Biologie: Nervensystem, Auge und Reflexe – Eine Klassenarbeitserklärung

Das komplexe Zusammenspiel von Nervensystem, Auge und Reflexen ist ein faszinierendes Gebiet der Biologie. Dieser Artikel bietet eine umfassende Erklärung dieser Themen, die für eine Klassenarbeit relevant ist.

Das Auge: Ein Fenster zur Welt

Das Auge ist ein komplexes Sinnesorgan, das es uns ermöglicht, Licht wahrzunehmen und die Welt um uns herum zu sehen. Es besteht aus verschiedenen Komponenten, die zusammenarbeiten, um ein scharfes und klares Bild zu erzeugen.

Aufbau des Auges

• Hornhaut: Die Hornhaut bildet den frontalen Abschluss des Augapfels.
• Iris: Die Iris ist die Blende des Auges. Sie besteht aus vielen kleinen Muskelbahnen, die sich je nach Lichteinfall zusammenziehen oder ausweiten können und ist mit Pigmenten gefärbt.
• Pupille: Die Pupille ist die natürliche Öffnung in der Iris, durch die Licht in das Innere der Augen fällt.
• Linse: Die Linse ist ein durchsichtiger und elastischer Körper, der sowohl an der Vorderseite als auch an der Hinterseite konvex gekrümmt ist. Der Ziliarmuskel steuert die Linse aktiv. Im entspannten Zustand ist die Linse flach und in die Länge gezogen (Fernsicht).
• Netzhaut (Retina): Die Netzhaut wird von außen von dem sogenannten Pigmentepithel umschlossen. Amakrinzellen verschalten die Bipolarzellen und die Ganglienzellen miteinander.

Photorezeptoren: Die Lichtempfänger

Die Photorezeptoren empfangen Lichtimpulse, die dann von ihnen in elektrische Impulse umgewandelt werden. Diese elektrischen Impulse werden dann an die Horizontalzellen weitergeleitet, welche die Informationen nochmals bündeln. Das Ganze wird dann an die Bipolarzellen weitergeleitet, welche die Informationen an die Amakrinzellen weitergeben. Auch hier werden die Informationen nochmal gebündelt, bevor sie die Ganglienzellen erreichen.

Die Netzhaut von Wirbeltieren ist invers aufgebaut. Damit ist gemeint, dass die Ganglienzellen, die die Informationen der Photorezeptoren an das Gehirn weiterleiten, nach innen liegen.

Die Photorezeptoren gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen:

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• Stäbchen: Die Stäbchen sind für das Hell- und Dunkelsehen verantwortlich.
• Zapfen: Die Zapfen sind für das Farbsehen zuständig.

Photorezeptoren bestehen aus einem Innen- und einem Außensegment. Das Innensegment trägt die Zellorganellen, während das Außensegment aus Disks besteht. In den Disks sind ungefähr 100 Millionen lichtempfindliche Pigmentmoleküle eingebettet: Das Rhodopsin. Dieses besteht aus dem Protein Opsin und Retinal.

Die Umwandlung von Licht in Nervenimpulse

Normalerweise sind Nervenzellen erst depolarisiert, sobald ein Reiz von außen auf den Rezeptor trifft. Misst man das Rezeptorpotenzial an Photorezeptoren, so findet man bei Ausbleiben der Reizwirkung, also bei vollkommener Dunkelheit, eine leichte Depolarisation von ungefähr 40 mV vor. Das liegt daran, dass die Natrium-Ionenkanäle im Außensegment eines Rezeptors geöffnet sind und ein ständiger Einstrom positiver Ladungen stattfindet (im Innensegment wird diese von einer Natrium-Kalium-Pumpe reguliert).

Fällt nun Licht auf einen Photorezeptor, so reagiert der Sehfarbstoff Rhodopsin und zerfällt. Sein Zerfall sorgt über eine Erregungskaskade mithilfe von Sekundären Bodenstoffen dafür, dass die Natrium-Kanäle geschlossen werden und kein Natrium mehr in die Zelle gelangt. Dies sorgt in der Zelle für eine Hyperpolarisation bis ungefähr -80 mV. Der Photorezeptor setzt dann den hemmenden Neurotransmitter nicht mehr frei, sodass die nachgeschaltete Bipolarzelle nicht mehr gehemmt, sondern depolarisiert wird - sie leitet dann ein Signal über die Ganglienzelle zum Gehirn.

Das Rhodopsin muss sehr aufwendig unter Energieaufwand wieder hergestellt werden, sobald es zerfallen ist.

Adaptation des Auges an Lichtverhältnisse

Die Anpassung des Auges an verschiedene Lichtverhältnisse wird als Adaptation bezeichnet. Dabei sind zwei Mechanismen entscheidend:

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1. Pupillenreflex: Die Irismuskulatur reagiert auf eine hohe oder niedrige Lichteinstrahlung durch das Zusammenziehen oder Erweitern der Pupille.
2. An- und Abschalten von Stäbchen und Zapfen: Bei ausreichender Helligkeit übernehmen die Zapfen, die für das Farbsehen zuständig sind, die Arbeit. Erst wenn es dunkler wird, werden auch die Stäbchen benötigt.

Aber auch bei den Photorezeptoren direkt gibt es Anpassungsmechanismen. Die Dunkeladaptation beschreibt die Anpassung der Augen an Dunkelheit. Diese kann bis zu einer halben Stunde dauern. Kommt man von einem hell erleuchteten Raum in einen dunkleren, so wurde im hellen Raum eine große Menge des vorhandenen Rhodopsins verbraucht. In den Photorezeptoren ist daher nicht mehr so viel des Sehfarbstoffes vorhanden und die Lichtempfindlichkeit der Augen sinkt.

Die Helladaptation funktioniert hingegen wesentlich schneller. Kommt man von einem dunklen in einen hellen Raum, so waren die Augen im dunklen Raum sehr lichtempfindlich, da viel Rhodopsin zur Verfügung stand. Trifft nun schlagartig viel Licht ins Auge, zerfällt direkt ein sehr großer Teil des Rhodopsins in den angeschalteten Stäbchen und man wird geblendet.

Reflexe: Automatische Reaktionen

Ein Reflex ist eine schnelle, unwillkürlich ablaufende Reaktion auf einen Reiz. Diese wird von dem Reflexzentrum gesteuert. Das Reflexzentrum kannst du dir als Steuerungszentrale vorstellen. Dort werden Erregungen verarbeitet. Dies passiert im Zentralnervensystem (ZNS), also dem Gehirn oder Rückenmark. Bei Reflexen handelt es sich um immer gleich ablaufende Handlungen, die nur Bruchteile von Sekunden dauern.

Arten von Reflexen

Es werden zwei Arten von Reflexen unterschieden: die unbedingten und die bedingten Reflexe.

• Unbedingte Reflexe: Unbedingten Reflexen liegen unwillkürliche Reaktionen zugrunde. Ein unbedingter Reflex ist angeboren.
• Bedingte Reflexe: Ein Beispiel für einen bedingten, also erworbenen Reflex ist die Konditionierung. Eines der bekanntesten Beispiele für diese Art des erlernten Reflexes ist der pawlowsche Hund. Pawlow hat in seinen Experimenten Hunde mit einer Glocke konditioniert.

Der Reflexbogen: Der Weg der Erregung

Ein Reflex läuft immer nach dem gleichen Muster ab, das unter dem Begriff Reflexbogen bekannt ist.

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1. Reizaufnahme: Ein Rezeptor / eine Sinneszelle nimmt einen Reiz (physikalisch oder chemisch) wahr.
2. Erregungsleitung: Eine sensorische Nervenfaser leitet das Signal zum Zentralnervensystem (ZNS).
3. Reflexzentrum: Im Reflexzentrum findet die Erregungsverarbeitung statt.
4. Erregungsleitung: Eine motorische Nervenfaser (Motoneuron) leitet das Signal vom Rückenmark zum Erfolgsorgan (Effektor). Du nennst sie daher auch efferente Nervenfaser (= vom ZNS wegleitend).
5. Reaktion: Der Effektor führt aufgrund der Erregung eine Reaktion aus, wodurch der Reflex entsteht.

Der Reflexbogen beschreibt also den Weg der Erregung über die Nervenbahnen und Nervenzellen, beginnend beim Reiz, den eine Sinneszelle wahrnimmt, bis zum Erfolgsorgan, das eine Reaktion ausführt. Dabei folgt der Reflexbogen immer dem gleichen Muster. Die neuronale Verbindung zwischen Rezeptor und Effektor nennst du Reflexbogen.

Du hast bestimmt gemerkt, dass das Gehirn bei der Reiz-Reaktionskette nicht beteiligt ist.

Beispiele für Reflexe

Es gibt verschiedene Arten von Reflexen, die du nach unterschiedlichen Kriterien einteilen kannst. Zunächst kannst du abhängig vom Grund des Auftretens der reflektorischen Reaktion zwischen angeborenen und erworbenen Reflexen unterscheiden. Die angeborenen Reflexe kannst du noch weiter unterteilen. Zum einen in die frühkindlichen Reflexe. Als angeborene oder auch unbedingte Reflexe bezeichnest du Reflexe, die ein Baby bereits bei seiner Geburt hat oder die es im Laufe seiner Entwicklung erwirbt. Die Reflexreaktionen laufen daher bei allen Individuen gleich ab.

Als Eigenreflexe bezeichnest du Reflexe, bei denen Reiz und Antwort im selben Organ stattfinden. (Kontaktstelle zwischen Nervenzellen). Daher ist eine andere Bezeichnung für die Art von Reflex auch monosynaptischer Reflex. Oft finden Reiz und Antwort in einem Muskel statt. ): Ein Schlag auf die Muskelsehne deines Knies löst eine Dehnung der Sehne und daraufhin eine Verkürzung des Muskels aus. Somit kommt es zur Streckung deines Beins.

Bei einem Fremdreflex finden Reiz und Reaktion in unterschiedlichen Organen statt. Da der Reflexbogen in dem Fall aus mehreren Synapsen besteht (polysynaptischer Reflexbogen), nennst du den Reflex auch polysynaptischer Reflex.

• Lidschlussreflex: Ein Schutzreflex, der zum Schließen des Augenlids führt.
• Hustenreflex: Ein Schutzreflex, der die Atemwege von Schleim oder Fremdkörpern freihält.
• Frühkindliche Reflexe: Frühkindliche Reflexe sind Reflexe bei Babys, die sich im Laufe der körperlichen Entwicklung aber wieder zurückbilden. Sie helfen dem Neugeborenen bei der Nahrungssuche und -aufnahme und dienen seinem Schutz.

Es gibt jedoch nicht nur angeborene Reflexe, sondern Reflexe können auch erlernt werden. Du nennst sie auch erworbene oder konditionierte Reflexe. Das bekannteste Beispiel sind die „pawlowschen Reflexe“.

Das Nervensystem: Die Schaltzentrale

Das Nervensystem ist das Kommunikationsnetzwerk des Körpers. Es besteht aus dem Gehirn, dem Rückenmark und den Nerven, die alle Teile des Körpers miteinander verbinden. Das Nervensystem ermöglicht es uns, Informationen aus unserer Umwelt wahrzunehmen, zu verarbeiten und darauf zu reagieren.

Sympathikus und Parasympathikus: Das vegetative Nervensystem

Das vegetative Nervensystem (VNS) steuert unbewusste Körperfunktionen wie Herzschlag, Atmung und Verdauung. Es besteht aus zwei Hauptteilen:

• Sympathikus: Der Sympathikus ist für die "Kampf-oder-Flucht"-Reaktion verantwortlich. Er bereitet den Körper auf Stresssituationen vor, indem er beispielsweise den Herzschlag beschleunigt, die Atmung vertieft und die Verdauung verlangsamt.
• Parasympathikus: Der Parasympathikus ist für die "Ruhe-und-Verdauung"-Reaktion verantwortlich. Er fördert Entspannung und Regeneration, indem er beispielsweise den Herzschlag verlangsamt, die Atmung beruhigt und die Verdauung anregt.

Signalübertragung an der Synapse

Die Signalübertragung an der Synapse ist ein essentieller Prozess für die Funktion des Nervensystems. Nervenzellen kommunizieren miteinander, indem sie chemische Botenstoffe, sogenannte Neurotransmitter, über die Synapse freisetzen. Diese Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der Zielzelle und lösen dort eine Reaktion aus.

Nervengifte wie Sarin können die Signalübertragung an der Synapse stören, indem sie beispielsweise die Acetylcholinesterase hemmen. Die Acetylcholinesterase ist ein Enzym, das den Neurotransmitter Acetylcholin abbaut. Wird die Acetylcholinesterase gehemmt, reichert sich Acetylcholin an der Synapse an und führt zu einer Dauererregung der Muskeln.

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