NWA- TAG Erregungsleitung. Verfasst von: Joachim Jäggle Ulrike Bau

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1 NWA- TAG 2011 Erregungsleitung Verfasst von: Joachim Jäggle Ulrike Bau

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Einleitung Sachanalyse Bezug zum Bildungsplan Einbettung des Themas in eine Unterrichtseinheit Versuchsdokumentation Material zum Versuch Literaturverzeichnis

3 1. Einführung 1.1Einleitung Damit Organismen auf Umwelteinflüsse reagieren können, müssen sie in der Lage sein diese in Form von Reizen aufzunehmen und als Erregung durch ihren Körper zum Zentralnervensystem weiterzuleiten. Sowohl die Reizaufnahme, als auch die Erregungsweiterleitung sind komplexe Vorgänge, denen sowohl physikalische als auch chemische Vorgänge zugrunde liegen. Die Reizaufnahme erfolgt für jede Reizart spezifisch durch speziell dafür ausgelegte Organe. Die Weiterleitung des Reizes in Form einer Erregung ist jedoch in allen Zellen des Nervensystems prinzipiell gleich. Der Vorgang der Weiterleitung einer Erregung durch eine Nervenzelle soll in dem hier dargestellten Versuch gezeigt werden. 1.2 Sachanalyse Um die ablaufenden Prozesse im Axon einer Nervenzelle verstehen zu können, muss der schematische Aufbau einer Nervenzelle geklärt werden. Dendriten Ranvier scher Schnürring Axonhügel Zellkörper Axon Myelinscheide Im vorgestellten Versuch geht es um die Weiterleitung der Erregung innerhalb des Axons. Das Axon ist nach außen durch eine Zellmembran begrenzt. Dabei handelt es sich um eine Doppellipidschicht. Diese ist an manchen Stellen von Proteinmolekülen durchzogen ( Fluid- Mosaic-Modell ). Diese Proteinmoleküle dienen zum Teil als Kanäle für bestimmte Ionensorten. Im Ausgangszustand herrscht im Zellinneren und im Extrazellulärraum eine ungleiche Ionenverteilung. Im Inneren befinden sich viele große anorganische Anionen sowie einige K + -Ionen. Diese können aufgrund ihrer geringen Größe nahezu ungehindert durch die Membran diffundieren bis sich ein Gleichgewichtspotenzial eingestellt hat. In der 2

4 extrazellulären Flüssigkeit findet man neben einer großen Anzahl an Cl Ionen vor allem Na + - Ionen. Diese ungleiche Ionenverteilung hat zur Folge, dass der Zellinnenraum im unerregten Zustand einen Überschuss an negativer Ladung aufweist. Es herrscht ein Ruhepotenzial, das in einer menschlichen Zelle ca.-70mv beträgt. Trifft nun eine Erregung am Axonhügel ein, führt dies zur Ausbildung von Aktionspotenzialen. Dies hat seine Ursache darin, dass sich die Durchlässigkeit der Membran für die Na + - Ionen ändert. Aufgrund des Konzentrationsgefälles wandern diese nun von außen durch die Zellmembran in das Zellinnere. Dies hat eine Depolarisation des Membranpotenzials zur Folge. Nach Erreichen eines bestimmten Schwellenpotenzials öffnen sich weitere spannungsabhängige Natriumkanäle, was den Natriumeinstrom weiter begünstigt, bis es zu einer Potenzialumkehr kommt. Das Aktionspotenzial hat nun einen Wert von +30mv. Nun schließen sich die Natriumkanäle und die Kaliumkanäle öffnen sich, was einen Ausstrom an K + -Ionen zur Folge hat. Aufgrund dessen fällt das Membranpotenzial wieder auf seinen ursprünglichen Wert des Ruhepotenzials zurück. Durch das Einströmen der Na + -Ionen in das Zellinnere entsteht dort ein kleiner Ionenstrom, der die Depolarisation der Membran an einer Nachbarstelle bewirkt. Auf diese Weise pflanzt sich das Aktionspotenzial in einer Richtung über die gesamte Axonmembran fort. Diese Wanderung der Erregung über eine längere Strecke wird im Versuch sichtbar. Dabei entspricht der Eisenstab dem Axon und die sich bildenden Gasbläschen symbolisieren das wandernde Axonspotenzial aufgrund der sich veränderten Ionenverteilung innerhalb und außerhalb der Zelle. Dabei lassen sich zwei Strategien der Erregungsweiterleitung unterscheiden. Zum Einen der reine Eisenstab, der einem nicht isolierten (marklosen) Axon entspricht, wie man es zum Beispiel bei wirbellosen Tieren findet. Zum Anderen der abschnittsweise isolierte Stab, der der saltatorischen Erregungsleitung (durch Myelienscheiden abschnittsweise isolierte Nervenfasern), wie man sie bei den höher entwickelten Wirbeltieren findet. Hierbei erfolgt die Ausbildung der Aktionspotenziale nur an den nicht isolierten Stellen (Ranvier sche Schnürringe). Dadurch wird eine Beschleunigung der Erregungsleitung erreicht, wie im vorliegenden Versuch gezeigt wird. 3

5 2. Bezug zum Bildungsplan Das Thema Reizleitung wird an einigen Stellen des Bildungsplans aufgegriffen. So steht bereits in den Leitgedanken zum Kompetenzerwerb, dass die Realschule den Auftrag hat, den Schülerinnen und Schülern [ ] ein ausdifferenziertes Verständnis von Begriffen, Prinzipien und Prozessen der Naturwissenschaften (MINISTERIUM FÜR KULTUS S.96) zu vermitteln. In dieser von uns erarbeiteten thematischen Einheit zur Erregungsleitung versuchen wir, ein besonderes Augenmerk auf das Prinzip und den Prozess jener zu richten. Die im Bildungsplan geforderten Kompetenzen konkretisieren diese Leitgedanken zusätzlich. So sollen die Schülerinnen und Schüler [ ] Modellversuche und Simulationen planen und durchdenken (MINISTERIUM FÜR KULTUS S.97) können. Das Erarbeiten dieser Kompetenz wird besonders durch die zentrale Stellung des hier vorgestellten Modellversuchs gefördert. Des Weiteren sollen die Schülerinnen und Schüler auf Modellebene denken, dadurch Phänomene beschreiben und sie so verstehen können. (vgl. MINISTERIUM FÜR KULTUS S.97) Unter der Überschrift Den eigenen Körper verstehen (MINISTERIUM FÜR KULTUS S.99) wird die Kompetenz beansprucht, dass die Schülerinnen und Schüler den menschlichen Körper als komplexes System und somit auch den Bau und wichtige Funktionen begreifen. Darin inbegriffen ist die Kompetenz, Sinnesorgane im Zusammenwirken mit dem Gehirn mithilfe von Experimenten (MINISTERIUM FÜR KULTUS S.99) nachzuvollziehen. Auch wenn in dieser Forderung die Reizleitung keine gesonderte Erwähnung erfährt, ist sie dennoch unumgänglich in diesem Thema verwurzelt und dadurch legitimiert. Der Bildungsplan Realschule von 2004 gliedert darüber hinaus das Arbeiten im Fächerverbund und fordert einen Kompetenzerwerb im projektorientierten Unterricht der Klasse 10. Die in den Klassen 5-9 erworbenen Kompetenzen sollen dort anhand von Teilthemen aus einem offenen Katalog nachgewiesen werden. Eines dieser Teilthemen bilden die Sinnesorgane und das Nervensystem, dem die von uns erarbeitete Einheit Reizleitung eindeutig zuzuordnen ist. (vgl. MINISTERIUM FÜR KULTUS S.102) 4

6 3. Einbettung des Themas in eine Unterrichtseinheit Die hier dargestellte Einheit kann im Rahmen des Themas das Nervensystem des Menschen eingesetzt werden. Im Vorfeld sollten die Schüler erfahren, aus welchen Bestandteilen das Nervensystem des Menschen besteht und wie dieses arbeitet. Ebenso muss der Aufbau einzelner Nervenzellen betrachtet werden. Dabei wird zwangsläufig die Reiz- bzw. Erregungsleitung aufgegriffen. Bei diesem Punkt fällt es den Schülern häufig sehr schwer, diese in Beziehung zum strukturellen Aufbau der Nervenzelle zu setzen. Die hier dargestellte Unterrichtseinheit soll die Schüler mit den erarbeiteten Modellen unterstützen davon eine bessere Vorstellung zu entwickeln. Dieser Vorgang wurde bisher in keinem Versuch oder Modell wirklich sichtbar. In der hier dargestellten Einheit: Die Reizleitung chemisch betrachtet, wird die Wanderung der Erregung innerhalb des Axons sichtbar gemacht. Es steht ein Experiment von Matthias Ducci und Marco Oetken aus der Reihe Nerven aus Drahtseilen im Mittelpunkt. Dabei wird ein Reineisenstab in eine Schwefelsäure/Wasserstoffperoxid-Lösung gelegt. Bei richtig gewählter Konzentration erfolgt sofort die Passivierung der Eisenoberfläche durch Bildung einer dünnen Eisenoxidschicht. Berührt man diesen passivierten Eisenstab mit einem Zinkstab, so wandern aufgrund des negativeren Redoxpotenzials Elektronen vom Zink zum Eisen. Dadurch wird die Passivierung kurzzeitig aufgehoben und das aktivierte Eisen reagiert mit der Lösung unter Wasserstoffentwicklung. Diese aktivierte Zone wandert über den Eisenstab. Anhand der Passivierungsvorgänge auf der Oberfläche des Eisenstabs, durch die Bläschenbildung des Gases Wasserstoff, die wellenförmig über den Eisenstab verläuft, wird die vermeintliche Reizleitung sichtbar. Diese fortlaufende Gasentwicklung lässt sich mit der Ausbreitung einer Erregung auf einem Neuron vergleichen. Um diesen Modellversuch noch besser auf eine Nervenzelle übertragen zu können, werden die Myelinscheide der Nervenzelle durch das Abbinden mit Klebeband des Eisenstabes simuliert. Vergleicht man die Geschwindigkeit der ablaufenden Reaktion einmal am abgebundenen Eisenstab, mit der, am nicht abgebundenen Eisenstab, stellt man fest, dass die Reaktion etwas schneller verläuft, da die Gasentwicklung nur an den nicht isolierten Stellen des Eisenstabs stattfinden kann. Daran wird den Schülern klar, dass der Aufbau des Neurons eine wichtige biologische Funktion hat. Der Versuch kann aufgrund der Giftigkeit der Chemikalien leider nicht als Schülerexperiment durchgeführt werden. Da die Vorgänge sehr schnell ablaufen und deshalb mit dem Auge etwas schwer zu sehen sind, wird der Versuch mit einer Animation der ablaufenden Vorgänge unterstützt. Je nachdem in welcher Klasse der Versuch eingesetzt wird, kann nach der Demonstration auch die Natrium/Kaliumpumpe thematisiert werden, so dass die chemisch ablaufenden Reaktionen im Nerv auch noch thematisiert werden. 5

7 4. Versuchsdokumentation Demonstrationsversuch zur Erregungsleitung am marklosen Nerv Gerätschaften: - Kunststoffwanne (ca. 30 cm lang) - Messzylinder - 10-ml-Kolbenpipette - Eisenstab (30 cm, Ø 3,2 mm) - Zinkelektrode - Chemikalien: Schmirgelpapier - Wasserstoffperoxid, w (H 2 O 2 ) = 33% - Schwefelsäure, c(h 2 SO 4 ) = 1 mol/l H- und P-Sätze: H: P: Durchführung: Der Eisenstab sollte vor dem ersten Abschmirgeln in eine schwefelsaure Wasserstoffperoxid-Lösung getaucht und anschließend mit destilliertem Wasser abgespült werden. Der Eisenstab wird dann sorgfältig abgeschmirgelt. Anschließend wird er in die Plastikwanne mit einem Elektrolyten aus 97,5 ml Wasser, 27,5 ml Schwefelsäure-Lösung und 34,3 ml der Wasserstoffperoxid- Lösung getaucht. Es ist wichtig, dass sich vor der Aktivierung keine Gasbläschen an dem Eisenstab befinden. Falls dies doch der Fall sein sollte, muss der Stab mit einer Pinzette kurz aus der Lösung entnommen und danach wieder eingetaucht werden. Dieser Vorgang kann vor jeder Aktivierung wiederholt werden. Nun wird eine nicht isolierte Stelle des Stabs circa eine Sekunde lang mit der Zinkelektrode berührt. 6

8 13. Beobachtung: Nachdem der blanke Eisenstab das erste Mal in die Lösung eingetaucht wird, entstehen kurzzeitig Gasbläschen entlang der Metalloberfläche. Diese Gasbildung stellt sich jedoch sehr schnell wieder von alleine ein. Wird der Stab nun aber mit der Zinkelektrode berührt, so kann man eine wellenartige Ausbreitung der Gasentwicklung von der Kontaktstelle aus beobachten. 7

9 Demonstrationsversuch zur saltatorischen Erregungsleitung Gerätschaften: - Kunststoffwanne (ca. 30 cm lang) - Messzylinder - 10-ml-Kolbenpipette - Eisenstab (30 cm, Ø 3,2 mm) - Zinkelektrode - Gewebeband (1,9 cm breit) - Schmirgelpapier Chemikalien: - Wasserstoffperoxid, w (H 2 O 2 ) = 33% - Schwefelsäure, c(h 2 SO 4 ) = 1 mol/l H- und P-Sätze: H: P: Durchführung: Der Eisenstab sollte vor dem ersten Abschmirgeln in eine schwefelsaure Wasserstoffperoxid-Lösung getaucht und anschließend mit destilliertem Wasser abgespült werden. Der Eisenstab wird dann sorgfältig abgeschmirgelt und mit dem Gewebeband alle 6 mm abgeklebt. Die abgeklebten Streifen sind jeweils 19 mm breit, wie das Gewebeband selbst. Anschließend wird er in die Plastikwanne mit einem Elektrolyten aus 97,5 ml Wasser, 27,5 ml Schwefelsäure-Lösung und 31,3 ml der Wasserstoffperoxid-Lösung getaucht. Es ist wichtig, dass sich vor der Aktivierung keine Gasbläschen an dem Eisenstab befinden. Falls dies doch der Fall sein sollte, muss der Stab mit einer Pinzette kurz aus der Lösung entnommen und danach wieder eingetaucht werden. Dieser Vorgang kann vor jeder Aktivierung wiederholt werden. Nun wird eine nicht isolierte Stelle des Stabs circa eine Sekunde lang mit der Zinkelektrode berührt. 8

10 22. Beobachtung: Nachdem der abgeklebte Eisenstab das erste Mal in die Lösung eingetaucht wird, entstehen kurzzeitig Gasbläschen an den nicht-isolierten Stellen. Diese Gasbildung stellt sich jedoch sehr schnell wieder von alleine ein. Wird der Stab nun aber mit der Zinkelektrode berührt, so kann man eine wellenartige Ausbreitung der Gasentwicklung von der Kontaktstelle aus beobachten, jedoch nicht an den isolierten Stellen des Stabes. Dieser Vorgang lässt teilweise mehrmals wiederholen. In diesem zweiten Demonstrationsversuch ist deutlich erkennbar, dass die Welle der Gasblasenentwicklung das Ende deutlich schneller erreicht, als im ersten Versuch. 9

11 5. Material zum Versuch Modellversuch zur Simulation der Reizleitung im menschlichen Körper Geräte und Chemikalien Zinkstab 2 Eisenstäbe ( Länge ca. 30cm; Durchmesser ca. 3,2mm) Plastikwanne Schwefelsäure/Wasserstoff -peroxidlösung Schutzhandschuhe Klebeband Versuchsskizze: Versuchsdurchführung: Versuchsbeobachtung: Übertragung des Modells auf die Realität Eisenstab Modell Realität Eisenstab, abgebunden mit Klebeband Oberfläche des Eisenstabs bewegte Elektronen im Eisenstab Gasbildung 10

12 Eine mögliche Lösung des Versuchsprotokolls Modellversuch zur Simulation der Reizleitung im menschlichen Körper Geräte und Chemikalien Zinkstab 2 Eisenstäbe ( Länge ca. 30cm; Durchmesser ca. 3,2mm) Plastikwanne Schwefelsäure/Wasserst off-peroxidlösung Schutzhandschuhe Klebeband Versuchsskizze: Zinkstab Wasserstoffperoxid- Schwelsäurelösung Eisenstab Versuchsdurchführung: Der Eisenstab wird in die Plastikwanne gelegt. Dann wird die Wanne mit der Wasserstoffperoxid- Schwefelsäurelösung gefüllt. Nach einem kurzen Augenblick wird der Eisenstab kurz mit einem Zinkstab berührt. Versuchsbeobachtung: Vor Berühren des Eisenstabes mit dem Zinkstab ist nichts am Eisenstab zu beobachten. Erst nach Berühren des Eisenstabs kann beobachtet werden, dass in einer wellenförmigen Bewegung Gasblasen an dem Eisenstab aufsteigen. Übertragung des Modells auf die Realität Eisenstab Modell Realität Axon einer Nervenzelle Eisenstab, abgebunden mit Klebeband Axon mit Hüllzelle Oberfläche des Eisenstabs Zellmembran Bewegte Ionen im Eisenstab Durch die Membran wandernde Na + -Ionen Gasbildung Aktionspotential 11

13 6. Literaturverzeichnis 1. FRIEDRICH,J.; Oettken, M.(2005): Chemie Unterrichten. Spezielle Themen der physikalischen Chemie.Kissing: Weka 2. DUCCI, M. Oetken, M., Ubben, S. (1998): Nerven wie Drahtseile Elektrochemische Modellexperimente zur Erregungsleitung am Nerv. Chemkon. Weinheim: Wiley VCH Verlag GmbH 3. NEIL.A. Campbell, J. B. R. (2006): Biologie; München: Pearson Studium, 6. Auflage 4. MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN- WÜRTTEMBERG (2004): Bildungsplan Realschule. Online verfügbar unter zuletzt geprüft am