I\) Ökologie

I) Ökologie
I.1) Die Zusammensetzung eines Ökosystems
Begriffe:
Die Biosphäre: Der Gürtel (Sphäre = Kugelfläche) rund um die Erde, welcher dauernd
von Lebewesen besiedelt ist.
Das Ökosystem: Ein Ausschnitt aus der Biosphäre, der sich selbst erhalten kann. Man
sagt: „Ein Ökosystem ist zur Selbstregulation fähig“ ! Was bedeutet das?
Ökosystem besteht aus Biotop und Biozönose
•
Biotop !
•
Biozönose: ! Erzeuger (Produzenten) – Verbraucher (Konsumenten/Nahrungskette)
! Beispiel für Nahrungskette – Zersetzer (Destruenten) ! Beschreibung der einzelnen Aufgabenbereiche!
I.2) Die Wechselwirkungen in einem Ökosystem
I.2.1) Der Kohlenstoff- und Sauerstoffkreislauf
1. Erörterung der einzelnen Kreislaufschritte !!!
1
Der Gesamtkohlenstoffbestand der Erde verteilt sich folgendermaßen:
2. Kohle und Erdöl:
3. organische Abfälle:
4. lebende Biomasse:
ca. 64%
ca. 32%
ca. 4%
I.2.2) Der Stickstoffkreislauf
Aufnahme von Stickstoff:
Pflanzen: In Form von Ammoniumsalzen und Nitraten. Diese gelangen entweder durch
mikrobiellen Abbau organischer Substanz in den Boden, oder durch künstliche Stickstoffdüngung.
Ausnahme: Hülsenfrüchtler können mit Hilfe symbiontisch lebender Wurzelbakterien den Luftstickstoff binden und aufnehmen . . . ! . . .
Tiere (Mensch): In Form von Eiweiß über die Nahrungskette (! Aufbau von Eiweiß!)
Verwendung von Stickstoff:
Hauptsächlich zum Aufbau von Aminosäuren ! Eiweiße ! Körpermasse und Enzyme!
2
II.) Stoffwechsel und Energiehaushalt bei Tier und Mensch
II.1) Grundbaustoffe der Lebewesen
Jede Zelle benötigt zum Leben Sauerstoff und Nährstoffe.
Damit wird:
1. Substanz aufgebaut ! Baustoffwechsel
2. Durch Oxidation Energie freigesetzt ! Betriebsstoffwechsel
Wiederholung:
Kohlenhydrate:
Sie werden hauptsächlich für den Betriebsstoffwechsel verwendet!
! Beschreibung
! Saccharidbindung unter Wasserabspaltung
Eiweiße:
Finden hauptsächlich im Baustoffwechsel Verwendung!
! Beschreibung ! As.-Struktur
! Begriffe: Aminosäurensequenz und essentielle Aminosäuren
Fette:
Verwendung für den Betriebsstoffwechsel und als Energiespeicher
! Aufbau von Glyzerin als dreiwertiger Alkohol und den anhängenden Fettsäuren
Mineralstoffe (anorganische Salze):
Wichtige Baustoffe (Knochen, Zähne, . . .) Im menschlichen Körper sind ca. 3 kg anorganische Salze gebunden. Die häufigsten Elemente dieser anorganischen Körpermasse
sind: Na, K, Ca, P, Mg, S, Cl
Vitamine:
Essentielle Substanzen von unterschiedlichem Chemismus. Viele davon sind Bausteine
für Enzyme (! WH !!!) Bei unzureichender Zufuhr ! Avitaminosen! (Skorbut, Beri Beri,
Rachitis)
3
II.2) Der Energiegehalt der Nährstoffe
Wird mit dem Kalorimeter gemessen (! Abbildung: Linder 1)) und in kJ bzw. kcal angegeben.
aus: Linder, BIOLOGIE 1. Teil
1 kcal = 4,2 kJ / 1kJ = 0,24 kcal
Ein Jugendlicher (Schüler) mit 16 Jahren benötigt täglich ca. 12 – 14000 kJ (abhängig
von Geschlecht und Masse)
Beispiele für Energiegehalt in Lebensmitteln:
Nahrungsmittel
Butter
Fettes Schweinefleisch
mageres Rindfleisch
Forelle
Reis
Semmel (1 Stk)
Salatgurken
Energie (pro 100 g)
3200
1600
700
220
1500
55o
30
II.3) Nahrungsaufnahme:
Einzeller (Protozoa):
Durch Phago- bzw. Pinozytose, d.h. durch Umfließen der Nahrung. Diese wird entweder
durch Suchbewegungen gefunden (Amöben, Euglena) oder durch Geißelschlag herbeigestrudelt und dann phagozytiert ! Strudler (Wimpertierchen!)
! Diffusion!
4
Vielzeller (Metazoa):
Schwämme:
Festsitzende, durch Stockbildung sehr verschiedenartig gestaltete Tiere; im Larvenstadium freischwimmend
prinzipiell drei verschiedene Bautypen: aus: Linder, BIOLOGIE 1. Teil:
5
Gastralraum ausgekleidet mit ! Kragengeißelzellen und ! Fresszellen. Geißel der KGZ
erzeugt dauernden Wasserstrom durch das Osculum nach außen. Der Kragen filtriert
und führt die Nährstoffe den Fresszellen zu!
Hohltiere:
Wasser lebende Tiere mit zweischichtiger Körperwand und häufig typischem Generationswechsel zwischen Polyp (= ungeschlechtliche Generation) und Meduse (= geschlechtliche Generation).
aus: Linder, BIOLOGIE 1. Teil
5. Ektoderm, Endoderm, Blastula-Gastrulabildung, Gastralraum,
Polypen:
Rasenkorallen
6
Obelia (Polypenstöckchen)
Quallen (Medusen):
Wurzelmundqualle
Feuerqualle
6. Zelldifferenzierungen:
1.
2.
3.
4.
Muskelzellen
Nervenzellen (Nervennetz)
Nesselzellen
Sekretzellen (Produktion von Verdauungssäften)
Beispiele: Hydra, Feuerqualle, Portugisische Galeere (- 50 m Länge), Korallen (mit
Skelettbau ! Riffbildung)
Niedere Würmer:
Dazu zählen:
! Plattwürmer, Rundwürmer, Rädertiere u.a.
Häufig mit parasitischer Lebensweise!
Bei Bandwürmern fehlt häifig ein Verdauungstrakt. Die Tiere leben im Darm ihres Wirtes
bund nehmen über die gesamte Körperoberfläche dessen Nährstoffe durch Diffusion
auf.
Rundwürmer besitzen häufig einen rüsselartig vorstülpbaren Schlund, der in einen blind
endenden Darm übergeht. Nahrung wird eingesaugt, zerkleinert und durch spezielle
Zellen phagozytiert. Unbrauchbares wird wieder durch die Mundöffnung
ausgeschieden.
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Ringelwürmer:
Körper deutlich in zahlreiche Segmente unterteilt (“Ringel”). Erstmals ein durchgehendes Darmrohr vorhanden.
•
Regenwurm:
Kräftiger Muskelmagen, in dem die Nehrung mithilfe kleiner Sandteilchen zerrieben
wird. Im Darm Verdauung und Resorption der organischen Nahrungsbestandteile.
Unverdauliches wird mit gefressener Erde wieder ausgeschieden ! Bedeutende
Bodenauflockerer!
•
Blutegel:
Nahrungsspezialisten ! Blutsauger!
Saugen bis zu 15 ml Blut nach dem Anschneiden eins Blutgefäßes (3 sternförmig
angeordnete Chitinzähnchen!). Im Magen eingedickt, Hirudin verhindert die
Blutgerinnung. Nahrung kann monatelang gespeichert werden und wird dabei vorzu
verdaut.
Gliederfüßer (Arthropoden):
•
Spinnentiere:
Häufig steht die Verdauung vor der Nahrungsaufnahme ! . . . . . . . .extraintestinale
Verdauung!
•
Krebse:
Meist räuberische Lebensweise. Nahrung wird mit zu Scheren umgewandelten Beinen
zerkleinert und dann aufgenommen.
•
Tausendfüßer und Insekten:
Sehr vielfältige Ernährungsweisen: Vegetarier, Räuber, Blutsauger, Nektarsauger,
Abfallfressser u.s.w.
Mundwerkzeuge bei Insekten:
! Overheadfolie!
Weichtiere:
Das sind: Käferschnecken, Schnecken, Muscheln, Tintenfische
8
•
Muscheln
Durch Flimmerepithelien wird ein Wasserstrom zur Mundöffnung erzeugt, Nahrung
wird herausgefiltert.
•
Käferschnecken, Schnecken
Schlund mit einer mit Chitinzähnchen besetzten Zunge (Raspelzunge = Radula).
Nahrung wird damit abgeschabt.
•
Tintenfische
Beute wird mit den Fangarmen (Saugnäpfe!) gefasst und mit zwei
papageienschnabelartigen Hormkiefern zerkleinert. Radula ebenfalls vorhanden.
Stachelhäuter
Das sind: Haarsterne, Seewalzen, Seeigel, Seesterne, Schlangensterne.
•
Seeigel
Fressen Algenrasen, langsame Kleintiere und Aas. Aufnahme und Zerkleinerung mit
kräftigem Kauapparat aus 5 Kiefern und 5 Zähnen (“Laterne des Aristoteles”)
•
Seesterne
Die gefährlichsten Feinde mariner Muscheln und Schnecken. Muschelschalen
werden mit den Armen auseinandergezogen, dann wird der Magen ausgestülpt
und die Beute außerhalb des Körpers verdaut (extraintestinale V.).
Wirbeltiere:
! Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel, Säugetiere!
•
Durchgehendes Darmrohr
•
Häufig Speicheldrüsen (Fehlen bei Fischen, Seeschildkröten, Wasservögeln und
Walen ! Erklärung!
•
Mundhöhle von Kiefern begrenzt. Die Kieferränder entweder von Hornleisten
überzogen (Vögel und Schildkröten) oder mit Zähnen besetzt.
! Alle Nichtsäuger mit homodontem (lauter gleichartige Zähne) Gebiss, Säugetiere
haben ein heterodontes Gebiss (verschiedenartige Zähne).
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Das heterodonte Säugergebiss:
1. Schneidezähne, mit scharfer Kante, geeignet zum Abtrennen von
Nahrungsstücken.
2. Eckzähne, stumpfkegelig, meist verwendet um Beute festzuhalten, bzw. zu
töten ! Modifikation: Fangzähne
3. Vorbacken- und Backenzähne (=Vormahl- und Mahlzähne) sind immer
stumpf mit großen Mahlflächen zum Zerreiben von Nahrung. Durch Schmelzfalten wird die Effizienz erhöht (! Altersbestimmung bei Wiederkäuern)
Gebisstypen bei Säugetieren: (! Overheadfolie)
aus: Linder, BIOLOGIE 1. Teil
10
Wale und die meisten Nagetiere bilden monophyodonte Gebisse aus, die meisten
Säugetiere diphyodonte Gebisse, polyphyodonte Gebisse findet man bei Fischen,
Amphibien und Reptilien.
Das menschliche Gebiss:
! Zahnformeln:
Milchgebiss (20 Zähne), Dauergebiss (32 Zähne)
Die Zahnbildung beim Menschen:
Bereits im Embryonalstadium, der Durchbruch des ersten Zahnes erfolgt etwa im 7. bis
15. Lebensmonat!
In der Zahnleiste befinden sich Odontoblasten(=Dentinbildner) rund um ein Gefäß- und
Nervenbündel ! scheiden Dentinkeim aus.
Von der Oberfläche wächst eine Zahnleiste in die Tiefe, umwächst den Dentinkeim und
bildet Adamantoblasten(= Schmelzbildner)aus, welche den Dentinkeim mit Zahnschmelz überziehen.
Das menschliche diphyodonte Gebiss bildet eine Abzweigung der Zahnleiste aus,
welche bereits vor dem Durchbruch der ersten Generation den Keim für die zweite
Zahngeneration anlegt.
II.4) Verdauung
Verdauungstrakt aller Wirbeltiere mit gleichem Grundbauplan:
Mundöffnung (Vorverdauung) – Speiseröhre – Magen (Verdauung) – Dünndarm (Verdauung) – ev. Blinddarm (Zelluloseverdauung) - Dickdarm (Wasserrückresorption) –
Enddarm – Afteröffnung.
Verdauung beim Menschen:
Mund:
•
•
Mechanische Zerkleinerung
Speichelproduktion (Ohren-, Unterkiefer- und Unterzungenspeicheldrüsen)
Verdauung beginnt mit dem Enzym PTYALIN (wirkt im neutralen bis schwach basischen Bereich):
Stärke (C6H10O5)n (n ! 300) ! Dextrin (C6H10O5) (n ! 30) ! Maltose (C12H22O11)
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Ende der KH-Verdauung im Mund! Tägliche Speichelmenge liegt bei 1 – 2 Litern!
Speiseröhre:
Ring-(innen) und Längsmuskulatur (außen) ! Peristaltik!
Speiseröhre verläuft gerade nach unten, durchsetzt das Zwerchfell und mündet mit
dem Magenmund (verschließbar durch kräftige Ringmuskelfasern!) in den Magen.
Magen:
•
•
•
•
3-schichtiger Aufbau
Magenmund und Magenausgang (Pförtner)
Dient als Nahrungsspeicher und als Ort der Proteinverdauung
Ausgekleidet mit der drüsenreichen, faltigen Schleimhaut. Neben den Schleimdrüsen sind zweierlei Drüsenzellen eingebettet:
o
Belegzellen
Durch Geruchsstoffe, Assoziationen oder mechanische Reizung wird eine
Salzsäureproduktion in Gang gesetzt. Diese ist sehr energieaufwendig:
4
3
1
2
5
1) Innere Atmung liefert Energie, Kohlendioxid und Wasser
2) Wasser dissoziiert !
3) CO2 + OH Ion ! HCO3 Ionen. Ionenaustauschreaktion in der Gefäßwand Cl -Ionen werden aufgenommen.
12
4) + 5) Cl Ionen und H-Ionen (Wasserdissoziation) werden gegen ein Konzentrationsgefälle (ATP-Verbrauch!) in den Sammelkanal abgegeben, wo
sich Salzsäure bildet ! Wird in das Mageninnere abgegeben.
Aufgaben der Salzsäure:
•
•
•
Desinfektion (bzw. Reduktion der Keimzahl)
Denaturierung von Proteinen
Aktivierung von Pepsinogen
o
Hauptzellen
Sie produzieren die inaktive Enzymvorstufe Pepsinogen.
Wiederhole: Enzyme sind wirkungs- und substratspezifisch
•
•
! Enzyme besitzen ein aktives Zentrum
Bei Enzymvorstufen ist das aktive Zentrum durch einen Inhibitor blockiert
! es kann sich kein Enzym-Substrat-Komplex bilden.
•
Ein Aktivator bindet sich an den Inhibitor und verformt dessen Struktur so,
dass dieser nicht mehr auf das aktive Zentrum passt und sich so löst.
•
Ein Enzym-Substrat-Komplex ist nun möglich!
Als Aktivatoren fungieren HCl und aktives Pepsin.
Durch die Ausscheidung von inaktivem Pepsin wird intrazelluläre Selbstverdauung der
Hauptzellen verhindert. Die Selbstverdauung im Mageninneren verhindert ein geschlossener Schleimbelag, der sich ununterbrochen regeneriert. Diese Regeneration endet mit
dem Tod, produziertes Pepsin bleibt aktiv. Die so einsetzende Selbstverdauung ermöglicht eine nachträgliche Ermittlung des Todeszeitpunktes.
Darm:
•
Äußerer Längs- und innerer Ringmuskelschlauch
•
Oberflächenvergrößerung durch Querfalten der Darmwand
13
Dünndarm:
•
In den ersten Dünndarmabschnitt, den Zwölffingerdarm münden 2 große Verdauungsdrüsen, die Leber und die Bauchspeicheldrüse:
o
Die Leber
Zentrale Stellung im Stoffwechselgeschehen des Körpers
#
Produktion der Gallenflüssigkeit ! Gallenblase ! bei Bedarf Abgabe an den Zwölffingerdarm (Gallenflüssigkeit ist kein Enzym sondern ein Emulgator! . . . )
Durch Überdrdruck in der Gallenblase wird Gallenflüssigkeit in das
Blut gepresst und führt zur Gelbsucht.
Mögliche Ursachen:
#
•
Verschluss des Ausganges der Gallenblase durch kristallisierte Gallensäure (Fehlernährung!)
•
Leberschwellung durch Infektionen oder Überbelastung.
Entgiftung des nährstoffbeladenen Blutes, das von den Gefäßen
des Darmtraktes kommt:
So wird z.B. der giftige Ammoniak (Eiweißstoffwechsel) zum ungiftigen Harnstoff umgebaut und dann über die Nieren ausgeschieden:
2 NH3 + H2CO3 (aus Atmung) ! CO (NH2)2 (Harnstoff) + 2 H2O
#
Regulation des Blutzuckerspiegels (ca. 0,1% Glucose)
! Zusammenspiel von Insulin und Glocagon (Glycogen/Glucose)
! Diabetes mellitus
#
o
Abbau der roten Blutkörperchen (nach ca. 100 Tagen)
Die Bauchspeicheldrüse
Produziert zahlreiche Enzyme ! Zellen sind reich an Ribosomen.
#
#
14
Trypsinogen (aktiviert durch Enterokinase aus der Dünndarmschleimhaut)
Erepsin ebenfalls eine Proteinase
#
#
#
•
Nukleasen Nucleinsäuren spaltendes Enzym ! Wiederholung!
Amylasen, Maltasen Spalten Maltose und Polysaccharide in Einfachzucker auf.
Lipase spaltet Fette in Glyzerin und Fettsäuren
Auf den 12-Fingerdarm folgt der resorbierende Abschnitt des Dünndarmes
Zusätzliche Oberflächenvergrößerung durch Darmzotten (ca. 1 mm
lange Auswüchse) und den darauf befindlichen Mikrovilli (Plasmafortsätze).
! Oberfläche erreicht so ca. 2000 m2.
! Skizze: Darmwand mit Querfalten ! Darmzotten (ca. 25 mm2) !
Mikrovilli
Resorption verläuft meist aktiv und ist sehr energieaufwendig ! resorbierende
Zellen besitzen viele Mitochondrien.
Glucose und Aminosäuren werden direkt in´s Blut abgegeben, Glyzerin und Fettsäuren gelangen durch Pinozytose in´s Lymphsystem ! Fettsynthese ! Lymphbrustgang ! mündet in´s Blutgefäßsystem.
Dickdarm:
•
Rückresorption von Wasser und benötigten Salzen
! Durchfallerkrankungen sind Funktionsstörungen im Dickdarm, die zu schwerem
Flüssigkeits- und Salzmangel führen können (Kleinkinder!).
•
•
•
Blinddarm mit Wurmfortsatz ! bei hoch entwickelten Säugern (Affen, Menschen)
stark reduziert (Bedeutung für das Immunsystem).
Im Dickdarm sehr komplexe Bakterienflora (Endosymbiose) zur Aufspaltung von Zellulose.
Kot besteht zu ca. 2/3 aus unverdaulichen Resten und zu 1/3 aus abgestorbenen
Zellen der Darmschleimhaut und Bakterien!.
Mastdarm/Afteröffnung:
Der auszuscheidende Darminhalt wird im Mastdarm gesammelt und über die Afteröffnung (Ringmuskel) zeitweise ausgeschieden.
II.5) Tierische Schmarotzer im Menschen
Meist auf einzelne Organe bestimmter Tiere (organ- und artspezifisch) und frei nicht
mehr lebensfähig. Die Schädigung des Wirtes erfolgt durch:
15
•
•
•
Nahrungsentzug
Behinderung der Organfunktion
giftige Ausscheidungen
Je nach Lebensweise unterscheidet man:
•
•
Ektoparasiten (z. B. Läuse, Zecken )
Endoparasiten (besonders häufig im Verdauungstrakt und im Blut zu finden)
• Das Sporentierchen Plasmodium:
Erreger der Malaria (= Dreitagefieber)!
Wirt:
Zwischenwirt:
der Mensch
Die Anophelesmücke
! Entwicklungskreislauf!
16
•
Der Rinderbandwurm:
Wirt:
Zwischenwirt:
der Mensch
Rinder
bis zu 12 Meter Länge (ca. 1000 Körperglieder lang)
In den letzten Gliedern bis zu je 50 000 befruchtete Eizellen
Entwicklungsbeschreibung!
Beachte:
•
o
Beim Schweinebandwurm ist Selbstinfektion möglich, dadurch wird der
Mensch gleichzeitig zum Zwischenwirt ! Finnen in Gehirn, Rückenmark
und Augen ! häufig letal.
o
Beim Hundebandwurm ist der Mensch immer Zwischenwirt. Infektionsmöglichkeiten durch Liebkosung der Tiere.
o
Fuchsbandwurm: Mensch ist immer Zwischenwirt (gemeinsam mit anderen
Waldtieren, wie Mäusen, Ratten - auch Vögel kommen in Frage ). Infektion durch Genuss von Waldfrüchten, die mit Bandwurmeiern kontaminiert
sind. Hauptrisikogruppe sind jedoch Jäger, die sich beim Ausbalgen der
Füchse infizieren können.
Der menschliche Spulwurm:
Wirt und Zwischenwirt sind der Mensch, ein Wirtswechsel muss jedoch erfolgen:
Lebt im Dünndarm (getrenntgeschlechtig) ! Befruchtung ! lebende Larven werden
geboren und ausgeschieden ! Sickergruben ! landwirtschaftl. Nutzflächen ! Gemüse ! Aufnahme durch den Menschen ! Larven bohren sich durch die Darmwand in´s
Blutgefäßsystem ! Lunge (benötigen sauerstoffreiches Blut zur vollständigen Entwicklung) ! Luftröhre ! Kehlkopf ! neuerliches Verschlucken ! Darm ! Entwicklung zum
Imago.
II.6) Der Stofftransport im tierischen (menschlichen) Organismus
! Was wird transportiert? . . .
Verteilung meist durch Diffusion:
Das Diffusionsgesetz:
dm/dt x A = -D x dC/dx
! Die Zahl der Moleküle dm, die pro Zeiteinheit dt durch die Fläche A diffundieren (netto!!), ist ist proportional zum Diffusionskoeffizienten D und dem Konzentrationsunterschied dC und verkehrt proportional der Diffusionsstrecke dx!
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Abhängigkeit der Diffusionskonstante:
•
•
•
•
Temperatur
Molekül-, Atomradius
Lösungsmittelviskosität
u.a.
II.6.1) Protozoa
dx ist ausreichend gering um Stoffverteilung durch Diffusion sicherzustellen!
II.6.2) Schwämme, Hohltiere
Nährstoffe durch Phagozytose aufgenommen und durch Diffusion weitergegeben.
Gasaustausch ausschließlich durch Diffusion ! dC wird durch die Tätigkeit der Kragengeißelzellen bzw. durch Wasserwechsel im Gastralraum aufrecht erhalten.
II.6.3) Niedere Würmer
Diffusionsstrecke wird teilweise zu groß (nicht bei Bandwürmern!)! Wird ausgeglichen
durch Vergrößerung der Diffusionsfläche (stark verästelter Darm!)
Die zu verteilenden Stoffe diffundieren in eine Füssigkeit, welche die Interzellularräume
ausfüllt (Hämolymphe: keine Unterscheidung zw. Blut und Lymphe)). ! Einfache Zirkulation der Hämolymphe durch Bewegung des ganzen Körpers ! Diffusion zu den einzelnen Zellen!
II.6.4) Ringelwürmer
Erstmalig ein Gefäßsystem (geschlossen!) ! Beschreibung!
Sauerstoff im Blut physikalisch gelöst und chemisch gebunden (an freies Hämoglobin,
d.h. das Hämogl. ist nicht an Blutzellen gebunden).
II.6.5) Arthropoden (Gliederfüßer)
•
•
Offenes Gefäßssystem mit dorsalem Schlauchherz
Als O2-Akzeptor häufig Hämoglobin oder Hämocyanin (mit Sauerst. blau, ohne Sauerst. farblos)
! Hämoglobin enthält ein zentrales Eisenatom, Hämocyanin enthält Kupfer
•
18
Farbstoffe nie an Blutzellen gebunden.
II.6.6) Weichtiere
•
•
•
Offenes Gefäßsystem
rückseitig gelegenes Herz pumpt Hämolymphe nach vorn und über Kiemen oder
Lungen wieder zum Rückengefäß
Hämocyanin
II.6.7) Stachelhäuter
Kompliziertes offenes System ohne Blutfarbstoff.
Das Blutgefäßsystem steht in Verbindung mit einem Wassergefäßsystem, welches der
Fortbewegung dient (Scheinfüßchen)
II.6.8) Wirbeltiere
Geschlossenes Gefäßsystem, zentrales Herz als Antriebsmotor
•
Arterien
•
Kapillargefäße
•
Venen
Fische:
aus: Linder, BIOLOGIE 1. Teil
•
2-kammeriges Herz mit 1 Atrium und 1 Ventrikel (führt ausschließlich venöses Blut)
•
nach den Kiemenkapillaren Aufzweigung in 4 bzw. 5 Arterienbögen. Diese gehen in
die Kopfarterien bzw. die Aortenwurzeln über, welche sich zur Aorta vereinigen.
19
Amphibien:
aus: Linder, BIOLOGIE 1. Teil
•
3-kammeriges Herz
•
Während der Larvenentwicklung bilden sich die Nebenschlussbögen, welche die
Kiemen umgehen. Der gleichzeitig entstehende Ductus botalli (entsteht aus dem 4.
Aortenbogen) verbindet die Lungenarterie mit der leistungsschwachen Lunge (ca.
70% Hautatmung!) und diese mit der Aortenwurzel.
•
1 Ventrikel, der ausschließlich Mischblut transportiert
Reptilien:
aus: Linder, BIOLOGIE 1. Teil
20
Vögel/Säugetiere:
aus: Linder, BIOLOGIE 1. Teil
Der Blutkreislauf des Menschen
Besonderheiten:
•
•
Venen mit Venenklappen
o
Reduktion des hydrostatischen Druckes
o
zusätzliche Pumpenwirkung
Das menschliche Herz
o
Quergestreifter Hohlmuskel, unwillkürlich aktiviert
o
2 Atrien, 2 Ventrikel, Linker Ventrikel mit ca. 3 x so kräftiger Muskulatur wie
der rechte (starker Reibungsverlust durch das Körperkapillarsystem)
o
Richtige Fließrichtung durch Segelklappen und Taschenklappen erreicht
! Siehe Modell!
o
Beide Herzhälften arbeiten synchron, Atrien und Ventrikel wechseln sich
ab (Systole und Diastole) ! Herzminutenvolumen liegt bei ca. 5 – 6 Litern
(in Ruhestellung!)
o
Systole bewirkt einen plötzlichen Druckanstieg im System auf ca. 120 Torr
(= ca. 160 mbar ) ! Systolischer Blutdruck
Diese Druckwelle pflanzt sich entlang der Arterie fort und verursacht eine
Ausdehnung des gesamten Arteriensystems
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o
Die Entspannung der gedehnten Gefäße bewirkt auch in der Diastole einen Druck ! Diastolischer Blutdruck (ca. 80 Torr)
Die Druckverhältnisse im System:
aus: Linder, BIOLOGIE 1. Teil
Die Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit resultiert aus der Zunahme des Gesamtquerschnittes aller beteiligten Kapillargefäße:
Querschnittsfläche der Aorta: ca. 4 cm2 ! Querschnitt aller Kapillaren : ca. 3000 cm2
22
Blutdruckmessung:
•
Vergleichbare Messungen führt man an der Armarterie durch
o
o
o
o
•
Armmanschette aufpumpen ! Manschettendruck höher als Blutdruck !
mit Stethoskop kein Geräusch hörbar.
Manschettendruck reduzieren ! wenn Manschettendruck = Blutdruck,
wird Geräusch hörbar ! dieser Druckwert = systolischer Blutdruck
weitere Druckreduktion ! Blutstrom wird gegen Ende der Diastole kurzzeitig unterbrochen ! Geräusch.
weitere Druckreduktion ! es entsteht eine laminare Strömung, wenn
Manschettendruck gerade unter dem diastolischen Blutdruckwert liegt !
Geräusch verschwindet ! diastolischer Blutdruckwert!
Normalwert = 120 / 80
Beide Werte steigen mit zunehmendem Alter durch Verhärtung der Gefäßwände
an ! häufig steigt dabei der systolische Wert schneller, als der diastolische!
•
Hohe Blutdruckwerte sind schädlich, weil:
o
o
es zum Platzen von Gefäßen führen kann (z.B. bei Aneurismen)
hohe Druckwerte die Ausfällung und Anlagerung von Cholesterin und Kalk
an den Gefäßwänden fördern.
Die Steuerung der Herztätigkeit:
Das Herz wird zwar nervös versorgt, schlägt jedoch auch in völlig isoliertem Zustand regelmäßig weiter
Die zur Kontraktion benötigte Erregung entsteht im Herz selbst (automatisch ! Automatie des Herzens (auch: Autonomie)). Diesbezüglich unterscheidet man zwei Automatiezentren:
•
Sinusknoten – Eine punktuelle Nervenansammlung im Bereich der Einmündung der
Hohlvene in das rechte Atrium (Sinus venosus)
•
Atrio-Ventrikularknoten (=AV-Knoten) – liegt im Übergangsbereich der beiden Atrien
in die Ventrikel.
Normalerweise bestimmt der Sinusknoten die Schlagfrequenz. Bei seinem Ausfall übernimmt der AV-Knoten, jedoch mit verminderter Schlagfrequenz..
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Beide Automatiezentren werden durch das vegetative Nervensystem mit beeinflusst,
können jedoch nicht dadurch ersetzt werden!
Blut und Lymphe
Blutzusammensetzung:
•
Gesamtmenge: ca. 5 – 6 Liter
55% Blutflüssigkeit (Blutplasma), 45% Blutzellen
aus: Linder, BIOLOGIE 1. Teil
•
Blutplasma aus:
o
o
o
•
Plasmaproteine:
o
o
o
•
90% Wasser
8% Proteinen
Rest: Fette, Glucose, Kochsalz
5% Fibrinogen (Gerinnungseiweiß)
60% Albumine
35% Globuline (z.B. Immunglobuline = Antikörper)
Blutzellen (Blutkörperchen)
o
Erythrozyten (rote Bk.) (ca. 5 Mio./mm3)
scheibenförmige, kernlose Zellen mit ca. 10 µm Durchmesser. Die Zelle
enthält ein dichtes Geflecht von Fetten und Proteinen, die Zwischenräume sind mit Hämoglobin aufgefüllt.
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Gesamtmenge an Hämoglobin: ca. 750 Gramm/Mensch
Max. Bindungsfähigkeit: 1,34 ml O2 / Gramm Hämogl.
Reaktion:
Hb +
O2
OxHb
Die Richtung der Reaktion hängt vom Sauerstoffpartialdruck ab!
(Vgl. mit Kohlensäure)
In der Lunge (hoher O2-Partialdruck) entsteht OxHb.
Im Gewebe (niedriger -„) entsteht Hb
Bestimmte Stoffe besitzen eine höhere Affinität zu Hb als der Sauerstoff.
Dazu gehört Kohlenmonoxid. ! Kompetitive Hemmung!
Bildungsstätte der Erythrozyten ist das rote Knochenmark, Abbau erfolgt
etwa nach 100 Tagen in Milz und Leber. Durch Einwirkung von radioaktiver
Strahlung wird häufig das rote KM geschädigt. ! Erythrozytenmangel!
o
Leukozyten (weiße Bk.) (ca. 5000 – 10 000 /mm3)
Kernhaltige Blutzellen mit amöboider Beweglichkeit
ca. 5% aller Leucozyten befinden sich in der ordentlichen Blutbahn, der
Rest zirkuliert in den Lymphbahen und umspült die Inneren Organe.
Bildungsstätten sind das Knochenmark und die Milz.
Aufgaben der Leucozyten:
- Abbau von veraltetem Gewebe
- Abwehr von körperfremden Substanzen durch Phagozytose und
- Aufbau von „Gegengiften“ = Antikörpern ! Siehe hinten!
! z.B. Bakterieninfektion ! Massenproduktion von Leucoz. ! Schutzwall
! Eiterbildung (Eiter = ein Gemenge aus Leucozyten und Bakterien) !
wird der Schutzwall durchbrochen, erfolgt neuerliche Abwehr am nächsten Lymphknoten (u.U. Lymphknotenschwellung und Entzündung der
Lymphbahn ! roter Strich (Blutvergiftung!))
Ein Blutbild mit erhöhter Leuczytenzahl lässt auf eine Abwehrreaktion im
Körper schließen. Diese muss gefunden werden (z.B. Eiterherd im Zahn,
eingewachsener Fremdkörper -Splitter-)
o
Thrombozyten (Blutplättchen) (ca. 250 000 /mm3)
Kernlos, farblos, scheiben- bis spindelförmig, entstehen durch Abschnürung aus Knochenmarkszellen.
Beim Verlassen der Blutgefäße zerfallen sie rasch (Gewebsextrakte!)und
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setzen Enzyme frei ! unter Einwirkung der Ca - Ionen des Blutes entsteht
ein Gerinnungsauslöser, die Thrombokinase.
Fibrinogen
Fibrin
Durch verschiedene Einflüsse (Gefäßwandveränderung, -entzündung, verlangsamte Blutströmung, Gefäßverkalkung) kann es auch in unverletzten
Gefäßen zu Gerinnungsprozessen kommen. Durch einen so entstandenen
Pfropfen aus geronnenem Blut (=Thrombus) kann ein Blutgefäß teilweise
verstopft werden, im Versorgungsbereich dieses Gefäßes kommt es zu
Versorgungsengpässen ! Thrombose
Wird ein Thrombus durch die Blutströmung abgerissen, wird er als Embolus
bezeichnet. In Verengungen des Gefäßsystems (Kapillaren) kann dies zu
einer kompletten Verstopfung führen ! Embolie (Gehirn, Lunge)
Das Immunsystem des Körpers
Unterscheide zwischen Immunität und Resistenz !
Immunität: Gezielte Abwehrreaktion des Körpers, es werden nur ganz spezifische , körperfremde Stoffe (Antigene) erfasst.
Resistenz: Eine Breitbandwirkung. Richtet sich gegen eine größere Gruppe von Fremdkörpern; Wirkung beruht hauptsächlich auf phagozytierenden Leukozyten
Während Resistenz bei vielen Tierklassen auftritt, wurde Immunität bisher nur bei Wirbeltieren beobachtet.
a) Die humorale Immunreaktion
Abwehr durch spezifische Eiweißstoffe im Blut, die sogenannten Immunglobuline. Immunglobuline werden auch als Antikörper bezeichnet, sie können je zwei Antigenmoleküle binden ! Kettenbildung!
Aufbau der Immunglobuline: aus: Linder, BIOLOGIE, 3. Teil
26
•
Als Antigene wirken immer Proteine oder Polysaccharide. Bestimmte Strukturen auf
diesen Antigenen, die Epitope, sind die Kontaktpunkte für die antigenen Bindungsstellen der spezifisch aufgebauten Antikörper.
•
Epitope können Oberflächenstrukturen auf löslichen Proteinen sein (Gifte, Prionen)
oder Membranbestandteile größerer Antigene, wie Bakterien oder Viren.
Die Konzentration der Immunglobuline wird auf die Epitopdichte der Antigene abgestimmt ! optimale Präzipitation: aus: Linder, BIOLOGIE, 3. Teil
•
Am Ablauf einer Immunreaktion sind unterschiedliche Leucozytentypen beteiligt. Die
bedeutendsten sind die Lymphozyten (pro Mensch ca. 1 kg), das sind Leucozyten mit
extrem großem Zellkern und dem entsprechend geringem Plasmaanteil.
Lymphozytenstammzellen entstehen im Knochenmark, die Fertigstellung der Lymphozyten findet an zwei verschiedenen Orten statt:
•
•
im Knochenmark (bone marrow) ! B-Lymphozyten
im Thymus ! T-Lymphozyten (T-Helfer Zellen / T-Unterdrücker Zellen / T-Killer Zellen)
27
Die Erkennungsphase einer Immunreaktion:
•
Ein B-Lymphozyt findet ein passendes Epitop eines Antigens und bindet sich daran.
Anschließend wird das Antigen in die Zelle aufgenommen, intrazellulär zerlegt, die
anfallenden Epitope werden in die eigene Zellwand eingebaut und nach außen
präsentiert.
•
Eine T-Helfer Zelle erkannt ein präsentiertes Epitop (nur, wenn es an die Membran eines B-Lymphozyten gebunden wurde!) und stimuliert daraufhin den B-Lymphozyten
zur Teilung (aktivierter Lymphozyt).
Diese Teilungen finden in den Lymphknoten statt.
Die Differenzierungsphase der Immunreaktion
Die Tochterzellen der B-Lymphozyten differenzieren sich in zwei Richtungen:
•
o
Es entstehen Plasmazellen, deren Aufgabe die Produktion von Immunglobulinen mit passender antigener Bindungsstelle ist.
o
Gedächtniszellen. Diese sind Zellklone des aktivierten B-Lymphozyten, besitzen also alle dieselbe antigene Bindungsstelle wie der aktivierte Lymphozyt. Diese Gedächtniszellen können sich teilweise zeitlebens im Organismus halten
Die T-Unterdrücker Zellen hemmen die Teilungsaktivität der aktivierten B-Lymphozyten. Sie treten bei ausreichender Antikörperdichte auf und sorgen so für eine optimale Präzipitation.
Die Antigen-Antikörper-Reaktion (Präzipitation)
•
Die Antikörper binden je 2 Antigene ! größere Aggregate ! Phagozytose durch
Fresszellen
•
Durch die Bindung an die Antikörper werden in den Antigenen Lysozyme aktiviert,
welche eine Zellwandauflösung zur Folge haben
b) Die zelluläre Immunreaktion:
Sie wird hauptsächlich durch körperfremdes Gewebe ausgelöst, was zu einer Abstoßungsreaktion nach Transplantationen führen kann:
28
T-Helferzellen erkennen Antigene nur als solche, wenn sie in die Membran der BLymphozyten gebunden werden. Dabei werden gleichzeitig Membranproteine MHCProteine (Major-Histocompatibility-Proteins) der B-Lymphozyten identifiziert.
Treffen die T-Helferzellen auf Körperzellen mit falschen MHC-Proteinen, so werden
T-Killerzellen aktiviert, welche die betreffenden Zellen auflösen.
Die Ähnlichkeit der MHC-P. steigt mit zunehmendem Verwandtschaftsgrad. Bestimmte
Gewebe zeigen Immuntoleranz ! keine Abstoßung (z.B. Augenhornhaut, Gehörknöchelchen . . . )
c) Andere Immunreaktionen:
•
Die Allergische Reaktion:
Nach einer erfolgten Immunreaktion bilden sich zusätzlich zu den Gedächtniszellen so genannte Mastzellen, welche an der Oberfläche mit Immunglobulinen des Typs E besetzt sind.
Die Menge der Ig-E Moleküle wird ebenfalls durch Helfer- und Unterdrückerzellen reguliert
Mastzellen enthalten in Golgi-Bläschen durchblutungsfördernde Stoffe wie
Histamin und Serotonin. Wird ein passendes Antigen gebunden, entleeren
sich diese Bläschen nach außen, wodurch eine starke Durchblutung der Region eingeleitet wird (Entzündung!) ! hohe Leukozytendichte ! beschleunigte Erkennungsphase der Immunreaktion.
Sind die Unterdrückerzellen zu schwach wirksam, werden zu viele Ig-E Moleküle gebildet und eine Abwehrreaktion setzt bereits bei sehr geringer Dichte
von harmlosen Antigenen ein (Blütenstaub, Medikamente, best. Nahrungsmittel, . . . )
•
Autoimmun-Erkrankungen
Es gibt vereinzelte Körperzellen, die keine MHC-Proteine bilden. Durch Fehler
im Zellgeschehen beginnen diese Zellen spontan MHC-Proteine aufzubauen,
die jedoch nicht der eigenen MHC-Struktur entsprechen ! Immunreaktion
gegen die eigenen Körperzellen ! Zerstörung dieser Zellen.
! z.B. Eine bei Jugendlichen auftretende Form der Diabetes mellitus (Auflösung der Langerhans´schen Inselzellen in d. Bauchspeicheldrüse.
d) Schutzimpfungen
•
Die Aktive Immunsierung
! Ausgelöst durch injizierte abgeschwächte oder abgetötete Atigene. Im
Idealfall kann mit den isolierten Epitopen geimpft werrden ! . . . . . . .
29
•
Die Passive Immunisierung
! Herstellung eines Heilserums ! nur kurze Wirkungsdauer wegen der einsetzenden Immunreaktion gegen die körperfremden Antikörper.
! Im Idealfall Verabreichung synthetisch hergestellter Antikörper ohne aktivierende Epitope
Das Blutgruppensystem:
AB0-System von Karl Landsteiner (um 1900)
•
In der Erythrozytenwand können zweierlei Epitope gebunden sein
! Typ A und Typ B
Im Serum (Plasma ohne Gerinnungsstoff Fibrinogen) können sich von Geburt an Antikörper gegen A und/oder B befinden ! . . . . . . . . . . .
aus: Linder, BIOLOGIE, 3. Teil
•
Zusammensetzung der Blutgruppen (Ery. und Plasma)
•
Blutgruppenbestimmung:
30
Agglutination bei
Gruppe A
Gruppe B
Gruppe AB
Gruppe 0
•
Anti A
Anti B
+
+
-
+
+
-
Verdünnungseffekt ! mangelnde Präzipitation durch zu wenige Antikörper
• Universalspender und Universalempfänger
Das Rhesussystem:
Er stellt ein weiteres verklumpbares Antigen in der Erythrozytenwand dar.
! Keine angeborenen Antikörper im Serum: ! Rh+ hat das Antigen / keine Antikörper
Rh – hat weder Antigen noch Antikörper
Antikörper gegen Rh können erst nach Kontaminierung eines Rh- mit dem Rh aufgebaut werden ! Agglutination!
! Rhesusinkompatibilität bei Rh- Frauen, die in erster Schwangerschaft ein Rh+ Kind zur
Welt bringen. ! Desensibilisierung!
Rhesusfaktor ist angeboren und verhält sich genetisch dominant.
Vaterschaftsausschluss durch Blutgruppentest:
A und B verhalten sich dominant ! IA, und IB
0 verhält sich rezessiv ! i
Rh+ ist dominant
Beispiele:
Mutter:
A+
A+
A+
0B+
B-
Kind: ABABAB+
AAB+
0-
Vater:
B+
A+
BB+
ABAB-
möglich
unmöglich
unmöglich
unmöglich
möglich
unmöglich
Informationen bezüglich AIDS:
•
Acquired Immune Deficiency Syndrom
31
•
Krankheitsursache:
Ein Retrovirus (! Erklärung )
Name:
ursprünglich: HTLV-III ! Human T-Lymphotropic-Virus Typ III
heute: HIV ! Humanes Immunschwächvirus
Das Virus zerstört gezielt die T-Helferzellen des Immunsystems, was automatisch einen Überhang an T-Unterdrückerzellen bewirkt. Die Folge ist ein unzureichender Aufbau an Immunglobulinen und eine dadurch bedingte Immunschwäche. Gleichzeitig treten jedoch typische Zusatzsymptome auf, welche zum
Tod führen können:
•
Krankheitsverlauf:
Man unterscheidet drei Krankheitsstadien:
32
o
1. Stadium: Untypisches Krankheitsbild mit Durchfall, Fieber, Lymphknotenschwellungen. Symptome erscheinen Tage bis Wochen
nach der Infektion, anschließend kommt es für Jahre zu einer
scheinbar vollständigen Genesung. ! Infektionsrisiko für Andere!
o
2. Stadium: Ausschläge, Durchfall, Gewichtsverlust, Fieber, Lymphknotenschwellungen über Monate ! Lymphadenopathiesyndrom.
Anschließendes Abklingen der Symptome. Nach Monaten oder
Jahren:
o
3. Stadium: Typisches Krankheitsbild (Vollbild) mit lebensbedrohlichen Bakterien-, Virus- und Pilzinfektionen. Zusätzlich häufig schwere Nerven- und Gehirnschäden, Kaposi-Sarkom (Hautkrebs)
•
Risikogruppen: Ursprünglich Homosexuelle Männer und Drogenabhängige
Personen. Schon seit langer Zeit ist keine Personengruppe mehr vom Infektionsrisiko ausgeschlossen, ein hoher Prozentsatz der Erkrankten sind Kinder, die
schon mit der Krankheit geboren werden, weil die Mutter HIV+ ist.
•
Diagnose: Nachweis der Antikörper gegen HIV im Blut
•
Prognose: Mit zunehmender Erfahrung mit der Krankheit muss die Prognose
immer „günstiger“ ausfallen. Sprach man vor 20 Jahren noch von einer maximal 5-jährigen Restlebenszeit und 100%iger Letalität, kann man heute von
bis zu 20-jähriger Restlebenszeit sprechen und einige wenige Personen weltweit scheinen eine Immunität erworben zu haben.
•
Therapie: Es gibt verschiedene Medikamentkombinationen, die sehr genau
dosiert und zeitlich abgestimmt eingenommen werden müssen. Die Nebenwirkungen können sehr belastend sein. Ein zentrales Element dieser Kombinationen ist der Wirkstoff AZT, der die Überschreibung der Virus-RNA in eine für
die Vermehrung notwendige DNA behindern.
III.) Die Äußere Atmung
--> (Austausch von CO2 gegen O2) Die Grundlage für die Innere Atmung, die der Energiefreisetzung dient.
Einzeller, Schwämme, Hohltiere und viele Würmer: Gasaustausch an der gesamten Körperoberfläche durch Diffusion.
Ausreichende Erhöhung des dc durch Bewegung des Außenmediums, oder durch aktive Bewegung.
Bei höher entwickelten Tieren kann Hautatmung nicht ausreichen, weil:
•
•
Schützende Hautschichten den Gasaustausch erschweren (Horn, Chitin, Kalk)
Das Volumen eines Körpers schneller wächst als die Oberfläche: z.B.
Würfel:
a = 10 cm
A = 600 cm2
V = 1000 cm3
a = 14,14 cm
A = 1200 cm2
V = 2833 cm2
$ d.h. eine doppelt so große Oberfläche muss eine fast verdreifachte
Zellmenge versorgen können!
Zur Problemlösung wird der Gasaustausch auf bestimmte Stellen beschränkt (Atmungsorgane) die durch Oberflächenvergrößerung ein Vielfaches der Körperoberfläche erreichen!
An diesen Stellen muss durch dauernde Bewegung des Außenmediums das Konzentrationsgefälle hoch gehalten werden (Ein- und Ausatmen).
Verschiedene Atmungsorgane:
Tracheen:
•
Bei den meisten Gliederfüßern.
•
Über Tracheen erfolgt nicht nur der Gasaustausch, sondern auch der Gastransport.
•
Beschreibung ! können mit den feinsten Verzweigungen bis in einzelne Zellen reichen.
33
•
Ventilation wird durch periodisches Abflachen des Körpers (Ausatmen) und Entspannen (Einatmen) erreicht.
•
Eine bestimmte Körpergröße kann nicht überschritten werden, weil der Gasaustausch in den engen Röhren nur bedingt möglich ist ! Erhöhte Diffusionsgeschwindigkeit in heißen Gegenden.
Kiemen:
Kiemen sind dünnhäutige, reich durchblutete und feinst verzweigte Ausstülpungen der
Körperoberfläche.
•
Bei wirbellosen Tieren an verschiedensten Körperstellen:
zB: Marine Ringelwürmer:
•
Krebse:
Kiemen der Wirbeltiere sind entwicklungsgeschichtlich Spezialisierungen des Vorderdarmes:
Am einfachsten bei Knorpelfischen:
Bei Knochenfischen sind Kiemenspalten durch Kiemendeckel verschließbar:
Fischkiemen erreichen einen Wirkungsgrad von 80% (vgl. Lungenwirkungsgrad: 25%)
Erklärung: Das Gegenstromprinzip:
34
aus: Linder, BIOLOGIE 1. Teil
Lungen:
Funktionieren prinzipiell wie Kiemen, sind jedoch Einstülpungen eines Teils der Körperoberfläche.
Die Wirbeltierlungen sind blind endende, sackartige Ausstülpungen des vorderen Verdauungstraktes, sie leiten sich entwicklungsgeschichtlich von den Schwimmblasen der
Fische her.
Physostomen
Physoclisten
Physostomen: Schwimmblase wird mit Luft gefüllt, die über das Maul von der Oberfläche aufgenommen wird.
Physoclisten (meist Tiefseefische): Die Schwimmblasenwand ist mit einem feinen Kapillarnetz ausgekleidet. In das Kapillarnetz sind Milchsäuredrüsen integriert.
• Das von den Kiemenbögen kommende O2 - gesättigte Blut wird mit Milchsäure versetzt, wodurch sich die Löslichkeit für Sauerstoff und die Affinität zwischen Hb und
Sauerstoff reduziert ! O2 gast aus und gelangt so in die Schwimmblase ! Volumen
steigt ! Auftrieb steigt!
•
Wird die Milchsäureproduktion gestoppt, steigt die Löslichkeit für Sauerstoff, der Sauerstoff wird aus der Schwimmblase entnommen ! Volumen sinkt ! Auftrieb sinkt!
Amphibien:
Larven mit Kiemen, Imagines mit einfachen, ungekammerten Lungen ! Unterstützung
durch Hautatmung!
Reptilien:
Verhornte Haut verhindert die Hautatmung ! Vergrößerung der Lungenoberfläche
durch Faltung und Kammernbildung
Vögel:
35
Besitzen die leistungsfähigsten Lungen aller Wirbeltiere ! 5 Paar hautige Luftsäcke, die
mit den Spitzen bis in die hohlen Knochen reichen.
Vorteile:
•
•
•
Verringerung des spez. Gewichtes
Kühlsystem
Luftspeicher ! einmal eingeatmete Luft kann doppelt ausgenützt werden ! Weg
der Atemluft . . .
Säugetiere:
• Kompliziert gekammerte und gefaltete Lungenoberfläche mit Alveolen als Austauschort. aus: Linder, BIOLOGIE, 1. Teil
•
•
Weg der Atemluft
Atemmechaniken
o
o
36
Brustatmung (aus: Zoologische Experimente von Bauer, Hofer, Knapp, Moser)
Der Brustraum muss luftdicht von der Außenwelt abgeschlossen sein. Eine Öffnung des
Brustraumes (auch von der Lunge aus!) ! Pneumothorax ! führt immer zum Stillstand
der Atmung. Dies kann jedoch auch therapeutisch genutzt werden, beispielsweise um
einen erkrankten Lungenflügel vorübergehend still zu legen!
IV) Die Ausscheidung
Ausscheidungsorgane haben die Aufgabe, nutzlose oder giftige Stoffwechselendprodukte aus dem Blut zu filtrieren. Sie sind daher stark durchblutet!
Die wichtigsten Stoffwechselendprodukte:
•
•
•
CO2 wird über die Atemwege ausgeatmet
H2O wird ausgeatmet, transpiriert oder über die Ausscheidungsorgane abgegeben.
N2-haltige Endprodukte des Aminosäurestoffwechsels, z.B. NH3 (giftig!)
Bei landlebenden Tieren wird Ammoniak in ungiftigen Harnstoff oder Harnsäure umgebaut ! Leber!
Harnstoff: wasserlöslich, wird bei Tieren gebildet, die über reichlich Wasser verfügen und
so im Harn ausgeschieden.
Harnsäure: schwer wasserlöslich, bei Tieren, die über wenig Wasser verfügen und wo
Ausscheidung nicht mit Wasserverlust verbunden ist (viele Insekten, Reptilien, Vögel)
Mensch: täglich werden ca. 20 g Harnstoff und 0,5 g Harnsäure abgegeben. Bei Störungen des N-Haushaltes kann die Harnsäurekonzentration so steigen, dass im Körper
(Gelenke) Harnsäurekristalle ausgefällt werden ! Gicht!
Einzeller:
Ausscheidung über Diffusion oder kontraktile Vakuolen!
Vielzeller:
Ausscheidung über Kanalsysteme, in denen die Ausscheidungsprodukte in gelöster
Form transportiert werden. Man kennt mehrere voneinender ableitbare Entwicklungsstufen, die jedoch alle dieselbe prinzipielle Funktionsweise zeigen:
! Aus dem Blut oder der Hämolymphe wird ein Ultrafiltrat hergestellt. Dabei bleiben alle
festen Blutbestandteile und Makromoleküle (Eiweiße!) im Blut. Das Filtrat (! Primärharn!)
besteht also aus Wasser und darin gelösten kleinmolekularen Stoffen (kein Eiweiß!)
37
! Aus dem Primärharn werden anschließend ein Großteil des Wassers und alle anderen
noch brauchbaren Stoffe an das Blut zurückgegeben
1. Protonephridien
Bei niederen Würmern, sie sind die einfachsten Ausscheidungsorgane!
! Mehrere blind geschlossene Kanäle, die nach außen münden. Am Ende
steht eine Terminalzelle, die durch Plasmafortsätze eine bewegliche Wimpernflamme ausbildet. Das Filtrat ensteht in der Reusenregion. Die Rückresorption erfolgt im anschließenden Kanal.
aus: LINDER, Biologie, 1. Teil
2. Metanephridien
Bei Ringelwürmern, Arthropoden, Weichtieren
Feine Kanäle, die mit einem bewimperten Trichter aus der Leibeshöhle direkt
nach außen führen. Über den Trichter wird die Leibeshöhlenflüssigkeit (= Primärharn) angesaugt. Im anschließenden Kanal erfolgt die Rückresorption .
aus: LINDER, Biologie, 1. Teil
38
3. Nephronen
finden sich bei den meisten Wirbeltieren!
Beispiel Mensch:
Über eine Million Nephronen bauen eine menschliche Niere auf. Beide Nieren
liegen beiderseits der Wirbelsäule zwischen elftem und Brust- und dritten Lendenwirbel.
Aufbau der menschlichen Niere:
Aufbau eines Nephrons:
aus: LINDER, Biologie, 1. Teil
! genauere Beschriftung!
! Druckkfiltration im Glomerulus
! Primärharn in die Bowman´sche
Kapsel
! Primärharn in das Nierenkanälchen
und somit in die Henle´sche Schleife.
! Henle´sche Schleife mit absteigendem und aufsteigendem
Schenkel dient der Rückresorption.
39
Die Rückresorption in der Henle´schen Schleife
•
Aktiver Na-Ionen Transport (Na – Pumpe) aus dem aufsteigenden Ast der H.S. ! ClIonen folgen durch elektrostatische Anziehung nach.
•
Ansteigen der Konzentration an NaCl-Ionen im Interstitium
•
aus dem absteigenden Ast der H.S. folgt Wasser durch Osmose in´s Interstitium.
•
Die Gefäße aus dem Glomerulus (hoher osmotischer Druck!!!) führen durch das Interstitium und nehmen wiederum Wasser durch Osmose auf, Na- und Cl-Ionen folgen durch Diffusion nach.
! Die Aktivität der Na – Pumpe im aufsteigenden Ast wird durch ein Hormon der Hypophyse (Hirnanhangdrüse), das Adiuretin, reguliert!
aus: LINDER, Biologie, 1. Teil
Bei Nierenschäden müssen die Giftstoffe aus dem Blut künstlich entfernt werden ! Dialysegeräte:
! Blut wird durch eionen semipermeablen Schlauch geleitet der von einer Flüssigkeit
umspült wird, die eine dem gereinigten Blut entsprechende Ionenkonzentration besitzt
! Diffusion der Schadstoffe in diese Flüssigkeit!
Harn mündet über die Sammelkanälchen in die Nierenpyramiden ! Nierenbecken !
Harnleiter ! Harnblase !
40
V) Nervensystem und Sinnesorgane
V.1) Prinzipieller Aufbau des Nervensystems
Sinneszellen und/oder Sinnesorgane können durch physikalische oder chemische Einwirkungen (=Reize) erregt werden (Erregung = elektrische Spannung).
Die Weiterleitung dieser Erregungen erfolgt durch die Nervenzellen (die Bausteine des
Nervensystems).
Man unterscheidet drei Arten von Nervenzellen:
•
•
•
sensorische Neurone bauen aufgenommene Reize zu Erregungen um
motorische Neurone empfangen Erregungen und geben sie in Form chemischer
Reize auf Muskelzellen weiter
Interneurone Empfangen Reize, stellen Erregungen her, und geben diese an andere
Nervenzellen weiter.
Aufbau von Nervenzellen:
aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
•
Dendriten
In ihnen entstehen entweder Erregungen
durch Reize, oder es werden Erregungen von
den Synapsen anderer Nervenzellen weitergeleitet
•
Axon
Kann über einen Meter Länge erreichen. Erregung
wird auf elektrochemischem Weg zu den Synapsen
geleitet.
Schwann´sche Scheide dient der elektrischen
Isolierung und ist aus einzelnen Schwann´schen
Zellen aufgebaut. Zwischen den Sch. Zellen die
Ranvier´schen Schnürringe.
41
•
Synapsen
Geben die Erregung in Form von chemischen Reizen
an Muskelzellen oder an die Dendriten anderer Nervenzellen
weiter.
•
•
•
•
Zellkern
Axonhügel
Schwann´sche Zellen ! Schwann´sche Scheide
Ranvier´sche Schnürringe
V.2) Funktionsweise des Nervensystems
Die Verhältnisse in ruhenden Nervenzellen
Skizze:
! Elektrische Ableitung von Nervenzellen
! Ruhepotential (-differenz) = 50 - 90 mV (innen negativ)
Erklärung:
! Axonhülle ist für K+ und Cl- Ionen durchlässig
! Na- K- Pumpe fördert Na+ -Ionen nach außen, K+ -Ionen nach innen
! außen zusätzlich Cl- Ionen / innen Organ.- Ionen
! Cl- Ionen diffundieren nach innen, K+ Ionen nach außen, bis die aufgebauten Ladungen so groß sind, dass sie eine weitere Diffusion verhindern (Abstoßung!) ! Bei 50 – 90 mV herrscht Gleichgewicht!
Die Erregung von Nervenzellen
! Experiment zur Depolarisation bzw. Hyperpolarisation von Nervenzellen:
aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
42
Erklärung:
In der Membran befinden sich reizgesteuerte Na+ - und K+ - Poren:
#
Im Ruhepotential ! Poren geschlossen
#
Bei ausreichender Depolarisierung (Reizeinwirkung)
! Na + – Poren offen ! viel Na+ strömt ein ! Aktionspotential
! nach kurzer Zeit K + - Poren offen ! viel K + strömt aus ! AP aus!
#
In der folgenden Refraktärzeit werden die Ausgangsbedingungen wieder hergestellt, die Nervenzelle ist in dieser Zeit nicht depolarisierbar (ca. 1 – 2 ms)
Die Erregungsleitung
! Beschreibung
! saltatorische Erregungsleitung
Die Vorgänge an den Synapsen
•
AP ! Öffnung von Ca + - Poren in den Synapsen
•
Ca + - Ionen strömen ein
•
synaptische Bläschen verschmelzen mit der präsynaptischen Membran ! Inhalt
ausgeschüttet ! Transmittersubstanz (z.B. Azetylcholin) im synaptischen Spalt
•
Transmitter bindet sich an die Azetylcholirezeptoren der postsynaptischen Membran, dies bewirkt ein Öffnen der dort befindlichen Na + - Poren ! AP
! Ping Pong – Prinzip des Azetylcholins ! mehrere Erregungen werden ausgelöst,
bis das Ach. auf ein Molekül der Cholinesterase trifft ! Zerlegung ! Spaltprodukte
gelangen wieder durch die praesynaptische Membran ! Neuaufbau von Ach.
Synapsengifte:
•
Atropin
Gift der Tollkirsche (Atropa belladonna) ! Blockiert die Ach.-rezeptoren in den Synapsen von Herz, Darmtrakt und Irismuskeln ! Tod durch Herzlähmung (in geringen
Dosen als Rauschmittel verwendet)
Wichtiges Hilfsmittel bei Augenuntersuchungen
43
•
Botulinumtoxin
Abbauprodukt von Eiweiß unter Chlostridium botulinum ! Hemmt die Ach.Ausschüttung in der Atemmuskulatur ! Atemlähmung (eines der stärksten biologischen Gifte (Kampfstoffe)) ! Vorkommen auch in verdorbenen Lebensmitteln
(Konserven).
•
Curare
Ein aus Pflanzen gewonnenes Gift, Verwendung als Pfeilgift der südamerikanischen
Indios ! blockiert die Ach.-rezeptoren i. d. postsynaptischen Membran ! Atemlähmung
Medizinische Verwendung bei Operationen, bei welchen eine komplette Muskelentspannung notwendig ist ! vorübergehend künstliche Beatmung!
•
Muscarin
Fliegenpilzgift ! wirkt wie Ach. wird jedoch von Cholinesterase nicht abgebaut
! Tetanus
•
Gift der Schwarzen Witwe
Bewirkt schlagartige Entleerung aller synaptischen Bläschen im Bereich der Atemmuskulatur ! Tetanus
V.3) Sinneszellen
Sind spezielle Nervenzellen, in denen nur durch ganz betsimmte Reizqualitäten ein AP
aufgebaut wird. ! Adäquater Reiz
Wenn ein adäquater Reiz eine bestimmtre Intensität übersteigt (! Schwellenwert), erfolgt ein AP ! „Alles oder Nichts Gesetz“.
Wenn die Reizintensität weiter zunimmt, erhöht sich nicht die Höhe des AP, sondern die
Frequenz der ausgelösten Aktionspotentiale (Impulsfrequenz).
! Der Eindruck „starker Reiz“ oder „Schwacher Reiz“ wird also nicht durch unterschiedlich hohe Aktionspotentiale, sondern durch unterschiedlich hohe
AP-Frequenzen ausgelöst.
Bezüglich des AP-Verlaufes unterscheidet man drei Typen von Sinneszellen:
! Bei konstanter Reizstärke!
1. phasische Sinnezellen ( Geruchssinn )
2. tonische Sinneszellen (die meisten Sinneszellen )
3. phasisch-tonische Sinneszellen (Gehörsinn ! Problem Kopfhörerlautstärke )
44
V.4) Der Lichtsinn
•
Der Grundbaustein
Lichtempfindliche Sehzellen
Licht wird meist von einem Sehfarbstoff absorbiert, durch eine fotochemische Reaktion entstehen Spaltprodukte, die als adäquater Reiz dienen ! AP
Treten viele solcher Sehzellen zusammen, entstehen lichtempfindliche Gewebe, die
gemeinsam mit anderen speziellen Geweben die Sehorgane bilden
•
Flachaugen (Quallen, Seesterne, Ringelwürmer)
Eingelagerte Pigmentzellen verhindern Reflexionen ! lediglich hell- dunkelUnterscheidung ist möglich
Skizze:
•
Pigmentbecheraugen (Würmer, Schnecken)
eigentlich ein eingesenktes Flachauge
durch Schattenildung kann die Einfallsrichtung des Lichtes bereits erkannt werden
aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
•
Grubenaugen (primitive Tintenfische, Würmer, Schnecken)
funktionieren nach dem Prinzip der Lochkamera!
es entsteht bereits ein echtes Bild auf dem lichtempfindlichen Gewebe (Netzhaut)
! Nachteil: Durch die geringe Öffnung sehr lichtschwach.
45
•
Linsenaugen (viele Gliederfüßer, Tintenfische, Wirbeltiere)
Durch die Linse (Schleimpfropfen, Gallertkörper) entsteht ein scharfes Bild auf der
Netzhaut, zusätzlich wird das Licht gebündelt, das Bild ist daher auch lichtstark.
aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
o
Facettenaugen
aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
46
•
Das menschliche Auge
o
physikalische Grundlagen
#
#
#
#
Strahlengang (g >> f / f = ca. 5 cm!) ! Bildbeschreibung!
Akkommodation im Strahlengang
Skizze eines Längsschnittes mit Beschriftung
Akkommdation im Auge
Fehlsichtigkeiten und Korrekturen
(Kurzsichtigkeit, Weitsichtigkeit, Astigmatismus, grauer Star, grüner
Star)
#
o
Versuch: Nachweis des blinden Flecks und Erklärung mit Modellfolien!
Die Netzhaut
#
Aufbau
Stäbchen für Dunkelheit (schwarz-weiß-Sehen), besonders dicht am
Rand der Netzhaut, fehlen im gelben Fleck
Zapfen für Helligkeit, drei verschiededne Typen mit unterschiedlichen Sehpigmenten (für rot, grün, blau), höchste Dichte im gelben
Fleck
#
Adaption
zwei Vorgänge bei Verdunkelung:
• Erweiterung der Pupillen
• Umschalten von Zapfen auf Stäbchen
#
Räumliches Sehen (Doppelbilder)
•
Grundlage ist die Entstehung zweier Bilder desselben Gegenstandes aus unterschiedlichen Standorten (also Blickwinkeln).
Im Gehirn werden die Bilder zu einem dreidimensionalen Bild
verschaltet. Auch dadurch ist es uns möglich, die Entfernung
von Gegenständen abzuschätzen
! die zwei Bilder werden mit zunehmender Entfernung immer ähnlicher !
! eine zweite Ursache für die Enfernungserkennung ist die
perspektifische Verkleinerung (setzt Erfahrung mit demselben Gegenstand voraus!)
Die beiden Bilder eines Gegenstandes werden nur dann im
Gehirn zu einem Bild verschaltet, wenn sie auf einander entsprechenden Bereichen der Netzhaut entstehen. Ist ies ncht
47
möglich, so entstehen Doppelbilder
! Schielen (Finger fixieren und dann ganz zur Nase führen!), Verformung des Augapfels,
#
Die laterale Inhibition
(gegenseitige Hemmung der Ommatidien im Facettenauge)
Im Auge liegende Ommatidien üben auf benachbarte Ommatidien eine Hemmwirkung aus ! je stärker der eingegangene Reiz
ist, desto stärker fällt die Hemmung aus:
Siehe Abbildung im Lehrbuch: LINDER, Biologie, 2. Teil
Lichtintensität
(relativ)
Hemmfaktor = 25%
Erregungsintensität
(relativ)
Reiz-Erregungsdiagramm:
48
Mit hoher Wahrscheinlichkeit spielt die laterale Inhibition auch in der menschlichen Netzhaut eine bedeutende Rolle. Damit lasst sich folgende optische Täuschung erklären:
! Folie: Die laterale Inhibition!
V.5) Mechanische Sinne
a) Tast- und Schmerzsinn
Skizze: Aufbau der Haut mit Haarwurzel und Sinneszellen (Wiederholung!)
o
o
o
Oberhaut (Hornhaut, Keimschicht)
Lederhaut mit kollagenen Fasern
Unterhautbindegewebe mit Fettzellen
49
Man unterscheidet zahlreiche unterschiedliche Sinneszellen mit unterschiedlichem Erregungsverlauf. Z.B.:
•
•
(Merkel´sche Tastzellen)
(Meissner´sche Körperchen)
•
Nervenfasern der Tasthaare
reagieren phasisch und messen die Geschwindigkeit der Haarbewegung, also rasche Bewegung ! hohe AP-Frequenz
•
Vater-Pacini´sche Körperchen
extrem phasisch und machen so Vibrationen spürbar
•
Freie Nervenenden i. d. Oberhaut
phasisch – tonische Registrierung von Druckreizen
b) Raumlagesinn
Der prinzipielle Grundbauplan ist meist derselbe, als konstante Messgröße wird die Gravitationskraft herangezogen:
! Ein fester Körper (Statolith) liegt auf einem Polster aus Haarsinneszellen,
der Druck des Statolithen ist ein adäquater Reiz. Eine Schräglage des Körpers führt zu einer Verlagerung des Statolithen und so zu einer Erregung
anderer Sinneszellen
Ausnahme: Insekten bestimmen die Raumlage mit Gelenksstellungssinnesorganen !
Je nach Raumlage werden die Gelenke anders belastet. . .
Der menschliche Raumlagesinn:
Er ist ein Teil des menschlichen Innenohres, in welchem sich drei Sinne befinden, der
Raumlage-, der Dreh- und der Hörsinn. Alle drei bilden im Felsenbein des Gehirnschädels das knöcherne Labyrinth.
Der Raumlagesinn liegt in zwei bläschenförmigen Erweiterungen des Innenohres !
Sacchulus, Utriculus
50
aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
Einem Polster von Haarsinneszellen liegt eine Gallertmasse mit Kalkkörperchen auf. In
den Haarsinneszellen erfolgt eine ununterbrochene Transmitterausschüttung ! konstante AP-Frequenz.
Je nach Körperlage versucht sich die Gallertmasse in eine andere Position zu begeben
und verbiegt die Sinneshaare. Je nach Biegerichtung wird die AP-Frequenz erhöht oder
erniedrigt.
c) Drehsinn
#
drei Bogengänge in drei aufeinander snkrecht stehenden Ebenen
51
#
je ein Hohlraum (=Ampulle) mit Sinneshaaren und Gallertpolster (=Cupula), welche in die Flüssigkeit hineinragen
#
! Funktionsprinzip + Versuch (Drehschwindel!)
d) Gehörsinn
#
Aufbau:
o
Außenohr
Ohrmuschel, Äußerer Gehörgang, Trommelfell mit Eigenfrequenz außerhalb des Hörbereichs
o
Mittelohr
Hammer, Amboss, Steigbügel bewirken eine Untersetzung (starke
Schwingungen mit geringer Kraft ! schwache Schwingungen mit großer
Kraft)
Paukenhöhle mit Rachenraum über Eustachi´sche Röhre verbunden !
Druckausgleichsmöglichkeit.
o
Innenohr
aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
52
#
Funktion: ! . . .
#
Empfindlichkeit:
Mensch: max. 20 Hz - 20 kHz
Hund:
5 Hz - 50 kHz
Fledermaus:
#
-125 kHz
Räumliche Orientierung
Zeitliche Verschiebungen zwischen den beiden Höreindrücken (links-rechts) lassen Rückschlüsse auf die Lage der Schallquelle zu.
Bei Fledermäusen ist das Gehör der dominierende Orientierungssinn. ! Echolotprinzip: Ausstoßen eines Tones (30 – 80 kHz). Das reflektierte Signal wird aufgefangen und verarbeitet :
o Zeitunterschied zwischen Aussenden und Empfangen ! Info. über Entfernung.
o Doppler-Effekt ! . . . Info. über Bewegung bzw. Bewegungsrichtung.
V.6) Chemische Sinne
Bei Insekten, einigen Weichtieren und allen Wirbeltieren existieren zwei verschiedene
chemische Sinne, der Geschmacks- und der Geruchssinn.
Geschmackssinn:
Liegt auf der Zunge, in einigen Fällen auch an anderen Stellen der Mundhöhle.
Sinneszellen in den Geschmacksknospen der Zunge, die sich seitlich an den
Geschmackspapillen befinden. Spüldrüsen sorgen für eine Entfernung der chemischen
Reize und ermöglichen so eine Registrierung von Geschmacksveränderungen.
aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
53
Geruchssinn:
Wesentlich differenzierter als der Geschmackssinn. Beim Menschen gibt es etwa 10 000
unterscheidbare Geruchsnoten. Die Wahrnehmungsschwelle liegt zwischen 104 und 1014
Molekülen pro mm3 Luft.
(Hund: 1 Molekül/mm3, Aale: 1 Milliliter Rosenöl auf 16 fache Wassermenge des Bodensees)
Die Sinneszellen liegen bei Wirbeltieren im Riechfeld der Nasenschleimhaut. Diese erhält
durch Faltenbildung eine große Oberfläche:
! aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
54
V.7) Entwicklungsstadien des Nervensystems
Allgemeine Aufgabe:
#
Verarbeitung und Koordinierung der von den Sinneszellen kommenden AP
#
Steuerung der Muskelbewegung
#
Steuerung der inneren Organfunktionen
V.7.1) NS bei Wirbellosen
#
Nervennetze als einfachste Form bei Hohltieren
#
bei allen systematisch darüber stehenden Tieren unterscheidet man ein zentrales
NS (ZNS) von einem peripheren NS.
Das ZNS entsteht durch lokale Anhäufung von Nervenzellen in so genannten
Ganglien. Die Zahl der Gangien nimmt zunehmender Organisationshöhe ab, die
Größe der Ganglien nimmt zu.
Das Strickleiternervensystem der Ringelwürmer und Insekten:
! Beschreibung:
o
o
o
o
Konnektive als Längsverbindungen
Kommissuren als Querverbindungen
Bauchmark
Oberschlundganglion
Bei Insekten bereits sehr groß entwickelt, was mit der hohen Leistungsfähigkeit
der Sinnesorgane und den komplizierten Verhaltensmustern zusammenhängt
V.7.2) NS der Wirbeltiere
Prinzipielle Unterteilung:
•
ZNS ! Gedhirn und Rückenmark
55
•
peripheres Nervensystem ! somatisches NS (Sinnesorgane/Muskulatur)
! vegetatives NS (innere Organe)
Das Gehirn:
Entsteht aus dem vordersten Abschnitt des embryonalen Neuralrohres
! die Embryonalentwicklung ! Neurulation . . .
1) Furchungsstadium ! Morulabildung ! Blastulabildung mit Blastocoel
(= primäre Leibeshöhle)
2) Keimblattbildung + Gastrulation! es differenzieren sich drei unterschiedlich
gefärbte Regionen:
1) animale Zone
2) vegetative Zone
3) Randzone
Durch unterschiedliche Teilungsaktivitäten werden die Zellen der vegetativen Zone nach innen gedrückt ! Gastrula
56
3) Aufbau der einfachsten Organanlagen
Durch intensive Teilung schiebt sich das Mesoderm zwischen Ektoderm und
Entoderm
4) Neurulation und Organbildung
Der bisher kugelförmige Keim streckt sich in die Länge. Auf der Rückenseite beginnt das Ektoderm mit einer Einfaltung. Dies ist die Anlage für das ZNS, das
Neuralrohr:
57
Anschließend differenziert sich ein in Längsrichtung verlaufendes Stützrohr aus dem
Mesoderm. Dieses gilt als Vorstufe der Wirbelsäule und bleibt beim unmittelbaren
Vorläufer der Wirbeltiere, dem Lanzettfischchen als Chorda dorsalis zeitlebens erhalten.
Durch Differenzierung des Mesoderms entsteht anschließend die sekundäre Leibeshöhle, das Cölom. In dieser kommt der Gr0ßteil der inneren Organe zu liegen.
Das Wirbeltiergehirn enthält im Grundbauplan 5 Abschnitte:
Vorder-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Nachhirn
Evolution des Gehirnes:
Neuralrohr:
Fisch:
58
Durch unterschiedliche Entwicklung und Z-förmige Faltung entwickelte sich schließlich
das menschliche Gehirn mit besonders großem Vorder- und Hinterhirn (= Kleinhirn).
Mensch:
Das Vorderhirn ( = Großhirn )
Es grenzt an die Knochenplatten des Gehirnschädels, ist jedoch von mehreren Gehirnhäuten ( = Meningen ) eingehüllt. Von außen nach innen folgen auf Kopfschwarte und
Schädelknochen:
•
•
•
•
Harte Hirnhaut (festes, elastisches Bindegewebe)
Spinnwebenhaut (enthält reichlich Blutgefäße zur Versorgung der Hirnrinde)
Hirnflüssigkeit (Liquor) ! Stoßdämpferfunktion
weiche Hirnhaut
aus: LINDER, Biologie, 2. Teil
59
•
•
•
Graue Substanz (Rinde) besteht hauptsächlich aus Zellkörpern, im innen liegenden
weißen Mark befinden sich hauptsächlich Axone.
Die Großhirnoberfläche nimmt durch Furchenbildung mit steigender Organisationshöhe zu.
Man unterscheidet zwei Großhirnhemisphären, die Verbindungsstelle dazwischen ist
der Balken.
o
o
o
Sensorische und motorische Leistungen der Körperhälften werden überkreuzt von den Hemisphären verarbeitet (also: li. Körperhälfte von re. Hemisphäre und umgekehrt)
Sprachliche Leistungen und Bewusstsein werden hauptsächlich von der
linken Hemisphäre verarbeitet
Für Formen, Farben und musikalische Ereignisse dominiert die rechte Hemisphäre.
Experiment (Linder 2, Seite 119)
! Folie !
•
Je nach Zuständigkeit unterscheidet man mehrere Großhirnregionen:
o
o
o
o
o
Motorische Region
Sensorische Region
Assoziationsregion (verknüpft Informationen aus verschiedenen Gehirnteilen)
Limbisches System
Es liegt an der Großhirnbasis und ist der Entstehungsort emotionaler Gefühle
(Liebe, Hass, Euphorie, Manie-Depression, . . . )
Das limbische System ist durch Chemikalien beeinflussbar (Beruhigungsmittel,
Rauschmittel, etc.)
Gedächtniszentrum (extrem schwer lokalisierbar)
Kurzzeitgedächtnis:
Es speichert Inhalte über Minuten, jedoch mit abnehmender Intensität. Durch
Schocks oder Durchblutungsstörungen relativ leicht löschbar.
Langzeitgedächtnis:
Um Gedächtnisinhalte vom Kurz- ins Langzeitgedächtnis zu transportieren
benötigt man:
#
#
#
60
Wiederholungen
Präsentation auf mehreren Ebenen (auditiv, visuell, aktiv)
! Versuchsreihe?
Lerninhalte, die eine besondere Bedeutung haben, werden sehr
schnell ins Langzeitgedächtnis übernommen
Das Zwischenhirn:
Besteht aus zwei Teilbereichen:
Thalamus:
•
Umschaltstelle zwischen Sinnesorganen und Großhirn (Ausnahme: Geruchssinn)
Hypothalamus
•
•
Steuerzentrum für das vegetative NS
zuständig für wichtige Regelmechanismen:
Temperaturregulation, Wasserhaushalt, Sexualtrieb etc.
Die Regulation der Körpertemperatur:
Zuständig zwei Regulatoren:
o
Der Kerntemperaturregler im Hypothalamus reagiert auf Ansteigen der
Kerntemparatur ! Erweiterung der peripheren Blutgefäße, Transpiration
o
Die Schalentemparaturregler in der Haut reagieren auf ein Absinken der
Schalentemperatur noch bevor die Kerntemperatur absinkt ! Erhöhung
der Muskelspannung, Steigerung des Grundumsatzes, Verengung der peripheren Blutgefäße.
Das Mittelhirn
Darin bilden Neurone, die vom Rückenmark kommen eine Nervengeflecht (Formatio reticularis). Von dort aus ist ein dauernder Strom von Erregungen zum Großhirn messbar.
Die Stärke dieses Stromes steuert die Höhe der Bewusstseinslage (Schlaf-, Wachzustand). Auch hier können Chemikalien zur Beeinflussung der Bewusstseinslage ansetzen
(Schlafmittel).
Schlafstadien:
Lassen sich durch Aufzeichnungen der EEG, Atem- und Herzschlagfrequenz unterscheiden:
Jeder ca 8-stündige Schlaf wird nach einer ca. 30 minütigen Einschlafphase von 5 – 6
Tiefschlafphasen (REM-Phasen) begleitet, deren Länge zunimmt (zwischen 10 und 50
Minuten).
61
Diagramm:
Das Hinterhirn ( = Kleinhirn )
•
•
Intensive Verbindungen zur motorischen Region
Erhält Information über:
o Gelenksstellungen
o Bogengänge
o Raumlagesinn
o Augen
•
Ermöglicht die aufrechte Körperhaltung (labiles Gleichgewicht) und die Koordination von Bewegungen
! Alle Wirbeltierklassen, die sich durch besonders labile Körperhaltungen auszeichnen,
besitzen ein besonders groß entwickeltes Kleinhirn (Vögel, Säugetiere)
Das Nachhirn ( = verlängertes Mark)
Es ist Sitz der Reflexzentren:
•
•
•
•
•
•
Atemreflex
Lidschlussreflex
Husten, Niesen
Tränenfluss
Speichelfluss
Blutdruckregulation
Das Rückenmark:
Es durchzieht den Wirbelkanal der Hals-, Brust- und Lendenwirbelsäule
Graue Substanz innen, weiße Substanz außen
Aus- bzw. eintretende Nerven verlassen den Wirbelkanal zw. den Wirbelkörpern
62
Das vegetative Nervensystem:
Es besteht aus zwei antagonistisch wirkenden Systemen, dem Sympaticus und dem Parasympaticus
Das sympatische veget. NS
Die Ganglien liegen beidseits der Wirbelsäule
Die Axone der sympatischen Ganglien führen:
•
•
•
zur glatten Muskulatur der inneren Organe (Blutgefäße, Magen-, Darmtrakt, Ausscheidungsorgane)
zum Herzmuskel
zu inneren Drüsen
In diesen Organen wereden Synapsen ausgebildet, die einen besonderen Transmitterstoff ausschütten ! NORADRENALIN
Dieses bewirkt, dass der Organismus in Leistungsbereitschaft versetzt wird:
! Magen-Darm-Trakt / Ausscheidung / Verdauungsdrüsen werden gehemmt
! Atmung und Herztätigkeit werden gefördert
! Die Nebennieren (Erklärung!) produzieren Adrenalin und Noradrenalin. Diese
beiden besitzen dieselbe Wirkung, und reagieren jedoch mit unterschiedlichen Rezeptortypen der postsynaptischen Membran bestimmter Organe. Z.B.
Leber: wird über Alpha - Rezeptoren gehemmt
Herz: über Beta – Rezeptoren stimuliert
Bronchialmuskulatur: über Beta-Rezeptoren gehemmt
Alpha- bzw. Betablocker sind Pharmaka, welche die entsprechenden Rezeptoren
blockieren und so den Enfluss des vegetativen Nervensystems bremsen können. So
kann bei Menschen mit Herz - Kreislauferkrankungen mit Betablockern eine Entlastung des Kreislaufsystems erreicht werden (Absenken der Pulsfrequenz und des Blutdruckes).
aber: Im Normalfall bringt Adrenalin über Beta – Rezeptoren die Bronchialmuskulatur zum Erschlaffen. Nimmt ein Asthmatiker Beta – Blocker zur Behandlung seiner
Herzprobleme, kann es durch die einsetzende Kontraktion der Bronchialmuskulatur
zu einer gefährlichen Verengung der Atemwege kommen.
63
Das parasympatische veget. NS
Er gilt als Antagonist zum Sympaticus. Die zugehörigen Ganglien liegen in der Nähe der
versorgten Organe.
Der Parasympaticus ist der Antagonist zum Sympaticus, er fördert die Eingeweidetätigkeit, hemmt das Kreislaufsystem und versetzt so den Körper in Erholungsbereitschaft!
Das vegetat. NS ist leicht durch seelische, körperliche und umweltbedingte Einflüsse
beeinflussbar!
! Die Summe aller körperlichen Reaktionen auf solche Einflüsse nennt man Stress, die
auslösenden Dauerreize sind Stressoren, wie z.B. Schmerz, Kälte, Sauerstoffmangel,
Angst, Infektionen, etc.
! Die Beseitigung seelischer Störungen hat häufig auch ein Abklingen körperlicher Erkrankungen zur Folge ! PSYCHOTHERAPIE!
VI) Die Muskulatur
VI.1) Muskeltypen
Unterscheide zwischen:
•
Muskelzellen: spindelförmig, im Cytoplasma hauptsächlich Fibrillen (kontraktile Eiweißfäden)
•
Muskelfasern: sind Syncythien aus zahlreichen Muskelzellen, enthalten ebenfalls
Fibrillen
! Die gemeinsame Funktionseinheit sind also die Fibrillen. Davon gibt es zwei unterschiedliche Konstruktionen:
64
•
•
Quergestreifte Fibrillen:
o
in Fasern der sog. quergestreiften Skelettmuskulatur (rasche Kontraktion,
willkürliche Steuerung, rasche Ermüdung)
o
in Muskelzellen der quergestreiften Herzmuskulatur (rasche Kontraktion,
keine Ermüdung, unwillkürliche Steuerung)
Glatte Fibrillen:
o
in sog. glatten Muskelzellen der Eingeweidemuskulatur (langsame Kontraktion, keine Ermüdung, unwillkürliche Steuerung)
VI.2) Die Muskelfunktion
Funktionseinheit = 1 Sarkomer
AP zur Skelettmuskulatur werden über so genannte Alpha – Motoneurone zum Muskel
geleitet. Tritt ein solches AP über die T-Membranen in die Faser ein ! Ca + Ionen aus
ER freigesetzt ! Aktin und Myosin gleiten ineinander ! Verkürzung der Fibrille
VI.3) Molekulare Grundlagen der Kontraktion
Aktinfilament:
Siehe: LINDER, Biologie, 2. Teil
Es besteht aus zwei gewundenen Ketten aus kugeligen Aktinmolekülen. In regelmäßigen Abständen sind Troponinmoleküle eingelagert, die wiederum direkt neben einer
Kette aus Tropomyosinmolekülen liegen. Diese Tropomyosinkette verdeckt mögliche
Bindungsstellen an die Myosinfilamente.
Die Ca -Ionen aus dem ER werden an die Troponinteilchen gebunden worauf diese ihre
Form verändern ! Die Tropomyosinkette wird aus ihrer Position gedrückt ! Die Bindungsstellen für die Myosinfilamente werden freigelegt ! Bindung
Myosinfilament:
Siehe: LINDER, Biologie, 2. Teil
65
Ein ganzes Bündel einzelner Myosinteilchen ! Teilchen sind am Schaft gebündelt, die
Hals- und Kopfteilchen ragen aus dem Filament heraus.
Nach erfolgter Bindung Aktin - Myosin klappt ein Myosinköpfchen um und zieht so den
Aktinstrang an sich vorbei ( ! isotonische Kontraktion). Nach 10 – 100 ms löst sich die
Bindung wieder unter ATP-Aufwendung, das Myosinköpfchen streckt sich wieder . . .
u.s.w. . . .
Wenn nach dem Umknicken des Myosinköpfchens sich das Halsstück des Myosinteilchens dehnt bleibt die Muskellänge konstant ! isometrische Kontraktion ! Beispiel!
! ATP wird also benötigt um die Aktin – Myosinbindung zu lösen und die
Myosinköpfchen wieder zu „spannen“. Wird kein ATP mehr zur Verfügung
gestellt, tritt ein endgültiger Tetanus ein ! Totenstarre!
Die Energieversorgung eines Muskels:
•
Durch Abbau von Kreatinphosphat, welches ab dem 4. Lebensjahr im Muskel gespeichert wird:
KreatinP + ADP !
Kreatin (Ein energiereiches Essigsäuresalz) + ATP
Kreatinphosphat wird in der Erholungsphase des Muskels resynthetisiert.
•
Aerobe Zellatmung ! Innere Atmung
Der dafür benötigte Sauerstoff stammt teils aus dem Blut direkt, oder aus dem Abbau von Myoglobin, welches direkt im Muskel gespeichert vorliegt und die Rotfärbung von Muskulatur verursacht.
Myoglobin erhält den Sauerstoff aus dem Oxihämoglobin.
•
Anaerobe Versorgung durch Milchsäuregärung
C6H12O6 ! ! !
2 CH2 – CHOH – COOH
+
Energie (ATP!)
Der Trainingseffekt:
•
•
•
•
66
Muskelvergrößerung durch Fibrillenzunahme
Verdichtung des muskulären Kapillarnetzes (Sauerstoffversorgung!)
Verbesserte Atemtechnik
Training des Herzmuskels ! Bessere Förderleistung des Herzens
VI.4) Die Muskelspindeln
Sie haben die Aufgabe, die Muskellänge zu kontrollieren. Sie bestehen aus eines spindelförmigen Bindgewebshülle, die sich zwischen den Muskelfasern befinden und in denen kurze Muskelfasern, die Spindelmuskeln befinden. Diese besitzen in der Mitte ein
nicht kontrahierbares Stück, mit Sensoren, welche auf Dehnung dieses Stückes ansprechen.
Siehe: LINDER, Biologie, 2. Teil
Die Funktion:
Bei einer Muskelstreckung (Einknicken, Schlag gegen die Kniesehne) erfolgt eine Streckung der Muskelspindel ! Erregung der Spindelmuskelsensoren ! AP zum Rückenmark ! direkt auf Alpha Motoneurone umgeleitet ! Kontraktion des Hauptmuskels
bis zum Spannungsausgleich.
Bei einem AP aus der motorischen Region des Großhirns ! Erregung der Spindelmuskeln über Gamma-Motoneurone ! Dehnung des sensiblen Mittelstückes ! Rückenmark ! Alpha – Motoneurone ! Kontraktion.
VI.5) Bewegungstypen
1) Muskelparenchymbewegung
Verschieden gerichtete Muskeln bilden ein Muskelparenchym und finden keine oder
nur eine Ansatzstelle. ! Plattwürmer, Schneckenfuß, menschl. Zunge
2) Schlauchmuskelbewegung
Kontraktion eines offenen Hohlmuskels ! Insektenherz
3) Schlängelbewegung
Abwechselnde Kontraktion der Längsmuskeln einer Seite ! Spulwurm, einige Reptilien
(z.B. Eidechsen)
4) Peristaltische Bewegung
Kontraktionswellen durch abwechselnde Kontraktion von Ring- und Längsmuskulatur
! Ringelwürmer, Speiseröhre, Darm
5) Antagonistische Muskelbewegung
Jede Hin- und Herbewegung benötigt einen eigenen Muskel, der seine Bewegung ge67
gen ein Skelett richtet. Dieses kann außerhalb der Muskelschichten liegen ! Außenskelett, oder es liegt innerhalb ! Innenskelett.
Eine besondere Leistungsfähigkeit erreichen die Flugmuskeln der Insekten (Außenskelett):
Dabei unterscheidet man:
Direkte Flugmuskulatur:
Die dorsoventral velaufenden Muskeln setzen einerseits am Brustschild an, andererseits
direkt an den Enden der Chitinflügel:
Indirekte Flugmuskulatur:
Dabei werden Schlagfrequenzen bis zu 1000 Hz erreicht. Die Flugmuskeln setzen dorsal
am Rückenschild an der über Hebelwirkung die Flügel bewegt. Durch die Muskeln wird
auch der Chitinpanzer verformt und zur Resonanz angeregt.
Die Resonanzen führen zu periodischen Dehnungen der Muskeln, welche sich über
Muskelspindeln erneut verkürzen.
Bei antagonistischer Muskelbewegung mit einem Innenskelett liegt im einfachsten Fall
ein Achsenskelett vor (Fische) oder ein Achsenskelett mit daran ansetzendem Gliedmaßenskelett. Dieses erfordert wiederum Gelenke zur Beweglichkeit.
68