IV Der Mensch • Beitrag 16 Die Atmung beim Menschen (Klasse 7/8) 1 von 32 Halt mal die Luft an! – Atmung beim Menschen Ein Beitrag von Dr. Erwin Graf, Freiburg Mit Illustrationen von Julia Lenzmann Wir atmen täglich mindestens 10.000 Liter Luft ein und aus. Dies geschieht für uns völlig unbewusst. Doch was passiert mit der Luft eigentlich in unserem Körper und welche Vorgänge laufen beim Prozess der Atmung ab? Foto: Thinkstock/Hemera Diese Einheit gibt Antworten auf diese Fragen. Ihre Schüler führen selbst viele verschiedene Versuche zum Prozess der Atmung durch und vollziehen den Weg der Atemluft durch unseren Körper nach. Durch die handlungs- und schülerorientierte Vorgehensweise fördert die Einheit neben den fachlichen Kompetenzen auch methodisch-strategische und sozial-kommunikative Fähigkeiten bei den Lernenden. T H C I S N A R O V Unsere Lunge ist ständig gefragt. Welche Vorgänge laufen eigentlich in ihr ab? M i t vi e l e n versuchen! Schüler Das Wichtigste auf einen Blick Klassen: 7/8 Dauer: 8 Stunden (Minimalplan: 6) Aus dem Inhalt: Kompetenzen: Die Schüler … • Welchen Weg nimmt die Atemluft durch unseren Körper? • können den Weg der Atemluft beschreiben. • Wie erfolgt der Gasaustausch in der Lunge und im Körpergewebe? • sind in der Lage, Brust- und Bauchatmung voneinander abzugrenzen. • Wie unterscheiden sich Brust- und Bauchatmung? • können erklären, an welchen Stellen im Körper welcher Gasaustausch erfolgt. • Wie groß ist unser Atem- und Lungenvolumen? • können mit anderen Schülern konstruktiv zusammenarbeiten, sich in gemeinsame Arbeitsteams einbringen und auftretende Problemsituationen erfolgsorientiert angehen. • Wie unterscheiden sich Ein- und Ausatemluft? • Welchen Sauerstoffbedarf haben verschiedene Lebewesen? 13 RAAbits Realschule Biologie März 2014 6 von 32 Die Atmung beim Menschen (Klasse 7/8) Der Mensch • Beitrag 16 III Die Reihe im Überblick · V = Vorbereitung · D = Durchführung SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt = Zusatzmaterial auf CD LEK = Lernerfolgskontrolle Stunde 1: Vor- und Nachtest Material Thema und Materialbedarf M 1 (Ab) Wie stellst du dir unsere Atmung vor? r 1 Rolle Packpapier M 2 (LEK) r 2 Filzstifte Teste dich selbst! – Was weißt du alles über die Atmung des Menschen? Stunden 1–8: Stationenlernen „Halt mal die Luft an! – Die Atmung des Menschen“ Material Thema und Materialbedarf M 3 (Ab) Stationsübersicht: Halt mal die Luft an! – Die Atmung des Menschen M 4 (SV) Station 1: Wie häuig atmet ihr pro Minute? T H C · V: 5 min r 1 Stoppuhr M 5 (SV) Station 2: Welcher Zusammenhang besteht zwischen eurer Atem- und Pulsfrequenz? · D: 15 min · V: 5 min I S N · D: 15 min r 1 Stoppuhr M 6 (Ab) Station 3: Welchen Weg nimmt die Atemluft im Körper? A R O M 7 (SV) · V: 5 min Station 4: Welche Temperatur hat die Einatemluft und welche die Ausatemluft? · D: 10 min r 1 Thermometer M 8 (SV) Station 5: (Wie) Verändert sich der Brustumfang beim Atmen? V · V: 5 min r Biologiebücher · D: 15 min r 1 Maßband oder 1 Stück Schnur mit Metermaß M 9 (SV) Station 6: Wie groß ist euer Atemvolumen? · V: 5 min · D: 25 min r 1 Glas- oder Kunststoffglocke mit Literangaben (Spirometer) r 1 große Kunststoffwanne (10–20 l) r 1 gebogenes Glasrohr M 10 (SV) · V: 5 min · D: 15 min r 1 Skelett des Menschen oder 1 Modell zur „Brustatmung“ r evtl. Internetzugang oder Fachbücher r 3 Porzellanschiffchen r 1 Wasserstrahlpumpe r Leitungswasser r 1 Haushaltsmessbecher (1 l) r 1 Kunststoffschlauch (ca. 1 m lang) r 1 Mundstück (pro Schüler) Station 7: Wir untersuchen die eingeatmete und die ausgeatmete Luft r 2 Teelichter r 4 Bechergläser (200 ml) r 1 Packung Streichhölzer 13 RAAbits Realschule Biologie März 2014 r 1 Stoppuhr r 1 feuerfeste Unterlage IV Der Mensch • Beitrag 16 Die Atmung beim Menschen (Klasse 7/8) 7 von 32 M 11 (Ab) Station 8: Wie viel Sauerstoff benötigen verschiedene Lebewesen? M 12 (Ab) Station 9: Gasaustausch in der Lunge und im Körpergewebe (LEK) Wo stehen die Begriffe? – Die Atmung (LEK) Richtig oder falsch? – Der Weg der Atemluft Dein Bio-Lexikon – Begriffe von A bis Z Minimalplan Bei wenig Zeit können Sie den Vor- und Nachtest M 2 als Hausaufgabe einsetzen oder ganz wegfallen lassen und nur mit Arbeitsblatt M 1 in die Unterrichtsreihe einsteigen. Das Stationenlernen M 3–M 12 können Sie um zwei Stunden verkürzen, indem Sie auf die Stationen M 4, M 5 und M 7 verzichten. T H C I S N A R O V 13 RAAbits Realschule Biologie März 2014 IV Der Mensch • Beitrag 16 Die Atmung beim Menschen (Klasse 7/8) 9 von 32 Teste dich selbst! – Was weißt du alles über die Atmung des Menschen? Name: Klasse: Vortest am Datum: Nachtest am Erreichte Punktzahl: (/22) Erreichte Punktzahl: (/22) Aufgabe 1: Beschrifte die Skizze zu den Atmungsorganen des Menschen. a 5 Punkte c I S N A R O d e f g h Aufgabe 2: Welche Muskeln sind primär zuständig für die … 2 Punkte a) Bauchatmung: b) Brustatmung: Aufgabe 3: Wie ist es zu erklären, dass man einem Ohnmächtigen durch Mund-zu-MundBeatmung helfen kann und er durch unsere Ausatemluft nicht erstickt? 2 Punkte 13 RAAbits Realschule Biologie März 2014 Foto: Oberkörper: Thinkstock/iStock, Vergrößerung: Thinkstock/Hemera T H C b V M2 14 von 32 Die Atmung beim Menschen (Klasse 7/8) Der Mensch • Beitrag 16 III Station 1: Wie häufig atmet ihr pro Minute? M4 Die Anzahl der Atemzüge pro Minute bezeichnet man als Atemfrequenz. Sie ist von Mensch zu Mensch und von Situation zu Situation verschieden. Aber indet selbst heraus … Aufgabe 1 Führt den folgenden Versuch durch. Schülerversuch · Vorbereitung: 5 min · Durchführung: 15 min Das benötigt ihr 1 Stoppuhr So führt ihr den Versuch durch 1. Jeder von euch setzt sich ruhig auf einen Stuhl, schließt seine Augen und atmet etwa eine Minute lang ruhig ein und aus. 2. Öffnet die Augen, bleibt ruhig auf eurem Stuhl sitzen und zählt eine Minute lang eure Atemzüge. Notiert den Wert. T H C 3. Steht nun auf, bleibt ruhig stehen und zählt eure Atemzüge eine Minute lang. Notiert auch diesen Wert. 4. Geht gemütlich durch den Raum oder den Schulflur entlang. Zählt währenddessen eine Minute lang eure Atemzüge. Notiert den Wert. I S N 5. Macht 20 rasche Kniebeugen. Zählt im Anschluss eure Atemzüge pro Minute. Schreibt euch den Wert auf. A R O Versuchstabelle mit Versuchsbeobachtungen Sitzen V Atemfrequenz (Anzahl der Atemzüge pro Minute) Stehen Gehen nach 20 raschen Kniebeugen a a a a b b b b c c c c d d d d Aufgabe 2 a) Vergleicht eure Atemfrequenz unter den verschiedenen Versuchsbedingungen. Versucht, eine Regel daraus abzuleiten. b) Vergleicht eure Atemfrequenzen untereinander. Welche Unterschiede gibt es und wie lassen sich diese erklären? Formuliert dazu eine zusammenfassende Regel. („Je …, desto …“) „Je desto Expertenaufgabe Zeichnet ein Balkendiagramm für eure Messwerte. 13 RAAbits Realschule Biologie März 2014 , !“ IV Der Mensch • Beitrag 16 Die Atmung beim Menschen (Klasse 7/8) 23 von 32 Informationstext zu Station 8: Wie viel Sauerstoff benötigen verschiedene Lebewesen? 5 10 Mit Ausnahme bestimmter Einzeller und Pilze benötigen alle anderen Lebewesen Sauerstoff zum Überleben, d. h., auch Planzen wie Moose, Farne und Blütenplanzen (z. B. Heckenrose, Kirschbaum, Fichte und Buche) kommen nicht ohne Sauerstoff aus. Nicht nur tagsüber, sondern auch nachts benötigen diese Lebewesen den Sauerstoff zur Aufrechterhaltung ihrer Lebensvorgänge, insbesondere zur Bereitstellung von Energie. Wir Menschen können über 10 Tage lang ohne feste Nahrung auskommen und einige Tage lang auch ohne zu trinken. Ohne Luft und den darin enthaltenen Sauerstoff können wir jedoch höchstens einige Minuten überleben. Insbesondere unser Gehirn reagiert sehr empindlich auf Sauerstoffmangel: Wird unser Gehirn mehr als drei Minuten nicht ausreichend mit Sauerstoff versorgt, so besteht die Gefahr von schweren Gehirnschäden oder es droht sogar der Tod infolge von Sauerstoffmangel („Erstickungstod“). Im Gegensatz zu den grünen Planzen, die durch die Fotosynthese selbst Sauerstoff bilden können und sogar überschüssig produzierten Sauerstoff an die Umwelt abgeben, sind Tiere und wir Menschen auf den Sauerstoff aus der Luft angewiesen. 15 T H C Je kleiner und aktiver ein Tier ist, desto mehr Sauerstoff benötigt das betreffende Lebewesen. Krokodile, Elefanten und Blauwale sind sehr große Tiere und benötigen relativ wenig Sauerstoff. Im Gegensatz dazu benötigen kleine, sehr aktive Tiere, wie Schmetterlinge im Flug, schwirrende Kolibris und jagende Libellen, relativ viel Sauerstoff. Bachforelle 200 ml Elefant 50 ml I S N Feldhase Lebewesen Sauerstoffbedarf pro kg Körpergewicht und Stunde A R O Lebewesen Sauerstoffbedarf pro kg Körpergewicht und Stunde Mensch, schlafend 80 ml Mensch, im Stehen 100 ml 500 ml Mensch, beim Gehen 150 ml Feldmaus 1500 ml Mensch, beim Rudern 1500 ml Flusskrebs 40 ml Schmetterling, sitzend 1000 ml Flussmuschel 2 ml Schmetterling, liegend 100.000 ml Goldisch 90 ml Tintenisch, schwimmend V 90 ml Fotos: links und rechts: Thinkstock/iStock; Mitte: www.colourbox.com Sauerstoffbedarf verschiedener ausgewählter Lebewesen Eine Bachforelle, ein Elefant oder ein Mensch – welches Lebewesen hat wohl den höchsten Sauerstoffbedarf? 13 RAAbits Realschule Biologie März 2014 IV Der Mensch • Beitrag 16 Die Atmung beim Menschen (Klasse 7/8) 31 von 32 Lösungskarte zu Station 9 Aufgabe 1 Lungenvene zum Herzen hin, sauerstoffreiches Blut Herz Lungenarterie vom Herzen weg, kohlenstoffdioxidreiches Blut T H C rotes Blutkörperchen I S N Aufgabe 2 Die oberen Atemwege sind im einfachen Modell als ein Rohrsystem zu verstehen, das bei jedem Einatmen „frische“ Luft aus der Atmosphäre in die Lunge führt und beim Ausatmen „verbrauchte“ Luft wieder aus der Lunge abtransportiert. In den ca. 500 Millionen Lungenbläschen (= Alveolen) der Lunge wird durch die dünnen Membranen der Lungenbläschen der Sauerstoff aus der eingeatmeten Luft vom Blut aufgenommen und Kohlenstoffdioxid aus dem Blut in die Luft abgegeben. Diese „verbrauchte“ Luft wird dann ausgeatmet. In den Geweben indet der innere Gasaustausch statt. Im Bereich der feinsten Verästelungen der Blutgefäße in den Geweben, den Blutkapillaren, wird Sauerstoff aus dem Blut in die Zellen abgegeben und Kohlenstoffdioxid im Gegenzug von den Zellen ins Blut abgegeben. Dieses sauerstoffarme und kohlenstoffdioxidreiche (sog. venöse) Blut wird zur Lunge transportiert und dort wieder durch den „äußeren Gasaustausch“ mit Sauerstoff angereichert und kohlenstoffdioxidarm gemacht. A R O V Anmerkungen: a) Während die Gasaustauschläche in der Lunge „nur“ ca. 200 m2 beträgt, ist die Gasaustauschläche im Körpergewebe im Bereich der Blutkapillaren etwa 70 mal so groß und beträgt etwa 7 000 m2; das entspricht etwa der Größe eines Fußballfeldes nach FIFANorm (Länge: 105 m, Breite: 68 m; Fläche 7.140 m2). Auch in anderen Atmungsorganen wie den Lungen (z. B. Kiemen bzw. Geweben bei Knochen- und Knorpelischen sowie Tracheen bzw. Geweben bei Insekten) können die Vorgänge von äußerem und innerem Gasaustausch beobachtet werden, d. h. Gasaustausch ist ein wichtiges Grundprinzip bei vielzelligen Tieren. 13 RAAbits Realschule Biologie März 2014 T H C I S N A R O V