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Sauerstoff – ein ganz besonderes Gas

Die Wirkung von Wasserstoffsuperoxid geht letztendlich auf die Entwicklung von Sauerstoff zurück, wie in den folgenden Kapiteln näher ausgeführt wird. Daher wollen wir uns zu Beginn ein wenig mit diesem Element befassen.

Der wissenschaftliche Elementname Oxygenium setzt sich aus den griechischen Begriffen für sauer (oxys) und erzeugen (gen-) zusammen; der Name bedeutet also Säureerzeuger. Entdeckt wurde das Element unabhängig voneinander im Jahr 1771 von dem Apotheker und Chemiker Carl Wilhelm Scheele (1742–1786) und 1774 von dem Theologen und Naturwissenschaftler Joseph Priestley (1732 / 1733–1804).

Schon 1783 berichtete der französische Arzt Caillens in der Gazette de Santé, dass er eine Patientin durch tägliche Sauerstoffinhalation von Tuberkulose geheilt habe, und 1798 wurde in England von Thomas Beddoes (1760–1808) die Pneumatic Institution for Inhalation Gas Therapy gegründet.

Sauerstoff ist mit 50,5 Prozent Massenanteil das häufigste chemische Element auf der Erde; im Weltall stellt er nach Wasserstoff und Helium das dritthäufigste Element dar. Da sich auch Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff zusammensetzt, enthält unser Körper etwa 60 bis 70 Prozent Sauerstoff.

Voraussetzung für eine ausreichende Energieversorgung unserer Körperzellen ist, dass ihnen genügend Sauerstoff zur Verfügung steht

Normalerweise lagern sich zwei Sauerstoffatome zu Disauerstoff (O₂) zusammen, es gibt aber auch Singulettsauerstoff (O^-), der zum Beispiel aus Wasserstoffsuperoxid entsteht und sehr reaktiv ist. Außerdem ist eine Dreierkonfiguration zu Trisauerstoff möglich, dem Ozon (O₃), das später noch ausführlicher behandelt wird (siehe Kapitel „Ozon, die Schwester von Wasserstoffsuperoxid“).

Sauerstoff ist bei normaler Temperatur ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Es ist sehr reaktionsfreudig und reagiert mit anderen Elementen oder Verbindungen teils explosionsartig und unter heftiger Energieentwicklung (zum Beispiel Wärme- und Lichtentwicklung, wie beim Feuer). Eine solche Reaktion nennt man Oxidation. Dabei übernimmt der Sauerstoff ein Elektron von dem Reaktionspartner und wird dadurch reduziert (Aufnahme eines Elektrons), der Reaktionspartner wird oxidiert (Abgabe eines Elektrons). Während eine solche Oxidation beim Feuer sehr rasch abläuft, dauert sie beim Rosten von Eisen sehr lange. Auch das Ranzigwerden von Butter ist eine Oxidation. Die bei einer Oxidation entstehenden Sauerstoffverbindungen nennt man Oxide. Demnach ist Wasser mit der Formel H₂O ein Wasserstoffoxid. Sind jedoch zwei Atome Sauerstoff enthalten, spricht man von Wasserstoffsuperoxid oder einfach Wasserstoffperoxid (H₂O₂).

Fast der gesamte freie und der in Seen, Flüssen und Ozeanen gelöste Sauerstoff stammt ursprünglich aus der Aktivität photosynthetisch tätiger Organismen. Sie binden die Sonnenenergie, indem sie Kohlenwasserstoffe (Zucker) bilden. Dabei wird Kohlendioxid verbraucht und Sauerstoff freigesetzt. Der Zucker wird dann wieder von aeroben (Sauerstoff verbrauchenden) Organismen – dazu zählt auch der Mensch – zur Energiegewinnung abgebaut. Unsere Zellen binden die Energie vor allem in den Mitochondrien. Hier entsteht ATP (Adenosintriphosphat), eine chemische Verbindung, die oft als Einheitswährung des Körpers bezeichnet wird.

Voraussetzung für eine ausreichende Energieversorgung der Zellen ist also, dass ihnen genügend Sauerstoff zur Verfügung steht. Dieser wird der Atemluft in der Lunge entnommen und gegen Kohlendioxid ausgetauscht. Von der Lunge aus wird er durch die Blutgefäße im ganzen Körper verteilt, bis hin zu jeder noch so entlegenen Zelle. Da Sauerstoff im Blut nicht gut löslich ist, wird er für den Transport mithilfe von Eisen an ein Eiweiß der roten Blutkörperchen, das Hämoglobin, gebunden.

Freier Sauerstoff macht 20,95 Volumenprozent (23,16 Prozent Massenanteil) unserer Atemluft aus. Die nachfolgende Tabelle verdeutlicht, wie stark Sauerstoff unter Normalbedingungen beim Atmen verbraucht und wie viel Kohlendioxid abgegeben wird:

Gas	Einatmen	Ausatmen
Stickstoff	78 %	78 %
Sauerstoff	21 %	17 %
Kohlendioxid	0,04 %	4,04 %
Edelgase	0,96 %	0,96 %

Ohne Sauerstoff wäre Leben auf der Erde undenkbar. Der Mensch benötigt täglich ein knappes Kilogramm freien Sauerstoff, zwei Kilogramm Nahrung und ein Kilogramm Wasser. Das bedeutet in Ruhe pro Minute einen Bedarf von etwa 200 Milliliter Sauerstoff, was etwa dem Volumen einer Tasse entspricht; bei Anstrengung sind es sogar etwa acht Liter. Zusätzlich nimmt der Körper über die Nahrung täglich noch etwa 225 Gramm chemisch gebundenen Sauerstoff auf. Einen besonders hohen Sauerstoffbedarf hat unser Gehirn. Es nimmt zwar nur etwa zwei Prozent unserer Körpermasse ein, benötigt jedoch mehr als 20 Prozent des Sauerstoffs. Wie wichtig er für unser Überleben ist, zeigt die Tatsache, dass wir mehrere Monate ohne Nahrung, mehrere Tage ohne Wasser, aber nur einige Minuten ohne Sauerstoff überleben können.

Umso dramatischer ist die Tatsache, dass der Sauerstoffgehalt unserer Atemluft ständig abnimmt. Waren es vor einigen hundert Jahren noch 35 Prozent, sorgte die industrielle Revolution des 19. Jahrhunderts für einen Rückgang auf 24 Prozent und heute sind bedenkliche 21 Prozent erreicht. In besonders stark belasteten Industriegebieten liegt der Sauerstoffgehalt sogar unter 15 Prozent. Das kann bei den dort lebenden Menschen zu einem schleichenden Sauerstoffdefizit führen. Dem kann man mit einer Sauerstoffbehandlung – auch mit Wasserstoffsuperoxid – entgegenwirken.

Da das Plankton der Weltmeere und die tropischen Regenwälder unsere wichtigsten Sauerstofflieferanten sind, trägt auch der an letzteren betriebene Raubbau erheblich zu dem Rückgang der Sauerstoffkonzentration bei.

Der Sauerstoffgehalt der Atemluft kann aber auch durch natürliche Faktoren wie eine hohe Luftfeuchtigkeit (Sauerstoffmoleküle werden durch Flüssigkeitspartikel verdrängt) und einen niedrigen Luftdruck verringert sein. Viel gravierender aber wirken sich „Zivilisations“-Faktoren aus, nämlich Umweltgifte wie Auto- und Industrieabgase sowie Zigarettenrauch. Sie sind dafür verantwortlich, dass die Luft – je nach Blickwinkel – im wahrsten Sinne des Wortes dünn (geringer Sauerstoffgehalt) beziehungsweise dick (viele Verunreinigungen) ist.

Man kann sich leicht vorstellen, was dieser dramatische Rückgang für uns Menschen und andere Lebewesen bedeutet, die auf eine ausreichende Sauerstoffversorgung angewiesen sind. Denn die Evolution kann sich nicht so ohne Weiteres auf derart nachhaltige Veränderungen einstellen. Dazu bedarf es unzähliger Generationen.

Während wir Sauerstoff zur Energiegewinnung dringend benötigen – man spricht von aerober Energiegewinnung – gibt es auch anaerobe Organismen, die keinen Sauerstoff vertragen. Dazu zählen viele krankheitserregende Bakterien und auch der Schimmelpilz mag es nicht, wenn man Räume zu gut lüftet.

Aber auch Krebszellen schalten auf eine anaerobe Energiegewinnung (Gärung) um, wie der zweifache Nobelpreisträger Dr.Otto Heinrich Warburg schon in den 1920er-Jahren feststellte. Man spricht daher bei dem veränderten Stoffwechsel von Tumorzellen auch vom sogenannten „Warburg-Effekt“. Die nach dem Wissenschaftler benannte Warburg-Hypothese von 1924 führt die Krebsentstehung auf eine Störung der Mitochondrienfunktion zurück. Wird der Umgebung von Krebszellen Sauerstoff zugesetzt, sterben sie ab. Diese Erkenntnis führte zu dem Einsatz von Wasserstoffsuperoxid in der Krebstherapie.

Erst gut 80 Jahre nach Aufstellung der Warburg-Hypothese konte sie durch mehrere Arbeiten wissenschaftlich gestützt werden (Thierbach et al. 2005, Schulz et al. 2006, Langbein et al. 2006, Pelicano et al. 2006, Müllner et al. 2006 und Bonnet et al. 2007 sowie Kiebish et al. 2008). Zwingt man Krebszellen nämlich zur (aeroben) Sauerstoffatmung, lässt sich ihr Wachstum dadurch effektiv hemmen.

Während man in früheren Jahrhunderten Kranke oft in abgeschlossenen Räumen noch kränker machte, weiß man heute, dass ein gut gelüftetes Krankenzimmer die Heilung unterstützt. Schon der berühmte griechische Arzt Hippokrates (ca. 460 bis 370 vor Chr.) verordnete seinen Patienten, frische Luft zu atmen. Im Prinzip weiß jeder Mensch ganz intuitiv, wie wichtig Sauerstoff ist; nicht von ungefähr haben wir oft das Bedürfnis, „an die frische Luft zu gehen“.

Da wir, wenn auch nur einen geringen Teil, unseres Sauerstoffs mit der Nahrung aufnehmen, ist zu bedenken, dass ein Teil davon durch die Verarbeitung (kochen, braten, dünsten etc.) verloren geht.

Nicht zuletzt ist natürlich auch die richtige Atemtechnik für eine ausreichende Sauerstoffversorgung wichtig (Zwerchfellatmung statt Brustatmung).

Der durchschnittliche Sauerstoffgehalt unserer Venen liegt bei 60 bis 70 Prozent, was laut dem Naturarzt Donsbach (1993) entschieden zu wenig ist. Deshalb ist es sinnvoll, den Blutsauerstoffgehalt zu erhöhen. Dazu sind Wasserstoffsuperoxid und Ozon gut geeignet. Wie am Beispiel der Atherosklerose (siehe Kapitel „Wasserstoffsuperoxid bei rheumatischen Erkrankungen“) verdeutlicht wird, führt beispielsweise ein 82-prozentiger Sauerstoffgehalt zu einem deutlichen Energieanstieg.