Aufgaben: Die Sinnesrezeptoren

Ordne jedem der fünf Sinne die Art des Reizes, den er aufnimmt, und das Organ zu, in dem sich seine wichtigsten Rezeptoren befinden.

Auf der Abbildung des Auges im Schnitt sind mehrere Strukturen mit Nummern gekennzeichnet. Schreibe die Namen der fünf gekennzeichneten Strukturen auf und gib an, in welcher davon sich die Lichtsinneszellen befinden.

Erkläre, was ein Sinnesrezeptor ist und warum wir sagen, dass die Sinne das „Eingangstor“ für Informationen ins Nervensystem sind.

Nenne die drei Teile, in die sich das Ohr gliedert, und gib an, in welchem davon sich die Sinneszellen befinden, die Schall in Nervenimpulse umwandeln.

Erkläre den Unterschied zwischen Reiz und Empfindung und nenne jeweils ein Beispiel mit einer Tasse heißer Schokolade.

Wenn wir versehentlich eine heiße Pfanne anfassen, spüren wir sofort Schmerz. Erkläre, welche Rezeptoren der Haut uns vor der Gefahr warnen und warum diese Empfindung, obwohl unangenehm, für den Organismus nützlich ist.

Gib an, ob die folgenden Aussagen richtig oder falsch sind, und begründe deine Antwort: a) Jeder Geschmack wird nur in einem festen Bereich der Zunge wahrgenommen; b) Die Riechzellen befinden sich in der Nasenhöhle; c) Die Informationen der Sinne gelangen über die Nerven zum Gehirn.

Erkläre, was das Trommelfell ist, wo es sich befindet und was mit ihm geschieht, wenn Schallwellen auf es treffen.

Beschreibe den Weg der Lichtinformation, vom Eintritt des Lichts eines Gegenstands ins Auge bis zur Entstehung des Bildes, und nenne dabei die Strukturen, die das Licht durchläuft, sowie den Ort, an dem es in einen Nervenimpuls umgewandelt wird.

Wenn du aus einem dunklen Raum auf eine sehr sonnige Straße trittst, wirst du einige Sekunden lang geblendet. Erkläre, welche Struktur des Auges die einfallende Lichtmenge regelt, wie sie in dieser Situation wirkt und wie dieser Anpassungsmechanismus heißt.

Geschmacksknospen und Riechzellen wirken beim Essen zusammen: Deshalb „schmecken“ ein roher Apfel und eine rohe Zwiebel mit zugehaltener Nase fast gleich. Erkläre, was jeder Sinn zur Wahrnehmung des Geschmacks von Nahrungsmitteln beiträgt.

Beschreibe den Weg eines Schalls von seinem Eintritt durch die Ohrmuschel, bis das Gehirn ihn deutet, und nenne dabei die Strukturen, die ihn weiterleiten, sowie den Ort, an dem er in einen Nervenimpuls umgewandelt wird.

In der Dämmerung sehen wir wenig Details und praktisch keine Farben. In der Netzhaut gibt es zwei Arten von Sinneszellen: die einen sind sehr empfindlich für schwaches Licht, die anderen auf Farben spezialisiert. Erkläre damit, warum das so ist.

Beim Tauchen oder beim Start eines Flugzeugs spüren wir Druck auf den Ohren, der beim Schlucken oder Gähnen nachlässt. Erkläre, welcher Gang den Rachen mit dem Mittelohr verbindet und welche Funktion er in diesen Situationen erfüllt.

Viele ältere Menschen halten die Zeitung weiter weg, um sie zu lesen, ein Problem, das als „Altersweitsichtigkeit“ bekannt ist. Erkläre, welche Struktur des Auges mit dem Alter an Flexibilität verliert und warum das das Scharfstellen auf nahe Gegenstände erschwert.

Manche Menschen mit einer Innenohrentzündung spüren Schwindel und verlieren das Gleichgewicht. Berücksichtige, dass das Innenohr nicht nur Töne aufnimmt, und erkläre, welche andere Information es an das Gehirn sendet und welche Strukturen dafür zuständig sind.

Ein Mitschüler behauptet Folgendes: „Eine kurzsichtige Person sieht in der Ferne nicht gut, weil ihre Linse das Licht zu wenig bündelt; um das zu korrigieren, muss man ihr deshalb eine Sammellinse geben, die die Lichtstrahlen stärker auf den Augenhintergrund fokussiert.“

1. a) Widerlege die Aussage deines Mitschülers begründet, indem du erklärst, warum das optische Problem der Kurzsichtigkeit nicht an einer zu geringen Bündelung des Lichts liegt.
2. b) Sage voraus, was mit dem Sehen in die Ferne bei dieser Person geschähe, wenn sie eine Brille mit Sammellinsen benutzte: Würde sie schärfer oder noch unschärfer sehen? Begründe deine Antwort, indem du angibst, wo der Brennpunkt in Bezug auf die Netzhaut läge.
3. c) Begründe, welche Art von Linse sie tatsächlich braucht, und erkläre, wie sie den Verlauf der Lichtstrahlen ablenken muss, bevor sie ins Auge gelangen, um den Fehler zu korrigieren.

Ein junger Mann geht zum Arzt, weil er nach dauerhafter Nutzung von Kopfhörern mit sehr hoher Lautstärke einen starken Hörverlust bemerkt. Die Untersuchungen zeigen, dass sein Trommelfell und die Gehörknöchelchenkette intakt sind und die Schwingungen völlig normal weiterleiten, aber die Haarsinneszellen (Mechanorezeptoren) der Hörschnecke (Innenohr) zerstört sind.

1. a) Begründe, warum der Patient taub ist, obwohl die Elemente, die im Außen- und Mittelohr den Schall aufnehmen und weiterleiten, ordnungsgemäß funktionieren. Unterscheide in deiner Antwort zwischen der physikalischen Übertragung der Schwingungen und der Umwandlung in Nervenimpulse.
2. b) Der Patient fragt, ob die Schädigung in einigen Wochen mit Ruhe heilt, so wie eine Hautwunde verheilt oder ein Trommelfellriss. Begründe, warum die Ärzte dies ausschließen, und beziehe dich dabei auf die Regenerationsfähigkeit von Sinneszellen im Vergleich zu Epithelzellen.
3. c) Sage begründet voraus, ob ein herkömmliches Hörgerät (das die Schallschwingung im Gehörgang verstärkt) den Hörverlust in den Frequenzen beheben würde, in denen die Haarsinneszellen vollständig verschwunden sind.

Du hältst mit geschlossenen Augen ein sehr kaltes Glas, das dir zwischen den Fingern wegrutscht. Als du es fest zudrückst, damit es nicht herunterfällt, verursacht ein abgebrochener Rand einen oberflächlichen Schnitt an der Fingerkuppe. Gleichzeitig und sofort unterscheidest du drei Empfindungen: die Kälte des Wassers, den Druck, den du auf das Glas ausübst, und den Schmerz des Schnitts.

1. a) Bestimme, welcher spezifische Hautrezeptor jeden dieser drei Reize aufgenommen hat, und ordne sie nach der Art des Reizes, den sie erfassen.
2. b) Alle Nervenfasern leiten Informationen durch identische elektrochemische Impulse weiter. Begründe, wie es dem Gehirn gelingt, die drei Empfindungen gleichzeitig zu unterscheiden und zu deuten, ohne den Schmerz mit der Kälte oder dem Druck zu verwechseln.
3. c) Wenn ein örtliches Betäubungsmittel ausschließlich die Schmerzrezeptoren (Nozizeptoren) der Stelle blockierte: Sage voraus, welche Reize du weiterhin wahrnehmen würdest, und begründe, warum das angeborene Fehlen von Schmerzempfinden eine schwere Bedrohung für das Überleben darstellt.

In einem Laborpraktikum wird der „Zwei-Punkt-Diskriminationstest“ mit einem Zirkel mit stumpfen Spitzen durchgeführt, um den kleinsten Abstand zu messen, bei dem eine Person zwei getrennte Berührungen statt nur einer wahrnimmt:

• An der Fingerkuppe nimmt sie zwei Spitzen, die nur 2,5 mm auseinanderliegen, deutlich getrennt wahr.

• Auf der Rückenhaut werden erst bei einem Abstand von mehr als 35,0 mm zwei unabhängige Punkte wahrgenommen; bei geringeren Abständen spürt man nur eine einzige Berührung.

1. a) Deute diese Ergebnisse und begründe, welche Unterschiede in der Dichte der Mechanorezeptoren und in der Größe ihrer rezeptiven Felder zwischen Fingerkuppen und Rücken bestehen.
2. b) Begründe anhand dieser Daten, warum die Brailleschrift (deren erhabene Punkte etwa 2,5 mm Abstand haben) mit den Fingerkuppen gelesen wird, und sage voraus, welches unüberwindbare Problem entstünde, wenn eine Person versuchte, sie mit dem Unterarm oder dem Rücken zu lesen.
3. c) Bei blinden Menschen, die die Brailleschrift beherrschen, zeigen bildgebende Untersuchungen des Gehirns, dass das Areal der Großhirnrinde, das den Tastsinn der Fingerkuppen verarbeitet, viel größer ist als bei Sehenden. Begründe dieses Phänomen, indem du es mit der Plastizität des Nervensystems in Beziehung setzt.

Marta verbrannte sich die Zunge an einer kochend heißen Brühe und konnte drei Tage lang kaum den Geschmack von Speisen wahrnehmen; am vierten Tag hatte sie ihren Geschmackssinn jedoch wieder ganz normal. Am selben Wochenende erlitt ein Verwandter ein Trauma, das die Fasern seines Riechnervs durchtrennte und einen dauerhaften Verlust des Geruchssinns verursachte.

1. a) Erkläre, welche Schädigung die Sinneszellen der Geschmacksknospen bei Marta erlitten, und begründe, warum sich der Geschmackssinn in wenigen Tagen erholt. Vergleiche dies mit dem Fall ihres Verwandten: Warum genügt die Erneuerung der Riechnervenzellen, die ebenfalls stattfindet, nicht, um den Geruchssinn wiederzuerlangen, wenn ihre Fasern durchtrennt sind?
2. b) In den Tagen mit der Verbrennung sagte Marta: „Weil ich mir die Zunge verbrannt habe, rieche ich auch den Kaffee nicht.“ Widerlege ihre Aussage begründet, indem du die Chemorezeptoren des Geschmacks von denen des Geruchs unterscheidest, und erkläre, warum wir im Alltag Empfindungen, die vom retronasalen Riechen abhängen (dem Aroma), fälschlicherweise dem Geschmack zuschreiben.

Ein Forschungsteam untersucht die Netzhaut von drei Wirbeltierarten und erhält folgende Daten zu den Lichtsinneszellen:

• Art A: 98 % Stäbchen und 2 % Zapfen; große Fähigkeit zur Pupillenerweiterung.

• Art B: 65 % Zapfen (mit drei verschiedenen Pigmenttypen) und 35 % Stäbchen.

• Art C: 96 % Stäbchen und 4 % Zapfen (empfindlich nur für ein enges Spektralband).

1. a) Leite begründet ab, welche dieser Arten mit größter Wahrscheinlichkeit zu einem nachtaktiven Greifvogel (wie der Eule) gehört und welche zu einem tagaktiven Vogel, der sich ernährt, indem er reife Früchte und Blüten in der Vegetation erkennt. Begründe deine Wahl mit der Funktion von Zapfen und Stäbchen.
2. b) Wenn Art A plötzlich mittags dem vollen Sonnenlicht ausgesetzt würde: Sage voraus, welche Einschränkung des Sehens sie im Vergleich zu ihrem Sehen in der Nacht erfahren wird, und begründe, wie die Stäbchen auf eine hohe Lichtintensität reagieren.
3. c) Erkläre, warum die natürliche Selektion begünstigt hat, dass nachtaktive Räuber die Farbunterscheidung zugunsten der Empfindlichkeit für schwaches Licht opfern.

Viele Menschen leiden unter Schwindel und Übelkeit, wenn sie auf den Rücksitzen eines fahrenden Autos das Handy lesen; wenn sie jedoch durch die Windschutzscheibe fest auf die Straße blicken oder selbst fahren, fühlen sie sich nicht unwohl. Umgekehrt erlebt ein Nutzer, der regungslos auf dem Sofa sitzend mit einer VR-Brille spielt, Schwindel, wenn er sich optisch durch eine virtuelle Achterbahn bewegt.

1. a) Analysiere die beteiligten Rezeptoren und Sinnesorgane (Netzhaut des Auges und Gleichgewichtsorgan des Innenohrs) und erkläre, welchen widersprüchlichen Informationen (Sinneskonflikt) das Gehirn in den beiden beschriebenen Fällen ausgesetzt ist.
2. b) Begründe, warum das Fixieren eines fernen Punktes am Horizont den Sinneskonflikt bei der Autofahrt beseitigt.
3. c) Sage begründet voraus, ob eine Person, bei der die Mechanorezeptoren der Bogengänge und der Otolithenorgane in beiden Ohren vollständig zerstört sind, beim Reisen auf einem Schiff im Seegang Bewegungskrankheit (Kinetose) erleiden würde. Begründe deine Antwort.

Zwei Patienten kommen mit einem starken Sehverlust in die Augenklinik:

• Patient 1: Er nimmt Bilder sehr verschwommen, blass und wie durch eine beschlagene Scheibe wahr. Seine Netzhaut und sein Sehnerv sind völlig gesund, aber die hinter der Iris liegende Linse ist altersbedingt weißlich und undurchsichtig geworden.

• Patient 2: Er hat eine völlig durchsichtige Hornhaut, Linse sowie Glaskörper und Kammerwasser, aber ein unkontrolliertes Glaukom hat die Nervenfasern, die den Sehnerv bilden, absterben lassen.

1. a) Stelle die Diagnose für Patient 1, indem du den Namen der veränderten Struktur angibst, und erkläre, wie sich diese Veränderung auf den Weg der Lichtstrahlen zum Augenhintergrund auswirkt.
2. b) Der Augenarzt schlägt für Patient 1 einen Eingriff vor, bei dem die geschädigte Linse durch eine durchsichtige künstliche Linse (Intraokularlinse) ersetzt wird. Sage voraus und begründe, ob diese Operation ihm das scharfe Sehen zurückgeben wird.
3. c) Begründe, ob derselbe chirurgische Eingriff Patient 2 helfen würde, sein Sehvermögen wiederzuerlangen, und unterscheide dabei die Funktion der durchsichtigen Medien des Augapfels von der Funktion der Nervenleitungsbahnen.