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Biologie-Challenge 2020 Förderung interessierter & begabter SchülerInnen

#1 Das Auge #2 Das Herz #3 Pflanzenanatomie #4 folgt #5 folgt #6 folgt

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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

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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

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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

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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

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Abbildung 2: Nachbilder, erstellt von Franz Gapp

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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

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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

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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

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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

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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!

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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)!