Arbeitsblatt: Der Bewegungsapparate des Menschen

Leitprogramm: Der Bewegungsapparat des Menschen Vertiefungsarbeit nach Studienplan 2010 am Institut der Sekundarstufe II der PHBern Eingereicht bei: Andreas Meier Vorgelegt von: Laura De Pasquale Allerheiligenstrasse 4 2540 Grenchen Grenchen, 14.06.2012 2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis. 3 1. Das Leitprogramm 4 2. Ziel des Leitprogramms 4 3. Begründung der Methodenwahl. 5 4. Didaktische Analyse. 6 5. Ablauf. 7 6. Vorbereitung durch die Lehrperson 8 7. Arbeitsanleitung 9 Kapitel 1 – Aufbau und Funktion des menschlichen Skeletts. 11 Kapiteltest: Kapitel 1. 17 Kapitel 2 – Aufbau und Funktion der Wirbelsäule 18 Kapiteltest: Kapitel 2. 26 Kapitel 3 – Bewegung: Gelenke und Muskeln 27 Kapiteltest: Kapitel 3. 40 Kapitel 4 – Knochenaufbau und Knorpel 41 Kapiteltest: Kapitel 4. 46 Quellen. 47 Anhang. 48 Lösungen Kapitel1 48 Lösungen Kapiteltest Kapitel 1 50 Lösungen Kapitel 2. 51 Lösungen Kapiteltest Kapitel 2 53 Lösungen Kapitel 3. 56 Lösungen Kapiteltest: Kapitel 3. 59 Lösungen Kapitel 4. 61 Lösungen Kapiteltest Kapitel 4 62 3 1. Das Leitprogramm 1.1 Definition Leitprogramme haben Kochrezept-Charakter: Das Leitprogramm pfadet den Weg zu einem klaren Lernziel, indem es die Schüler und Schülerinnen (SuS) über Stunden (z.B. 30 Minuten bis 12 Stunden) zum Bewältigen von Aufgaben, Problemen, Lehrbuchkapiteln, Stoffgebieten und Experimenten führt. Ein Leitprogramm ist somit ein komplett schriftlich vorgefertigter, aber aktiver Unterricht, das heisst, man lernt Lehrer unabhängig. Darin enthalten sind klare Arbeitsanleitungen und eine leicht verständliche Darstellung des Stoffes inklusive Wissenssicherung. Mit Hilfe der klar vorgegebene Lernziele und Aufträge für Experimente, Beobachtungen, Simulationen und kleine Recherchen, erarbeiten die SuS das Thema selbstständig. Damit die SuS ihre Fortschritte festhalten können, sind am Ende jedes Kapitels Tests, die gelöst werden müssen. 1.2 Fragestellung Im Zentrum dieses Leitprogramms steht der Bewegungsapparat des Menschen. • Wie und wieso bleibt unser Körper in festgelegter Form? • Welche Organe sind an unserer Körperhaltung beteiligt? • Wie kommt die zielgerichtete Bewegung zustande? Diese und ähnliche Fragen sollen mit Hilfe des Leitprogramms, verschiedener Texte, Beispiele und Experimente, durch die SuS selbstständig beantwortet werden. 1.3 Dauer der Unterrichtseinheit Die Unterrichtseinheit dauert 12 Lektionen und ist selbstständig zu erarbeiten. 1.4 Adressaten Das Leitprogramm eignet sich in dieser Form für eine gymnasiale Klasse im 10. Schuljahr im Grundlagenfach Biologie. Durch einige, wenige Änderungen bezüglich Schwierigkeitsgrads könnte es für tiefere oder höhere Schulstufen ebenfalls eingesetzt werden. 1.5 Voraussetzungen und Vorkenntnisse Die SuS sollten bereits erste Kenntnisse über den Bau und die Funktion von Zellen haben. Sie sollten dessen Struktur, sowie deren Organellen und Funktionen kennen. Weiter sollten sie grundlegende Stoffwechselvorgänge in der Zelle (z. B. Zellatmung) kennen und Kenntnisse über Gewebeformen mitbringen. Dies vor allem damit sie die Struktur der Muskeln und die Muskelkontraktion besser verstehen können. 2. Ziel des Leitprogramms 2.1 Leitidee Die Leitidee dieses Leitprogramms ist es, dass die SuS selbständig ein Gebiet anhand eines Aufgabenkatalogs er- und aufarbeiten. Weiterführend sollte es als Vorbereitung für die Maturitätsarbeit und die universitäre Zeit dienen. 4 2.2 Lernziele Die Grobziele, die mit diesem Leitprogramm verfolgt werden, sind folgende; • Die SuS erarbeiten selbstständig den Bewegungsapparat des Menschen. • Die SuS kennen den Aufbau und die Funktion des menschlichen Skeletts. • Die SuS kennen den Aufbau und die Funktion der Wirbelsäule. • Die SuS wissen, wie ein echtes Gelenk aufgebaut ist. • • Die SuS können sechs Gelenkformen voneinander unterscheiden und richtig benennen. Die SuS kennen den Aufbau der Muskulatur. • Die SuS wissen, wie eine Muskelkontraktion zustande kommt. • Die SuS kennen den Knochen und den Knorpelaufbau. 3. Begründung der Methodenwahl 3.1 Allgemeine Vorteile des Leitprogramms Das Leitprogramm als Unterrichtsmedium ist sehr vielfältig einsetzbar und verfügt über zahlreiche Vorteile: • Der Lehrstoff ist sehr bewusst strukturiert, in der Regel meist exakter als beim Frontalunterricht. • Die SuS verfolgen eindeutige Zielvorgaben. Der Lernstoff ist dadurch für die SuS besser nachvollziehbar. • Mastery-Prinzip: nachweislich hoher Lerneffekt, da das Wissen schrittweise aufgebaut und geprüft wird. • Die SuS setzen sich intensiver mit dem Stoff auseinander und erzielen einnen grösseren Lernfortschritt. • Die SuS lernen, ihr Lernen selbst zu organisieren. Deshalb erleben sie einen Zuwachs an Selbstvertrauen und sind motivierter, da die Lernfortschritte für die SuS sichtbar und erfassbar werden. • SuS bestimmen eigenes Lerntempo. Differenzierung für schnellere und langsamere SuS durch Zusatzaufgaben/-kapiteln. • Kann Partner- oder Gruppenarbeiten beinhalten. • • Durch Kapiteltests weiss Lehrperson immer wo die einzelnen SuS stehen und kann ebenfalls Lernfortschritte festhalten. Entspannter Unterricht für Lehrperson während Bearbeitung des Leitprogramms. Die Lehrperson hat Zeit für Beobachtungen und Beratung der SuS. 3.2 Allgemeine Nachteile des Leitprogramms Wie jedes Unterrichtsmedium verfügt auch das Leitprogramm nicht nur Vor- sondern auch Nachteile: • Mehraufwand für Leistungsschwächere SuS. Obwohl sie Lerntempo selber bestimmen können, müssen sie innert bestimmten Zeit die Aufgaben gelöst haben. • Probleme für SuS die eigenes Lernen nicht selber organisieren können. Diese werden am Anfang etwas Mühe haben. 5 • • • • Mehraufwand für die Lehrperson bei der Erstellung eines Leitprogramms. Es kann jedoch immer wieder eingesetzt werden. Kann Missbraucht werden. Wenn SuS das Leitprogramm auch ausserhalb des Schulzimmers bearbeiten, kann alles in Partner- und Gruppenarbeit gelöst werden. Kein eigentliches Selbststudium mehr. Kosten für Druck/ Kopien ist gross. Schriftlicher Unterricht ist unpersönlich. Es ist schwierig, Disziplin und das Interesse zum Thema über längeren Zeitraum aufrecht zu halten. 3.3 Begründung zur Wahl des Leiprogramms Für viele SuS stellt der Wechsel vom Gymnasium zur Universität nach wie vor eine grosse Herausforderung dar. Während die SuS im Gymnasium von den Lehrpersonen geleitet und geführt werden, sind sie im Studium völlig auf sich alleine gestellt. Das Leitprogramm ist eine gute Methode, um während des Gymnasiums die Selbstständigkeit der SuS zu fördern. Durch das Leitprogramm, können die SuS das Lernen selber organisieren, werden aber trotzdem noch geleitet, um nicht völlig auf sich alleine gestellt zu sein. Man kann sagen, dass das Leitprogramm die Vorstufe zum selbst organisierten Lernen (SOL) bildet. Das gewählte Thema „Der Bewegungsapparat des Menschen eignet sich gut als Leitprogrammthema, weil es sehr umfangreich und komplex ist. Das Thema wird im Leitprogramm stufengerecht und leicht erklärt, damit es für die SuS gut verständlich wird. Weiter haben die SuS die Möglichkeit, sich mit dem Stoff intensiver auseinanderzusetzen und den besser zu verstehen. Nicht zuletzt auch weil sie ihrem eigenen Lerntempo folgen können. 4. Didaktische Analyse 4.1 Lehrplananalyse Das Leitprogramm behandelt vor allem den Bewegungsapparat des Menschen, mit Schwerpunkt auf Skelett, Wirbelsäule, Knochen, Gelenke, Muskeln und Knorpel. Dieses Thema ist im Lehrplan des Kantons Bern im Grundlagenfach einer Klasse des 10. Schuljahrs eingebettet und unter dem Thema Vergleichende Zoologie mit Schwerpunkt Humanbiologie zu finden. Das Grobziel welches dort formuliert ist, lautet; • Die SuS verschaffen sich einen Überblick über die Organsysteme des menschlichen Körpers und verstehen die Funktion der Hauptorgane anhand ihrer Funktionseinheit. Dabei kann der inhaltliche Schwerpunkt vom Gymnasium/ Lehrperson selber gewählt werden. Das Leiprogramm deckt folgende Themen ab; • Skelettsystem • Knochen • Knorpel • Gelenke • Muskelsystem • Skelettmuskel • Sarkomer 6 Die Themen des Leitprogramms „Der Bewegungsapparat des Menschen, finden sich somit im Lehrplan wieder. 4.2 Didaktische Begründung des Leitprogramms Durch das Leitprogramm erarbeiten sich die SuS selbstständig ins neue Thema. Die SuS können das Thema nach ihrem eigenen Lerntempo erarbeiten und die Lernfortschritte selber erkennen. Durch die Kapiteltests am Ende jedes Kapitels, können sie den Lernfortschritt dokumentieren und gegebenenfalls einige Teilaspekte des Themas nochmals genauer anschauen und lernen, bis sie es begriffen haben. Durch die intensivere Auseinandersetzung mit dem Thema, durch die unterschiedlichen Aufgaben und Experimente, erzielen die SuS einen grösseren Lernerfolg. Diesen können sie selber erkennen, indem sie die Kapiteltests erfolgreich absolvieren. Anhand der Lernziele wissen die SuS, was sie aus den einzelnen Kapiteln mitnehmen müssen, um dann anschliessend den Kapiteltest erfolgreich zu absolvieren. Falls sie den Kapiteltest nicht bestehen, können sie diesen wiederholen. Dadurch setzen sie sich erneut mit dem Stoff auseinander, vertiefen ihr Wissen und sind so besser auf die Schlussprüfung vorbereitet. 5. Ablauf 5.1 Ablaufschema Die SuS arbeiten die vier Kapitel des Leitprogramms selbstständig durch. Am Anfang jedes Kapitels sind Lernziele formuliert, die die SuS am Ende des Kapitels erreichen sollten. Dies sind auch die Lernziele, die im Kapiteltest gefragt werden. Die Kapitel werden durch mehrere Texte begleitet. Die Texte sind kurz, verständlich geschrieben und dienen der Wissensaneignung. Wenn keine Symbole eine zusätzliche Literaturrecherche erwähnen, dann reicht das Wissen aus den Texten, um die Aufgaben zu lösen. Die Aufgaben ermöglichen eine Vertiefung ins Thema und eine intensive Auseinandersetzung. Mit Hilfe der Texte und Aufgaben werden die Lernziele erreicht und die SuS sind in der Lage, den Kapiteltest zu lösen. Der Kapiteltest wird von der Lehrperson ausgehändigt und wird anschliessend von ihr kontrolliert. Erst nachdem der Kapiteltest erfolgreich gelöst wurde, kann mit dem nächsten Kapitel begonnen werden. 5.2 Detaillierte Beschreibung der einzelnen Sequenzen 5.2.1 Symbole Die Symbole dienen den SuS als Orientierungshilfe. Durch dessen Hilfe wissen sie, was von ihnen verlangt wird und was sie zu tun haben. 5.2.2 Aufgaben Jedes Kapitel enthält verschiedene Aufgaben, die von den SuS direkt ins Leitprogramm oder auf ein separates blatt gelöst werden müssen. In der Regel sind sie selbstständig zu lösen, ausser es steht spezifisch, dass sie zu zweit gelöst werden sollen. Nachdem das Kapitel erarbeitet wird und alle Aufgaben gelöst sind, können die SuS diese selbstständig kontrollieren. Die Lösungen sind bei der Lehrperson abzuholen. Sie werden 7 nicht von Anfang an ausgeteilt, damit verhindert werden kann, dass die SuS durch Faulheit die Lösungen abschreiben und so kein Lernen stattfindet. 5.2.3 Kapiteltest Am Ende jedes Kapitels ist ein Test zu lösen, bevor mit dem nächsten Kapitel begonnen werden kann. Bevor dieser von der Lehrperson ausgehändigt wird, müssen auch alle Aufgaben eines Kapitels gelöst und kontrolliert werden. Dies, weil die Aufgaben selber für das Lösen des Tests benötigt werden. Nachdem der Kapiteltest gelöst ist, wird er zur Kontrolle der Lehrperson abgegeben. Diese kontrolliert und gibt den Test so schnell wie möglich zurück. Anschliessend muss eine Korrektur des Tests erfolgen, die wiederum abgegeben wird. Während die Lehrperson den Test korrigiert, können die SuS trotzdem mit dem nächsten Kapitel beginnen, damit die SuS nicht unnötig warten müssen. 5.2.4 Für Schnelle Die Kapitel 1-3 sind obligatorisch und somit von allen SuS zu lösen. Kapitel 4 hingegen ist ein Zusatzkapitel und nur von den Schnellsten zu lösen, welche die anderen Kapitel bereits beendet haben. Denjenigen SuS, denen die zur Verfügung gestellte Zeit nicht ausreicht, müssen die restlichen Aufgaben und Kapiteln zu Hause lösen. Sie müssen selber schauen, dass sie das ganze Material auftreiben, welches sie für die unterschiedlichen Aufgaben brauchen. Der Kapiteltest wird in Absprache mit der Lehrperson abgegeben und zu einem festgelegtem Termin wieder eingezogen. 5.2.5 Schlussprüfung Nach 12 Lektionen und nachdem alle Kapitel und Kapiteltests erfolgreich gelöst wurden, findet ein Test über das ganze Themengebiet statt. Die genauen Lernziele werden zwei Wochen vor dem Prüfungstermin abgegeben. Es werden keine neuen Lernziele formuliert, sondern die Lehrperson wählt aus jedem Kapitel die wichtigsten aus, die in der Schlussprüfung abgefragt werden. 6. Vorbereitung durch die Lehrperson Die Lehrperson muss im Vorfeld das ganze Material zur Verfügung stellen, welches für das Lösen der Aufgaben gebraucht wird. Sie muss die Modelle reservieren und für genügend Sachliteratur sorgen. Die Experimente, die durchgeführt werden, sind sehr einfach und brauchen keine zusätzliche Vorbereitung. 8 7. Arbeitsanleitung Leitprogramm – Was soll das? Ein Leitprogramm „Der Bewegungsapparat des Menschen ist so aufgebaut, dass Du das Thema im Selbststudium erarbeiten kannst. Wenn Du Dich an die Anweisungen im Text hältst, kannst Du selbstständig und ohne Hilfe des Lehrers arbeiten. Dabei werden Dir verschiedene Aufgaben gestellt, die Du gemäss den Anweisungen im Leitprogramm zu lösen hast. Um die Aufgaben leichter zu erkennen, werden sie mit Symbolen angekündigt. Symbole Das Leitprogramm ist in Theorieteile und Aufgaben gegliedert. Die Aufgaben werden mit Symbolen gekennzeichnet. Lernziel Was werde ich nach dem erarbeiten des Kapitels können? Diese Lernziele sind vor allem für den Kapiteltest wichtig. Recherchieren Dazu benötigst Du Dein eigenes Lehrbuch oder die vielen anderen Sachbücher/ Hilfsmittel, die von der Lehrperson zur Verfügung gestellt werden oder im Schulzimmer zu finden sind. Aufgaben lösen Diese Aufgaben sollst Du selbstständig lösen (Ausnahme: Partnerarbeit wird explizit erwähnt) und die Antworten dazu im Leitprogramm, oder auf ein separates Blatt notieren. Vergleiche sie anschliessend mit dem Lösungsblatt. Experiment Dieses Symbol zeigt, dass ein Experiment oder Gedankenexperiment durchgeführt werden muss. Die Anleitung, sowie alle nötigen Unterlagen und Materialien, sind im Schulzimmer zu finden. Kapiteltest Jetzt kannst Du prüfen, ob du die Inhalte des letzten Kapitels verstanden hast. Entscheide selbst, wann Du Dich fit fühlst, für diesen Test. Nur wenn du diesen Test erfolgreich meisterst, darfst du das nächste Kapitel in Angriff nehmen. 9 Aufgaben Jedes Kapitel enthält verschiedene Aufgaben, die gelöst werden müssen. Sie Helfen Dir, Dein Fortschritt zu prüfen. Die Aufgaben sind schriftlich direkt ins Leitprogramm oder auf ein separates Blatt zu lösen. Die Lösungen sind bei der Lehrperson abzuholen. Vergleiche sie mit Deinen und bei allfälligen Fehlern kannst Du sie gleich korrigieren. Die Lösungen musst Du nicht mehr abgeben, sondern kannst sie bei Dir behalten. Kapiteltest Wenn du die Aufgaben erfolgreich bearbeitet hast, meldest Du Dich am Schluss von jedem Kapitel beim Lehrer zu einem Kapiteltest. Dabei geht es in erster Linie darum, zu überprüfen, ob Du genügend sattelfest bist, um das nächste Kapitel in Angriff zu nehmen. Die Lehrperson händigt Dir ein Testblatt aus. Die Lösungen sind auf das Blatt selber oder auf ein separates Blatt zu lösen. Die Lösungen sowie das Testblatt sind der Lehrperson abzugeben. Diese werden korrigiert und eine Note wird gesetzt, die nur als Richtlinie dient. Für Schnelle Für das Durcharbeiten des Leitprogramms stehen Dir 12 Lektionen zur Verfügung. In dieser Zeit musst Du die Kapitel 1-3 bearbeiten. Kapitel 4 ist für diejenigen gedacht, die besonders schnell arbeiten. Falls Du merkst, dass Dir die zur Verfügung stehende Zeit nicht ausreicht, kannst Du das Leitprogramm zu Hause lösen. Jedoch wirst Du alle diejenigen Aufgaben nur in der Schule lösen können, für die zusätzliche Literatur/ Materialien, Modelle und Substanzen benötigt werden. Du kannst nur nach Absprache mit der Lehrperson etwas nach Hause mitnehmen, sonst musst Du alles selber organisieren. Hilfe Falls Du bei einer Aufgabe nicht weiter kommst, versuche zuerst selber eine Lösung zu finden. Vielleicht kann Dir dabei die zusätzliche Literatur nützlich sein. Erst wenn Du alleine nicht weiter kommst, kannst Du die Lehrperson um Hilfe bitten. 10 Kapitel 1 – Aufbau und Funktion des menschlichen Skeletts Lernziele Die SuS beschriften korrekt die markierten Stellen eines Skeletts, mit den entsprechenden anatomischen Bezeichnungen. Die SuS kennen sieben Hauptaufgaben des menschlichen Skeletts. Die SuS kennen die unterschiedlichen Fussformen die ein Mensch haben kann. Die SuS können einen Platt- von einem Hohlfuss unterscheiden. Die SuS kennen die Folgen, die ein Plattfuss haben kann. 1.1 Das Skelett Das Skelett, aus dem griechischen skeletos „ausgetrockneter Körper, „Mumie, ist ein Körperbestandteil, der die Stützfunktion eines Lebewesens bildet. Das Skelett eines Erwachsenen besteht aus über 200 Knochen, das eines Kindes sogar aus deutlich über 300 Knochen, da einige Knochen wie etwa das Hüftbein im Laufe des Wachstums miteinander verschmelzen. Aufgabe 1.1 Abbildung 1 zeigt eine Übersicht über das menschliche Skelett (Ansicht von vorne). Bitte beschrifte die markierten Stellen mit den entsprechenden anatomischen Bezeichnungen. Die Bücher in der Handbibliothek werden Dir bei dieser Aufgabe helfen. 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Abbildung 1 Übersicht über das menschliche Skelett 12 Aufgabe 1.2 Vergleiche das „Schulskelett mit der Abbildung 1. Kannst Du alle Knochen identifizieren? Taste Deinen Körper ab, kannst Du die einzelnen Knochen fühlen? Die Teile des Skeletts und ihre Aufgaben Unser Skelett hat die unterschiedlichsten Aufgaben. Zum einen gibt es unserem Körper Form und Halt und in Verbindung mit Muskeln und Sehnen die Möglichkeit uns zu bewegen. Die zweite wichtige Funktion des Skeletts ist der Schutz der inneren Organe, wie Hirn, Herz und Lunge. Er schützt diese vor Verletzungen. Die dritte Aufgabe des Skeletts ist nicht gleich ersichtlich, ist jedoch lebenswichtig für den menschlichen Körper. Es handelt sich um die Produktion von Blutzellen. Eine weitere wichtige Aufgabe des Skeletts liegt u.a. darin als Kalziumspeicher zu fungieren. Der lebensnotwenige Mineralstoff Kalzium, aus dem Knochen zu einem Grossteil bestehen, verleiht den Knochen eine hohe Festigkeit. 13 Aufgabe 1.3 In der untenstehenden Abbildung des jungen Mannes, ist sein Skelett aufgezeichnet. Daran kann man 7 Hauptteile mit jeweils besonderen Aufgaben unterscheiden. Trage in die dafür vorgesehenen Linien, den Namen des Skelettteils und seine Aufgaben ein. (Die unterschiedlichen Teile haben unterschiedliche Farben.) Die Bücher in der Handbibliothek werden Dir bei dieser Aufgabe helfen Abbildung 2 Die sieben Hauptteile des menschlichen Skeletts 14 1.3 Der Fuss Du hast in den vorherigen Abschnitten, das menschliche Skelett und seine Aufgaben kennen gelernt. Einen weiteren Schwerpunkt wird im anschliessenden Abschnitt auf den Fuss gesetzt. Der Fuss ist der am meisten belastete Körperteil, da er unser gesamtes Gewicht tragen muss. Er hat deshalb besonders kompakte Knochen und eine Vielzahl stützender Bänder und Halt gebender Muskeln. Das Fussskelett besitzt ein Quer- und ein Längsgewölbe. Obwohl sie durch straffe Bänder, Sehnen und Muskeln verspannt sind, besitzen sie eine gewisse Flexibilität, um auf den Fuss einwirkende Belastungen federnd abpuffern zu können. Ferse und Vorfuss als hauptsächlich belastete Zonen sind durch eine Fettschicht gepolstert. Diese schützt die darunter liegenden Strukturen vor Druckschäden, durch das auf ihnen lastende Körpergewicht. Fehlfunktionen der Fussgewölbe sind häufig (siehe Abb. 3). Beim Plattfuss sind das Längs- und das Quergewölbe abgeflacht, so dass beim Gehen nicht mehr nur ein kleiner Abschnitt, sondern fast die ganze Fusssohle dem Boden aufliegt. Beim Hohlfuss handelt es sich um das Gegenteil eines Plattfusses: Das Längsgewölbe ist überhöht. Durch die Verkleinerung der Auflagefläche des Fusses beim Laufen, sind die Fersen- und der Vorfussbereich stärker belastet. Dort können dann schmerzhafte Schwielen ( Stelle an der sich starke Hornhaut gebildet hat) entstehen. Abbildung 3 Fussgewölbe und Fussabdruck 15 Aufgabe 1.4 Betrachte die Abbildung 4 und führe den gleichen Versuch mit unterschiedlichen Gewichten durch. Schreibe Deine Schlussfolgerungen in einigen Sätzen auf. Welche Folgen könnten die Schlussfolgerungen haben? Abbildung 4 Versuch zur Belastung des Fussgewölbes Kapiteltest Gehe zu Deiner Lehrperson und verlange den Kapiteltest zu Kapitel 1. 16 Kapiteltest: Kapitel 1 Frage 1.1 Beschrifte die markierten Stellen mit den entsprechenden anatomischen Bezeichnungen. Nennen zusätzlich für Nummern 1 13 ihre Aufgabe. Frage 1.2 Nenne vier Hauptaufgaben des menschlichen Skeletts? Frage 1.3 Welches ist der Unterschied zwischen einem Platt- und Hohlfuss? Frage 1.4 Welche Folgen hat ein Plattfuss und wieso? 17 Kapitel 2 – Aufbau und Funktion der Wirbelsäule Lernziele Die SuS beschriften korrekt die markierten Stellen einer Wirbelsäule, mit den entsprechenden anatomischen Bezeichnungen. Die SuS kennen fünf Aufgaben der Wirbelsäule. Die SuS kennen vier unterschiedliche Krümmungen der Wirbelsäule. Die SuS können einen Hohlrücken von der Seite zeichnen und kennen die Gründe für eine solche Rückenform. Die SuS erklären den Bandscheibenvorfall, indem sie eine Skizze anfertigen. Die SuS kennen die Gründe für einen Bandscheibenvorfall. Die SuS kennen die Massnahmen die ergriffen werden können, um die Schmerzen zu lindern. 2.1 Die Wirbelsäule Die Wirbelsäule (Columna vertebralis) ist in ihrer Gesamtheit das zentrale tragende Konstruktionselement der Wirbeltiere. Sie bildet nicht nur die knöcherne Mitte des Körpers, gleicht Erschütterungen aus und dient dem Körpers als Stütze und Halt. Sie verbindet auch alle anderen Teile des Skeletts miteinander und trägt den Hals, Kopf und die oberen Gliedmassen und dient der Anheftung der Rippen und der Rückenmuskulatur. Sie besteht aus 24 segmentförmigen Knochen, den Wirbeln (Vertebrae), sowie dem Kreuzbein und dem Steissbein. Die Wirbel sind aber gegeneinander beweglich und erlauben dadurch Bewegungen nach vorne, hinten, links, rechts und um die Längsachse. Diese Beweglichkeit wird von den Bandscheiben unterstützt, die ausserdem zusammen mit vielen Bändern die Wirbelsäule stabilisieren. Die Wirbelsäule umschliesst und schützt das Rückenmark, welches durch die Wirbellöcher nach unten zieht. Aufgabe 2.1 Welche Aufgabe hat die Wirbelsäule? 18 Aufgabe 2.2 Betrachte die Abbildungen 5 zum Aufbau der Wirbelsäule und identifiziere am Schulskelett die verschiedenen Abschnitte. Abbildung 5 Aufbau der Wirbelsäule 2.2 Besonderheiten der Bandscheiben und Sitzhaltung Zwischen den Wirbelkörpern der Hals-, Brust-, Lendenwirbelsäule und Kreuzbein liegen die Bandscheiben (Zwischenwirbelscheiben, Disci intervertebrales). Jede Bandscheibe ist etwa 5 mm dick und besteht aus zwei Schichten Bindegewebe; • Einem Aussenring aus derben kollagenen Fasern und Faserknorpel • Einem Gallertkern, dem Nucleus. Dieser gleicht wie ein Wasserkissen die Druckunterschiede zwischen zwei Wirbeln aus, wenn diese sich gegeneinander bewegen. Die Bandscheiben bilden elastische Verbindungen der Wirbelkörper untereinander. Sie erhöhen die Beweglichkeit der Wirbelsäule, indem sie sich entsprechend mitverformen und fangen wie ein Stossdämpfer Stauchungen der Wirbelsäule ab, z.B. wenn man von einem Stuhl springt. 19 Abbildung 6 Die Bandscheibenfunktion. Der Nucleus verschiebt sich innerhalb der Bandscheibe je nach Beugung und Streckung der Wirbelsäule. Die Bandscheibe wird kaum von Blutgefässen versorgt, die Ernährung erfolgt somit vorwiegend passiv durch Einströmen von Gewebsflüssigkeit durch den Aussenring hindurch (Diffusion) (siehe Abb. 7). Je nach Druckbelastung auf die Bandscheibe ändert sich die Fliessrichtung des Ernährungsstromes ins Innere der Bandscheibe. Abbildung 7 Ernährung und Druckverteilung der Bandscheibe Häufiger Positionswechsel und häufiger Bewegungswechsel ziehen eine immer wieder verschiedenartige Belastung der Bandscheibe nach sich, wodurch die Ernährung der Bandscheibe am besten gewährleistet wird. Durch den stetigen Wechsel von Belastung und Entlastung wird die passive Ernährung der fast gefässlosen Bandscheibe am besten gewährleistet. Für sitzende Berufe gilt daher die Forderung, dass am Arbeitsplatz ein häufiger Wechsel zwischen vorgeneigter Sitzhaltung und zurückgeneigter Entspannungshaltung aus medizinischen Gründen unbedingt angezeigt erscheint. Man spricht auch vom „Dynamischen Sitzen im Gegensatz zur statischen Sitzhaltung. Druckmessungen im Innern der Bandscheibe bei verschiedenen Körper- und Sitzhaltung zeigten, wie stark der Einfluss der Wirbelsäulenstellung auf den Bandscheibendruck ist. Anstieg des Bandscheibendruckes im Bereich der unteren Wirbelsäule (Lendenwirbel) bedeutet aber auch erhöhte Belastung und somit beschleunigte Degeneration der Bandscheibe. 20 Abbildung 8 Druckbelastung innerhalb der 3. Lendenbandscheibe in Kilogramm (kg) nach Nachemson Aufgabe 2.3 Löse folgende Fragen zum Text „Besonderheiten der Bandscheiben und Sitzhaltung a)Worin liegen die Aufgaben der Bandscheiben? b)Was versteht man unter „Dynamischem Sitzen und wieso ist dieses so wichtig? c)Deute die Abbildung 8 zur Druckbelastung innerhalb der 3. Lenden-bandscheibe. d)Versuche herauszufinden was man unter einem „Bandscheiben-schaden oder „Bandscheibenvorfall versteht. 21 22 2.3 Die Krümmungen der Wirbelsäule Von vorne gesehen ist die gesunde Wirbelsäule nahezu gerade. Betrachtet man die Wirbelsäule des Erwachsenen jedoch von der Seite, so zeigt sie vier leichte Krümmungen (Abb. 9A): • Bei zwei Krümmungen ist der Bogen nach vorne gewölbt; sie heissen Halslordose und Lendenlordose • Bei den anderen beiden weist die Bogenkrümmung nach hinten. Sie werden als Brustkyphose und Sakralkyphose bezeichnet. Diese Krümmungen verleihen der Wirbelsäule eine hohe Stabilität. Die Belastungen, die bei den verschiedenen Bewegungen auftreten, werden dadurch auf alle Wirbel gleichmässig verteilt. Diese Krümmungen sind nicht von Geburt an vorhanden: Beim Säugling ist die Wirbelsäule leicht bogenförmig nach hinten gekrümmt und allenfalls die Lendenlordose angedeutet erkennbar. Erst durch die Belastungen beim Stehen und Gehen bildet sich bis etwa zum Ende der Kinderzeit die charakteristische Doppel-S-Form der Wirbelsäule aus. Aufgabe 2.4 Nimm einen grossen Bogen Papier und klebe ihn an eine Kastentür, so dass wenn Du Dich davor stellst, Deine Wirbelsäule auf derselben Höhe ist wie das Blatt. Stelle Dich in möglichst aufrechter Haltung seitlich vor das Blatt. Bitte eine Mitschülerin oder einen Mitschüler mit einem Stift den Verlauf Deiner Wirbelsäule auf das Blatt zu übertragen. Vergleiche die Form Deiner Wirbelsäule mit den Rückenformen in Abbildung 9. Führe auch den in Abb. 9C dargestellten Rückentest durch. Was für Schlüsse kannst Du daraus über Deine Wirbelsäule ziehen? 23 Abbildung 9: Rückenverformungen (v.l.n.r.: normaler Rücken, Flachrücken, totaler Rundrücken, hohlrunder Rücken; Seitliche Verkrümmung der Wirbelsäule; Skoliose; Rückentest; Bei richtiger Form der Wirbelsäule lässt sich eine Faustbreite Hohlraum zwischen Kreuz und Wand feststellen. 24 Aufgabe 2.5 Betrachte das Drahtmodel zur Wirbelsäule von Mensch und Schimpanse. Versuche Dir vorzustellen, welchen Einfluss die Form der Wirbelsäule auf die Lebensweise des jeweiligen Trägers hat. Kapiteltest Gehe zu Deiner Lehrperson und verlange den Kapiteltest zu Kapitel 2. 25 Kapiteltest: Kapitel 2 Frage 2.1 Beschrifte die markierten Stellen mit den entsprechenden anatomischen Bezeichnungen. Frage 2.2 Welche Aufgaben hat die Wirbelsäule? Frage 2.3 Zeichne die Form eines normalen und eines Hohlrücken von der Seite. Was könnten Gründe für einen Hohlrücken sein? Frage 2.4 Zeichne in einer Wirbelsäule einen Bandscheibenvorfall ein. Nennen zwei Gründe für einen Bandscheibenvorfall und zwei Massnahmen die ergriffen werden können, um die Schmerzen zu lindern. 26 Kapitel 3 – Bewegung: Gelenke und Muskeln Lernziele Die SuS kennen den Unterschied zwischen Agonist und Antagonist und können dieses Prinzip auf alle Muskeln anwenden. Die SuS kennen sechs Gelenkformen. Die SuS kennen die Hauptmerkmale des Ei-, Kugel-, Scharnier- und Sattelgelenks und kennen jeweils zwei Beispiele. Die SuS können in eigenen Worten erklären, wie eine Kontraktion zustande kommt und welche Teile daran beteiligt sind. Die SuS können die einzelnen Teile eines Muskels auf einer Skizze beschriften und ihnen Aufgaben während einer Kontraktion zuteilen. Die SuS können einen Muskelkater definieren und erklären wieso dieser die Muskulatur nicht zu einem optimalen Wachstum anregt. 3.1 Die Gelenke Körperbewegungen finden nicht an den Knochen selbst, sondern an den Verbindungsstellen zwischen den Knochen statt – den Gelenken. Man unterscheidet unechte und echte Gelenke. Unechte Gelenke (Synarthrosen) sind unbewegliche Gelenke ohne Gelenkspalt, die durch straffes kollagenes Bindegewebe, knorpelige oder knöcherne Verbindungen zusammengehalten werden. Diese sollen Knochen möglichst unverrückbar zusammenhalten. Deshalb ermöglichen solche Gelenke nur eine geringe Bewegung. Die echten Gelenke (Diarthrosen) hingegen haben zwischen den gelenkbildenden Knochen eine „richtige Lücke (Gelenkspalt) und sind überwiegend gut beweglich. 3.1.1 Aufbau der echten Gelenke (Diarthrosen) Nicht alle echten Gelenke sind gleichartig aufgebaut, es gibt aber einen charakteristischen Aufbau, den alle Gelenke gemeinsam haben und ihre gute Beweglichkeit ermöglicht. Dazu gehören folgende Strukturen (Abb. 10); • Es gibt einen Gelenkkopf und eine Gelenkpfanne, die aufeinander passen. • Die Gelenkflächen sind mit Knorpel überzogen. • Das Gelenk ist von einer Gelenkkapsel umgeben. • Die Gelenkhöhle, die durch Gelenkflüssigkeit ausgefüllt wird. Diese Flüssigkeit schmiert wie ein Getriebeöl die Gelenkflächen und ernährt ausserdem den gefässlosen Knorpel durch Diffusion. Zwischen den gelenkbildenden Knochenflächen befindet sich der Gelenkspalt. 27 Abbildung 10 Längsschnitt durch ein echtes Gelenk 3.1.2 Gelenkformen Auch echte Gelenke sind sehr unterschiedlich beweglich. Die Bewegungsmöglichkeiten eines Gelenkes werden dabei entscheidend von der Gestalt der gegenüberstehenden Gelenkflächen mitbestimmt. Es gibt sechs verschiedene Grundformen (Abb.11): • Plane Gelenke Die Gelenkflächen sind flach oder allenfalls leicht gewölbt. Plane Gelenke erlauben eine Gleitbewegung nach vorne und hinten oder von Seite zu Seite, wobei die Beweglichkeit in aller Regel durch kräftige Bänder ganz erheblich eingeschränkt wird. • Scharniergelenke Scharniergelenke ermöglichen Scharnierbewegungen. Ähnlich wie das Öffnen oder Schliessen einer Tür Bewegung um eine Achse in zwei Richtungen ermöglicht, können Scharniergelenke sich nur in eine Richtung bewegen. • Zapfen- und Radgelenke • • • Eigelenke Eigelenke erlauben Bewegungen um zwei Achsen, nämlich die Beuge-Streck- und Seit-zu-Seit-Bewegung. Sattelgelenke Dieses Gelenk erlaubt die Seit-zu-Seit-Bewegung und die Vorwärts-RückwärtsBewegung. Kugelgelenke Das Kugelgelenk erlaubt die meisten Bewegungsmöglichkeiten. Es sind Bewegungen in allen Richtungen möglich; Beugung und Streckung, Seit-zu-Seit-Bewegungen und Drehungen. 28 Abbildung 11 Verschiedene Gelenkformen Aufgabe 3.1 Probiere mit Hilfe der verschiedenen Gelenkmodelle die Bewegungen von Kugel- und Scharniergelenk nachzuvollziehen. Aufgabe 3.2 Gebe je zwei Beispiele an, wo im Körper Ei-, Kugel-, Scharnier- und Sattelgelenke vorkommen. 3.2 Die Muskulatur Man Unterscheidet drei Grundtypen von Muskelgewebe; die quergestreifte Muskulatur (Skelettmuskulatur), das Herzmuskelgewebe und die glatte Muskulatur. Die aktive Bewegung des Körpers kommt durch den Wechsel zwischen Anspannung und Erschlaffung der quergestreiften Muskulatur (Skelettmuskulatur) zustande. Die Skelettmuskulatur besteht aus spezialisierten Zellen, die vier Grundlegende Eigenschaften aufweisen: • Sie sind erregbar, das heisst sie können auf Nervenreize reagieren • Sie sind kontraktil, das heisst sie können sich verkürzen • Sie sind dehnbar, das heisst sie lassen sich auseinanderziehen • Sie sind elastisch, das heisst sie kehren nach Dehnung oder Kontraktion (Zusammenziehen) in ihre ursprüngliche Ruhelage zurück. Durch seine Fähigkeit zur Kontraktion kann der Skelettmuskel mehrere Aufgaben erfüllen: • Die aktive Bewegung des Körpers. Sie ist sichtbar beim Laufen oder Rennen und bei lokalisierten Bewegungen wie z.B. dem Ergreifen eines Bleistifts. 29 • Die aufrechte Körperhaltung. Die Skelettmuskulatur ermöglicht den aufrechten Gang. • Wärmeproduktion. Von der Energie, die zur Muskelarbeit eingesetzt wird, können nur 45% für die Kontraktion selbst verwendet werden. Als „Abfallprodukt entsteht die Körperwärme. Energieumsatz. Bereits in Ruhe entfallen ca. 20-25% des Energieumsatzes auf die Skelettmuskulatur. • 3.2.1 Agonist und Antagonist Zur flüssigen Ausführung der meisten Bewegungen ist das Zusammenspiel gegensätzlicher wirkender Muskeln erforderlich. Ein Agonist (Spieler) führt eine bestimmte Bewegung aus, sein Antagonist (Gegenspieler) ist für die entgegengesetzte Bewegung verantwortlich. Aufgabe 3.3 Beschreibe mit Hilfe der Abbildung 12 das Zusammenspiel der Muskeln beim Beugen des Unterarms. Versuche anschliessend deine Beschreibung durch das Abtasten des Armes deines Partners oder Partnerin während der Bewegung zu bestätigen. Abbildung 12 Die Beziehung zwischen Agonist und Antagonist am Beispiel des Zusammenspiels von Beuger (Bizeps) und Strecker (Trizeps) am Ellenbogengelenk. 3.2.2 Bau der Muskeln Aufgabe 3.4 Lies Dich selber in das Thema „Bau der Muskeln ein und beantworten die untenstehenden Fragen. Dabei stehen Dir mehrere Schul- und Sachbücher zur verfügen. a) Wie stehen die Begriffe „Myosin, „Myofibrille, „Myosinfilament und „Myosinköpfchen zu einander in Beziehung? b) Erkläre in eigenen Worten wie die Bewegung eines Muskels zustande kommt? 30 Aufgabe 3.5 Betrachte die untenstehende Schemazeichnung (Abb.13 14). Sie stellt den vergrösserten Ausschnitt eines quergestreiften Muskels, Sarkomer; im Längsschnitt dar. Die Ausschnitte X, und zeigen die gleichen Strukturen an verschiedenen Stellen des Sarkomers im Querschnitt. a) Bezeichne die Strukturen A-C und die Details a-d. b) Zeichne die Schnittebene der Querschnitte X, und in die Schemazeichnung des Sarkomers ein. Abbildung 13 Schemazeichnung eines Sarkomers Abbildung 14 Querschnitte verschiedener Bereiche des Sarkomers 3.2.3 Muskelkontraktion und ATP Die chemischen „Motoren der Muskulatur sind die Myofibrillen, ihre Arbeitseinheiten sind die Sarkomere. Hier wird die im ATP chemisch gebundene Energie – unter Wärmeverlust – direkt in die mechanische Arbeit der Muskelkontraktion umgewandelt. Aus elektronenmikroskopischen Aufnahmen, lässt sich erschliessen, dass die Myosin- und Aktinfilamente eines Sarkomers bei der Kontraktion teleskopartig ineinander gleiten, ohne dass sich ihre Dicke und Länge ändern. Dieses Filamentgleiten ist die Grundlage für die Muskelverkürzung, die sich aus der Verkürzung tausender hintereinander geschalteter Sarkomere ergibt. 31 Aufgabe 3.6 Erkläre in eigenen Worten, welche Vorgänge während einer Muskelkontraktion genau ablaufen. Welche Rolle spielt dabei das ATP? Abbildung 15 hilft Dir dabei. Abbildung 15 Arbeitstakte des chemischen Motors der Muskeln. Durch eine Folge solcher Takte gleiten die Filamente ineinander. Aufgabe 3.7 Ordne die Bilder den Zeitpunkten vor, während und bei vollständiger Muskelkontraktion zu. Begründen. 32 33 3.2.4 Der Muskelkater Aufgabe 3.8 Lies den Text „Muskelkater. Beschreibe in Deinen eigenen Worten wie ein Muskelkater zustande kommt. 34 35 36 3.2.5 Stoffwechsel, Sport und Trainingslehre Aufgabe 4.9 Lies den Text „Stoffwechsel, Sport und Trainingslehre auf Seite 33-34. a) Erkläre mit Hilfe der Grafik 3 „Energie bereitstellende Prozesse in der Muskelzelle die Vorgänge beim Beginn einer sportlichen Aktivität. b) Formuliere Aussagen über die beiden Muskelfasertypen und stelle diese in einer Tabelle gegenüber. Ziehe dazu Bild 2 „ST- und FT-Fasern im Vergleich im Text heran. 37 38 Kapiteltest Gehe zu Deiner Lehrperson und verlange den Kapiteltest zu Kapitel 3. 39 Kapiteltest: Kapitel 3 Frage 3.1 Das Handgelenk: a) Um welche Gelenkform handelt es sich? b) Beschreibe wie und womit es bewegt wird. Frage 3.2 Betrachte die untenstehende Abbildung: a) Wie heissen die Teile a-e? b) Welche Funktion haben diese Teile bei einer Muskelkontraktion? Frage 3.3 Isoliert man einen Muskel und hält ihn in Nährlösung, so kann man unter Laborbedingungen Kontraktionen auslösen. Gibt man zu einem frischen isolierten Muskel ATP löst dies jedoch nicht eine Kontraktion aus. a) Wieso führt dies nicht zu einer Kontraktion beim Muskel? b) Wie könnte man eine Kontraktion am isolierten Muskel auslösen? Frage 3.4 „Nur durch (extremen) Muskelkater wird die Muskulatur zu einem optimalen Wachstum angeregt. Stimmt diese Aussage? Äussere dich kritisch darüber. 40 Kapitel 4 – Knochenaufbau und Knorpel Lernziele Die SuS kennen die Struktur der Knochen und der Knorpel. Die SuS begründen in eigenen Worten den Aufbau der Knochen. Die SuS stellen tabellarisch die Unterschiede zwischen Knochen und Knorpel auf. Die SuS können die Osteoporose definieren und können in 2-3 Sätzen erklären, welche Probleme bei einer Osteoporose vorliegen. Die SuS können anhand einer Abbildung das Knochenwachstum erläutern. Knochen- und Knorpelgewebe bilden ein stabiles Gerüst, das die äussere Gestalt beeinflusst und im Zusammenspiel mit den Muskeln die Bewegung einzelner Körperteile erlaubt. Dieses Gerüst ist das Skelettsystem. Skelettsystem und Muskulatur werden als Bewegungsapparat Zusammengefasst. Das Skelett schützt ausserdem innere Organen vor Verletzungen und speichert Mineralien, insbesondere Kalzium und Phosphat. Schliesslich bietet das Skelettsystem im Inneren vier Knochen die Produktionsstätte für die meisten Blutzellen. 4.1 Der Aufbau der Knochen An einem Röhrenknochen (Abb. 16) unterscheidet man den langen, schlanken Schaft von den beiden verdickten Gelenkenden. Die Oberfläche ist fast ganz mit der dünnen, aber festen Beinhaut bedeckt, nur die beiden Gelenkenden sind von einer dünnen Schicht aus Knorpel bedeckt sind, die die Reibung in den Gelenken herabsetzen. Die dicke, gelbliche Knochenhaut liegt dem Knochen fest an und wird von vielen Blutgefässen durchzogen, die durch feine Öffnungen auch in das Innere der Knochensubstanz eindringen und den Knochen ernähren. Die Innenseite der Knochenhaut ist reich an Knochenbildungszellen, von denen das Dickenwachstum des Knochens und die Ausheilung von Knochenbrüchen ausgeht. Dass die Knochenhaut auch sehr empfindliche Nerven enthält, verraten die Schmerzen, die ein ungeschickter Stoss gegen das Schienbein oder Nasenbein verursacht. Neben der Schutz- und Ernährungsfunktion für den Knochen, dient die Knochenhaut schliesslich auch dem Ansatz von Sehnen und Bändern, mit denen es sich reissfest verbindet. Bestünden unsere Knochen durch und durch aus dichtem Knochengewebe, so wäre unser Knochen sehr viel schwerer. Tatsächlich ist aber bei den meisten grösseren Knochen nur die Aussenschicht (Knochenrinde) aus dichtem Knochengewebe aufgebaut. In seinem Inneren liegt ein Hohlraum, die Markhöhle, welche das Knochenmark enthält, das in der Jugend rot gefärbt ist, in späterem Alter aber verfettet und dann gelb aussieht. An den Gelenkenden ist das Innere des Knochens jedoch mit einem feinen Gitterwerk von Knochenbälkchen erfüllt, die ihm ein schwamm-artiges Aussehen verleihen; in den Lücken ist ebenfalls rotes Knochenmark enthalten. Hier werden die roten Blutkörperchen gebildet. Die Knochenbälkchen im Inneren des Knochens sind in Richtung des grössten Drucks und Zugs ausgerichtet, die mechanisch wenig belasteten Stellen dazwischen bleiben hohl. So wird mit einem Minimum an Material ein Maximum an Stabilität erreicht und enorm Gewicht gespart. 41 Abbildung 16 Aufbau eines Röhrenknochens. Die Knochenbälkchen sind in den Richtungen der Hauptbelastungsachsen angeordnet. Aufgabe 4.1 Betrachte die Abbildung 17 genau an. Beachte vor allem den Verlauf der Knochenbälkchen mit der Stahlkonstruktion eines Baukrans. Was fällt auf? Erklären in eigenen Worten. 42 Abbildung 17 Vergleich zwischen Verlauf der Knochenbälkchen und Stahlkonstruktion eines Baukrans 4.2 Osteoporose Osteoporose ist eine Erkrankung, die Knochen abbaut und damit nach und nach ihre Struktur zerstört. Die Knochen werden zunehmend weniger belastbar und verlieren an Stabilität. Osteoporose beschreibt drei gleichzeitig vorliegende Veränderungen des Knochengewebes: niedrige Knochendichte, mangelhafte Reparaturmechanismen und minderwertige Knochensubstanz. Der Knochen wird brüchig und nicht selten kommt es schon durch „harmlose Verletzungen zu Knochenbrüchen. Betroffen sind vor allem ältere Frauen, wobei dem Östrogenmangel nach den Wechslejahren eine bedeutende Rolle zugecshrieben wird. Behandelt wird die Osteoporose derzeit vor allem mit Kalzium, Vitamin und Biophosphonaten. Die normale Knochendichte und –struktur kann aber damit nicht wiederhergestellt werden. 43 4.3 Die Knochenentwicklung Der Vorgang der Knochenbildung heisst Ossifikation (Verknöcherung) (Abb. 18). Es gibt zwei Möglichkeiten der Knochenbildung; die direkte Verknöcherung und die Verknöcherung über knorpelige Zwischenstufen. Die Knochen des Schädeldaches, die Mehrzahl der Gesichtsknochen und das Schlüsselbein verknöchern auf direktem Wege. Die meisten Knochen des Körpers werden jedoch über einen Umweg gebildet. Vor der Geburt besteht der grösste Teil des Skeletts aus Knorpel. Nach und nach wird dann der Knorpel durch Knochensubstanz ersetzt, während das Wachstum weitergeht. Das Dickenwachstum erfolgt so, dass von aussen her durch Knochenbildungszellen in der Knochenhaut ständig neue Knochensubstanz angelagert wird, während gleichzeitig eine im Knorpelinneren ablaufende Verknöcherung stattfindet, bei der Blutgefässe ins Innere des Knorpelstabes eindringen. Dabei entsteht ein primärer Knochenkern, der durch schichtweise Auflösung von Knorpel und Anlagerung von Knochen allmählich grösser wird. An den Röhrenknochen bleibt der Knorpel zwischen dem Schaft und den Gelenkenden noch lange Zeit erhalten. Von diesen verhältnismässig weichen Knorpelscheiben aus wächst der Knochen in die Länge, ohne dass seine Widerstandsfähigkeit darunter merklich leidet. Abbildung 18 Schema des Knochenwachstums Die Verknöcherung des Skeletts ist erst nach Abschluss des Wachstums mit dem 20. Bis 25. Lebensjahr beendet; dann setzt sich die (wasserfreie) Knochensubstanz zu einem drittel aus Knochenknorpel und zu zweidrittel aus Knochenerde zusammen. Doch vermag der Knochen als lebendes Gebilde seine Form zu ändern. Nur an wenigen stellen wird der Knorpel überhaupt nicht durch Knochen ersetzt. Da der knorpelige Anteil des Skeletts anfangs viel grösser ist und die Knochen auch viel mehr Knochenknorpel als Knochenerde enthalten, ist das Skelett von Jugendlichen weicher und biegsamer als bei Erwachsenen. Deshalb kommen Knochenbrüche in diesem Alter selten vor. Die grösste Festigkeit erreicht das Skelett in den mittleren Lebensjahren. Im höheren Alter schwindet allmählich der Knochenknorpel und nimmt der Kalkgehalt zu, so dass die Knochen an Elastizität verlieren und spröde werden. Beim Greis genügt oft schon ein falscher Tritt, um einen Knochenbruch herbeizuführen. 44 Aufgabe 4.2 Betrachten das eingefärbte Skelett eines Hühnerembryos. Die Knochensubstanz erscheint blau und die Knochensubstanz rot. Erkläre das Färbungsmuster. 4.4 Der Knorpel Die Grundsubstanz des Knorpels wird wie diejenige des Knochens durch besondere Zellen gebildet. Doch sind diese rundlich und liegen getrennt voneinander in Gruppen zu zwei oder drei in der von elastischen Fasern durchzogenen Grundsubstanz. Der Knorpel ist aber viel weicher als der Knochen, so dass man ihn mit dem Messer schneiden kann, übertrifft aber die Knochensubstanz an Dehnbarkeit, Biegsamkeit und Elastizität. Er besteht ganz aus organischen Stoffen ohne Einlagerung von Kalksalzen; sein Inneres enthält keine Blutgefässe und Nerven. Wir kennen den Knorpel bereits als Baustoff bei der Anlage des Skeletts vor der Geburt. Im Skelett der Erwachsenen findet er überall da Anwendung, wo es darauf ankommt, Stösse abzuschwächen und Belastungen federnd auszugleichen, oder wo verbiegbare Verbindungen nötig werden. Wir finden ihn deshalb als Überzug und Auskleidung der Gelenkflächen, als elastische Zwischenlage zwischen den einzelnen Wirbeln und zur Befestigung der Rippen am Brustbein. Auch bildet er die verbiegbare Stütze der Nase und der Ohrenmuscheln und dient zur Festigung der Luftröhre und zur Bildung des Kehlkopfes. Aufgabe 4.3 Vergleichen den Schädel eines Neugeborenen und den eines Erwachsenen miteinander. Wie kannst Du das Festgestellte erklären? Kapiteltest Gehe zu Deiner Lehrperson und verlange den Kapiteltest zu Kapitel 4. 45 Kapiteltest: Kapitel 4 Frage 4.1 Erkläre wieso unsere Knochen innen hohl sind und welche Struktur unseren Knochen dennoch eine enorme Stabilität gibt. Frage 4.2 Was ist die Osteoporose? Welche Veränderungen im Knochengewebe liegen bei der Osteoporose gleichzeitig vor? Frage 4.3 Erläutere in Deinen eigenen Worten die Knochenentwicklung. Die untenstehende Abbildung hilft Dir dabei. Abbildung 19 Ablauf der Knochenentwicklung Frage 4.4 Vergleiche Knochen und Knorpel miteinander und stelle ihre Merkmale, in der untenstehenden Tabelle, einander gegenüber. Knochen Knorpel 46 Quellen Menche Nicole, 2007, 6. Auflage, Biologie, Anatomie, Physiologie, Elsevier Verlag, S. 71-89 Campell, Neil A. 2006, 6. Auflage: Biologie. Pearson Studium, München. Reece, Jane B. 2009, Seventh Edition: Campbell Biology, Concepts Connections. Pearson. Thews, G.; Mutschler, E.; Vaupel, P. 1999, 5. Auflage: Anatomie Physiologie Pathophysiologie des Menschen. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart. Toshiya (Karate, Kampfkunst Kultur), Ausgabe 5/2010, S.22-23 Weber, Ulrich, 2001, 1. Auflage, Cornelsen; Biologie Oberstufe, Gesamtband Weber, Ulrich, 2010, 2. Auflage, Cornelsen; Biologie Oberstufe, Gesamtband Linder, Hermann, 1989, 20. Auflage; Linder Biologie, Metzler-Verlag, Hannover 47 Anhang Lösungen Kapitel1 Aufgabe 1.1 1 Schädel (Cranium) 2 Augenhöhle (Orbita) 3 Oberkiefer (Maxilla) 4 Unterkiefer (Mandibula) 5 Halswirbel (Vertebra cervicalis) 6 Schlüsselbein (Clavicula) 7 Schulterblatt (Scapula) 8 Rippen (Costae) 9 Oberarmknochen (Humerus) 10 Speiche (Radius) 11 Elle (Ulna) 12 Brustbein (Sternum) 13 Brustkorb (Thorax) 14 Rippenbogen (Arcus costalis) 15 Wirbelsäule (Columna vertebralis) 16 Handwurzelknochen (Ossa carpi 17 Darmbein (Os ilium) 18 Kreuzbein (Os sacrum) 19 Schambein (Os pubis) 20 Sitzbein (Os ischii) 21 Oberschenkelknochen (Femur) 22 Kniescheibe (Patella) 23 Wadenbein (Fibula) 24 Schienbein (Tibia) 25 Fusswurzelknochen (Ossa tarsi) 48 Aufgabe 1.3 1. Schädel • Umschliesst Gehirn und Sinnesorgane • Unterkiefer dient als Kauapparat (Nahrungsaufnahme) 2. Wirbelsäule • Hauptelement für Stütze, Bewegung • Schützt Rückenmark 3. Brustkorb • Schützt Lunge und Herz • Wirkt beim Atmen mit 4. Schultergürtel • Verbindet Gliedmassen mit Rumpfskelett (Arme mit Rumpf) 5. Beckengürtel • Verbindet Gliedmassen mit Rumpfskelett (Beine mit Rumpf) • Schützt wichtige Organe 6. Beine • Dienen als Tragsäule • Dienen als Fortbewegung des Körpers 7. Arme • Arme und Hände dienen als Greiffwerkzeuge • Dienen als Gleichgewicht bei Bewegungen Aufgabe 1.4 Wenn man einen gewölbten/ normalen Fuss hat, übernimmt das Skelett das ganze Gewicht oder zumindest den grössten Teil, da das Skelett dafür „gebaut ist und nicht die Muskeln, denn diese brauchen viel Energie. Zusätzlich hat der gewölbte Fuss mehr Kraft. Wenn man einen Plattfuss hat, übernehmen die Muskeln die Arbeit des Skelettes und damit das ganze Gewicht. Die Muskeln sind aber nicht für solche Belastungen geschaffen und deshalb führt das zu grossen Schmerzen. 49 Lösungen Kapiteltest Kapitel 1 Frage 1.1 1 Schädel • Umschliesst Gehirn und Sinnesorgane • Unterkiefer dient als Kauapparat (Nahrungsaufnahme) 1 Augenhöhle 2 Oberkiefer 3 Unterkiefer 4 Schlüsselbein 5 Schulterblatt 6 Rippen 7 Oberarmknochen 8 Speiche 9 Elle 10 Brustbein 11 Brustkorb 12 Wirbelsäule • Hauptelement für Stütze, Bewegung 13 14 15 16 • Schützt Rückenmark Schambein Oberschenkelknochen Kniescheibe Schienbein Frage 1.2 • Gibt dem Körper Form und Halt • Ermöglicht in Zusammenhang mit Muskeln Bewegungen • Schutz der inneren Organe • Produktion von Blutzellen • Kalziumspeicher Frage 1.3 Beim Plattfuss sind das Längs- und das Quergewölbe abgeflacht, so dass beim Gehen nicht mehr nur ein kleiner Abschnitt, sondern fast die ganze Fusssohle dem Boden aufliegt. Beim Hohlfuss, handelt es sich um das Gegenteil eines Plattfusses: Das Längsgewölbe ist überhöht. Frage 1.4 Wenn man einen Plattfuss hat, sind Längs- und Quergewölbe abgeflacht. Deshalb übernehmen die Muskeln die Arbeit des Skelettes und damit das ganze Gewicht. Die Muskeln sind aber nicht für solche Belastungen geschaffen, wie der Versuch in Aufgabe 1.4 zeigt und deshalb führt das zu grossen Schmerzen. 50 Lösungen Kapitel 2 Aufgabe 2.1 Die Wirbelsäule trägt die oberen Gliedmassen und Massen des Stammes; Hals, Kopf, Rumpf. Sie gleicht Erschütterungen aus und ermöglicht eine aufrechte Haltung. Die Wirbelsäule verbindet auch die Rippen und Rückenmuskulatur. Aufgabe 2.3 a) Die Bandscheiben liegen zwischen den Wirbelkörper der Wirbelsäule. Sie binden die Wirbelkörper und erhöhen die Beweglichkeit der Wirbelsäule, indem sie sich entsprechend mitverformen und fangen wie ein Stossdämpfer Stauchungen der Wirbelsäule ab. Sie verhindern auch, dass zwei Wirbelkörper nicht aneinander reiben. b) „Dynamisches Sitzen bedeutet oder heisst der Wechsel von vorgeneigter und zurückgeneigter Sitzhaltung. Das ist vor allem bei sitzenden Berufen wichtig, damit die Bandscheiben am besten ernährt und versorgt werden. c) Wenn man flach auf dem Rücken liegt wird am wenigsten „Druck auf den Rücken ausgeübt. Beim aufrechtstehen wirkt weniger „Druck auf die Wirbelsäule als beim Sitzen. Deshalb müssen Leute mit Rückenschmerzen immer wieder aufstehen. Wenn man sich im Stehen nach vorne beugt und gleichzeitig ein Gewicht hält, so ist der „Druck am Grössten. d) Man spricht von Bandscheibenvorfall, wenn der Aussenring kleine Risse bekommt, und sich der Nucleus vorwölben kann. Reaktiv verändern sich die benachbarten Wirbel. Dies tritt auf, weil ab dem 20.-30. Lebensjahr der Wassergehalt und damit die Elastizität des Nucleus abnimmt. Der Nucleus geleitet aus seiner „Hülle (Aussenring), und drückt auf die austretenden Nervenwurzeln, was oft starke Schmerzen auslöst. Liegen keine Lähmungen vor, besteht die Behandlung in kurzzeitiger Entlastung durch Stufenbettlagerung, Massnahmen zur Muskelentspannung und Schmerzbehandlung. Langfristig wichtig ist Stärkung der Rücken- und Bauchmuskulatur durch konsequente Übungen. 51 Aufgabe 2.5 Beim aufrechten Gang, auch wenn wir zusätzliches Gewicht tragen, ist unser Rücken besser und belastbarer. Beim Schimpansen geht der Rücken, beim aufrechten Gang, nach vorne. Wenn er dann noch Gewicht trägt, zieht ihn das Gewicht nach unten. Auf vier Beine hingegen ist unsere Wirbelsäure sehr schlecht, die des Schimpansen hingegegen ideal, auch wenn er Gewicht trägt. Somit ist unsere Wirbelsäule an den aufrechten Gang angepasst und diejenige des Schimpansen eignet sich um auf vier Beinen zu gehen. 52 Lösungen Kapiteltest Kapitel 2 Frage 2.1 Frage 2.2 Die Wirbelsäule trägt die oberen Gliedmassen und Massen des Stammes; Hals, Kopf, Rumpf. Sie gleicht Erschütterungen aus und ermöglicht eine aufrechte Haltung. Die Wirbelsäule verbindet auch die Rippen und Rückenmuskulatur. 53 Frage 2.3 normaler Rücken Hohlrücken Die Ursache für ein Hohlkreuz ist meistens die Vorwärtsbeugung des Beckenknochens, an dem mehrere Muskeln ziehen. Sind diese verkürzt, wie z.B. durch zu häufiges und falsches Sitzen, kommt es zu einem Hohlkreuz. 54 Frage 2.4 Der Gallertring der Bandscheibe geleitet aus seiner Hülle und drückt auf den Spinalnerv, was zu Schmerzen oder sogar Lähmungen führen. Die Ursachen können altersbedingte Verschleisserscheinungen, Überbelastungen, eine angeborene Fehlstellung oder eine Bindegewebsschwäche sein. Ebenso können Rückenprobleme durch Übergewicht, eine schwache Muskulatur und eine dauerhaft falsche Körperhaltung begünstigt werde Zunächst ist körperliche Schonung (v.a. viel liegen) und vorsichtige Krankengymnastik angeraten, damit die Bandscheiben entlastet und die Rückenmuskulatur verstärkt wird. Zudem werden regelmäßig Schmerzmittel verabreicht, um die Schmerzen zu lindern und weiteren Muskelverspannungen vorzubeugen. Wenn durch die konservative Therapie keine Besserung erzielt werden oder treten weitere Symptome wie Empfindungsstörungen, Lähmung oder Muskelschwäche auf, so kann eine Operation notwendig sein. 55 Lösungen Kapitel 3 Aufgabe 3.2 Eigelenk: Kugelgelenk: Scharniergelenk: Sattelgelenk: Handgelenk Schultergelenk, Hüftgelenk Ellbogen, Fingergelenk (Fingermittel- und –endgelenk), Sprunggelenk Daumenwurzelgelenk, Fussgelenk Aufgabe 3.3 Beugung Agonist Bizeps kontrahiert Antagonist Trizeps gedehnt Streckung Agonist Trizeps kontrahiert Antagonist Bizeps gedehnt Aufgabe 3.4 a) Jeder Muskel besteht aus Myofibrillen. Jede Muskelfaser enthält mehrere Myofibrillen, die aus regelmässig angeordneten Myosinfilamenten besteht. Die Myosinfilamente bestehen aus hunderten von Myosinmolekülen. Die Myosinköpfchen hängen an den Myosinfilamenten und bilden bei einer Anspannung des Muskels die Verbindung zwischen den Actinfilamenten und den Myosinfilamenten. b) Während einer Muskelkontraktion gleiten die Myosin- und Aktinfilamente, die durch die Myosinköpfchen miteinander verbunden sind, ineinander. Dieses Filamentgleiten führt zu einer Muskelverkürzung, die sich aus der Verkürzung tausender hintereinander geschalteter Sarkomere ergibt. 56 Aufgabe 3.5 Schemazeichnung eines Sarkomers Myosinfilamente Actinfilamente Z-Scheibe Aktinmolekül Troponin Myosinköpfchen Tropomyosin Querschnitte verschiedener Bereiche des Sarkomers Aufgabe 3.6 Auf einen Nervenimpuls hin, werden Ca 2-Ionen aus dem endoplasmatischen Reticulum der Muskelfasern ausgeschüttet. Diese verbinden sich mit dem Troponin, welches seine Form verändert. Sie drängen dadurch Tropomyosinfäden aus ihrer Lage, so dass Bindungsstellen auf den Actinfilamenten freigelegt werden, an welche dann Myosinköpfe binden. Die Myosinköpfe klappen nach ihrer Bindung an ein Actinfilament um, dadurch ziehen sie das Actinfilament 10nm weit zur Sarkomermitte. Der Muskel verkürzt sich. Das ATP dient zum Lösen der Bindung des Myosinköpfchens an das Actinfilament. ATP ist somit der Energielieferant für die Muskelarbeit. Aufgabe 3.7 Muskel vor einer Kontraktion (entspannt) • Sarkomer entspannt • Abstand zwischen den Z-Scheiben ist am Grössten • Viele helle Bereiche Muskel während einer Kontraktion • Sarkomer kontrahiert • Abstand zwischen den Z-Scheiben wird kleiner • weniger helle Bereiche Muskel vollständig kontrahiert • Sarkomer vollständig kontrahiert • Abstand zwischen den Z-Scheiben ist am Kleinsten • keine helle Bereiche 57 Aufgabe 3.8 Muskelkater wird durch das Auftreten hoher Kräfte in muskulären Strukturen (Z-Streifen) verursacht, die zu einer Beeinträchtigung der kontraktilen Funktion führen. Durch eine zu hohe Belastung werden die Filamente trotz Verkürzung auseinandergezogen/ gerissen. Dadurch kommt es auf beiden Seiten der Z-Streifen zu gegensätzlichen Krafteinwirkungen, die die Z-Streifen zerreissen. Deshalb kommt es zu einer Muskelschwellung aufgrund von entzündlichen Reaktionen in der Zelle. Diese Schwellung drückt auf die Nervenfasern und verursacht Schmerzen. Aufgabe 3.9 a) Zu Beginn, baut der Muskel nach ca. 2s das gespeicherte ATP ab. Anschliessend muss das ATP wieder „aufgetankt werden. Die erste Energiereserve der Muskelzelle, die sofort zur Verfügung steht, ist Kreatinphosphat (energiereiche Substanz aus den Muskelzellen). Es regeneriert schnell ATP, jedoch nur für ca. 10s. Energie die für eine längere Muskelarbeit benötigte wird, wird aus dem Abbau von Glucose ( eigentlicher Energieträger) gewonnen. Es wird im Muskel und der Leber als Glykogen gespeichert und ist Ausgangssubstanz für aerobe und anaerobe Prozesse. Glucose gewährt jedoch erst nach einigen Stoffwechsel- und Transportschritten eine hohe ATP-Versorgung. In der Anfangsphase einer sportlichen Leistung (10-40s), kann der Körper den Sauerstoffgehalt nicht decken, da die Sauerstoffaufnahme nur langsam steigt. Die Glucose wird daher anaerob zur Milchsäure abgebaut (Milchsäuregärung), dies gibt aber nur wenig ATP. Ab ca. 100s Belastungsdauer (z.B. Langstreckenlauf) erreicht der Körper einen Gleichgewichtszustand zwischen Sauerstoffaufnahme und Sauerstoffbedarf. Glucose wird aerob, über die Zellatmung, abgebaut und mehr ATP wird gebildet. b) Die Skelettmuskulatur besteht aus quer gestreiften Muskelfasern. Sie haben zwar eine gemeinsame Grundstruktur, man unterscheidet jedoch einen schnellen (FT-) und einen langsamen (ST-) Fasertypen. Ihr Mengenverhältnis zueinander kann durch Training kaum verändert werden, es ist genetisch festgelegt. Deshalb kann es bei gleich grossen und gleich alten Sportlern selbst bei gleichem Trainingsaufwand zu unterschiedlichen Trainingserfolgen kommen. FT (Fast-Twitch) schnelle Fasertyp Reich an ATP, Kreatinphosphat und Glykogen Arm an Myoglobin und Mitochondrien Viele Enzyme der Glykolyse (für anaerobe Energiebereitstellung) Hohe anaerobe Kapazität schnelle Ermüdung Geeignet für explosive Bewegungen (Sprünge, Sprints) Loses Kapillarnetz 58 ST (Slow-Twitch) langsame Fasertyp Arm an ATP und Kreatinphosphat Reich an Myoglobin und MItochondrien Viele Enzyme für aeroben Stoffwechsel Hohe aerobe Kapazität Geeignet für Ausdauerleistungen Dichtes Kapillarnetz Lösungen Kapiteltest: Kapitel 3 Frage 3.1 a) Eigelenk b) Die meisten Muskeln liegen im Unterarm und nur die Sehnen reichen bis in die Hand. Biegt man das Handgelenk nach unten, kontrahiert sich der obere (Unterarm-)Muskel ( Agonist) und der untere (Unterarm-) Muskel dehnt sich (Antagonist). Wird das Handgelenk nach oben gebogen, geschieht genau das umgekehrte; der untere (Unterarm-) Muskel dehnt sich (Antagonist) und der obere (Unterarm-) Muskel wird kontrahiert (Agonist). Frage 3.2 a) b d b) b d Blutgefässe Muskelfaser Myosinfilament Actinfilament Z-Scheibe Blutgefässe versorgen den Muskel mit Nährstoffen und Sauerstoff Muskelfaser verkürzt sich bei Muskelkontraktion. (Bestehen aus Muskelfibrillen und diese bestehen aus vielen Sarkomere die aneinandergereiht sind) Myosinfilamente gleiten an die Actinfilamente vorbei. Myosinfilamente durch Myosinköpfchen an Actinfilamente gebunden. Actinfilamente gleiten an Myosinfilamente vorbei. Sie dienen als Bindungsstelle für die Myosinköpfchen. Fixpunkte für die Bewegung. Sie begrenzen die Sarkomere, die viele kleine Abschnitte bilden. Diese führen alle viele kleine Bewegungen aus, die zusammen eine grosse Bewegung ausführen. Frage 3.3 a) Die Kontraktion des Muskels wird erst ausgelöst, wenn vom Hirn ein Nervenimpuls abgegeben wird. Erst dann werden, durch die Verbindung von Ca2-Ionen an Troponin, Bindungsstellen auf den Actinfilamenten frei, an welche Myosinköpfe binden können. Erst durch diese Bindung verkürzt sich der Muskel und eine Kontraktion findet statt. ATP dient dann zum Lösen dieser Bindung und ist der Energielieferant der Muskelarbeit. b) Indem man dem isolierten Muskel elektrische Reize zufügt, könnte man eine Kontraktion auslösen. Es müssen allerdings ziemlich viele Reize innert kurzer Zeit (50 pro Sekunde) abgegeben werden, damit nicht nur eine Zuckung entsteht. Frage 3.4 Diese Aussage stimmt nicht und muss revidiert werden. Dur