Kohlendioxid - Tauchers persönliche Klimakatastrophe

Auch wenn es stimmt, dass Sauerstoff für das Leben unabdingbar ist, wird die Atmung viel stärker über den Kohlendioxid- als über den Sauerstoffgehalt im Blut reguliert. So kann man bei steigenden Kohlendioxidkonzentrationen in der Ausatemluft eine schnelle Zunahme des Atemminutenvolumens beobachten. Erst eine starke Erniedrigung des Sauerstoffs im Blut bei gleichbleibendem Kohlendioxid führt ebenfalls zu einer Steigerung der Atmung.

Grundlagen CO2-Transport
Die benötigte Energie gewinnt der Körper durch oxidativen Abbau von Nahrungsstoffen - also durch Verbrennung. Hierbei entsteht in den Körperzellen als "Abfallprodukt" Kohlendioxid (CO2), das im Blut abtransportiert und in der Lunge abgeatmet wird. Für den Transport gibt es zwei Mechanismen: Zum einen können sich Gase physikalisch in einer Flüssigkeit lösen. Neben dem entsprechenden Löslichkeitskoeffizienten spielt hierbei auch der Partialdruck des Gases eine Rolle. Zum anderen können Gase chemisch gebunden werden. Bestes Beispiel für eine chemische Bindung ist die des Sauerstoffs an das Hämoglobin zum Transport von der Lunge zu den Körperzellen.
In Taucherkreisen hört man häufig, dass der Transport des CO2 im Blut hauptsächlich physikalisch gelöst erfolgen würde. Dies stimmt aber nicht, da der Anteil des physikalisch gelösten Kohlendioxids im Blut recht klein ist und die chemisch gebundenen Mengen überwiegen. Im Gegensatz zum Transport des Sauerstoffs im Blut gibt es aber verschiedene chemische Bindungen für das Kohlendioxid. Nach Diffusion aus der Körperzelle wird das Kohlendioxid zum größten Teil als Bikarbonat transportiert. Die roten Blutkörperchern spielen hierbei eine wichtige Rolle: In ihnen befindet sich das Enzym Carboanhydrase, das die Bildung von Bikarbonat aus Kohlendioxid und Wasser beschleunigt. Nach der Bildung von Bikarbonat kann dieses ins Plasma gelangen, aber auch in den roten Blutkörperchen verbleiben, und so zur Lunge transportiert werden. Ein kleinerer Teil des Kohlendioxids wird an bestimmte Proteine gebunden transportiert.
Der physikalisch gelöste Anteil des Kohlendioxids spielt jedoch auch eine sehr wichtige Rolle, da er nur in dieser Form die Zell- und Alveolarmembran passieren kann: Im Gewebe diffundiert das Kohlendioxid aus der Zelle, wird physikalisch im Plasma gelöst, bevor es dann wie beschreiben chemisch gebunden wird. In der Lunge verlässt das Kohlendioxid im Bereich der Lungenbläschen (Alveolen) seine Reaktionspartner im Blut, wird wieder kurzzeitig physikalisch gelöst und kann durch die Alveolarwand diffundieren.

Beim Gerätetauchen führt ein Zuviel von CO2 zu Problemen
Doch wie kommt beim Gerätetauchen das CO2 ins Blut? Häufig wird hier der Inhalt der Druckgasflasche verdächtigt, doch dies ist nur sehr selten und bei fehlerhaftem Füllen der Grund. Beim Tauchen mit Rebreathern kann nasser oder verbrauchter Atemkalk die Ursache sein, weil hier das CO2 nicht mehr ausreichend ausgefiltert wird. Was also bleibt? Der Taucher selbst ist meistens der Verursacher! Und hier sind es vor allem zwei Mechanismen, die zur CO2-Problematik führen:

Ursache Nr. 1: Sparatmung
Diese weitverbreitete Unsitte entspringt der landläufigen Auffassung, dass ein "guter" Taucher wenig Luft zu verbrauchen habe. Doch dabei werden wichtige Faktoren häufig übersehen: Der Luftverbrauch hängt wesentlich von den Umgebungsbedingungen ab. Körperliche Anstrengung (durch Strömung oder Arbeit unter Wasser) führt zwangsläufig zu einem erhöhten Atemminutenvolumen und damit zu einem erhöhten Luftverbrauch.
Obwohl alle Taucher einer Tauchgruppe jeweils den entsprechenden Umgebungsbedingungen unterworfen sind, kann der Luftverbrauch unter den Tauchern erheblich variieren. Der individuelle Luftverbrauch unterliegt nun einmal vielen Einflussgrößen. Eine der wichtigsten ist die zu versorgende Körper- und vor allem Muskelmasse. Ein Mehr an Masse bedeutet auch ein Mehr an Zellen, die versorgt werden müssen. Ein weiterer wesentlicher, individueller Faktor ist der Trainingszustand des Tauchers, und zwar sowohl im Hinblick auf allgemeine Ausdauer als auch auf spezielle Ausdauer beim Schwimmen mit Flossen. Taucher, die regelmäßiges Ausdauertraining betreiben, werden eine Belastung als weniger anstrengend empfinden als untrainierte Taucher. Auch der Ausbildungsstand trägt zum individuellen Luftverbrauch bei. So führen Aufregung und Nervosität unter anderem zu einer Beschleunigung der Herzfrequenz und einer Steigerung des Blutdrucks. Beides hat erhöhten Luftverbrauch zur Folge. Diese Faktoren sind vielen Tauchern nicht wirklich bewusst.

Sparatmung
Um den Luftverbrauch zu reduzieren wird häufig der Entschluss gefasst, die Atmung bewusst zu reduzieren, also "Atem zu sparen". Die Folge ist in den meisten Fällen aber kein "Sparen": Tatsächlich ist der Gesamtverbrauch ähnlich hoch wie vorher (meist sogar höher)! Zudem führt das Sparen häufig zu Unwohlsein: Durch das bewusste Zu-wenig-Atmen zu Beginn des Tauchgangs kommt es zu einer Hypoventilation - es wird zu wenig CO2 abgeatmet. Dadurch steigt der CO2-Partialdruck im Blut an. Entsprechend klagen die Betroffenen über Kopfschmerzen (zum Teil sehr starke!) und gelegentlich auch über Übelkeit.

Ursache Nr. 2: Essoufflement
Beim Essoufflement handelt es sich um eine schleichende Erhöhung des CO2-Spiegels im Blut durch ein nicht dem Bedarf entsprechendes Atemminutenvolumen mit nachfolgendem subjektiven Gefühl der Atemnot. Im Gegensatz zur Sparatmung handelt es sich aber nicht um ein Fehlverhalten, sondern der Taucher ist Opfer der Physik und der Physiologie. Der Hintergrund: Die Atemwege, vor allem die Luftröhre mit den Bronchien und Bronchiolen, stellen ein gasdurchflossenes Rohrsystem dar. Während die Luftröhre und die größeren Bronchien mit Knorpelspangen verstärkte Wände haben, sind die Wandungen der kleinen Bronchien und Bronchiolen elastisch und nicht verstärkt.
Im Nasen-Rachenraum, in der Luftröhre und den Hauptbronchien ist immer eine turbulente Strömung vorhanden, damit die eingeatmete Luft gleichmäßig erwärmt, angefeuchtet und gereinigt wird. Durch den relativ großen Durchmesser dieser Rohre gibt es im Normalfall keine störenden Auswirkungen auf die Atmung. Nach der Aufzweigung in die kleineren Bronchialäste und Bronchiolen ist die Strömungsgeschwindigkeit beim Gesunden und unter normobaren Bedingungen so gering, dass hier eine gleichmäßige, wirbelfreie (= laminare) Strömung vorliegt. Dies gewährleistet einen guten Gasaustausch in den Lungenbläschen bei geringem Energieaufwand.
Taucher haben es aber mit komprimierter Luft zu tun, die entsprechend des Umgebungsdrucks in der jeweiligen Tauchtiefe veratmet wird. Die Dichte der Luft wird mit zunehmender Tiefe daher immer größer, so dass pro Zeiteinheit mehr Gasmoleküle die Atemwege durchströmen müssen.
Tauchen ist außerdem immer auch mit Muskeltätigkeit verbunden ­– und diese mit der Produktion von CO2. Dadurch kommt es zu einer Reizung des Atemzentrums, was eine beschleunigte und zunächst vertiefte Atmung zur Folge hat (Fachbegriff: Tachypnoe). Dies wiederum zieht eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft in den Atemwegen nach sich.

Schon dies allein führt zu einer erhöhten Atemarbeit und einem verschlechterten Gasaustausch in der Lunge mit einem erschwerten Abatmen von CO2. Zusätzlich verengt der durch die Verwirbelungen in den Bronchiolen erzeugte Unterdruck den Durchmesser der elastischen Bronchiolen. Die Folge ist ein weiter erhöhter Atemwiderstand, eine weitere Zunahme der Turbulenzen und somit eine weitere Verschlechterung des Gasaustauschs. Im Extremfall kann es sogar zu einem kompletten Zusammenfall einzelner Bronchiolen kommen, so dass das in den dahinterliegenden Lungenbläschen enthaltene CO2 nicht abgeatmet werden kann und in der Lunge verbleibt.
Das Gefühl der Atemnot führt zu dem Versuch, mehr zu atmen. Da die Atemreserven jedoch schon maximal ausgeschöpft sind, gibt es keine Besserung. Das Gefühl, nicht ausreichend Luft zu bekommen, kann in Panik mit unkontrolliertem Notaufstieg enden!
Hervorgerufen wird die CO2-Erhöhung also primär durch körperliche Anstrengung in größeren Tiefen. Das Auftreten von Essouflement wird dazu durch erhöhte Atemwiderstände des Atemreglers, zu enge Tauchanzüge und schlechten Trainingszustand begünstigt. Um einem Essoufflement vorzubeugen, sollte jeder Taucher zunächst ein regelmäßiges Ausdauertraining durchführen. Unabhängig davon sollten körperliche Anstrengung in größeren Tiefen vermieden werden. Das bedeutet aber auch, dass jedem Taucher klar sein muss, dass immer der schwächste Tauchpartner das Tempo bestimmt. Nur so kann gewährleistet werden, dass kein Taucher der Gruppe seine körperlichen Grenzen überschreitet. Schließlich sollte eine gut gepflegte und regelmäßig gewartete Ausrüstung für jeden Taucher selbstverständlich sein
Taucher, die an sich selbst bemerken, dass sie zunehmend außer Atem geraten, ohne dass eine weitere Erhöhung des Atemminutenvolumens möglich ist, sollten zunächst versuchen, zur Ruhe zu kommen. Dazu sollte die körperliche Anstrengung beendet werden. Der oder die Tauchpartner müssen darüber informiert werden, dass etwas nicht stimmt. Die gesamte Gruppe sollte dann kontrolliert in eine geringere Wassertiefe tauchen, um dem Betroffenen eine Normalisierung seiner Atmung zu ermöglichen. Häufig genügt bereits ein Pausieren auf der Stelle, gelegentlich kann jedoch auch ein komplettes Auftauchen nötig sein.

CO2 und Apnoetauchen
Das Hauptproblem des Apnoetauchens ist im Gegensatz zum Gerätetauchen ein Zuwenig an CO2: Wie beschrieben, ist die Steuerung der Atmung ein komplexer Vorgang, der sich nach den tatsächlichen Bedürfnissen des Körpers richtet. Ist es durch vermehrte Muskelarbeit zu einem vermehrten Anfall von CO2 und sauren Stoffwechselprodukten gekommen, ist die Atmung unwillkürlich vertieft und beschleunigt. Der Grund dafür ist also ein Zuviel an CO2, das Ziel eine Normalisierung der Werte im Blut. Viele Taucher atmen jedoch vor dem Abtauchen mehrmals tief ein und aus, ohne dass ein gesteigerter Atemreiz besteht. Sie tun dies in der Annahme, auf diese Weise mehr Sauerstoff im Blut speichern zu können. Doch selbst durch intensivstes Atmen erhöht sich die Sauerstoffsättigung des Bluts nur sehr unwesentlich. Durch eine bewusste Vertiefung der Atmung kommt es jedoch zu einer vermehrten Abgabe von CO2, also einem im Verhältnis zum tatsächlichen Bedarf "Überatmen". Medizinisch wird dies Hyperventilation genannt.

Hyperventilation
Ein Effekt der Hyperventilation ist die Verlängerung der Zeit, in der willentlich die Luft angehalten werden kann. Dies erklärt sich aus der Absenkung des CO2-Gehalts im Blut und der dadurch verlängerten Zeit, bis genügend CO2 gebildet wurde, um den Atemreiz zu geben. Durch die gleichzeitige Verschiebung des pH-Werts kommt es aber auch zur Abnahme von Calzium-Ionen im Blut, was zu Kribbel-Gefühlen um den Mund und an den Händen sowie in schweren Fällen zu einer Verkrampfung aller Muskeln (Tetanie) führt. Außerdem ist die Durchblutung des Gehirns vermindert, und es kann sogar an Land schon zur Bewusstlosigkeit kommen. Die Behauptung, dass durch bewusste Mehratmung auch das Blut wesentlich sauerstoffreicher wird, trifft also nicht zu. Im Gegenteil: Schon an Land kommt es zu gefährlichen Nebenwirkungen.
Eine Hyperventilation vor Strecken- oder bei Zeittauchversuchen kann ebenfalls zu einer Bewusstlosigkeit, nämlich zum sogenannten Schwimmbad-Blackout führen: Bei Weittauchversuchen wird durch die Muskeltätigkeit vermehrt Sauerstoff verbraucht, CO2 vermehrt produziert. So kommt es im Normalfall zu einem Atemreiz, bevor die kritische Sauerstoffschwelle, bei der es zum echten Sauerstoffmangel im Hirn (Hypoxie) kommt, unterschritten wird. Wurde jedoch vor dem Tauchversuch hyperventiliert und dadurch der CO2- Wert gesenkt, dauert es entsprechend länger, bis ein Atemreiz erfolgt. Daher kann es hier dann doch zu einem Sauerstoffmangel mit Bewusstseinsverlust kommen. Die CO2-Produktion des Körpers geht jedoch aufgrund von Stoffwechselvorgängen weiter, so dass zu einem gegebenen Zeitpunkt wieder genug CO2 im Blut ist, um das Atemzentrum zu stimulieren. Daraus resultiert ein Einatemreflex, der unter Wasser zum Einatmen von Wasser und somit zum Ertrinken führen kann. Darum ist beim Strecken- und beim Zeittauchen immer darauf zu bestehen, dass nie hyperventiliert und jeder Übende von einem Partner überwacht wird. Tritt dennoch ein Schwimmbad-Blackout auf, so ist der Betroffene sofort an den Beckenrand zu holen und bei Atemstillstand mit der Wiederbelebung zu beginnen.
Die Flachwasserbewusstlosigkeit tritt paradoxer Weise zu ihrem Namen beim Tieftauchen in Apnoe auf. Das Abtauchen hat eine Erhöhung der Partialdrücke ("p")der Atemgase zur Folge, so dass dem Körper „Sauerstoff-Luxusversorgung“ vorgegaukelt wird. Dennoch wird Sauerstoff natürlich vom Körper verbraucht und CO2 produziert. Irgendwann zwingt der durch CO2-Anstieg stärker werdende Atemreiz zum Auftauchen. Hierbei fallen die Partialdrücke der Atemgase in der Lunge rasch ab.  Besonders der Abfall des Sauerstoff-Partialdrucks (pO2)ist dramatisch, weil von diesem Gas reichlich verbraucht wurde.
Kurz vor oder unmittelbar nach Erreichen der Oberfläche kann der Sauerstoffpartialdruck dann so niedrig werden, dass die Versorgung des Gehirns nicht mehr ausreichend ist. In der Folge wird der Taucher ohnmächtig und kann dadurch wieder absinken. Durch das mittlerweile reichlich vorhandene CO2 kommt es zu einem starken Atemreiz und in der Folge zum Tod durch Ertrinken. Während bei Tieftauchversuchen ohne vorherige Hyperventilation in der Regel keine  kritischen Bereiche erreicht werden (aber erreicht werden können!), potenziert sich die Gefährdung bei Hyperventilation um ein Vielfaches.

Priv.-Doz. Dr. Claus-Martin Muth
Dr. Tim Piepho