Biologie-Challenge 2020 · 2019. 11. 12. · Mydriasis. Pupille. Netzhaut. Mag. Franz Gapp...
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Mag. Franz Gapp Bio-Challenge „Das Auge“ Seite 1
Biologie-Challenge 2020 Förderung interessierter & begabter SchülerInnen
#1 Das Auge #2 Das Herz #3 Pflanzenanatomie #4 folgt #5 folgt #6 folgt
bio-challenge.at
Mag. Franz Gapp Bio-Challenge „Das Auge“ Seite 2
Biologie-Challenge
Das Auge 1 - Bau & Funktion des Wirbeltierauges
1. Umgebende Schichten
Augenhöhle: 4-5 cm tiefe knöcherne Grube im Schädel
Fettgewebe: schützendes Polster
Augenmuskeln: sechs Muskeln bewegen das Auge; Gegenstände verfolgen, ohne den Kopf zu bewegen
Augenlid: dünne Falte aus Muskeln, Drüsen, Bindegewebe und Haut; Schutz vor Strahlung, Luftzug,
Fremdkörpern etc.; Feuchthaltung des Auges; Wimpern als „Schmutzfang“
Oberlid, Unterlid & Nickhaut = dritte Falte, beim Menschen rudimentär, Schutzhaut bei vielen Wirbeltieren
Tränendrüsen: oberhalb des Auges; bis zu zehn Ausführgänge; Tränenflüssigkeit durch Augenlider verteilt;
enthält neben Kochsalz, Zucker, Eiweiße sowie Lysozym mit antibakterieller Wirkung;
Tränenflüssigkeit sorgt zusätzlich für eine gute Gleitfähigkeit der Augenlider und spült Fremdkörper weg
2. Aufbau des Auges
Hornhaut; gewölbt, durchsichtig & formstabil; dient
dem Schutz des geöffneten Auges; Lichtbrechung
durch Wölbung
Lederhaut: weiße Farbe; umschließt das Auge fast
vollständig; Schutz
Augenkammer(n): vordere Augenkammer zwischen
Hornhaut und Iris;
hintere Augenkammer zwischen Iris und Glaskörper
Kammerwasser: vom Ziliarkörper produziert;
Versorgung der nicht durchbluteten Gewebe des
Auges, wie z.B. Linse und Hornhaut; Lichtbrechung
Regenbogenhaut=Iris: im Kammerwasser;
scheibenförmig; Öffnung = Pupille, Lichtregulation –
siehe „Adaptation“; Pigmente: Farbe bzw. Muster,
individuell → Iris-Scan
Schlemmkanal: Abflussgänge für überschüssiges
Kammerwasser in kleine Venen → Augendruck
sinkt
Linse: elastisch; über Linsenbänder= Zonulafasern am ringförmigen Ziliarmuskel =Ziliarkörper befestigt; mit
Hilfe dieses Muskels kann die Augenlinse aktiv verformt werden = Akkommodation,
Brechkraft des Auges: Hornhaut +75 %, Kammerwasser -5%, Linse +30%, Glaskörper 0%
Glaskörper: 98% Wasser, Formgebung
Aderhaut: dichtes Geflecht von Blutgefäßen; Versorgung der äußeren Netzhautschichten mit Nährstoffen & O2
Netzhaut=Retina: Großteil der Augeninnenseite; mehrere Schichten; lichtempfindliche Photorezeptoren
(Stäbchen & Zapfen) der Netzhaut sind in der Aderhaut verankert
Stäbchen: Sehen bei schwacher Beleuchtung = Dämmerungssehen; 120 Mio. Stäbchen
Zapfen: drei Arten: grünes, blaues und rotes Licht; 6 Mio. Zapfen
Gelber Fleck = Makula; in der Augenhinterwand; Punkt, der am weitesten von der Linse entfernt ist;
Region mit den meisten Photorezeptoren → Ort des schärfsten Sehens;
Sehgrube im Zentrum des Gelben Flecks = kleine Vertiefung mit 0,35 mm Durchmesser; keine Stäbchen,
sondern etwa 140.000 Zapfen pro mm2.
Blinder Fleck: Austrittsstelle der Axone des Sehnervs → Stelle ohne Fotorezeptoren,
Tapetum lucidum: reflektierende Schicht zwischen Netzhaut und Aderhaut oder in der Netzhaut;
nicht beim Menschen, aber bei Katzen, Hunden, Pferden, Rindern; Licht passiert die Netzhaut zweimal →
besseres Sehen bei Lichtmangel
Auge des Menschen: 7,5 g; kugelförmig; mittlerer Durchmesser: 2,3cm
Abbildung 1: Längsschnitt durch ein Wirbeltierauge https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Eye_scheme.svg entnommen am 15.2.2019
Mag. Franz Gapp Bio-Challenge „Das Auge“ Seite 3
3. Sehvorgang, Adaptation & Akkommodation
Sehvorgang Licht gelangt durch Hornhaut, Kammerwasser, Linse und Glaskörper auf die Netzhaut;
Gegenstände werden verkleinert und verkehrt wahrgenommen → Sehnerv → Sehnervenkreuzung → seitliche
Kniehöcker → primäre Sehrinde
Adaptation: Anpassung an die Lichtverhältnisse im Gesichtsfeld; abrupte Helligkeitsänderung →Pupillenlichtreflex → Irismuskulatur → Verengung oder Erweiterung der Pupillen → Faktor 1:10 zeitlich verzögert: Änderung der Lichtempfindlichkeit der Photorezeptoren der Netzhaut (Retina), z.B. Gewöhnung an einen dunklen Raum…
Akkommodation
Fernakkommodation
Entfernung größer → Strahlengang fast parallel →
Linse muss weniger stark brechen → Ziliarmuskel
entspannt → Linsenbänder ziehen die Linse flach
(Abb.4, links & Abb. 5)
Nahakkommodation
Gegenstand vor dem Auge → Strahlengang verändert
→ Linse muss stärker brechen → mehr Muskelkraft
der Ziliarmuskeln → Ziliarfasern entlasten → Linse
fast kugelförmig, die Voraussetzung, um Dinge in der
Nähe zu fokussieren (Abb4, rechts & Abb. 6)
Abbildung 4: Akkommodation https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Focus_in_an_eye.svg entnommen am 2.3.2019
Abbildung 2: Strahlengang im Auge https://de.wikipedia.org/wiki/Wirbeltierauge#/media/File:Reiz%C3%BCbermittlung_festner.jpg entnommen am 2.3.2019
Abbildung 3: Sehnerven und Sehrinde https://de.wikipedia.org/wiki/Visuelles_System#/media/File:Sehsystem.png entnommen am 2.3.2019
Abbildung 5: Ziliarmuskel_erschlafft
1https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ziliarr
muskel_erschlafft.png entnommen am 1.3.2019
Abbildung 6: Ziliarmuskel_angespannt
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ziliarrmusk
el_angespannt.png entnommen am 1.3.2019
Mag. Franz Gapp Bio-Challenge „Das Auge“ Seite 4
Biologie-Challenge
Das Auge 2 – Fehlsichtigkeiten & Erkrankungen
1. Fehlsichtigkeiten
Einführung – „Dioptrie“
Maßeinheit für die Brechkraft; Kehrwert der Längeneinheit Meter → 1dpt =1m-1
gesundes menschliches Auge: 59 bis 60 dpt im akkommodationslosen Zustand;
positive Werte: Weitsichtigkeit; negative Werte: Kurzsichtigkeit:
-1 dpt: leichte Kurzsichtigkeit; ab -2dpt: Brille/Kontaktlinse erforderlich, -5dpt: starke Kurzsichtigkeit,
-10,0 dpt = Fernpunkt 10cm vor dem Auge
Kurzsichtigkeit
Bei einer Kurzsichtigkeit ist der Augapfel zu lang. Die Linse müsste im akkommodationslosen Zustand noch
flacher sein und bricht noch „zu stark“, Das Bild entsteht daher vor der Netzhaut. Man sieht aber in der Nähe
(„Kürze“) gut, da hier die Strahlen steiler eintreffen und gut gebrochen werden können. Korrektur durch eine
Zerstreuungslinse oder Lasern der Hornhaut → Augapfel wird kürzer.
Weitsichtigkeit
Bei einer Weitsichtigkeit ist der Augapfel zu kurz. Die Linse müsste im akkommodierten Zustand noch dicker
sein und bricht noch „zu schwach“, Das Bild entsteht hinter der Netzhaut. Man sieht aber in der Ferne („Weite“)
gut, da hier die Strahlen fast parallel eintreffen und gut gebrochen werden können. Korrektur durch eine
Sammellinse.
Altersweitsichtigkeit
Die Verformbarkeit der Augenlinse (Akkommodation) nimmt
mit zunehmendem Alter ab. Die Linse kann nicht mehr so
stark brechen - vergleichbar mit der Weitsichtigkeit,
Korrektur durch eine Sammellinse
Astigmatismus (Stabsichtigkeit)
Unregelmäßige gewölbte Hornhaut; meist angeboren;
verzerrtes Sehen, Korrektur mittels Brille/Linse oder durch
eine Laser-OP → Abschleifen der Unregelmäßigkeiten, wenn
unter 4dpt.
Abbildung 1, Vergleich: Normalsichtigkeit/ Kurzsichtigkeit/Weitsichtigkeit https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Refractive_errors.jpg entnommen am 2.3.2019
Abbildung 2: Kurzsichtigkeit & Korrektur https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Myopia-2-3.svg
Abbildung 3: Weitsichtigkeit & Korrektur https://de.wikipedia.org/wiki/%C3%9Cbersichtigkeit#/media/File:Hyperopia-GM.svg
Abbildung 4: Veränderung des Nahpunktes https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/52/Akkomodbreiterp.png
Mag. Franz Gapp Bio-Challenge „Das Auge“ Seite 5
2. Erkrankungen
Grauer Star (Katarakt)
Linsentrübung im Alter, aber auch
angeboren, traumatische Ursache,
durch Stoffwechselstörungen bedingt;
Abhilfe: Entfernung der Linse → Ersatz
durch eine Kunststofflinse – nicht
akkommodierbar
Grüner Star (Glaukom)
Augenerkrankung, die den Sehnerv beeinträchtigt und die Linse trübt. Ursache ist oft ein erhöhter
Augendruck. Folgen sind Beeinträchtigungen/Ausfälle im Gesichtsfeld bis hin zu einer vollständigen
Erblindung. Behandlung: medikamentöse Therapie und/oder Laser-OP, die z,B. den Abfluss der
Augenflüssigkeit und somit den Augendruck regulieren.
Nachtblindheit: Probleme in Dämmerung oder bei plötzlicher starker Helligkeit;
Ursachen: Störung der Stäbchen in der Netzhaut, Vitamin-A-Mangel, Folge einer anderen Augenerkrankung;
nur bei Vitamin-A-Mangel gut behandelbar
Farbenblindheit
* Rot-Grün-Schwäche ist nur eine, aber die bekannteste, weil häufigste Form.
X-Chromosomal bedingt → unterschiedlich häufig: 5% der Bevölkerung, ca. 9% der Männer und 0,8% der
Frauen; Ursache der Rot-Grün-Schwäche: Fehler im Sehpigment-Protein Opsin
* Rot-Blindheit: Zapfen für Rot fehlen.
Schielen
Fehlstellung der Augen; muskulär bedingt (Augenmuskeln)
Ursachen: angeboren, Folge eines Unfalls, Schlaganfall
Therapie: Zylindrische Sehhilfen, Übungen (Orthooptik), Operation
Netzhautablösung
Ursachen; mechanische Einwirkung (Unfall), Folge einer anderen Augenerkrankung (grauer und grüner Star),
Tumore, Diabetes, Schwangerschaft
Abbildung 6: Kunststofflinse 2https://de.wikipedia.org/wiki/Katarakt_(Medizin) entnommen am 3.3.2019
Abbildung 5: Grauer Star https://de.wikipedia.org/wiki/Katarakt_(Medizin)#/media/File:Cataract_in_human_eye.png entnommen am 3.3.2019
Mag. Franz Gapp Bio-Challenge „Das Auge“ Seite 6
Abbildung 2: Nachbilder, erstellt von Franz Gapp
Biologie-Challenge
Das Auge 3 – Versuche
Versuch 1
Betrachte das Blatt mit beiden Augen im Abstand
von etwa 40 cm! Schließe das linke Auge und
fixiere das links liegende Kreuz mit dem rechten
Auge! Bewege das Bild (das Kreuz wird ständig
fixiert) langsam auf das Auge zu !
• Was geschieht mit dem weißen Kreis während des Bewegens in Richtung Auge? Der Kreis verschwindet.
• Warum? Die Abbildung des Kreuzes auf der Netzhaut landet im blinden Fleck.
• Funktioniert der Versuch auch, wenn man das Kärtchen um 180° im Uhrzeigersinn dreht (Kreuz rechts, Kreis links)? Ja, das Verschwinden eines Symbols hat nichts mit der Form zu tun.
Versuch 2
Male eine der beiden Kreisflächen mit einem
farbigen Stift aus! Halte das Blatt etwa 50 cm von dir
entfernt und fixiere ca. 30
sec. lang die farbige
Kreisfläche! Blicke dann
auf die weiße Kreisfläche!
• Was siehst du? Die Komplementärfarbe – siehe Abbildung3!
• Warum? Negatives Nachbild; Photorezeptoren/Zäpfchen, die ständig einem Reiz ausgesetzt sind, werden in ihrer Reizaufnahme/Verarbeitung zurückgefahren. → Beim Betrachten einer weißen Fläche, die Farbe Weiß besteht aus allen Farben, wird diese Farbe kurzzeitig von weiß subtrahiert.
• Wiederhole den Versuch mit einer anderen Farbe! (Banknachbar etc.)
Versuch 3
Wiederhole den Versuch 2 mit diesem
Schwarzweißbild!
Betrachte ca. 40 sec. lang den Punkt in der
Bildmitte des linken Bildes! Blicke dann auf den
„einsamen“ Punkt im rechten Bild und blinzle
einige Male!
Abbildung 4: Nachbilder https://de.wikipedia.org/wiki/Nachbild#/media/File:Nachbild-1.svg entnommen am 2.3.2019
Abbildung 1: Versuch zum blinden Fleck, erstellt von Franz Gapp
Abbildung 3: Farbkreis https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Farbkreis_Itten_1961.svg entnommen am 3.3.2019
Mag. Franz Gapp Bio-Challenge „Das Auge“ Seite 7
Abbildung 5: Hemmung von Sehzellen, erstellt von Franz Gapp
Versuch 4
In einem dunklen Raum wird eine Kerze entzündet. Die Versuchspersonen blicken 30 sec. bis 1 min. in das Kerzenlicht. Danach wird die Kerze gelöscht.
• Was siehst du? Die Flamme, bzw. helle Elemente auch im Dunkeln. Warum? Positives Nachbild – die Photorezeptoren senden für kurze Zeit noch Reize.
Versuch 5
Eine Versuchsperson hält sich die flache Hand als Scheidewand zwischen beide Augen auf den Nasenrücken.
Nun wird ein Auge mit einer Taschenlampe (Handy!) beleuchtet.
• Was passiert mit der Pupille des beleuchteten Auges? Die Pupille verengt sich – Adaptation.
• Wie nennt man diese Reaktion? Pupillenreflex
• Was passiert mit der Pupille des unbeleuchteten Auges? Die Pupille verengt sich ebenfalls.
• Warum? Über die Verschaltung im Gehirn erfolgt eine Rückkoppelung.
Versuch 6
Eine Versuchsperson versucht mit dem Zeigefinger einen Stab zu treffen und hält sich dabei ein Auge zu.
Der Abstand wird nach jedem Versuch verändert.
Wiederhole den Versuch ohne geschlossenes Auge!
• Gibt es einen Unterschied in der Trefferquote? Ja
• Warum? Zwei Augen sind für ein gutes dreidimensionales Sehen erforderlich.
Versuch 7 Betrachte die Kreuzungen der weißen „Straßen“!
• Was fällt dir auf? Graue Flecken in den Kreuzungen der weißen „Straßen“
• Begründe die Erscheinung! Das weiße Licht führt zu einer leichten Hemmung der Stäbchen im Randbereich der betrachteten Stelle. In den Kreuzungen im Randbereich ist die Hemmung größer, da diese von mehr „weiß“ umgeben sind. Die fixierte Kreuzung liegt nicht im Randbereich und erscheint hell.
Versuch 8 Akkommodation: Nahpunkt und Fernpunkt Schließe ein Auge! Ein/e Mitschüler/in hält einen Text (Kopie, Heft, Bio-Buch etc.) so weit entfernt von dir, bis der Text gerade nicht mehr lesbar ist. Messe die Entfernung des Fernpunktes! Führe nun das Buch so nahe zum Auge, bis der Text gerade nicht mehr lesbar ist. Messe die Entfernung des Nahpunktes! Wie ändert sich der Nahpunkt im Laufe des Lebens? Siehe Auge 2 - Altersweitsichtigkeit
Mag. Franz Gapp Bio-Challenge „Das Auge“ Seite 8
Biologie-Challenge
Das Auge 4 – Evolution des Sehens Photorezeptor
Augentierchen (Euglena), Einzeller
Augenfleck=rötlicher Pigmentfleck, wirft einen Schatten
auf den Photorezeptor
Bewegung mittels Zuggeißel zum Licht
Lichtsinneszellen auf der Körperoberfläche
Regenwurm
→ Hell/dunkel-Wahrnehmung, grobes Richtungssehen,
kein Bild
Flachauge (Abb. 2 (a))
Quallen & Korallen
Sehzellen auf der Körperoberfläche
→ Hell/Dunkel-Wahrnehmung,
grobes Richtungssehen, kein Bild
Pigmentbecherauge
Strudelwürmer und Schnecke
Sehzellen in verkehrter Lage - vom Licht abgewandt
vor einem Becher aus lichtundurchlässigen
Pigmentzellen,
→ Hell/Dunkel-Wahrnehmung, Richtungssehen,
kein Bild
Grubenauge (b)
Napfschnecke
Sehzellen dem Licht zugewandt vor einem Becher
aus lichtundurchlässigen Pigmentzellen,
→ Hell/Dunkel-Wahrnehmung, Richtungssehen,
kein Bild
Lochkameraauge (c)
Kopffüßer, Seeohrschnecke
blasenförmiges Loch, verkehrtes Bild (vgl. Wirbeltierauge!),
je enger das Loch, desto schärfer, aber lichtschwächer wird das Bild
→ Hell/Dunkel-Wahrnehmung, Richtungssehen, teils scharfes Bild
Linsenauge der Weichtiere (d)
Meeresschnecken, Tintenfisch
Einstülpung der äußeren Zellen, Grube, schützende Hornhaut, Linse
→ Hell/Dunkel-Wahrnehmung, Richtungssehen, scharfes Bild
Abbildung 2: Augenevolution https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stages_in_the_evolution_of_the_eye_(de).png entnommen am 15.2.2019
Abbildung 1: Augentierchen (Euglena) https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Euglena?uselang=de#/media/File:Euglena_diagram.jpg entnommen am 3.3.2019
Mag. Franz Gapp Bio-Challenge „Das Auge“ Seite 9
Linsenauge der Wirbeltiere
viele Parallelen zum Linsenauge (Augenlid, Hornhaut, Linse, Glaskörper…) aber unabhängige Entstehung
durch eine Ausstülpung von Zellen; aus diesen Zellen entstand später auch unser Gehirn;
größter anatomischer Unterschied in der Netzhaut: anderer Aufbau und andere Versorgung
Die Form der Pupille ist nicht bei allen Tieren rund. Bei Schafen ist die Verengung waagerecht, bei Katzen
senkrecht. Im Randbereich des Sehens treten aufgrund der stärkeren Brechung, die Strahlen treffen hier
steiler ein, Fehler auf. Durch die Schlitze werden diese Randbereiche nicht auf der Netzhaut abgebildet.
Linsenauge der Greifvögel
– ein Vergleich mit dem Auge des Menschen höhere Dichte der Sehzellen auf der Netzhaut →
Auflösungsvermögen 3x höher;
Farbsehen überall im Gesichtsfeld möglich – andere Verteilung
der Zapfen;
manche Arten mit zweiter Sehgrube, welche ein „seitliches
Sehen“ ermöglicht → größeres Gesichtsfeld;
bis zu 150 Bilder pro Sekunde wahrnehmen; Mensch 25 Bilder,
vgl. „Daumenkino“
Facettenauge
Insekten, Krebse
aus vielen Einzelaugen=Ommatidien → Bild aus vielen Punkten
– vgl. Pixelbilder/digitale Fotografie
Libellen bis zu 28.000, Hirschkäferweibchen nur 300
Aufbau: A Chitinlinse, B Kristallkegel, C Hauptpigmentzelle, D Trennwand zum Nachbarommatidium, E Rhabdom, F Sehzellen, G Basalmembran, H Nervenfaser
Abbildung 3: Auge eines Uhus https://de.wikipedia.org/wiki/Auge#/media/File:Eagle(owl)-eye.JPG entnommen am 3.3.2019
Abbildung 5: Einzelauge= Ommatidie https://de.wikipedia.org/wiki/Facettenauge entnommen am 2.3.2019
Abbildung 4: Facettenaugen einer Schwebfliege https://de.wikipedia.org/wiki/Facettenauge#/media/File:Volucella_pellucens_head_complete_Richard_Bartz.jpg entnommen am 2.3.2019
Mag. Franz Gapp Bio-Challenge „Das Auge“ Seite 10
Biologie-Challenge
Das Auge 5– Sektion eines Rinderauges
Quelle: http://bio-info.ch/Kuhauge.pdf entnommen am 2.3.2019 (mit Genehmigung von Dieter Güntert)
Schritt 3 bitte überspringen!
Mag. Franz Gapp Bio-Challenge „Das Auge“ Seite 11
Mag. Franz Gapp Bio-Challenge „Das Auge“ Seite 12
Biologie-Challenge
Das Auge 6- Lernfragen
1. Bau und Funktion des Wirbeltierauges
a) Nenne die umgebenden Schichten des Auges und ihre Bedeutung!
b) Beschrifte die Skizze eines Wirbeltierauges und erläutere die Bedeutung der einzelnen
Gewebe/Strukturen!
c) Erstelle eine einfache Skizze eines Wirbeltierauges und beschrifte sie!
d) Erstelle eine einfache Skizze eines Wirbeltierauges und zeichne den Strahlengang ein!
e) Beschreibe den Weg der Lichtinformation von einem Objekt bis in das Gehirn!
f) Erläutere den Begriff „Adaptation“ und beschreibe die beiden Formen!
g) Erläutere den Begriff „Akkommodation“ anhand selbst erstellter Skizzen!
2. Fehlsichtigkeiten & Erkrankungen
a) Erläutere den Begriff „Dioptrie“!
b) Vergleiche die Weitsichtigkeit und die Kursichtigkeit anhand von selbst erstellten Skizzen!
Erläutere die Ursachen und nenne Korrekturmaßnahmen!
c) Erläutere den Begriff „Altersweitsichtigkeit“ und nenne Korrekturmaßnahmen!
d) Erläutere den Begriff „Astigmatismus“ und nenne Korrekturmaßnahmen!
e) Nenne und beschreibe 6 Erkrankungen des Auges!
3. Versuche
a) Führe jeden der 8 Versuche anhand des vorliegenden Materials (Kerze, Taschenlampe, Stab, Maßband
etc.) durch! Nenne Informationen zum Versuch und begründe das Ergebnis!
b) Nenne und beschreibe 6 Versuche zum Auge deiner Wahl!
Führe sie anhand des dazu erhaltenen Materials durch!
4. Evolution des Sehens
a) Nenne Informationen zu Photorezeptor, Lichtsinneszellen auf der Körperoberfläche, Flachauge,
Pigmentbecherauge, Grubenauge, Lochkameraauge, Linsenauge der Weichtiere und Linsenauge der
Wirbeltiere!
b) Erstelle eine einfache Skizze dreier Augen deiner Wahl und vergleiche sie hinsichtlich der
Sinnesleistungen!
c) Gehen näher auf das Linsenauge der Greifvögel ein!
d) Nenne 5 Informationen deiner Wahl zum Facettenauge!
5. Sektion eins Rinderauges
a) Führe die Sektion eines Rinderauges durch!
b) Benenne alle Strukturen, die du bei der Sektion eines Rinderauges entdeckst und erläutere ihre
Aufgabe(n)!