Das Aktionspotential ist ein zentrales Thema in der Neurobiologie und spielt eine entscheidende Rolle bei der Informationsübertragung im Nervensystem. Für den Biologieunterricht, insbesondere in der 8. Klasse und darüber hinaus, gibt es vielfältige Materialien, die das Verständnis dieses komplexen Prozesses erleichtern können. Dieser Artikel bietet einen Überblick über verschiedene Ressourcen und didaktische Ansätze zur Vermittlung des Aktionspotentials.
Einführung in das Aktionspotential
Ein Aktionspotential ist ein kurzer, elektrischer Impuls, der entlang einer Nervenzelle weitergeleitet wird. Es ist elementar wichtig für die Reizübertragung im menschlichen Körper. Es ermöglicht die schnelle und gezielte Weiterleitung von elektrischen Signalen in den Nervenzellen. Das Aktionspotential entsteht, wenn eine Reizschwelle überschritten wird und die Ionenverteilung an der Zellmembran des Axons sich kurzzeitig verändert. Dadurch wird die elektrische Spannung in der Zelle umgekehrt. Es findet in den Neuronen statt - genauer gesagt entlang ihres Axons - und ermöglicht es, Reize weiterzuleiten.
Die Phasen des Aktionspotentials
Das Aktionspotential durchläuft mehrere Phasen, die jeweils durch spezifische Veränderungen der Ionenverteilung und der Membranspannung gekennzeichnet sind.
Ruhepotential: Die Nervenzelle befindet sich in einem ruhenden Zustand bei etwa -70 mV.
Reizaufnahme: Reize werden von den Dendriten aufgenommen. Wichtig: Der Reiz muss über dem Schwellenwert (ca. -50 mV) liegen, um ein Aktionspotential auszulösen. Hier gilt das „Alles-oder-Nichts-Prinzip“: Wird der Schwellenwert nicht erreicht, folgt keine Reaktion. Wird durch eine geringfügige Depolarisation der Spannungswert zwar positiver, aber das Schwellenpotential von -55 mV nicht erreicht (unterschwelliger Reiz), so öffnen die spannungsgesteuerten Natriumionen-Kanäle in der Axonmembran nicht und es kommt nicht zum massenhaften Einstrom von Natriumionen. Entweder wird also die Schwellenspannung durch Depolarisation erreicht bzw.
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Depolarisation: Wird der Schwellenwert überschritten, öffnen sich Na⁺-Kanäle. Natrium-Ionen strömen in die Zelle, das Zellinnere wird positiv - es kommt zur Umpolung.
Repolarisation: Kurz danach schließen sich die Na⁺-Kanäle und K⁺-Kanäle öffnen sich. Kalium-Ionen strömen aus der Zelle. Dadurch wird das Zellinnere wieder negativer.
Hyperpolarisation: Die K⁺-Kanäle schließen sich nur verzögert (nach ca. 1-2 ms). In dieser Zeit fließen weitere K⁺-Ionen aus der Zelle, sodass die Spannung unter das Ruhepotenzial sinkt.
Refraktärzeit: Während dieser kurzen Phase (ca. 2 ms) ist kein neues Aktionspotential möglich. Die Na⁺-Kanäle sind inaktiv.
Rückkehr zum Ruhepotenzial: Die Natrium-Kalium-Pumpen stellen das ursprüngliche Ruhepotenzial von -70 mV wieder her.
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Unterrichtsmaterialien und Methoden
Es gibt eine Vielzahl von Unterrichtsmaterialien und Methoden, die den Lernenden helfen können, das Aktionspotential zu verstehen. Dazu gehören:
Modelle
Ein mechanisches Modell kann helfen, ein schwieriges Kapitel der Neurophysiologie "Aktionspotentiale" zu veranschaulichen. Das beschriebene mechanische Modell scheint leicht nachzubauen zu sein, das benoetigte Material und eine Bauanleitung werden angegeben. Anhand des Modells koennen Begriffe wie Reizschwelle, Erregungsschwelle, Umpolarisierung, Repolarisierung, Hyperpolarisierung, Alles-oder-Nichts- Gesetz, Refraktaerphase dargestellt und erklaert werden. Daran anschliessend kann die Erklaerung der Diffusionsvorgaenge an der Membran folgen, die dem Aktionspotential zugrunde liegen.
Arbeitsblätter
Ein Arbeitsblatt ueber das Aktionspotential und seine Entstehung dient zur Fixierung der Erkenntnisse. Weitere Einsatzmoeglichkeiten des Modells werden angerissen.
Interaktive Tafelbilder
In diesem ʺinteraktiven Tafelbildʺ im Powerpoint - Format wird der Aufbau einer Nervenzelle ohne Erklärungen kurz veranschaulicht. Die einzelnen Abschnitte sind durchnummeriert und können im Unterrichtsverlauf selbst beschriftet oder auch die vorgegebenen Beschriftungen einzeln eingeblendet werden. Es eignet sich etwa zur Ergebnissicherung an der interaktiven Tafel.
Selbstlernkurse
In diesem Selbstlernkurs lernt man die einzelnen Teile einer Nervenzelle und ihre Aufgaben kennen. Anhand der physikalischen und chemischen Bedingungen um eine Nervenfaser werden Ruhepotenzial, Aktionspotenzial und dessen Fortleitung erklärt.
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Videos
Das einfach gestaltete Lernvideo (4:33min, 2023) erklärt u.a. mit anschaulichen Diagrammen Entstehung und Verlauf des Aktionspotentials. LKs benutzen bitte ergänzende Darstellungen. Die grundsätzliche Erklärung zum Aktionspotential hilft beim Verständnis. Die Phasen eines typischen Aktionspotentials werden hier ausführlich erklärt. Das Erklärvideo von "Biobyluke" (4:35min) behandelt ausführlich, wie der Verlauf eines Aktionspotentials richtig gezeichnet wird. Das gefällig zur Gitarre vorgetragene Lied (2:07min) auf Youtube macht mit einfachen Papiermodellen die Vorgänge anschaulich.
Experimente und Aufgaben
Auf der Übersichtsseite können Sie Unterrichtsmaterial zur Nervenzelle, Ruhe- und Aktionspotential, Erregungsleitung und Synapse aufrufen. Alle Materialien sind in veränderbaren Dateiformaten (Präsentation, Word…) kostenlos herunterladbar und im Unterricht einsetzbar. Verschiedene Aufgaben mit aufdeckbaren Lösungen behandeln Themen rund um elektrochemische Vorgänge in Neuronen.
Simulationen
Simulationen können verwendet werden, um die Dynamik des Aktionspotentials zu visualisieren und die Auswirkungen von Veränderungen in den Ionenkonzentrationen und Membranparametern zu untersuchen.
Didaktische Überlegungen
Bei der Vermittlung des Aktionspotentials ist es wichtig, die Komplexität des Themas zu berücksichtigen und den Unterricht entsprechend anzupassen.
Anschaulichkeit
Die Verwendung von Modellen, Animationen und Experimenten kann helfen, das abstrakte Konzept des Aktionspotentials zu veranschaulichen.
Differenzierung
Es ist wichtig, den Unterricht an die unterschiedlichen Lernbedürfnisse der Schüler anzupassen. Dies kann durch die Bereitstellung von differenzierten Aufgaben und Materialien erfolgen. Fähigkeit z. Vorkenntnisse u. leistungsdifferenzierte Unterstützung (z. B. Inhalt inkl. L. plant u. L. plant, S. S. selbst zu bestimmen. für die einzelnen Varianten klar zu kennzeichnen, z. B. mit buntem Klebepunkt o. ä. bietet über den vorgestellten Einsatz noch etliche weitere Einsatzmöglichkeiten, z. B. Berechnung der Reizleitungsgeschwindigkeit, Erarbeitung der Refraktärzeit usw. (didaktische Reduktion).
Interaktivität
Die Schüler sollten aktiv in den Lernprozess einbezogen werden, z. B. durch Diskussionen, Gruppenarbeiten und Präsentationen.
Kontextualisierung
Es ist hilfreich, das Aktionspotential in einen größeren Kontext einzubetten, z. B. durch die Diskussion seiner Bedeutung für die Funktion des Nervensystems und für die Entstehung von Krankheiten.
Ergänzende Informationen
Weitere Informationen (Fachwörter …) entnimmst du bitte den Lehrbüchern.
Reizleitungsgeschwindigkeit
Berechnung der Reizleitungsgeschwindigkeit.
Refraktärzeit
Erarbeitung der Refraktärzeit.
Kompetenzorientierung
Diese Seite ist Teil einer Materialiensammlung zum Bildungsplan 2004: Grundlagen der Kompetenzorientierung.
Selbstdiagnose Erregungsbildung
Ein weiterer Kaliumionen-Kanaltyp wird in der Aufgabe 4 der „Selbstdiagnose Erregungsbildung“ (vgl. ist bei Variante 4 verpflichtend integriert (1 pro Bearbeitungsgruppe). Bei den Varianten 2 und 3 ist es ein Element der gestuften Hilfen. zur Verfügung stehen. (Spielplan auf OHP-Folie) übertragen werden. Dies ist für die Plenumsphasen hilfreich. : Fragen, Antworten und Legebilder können zu einem „Daumenkino“ gebunden werden. Fragen und Antworten sind so gestaltet, dass sie auf Vorder- und Rückseite kopiert oder gedruckt werden können.
Mögliche Störungen
Die Themen des Selbstlernkurses von "Teutolab Biotechnologie" (Universität Bielefeld) reichen vom Neuronaufbau über Reizentstehung und -weiterleitung auch an Synapsen bis zu Störungen etwa durch synaptische Gifte oder Krankheiten wie MS.
Party machen und Drogen nehmen gehört für viele junge Leute zusammen. Sie gelten als experimentierfreudig und stehen einem sogenannten Mischkonsum unkritischer gegenüber als erwachsene Konsumenten. Vor allem der gleichzeitige Konsum von Alkohol, Cannabis, Ecstasy, Speed und Co.
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