Reizweiterleitung im Auge: Unterrichtsmaterial für den Biologieunterricht

Einführung in das Reiz-Reaktions-Schema

Das Reiz-Reaktions-Schema ist ein grundlegendes Konzept in der Biologie, das erklärt, wie Lebewesen auf ihre Umwelt reagieren. Es beschreibt den Weg, den ein Reiz von der Aufnahme durch ein Sinnesorgan bis zur Auslösung einer Reaktion im Körper nimmt. Dieses Schema ist essenziell, um zu verstehen, wie wir uns blitzschnell auffangen können, wenn wir stolpern, oder wie wir auf andere Umweltreize reagieren. Der Ablauf wird auch als Reiz-Reaktions-Kette bezeichnet.

Die Reiz-Reaktions-Kette im Detail

Die Reiz-Reaktions-Kette besteht aus mehreren Schritten, die nacheinander ablaufen:

1. Reiz: Ein Reiz ist eine Veränderung in der Umwelt, die von einem Sinnesorgan wahrgenommen werden kann. Beispiele für Reize sind Licht, Schall, Berührung, Temperatur oder chemische Substanzen. So reizt beispielsweise eine Stechmücke (Licht) die Sinneszellen der Augen und ihr Fluggeräusch (Schallwellen) reizt die Sinneszellen des Ohrs.
2. Reizaufnahme und -umwandlung: Die Sinnesorgane sind für die Wahrnehmung der Reize zuständig. Jedes Sinnesorgan ist auf bestimmte Reize spezialisiert. Die Sinneszellen wandeln den Reiz in ein elektrisches Signal um. Dieser Schritt wird als Reizumwandlung bezeichnet.
3. Erregungsweiterleitung: Das elektrische Signal wird von den sensorischen Nervenbahnen zum Gehirn oder Rückenmark weitergeleitet.
4. Erregungsverarbeitung: Im Gehirn oder Rückenmark wird das Signal verarbeitet und interpretiert. Hier findet die eigentliche Informationsverarbeitung statt. Im Gehirn werden die eingehenden Informationen ausgewertet und verarbeitet. Ich nehme die Stechmücke wahr.
5. Erregungsweiterleitung (zum Erfolgsorgan): Vom Gehirn oder Rückenmark wird ein Signal über motorische Nervenbahnen zu einem Erfolgsorgan (z.B. Muskel) gesendet. Nervenzellen leiten elektrische Erregungen vom Gehirn zu den Muskeln des Arms und der Hand.
6. Reaktion: Das Erfolgsorgan führt eine Reaktion aus, die durch den ursprünglichen Reiz ausgelöst wurde. Dies kann eine Muskelbewegung, eine Drüsensekretion oder eine andere physiologische Veränderung sein. Im letzten Schritt erhält das Zielorgan (Muskel) seinen Befehl und reagiert.

Beispiele für die Reiz-Reaktions-Kette im Alltag

Um das Reiz-Reaktions-Schema besser zu verstehen, betrachten wir einige Beispiele aus dem Alltag:

• Zugeworfener Ball: Deine Augen (Sinnesorgane) nehmen den heranfliegenden Ball (Reiz) wahr. Die Information über den Ball löst ein elektrisches Signal aus. Daraufhin leiten die sensorischen Nerven das elektrische Signal weiter an dein Gehirn. Dein Gehirn verarbeitet die Information und sendet ein Signal, um eine Reaktion hervorzurufen. Das Signal gelangt über die motorischen Nerven weiter an die Muskeln (Zielorgane) in den Armen und Beinen. Du fängst den Ball. Hier handelt es sich um eine bewusste Handlung.
• Verbrennung an einer Herdplatte: Die Sinneszellen deiner Haut erfassen die Hitze (Reiz). Das Signal wird ausgelöst. Anschließend leiten deine sensorischen Nerven die Erregung weiter an dein Rückenmark. Dein Rückenmark verschaltet die Information. Die Antwortreaktion wird von den motorischen Nerven an deine Muskeln im Arm weitergegeben. Du ziehst deine Hand zurück. Dies ist ein Reflex.
• Ruf des Namens: Die Schallwellen des Rufs (Reiz) reizen die Sinneszellen in deinem Ohr. Daraufhin löst der Reiz ein elektrisches Signal aus. Die sensorischen Nerven leiten das Signal an dein Gehirn weiter. Nun kann dein Gehirn die Informationen verarbeiten. Danach geben deine motorischen Nerven die Antwort weiter. Du drehst dich um. Dies ist eine bewusste Handlung.
• Staubkorn im Auge: Der Staubkorn reizt das Auge. Der Reiz löst ein elektrisches Signal aus, das über die sensorischen Nerven weitergeleitet wird. Die Informationen werden im Rückenmark verschaltet. Danach wird eine Reaktion als Signal über die motorischen Nerven an das Augenlid geleitet. Du blinzelst. Dies ist ein Reflex.

Bewusste Handlungen vs. Reflexe

Innerhalb des Reiz-Reaktions-Schemas lassen sich zwei Arten von Reaktionen unterscheiden: bewusste Handlungen und Reflexe.

• Bewusste Handlungen sind Reaktionen, die du mit deinem Willen steuerst. Du nimmst den Reiz bewusst wahr und wählst daraufhin eine Handlungsoption aus. Ein Beispiel hierfür ist das Fangen eines Balls.
• Reflexe sind Reaktionen, die unbewusst und automatisch ablaufen, ohne deine willentliche Steuerung. Sie dienen dem Schutz des Körpers vor Gefahren. Ein Beispiel hierfür ist das Zurückziehen der Hand von einer heißen Herdplatte.

Der Hauptunterschied zwischen bewussten Handlungen und Reflexen liegt in der Geschwindigkeit und dem Ort der Informationsverarbeitung. Bei bewussten Handlungen wird die Information im Gehirn verarbeitet, was mehr Zeit in Anspruch nimmt. Bei Reflexen erfolgt die Verschaltung der Information im Rückenmark, was eine schnellere Reaktion ermöglicht. Die Übertragung und Verschaltung vom Reiz zum Reflex darf also nicht zu lange dauern. Deswegen werden Reflexe im Vergleich zu den bewussten Handlungen nur im Rückenmark umgeschaltet.

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Die Bedeutung der Sinnesorgane

Die Sinnesorgane spielen eine entscheidende Rolle bei der Wahrnehmung von Reizen. Jedes Sinnesorgan ist auf die Aufnahme bestimmter Reize spezialisiert:

• Das Auge ermöglicht den Sehsinn - wir können damit Licht, Farben, Formen und Bewegungen erkennen.
• Das Ohr ist zuständig für den Gehörsinn - es nimmt Geräusche und Töne wahr.
• Die Haut ist das Organ für den Tastsinn - sie spürt Druck, Temperatur, Schmerz und Berührungen.
• Die Nase übernimmt den Geruchssinn - sie erkennt Gerüche und Duftstoffe in der Luft.
• Die Zunge ist das Organ für den Geschmackssinn - sie unterscheidet Geschmacksrichtungen wie süß, sauer, salzig, bitter und umami.

Störungen der Reiz-Reaktions-Informationsverarbeitung

Die Reiz-Reaktions-Informationsverarbeitung kann auf verschiedene Weise gestört werden. Dies kann zu Beeinträchtigungen der Wahrnehmung, der Bewegung oder anderer Körperfunktionen führen. Einige Beispiele für Störungen sind:

• Verletzungen des Rückenmarks: Können zu Lähmungen führen, da Signale nicht weitergeleitet werden.
• Alkohol und Drogen: Verlangsamen die Reizverarbeitung und beeinträchtigen das Reaktionsvermögen.
• Krankheiten des Nervensystems (z. B. Multiple Sklerose, Parkinson): Stören die Signalübertragung.
• UV-Strahlung: Kann z. B. die Augen schädigen und die Sehfähigkeit beeinträchtigen.

Übungsaufgaben zum Reiz-Reaktions-Schema

Um das Verständnis des Reiz-Reaktions-Schemas zu vertiefen, können folgende Übungsaufgaben im Unterricht eingesetzt werden:

1. Beschreibe den Ablauf vom Reiz bis zur Reaktion, wenn dir ein Staubkorn ins Auge fliegt und du blinzelst. Handelt es sich um einen Reflex oder eine bewusste Handlung?
2. Ein Ball kommt auf dich zugeflogen und du fängst ihn. Handelt es sich um einen Reflex oder eine bewusste Handlung? Wo erfolgt die Erregungsverarbeitung?
3. Nenne zwei Beispiele für einen Reflex und zwei Beispiele für eine bewusste Handlung.
4. Erkläre, warum Reflexe schneller ablaufen als bewusste Handlungen.
5. Wie funktioniert das Reiz-Reaktion-Informationsverarbeitung?
6. Wie kann diese Reiz-Reaktion Informationsverarbeitung gestört werden?

Lösungsvorschläge zu den Übungsaufgaben

1. Der Staubkorn reizt das Auge. Der Reiz löst ein elektrisches Signal aus, das über die sensorischen Nerven weitergeleitet wird. Die Informationen werden im Rückenmark verschaltet. Danach wird eine Reaktion als Signal über die motorischen Nerven an das Augenlid geleitet. Du blinzelst. Dies ist ein Reflex.
2. Es handelt sich um eine bewusste Handlung. Die Erregungsverarbeitung erfolgt im Gehirn.
3. Reflex:
   • Du verbrennst dich an einer Herdplatte und ziehst deinen Arm zurück.
   • Du stolperst und deine Beine machen dabei eine Bewegung nach vorne.Bewusste Handlung:
   • Jemand ruft dich und du drehst dich um.
   • Dir ist die Musik zu laut und du drehst sie leiser.
4. Reflexe laufen schneller ab, da die Verschaltung der Information im Rückenmark erfolgt und nicht im Gehirn. Dadurch wird der Weg, den das Signal zurücklegen muss, verkürzt.
5. Ein Reiz (z. B. Berührung, Hitze, Licht) trifft auf ein Sinnesorgan wie die Haut oder das Auge. Das Zentrale Nervensystem (ZNS) verarbeitet die Information und sendet eine Antwort an ein ausführendes Organ (z. B. Muskeln). Dort erfolgt dann die Reaktion - z. B.
6. Diese Informationsverarbeitung kann auf verschiedene Weise gestört werden, z. B. durch:
   • Verletzungen des Rückenmarks → können zu Lähmungen führen, da Signale nicht weitergeleitet werden.
   • Alkohol und Drogen → verlangsamen die Reizverarbeitung und beeinträchtigen das Reaktionsvermögen.
   • Krankheiten des Nervensystems (z. B. Multiple Sklerose, Parkinson) → stören die Signalübertragung.
   • UV-Strahlung → kann z. B. die Augen schädigen und die Sehfähigkeit beeinträchtigen.

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