweise beträgt der Partialdruck von A in einem Gas mit 65 % A bei einem Gesamtdruck von 2 bar 0,65 × 2 = 1,3 bar.) Dies gilt auch für Behälter bei Umgebungsdruck, beispielsweise die Lunge.
Die Bedeutung des Partialdrucks eines Gases in einer Flüssigkeit ist weniger offensichtlich. Die Moleküle eines Gases sind ständig in Bewegung und üben Druck aus, indem sie gegen die Wände ihres Behälters stoßen. Befindet sich eine dieser „Wände“ in einer Flüssigkeitsoberfläche, lösen sich lösliche Gasmoleküle in der Flüssigkeit. Auch die Moleküle in der Flüssigkeit sind in Bewegung, und Gasmoleküle, die die Oberfläche erreichen, können die Flüssigkeit wieder verlassen. Nach einer gewissen Zeit, in der ein Gas A mit der Flüssigkeit in Kontakt steht, entspricht die Rate, mit der Moleküle von A die flüssige Phase verlassen, der Rate, mit der sie in sie eintreten (Abbildung 1b). Anders ausgedrückt: Gas und Flüssigkeit befinden sich im Gleichgewicht. Richtung und Geschwindigkeit des Gasaustauschs von A über die Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche hängen von der Partialdruckdifferenz zwischen Gas und Flüssigkeit ab. Obwohl die Anzahl der in einem bestimmten Flüssigkeitsvolumen gelösten Moleküle von Gas A auch von der Löslichkeit von A in der Flüssigkeit abhängt, ist es sinnvoll, die Menge des gelösten Gases A als Partialdruck von A im Gas im Gleichgewicht mit der Flüssigkeit auszudrücken.
Abbildung 1. Illustrationen zum Konzept des Partialdrucks a) in Gasen und b) in Flüssigkeiten.
a) Die Hälfte der Moleküle im ersten Gaszylinder besteht aus „Gas A“. Der Partialdruck von A im Zylinder beträgt somit die Hälfte des Gesamtdrucks, wie das Manometer am hypothetischen zweiten Zylinder anzeigt, aus dem alle anderen Moleküle außer Gas A entfernt wurden.
b) Der Raum über einer Flüssigkeit enthält Moleküle des Gases A, und Gas A ist in der Flüssigkeit löslich. Im Gleichgewicht verlässt für jedes Molekül A, das in die Flüssigkeit eintritt, ein Molekül A die Flüssigkeit, und der Partialdruck von A in der Flüssigkeit ist definiert als der Partialdruck von A im mit ihm im Gleichgewicht stehenden Gas.
Welche Partialdrücke sind für die CO2 - Bilanz des gesamten Körpers wichtig?
Abbildung 2. Die besprochenen CO 2 Partialdrücke.
Das Blut in der Lunge ist mit Alveolargas mit einem CO₂-Partialdruck (P <sub>A </sub>CO₂ ) im Gleichgewicht. Das Blut, das die Lunge verlässt und üblicherweise mit Alveolargas im Gleichgewicht ist, wird nach dem Durchtritt durch das Herz zum systemischen arteriellen Blut mit einem CO₂- Partialdruck (P<sub> A</sub> CO₂ ) . Der CO₂ -Partialdruck (P<sub>CO₂</sub>) an Mund und Nase, im Diagramm als Funktion der Zeit dargestellt, variiert von null während der Inspiration bis zu einem Maximum während der Exspiration. Der Wert am Ende eines normalen Atemzugs, der endexspiratorische CO₂-Wert (P <sub>ET</sub> CO₂ ) , ist ein Beispiel für den gemischten CO₂-Partialdruck (P<sub> A</sub> CO₂ ) .
Auswirkungen von erhöhtem P a CO 2
Ein erhöhter CO₂-Partialdruck (PaCO₂ ) wird als Hyperkapnie oder auch Hypercarbie bezeichnet. Hyperkapnie hat folgende, miteinander verbundene Auswirkungen:
1. Ein hoher CO₂-Partialdruck (P <sub>a</sub> CO₂ ) verursacht Veränderungen der Hirnaktivität, die mittels EEG nachweisbar sind und sowohl die Denkfähigkeit als auch die Feinmotorik beeinträchtigen. EEG-Veränderungen, die auf frühe narkotische Effekte hinweisen, wurden bei einem Anstieg des endtidalen CO₂-Partialdrucks (P <sub>ET</sub> CO₂ ) von etwa 40 auf etwa 50 Torr gemessen.<sup> 5</sup> Veränderungen der Denkfähigkeit wurden bei einem P <sub>ET </sub> CO₂ von 51 Torr oder darüber festgestellt.<sup> 6</sup> Die Handstabilität nahm ab, wenn der P <sub>ET </sub> CO₂ über etwa 47 Torr lag. <sup>7</sup>
In einer Studie zu den Auswirkungen von CO₂ bei starker Belastung unter Wasser⁴ konnte sich ein Taucher, dessen endtidales CO₂-Partialdruck (P<sub> ET</sub> CO₂ ) etwa 52 Torr erreichte, nicht daran erinnern, dass die Zieltrittfrequenz auf dem Unterwasser-Ergometer 60 U/min betrug, obwohl der Drehzahlmesser Werte zwischen 58 und 62 U/min grün und alle anderen Werte rot anzeigte. Ein anderer Taucher, dessen P<sub> ET</sub> CO₂ am Ende seines Tauchgangs etwa 65 Torr betrug, wirkte nach dem Auftauchen benommen. Keiner der beiden Taucher gab Symptome einer Hyperkapnie an.
2. Sehr hohe CO₂-Partialdrücke (P <sub>a</sub> CO₂ ) haben eine narkotische oder sedierende Wirkung. Ein veröffentlichter Bericht beschreibt zwei Vorfälle: <sup>8</sup> Ein Taucher, der unter Wasser mit hohem Atemwiderstand trainierte, wurde bei einem endtidalen CO₂-Partialdruck (P <sub>ET </sub>CO₂ ) von etwa 72 Torr verwirrt und irrational. Er weigerte sich, das Training abzubrechen, und verlor später bei einem P<sub> ET </sub>CO₂ von fast 90 Torr das Bewusstsein. Ein anderer Taucher in derselben Studie hielt den P <sub>ET</sub> CO₂ über 20 Minuten lang zwischen 65 und 68 Torr und wurde anschließend ebenfalls verwirrt.
3. Ein hoher CO₂-Partialdruck (P<sub> a</sub> CO₂ ) aktiviert die Kampf-oder-Flucht-Reaktion , die neben der Beeinflussung des Hormonspiegels bei manchen Menschen Angstzustände und Reizbarkeit hervorruft. In der bereits erwähnten Studie mit intensiver körperlicher Anstrengung im Wasser<sup> 4</sup> beschrieb ein erfahrener Marinetaucher ein plötzliches Panikgefühl, als sein CO₂-Partialdruck (P <sub>et</sub> CO₂ ) von etwa 60 auf 65 Torr anstieg. Es fiel ihm schwer, sich so weit zu beherrschen, dass er geordnet auftauchen konnte. In einer früheren Studie zu den Auswirkungen von CO₂ im Wasser<sup> 9 </sup> wurde bei einem Taucher ein CO₂ -Partialdruck von etwa 51 Torr gemessen, der weiter anstieg. Der Taucher gab an, sich zunächst gut gefühlt zu haben, dann aber plötzlich, zu schnell und ohne angemessene Kommunikation aufgetaucht zu sein.
4. Ein hoher CO2 -Partialdruck (PaCO2 ) führt zu einer Verengung der kleinen Blutgefäße (Arteriolen), die größtenteils betroffen sind.
Obwohl die Hirndurchblutung über einen weiten Blutdruckbereich konstant bleibt, reagiert sie sehr empfindlich auf den CO₂ -Partialdruck (P<sub> a</sub> CO₂). Bei einem P<sub> ET </sub> CO₂ von 50 Torr steigt die Hirndurchblutung um 40 bis 50 % über den Normalwert. <sup>5</sup> (Abbildung 3) Kann der Blutabfluss nicht mit dem Blutzufluss Schritt halten, steigt der Druck im Schädelinneren. Dies kann zu pulsierenden, migräneartigen Kopfschmerzen führen. In einer Unterwasserstudie mit starker körperlicher Anstrengung<sup> 4</sup> lag der P<sub> ET</sub> CO₂ in der letzten Minute von 23 Tauchgängen über 50 Torr, und die Taucher berichteten nach 12 dieser Tauchgänge über Kopfschmerzen.
Taucher, die Gas mit erhöhtem Sauerstoffpartialdruck atmen und eine gesteigerte Hirndurchblutung aufweisen, haben auch eine erhöhte Sauerstoffversorgung des Gehirns. Dies erhöht das Risiko einer Sauerstofftoxizität des zentralen Nervensystems (ZNS) bei Sauerstoffpartialdrücken, die normalerweise als sicher gelten. <sup>10</sup>
Abbildung 3. Einfluss von CO 2 auf die Hirndurchblutung.
a) Blutfluss als Funktion des Blutdrucks.
b) Modulation des Blutflusses durch PaCO₂ . Die Abbildungen entsprechen annähernd Lehrbuchwerten. Die Größenordnungen sind korrekt, die Kurven stellen jedoch keine Messdaten dar.
5. Ein hoher CO₂-Partialdruck (P<sub> a </sub>CO₂ ) kann bei manchen Menschen (aber nicht bei allen) zu Atemnot führen. Leider ist vielen Tauchern nicht bewusst , dass ihr CO₂- Partialdruck beim Tauchen erhöht ist; in der oben erwähnten Unterwasserstudie <sup>4 </sup> gaben etwa 40 % der Taucher mit einem endtidalen CO₂-Partialdruck (P <sub>ET</sub> CO₂ ) über 51 Torr an, keine Symptome zu haben. Das Fehlen von Symptomen bedeutet jedoch nicht, dass keine anderen Auswirkungen auftreten.
Ein erhöhter CO₂-Partialdruck ( PaCO₂ ) ist gesundheitsschädlich. Einem Bericht zufolge standen 17 von 181 Todesfällen ziviler Atemschutzgeräte zwischen 1998 und 2010 im Zusammenhang mit einer CO₂- Ansammlung.¹¹
Beachten Sie, dass manche Auswirkungen eines erhöhten CO₂-Partialdrucks ( PaCO₂ ) erst nach einiger Zeit abklingen. Der Taucher, der benommen wirkte , blieb 10 bis 15 Minuten lang in diesem Zustand. Kopfschmerzen können stundenlang anhalten. Die Beseitigung der Ursache des Problems wird helfen, die Besserung tritt jedoch möglicherweise nicht sofort ein.
Wie oder warum kann P a CO 2 steigen?
CO₂ reichert sich im Körper an, wenn es schneller produziert als abgebaut wird. Lassen Sie uns dies systematisch untersuchen.
CO2 - Produktion
Der Stoffwechsel ist die Hauptquelle für CO₂ in unserem Körper. Bei der Umwandlung von Kohlenhydraten in Energie entstehen zehn CO₂- Moleküle pro zehn verbrauchten Sauerstoffmolekülen ( O₂ ). Bei der Fettverbrennung beträgt das Verhältnis sieben CO₂ -Moleküle zu zehn O₂-Molekülen. Im Ruhezustand verbrauchen wir beide Energiequellen, wobei das Verhältnis acht CO₂ -Moleküle zu zehn O₂- Molekülen beträgt. Das Blut transportiert das CO₂ vom arbeitenden Gewebe weg und gibt es an die Lunge ab, wo es gleichzeitig Sauerstoff aufnimmt, um das arbeitende Gewebe zu versorgen.
Eine hypothetische 70 kg schwere Person verbraucht in Ruhe etwa 250 ml O₂ /min und produziert etwa 200 ml CO₂ /min. Die Gasmengenangaben beziehen sich auf Standardbedingungen (Standardtemperatur und -druck, STP), d. h. 0 °C und 1 bar (101,3 kPa, 760 Torr). Diese Werte können sich bei körperlicher Anstrengung um mehr als das Zehnfache erhöhen.
Transport von O₂ und CO₂ im Blut
Sauerstoff (O₂ ) ist im Blut nur schlecht löslich. Sofern der Sauerstoffpartialdruck nicht sehr hoch ist (> 2 bar), wird O₂ effektiv nur an Hämoglobin in den roten Blutkörperchen gebunden transportiert. Jedes Hämoglobinmolekül kann vier Sauerstoffmoleküle binden. Die Sauerstofftransportkapazität ist durch die Hämoglobinkonzentration und das Blutvolumen begrenzt – ist das gesamte Hämoglobin gesättigt (100 % gesättigt), können keine weiteren O₂ -Moleküle ins Blut gelangen.
CO₂ ist im Blut besser löslich als O₂ , dennoch werden nur etwa 5 % des CO₂ im Blut als gelöstes Gas transportiert. Weitere 5 bis 10 % sind an Proteine im Hämoglobin gebunden (und nicht an die Sauerstofftransportstellen). Der größte Teil des CO₂ im Blut wird in den roten Blutkörperchen als Bicarbonat -Ion ( HCO₃⁻ ) transportiert, weil:
CO 2 + H 2 O ↔ H + + HCO 3 – .
Die Menge an CO2 , die das Blut aufnehmen kann, ist unbegrenzt – außer, dass ein extrem hoher CO2 - Partialdruck tödlich wäre!
CO2 - Eliminierung in der Lunge
Die Lunge bringt das Blut in engen Kontakt mit dem Gas in den Alveolen; nur eine sehr dünne Membran trennt sie über eine große Fläche (Abbildung 4). Normalerweise dauert dieser Kontakt lange genug an, dass sich die im aus den Alveolen austretenden Blut transportierten Gase mit dem Alveolargas im Gleichgewicht befinden: Die Zusammensetzung des Gases in der Lunge bestimmt die Mengen an O₂ , CO₂ und Edelgasen im arteriellen Blut. Da das arterielle Blut des gesamten Körpers die Mischung des gesamten Blutes ist, das von der Lunge zum Herzen zurückfließt, ist der CO₂- Partialdruck in der Lunge ( PaCO₂ ) annähernd gleich dem CO₂-Partialdruck in der Lunge (PaCO₂ ) .
Das Gleichgewicht zwischen der CO₂- Aufnahme aus dem Blut und der CO₂- Abgabe aus der Lunge durch die Atmung bestimmt den CO₂-Partialdruck (PACO₂ ) . Die Sauerstoffaufnahme (Belastungsintensität und Wärmeproduktion) bestimmt die CO₂ -Aufnahme in die Lunge, während die Frischgaszufuhr in die Alveolen die CO₂- Abgabe bestimmt. Die Geschwindigkeit des Gasaustauschs zwischen Alveolen und Lunge wird als alveoläre Ventilation ( V'A ) bezeichnet. Der CO₂- Partialdruck steigt, wenn V'A im Verhältnis zur Sauerstoffaufnahme zu niedrig ist.
Abbildung 4. Ein Querschnitt durch menschliche Alveolen.
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=46568489
Die dunkelroten Punkte stellen rote Blutkörperchen dar. Die offenen Bereiche sind die gasgefüllten Alveolen, die alle miteinander verbunden sind, jedoch nicht unbedingt in der Ebene des Dünnschnitts liegen. Die Blutgefäße (Lungenkapillaren), die jeweils gerade breit genug sind, damit die roten Blutkörperchen hindurchpassen, verlaufen senkrecht zur Bildebene.
CO₂ diffundiert kontinuierlich aus dem Blut in die Lungenluft. Seine Konzentration in der Lungenluft nimmt mit dem Atemzyklus intermittierend ab. Die Beschreibung des momentanen Partialdrucks in der Lungenluft ist daher sehr komplex. Betrachtet man jedoch einen stationären Zustand und den Mittelwert über eine Minute, so ergibt sich die Rate, mit der die Atmung CO₂ aus der Lunge entfernt ( V'CO₂ ), zu
V'CO 2 = V' A · (P A CO 2 – P i CO 2 ) / k ,
wobei P A CO 2 der durchschnittliche alveoläre CO 2 -Partialdruck über die Minute ist, P i CO 2 der CO 2 -Partialdruck im Atemgas ist und der konstante Wert k den Partialdruck mithilfe der idealen Gasgleichung in eine Konzentration in Mol/Volumen umrechnet.
Das oben definierte Atemminutenvolumen V'A ist die Rate, mit der Gas in die Alveolen ein- und ausströmt. Das Atemminutenvolumen V'E ist die Rate, mit der Gas durch Nase und Mund in den Körper ein- und ausströmt. V'E ist auch die Rate, mit der Gas in ein Beatmungsgerät ein- oder ausströmt. (Die geringen Volumenunterschiede zwischen Ein- und Ausatemgas, die hauptsächlich durch Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen verursacht werden, werden hier vernachlässigt.) V'A ist stets kleiner als V'E , da V'E die Totraumventilation miteinschließt.
V' A = (V T – V D ) · f = V' E – (V D · f ),
Dabei ist V <sub>T</sub> das Atemzugvolumen, also das Gasvolumen, das mit jedem Atemzug bewegt wird, einschließlich V<sub> D </sub>; V<sub> D</sub> ist das Totraumvolumen, also das Gesamtvolumen, das zu Beginn der Einatmung das ausgeatmete Gas enthält, sowohl das innerhalb des Körpers (Atemwege und andere Bereiche der Lunge, in denen kein Gasaustausch stattfindet) als auch das außerhalb des Körpers (im Beatmungsgerät enthalten); und f ist die Atemfrequenz.
Die durchschnittliche Rate der CO2 -Entfernung aus der Lunge beträgt somit
V'CO 2 = (V T – V D ) · f · (P A CO 2 – P i CO 2 ) / k ,
Ein Taucher kann Atemzugvolumen (V <sub>T </sub>) und Atemfrequenz ( f) bis zu einem gewissen Grad willentlich beeinflussen, aber sein Atemregulationssystem (siehe unten) bestimmt in der Regel die optimale Kombination. Der Hersteller des Atemgeräts hat (im Rahmen der Konstruktionsvorgaben) Einfluss auf das externe Atemzugvolumen (V <sub>D</sub>) und den CO <sub>2 </sub>-Partialdruck (P <sub>i</sub> ). Beide erhöhen das pro Minute zu bewegende Luftvolumen, um einen normalen CO<sub> 2</sub> -Partialdruck (P <sub>A</sub> ) aufrechtzuerhalten.
Eine andere Möglichkeit, V D zu betrachten, ist als eine Erhöhung des durchschnittlichen P i CO 2 , da die Menge an CO 2 in jedem V T ist
<(V D ·P A CO 2 + (V T -V D ) · P i CO 2 >/ k ,
und der Mittelwert P i CO 2 = <(V D ·P A CO 2 + (V T -V D ) · P i CO 2 > / V T .
Somit erhöhen drei Faktoren das V'E , das zur Aufrechterhaltung eines normalen P<sub> A</sub> CO <sub>2</sub> erforderlich ist: körperliche Betätigung (Rate der metabolischen CO<sub> 2 </sub>-Produktion), ein von Null verschiedener P<sub> i</sub> CO <sub>2 </sub> und ein größeres als normales V<sub> D</sub> .
Kontrolle der Atmung
Der Körper erfasst chemische und physikalische Bedingungen und passt die Atemmuster entsprechend an. (Natürlich haben wir auch kurzfristige bewusste Kontrolle über unsere Atemmuster.)
Chemische Kontrolle
Unter sonst gleichen Bedingungen bewirken die Sensoren in den Halsschlagadern eine Erhöhung des Atemminutenvolumens (V'E ) bei erhöhtem arteriellem CO₂-Partialdruck ( PaCO₂ ) und eine Verringerung bei zu niedrigem PaCO₂ . Die Sensoren an der Oberfläche des Hirnstamms reagieren ähnlich , jedoch reagieren sie aufgrund der Umhüllung mit Liquor cerebrospinalis anstatt mit Blut langsamer auf Veränderungen des PaCO₂ als die Sensoren in den Arterien .
Physische Kontrolle
Bei einer Steigerung des Atemminutenvolumens (V'E ) vom Ruhewert aus erhöhen sich sowohl das Atemzugvolumen (V <sub>T </sub>) als auch die Atemfrequenz ( f) , bis Dehnungsrezeptoren eine weitere Steigerung des Atemzugvolumens begrenzen. Bei einem höheren Atemminutenvolumen bleibt das Atemzugvolumen konstant, während die Atemfrequenz (f) zunimmt.
Anstrengung Obwohl es in Lehrbüchern selten erwähnt wird, scheinen Atemmuskeln auch vor ermüdender Arbeit geschützt zu sein; bietet ein Atemsystem einen äußeren Widerstand, verringert eine Person, die darauf atmet, ihr Atemzugvolumen (V'E ) , selbst wenn der CO₂-Partialdruck ( PaCO₂ ) ansteigt . Dies geschieht selbst dann, wenn die Person V'E willentlich erhöhen könnte. Der Körper scheint einen Anstieg des PaCO₂ zu „akzeptieren“ , um übermäßige Atemarbeit zu vermeiden.¹²
Insgesamt passt der Körper sein Atemzugvolumen (V'E ) an, um mindestens zwei Bedürfnisse zu erfüllen: die Aufrechterhaltung eines gesunden arteriellen CO₂-Partialdrucks (PaCO₂ ) und die Minimierung der Atemarbeit.<sup> 13</sup> Personen, die in geschlossenen Räumen atmen und keine Atemgeräte benötigen (z. B. U-Boot-Fahrer), erhöhen ihr Atemzugvolumen , um einen erhöhten intrazellulären CO₂-Partialdruck (PiCO₂ ) auszugleichen, da ihre Atemarbeit nur minimal zunimmt. Je größer jedoch die Atemarbeit ist, desto schlechter ist die Kontrolle des PaCO₂ . Beispielsweise erhöhten Probanden, die in einem trockenen Labor schwere körperliche Anstrengungen unternahmen, ihr Atemzugvolumen und hielten einen nahezu normalen endtidalen CO₂-Partialdruck (PETCO₂ ) aufrecht, solange der PiCO₂ ungleich null war und der Atemwiderstand minimal. Sie reduzierten jedoch ihr Atemzugvolumen und ließen den PETCO₂ ansteigen, wenn ein mäßiger Atemwiderstand ohne eingeatmetes CO₂ hinzukam. Zudem reagierten sie nur minimal auf einen von null verschiedenen PiCO₂ , wenn der mäßige Widerstand vorhanden war, wodurch der PETCO₂ noch weiter ansteigen konnte. <sup> 3 </sup>
Zusammenfassung der Faktoren, die P A CO 2 und P a CO 2 beeinflussen
Wenn sich nur ein Faktor ändert (ohne Anpassungen durch die Regelsysteme), steigt P A CO 2 wie folgt:
| Zunehmend | Abnehmend |
| körperliche Betätigung (Stoffwechselrate) | V' E |
| Pi CO 2 | |
| V D |
Bei normaler Atemregulation ohne externe Atembelastung erhöht sich das Atemminutenvolumen (V'E ) , um den CO₂- Partialdruck (P<sub>a</sub>CO₂) während der Belastung im Normbereich zu halten und bei erhöhtem intrapartalem CO₂ -Partialdruck (P<sub> i </sub>CO₂ ) oder erhöhtem Atemzugvolumen (V<sub> D</sub>) nahezu im Normbereich zu halten. (Ein von Null verschiedener P<sub> i </sub>CO₂ oder ein hohes Atemzugvolumen (V<sub> D</sub>) machen eine Erhöhung des Atemminutenvolumens (V'E ) weniger effektiv.)
Die normale Atemregulation unter Atemwegswiderstand verringert das Atemzugvolumen (V'E ) und lässt den CO₂- Partialdruck (P<sub>a</sub> CO₂) ansteigen, selbst wenn die für ein höheres V'E erforderlichen Drücke unter anderen Bedingungen erreicht würden. Dieser Effekt schwächt die Reaktion auf einen erhöhten intrazellulären CO₂ -Partialdruck (P <sub>i</sub> CO₂) oder ein erhöhtes Atemzugvolumen (V<sub> D</sub>) ab, bis hin zum vollständigen Ausbleiben der Reaktion. Bei Atemwegswiderstand führt ein erhöhter P<sub> i</sub> CO₂ oder ein erhöhtes V<sub> D</sub> zu einem Anstieg des P<sub> a</sub> CO₂ . Die Stärke des Atemwegswiderstands, der P <sub>i </sub>CO₂ -Werte und das Atemzugvolumen (V<sub> D </sub>) bestimmen in Wechselwirkung, ob der Anstieg problematisch ist.
Die derzeitigen Grenzwerte für einen akzeptablen externen Atemwiderstand wurden typischerweise bei einem intrazellulären CO₂ -Partialdruck (P<sub> i</sub> CO₂) von null und einem niedrigen Atemzugvolumen (V<sub> D </sub>) ermittelt. Unter diesen Bedingungen ist jeder Anstieg des arteriellen CO₂-Partialdrucks (P<sub> a</sub> CO₂ ) unter Atemwiderstand gering. Leider wird der mit Atemwiderstand verbundene Anstieg des P<sub> a</sub> CO₂ durch einen von null verschiedenen P<sub> i</sub> CO₂ , ein hohes Atemzugvolumen oder körperliche Anstrengung (einschließlich Zittern) verstärkt. Das Risiko besteht darin, dass manche Taucher unter diesen Bedingungen keine Symptome einer Hyperkapnie aufweisen, während andere erst dann Symptome bemerken, wenn sie Panik oder plötzliche, schwere Atemnot verspüren.
Die Atembelastung und das Atemzugvolumen (V<sub> D</sub>) lassen sich durch eine gute Ausrüstungskonstruktion reduzieren, aber nicht vollständig eliminieren. Taucher sind zudem internen Widerstandsbelastungen aufgrund der erhöhten Gasdichte in der Tiefe ausgesetzt. Daher stellt ein von Null verschiedener CO<sub> 2</sub> -Partialdruck (P<sub> i </sub> CO<sub>2</sub>) ein reales Risiko dar, insbesondere bei starker körperlicher Anstrengung. Wir können noch nicht sagen, welcher CO<sub> 2</sub> -Partialdruck für „normales“ Tauchen als akzeptabel und sicher gilt. Wir wissen jedoch, dass bei potenzieller starker körperlicher Anstrengung 20 mbar (2 kPa, 2 % SEV) im Inspirationskreislauf zu hoch sind und selbst 10 mbar (1 kPa, 1 % SEV) unklug sind. <sup>4</sup>
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Verfasst von Barbara Shykoff
Barbara Shykoff erwarb ihren Bachelor of Arts (Ingenieurwissenschaften, Schwerpunkt Chemie) an der Universität Toronto, ihren Master of Science (Bioingenieurwesen) an der Universität New Brunswick und ihren Doktortitel (Biomedizintechnik) an der McGill University. Seit 16 Jahren arbeitet sie bei der US Navy Experimental Diving Unit. Ihre Forschungsschwerpunkte liegen auf der pulmonalen Sauerstofftoxizität, weiteren Aspekten einer verlängerten, leicht hyperoxischen Exposition sowie den physiologischen Auswirkungen des Atemwiderstands mit und ohne CO₂-Inhalation.
Verfasst von Dan Warkander
Dan Warkander ist Ingenieur und Atmungsphysiologe und arbeitet seit über 30 Jahren mit Tauchern und deren Atemgeräten: Lufttauchgänge bis 57 m (190 Fuß Meerestiefe), Heliox-Tauchgänge bis 450 m (1500 Fuß Meerestiefe) und Wasserstoff-Sauerstoff-Tauchgänge (Hydrox) bis 120 m (400 Fuß Meerestiefe). Er hat über 1000 Versuchstauchgänge geleitet, Atemwiderstandsgrenzen für Tauchgänge und die Nutzung an Land ermittelt und implementiert sowie ein einfach zu bedienendes CO₂-Scrubber-Messgerät entwickelt.
