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Ausblick

Bioelektrizität

Die Elektrizität spielt in unserer technisierten Welt eine immer wichtigere Rolle. Der Ausfall eines Kraftwerks oder die Unterbrechung von Fernleitungen zeigen uns dies unerwünscht eindrucksvoll. Aber auch bei Lebewesen spielen elektrische Vorgänge eine z.T. wichtig Rolle. Auf den folgenden Seiten bekommst du davon einen ersten - etwas oberflächlichen - Eindruck. Eine detaillierte Beschreibung ist noch nicht möglich, da du hierfür umfangreichere Kenntnisse aus der Biologie und Chemie besitzen müsstest, die du erst in späteren Jahren erwerben wirst.

Reizleitung im Nerv

Dass auch in der belebten Natur elektrische Vorgänge von Bedeutung sind, entdeckte als erster Luigi Galvani (1789). Als er einen Froschschenkel mit einem aus zwei verschiedenen Materialien (Zink und Kupfer) bestehenden Metallbügel berührte, zuckte der Schenkel. Galvani sprach zunächst von "tierischer Elektrizität" als Ursache für die Zuckungen.

Originalbild von Galvani
(fahre mit der Maus über das Bild)

Heute weiß man, dass viele Vorgänge beim Menschen mit Elektrizität verknüpft sind. Das Schlagen des Herzens wird durch elektrische Impulse ausgelöst, wenn wir scharf Nachdenken fließen vermehrt Gehirnströme usw.

Auch die Steuerung unserer Muskeln - z.B. für die Fortbewegung - geschieht durch elektrische Signale. Auf diesen Vorgang soll nun etwas genauer eingegangen werden:

Abb. 2 Übertragung eines Reizes von einem Neuron zu einer Synapse

•   Eine Nervenbahn besteht aus einer Kette von Nervenzellen, den Neuronen.

•  Die Neuronen sind spezialisierte Zellen zur Übertragung von Reizen. Sie bestehen aus einem Zellkörper und dessen Fortsätzen, von denen man zwei Typen unterscheidet:

•  Die Dendriten empfangen den Reiz, im linken Neuron wird ein Impuls ausgelöst.

•  Das Axon überträgt diesen Impuls an andere benachbarte Zellen (Reizweiterleitung)

•  Am Ende des Axons des linken Neurons befindet sich die Synapse. Wird diese vom Reiz erreicht, regt sie das rechte Neuron an (Reizübertragung). Nun wird der Reiz auf die gleiche - stark vereinfacht dargestellte - Weise an Neuronen übertragen, welche mit der rechten Nervenzelle verbunden sind.

Abb. 3 Reizübertragung in einem Axon

Früher dachte man, dass die Informationsübertragung bei den Nerven durch Ladungsträger (Ionen) geschieht, so wie wir es z.B. vom Strom in Elektrolyten kennen. Schon die wesentlich geringere Geschwindigkeit der Informationsübertragung bei den Nerven lässt jedoch vermuten, dass es sich hier nicht um einen Ladungstransport handelt.

Läuft durch das Axon kein Reiz, so befindet sich aufgrund chemischer Vorgänge, die hier nicht betrachtet werden, positive Ladung am Rand und negative Ladung im Inneren des Axons.

Bei der Reizleitung kommt es zu einer örtlich begrenzten Ladungsumkehr.

Mit leistungsfähigen Mikroskopen können Nervenzellen und sogar auch das Axon bildlich dargestellt werden:


Neuron

Axon, das an einer Muskelfaser endet

 

Hinweis:
In der Heilkunde nutzt man die Beeinflussbarkeit der Nerven und Muskeln durch elektrische Reize aus:

  • Mit der Reizstromtherapie ist Schmerzbehandlung, Durchblutungsförderung und Kräftigung der Muskulatur möglich.
  • Durch Nervenstimulation (TENS) kann erreicht werden, dass Schmerzsignale nur noch vermindert an das Rückenmark gemeldet werden.
  • Durch Elektrogymnastik können erschlaffte Muskeln (z.B.bei längerer Liegezeit nach Operationen oder bei Lähmungen) trainiert werden.
     

Elektrische Fische

wesentliche Inhalte dieser Seite stammen aus einem Vorlesungsskript des Instituts für Biologische Informationsverarbeitung, Jülich

Vielleicht hast du im Aquarium eines Zoos schon einmal einen Zitteraal oder einen ähnlichen "elektrischen Fisch" gesehen. In München Hellabrunn kann der Aal eine Metallplatte berühren und dann misst ein Voltmeter die Spannung, die der Aal erzeugt. Elektrische Fische werden hauptsächlich in den Gewässern Südamerikas beobachtet.


Zitteraal
Auch der Zitterrochen besitzt "elektrische Zellen", die aus Muskelfasern hervorgegangen sind. Wenn diese vielen in Serie geschalteten Zellen (vgl. Voltasäule) durch die Nerven aktiviert sind, kann der Zitterrochen kurzzeitig Stromstöße von einigen Ampere bei einer Spannung von mehreren hundert Volt erzeugen und so sein elektrisches Organ als Waffe einsetzen (Lähmung des Beutetiers).
Manche "elektrische Fische" nutzen ihre elektrischen Organe zur Orientierung in trübem Wasser.

Zitterrochen

Die nebenstehende Abbildung zeigt die Lage des elektrischen Organs beim Zitterrochen. Aus der Schemazeichnung ist die Anordnung der elektrischen Zellen erkennbar: Mehrere Säulen aus elektrischen Zellen sind parallel angeordnet. Durch Signale, welche über die Nerven (rot) an die Zellen geführt werden, kommt es zur Entstehung einer Spannung von ca. 140mV pro Zelle. Durch die Serienschaltung mehrerer Tausend elektrischer Zellen kann eine Spannung von hundert Volt und höher erreicht werden. Durch die Parallelanordnung mehrer Säulen ist auch die relativ hohe Stromstärke erklärbar.

 

Abb. 10 Entstehung einer Spannung von ca. \(140\,\rm{mV}\) in einer elektrischen Zelle eines Zitterrochens

Die Animation in Abb. 10 zeigt - sehr vereinfacht - das Entstehen einer Spannung an der elektrischen Zelle des Zitterrochens.