Problemorientierte Erarbeitung der Fototransduktion in den Lichtsinneszellen des menschlichen Auges

"Nachts sind alle Katzen grau"


Unterrichtsentwurf, 2015

9 Seiten, Note: 2,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis:

1. Darstellung der längerfristigen Unterrichtszusammenhänge
1.1 Thema der Unterrichtsreihe
1.2 Einbettung der Stunde in den Reihenkontext
1.3 Analyse der Lerngruppe
1.4 Relevanzanalyse

2. Planungsentscheidungen zur Unterrichtsstunde
2.1 Sachanalyse
2.2 Lernziele/Kompetenzen
2.3 Didaktisch-methodische Überlegungen
2.4 Geplanter Unterrichtsverlauf

3. Literaturverzeichnis

4. Anhang
4.1 Arbeitsblatt

1. Darstellung der längerfristigen Unterrichtszusammenhänge

1.1 Thema der Unterrichtsreihe

„Neuronale Informationsverarbeitung – von der Sinneszelle bis zur Reaktion“

1.2 Einbettung der Stunde in den Reihenkontext

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.3 Analyse der Lerngruppe

- aus Datenschutz rechtlichen Gründen entfernt –

1.3 Relevanzanalyse

Der Kernlehrplan Biologie für die Sekundarstufe II am Gymnasium des Landes Nordrhein-Westfalen sieht im Inhaltsfeld 4, Neurobiologie, die Beschäftigung mit der neuronalen Informationsverarbeitung vor (Siehe Kernlehrplan S. 30 ff).[1] Exemplarisch kann in diesem Zusammenhang ein Sinnesorgan zur Veranschaulichung der Informationsverarbeitung und –weiterleitung ausgewählt werden. Darüber hinaus wird im hausinternen Schulcurriculum für den Grundkurs der Jahrgangsstufe 11 die Behandlung des Sinnesorgans Auge vorgeschlagen. Neben der Behandlung vom Bau und der Funktion des Auges sollen auch Selbstversuche und physiologische Experimente durchgeführt werden.

2. Planungsentscheidungen zur Unterrichtsstunde

2.1 Sachanalyse

Das Auge ist eines der wichtigsten Sinnesorgane der höher entwickelten Lebewesen, da es die Aufnahme von zahlreichen Reizen aus der Umgebung und ihre anschließende Verarbeitung ermöglicht. Die Fähigkeiten des Farbsehens und auch des so genannten Hell-Dunkel-Sehens ermöglichen es die Bilder der Umgebung in ihrer vollen Pracht wahrzunehmen. Für diese komplexen Vorgänge sind Sinneszellen (Rezeptorzellen) auf der Netzhaut nötig, in denen durch Reize aus der Umwelt Erregungen ausgelöst werden. Die Rezeptorzellen im Auge liegen auf der dem Licht abgewandten Seite der Netzhaut. Unter dem Mikroskop lassen sich zwei Arten von Zellen unterscheiden. Die Stäbchen sind ihrer Form schlank und dienen dem Hell-Dunkel-Sehen, während die kegelförmigen Zapfen für das Farbensehen verantwortlich sind.Über synaptische Kontakte sind die Rezeptorzellen mit Bipolarzellen und diese wiederum mit Ganglienzellen verbunden. Die Nervenfasern der Ganglienzellen vereinigen sich schließlich zum Sehnerv. Die Erregung einer Sinneszelle kann mehr als eine Ganglienzelle beeinflussen. Das kommt daher, das quer zu ihnen außerdem die Amakrinen und die Horizontalzellen verschaltet sind. Es gibt deutlich mehr Sinneszellen als Ganglienzellen auf der Netzhaut. Sie sind unterschiedlich dicht auf ihr verteilt. So gibt es im zentralen Bereich, dort wo das Licht eines fixierten Punktes auf die Netzhaut fällt, nur Zapfen. Man nennt diese vertiefte Stelle zentrale Sehgrube (Fovea). An dieser Stelle allein kommt auf jeden Zapfen eine Ganglienzelle. Aus diesem Grund müssen wir Gegenstände, die wir deutlich sehen wollen, so betrachten, dass sie auf diesem Bereich abgebildet werden. Im Gegenteil zu der Fovea liegen auf der Stelle, an der der Sehnerv durch die Netzhaut tritt, keine Rezeptorzellen. Dies ist der so genannte „Blinde Fleck“.

Auf der Netzhaut liegen mosaikartig angeordnet insgesamt etwa 6 Millionen Zapfen und 120 Millionen Stäbchen. Sie nehmen elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 400 nm (violett) bis 700 nm (rot) auf. Nur Licht, das Wellenlängen in diesem Bereich aufweist, führt zu einer Erregung. Im Gehirn nehmen wir dies dann als Licht unterschiedlicher Farben wahr.

Beide Rezeptorzelltypen sind sehr ähnlich aufgebaut. Im Innensegment liegen der Zellkern sowie Mitochondrien und die synaptischen Endigung. Das Außensegment besteht aus vielen Lamellen, die durch Einfaltungen der Zellmembran entstanden. Diese Einfaltungen schnüren sich zu so genannten Disks ab. Sie sind innerhalb der Außensegmente freischwimmend. Innerhalb der Membran der Lamellen oder der Disks liegen die Sehpurpurmoleküle, das Rhodopsin.

Das Rhodopsin besteht aus dem Protein Opsin und dem Retinal, was aus Vitamin A aufgebaut wird. Daher kann es bei Vitamin A- Mangel zur Beeinträchtigung der Sehfähigkeit kommen.

Rhodopsin kann in zwei unterschiedlichen Formen vorkommen. Die cis-Form ist gewinkelt, während die trans-Form einen gestreckten Aufbau besitzt. Durch Lichteinfall kann sich aus der cis-Form die trans-Form bilden.

Misst man das Rezeptorpotential an den Lichtsinneszellen, stellt man eine enorme Veränderung des Membranpotentials fest. Bei Lichteinstrahlung kommt es zu einer Hyperpolarisation von -30 mV auf -70 mV. Das bedeutet, dass die Zellmembran ohne Reiz stärker depolarisiert ist. Dies lässt sich vermutlich dadurch erklären, dass bei einer Erregung durch Licht die Na+-Ionenkanäle (so genannte CNG-Kanäle) geschlossen sind. Demnach sind bei Dunkelheit mehr Na+-Ionenkanäle geöffnet, als bei Lichteinwirkung. Da im Dunklen ständig Natrium-Ionen in den Photorezeptor einströmen und durch die Natrium-Kalium-Pumpe wieder hinausbefördert werden, spricht man hier von einem regelrechten "Dunkelstrom". Durch die Absorption von Licht durch das Rhodopsin wird dieser Dunkelstrom unterbrochen.

Die Na+-Ionenkanäle werden bei Lichteinstrahlung geschlossen, indem das Retinalmolekül im Rhodopsin sich spaltet. Anschließend aktiviert das Retinal das Protein Transducin in der Lamellenmembran der Stäbchen. Transducin bewirkt dann schließlich den Abbau von sekundären Botenstoffmolekülen (cGMP) , die an den Na+-Ionenkanälen gebunden sind, um sie offen zu halten. Dadurch werden die Kanäle geschlossen.

Um eine Hyperpolarisation auszulösen, reicht ein kurzer Lichtreiz aus. Um einen erkennbaren Reiz zu verursachen benötigt es jedoch einen Verstärkermechanismus, eine so genannte Erregungskaskade. Die Veränderung des Zellmembranpotentials führt jedoch nicht zu einem Aktionspotential an der Lichtsinneszelle, sondern zu einer Veränderung des elektrischen Feldes, was sich bis zur präsynatischen Membran der Zelle ausbreitet. Dort wird der Transmitter Glutamat freigesetzt, welche auf die nachfolgende Bipolarzelle depolarisierend wirkt. Diese wirkt schließlich auf die folgende Nervenzelle ein.

Retinal und Opsin regenerieren sich anschließend mit Hilfe eines Enzyms wieder zu Rhodopsin.

2.2 Lernziele/Kompetenzen

Hauptlernziel:

Die Schülerinnen und Schüler wissen um den Ablauf der Fototransduktion und können diesen beschreiben.

Teillernziele:

Die Schülerinnen und Schüler...

- erfahren die Problematik bei fast vollkommener Dunkelheit Farben zu unterscheiden, indem sie einen Selbstversuch durchführen und von ihren Erlebnissen berichten.
- verbessern ihre rezeptiven Fähigkeiten, indem sie einen Fachtext intensiv und konzentriert alleine erarbeiten
- schulen ihre kommunikativen und sozialen Kompetenzen, indem sie sich mit ihren Klassenkameraden über den Vorgang der Fototransduktion austauschen und Fragen dazu klären.
- vertiefen den Ablauf der Fototransduktion, indem sie die Erkenntnisse aus dem Text auf die Abbildung übertragen.
- begreifen, dass die Stäbchen sehr viel lichtempfindlicher sind als die Zapfen und daher zu Beginn der Stunde nur die Umrisse der Karton-Katzen zu erkennen waren, nicht aber die Farben, indem sie die Informationen aus der Erarbeitung auf den Selbstversuch beziehen.

2.3 Didaktisch-methodische Überlegungen

Die durchgeführte Reihe beschäftigte sich mit den Abläufen der Informationsverarbeitung im Bereich der Neurologie. Die Voraussetzung für die Reizverarbeitung ist zunächst seine Aufnahme, was vor allen Dingen über die Sinnesorgane geschieht. Das Auge nimmt in diesem Zusammenhang eine besonders große Bedeutung ein. Über die Fähigkeit des Sehens kann der Mensch zahlreiche Eindrücke aus der Umgebung erfassen und darauf reagieren. Somit liegt es nahe, dass besonders dieses Sinnesorgan im Interesse der Schüler liegt. Um die Motivation für das recht komplexe Thema der Fototransduktion bereits zu Beginn der Stunde möglichst hoch zu halten, wurde als Einstieg ein Selbstversuch gewählt. Die Jugendlichen bekommen pro Tisch einen Briefumschlag. Bevor das Licht gelöscht wird, wird die Aufgabe erklärt, da im Dunkeln möglicherweise aufkommende Fragen wahrscheinlich nicht mehr beantwortet werden können. Das Licht wird schließlich gelöscht und die Schülerinnen und Schüler sollen die verschieden farbigen Karton-Katzen nach ihrer Farbe sortieren. Diese schwierige Aufgabe können die SuS in der Gruppe bewältigen, um sich gegenseitig zu beraten, um welche Farben es sich handeln könnte. Durch die fast vollkommene Dunkelheit werden nur die Umrissen und höchstens bei den hellen und dunkleren Farben leichte Farbunterschiede zu erkennen sein, was die zunächst leicht erscheinende Aufgabe deutlich erschwert. Nachdem die Gruppen sich auf ein Ergebnis festgelegt haben, wird das Licht wieder angemacht und die SuS können überprüfen, ob sie mit ihrer Sortierung richtig lagen. In einem kurzen Gespräch können die Jugendlichen über ihre Erfahrungen in dem Selbstversuch sprechen. Vermutungen darüber, warum die Aufgabe doch schwieriger war als man dachte, können hier schon angestellt werden. Da in der letzten Stunde bereits über den Aufbau der Netzhaut und der Lichtsinneszellen (Stäbchen und Zapfen) gesprochen wurde, ist zu erwarten, dass einige SuS bereits vermuten, dass die geringe Lichtintensität die Leistung der Rezeptorzellen beeinträchtigt und daher alle Katzen, wie es das Sprichwort ganz ähnlich besagt, grau erschienen. Diese Hypothese kann zur Überleitung in die Erarbeitungsphase genutzt werden. Mit Hilfe eines Arbeitsblattes informieren sich die Jungen und Mädchen über den Vorgang der Fototransduktion und verinnerlichen den Ablauf zunächst in Einzelarbeit. Dem Prinzip der kooperativen Methode „Think-Pair-Share“ folgend, können die SuS anschließend ihre Erkenntnisse mit dem Sitznachbarn vergleichen und mögliche Fragen oder Unklarheiten mit Hilfe des Partners klären. Im Anschluss an die Erarbeitungsphase soll der Vorgang der Fototransduktion noch einmal im Plenum besprochen werden. Dazu erklärt ein Schüler den Ablauf an einer Folie, die die Transduktion abbildet. Die restlichen Lernenden machen sich Notizen auf ihrem Arbeitsblatt und können außerdem dem Vortragenden ergänzend zur Seite stehen. Die Methode des „Think-Pair-Share“ hat den Vorteil, dass die SuS sich zunächst alleine intensiv und konzentriert mit dem recht komplexen Thema beschäftigen können und sie auch in ihrem eigenen Lerntempo nicht gestört werden. Die Schülerinnen und Schüler bekommen mit dem Arbeitsblatt bereits die Abbildung, die später auch auf der Folie zu finden sein wird, um sich auf den Vortrag vorbereiten zu können und den Vorgang der Fototransduktion auch visuell noch einmal zu verinnerlichen. Lernende, die sehr schnell mit ihrer Aufgabe innerhalb der Einzel- oder Partnerarbeit fertig sind, bekommen eine zusätzliche, vertiefende Fragestellung, mit der sie sich auseinander setzen sollen. Die Besprechung des Ablaufs im Plenum stellt sicher, dass alle SuS den korrekten Vorgang der Fototransduktion auch zum Nachschlagen im Heft notiert haben.

2.4 Geplanter Unterrichtsverlauf

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3. Literaturverzeichnis

Ministerium für Schule und Weiterbildung des Landes Nordrhein-Westfalen: Kernlehrplan für die Sekundarstufe II Gymnasium/Gesamtschule in Nordrhein-Westfalen. Biologie. Ritterbach Verlag. 2013.

Gropengießer, Harald, Kattmann, Ulrich und Krüger, Dirk: Biologiedidaktik in Übersichten. Aulis Verlag. 2010.

Killermann, Wilhelm, Hiering, Peter und Starosta, Bernhard: Biologieunterricht heute. Eine moderne Fachdidaktik. Auer Verlag. 2011.

Beyer, Irmtraud, Bickel, Horst und Krull, Hans-Peter: Natura. Neurobiologie und Verhalten. Klette Verlag. 2011.

Arbeitsblätter:

Abbildung Fototransduktion: http://user.medunigraz.at/helmut.hinghofer-szalkay/Phototransduktion.jpg

4. Anhang

4.1 Arbeitsblatt

Die Fototransduktion in den Lichtsinneszellen

Die Fähigkeit Licht wahrzunehmen, also lichtempfindlich zu sein, basiert auf den im Außenglied der Rezeptorzellen enthaltenen Disks. In diesen Disks befinden sich die Sehpurpurmoleküle (Rhodopsin). Das Rhodopsin besteht aus dem Protein Opsin und dem Retinal, was aus Vitamin A aufgebaut wird. Rhodopsin kann in zwei unterschiedlichen Formen vorkommen. Die cis-Form ist gewinkelt, während die trans-Form einen gestreckten Aufbau besitzt. Durch Lichteinfall kann sich aus der cis-Form die trans-Form bilden.

Hyperpolarisation der Lichtsinneszellen:

Bei Lichteinstrahlung kommt es an der Membran der Stäbchen zu einer Hyperpolarisation von -30 mV auf -70 mV. Das bedeutet, dass die Zellmembran ohne Lichtreiz stärker depolarisiert ist. Dies lässt sich vermutlich dadurch erklären, dass bei einer Erregung durch Licht die Na+-Ionenkanäle (so genannte CNG-Kanäle) geschlossen sind. Demnach sind bei Dunkelheit mehr Na+-Ionenkanäle geöffnet, als bei Lichteinwirkung. Da im Dunklen ständig Natrium-Ionen in den Photorezeptor einströmen und durch die Natrium-Kalium-Pumpe wieder hinausbefördert werden, spricht man hier von einem regelrechten "Dunkelstrom". Durch die Absorption von Licht durch das Rhodopsin wird dieser Dunkelstrom unterbrochen.

Die Na+-Ionenkanäle werden bei Lichteinstrahlung geschlossen, indem das Retinalmolekül im Rhodopsin sich spaltet. Anschließend aktiviert das Retinal das Protein Transducin in der Lamellenmembran der Stäbchen. Transducin bewirkt dann schließlich den Abbau von sekundären Botenstoffmolekülen (cGMP), die an den Na+-Ionenkanälen gebunden sind, um sie offen zu halten. Dadurch werden die Kanäle geschlossen.

Weiterleitung des Reizes bis hin zur Nervenzelle:

Die Veränderung des Zellmembranpotentials, die durch das Schließen der Kanäle ausgelöst wird, führt zu einer V eränderung des elektrischen Feldes, was sich bis zur präsynatischen Membran der Zelle ausbreitet. Dort wird der Transmitter Glutamat gehemmt, was auf die nachfolgende Bipolarzelle und schließlich auf die Ganglienzelle aktivierend wirkt. Ein Aktionspotential entsteht und ein Signal wird ans Gehirn übertragen.

Um eine Hyperpolarisation in den Sinneszellen auszulösen, reicht ein kurzer Lichtreiz aus. Damit der beschriebene nachfolgende Vorgang jedoch in Gang gesetzt wird, wird ein Verstärkermechanismus benötigt, eine so genannte Erregungskaskade („Sehkaskade“). Diese benötigte Signalverstärkung wird durch Aktivierung mehrerer Enzyme durch Transducin erreicht.

Retinal und Opsin regenerieren sich anschließend mit Hilfe eines Enzyms wieder zu Rhodopsin.

Abbildung Fototransduktion: http://user.medunigraz.at/helmut.hinghofer-szalkay/Phototransduktion.jpg

Aufgaben:

1. Lies den Text gründlich durch und mache dir Notizen zum Ablauf der Fototransduktion.
2. Tausche dich mit deinem Partner über die Vorgänge in den Lichtsinneszellen aus und klärt Unklarheiten oder offene Fragen. Bereitet euch auf einen möglichen Vortrag über den Ablauf der Fototransduktion vor!
3.* Bonusfragen für ganz schnelle:

Wieso kann ein Mangel an Vitamin A zur Nachtblindheit führen?

Weshalb sieht man bei einem Schlag aufs Auge Sterne?

[...]


[1] Ministerium für Schule und Weiterbildung des Landes Nordrhein-Westfalen: Kernlehrplan für die Sekundarstufe II Gymnasium/Gesamtschule in Nordrhein-Westfalen. Biologie. Ritterbach Verlag. 2013. S. 30 ff.

Ende der Leseprobe aus 9 Seiten

Details

Titel
Problemorientierte Erarbeitung der Fototransduktion in den Lichtsinneszellen des menschlichen Auges
Untertitel
"Nachts sind alle Katzen grau"
Note
2,0
Autor
Jahr
2015
Seiten
9
Katalognummer
V295829
ISBN (eBook)
9783656940449
ISBN (Buch)
9783656940456
Dateigröße
497 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Stundenentwurf, Fototransduktion
Arbeit zitieren
Lisa Müller (Autor), 2015, Problemorientierte Erarbeitung der Fototransduktion in den Lichtsinneszellen des menschlichen Auges, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/295829

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