Ein lebenswichtiger Prozess des menschlichen Lebens findet in jeder der 300 Mio. Alveole statt. Es handelt sich dabei, um den Gasaustausch. Hierbei wird der Sauerstoff aus der eingeatmeten Luft über die Lungenblässchen in die Kapillaren aufgenommen und gleichzeitig wird das Kohlendioxid aus den Kapillaren in die Alveolen abgegeben.
Möglich ist dies über die Diffusion. Beim Diffusionsvorgang wandert ein Stoff von einem Ort mit hoher Konzentration zu einem Ort, wo niedrige Konzentration herrscht. Dies passiert solange bis der Konzentrationsunterschied ausgeglichen ist. Mit anderen Worten eine Diffusion braucht Konzentrationsgefälle. Dies ist beim Gasaustausch in den Alveolen gegeben. Am Anfang der Kapillaren ist das Blut reich mit Kohlendioxid. Nach erfolgtem Gasaustausch durch den Diffusionsvorgang ist das Blut am Ende der Kapillaren sauerstoffreich.
Wie läuft die Diffusion beim Gasaustausch konkret ab?
Die Schicht zwischen der Luft und den Kapillaren ist hauchdünn und für Sauerstoff und Kohlendioxid durchlässig. Wie bereits erwähnt, weist das Blut, das aus dem Körper in den Lungenkreislauf strömt, einen höheren Anteil an Kohlendioxid auf. In kürzester Zeit und auch Wegstrecke kommt es zum Diffusionsvorgang, wenn das Blut durch die Kapillaren um die Alveolen fließt. Bei einem Menschen mit gesunden Lungen wird bereits nach etwa einem Drittel der Kontaktstrecke der Sauerstoffwert im Blut erreicht, sodass ein Diffusionsgleichgewicht herrscht und damit im weiteren Verlauf der Kontaktstrecke keine Nettoaufnahme von Sauerstoff mehr gegeben ist. Die Sauerstoffaufnahme erfolgt nur, wenn Alveole und Lungenkapillare in einem engen Kontakt treten. Der ins Blut aus der Alveolarluft aufgenommene Sauerstoff bindet sich an die roten Blutkörperchen (Hämoglobin) und wird in die Körper transportiert. Das Kohlendioxid wird an die Luft in der Alveole abgegeben und mit dem Ausatmen an die Umwelt abgegeben. Obwohl die Kontaktzeit zwischen Blut und Alveole sehr gering ist, kann der möglichst schnelle Gastausch dadurch erfolgen, dass die von den Gasen zu überwindenden Membranen sehr dünn sind. Die Wand der Lungenbläschen beträgt ungefähr nur einen Mikrometer, was einem 1/1000 mm entspricht. Zusätzlich begünstigt die Feuchtigkeit der Innenseite der Wände die Durchlässigkeit für die beiden Gase. Somit sorgen die äußerste Schicht, die großen Oberflächen der Alveolen und die geringe Diffusionsstrecke dafür, dass es zu einem schnellen Gasaustausch kommt.
Der Diffusionvorgang erfolgt auch in der Körperzelle während der Zellatmung.
Wichtig für den Diffusionsvorgang und damit für den Gasaustausch ist, dass sich das Konzentrationsgefälle in bestimmten Bandbreiten befindet. So muss beispielsweise Kohlendioxid im Blut vorhanden sein, damit Hämoglobin den beim Gasaustausch in der Lunge aufgenommenen Sauerstoff wieder auslässt. Daher ist eine bestimmte Mindestkonzentration an Kohlendioxid wichtig. Denn sollte zu viel Kohlendioxid proaktiv ausgeatmet werden, funktioniert der Austausch weder in den Alveolen noch in den Körperzellen.
Warum kann die Diffusion als ein passiver, energiearmer Prozess gesehen werden?
Faszinierend ist, dass der Gastausch im Zug der Diffusion passiv stattfindet. Denn die Partialdruckdifferenz der Gase Sauerstoff und Kohlendioxid ist die treibende Kraft für die Atemgasdiffusion von der Alveole ins Blut der Lungenkapillare und umgekehrt. Es ist ein „passiver Transportprozess“ oder anders ausgedrückt ein Transport ohne Strömung bzw. ohne Energie aufwenden zu müssen aufgrund der unterschiedlichen Konzentrationsgradienten. Denn die Gasteilchen verteilen sich freiwillig optimal im Raum, da sie das Bestreben haben dorthin zu wandern, wo es weniger von ihnen gibt, also viel Raum vorhanden ist. Die Basis für diese Verteilung im Raum ist die Brownsche Bewegung. Demnach bewegen sich Teilchen von sich aus unregelmäßig und ruckartig in Flüssigkeiten und Gasen. Durch die unregelmäßigen Zick-Zack-Bewegungen stossen sie einandern und verteilen sich mit der Zeit im Raum bis ein Gleichgewicht herrscht. Selbst bei Erreichen des Gleichgewicht setzt sich die Bewegung der Teilchen fort und es wird das Gleichgewicht durch die Bewegung aufrecht erhalten, nur ist dies von aussen nicht mehr oder nur sehr schwer messbar. Da sich die ewig in Bewegung befindlichen Teilchen mit höheren Temperaturen schneller verteilen, hilft auch das „Warm-up“ vor anstrengen Bewegung um die Leistungsfähigkeit des Lunge zu verbessern.
Die Faszination besteht auch in der Tatsache, dass Sauerstoff und Kohlendioxid strömungsfrei die Membranen zwischen Aveole und Kapillaren überwinden. Damit verfügt die Lunge als Hauptenergiequelle mit der Diffusion über einen passiv, ohne energieverbrauchenden Prozess. Dies stellt einen weiteren Beleg dar, wie effizienzorientiert der menschliche Körper ausgerichtet ist.
Auch für den Gasaustausch zwischen Alveolen und Kapillaren gilt, dass der Austausch desto schneller erfolgt, je größer die Austauschfläche, je kürzer die Diffusionsstrecke, und je höher die Konzentrationsunterschiede sind.