Aufgaben: Das Verdauungssystem

Bringe die folgenden Organe in die Reihenfolge, in der der Nahrungsbrei den Körper durchläuft, von der Aufnahme bis zur Ausscheidung des Kots: Dickdarm, Speiseröhre, After, Mund, Dünndarm, Magen.

Erkläre kurz, was im Magen und im Dünndarm mit der Nahrung geschieht.

Erkläre den Unterschied zwischen mechanischer und chemischer Verdauung und nenne jeweils ein Beispiel mit dem Organ, in dem sie stattfindet.

Ordne jedem Organ des Verdauungstrakts seine Aufgabe zu: Mund, Speiseröhre, Magen, Dünndarm und Dickdarm. Wähle aus: Nahrung zerkleinern und mit Speichel vermischen, Nahrungsbrei transportieren, ohne ihn zu verdauen, Nahrung mit sauren Verdauungssäften durchmischen, Verdauung abschließen und Nährstoffe aufnehmen, Wasser aufnehmen und dabei den Kot bilden.

Erkläre, was Speichel ist, wo er gebildet wird und welche zwei Aufgaben er beim Kauen für die Nahrung erfüllt.

Erkläre, was Kot ist, was er enthält, in welchem Organ er gebildet wird und warum er ausgeschieden werden muss.

Gib an, ob die folgenden Aussagen richtig oder falsch sind, und begründe deine Antwort: a) Die Zähne führen eine chemische Verdauung der Nahrung durch; b) Die Speiseröhre befördert den Nahrungsbrei zum Magen; c) Der größte Teil der Nährstoffe wird im Dickdarm aufgenommen.

Erkläre, was Verdauungsenzyme sind und warum man sagt, dass jedes von ihnen auf einen bestimmten Nährstoff wirkt.

Lina hat ein Brötchen mit Schinken gegessen. Beschreibe den Weg, den die Nahrung durch ihr Verdauungssystem nimmt, und nenne der Reihe nach die Organe, die sie durchläuft, bis die unverwertbaren Reste den Körper verlassen.

Suche in der Abbildung des Verdauungssystems die Leber und die Bauchspeicheldrüse. Diese beiden Organe gehören nicht zum Verdauungstrakt, sondern sind Anhangsdrüsen. Erkläre, was das bedeutet und welche Aufgabe jedes der beiden Organe bei der Verdauung hat.

Eine Person hat ein Magengeschwür und die Ärztin rät ihr, sehr fettreiche Mahlzeiten zu meiden. Der Magen verdaut vor allem Proteine. Erkläre, wo die Fette hauptsächlich verdaut werden und warum es die Heilung unterstützen kann, den Magen zu entlasten.

Beschreibe, was mit einem Stück Brot, das viel Stärke (ein Kohlenhydrat) enthält, geschieht, vom Eintritt in den Mund bis die Nährstoffe ins Blut gelangen. Nenne dabei die beteiligten Organe und Verdauungssäfte.

Der Magen enthält Säure und Enzyme, die Proteine abbauen können, und verdaut sich trotzdem nicht selbst. Erkläre, was ihn schützt, und überlege, was geschehen kann, wenn dieser Schutz versagt.

Ein Glas Milch liefert Proteine, Fette und ein Kohlenhydrat namens Laktose. Gib an, in welchem Organ die Verdauung jedes dieser Nährstoffe beginnt und in welchem die Endprodukte aufgenommen werden.

Man sagt oft: „Man muss das Essen gut kauen.“ Erkläre, indem du mechanische und chemische Verdauung miteinander in Beziehung setzt, welche Vorteile langsames Kauen für die Arbeit des übrigen Verdauungssystems hat.

Leber und Bauchspeicheldrüse geben ihre Säfte in den Verdauungstrakt ab, obwohl die Nahrung nicht durch sie hindurchgeht. Erkläre, wie diese Säfte in den Darm gelangen und welchen Nährstoff die Galle hauptsächlich verdauen hilft.

Bei einem Patienten mit nicht diagnostizierter Zöliakie hat die Immunreaktion auf Gluten die Zotten seines Dünndarms zerstört und abgeflacht. Dadurch ist seine innere Resorptionsfläche von etwa $250\ \text{m}^2$ auf weniger als $15\ \text{m}^2$ gesunken. Obwohl er täglich ausreichend Nahrung zu sich nimmt ($2400\ \text{kcal}$), nimmt er schnell ab und leidet unter Blutarmut und ständiger Müdigkeit.

1. a) Begründe, warum es trotz ausreichender Ernährung zu Gewichtsverlust und Mangelerscheinungen kommt, und stelle dabei den Bezug zur Funktion der Darmzotten her.
2. b) Ein Verwandter schlägt vor: „Wenn das Problem ist, dass du zu wenig aufnimmst, musst du nur täglich dreimal so viel essen, um das auszugleichen.“ Beurteile naturwissenschaftlich, ob diese Lösung funktionieren würde oder welche Probleme sie für sein Verdauungssystem verursachen würde.

Karl wurde die Gallenblase operativ entfernt. Sein Freund Markus sagt: „Ab jetzt kann dein Körper keine Fette mehr verdauen, weil du das Organ verloren hast, das die Galle herstellt.“

1. a) Nenne die zwei fachlichen Fehler in Markus’ Aussage und korrigiere sie. Erkläre genau, welches Organ die Galle tatsächlich bildet und welche Aufgabe die Gallenblase genau hatte.
2. b) Der Arzt hat Karl geraten, sehr fettreiche Mahlzeiten zu meiden. Erkläre auf physikalischer und chemischer Ebene, was im Zwölffingerdarm mit den Fetten geschieht, wenn keine konzentrierte Gallenabgabe zur Verfügung steht, und warum die Lipasen der Bauchspeicheldrüse Schwierigkeiten haben zu wirken, wenn die Galle nur in einem langsamen, gleichmäßigen Tröpfeln ankommt.

Für lange Weltraummissionen wird vorgeschlagen, Astronauten mit flüssigen Präparaten zu ernähren, in denen die Proteine bereits zu freien Aminosäuren, die komplexen Kohlenhydrate zu Glucose und die Fette zu Fettsäuren und Glycerin abgebaut sind. Ein Astronaut behauptet: „Bei diesem Shake müssen Magen und Bauchspeicheldrüse doppelt so viel arbeiten, um alles sehr schnell zu verdauen.“

1. a) Widerlege die Aussage des Astronauten. Erkläre, welche mechanischen und chemischen Verdauungsschritte völlig entfallen und welche Verdauungssekrete deutlich weniger aktiv sein werden.
2. b) Leite her, in welchem Abschnitt des Verdauungstrakts die Nährstoffe dieses Präparats überwiegend aufgenommen werden, und sage voraus, welche Folgen das dauerhafte Fehlen von Ballaststoffen und festen Resten in der Nahrung für die Bewegung und Gesundheit des Dickdarms hat.

In einer Ernährungsstudie wurde die Darmpassage von zwei Gruppen Freiwilliger verglichen, die gleich viele Kalorien und gleich viel Wasser zu sich nahmen, sich aber unterschiedlich ernährten:

• Gruppe A (Ernährung reich an stark verarbeiteten Lebensmitteln und Fleisch, arm an Ballaststoffen): mittlere Darmpassagezeit = $68\ \text{h}$; mittlere Kotmenge = $75\ \text{g}$ pro Tag (harter, trockener Stuhl).

• Gruppe B (Ernährung reich an Gemüse, Hülsenfrüchten und Vollkorngetreide): mittlere Darmpassagezeit = $28\ \text{h}$; mittlere Kotmenge = $180\ \text{g}$ pro Tag (weicher, voluminöser Stuhl).

1. a) Erkläre anhand der Daten den physikalischen Mechanismus, durch den pflanzliche Ballaststoffe die Beschaffenheit des Stuhls und die Geschwindigkeit der Passage durch den Dickdarm verändern.
2. b) Ein Schüler behauptet: „Da pflanzliche Ballaststoffe nicht verdaut werden können und unseren Zellen weder Energie noch Nährstoffe liefern, sind sie nutzlos und sollten aus der Nahrung gestrichen werden.“ Widerlege seine Aussage, indem du herleitest, welchen Gesundheitsproblemen Gruppe A ausgesetzt ist, und erklärst, welche Rolle die Ballaststoffe für die Darmflora spielen.

Bei zwei Patienten (A und B) wird ein medizinischer Test durchgeführt, nachdem sie nüchtern ein Glas Milch mit $25\ \text{g}$ Laktose getrunken haben. In den folgenden zwei Stunden werden ihr Blutzucker und die Konzentration von Wasserstoffgas ($\text{H}_2$) in ihrer Atemluft gemessen:

• Patient A: Sein Blutzucker stieg nach $45\ \text{Minuten}$ um $35\ \text{mg/dL}$; das $\text{H}_2$ in seiner Atemluft blieb praktisch bei null. Er hatte keine Beschwerden.

• Patient B: Sein Blutzucker veränderte sich kaum; dagegen stieg nach $90\ \text{Minuten}$ das $\text{H}_2$ in seiner Atemluft sprunghaft an und er bekam Bauchschmerzen, Blähungen und Durchfall.

1. a) Deute die Ergebnisse: Bestimme, welcher der beiden Patienten eine Laktoseintoleranz hat, begründe, warum bei ihm der Blutzucker nicht ansteigt, und erkläre, welche Mikroorganismen das Gas $\text{H}_2$ im Dickdarm durch welchen Vorgang erzeugen.
2. b) Sage voraus, was mit dem Blutzucker und den Beschwerden von Patient B geschehen würde, wenn er den Test mit „laktosefreier“ Milch (industriell mit Laktase behandelt) wiederholte, und begründe, warum diese Milch deutlich süßer schmeckt als normale Milch.

Bei einer bakteriellen Magen-Darm-Entzündung reizen die Toxine die Wände des Verdauungstrakts und lösen eine stark beschleunigte Peristaltik aus (Kontraktionsbewegungen, die den Inhalt durch den Darm schieben). Ein betroffenes Kind hat häufig wässrigen Durchfall.

1. a) Begründe unter Berücksichtigung der normalen Funktion des Dickdarms, warum eine zu schnelle Darmpassage die normale Aufnahme von Wasser und Mineralsalzen verhindert und wässrigen Stuhl verursacht.
2. b) Ein Verwandter des Kindes schlägt vor: „Damit es nicht austrocknet und wieder zu Kräften kommt, gibt man ihm am besten auf einmal ein großes Glas Wasser mit drei Esslöffeln Zucker und eine Cola.“ Begründe naturwissenschaftlich, warum dieses Hausmittel den Durchfall und den Wasserverlust verschlimmert (wende das Konzept der Osmose an der Darmwand an: Wasser durchquert Membranen von der Seite mit weniger gelösten Stoffen zur Seite mit mehr), und erkläre, warum die orale Rehydrationslösung in sehr kleinen, häufigen Mengen gegeben werden muss.

Es gibt die weit verbreitete Annahme, dass Baden in kaltem Wasser oder intensiver Sport nach dem Essen einen „Verdauungsstopp“ auslöst, weil der Magen durch die plötzliche Abkühlung lahmgelegt wird. In Wirklichkeit handelt es sich um einen Kreislaufkonflikt durch die Umverteilung des Blutflusses:

1. a) Nach einer reichhaltigen Mahlzeit nimmt die Durchblutung des Verdauungssystems stark zu (postprandiale Hyperämie). Begründe, welche zwei Stoffwechselbedürfnisse die Verdauungsorgane (Magen und Darm) haben, die diese zusätzliche Blutmenge erfordern.
2. b) Wenn eine Person direkt nach dem Essen plötzlich intensiv schwimmt, verlangen auch ihre Skelettmuskeln dringend eine große Menge sauerstoffreiches Blut. Sage voraus, welcher Kreislaufkonflikt entsteht, weil das Herz nicht beide Systeme gleichzeitig maximal versorgen kann, und erkläre, welche Symptome (Schwindel, Muskelkrämpfe, Ohnmacht) auftreten können.

In einem Physiologielabor wird ein Modell des Dünndarms aufgebaut: ein Beutel aus einer semipermeablen Membran, dessen Poren nur Moleküle mit einer Größe unter $1\ \text{nm}$ durchlassen (ähnlich groß wie die Poren, die den Übertritt in die Blutkapillaren erlauben). In den Beutel wird ein Gemisch aus Wasser, Mineralsalzen, Glucose, Stärke, Aminosäuren und Proteinen gegeben. Anschließend wird der Beutel in ein Gefäß mit reinem Wasser getaucht.

1. a) Nach drei Stunden wird das Wasser im äußeren Gefäß untersucht. Sage begründet voraus, welche dieser Stoffe im Außenwasser nachgewiesen werden und welche im Beutel zurückbleiben.
2. b) Begründe anhand des Ergebnisses biologisch, warum komplexe Nahrung wie Fleisch oder Brot vor der Aufnahme chemisch durch Enzyme (wie Proteasen und Amylasen) verdaut werden muss, während Wasser, Salze und Vitamine ohne vorherige Verdauung direkt aufgenommen werden können.