Warum platzt ein rotes Blutkörperchen in destilliertem Wasser? Warum ist ein Aufprall mit 100 km/h so viel gefährlicher als mit 50 km/h? Und wie lange reicht eine Sauerstoffflasche? Die Antworten liefern Physik, Chemie und Biologie. Diese Lektion vermittelt die naturwissenschaftlichen Grundlagen, auf denen Anatomie, Pharmakologie und Gerätekunde in den folgenden Lektionen aufbauen – immer mit Blick darauf, wo euch das Wissen im Rettungsdienst konkret begegnet.
Physik ist die Naturwissenschaft, die Zustände und Vorgänge mithilfe von Messgrößen, Einheiten und mathematischen Zusammenhängen beschreibt. Im Rettungsdienst begegnet sie euch ständig – beim Ablesen von Monitoren, beim Einstellen von Geräten oder beim Einschätzen von Unfallmechanismen.
Jede physikalische Größe besteht aus einem Zahlenwert und einer Einheit. Ohne Einheit ist eine Zahl bedeutungslos: „Blutzucker 30“ kann 30 mg/dl (lebensbedrohlich niedrig) oder 30 mmol/l (extrem hoch) bedeuten.
Merke: Ein Zahlenwert ohne Einheit ist im medizinischen Kontext gefährlich – immer Einheit prüfen und mitdenken, bevor ein Wert bewertet wird.
Für Laborwerte sind zwei Konzentrationsangaben gebräuchlich:
Für Glukose gilt näherungsweise: 1 mg/dl entspricht 0,055 mmol/l. Ein Blutzucker von 100 mg/dl entspricht also etwa 5,5 mmol/l. Welche Einheit euer Messgerät anzeigt, solltet ihr vor dem ersten Einsatz wissen.
Eine Kraft kann einen Körper beschleunigen, in Ruhe halten oder verformen (Einheit Newton, N). Wirkt eine Kraft verteilt auf eine Fläche, spricht man von Druck: p = F/A. Die gleiche Kraft erzeugt auf einer kleinen Fläche einen viel höheren Druck als auf einer großen – deshalb verursacht ein spitzer Gegenstand eine Stichwunde, während eine breite Fläche die Kraft verteilt.
Im Rettungsdienst begegnen euch mehrere Druckeinheiten: Der Blutdruck wird in Millimeter Quecksilbersäule (mmHg) angegeben, der Fülldruck von Gasflaschen in bar, der Luftdruck in Hektopascal (hPa). Normaler Luftdruck auf Meereshöhe liegt bei etwa 1013 hPa, also rund 1 bar.
Bei Gasen gilt: Druck mal Volumen bleibt bei gleicher Temperatur konstant (Gesetz von Boyle-Mariotte). Daraus lässt sich der Sauerstoffvorrat berechnen: Eine 2-Liter-Flasche mit 200 bar Fülldruck enthält etwa 2 × 200 = 400 Liter Sauerstoff. Bei einem Fluss von 10 l/min reicht das für rund 40 Minuten – abzüglich einer Reserve. Das gleiche Gesetz erklärt, warum sich Gase beim Tauchen komprimieren und beim Auftauchen ausdehnen (siehe Lektion 34).
Merke: Eine Sauerstoffflasche mit 250 bar Fülldruck übt auf ein Ventil mit rund 5 cm² Querschnitt eine Kraft von etwa 12.500 N aus – das entspricht ungefähr 1,3 Tonnen. Reißt ein ungesichertes Ventil ab, wird diese Kraft schlagartig freigesetzt.
Energie ist die gespeicherte Fähigkeit, Arbeit zu verrichten; beide Größen haben die Einheit Joule (J). Energie geht nie verloren, sie wird nur von einer Form in eine andere umgewandelt – etwa chemische Energie der Nahrung in Bewegung und Wärme. Ein anschauliches Beispiel ist der Defibrillator: Ein Kondensator speichert elektrische Energie und gibt sie über Klebeelektroden ab – typische Werte liegen bei 800–1.800 Volt, 15–25 Ampere und 120–200 Joule abgegebener Energie. Moderne biphasische Geräte wechseln während des Schocks die Stromrichtung und benötigen dadurch weniger Energie als ältere monophasische Geräte.
Wie viel Strom tatsächlich durch das Herz fließt, hängt vom Widerstand des Brustkorbs ab (Impedanz, gemessen in Ohm). Gut klebende Elektroden auf trockener Haut senken den Widerstand. Deshalb wird nasse Haut vor dem Aufkleben abgetrocknet und starke Brustbehaarung bei Bedarf rasiert.
Die kinetische Energie (Ekin = ½ · m · v²) ist zentral für das Verständnis von Unfallmechanismen – beim Bremsen wird sie in Wärme oder Verformungsenergie umgewandelt. Weil die Geschwindigkeit im Quadrat eingeht, vervierfacht sich die Energie, wenn sich die Geschwindigkeit verdoppelt: Ein Aufprall mit 100 km/h setzt viermal so viel Energie frei wie einer mit 50 km/h. Diese Energie wirkt bei einem Unfall auf Fahrzeug und Insassen ein. Deshalb ist die Kinematik, also der Unfallhergang, ein wichtiger Hinweis auf mögliche innere Verletzungen (siehe Lektion 25).
Leistung beschreibt, wie schnell Energie übertragen wird (Watt = Joule/Sekunde). Frequenz gibt an, wie oft sich ein Ereignis pro Zeiteinheit wiederholt – etwa Herz- oder Atemfrequenz, die pro Minute angegeben werden. Die Einheit Hertz (Hz) bedeutet „einmal pro Sekunde“; eine Herzfrequenz von 60/min entspricht also 1 Hz.
Temperatur beschreibt, wie stark sich die Teilchen eines Stoffes bewegen; gemessen wird sie in Grad Celsius (°C) oder Kelvin (K). Wärme fließt immer vom wärmeren zum kälteren Körper. Der Mensch verliert Wärme auf vier Wegen:
Daraus leiten sich eure Maßnahmen gegen Unterkühlung ab: Patienten vom kalten Boden isolieren, vor Wind schützen, nasse Kleidung entfernen und zudecken, Rettungswagen vorheizen (siehe Lektion 33).
Vorsilben wie Nano (10⁻⁹), Mikro (10⁻⁶), Milli (10⁻³), Dezi (10⁻¹), Kilo (10³) oder Mega (10⁶) machen sehr kleine oder große Werte handhabbar – etwa der Deziliter (dl) bei der Blutzuckermessung (1 dl = 100 ml).
Besonders wichtig sind sie bei Medikamenten: 1 Milligramm (mg) entspricht 1.000 Mikrogramm (µg). Wer bei einer Dosierung Milli- und Mikrogramm verwechselt, gibt die tausendfache bzw. tausendstel Menge – ein lebensgefährlicher Fehler. Deshalb wird „µg“ häufig als „Mikrogramm“ ausgeschrieben, und Dosierungen werden im Team laut wiederholt (siehe Lektion 20).
Die Chemie untersucht Stoffe und ihre Umwandlungen. Viele Vorgänge im Körper beruhen auf chemischen Reaktionen und dem Transport von Teilchen durch Membranen.
Das Atom ist der kleinste, chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie: ein positiv geladener Kern (Protonen, Neutronen) umgeben von einer negativ geladenen Elektronenhülle. Verbinden sich Atome über kovalente Bindungen, entsteht ein Molekül. Gibt ein Atom Elektronen ab oder nimmt welche auf, entsteht ein geladenes Ion (Kation bzw. Anion) – Kationen und Anionen ziehen sich elektrostatisch an (Ionenbindung, z. B. Kochsalz). Ionen sind für die elektrische Reizleitung im Körper von zentraler Bedeutung.
Im Körper gelöste Ionen nennt man Elektrolyte. Die wichtigsten sind Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺), Calcium (Ca²⁺), Magnesium (Mg²⁺), Chlorid (Cl⁻) und Hydrogencarbonat (HCO₃⁻). Schon kleine Verschiebungen, etwa ein zu hoher Kaliumspiegel bei Nierenversagen, können lebensbedrohliche Herzrhythmusstörungen auslösen.
Eine Lösung besteht aus einem Lösungsmittel (im Körper fast immer Wasser) und darin gelösten Stoffen. Bei Infusionen und Medikamenten wird die Konzentration häufig in Prozent angegeben: 1 % bedeutet 1 Gramm Stoff in 100 Millilitern Lösung. Eine 0,9%ige Kochsalzlösung enthält also 9 Gramm Natriumchlorid pro Liter und hat damit etwa dieselbe Teilchenkonzentration wie das Blutplasma – sie ist isoton. Eine 40%ige Glukoselösung enthält dagegen 40 Gramm Glukose in 100 Millilitern und ist stark hyperton; sie reizt die Venen und wird deshalb nur in eine sicher liegende Venenverweilkanüle gegeben.
Diffusion ist die temperaturabhängige Teilchenbewegung, die einen Konzentrationsausgleich bewirkt. Teilchen bewegen sich dabei von Orten hoher zu Orten niedriger Konzentration, bis sie gleichmäßig verteilt sind. So gelangt Sauerstoff aus den Lungenbläschen ins Blut und Kohlendioxid aus dem Blut in die Lungenbläschen.
Bei der Osmose wandert Wasser durch eine semipermeable Membran zur Seite der höheren gelösten Konzentration, da die gelösten Teilchen selbst die Membran nicht passieren können. Man unterscheidet drei Zustände einer Lösung im Vergleich zum Zellinneren:
Merke: Bringt man ein rotes Blutkörperchen in reines Wasser, dringt Wasser in die Zelle ein, das Volumen nimmt zu und die Zelle kann bei zu hohem osmotischen Druck platzen (Hämolyse). Diffusion und Osmose sind passive Transportvorgänge, sie benötigen keine Stoffwechselenergie.
Im Gegensatz dazu benötigt der aktive Transport Energie: Die Natrium-Kalium-Pumpe in der Zellmembran befördert Ionen gegen ihr Konzentrationsgefälle und hält so die Spannung an Nerven- und Muskelzellen aufrecht. Fällt die Energieversorgung aus, etwa bei Sauerstoffmangel, bricht diese Pumpe zusammen und die Zellen schwellen an.
Säuren geben Wasserstoffionen (H⁺) ab, Basen nehmen sie auf. Der pH-Wert (Skala 0–14, neutral bei 7) zeigt an, ob eine Lösung sauer oder basisch ist. Treffen Säure und Base aufeinander, neutralisieren sie sich zu Wasser und einem Salz.
Der pH-Wert des Blutes wird sehr eng zwischen 7,35 und 7,45 gehalten. Sinkt er darunter, spricht man von einer Azidose (Übersäuerung), steigt er darüber, von einer Alkalose. Puffersysteme, vor allem das Bicarbonat-System, fangen Schwankungen ab; Lunge und Nieren regulieren nach. Praktische Beispiele: Wer hyperventiliert, atmet zu viel CO₂ ab – es entsteht eine respiratorische Alkalose mit Kribbeln in Händen und um den Mund. Im Schock oder beim Kreislaufstillstand bilden die Zellen ohne Sauerstoff Milchsäure (Laktat) – es entsteht eine metabolische Azidose.
Starke Säuren und Laugen zerstören Gewebe. Säuren verursachen eine Koagulationsnekrose, bei der sich eine Schorfschicht bildet, die das tiefere Eindringen etwas bremst. Laugen verursachen eine Kolliquationsnekrose, die das Gewebe verflüssigt und daher oft tiefer reicht. Bei Verätzungen gilt: sofort und lange mit viel Wasser spülen, kein Neutralisationsversuch (siehe Lektion 32).
Bei einer Oxidation reagiert ein Stoff mit Sauerstoff; dabei wird Energie frei. Im Körper geschieht das kontrolliert in den Mitochondrien, bei einem Feuer unkontrolliert als Verbrennung. Für eine Verbrennung müssen brennbarer Stoff, Sauerstoff und ausreichende Zündtemperatur zusammenkommen. Reiner Sauerstoff brennt selbst nicht, fördert aber jede Verbrennung massiv.
Achtung: Armaturen und Anschlüsse von Sauerstoffflaschen dürfen niemals mit Öl, Fett oder fetthaltigen Handcremes in Berührung kommen – unter hohem Sauerstoffdruck können sie sich selbst entzünden. Beim Defibrillieren wird eine offene Sauerstoffquelle mindestens einen Meter vom Brustkorb entfernt.
Die Biologie ist die Wissenschaft von der belebten Natur. Für den Rettungsdienst sind vor allem der Aufbau des menschlichen Körpers vom kleinsten Baustein bis zum Organsystem und die Grundlagen der Energiegewinnung wichtig – sie erklären, warum Sauerstoffmangel so schnell gefährlich wird.
Lebewesen betreiben Stoffwechsel, wachsen, pflanzen sich fort und bestehen aus einer oder mehreren Zellen – Viren erfüllen diese Kriterien nicht vollständig und gelten daher nicht als Lebewesen. Die Zelle ist der kleinste eigenständige Baustein des Lebens: Eine Zellmembran umschließt sie, das Zellplasma füllt sie aus, und spezialisierte Organellen übernehmen Aufgaben – der Zellkern speichert die Erbinformation, die Mitochondrien gewinnen als „Kraftwerke“ Energie.
Die Energie für alle Zellvorgänge liegt in Form von ATP (Adenosintriphosphat) vor. Mit Sauerstoff (aerob) gewinnen die Mitochondrien aus einem Molekül Glukose sehr viel ATP. Ohne Sauerstoff (anaerob) entsteht nur ein kleiner Bruchteil davon, und als Abfallprodukt fällt Laktat an. Deshalb reichen die Energiereserven bei Sauerstoffmangel nur kurz: Nervenzellen des Gehirns werden bereits nach wenigen Minuten ohne Sauerstoff geschädigt.
Der Körper ist hierarchisch aufgebaut: Zellen bilden Gewebe, Gewebe bilden Organe, Organe bilden Organsysteme. Es gibt vier Grundgewebetypen:
Merke: Zellen → Gewebe → Organe → Organsysteme – diese Reihenfolge der Körperorganisation ist eine häufige Prüfungsfrage.
Mikroorganismen sind mit bloßem Auge nicht sichtbar. Für den Rettungsdienst sind drei Gruppen besonders wichtig: Bakterien sind einzellige Lebewesen mit eigenem Stoffwechsel und lassen sich mit Antibiotika behandeln. Viren bestehen nur aus Erbinformation und einer Hülle; sie können sich nur in fremden Zellen vermehren, Antibiotika wirken gegen sie nicht. Pilze sind komplexer aufgebaut und verursachen vor allem bei abwehrgeschwächten Menschen Infektionen. Wie ihr euch und eure Patienten vor Krankheitserregern schützt, lernt ihr in Lektion 5.