Arbeitsblätter zum Thema Nerven

Biologie Klasse 3 Mennel
13.2.2015
Beginn des Themas „Nerven“
S. 1 von 2
Allgemeines Thema im zweiten Schulhalbjahr Stufe 3: Signalverarbeitung bei Tieren
Erster Schritt: Wie arbeitet ein Nerv? Ca. 4 Abende / Klausur 3
Es folgen: Wie arbeiten Nervenzellen zusammen beim Reflex und im Gehirn? 2 Abende
Hormone 2 - 3 Abende
Sinnesorgane am Beispiel Auge 2 Abende
Ziel: Mit Klausur 4 am 19.6. das Nerventhema abschließen zu können.
Ab da Platz für ZLNs:
- weitere Sinnesorgane (Tastsinn, Nase und Mund, Ohr)
- Nervengifte und Drogen
- Synästhesie, Epilepsie, Elektroden-Stimulation, Balken-Durchtrennung: Phänomene und
Experimente am Gehirn
... und evtl. eine Vorwegnahme des Themas Immunsystem durch ein Bühnenstück
Wie arbeitet ein Nerv?
Namens-Umgewöhnung: Reize kommen von außen (Temperatur, Licht, Druck, Geräusch)
Ein Nerv leitet abstrakte Signale, keine Reize. In allen Nerven bewegen sich im Prinzip
gleiche Signale. Nennen Sie diese Signale „Erregungen“. Eine Erregung aus dem Nerv
erhält erst durch ihr Eintreffen in einem bestimmten Effektororgan („Muskel“), bei
Nachbarzellen oder im Gehirn ihre Bedeutung.
Die Erregungen im Nerven können Sie mit zwei Fachworten beschreiben:
Es gibt die Höhe der Dendritenpotentiale. Und es gibt die Frequenz der Aktionspotentiale.
Chemisches Problem: Der Körper ist aus Wasser. Strom kann nicht in eine bestimmte
Richtung geschickt werden. Die Methode der metallischen Stromkabel mit einem Isolator
drumherum, wie sie ein Roboter verwendet, gibt es nicht. Der Körper arbeitet umständlich:
Stehende Potentiale werden erzeugt und breiten sich über Biomembranen aus.
Zwei Wege der Signalweitergabe kennt der Körper: Nerven und Hormone
Vergleich: Nerven wirken schnell und kurz.
Potentialänderungen bewegen sich durch Dendriten und Axone.
Hormone wirken langsam und lang anhaltend.
Chemische Moleküle aus Hormondrüsen wandern über den Blutkreislauf und wirken sich
auf Zellen aus, die für genau diese Moleküle Rezeptoren in ihrer Membran besitzen.
An der Tafel: Zeichnung der Nervenzelle zum Lernen schematisch.
5 S. > 1 D. > 2 Z.K. > 3 A.H. > 4 A. > 5. S
Was ist daran schematisch?
- die Dendriten 1 sind verteilt und verästelt um den ganzen Zelleib 2
- der Axonhügel 3 und die Synapse 5 sind eigentlich sehr klein
- Das Axon 4 ist extrem lang
Biologie Klasse 3 Mennel
13.2.2015
Beginn des Themas „Nerven“
S. 2 von 2
Einzelbesprechung der Tafelzeichnung der Nervenzelle:
1. Die Dendriten erstellen eine zeitliche und räumliche Summation aller auf sie
einwirkenden Reize (von außen) bzw. Erregungen (von anderen Nervenzellen kommend).
Sie können damit mehr und reagieren dynamischer als ein klassischer Computerchip.
Zeitliche Summation: Zeichnung mit einigen Dendriten um einen Zellkörper, mit drei
Orten A, B, C
Was am Rand eines langen Dendriten eintrifft, braucht etwas länger bis zum Axonhügel 3.
Was nah am Zellkörper eintrifft, ist gleich beim Axonhügel.
Räumliche Summation: Zeichnung mit 5 beispielhaften Dendriten mit 5 verschiedenen
Potentialen: -80 > + 10 > 0 > + 30 > - 10 ..... die Summe ergibt - 50 mV
Information: Der Standartwert „Ruhepotential“ liegt bei - 70 mV .
Schwankungen bis - 50 mV sind „unterschwellige Werte“ und führen zu keiner Reaktion
am Axonhügel. Im Beispiel wurde also gerade der „Schwellenwert“ von - 50 mV erreicht,
ab dem die Einzelmeldungen der Dendriten eine „überschwellige Erregung“ erreichen und
eine Weitermeldung des Signals bewirken.
2. Der Zellkörper Typisch ist, dass hier der Zellkern liegt.
Besonders sind die vielen Mitochondrien vor allem um den Axonhügel: Nervzellen
verbrauchen bei der Arbeit viel Energie.
Auch Endoplasmatisches Retikulum tritt viel auf, es wird klassisch „Nissl-Substanz“
genannt. Dort werden Neurotransmitter hergestellt - Proteine, die die Nervenzelle benötigt.
3. Der Axonhügel
Hier wird das am Axonhügel eintreffende Dendritenpotential umcodiert in die Frequenz
der Aktionspotentiale.
Das Dendritenpotential vor dem Axonhügel ist die Summe der zeitlichen Abfolgen und
verschiedenen Potentialhöhen in den einzelnen Bereichen des Dendriten und des
Zellkörpers.
Der Axonhügel reagiert, wenn das Dendritenpotential einen Schwellenwert von - 50 mV
übersteigt.
Zeichnung: Drei Diagramme für Nervenpotentiale. Waagrecht t = Zeit in Millisekunden
Senkrecht mV = Höhe/Tiefe des Potentials.
Erstes Diagramm: Unterschwellige Potentialänderungen von - 60 mV. Nichts passiert
Zweites Diagramm: Schwellenwert - 50 mV wird erreicht. Der Axonhügel sendet
Aktionspotentiale mit großem Abstand voneinander ins Axon
Drittes Diagramm: Erhebliche Potentialänderung bis + 10 mV. Der Axonhügel sendet eine
enge Frequenz von Aktionspotentialen.
4. Das Axon
Zum Namen: Was wir als „Nerven“ bezeichnen, sind Bündel von Tausenden von Axonen.
Das Axon ist der über eine lange Strecke die Erregung weiter tragende fadenförmige Teil
einer einzelnen Nervenzelle. Es hat bei Wirbeltieren einen Durchmesser unter 1/1000 mm,
kann aber eine Länge über 1 m erreichen, z.B. beim großen Tieren vom Gehirn durch das
Rückenmark bis in die Hüfte.
5. Die Synapse
Biologie Klasse 3 Mennel
27.2.2015
Thema „Nerven“, Blatt 3
Die saltatorische Erregungsleitung an den Axonen von Wirbeltieren
Wirbeltiere (Fische > Amphibien > Reptilien > Vögel > Säugetiere) haben um jedes Axon
eine „Schwannsche Scheide“. Das ist eine Zelle, die sich wie ein Lappen mehrfach um das
Axon wickelt. Die Begrenzungen dieses Lappens sind Biomembranen. Eine Schwannsche
Scheide besteht also weitgehend aus aneinanderliegenden Biomembranen. Der
Hauptbestandteil einer Biomembran sind Phospholipide - Moleküle mit einem Fettanteil.
Insgesamt schafft es diese Schwannsche Scheide, das Axon gegen die Umwelt etwas zu
isolieren.
Das Axon ist aber viel länger als eine Schwannsche Scheide. Zwischen jeder
Schwannschen Scheide am Axon bleibt eine Lücke, der Ranviersche Schnürring. Nur da
misst man Aktionspotentiale. Über die Schwannsche Scheide hinweg wird eine Erregung
noch viel schneller weitergegeben als am bloßliegenden Axon. Dies nennt man die
saltatorische Erregungsleitung.
Die saltatorische Erregungsleitung wird ermöglicht durch Ionen-Ausgleichs-Strömchen
zwischen den Bereichen mit Aktionspotential: Die Ionen speziell zwischen der
Außenmenbran des Axons und der Schwannschen Scheide sitzen eng ohne Entkommen
nebeneinander. Wenn an einer Seite eine Potentialänderung erfolgt, so rücken sie in ihrem
schmalen Bereich fast ohne Zeitverlust insgesamt etwas hin zur oder weg von der
Potentialänderung - und übertragen diese Ladungsänderung auf den nächsten ranvierschen
Schnürring.
Ein Wirbeltier-Axon kann Erregungen bis zu 100 Meter pro Sekunde leiten. Ein gleich
dickes Axon bei einem Nicht-Wirbeltier (z.B. Mollusken) schafft nur 2 m/sec . Große
Mollusken, z.B. Tintenfische, haben im Rückenmark tausend mal dickere Axone (bis 0,5
mm) als Wirbeltiere. Die leiten dann auch gut. Denn mit dem Durchmesser eines Axons
steigert sich eine Leitungsgeschwindigkeit für Aktionspotentiale. An solchen
Riesenaxonen von Tintenfischen wurde das Prinzip des Aktionspotentials erforscht.
Die Erregungsweitergabe an der Synapse
In einer Nervenzelle wird eine Erregung auf drei Weisen weitergeleitet:
- beim Dendritenpotential durch Auf- und Absteigen des Potentials, ungefähr zwischen +
30 und - 90 mV. Das ist ein langsamer Weg. Doch solche Potentiale kann die Nervenzelle
miteinander verrechnen und zu ihrem eigenen Axonpotential summieren.
- im Axon durch Aktionspotentiale. Diese liefern Information nicht durch die Höhe des
Potentials, sondern durch Frequenz.
- an der Synapse erfolgt nun eine chemische Übertragung der Erregung. Dieser dritte
Weg macht Sinn aus zwei Gründen:
1. Die Gleichrichterfunktion. Erregt man ein Axon in der Mitte, schickt es nach beiden
Seiten Aktionspotentiale aus. Es hat keine Richtung. Die Synapse ist die Stelle in der
Nervenzelle, in der die Erregung ausschließlich in Richtung auf eine Folgezelle erfolgt.
2. Die Einflussnahme-Möglichkeit für Hormone. Hormone begeben sich in den
synaptischen Spalt und können dort Einfluss auf das Nervensignal geben. Manche
Hormone (Adrenalimn z.B.) sind direkt Transmitter. „Transmitter“ heißen die Stoffe, die
eine Erregung von der präsynaptischen zur postsynaptischen Membran weitergeben.
Die Erregungsübertragung an der Synapse erfordert eine Tafelzeichnung.
Biologie Klasse 3 Mennel
27.2.2015
Fragen zum Thema „Nerven“
Fragen für neun Schüler. Es werden Losnummern gezogen. Die Antworten werden an
der Tafel vorgetragen.
Sollten mehr Schüler anwesend sein, gibt es bis zu vier weitere Fragen, die aber erst im
Lauf des heutigen Unterrichtes geklärt werden.
Die ersten zehn Fragen soll jeder klären. Wenn alle die Fragen 1 - 9 an der Tafel referieren
könnten, erhalten alle ihre Losnummer. Und los geht´s :-)
1. Vergleichen Sie Nerven mit Hormonen:
1.1. Wie rasch wirken sie?
1.2. Wie lange wirken sie?
1.3. Wo wirken sie (Zielort)?
1.4. Was passiert chemisch?
2. In welchen drei Codierungen werden Erregungen von einer Nervenzelle zur nächsten
weiter gegeben (drei kurze Beschreibungen)?
3. Erläutern Sie die zeitliche Summation der Erregung am Axonhügel.
4. Erläutern Sie die räumliche Summation der Erregung am Axonhügel.
5. Vergleichen Sie das Dendritenpotential mit dem Aktionspotential.
6.1. Was ist ein Reiz?
6.2. Was ist eine Erregung?
6.3. Was ist eine überschwellige Erregung?
7. Zeichnen und beschriften Sie ein Aktionspotential.
8. Erläutern Sie die saltatorische Erregungsleitung:
8.1. Wie ist die Nervenzelle gebaut, die das kann?
8.2. Was ist der Vorteil?
8.3. Wie schafft ein Tintenfisch zumindest in einigen Ausnahmefällen Vergleichbares?
9. Was läuft elektrisch und chemisch ab bei der saltatorischen Erregungsleitung ?
......................
10. Wie wird ein Aktionspotential gemessen?
11. Das Ruhepotential - Erläutern Sie, wie die grundlegende Leistung an der
Nervenmembran zustande kommt
11.1. Folgen der Semipermeabilität
11.2. Immer offene Ionenporen
11.3. Immer von Diffusion ausgeschlossene Ionen
11.4. Der Ausgleich von Konzentration einerseits, der Ausgleich von elektrischer
Spannung andererseits: Warum Ionen nicht ganz frei diffundieren dürfen.
12. Erläutern Sie die Ionenvorgänge beim Aktionspotential:
12.1. Die Wechselwirkung der spannungsgesteuerten Na und K Ionen Poren
12.2. Die Na / K - Ionen-Pumpe
13. Erläutern Sie die „Gleichrichterfunktion“ der Synapse
Biologie Klasse 3 Mennel
6.3.2015
Thema „Nerven“, Blatt 4
1. Antworten auf die Fragen 10 - 12 im Fragenblatt vom 27.2.2015
1.1. Zur Frage 10 ein Tafelzeichnung der Mess-Anordnung eines Aktionspotentials am
Riesenaxon des Tintenfisches
1.1. Zur Frage 11 die Schemazeichnung einer Nervenzellenmembran mit ihren Poren
2. Tafelzeichnung zur Erregungsübertragung an der Synapse. Die Zeichnung im Buch
S. 204 enthält alles. Wir systematisieren das aber so, dass es sich mit einem Kugelschreiber
in 7 Schritten aufzeigen lässt. Zu jedem Schritt gibt es einen kleinen Vortrag. Sie sollten
aus dem Kopf die Synapse bis hin zur postsynaptischen Membran zeichnen können. Auf
einer eigenen Seite erläutern Sie dann die einzelnen Schritte, bis die Erregung beim
nachfolgenden Dendriten bzw. Effektororgan (z.B. Muskel) angelangt ist.
Wenn in der mündlichen Prüfung die Synapse gefragt wird, läuft es nach diesem Schema:
1. Zeichnung und Erläuterung der Synapsenvorgänge (ca. 10 Fachwörter).
2. Übergreifend: Warum und wie gibt es die "Gleichrichterfunktion"?
3. Ein Gift stört einen der Synapsenvorgänge. Denken Sie über die Folgen nach.
Nochmals zur Gleichrichterfunktion (war schon in Blatt 3 am 27.2.2015 Thema):
Ein Nerv muss eindeutig in eine Richtung sein Signal weitergeben. In die Gegenrichtung
darf nichts laufen. Diese Gestaltung von Nerven als Einbahnstraßen ist eindeutig nur
vorgegeben an der Synapse: Vom präsynaptischen zum postsynaptischen Spalt.
Und zu den Giften: Diese können
- die Calciumionenkanäle ohne Bezug zum Aktionspotential öffnen
- die Calciumionenkanäle am Öffnen hindern
- die Acetylcholinesterase hemmen
- die Natriumporen der postsynaptischen Membran dauernd öffnen oder dauernd schließen
Das reicht vom Botulinustoxin über Tetanus und Curare bis zum Gift der Schwarzen
Witwe (eine Spinnenart).
Die verschiedenen Wirkungsorte dieser Gifte treten auf, wenn die Gifte Transmitter
hemmen oder sie an der postsynaptischen Membran nachahmen: Die Synapsen im Körper
setzen verschiedene Transmitter ein und sind nur für diese Transmitter eingerichtet.
Adrenalin und Noradrenalin sind z.B. auch Transmitter.
3. Verschaltung von Nerven:
Beispiel eines Reflexbogens am Beispiel des Kniesehnenreflexes. Reflexe sind unbedingte
Abfolgen von Reiz und Reaktion. Sie laufen so schnell wie möglich ab - oft nur über eine
Schaltung im Rückenmark. In diesen Fällen erfährt das Gehirn von der Handlung erst,
wenn sie schon stattgefunden hat.
Reflexe werden mit den Genen vererbt, sind also vor und bei der Geburt vorhanden („Der
Säugling ist am Anfang ein Bündel von Reflexen“), oder sie entwickeln sich in festgelegter
Weise.
Als Beispiel eines monosynaptischen Reflexes sollten wir den Kniesehnenreflex skizzieren
können mit afferentem Nerv (die Meldung wird Richtung Gehirn gebracht, hier von der
Kniescheibe zum Rückenmark) und efferentem Nerv zum Beinmuskel.
Beispiel für einen polysynaptischen Reflex: Eine Faust nähert sich unserem Auge.
Biologie Klasse 3 Mennel
13.3.2015
Thema „Nerven“, Blatt 5
Bau des Rückenmarks (Buch S. 210):
Die graue Substanz ist innen, die weiße außen (im Gehirn ist es umgekehrt).
„Grau“ sind Zellleiber, „weiß“ sind Axone.
Von außen hinein und dann weiter zum Gehirn gehen die sensorischen Nerven. Sie melden
Erregungen und Reize.
Die sensorischen Nerven treten auf der Rückenseite ins Rückenmark ein. Da liegt das
„Hinterhorn“ des Rückenmarks.
Vom Gehirn und bei Reflexbögen direkt aus dem Rückenmark nach draußen gehen die
motorischen Nerven. Sie senden Erregungen = Befehle.
Die motorischen Nerven gehen auf der Bauchseite, dem Vorderhorn, hinaus in den Körper.
Das Rückenmark liegt innen in der Wirbelsäule. Diese besteht aus einzelnen Wirbeln, die
durch die Bandscheiben (elastisches Gewebe) voneinander getrennt sind.
Das Rückenmark geht durch das Hinterhauptloch, einen offenen Bereich unten im Schädel,
da, wo die Wirbelsäule ansetzt, zum Gehirn.
Die drei Nervensysteme im Körper:
1. ZNS = Zentrales Nervensystem = Gehirn und Rückenmark
2. Somatisches Nervensystem. Diese Nerven gelangen zwischen jedem Wirbel bei
Wirbeltieren vom ZNS hinaus in den Körper.
Diese Nerven lassen sich willkürlich steuern. Sie sind dem bewussten Befehl durch das
Gehirn zugänglich.
3. Vegetatives Nervensystem. Diese Nerven gelangen aus dem Gehirn heraus seitlich
außen am Rückenmark entlang in den Körper.
Die Befehle dieser Nerven werden automatisch gegeben. Sie entziehen sich dem bewussten
Gehirnbefehl. Es gibt oft Mischungen aus „willkürlich“ und „automatisch“: Sie schlucken
üblicherweise automatisch, aber Sie können auch einen Schluckbefehl erteilen. Kleinkinder
müssen z.B. die Kontrolle des im Prinzip automatisch ablaufenden Stuhlgangs üben.
Das vegetative Nervensystem arbeitet antagonistisch, also mit zwei Gegenspielern:
Zu jedem Organ führt ein Nerv des sympathischen - das fördert Leistung - und des
parasympathischen - das fördert Erholung - Systems.
Vom vegetativen Nervensystem werden z.B. Herzschlag, Atmung, Verdauung und
Sexualorgane gesteuert.
Fachleute können bei Muskeln am Bau erkennen, ob sie willkürliche Befehle erhalten quergestreift - oder aufgrund von unwillkürlichen Nervenbefehlen arbeiten - längsgestreift.
Das Gehirn der Wirbeltiere (Buch S. 226)
Die Nervenzellen im Gehirn sind bei Geburt kaum miteinander verschaltet. Bei
Erwachsenem münden im Durchschnitt 8000 Synapsen an 1 Neuron.
Beim Embryo entwickeln sich: Anfangs das Neuralrohr > Dann Vorder/Mittel/Hinterhirn >
Schließlich Großhirn / Zwischenhirn / Kleinhirn und Nachhirn
1. Großhirn mit zwei Hälften (Hemisphären). Innen weiß, außen grau (Cortex).
Balken verbindet die beiden Gehirnhälften. Beim Menschen befinden sich 80 % des ganzen
Hirnvolumens im Großhirn.
Die Hemisphären sind beim Menschen ungleich und überkreuzt zuständig: Linke Hälfte für
rechte Hand, sprachfähig. Rechte Hälfte für linke Hand, „ganzheiliches Erfassen“.
2. Zwischenhirn „Die Gefühlsbewertung im Thalamus, die Hormonausschüttung in der
Hypophyse“
3. Kleinhirn auch paarig - alle erlernte Bewegung - Bewegungszusammenspiel
4. Stammhirn - die Bereiche, die bei allen Wirbeltieren schon da sind (Zwischenhirn),
Hippocampus, Mittelhirn, Nachhirn = Hirnstamm im Buch)