Aufgaben: Die Effektororgane

Nenne die beiden Arten von Effektororganen, die die Reaktionen des Körpers ausführen, und gib für jede ein konkretes Beispiel für ihr Handeln in ein und derselben Gefahrensituation an.

Erkläre, was Hormone sind, welche Organe sie produzieren und wie sie zu den Zellen gelangen, auf die sie wirken.

Gib an, ob diese Strukturen Muskeln, Knochen oder endokrine Drüsen sind und welche Effektorfunktion jede von ihnen erfüllt: Bizeps, Oberschenkelknochen, Schilddrüse, Zwerchfell, Nebennieren.

Erkläre, was ein Gelenk ist, und nenne zwei Beispiele für Gelenke des menschlichen Körpers. Gib an, welche Bewegungen jedes Gelenk ermöglicht.

Nenne die drei Teile des Bewegungsapparats und gib die allgemeine Funktion jedes Teils bei der Bewegung an.

Erkläre, was eine endokrine Drüse ist, und nenne zwei Beispiele. Gib das Hormon an, das jede produziert, und seine Hauptwirkung.

Gib an, ob diese Aussagen richtig oder falsch sind, und begründe deine Antwort: a) Die Skelettmuskeln bewegen die Knochen, indem sie sie wegdrücken; b) Das Skelett schützt auch empfindliche Organe; c) Die Hormone gelangen über das Blut zu den Organen, auf die sie wirken.

Erkläre den Unterschied zwischen willkürlichen und unwillkürlichen Muskeln und nenne für jede Art ein Beispiel.

Beschreibe, wie Knochen, Gelenke und Muskeln zusammenarbeiten, wenn du den Arm beugst, um eine Wasserflasche anzuheben. Gib an, was jedes Element zur Bewegung beiträgt.

Die Schemata A und B zeigen denselben Arm mit den beiden Muskeln, die den Unterarm bewegen und mit ? gekennzeichnet sind: In jedem Fall erscheint einer verdickt (angespannt) und der andere gestreckt (entspannt). Gib an, welcher Muskel (Bizeps oder Trizeps) in jedem Schema angespannt ist. Erkläre unter Berücksichtigung, dass Skelettmuskeln nur ziehen, nicht schieben können, warum man zum Beugen und Strecken des Unterarms das koordinierte Zusammenwirken beider Muskeln braucht und wie man diese Art von Muskelpaaren nennt.

Vergleiche die Muskelreaktion und die Hormonreaktion des Körpers: Welche ist schneller, welche dauert länger, wie gelangt der Befehl jeweils zum Zielorgan? Nenne für jede Art ein Alltagsbeispiel.

Bei intensiver Anstrengung schlägt das Herz schneller und die Atmung beschleunigt sich. Erkläre, warum die Arbeit der Muskeln das Zusammenwirken von Herz-Kreislauf-System und Atmungssystem erfordert.

Wenn es sehr kalt ist, zittern wir, ohne es zu entscheiden. Erkläre, um welche Art von Reaktion es sich handelt, welche Effektororgane tätig sind und warum diese Kontraktionen helfen, die Körpertemperatur aufrechtzuerhalten.

Ein Kind wächst in einigen Monaten mehrere Zentimeter, ohne es zu bemerken, während das Aufstehen vom Stuhl sofort geschieht. Vergleiche die Wirkung des Wachstumshormons mit der eines Skelettmuskels im Hinblick auf Schnelligkeit, Dauer und die Art, wie der Befehl ankommt.

Bei einer Knöchelverstauchung schwillt das Gelenk an und schmerzt. Erkläre, welche Strukturen des Gelenks beim Umknicken des Fußes geschädigt werden können und warum die Entzündung in diesem Bereich auftritt.

Die Knochen von Kindern biegen sich stärker, bevor sie brechen, als die älterer Menschen. Bringe diesen Unterschied mit der Zusammensetzung des Knochens in den jeweiligen Lebensaltern in Zusammenhang und erkläre, welche Gewohnheiten in der Jugend helfen, im Alter feste Knochen zu haben.

In einem Experiment wird einem Labortier ein Medikament verabreicht, das gezielt die Adrenalinrezeptoren in den Zellen der Leber und der Bronchien blockiert, aber sein Herz und sein Nervensystem nicht verändert. Beim plötzlichen Auftauchen eines Fressfeindes:

1. a) Sage voraus, welche Schwierigkeiten seine Skelettmuskeln haben werden, einen intensiven und langen Lauf durchzuhalten. Begründe deine Antwort mit der Zellatmung und den Stoffen, die sie benötigt.
2. b) Ein Forscher behauptet: „Da die motorischen Nerven den Muskeln weiterhin befehlen, sich zusammenzuziehen, wird das Tier genauso schnell und genauso lange rennen.“ Widerlege diese Aussage, indem du erklärst, warum die Alarmreaktion bei Gefahr das koordinierte Zusammenwirken von Hormonsystem und nicht nur des Nervensystems braucht.

In einem medizinischen Labor wird der Blutzuckerspiegel (Glucosekonzentration im Blut) zweier Patienten nüchtern und zwei Stunden nach einem identischen, kohlenhydratreichen Frühstück untersucht:

• Patient A: 0,9 g/L nüchtern → 1,1 g/L nach zwei Stunden.

• Patient B: 1,4 g/L nüchtern → 2,4 g/L nach zwei Stunden.

1. a) Interpretiere diese Ergebnisse und bestimme mit Begründung, bei welchem der beiden Patienten die Bauchspeicheldrüse als endokrines Effektororgan nicht richtig funktioniert.
2. b) Ein Mitschüler behauptet: „Der Patient mit den höheren Werten hat mehr Glucose im Blut, deshalb haben seine Muskelzellen viel mehr Energie für körperliche Anstrengung zur Verfügung.“ Widerlege seine Aussage begründet, indem du erklärst, was Insulin in den Zielzellen genau bewirkt und welche tatsächliche Folge für die Zellen eintritt, wenn dieses Hormon nicht verabreicht wird.

Ein Sportler erleidet einen vollständigen Riss der Achillessehne, der Struktur, die den Wadenmuskel mit dem Fersenbein (Knochen der Ferse) verbindet. Beim Versuch, sich auf die Zehenspitzen zu stellen:

1. a) Der Wadenmuskel erhält den motorischen Befehl, verkürzt sich und wölbt sich deutlich vor, aber die Ferse hebt sich überhaupt nicht vom Boden. Begründe diese biomechanische Tatsache, indem du erklärst, welches Glied der Kraftübertragung ausgefallen ist und was mit der durch die Muskelkontraktion erzeugten Kraft geschieht.
2. b) Ein Freund des Sportlers schlägt vor: „Damit er während der Genesung gehen kann, legen wir sein Sprunggelenk mit einem starren Gipsstiefel fest; so kann sich der Wadenmuskel am Gips abstützen und die Ferse anheben.“ Widerlege diesen Vorschlag biomechanisch, indem du die unverzichtbare Rolle erklärst, die sowohl die Sehne als auch das bewegliche Gelenk im Hebelsystem des Bewegungsapparats spielen.

Im menschlichen Körper erfasst die Hypothalamus-Hypophysen-Achse den Testosteronspiegel im Blut: Ist die Konzentration hoch, sendet sie keine anregenden Signale mehr an die Hoden, damit diese ihre eigene Produktion einstellen (negative Rückkopplung). Ein Bodybuilder spritzt sich sechs Monate lang hohe Dosen synthetisches Testosteron und setzt es dann abrupt ab.

1. a) Sage voraus, was nach diesen sechs Monaten mit der Masse und der Drüsenaktivität seiner eigenen Hoden geschehen sein wird. Begründe deine Vorhersage mit dem beschriebenen hormonellen Regelmechanismus.
2. b) Sage voraus, unter welchem schweren Hormonungleichgewicht dieser Sportler in den Wochen unmittelbar nach dem plötzlichen Absetzen leiden wird, und begründe, warum er am Tag nach dem Absetzen keinen normalen Hormonspiegel wiedererlangen kann.

Das Knochengewebe ist nicht starr: Es wird ständig ab- und aufgebaut. Die Knochenmasse erreicht ihren Höchstwert („Peak Bone Mass“) um das 25. Lebensjahr und nimmt ab dem 45. Lebensjahr auf natürliche Weise mit einer Rate von etwa 1,0 % pro Jahr ab. Sinkt die Knochenmasse unter 60 Einheiten, steigt das Risiko für Brüche bei leichten Verletzungen stark an.

• Person A (trieb in ihrer Jugend regelmäßig Sport und ernährte sich calciumreich): erreicht mit 25 Jahren einen Höchstwert von 100 Einheiten.

• Person B (in der Jugend bewegungsarm und mit Calciummangel): erreicht mit 25 Jahren nur einen Höchstwert von 75 Einheiten.

1. a) Nimm an, dass beide ab dem 45. Lebensjahr jedes Jahr 1,0 % ihrer maximalen Masse verlieren. Berechne die Knochenmasse beider mit 65 Jahren (nach 20 Jahren Verlust). Begründe anhand der Ergebnisse, warum man sagt, dass Gewohnheiten in der Jugend eine „Investition“ für das Alter sind.
2. b) Wenn beide Personen mit 65 Jahren einen Knochenbruch erleiden, warum wird der Knochen bei ihnen viel länger brauchen zu verheilen als bei einem 10-jährigen Kind? Begründe deine Antwort, indem du die Aktivität der Knochenzellen und die Durchblutung in beiden Lebensabschnitten vergleichst.

Thyroxin, das von der Schilddrüse produziert wird, ist das Hormon, das den Grundumsatz reguliert, also das Tempo, mit dem die Zellen Nährstoffe und Sauerstoff verbrauchen, um Energie zu gewinnen (Zellatmung). Bei der Schilddrüsenunterfunktion ist die Thyroxinproduktion unzureichend.

1. a) Die drei klassischen Symptome der Schilddrüsenunterfunktion sind allgemeine Müdigkeit, Gewichtszunahme (auch ohne mehr zu essen) und ständige Kälteempfindlichkeit. Begründe die biologische Ursache jedes dieser drei Symptome, indem du sie direkt mit der Zellatmung in Verbindung bringst.
2. b) Ein Patient sagt zum Arzt: „Da mir Energie fehlt und ich friere, esse ich statt der täglichen Thyroxin-Tablette lieber doppelt so viel Zucker und benutze eine Heizdecke.“ Widerlege die Idee des Patienten, indem du erklärst, warum mehr Nährstoffe nichts nützen, wenn der hormonelle Befehl an die Effektoren fehlt.

Um zu untersuchen, wie Nervensystem und Bewegungsapparat zusammenwirken, werden drei Patienten mit unterschiedlichen Beeinträchtigungen eines Beins nach einem Monat Verlauf untersucht:

• Patient A: Sein Bein ist nach einem Knöchelbruch durch einen Gips ruhiggestellt (motorische Nerven und Muskeln sind intakt, aber das Gelenk bewegt sich nicht).

• Patient B: Er hat eine vollständige Durchtrennung des Ischiasnervs erlitten, der die Beinmuskeln versorgt (die Muskeln sind vom Rückenmark abgekoppelt).

• Patient C: Er hat dieselbe Nervenverletzung wie Patient B, erhält aber täglich Sitzungen mit externer elektrischer Stimulation, die direkt auf der Haut über dem Muskel angewendet wird und seine Kontraktion auslöst.

1. a) Sage voraus, bei welchem der drei Patienten die schwerste und schnellste Muskelatrophie auftreten wird, und begründe, warum Patient C trotz derselben neurologischen Verletzung die Muskelmasse besser erhält als Patient B.
2. b) Ein Schüler meint: „Um die Atrophie bei Patient B zu verhindern, würde es genügen, das motorische Areal seines Gehirns mit Elektroden zu stimulieren, damit es stärkere Befehle sendet.“ Widerlege diese Aussage, indem du den anatomischen Weg der motorischen Reaktion vom Nervenzentrum bis zum Effektor Muskel begründest.

In einem Test zur Reizverarbeitung wird die Reaktionszeit zweier Personen auf den plötzlichen Ton einer Evakuierungssirene gemessen:

• Person A (erster Arbeitstag, hat die Sirene noch nie gehört und kennt die Fluchtwege nicht): braucht 4,2 Sekunden, um das Signal zu deuten und zu entscheiden, zu welcher Tür sie zu rennen beginnt.

• Person B (hat an vier Notfallübungen teilgenommen): braucht 0,6 Sekunden, um zum richtigen Ausgang loszurennen.

1. a) Bestimme die Bestandteile des Reiz-Reaktions-Kreislaufs (Rezeptor, sensorische Bahnen, Integrationszentrum, motorische Bahnen und Effektororgane), die vom Ertönen der Sirene bis zum ersten Schritt der Person beteiligt sind, und bringe sie in zeitliche Reihenfolge.
2. b) Erkläre biologisch, warum Person B siebenmal schneller reagiert. Liegt es daran, dass sich ihre Effektormuskeln schneller zusammenziehen, oder an einer Veränderung der Verarbeitung in ihren Nervenzentren? Begründe deine Antwort, indem du zwischen einer bewussten, ungeübten Reaktion und einem durch Lernen automatisierten Bewegungsmuster unterscheidest.

Herausforderung zum Thema. Entwirf dein eigenes neurowissenschaftliches Labor zu Hause, um zu überprüfen, wie dein Körper auf verschiedene Reize reagiert. Dein Endprodukt ist ein kurzer Bericht mit einer Datentabelle, der biologischen Analyse des Vorgangs und deinen Schlussfolgerungen.

1. Experiment: Bitte ein Familienmitglied um Hilfe für den Lineal-Test. Dein Helfer hält ein Lineal von $30\text{ cm}$ am oberen Ende. Halte deine Finger an der Basis ($0\text{ cm}$), ohne sie zu berühren. Wenn er das Lineal ohne Vorwarnung loslässt, fange es so schnell wie möglich. Führe $5$ Versuche mit visuellem Reiz (du schaust auf das Lineal) und weitere $5$ mit akustischem Reiz durch (Augen geschlossen, du reagierst auf das Kommando „Jetzt!“, das dein Helfer genau im Moment des Loslassens ruft).

2. Datenerfassung: Trage in einer Tabelle die Strecke ein, bei der du das Lineal fängst (in $\text{cm}$), und berechne den Mittelwert jeder Variante. Gib ihn mit Dezimalkomma an (zum Beispiel $15,4\text{ cm}$).

3. Biologische Auswertung: Beschreibe den gesamten Weg der Information in beiden Fällen: Bestimme den aktivierten Sinnesrezeptor, die Weiterleitung durch das Nervensystem und das tätige Effektororgan. Begründe, welcher der beiden Reize die schnellere Reaktion ausgelöst hat.

Bewertet wird:

• Sorgfalt bei der Datenerfassung und richtige Berechnung der Mittelwerte.

• Genaue Bestimmung von Sinnesrezeptoren, Nervenzentren und Effektoren.

• Klare naturwissenschaftliche Begründung der beobachteten Unterschiede zwischen beiden Reizen.