Unterrichtsreihe: Nerven und Synapsen in der 8. Klasse

Einführung

Das Nervensystem ist ein komplexes und faszinierendes Thema, das sich hervorragend für den Biologieunterricht in der 8. Klasse eignet. Diese Unterrichtsreihe zielt darauf ab, den Schülern ein grundlegendes Verständnis des Nervensystems, seiner Bestandteile und ihrer Funktionen zu vermitteln. Dabei werden insbesondere der Aufbau von Nervenzellen (Neuronen), die Erregungsweiterleitung und die Vorgänge an den Synapsen behandelt. Die Schüler erarbeiten sich die Inhalte aktiv und kooperativ, wodurch ein nachhaltiges Verständnis gefördert wird.

Das Nervensystem des Menschen: Eine Übersicht

Das menschliche Nervensystem lässt sich grob in drei Bereiche unterteilen:

• Das Gehirn: Das Gehirn ist die Steuerzentrale des Körpers und verantwortlich für die Verarbeitung von Informationen, das Denken, Fühlen und Handeln.
• Das zentrale Nervensystem (ZNS): Das ZNS besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Es dient als Hauptverarbeitungszentrum für Informationen und steuert die meisten Körperfunktionen.
• Das periphere Nervensystem (PNS): Das PNS umfasst alle Nerven, die außerhalb des Gehirns und des Rückenmarks liegen. Es verbindet das ZNS mit den Organen, Muskeln und der Haut und ermöglicht so die Kommunikation zwischen dem ZNS und dem Rest des Körpers.

Aufbau und Funktion der Nervenzellen (Neuronen)

Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die grundlegenden Bausteine des Nervensystems. Sie sind spezialisiert auf die Erregungsleitung und -übertragung. Ein Neuron besteht typischerweise aus drei Hauptteilen:

• Zellkörper (Soma): Enthält den Zellkern und die meisten Zellorganellen.
• Dendriten: Verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Neuronen empfangen.
• Axon: Ein langer, schlanker Fortsatz, der Signale an andere Neuronen oder Zielzellen weiterleitet. Das Axon kann von einer isolierenden Schicht, der sogenannten Myelinscheide, umgeben sein, die die Geschwindigkeit der Erregungsleitung erhöht.

Die Informationsübertragung innerhalb eines Neurons erfolgt in Form von elektrischen Signalen, den sogenannten Aktionspotentialen. Diese entstehen durch Veränderungen des Membranpotentials der Nervenzelle. Das "Alles-oder-Nichts-Gesetz" besagt, dass ein Aktionspotential entweder in voller Stärke ausgelöst wird oder gar nicht. Die Stärke des Reizes hat keinen Einfluss auf die Amplitude des Aktionspotentials, sondern lediglich auf die Frequenz, mit der es ausgelöst wird.

Die Erregungsweiterleitung am Neuron

Die Erregungsleitung entlang des Axons erfolgt durch die fortlaufende Entstehung und Weiterleitung von Aktionspotentialen. Bei myelinisierten Axonen springt das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring (saltatorische Erregungsleitung), was die Geschwindigkeit der Erregungsleitung deutlich erhöht.

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Die Synapse: Schaltstelle der Informationsübertragung

Die Synapse ist die Kontaktstelle zwischen zwei Neuronen oder zwischen einem Neuron und einer anderen Zelle (z.B. Muskelzelle). Hier wird das elektrische Signal des Aktionspotentials in ein chemisches Signal umgewandelt und an die nächste Zelle weitergegeben. Es gibt zwei Haupttypen von Synapsen:

• Chemische Synapsen: An chemischen Synapsen wird das Signal durch Neurotransmitter übertragen. Wenn ein Aktionspotential das Endknöpfchen des Axons erreicht, werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt. Diese Neurotransmitter diffundieren durch den Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Zielzelle. Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst in der Zielzelle ein neues elektrisches Signal aus.
• Elektrische Synapsen (Gap Junctions): An elektrischen Synapsen sind die Zellen direkt miteinander verbunden, so dass das Aktionspotential direkt von einer Zelle zur nächsten übertragen werden kann. Diese Art der Signalübertragung ist sehr schnell, kommt aber im menschlichen Nervensystem seltener vor als die chemische Signalübertragung.

Die chemische Synapse im Detail

Die chemische Synapse ist ein komplexes System, das aus verschiedenen Komponenten besteht:

• Präsynaptische Membran: Die Membran des sendenden Neurons (Axonendknöpfchen). Sie enthält Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind.
• Synaptischer Spalt: Der schmale Raum zwischen der prä- und postsynaptischen Membran.
• Postsynaptische Membran: Die Membran des empfangenden Neurons (Dendrit). Sie enthält Rezeptoren, die spezifisch an bestimmte Neurotransmitter binden.

Der Ablauf der Signalübertragung an einer chemischen Synapse lässt sich wie folgt zusammenfassen:

1. Ein Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen der Präsynapse.
2. Spannungsgesteuerte Calciumkanäle öffnen sich, und Calcium-Ionen strömen in das Endknöpfchen ein.
3. Der Einstrom von Calcium-Ionen führt zur Freisetzung von Neurotransmittern aus den Vesikeln in den synaptischen Spalt.
4. Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran.
5. Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst in der postsynaptischen Zelle ein neues Signal aus (z.B. Öffnung von Ionenkanälen, Veränderung des Membranpotentials).
6. Die Neurotransmitter werden entweder abgebaut (z.B. durch Enzyme wie Acetylcholinesterase) oder wieder in die Präsynapse aufgenommen (Reuptake), um den synaptischen Spalt zu leeren und die Signalübertragung zu beenden.

Ein Beispiel für einen wichtigen Neurotransmitter ist Acetylcholin. An der neuromuskulären Synapse (Verbindung zwischen Nervenzelle und Muskelzelle) bewirkt die Freisetzung von Acetylcholin die Kontraktion des Muskels.

Die Rolle von Nervengiften und Medikamenten

Nervengifte und Medikamente können in die Signalübertragung an den Synapsen eingreifen und so die Funktion des Nervensystems beeinflussen. Einige Nervengifte blockieren beispielsweise die Rezeptoren für Neurotransmitter, während andere die Freisetzung von Neurotransmittern verhindern. Medikamente können auf ähnliche Weise wirken, um beispielsweise die Stimmung zu verbessern oder Schmerzen zu lindern. Ein bekanntes Beispiel ist Curare, ein Pfeilgift, das die Acetylcholin-Rezeptoren blockiert und so zu einer Lähmung der Muskulatur führt.

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Sympathikus und Parasympathikus: Das vegetative Nervensystem

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

• Sympathikus: Der Sympathikus bereitet den Körper aufStresssituationen vor ("Fight-or-Flight"-Reaktion). Er erhöht die Herzfrequenz, erweitert die Bronchien und hemmt die Verdauung.
• Parasympathikus: Der Parasympathikus fördert dieEntspannung und Regeneration ("Rest-and-Digest"-Reaktion). Er senkt die Herzfrequenz, verengt die Bronchien und fördert die Verdauung.

Sympathikus und Parasympathikus wirken oft gegensätzlich auf die Organe und sorgen so für ein Gleichgewicht im Körper. Die Schüler können die Wirkung von Sympathikus und Parasympathikus auf die menschlichen Organe beispielsweise mithilfe der Methode Lerntempoduett erarbeiten.

Unterrichtsmethoden und Materialien

Für die Unterrichtsreihe eignen sich verschiedene Methoden und Materialien, um den Schülern das Thema Nerven und Synapsen anschaulich und interaktiv zu vermitteln:

• Lerntheke: Eine Lerntheke mit vielfältigen Aufgaben (z.B. Arbeitsblätter, Modelle, Experimente) ermöglicht es den Schülern, sich selbstständig und in ihrem eigenen Tempo mit den Inhalten auseinanderzusetzen.
• Gruppenarbeit: Kooperative Gruppenarbeit fördert die Kommunikation und Zusammenarbeit der Schüler und ermöglicht es ihnen, ihr Wissen gegenseitig zu vertiefen.
• Experimente: Einfache Experimente, wie z.B. Loewis Froschherz-Experiment zum Nachweis der chemischen Signalübertragung an der Synapse, machen die Inhalte für die Schüler erlebbar.
• Modelle: Modelle von Nervenzellen und Synapsen helfen den Schülern, die räumliche Struktur und die Funktionsweise dieser Strukturen besser zu verstehen.
• Animationen und Videos: Animationen und Videos können komplexe Vorgänge, wie z.B. die Erregungsweiterleitung an der Synapse, anschaulich darstellen. Es gibt zahlreiche frei verfügbare Animationen und Videos im Internet, die sich für den Einsatz im Unterricht eignen.
• Arbeitsblätter und Kreuzworträtsel: Arbeitsblätter und Kreuzworträtsel dienen der Festigung des Gelernten und der Überprüfung des Wissensstandes.

Beispiele für Materialien und Aufgaben

• M 1: Das Nervensystem des Menschen (Überblick)
• M 2: Das Nervensystem - Was weißt du? (Wissensabfrage)
• M 3: Aufbau und Eigenschaften unserer Nervenzellen
• M 4: Aufbau eines Neurons (beschriften)
• M 5: Aufgaben der Bestandteile eines Neurons
• M 6: Das Neuron - Teste dein Wissen!
• M 7: Das „Alles-oder-nichts-Gesetz“ (Erklärung und Anwendung)
• M 8: Die Erregungsleitung am Neuron
• M 9: Die Erregungsweiterleitung - Teste dein Wissen!
• M 10: Die Arbeit der Synapsen
• M 11: Die Erregungsweiterleitung an der Synapse
• M 12: Synapsen - Teste dein Wissen!
• M 13: Vom Ruhepotenzial zum Aktionspotenzial
• M 14: Neuronen und Synapsen - Kreuzworträtsel (Lernerfolgskontrolle)

Bezug zu anderen Themenbereichen

Das Thema Nerven und Synapsen lässt sich gut mit anderen Themenbereichen des Biologieunterrichts verknüpfen, wie z.B.:

• Sinnesorgane: Die Sinnesorgane nehmen Reize aus der Umwelt auf und wandeln sie in elektrische Signale um, die dann von den Nervenzellen verarbeitet werden.
• Muskeln: Die Muskeln werden von Nervenzellen gesteuert und ermöglichen so die Bewegung des Körpers.
• Hormone: Hormone sind chemische Botenstoffe, die ebenfalls die Funktion des Nervensystems beeinflussen können.
• Drogen und Medikamente: Viele Drogen und Medikamente wirken auf das Nervensystem, indem sie die Signalübertragung an den Synapsen beeinflussen.
• Bioinformatik und Brain-Computer-Interface: Die Erforschung des Gehirns und die Entwicklung von Brain-Computer-Interfaces sind aktuelle Forschungsgebiete, die auf dem Wissen über die Funktionsweise des Nervensystems aufbauen.

Lernerfolgskontrolle

Um den Lernerfolg der Schüler zu überprüfen, können verschiedene Methoden eingesetzt werden:

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• Klassische Tests: Tests mit Fragen zum Aufbau und zur Funktion von Nervenzellen und Synapsen.
• Kreuzworträtsel: Kreuzworträtsel zur spielerischen Wiederholung des Gelernten.
• Präsentationen: Die Schüler präsentieren ihre Ergebnisse aus Gruppenarbeiten oder Recherchen.
• Experimente: Die Schüler führen Experimente durch und dokumentieren ihre Ergebnisse.
• Mündliche Abfragen: Mündliche Abfragen im Unterricht zur Überprüfung des Verständnisses.

Anpassung an unterschiedliche Lernvoraussetzungen

Die Unterrichtsreihe sollte an die unterschiedlichen Lernvoraussetzungen der Schüler angepasst werden. Bei leistungsschwächeren Schülern kann der Fokus auf den grundlegenden Konzepten liegen, während leistungsstärkere Schüler sich mit komplexeren Themen auseinandersetzen können. Es ist auch wichtig, verschiedene Lernkanäle anzusprechen (visuell, auditiv, kinästhetisch), um allen Schülern einen Zugang zum Thema zu ermöglichen.

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