Biologie Zusammenfassung Optik, die Zelle, das Auge PDF

Preview

Summary

Optik, die Zelle, das Auge...

Description

BIOLOGIE

INHALTSVERZEICHNIS WARUM DAS GEHIRN KEIN COMPUTER IST

5

WIE ENTSTEHT FARBE

5

WAS PASSIERT MIT DEM LICHT IM AUGE

6

WELLENLÄNGE UND FREQUENZ

7

Wellenlänge λ

7

Frequenz f Was passiert mit der Wellenlänge wenn ich die Frequenz erhöhe?

7 7

ELEKTROMAGNETISCHES SPEKTRUM

7

TOPOLOGISCHES PRINZIP

8

WO IST DIE FARBE IN DER WELT?

8

Subtraktive Farbmischung

8

Additive Farbmischung

8

ANATOMIE DES AUGES

9

Abb. 1

9

Abb. 2

9

10 Abb. 3 Problem:

10 11

Abb. 4

11

11

AKKOMODATION AB

12

12 2.1

12

2.2

13

2.3

13

2.4

13

3.3

13

AKKOMODATION Wie hängen Blende und Bildschärfe voneinander ab? Problem

AUGEN OPTIK 1.

14 14 14

14 14

2.1

AUGEN-OPTIK FEHLSICHTIGKEIT

14

15

Kurzsichtigkeit = Myopie

15

Weitsichtigkeit = Übersichtigkeit = Hyperopie

15

EXKURS: WIE KOMMT DIE ENERGIE IN DEN ZUCKER?

16

MOLEKÜL RHODOPSIN

16

Was passiert wenn ich von draußen in den Keller gehe? Worin besteht das Problem, das das Auge offenbar zu lösen in der Lage ist? Wodurch könnte die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass ein Rhodopsinmolekül von einem Photon getroffen wird?

DIE ZELLE

17 17 17

17

Die Zelle als Fabrik

17

Strukturen

18

Blätter: dissipative und konservative Strukturen?

20

DNA

21

Lecithin- ein Phospholipid

21

Monomolekularer Film:

22

Membranaufbau

22

Biomembran

23

Sandwich-Modell

23

Fluid-Mosaic-Modell

23

Diffusion

24

Semipermeale Membran

24

Osmose

25

Membrantransport/ Biomembran

25

Aktiver und passiver Transport

25

Selektiv permeale Kanäle:

26

Warum das Gehirn kein Computer ist      

Ein Computer speichert neutrale Dateien Unser Gehirn unterzieht allen Daten einer emotionalen Bewertung Emotionen bestimmen unser Verhalten zumeist viel mehr als rationale Überlegungen Emotionen sind Verhaltensdispositionen (-bereitschaften) Das Gehirn ist kein Datensammelautomat, sondern eine Problemlösemaschine, die auf für uns auf wichtige Situationen reagiert. Wir lernen emotionale Reaktionen auf die Welt aus: eigenen Erfahrungen/ Reaktionen unserer Bezugsgruppe

Wie entsteht Farbe

   

Gegenstände absorbieren & reflektieren Licht Wir sehen 400nm- 700nm im Wellenlängenbereich Oberflächenstruktur bestimmt Farbe Pigmente können die Struktur verändern

Farbe ist nicht an Gegenständen: Ihre Oberflächen absorbieren manche Wellenlängen des eingestrahlten Lichtes und reflektieren andere. Wenn etwas farbig ist, dann möglicherweise das Licht. Die Welt ist „an sich“ nicht farbig.

Was passiert mit dem Licht im Auge Netzhaut – Sehnerv – Gehirn 

Elektrische Impulse (Natrium + Kalium Ionen) werden an das Gehirn geleitet

 

Farbe existiert nur im Geist Gehirn stellt die Welt her

Wellenlänge und Frequenz Wellenlänge λ Abstand zweier Punkte gleicher Phase

Frequenz f Anzahl von Ereignissen innerhalb eines bestimmten Zeitraums Zahl der Schwingungen pro Zeiteinheit: 1 Hz = 1 Schwingung pro Sekunde

Was passiert mit der Wellenlänge wenn ich die Frequenz erhöhe?  

Je höher die Frequenz desto kleiner die Wellenlänge Je mehr Wellen in einer Zeiteinheit desto kleiner der Abstand der Wellen

Elektromagnetisches Spektrum Licht ist der sichtbare Ausschnitt aus dem elektromagnetischen Spektrum. Licht ist eine Form von Energie. Sichtbar: 400-700 Nanometer 400nm: rot 700nm: blau Die Energie ist bei 400nm grösser, da die Wellen nur einen Abstand von 400nm haben, das heißt es befinden sich mehr Wellen in einer Zeiteinheit (höhere Frequenz).

Topologisches Prinzip   

Alles, was von unserer Körperperipherie zum Gehirn fließt, sind gleiche elektrische Impulse (Aktionspotentiale) Was das Gehirn daraus macht, hängt vom Ort der Verarbeitung ab, nicht vom Ort des Ursprungs Entscheidend ist die Stelle im Gehirn, an der die Impulse ankommen

Wo ist die Farbe in der Welt? Subtraktive Farbmischung Einfallendes Licht wird durch Pigmente in bestimmten Wellenlängenbereichen absorbiert

Additive Farbmischung Licht bestimmter Wellenlängen wird ausgestrahlt. Die Mischung der Wellenlängen, die vom Gegenstand reflektiert ins Auge gehen, erzeugen die Farbwahrnehmung. RGB-Farben: rot/ grün/ blau sind zusammen weiß Erzeugen durch Mischung mit Cyan/ Magenta/ Gelb jede Farbe

Anatomie des Auges Abb. 1 a: Netzhaut (Retina) b: pupillenerweiternder Muskel c: Ringmuskel der Iris d: Linse e: Hornhaut (Cornea) f: Glaskörper (Corpus vitreum) g: Lederhaut h: Aderhaut i: blinder Fleck (Papille) k: Sehnerv (Nervus opticus) l: Ziliarmuskel m: Zonula-Fasern n: gleber Fleck (Macula Lutea)

Abb. 2 1 Lichtsinneszellen 2 Ganglienzellen 3 Sehnerv 4 blinder Fleck Wirbeltierauge: inverses Auge  Retina entwickelt sich aus Vorstülpung des Zwischenhirns  Sinneszellen sind falsch orientiert Tintenfischauge: everses Auge  Retina entwickelt sich aus Epidermiszellen (Hautgewebe)



Lichtsinneszellen vor Ganglienzellen

Abb. 3

1 Pigmentephitelzelle 2 Stäbchen:  ca. 125 Millionen  schwarz-weiss-sehen 3 Zapfen:  ca. 7 Millionen  Farbsehen  Wir sehen nur die zentrale Fläche des Sehfeldes farbig, der Rest wird vom Gehirn hochgerechnet 4 Horizontalzelle: verschalten benachbarte Photorezeptoren/Sinneszellen 5 Amakrinzelle: verschalten benachbarte Ganglienzellen 6 Bipolarzelle: mit 100-1000 Rezeptorzellen verbunden 7 Ganglienzelle:

 ca. 1 Millionen  senden Aktionspotenziale zum Gehirn 8 Pigmentschicht: liegt der Aderhaut an 9 Nervenfasern: zum Sehnerv 10 Einfallsrichtung des Lichtes  Licht kommt von unten, da 8 an der Aderhaut, weiter innen im Auge, liegt Problem: Von 132 Bildpunkten möglicher Auflösung können nur 1 Millionen übertragen werden. Lösung: Es werden nicht alle Punkte der Netzhaut 1:1 zum Gehirn übertragen. Die Information wird bereits in der Netzhaut verarbeitet und über getrennte Kanäle als Verarbeitungsprodukt zum Gehirn geleitet. Bspw.: Bewegungs-; Farb- und Kontrastinformationen Resultat: Das Ganze ist schlecht gelöst worden, da bei dem Prozess Licht absorbiert wird und das Gehirn Lichtbrechungen herausrechnen muss.

Abb. 4

A Stäbchen B Zapfen 1 Disk  Ort der Lichtabsorption  Membranscheibchen/ -einfaltung  In die Membran eingelagert ist der Sehfarbstoff (Rhodopsin)

2 Cytoplasma  Lebende Substanz der Zelle 3 Plasmamembran  Lässt nur bestimmte Stoffe ein-/ austreten 4 Mitochondrien  Kraftwerk der Zelle 5 Zellkern  Informationen für Bau und Regulation der Zelle

Akkomodation AB

2.1 G-Gegenstand PS-Parallelstrahl MS-Mittelpunktsstrahl g-Gegenstandsweite Bs-Brennstrahl f-Brennweite F-Brennstrahl B-Bild b-bildweite

2.2 Wie müssen die Strahlen für ein scharfes Bild auf die Netzhaut treffen? PS und MS müssen zusammenkommen.

2.3 Was passiert wenn G näher an die Linse heranrückt? Das Bild verschiebt sich.

2.4 Welches Problem entsteht? Das Bild läge hinter der Retina.

3.3 a) Sie ist maximal abgekugelt. b) Zug der Aderhaut: Linse wird flachgezogen c) Ringmuskel: wirkt dem Zug der Aderhaut entgegen und führt zur Abkugelung der Linse.

Akkomodation Rückt der Gegenstand näher an die Linse heran (verringert sich g), so entfernt sich das Bild ( vergrößert sich b) und wird zunehmend größer. Das scharfe Bild würde nun hinter der Netzhaut entstehen. Auf dieser entstehen Zerstreuungskreise. Wir sehen nahe Gegenstände verschwommen. Wenn man scharf sehen will, muss man den Brennpunkt weiter an die Linse verschieben, damit der Bildpunkt wieder auf der Retina liegt. Je stärker konvex (kugelig) die Linse ist, desto näher liegt der Brennpunkt an der Linse. Je glatter die Linse, desto weiter weg ist der Brennpunkt von der Linse.

Wie hängen Blende und Bildschärfe voneinander ab? Bei einer sehr kleinen Blende kommen nur ganz wenige Strahlen durch und es werden nur diese abgebildet. Von jedem Bild kommt aber eine Vielzahl von Bildpunkten ab. Beim Vergrößern der Blende werden dementsprechend mehr Punkte widergespiegelt und das Bild ist unschärfer, da der Auftreffort der Punkte nicht exakt gleich ist.

Problem Wie bekommt man scharfe Bilder im Halbdunkeln? Lösung: Man braucht eine festere, längere Belichtungszeit (Kamera+Stativ), damit man ein Bild lange auf einem Fleck auffangen lassen kann.

Augen Optik 1. hohe Dioptrienzahl = hohe Brechkraft = Brennpunkt nah der Linse niedrige Dioptrienzahl = niedrige Brechkraft = Brennpunkt fern der Linse Je kleiner die Brennweite, desto höher die Brechkraft der Linse Je größer die Brennweite, desto geringer die Brechkraft der Linse

2.1 Wenn ein Gegenstand näher am Auge ist, ist die Brechkraft höher, da die Linse stärker konvex wird, um den Gegenstand scharf zu sehen.

Augen-Optik Fehlsichtigkeit Kurzsichtigkeit = Myopie Wenn ein Bild vor der Netzhaut ist: Brechkraft verringern Brennpunkt ferner der Linse Bild weiter hinten Augenachse: Augenachsenlänge von Cornea bis Netzhaut ist im Verhältnis zur Brechkraft zu lang. Form 1: Brechungsmyopie  Normale Augenlänge  Zu starke Brechkraft von Cornea/Linse Lösung: konkave Streulinse erhöht Brennweite

Form 2: Achsenmyopie  Zu lange Augenachse  Normale Brechkraft  häufiger

Weitsichtigkeit = Übersichtigkeit = Hyperopie Wenn ein Bild hinter der Netzhaut ist: Brechkraft erhöhenBrennpunkt näher der LinseBild weiter vorne Form 1: Brechungshyperopie  normale Augenlänge  zu geringe Brechkraft von Cornea/ Linse Form 2: Achsenhyperopie  zu kurze Augenachse  normale Brechkraft  häufiger Lösung: konvexe Sammellinse verringert Brennweite

Exkurs: Wie kommt die Energie in den Zucker? Photosynthese: Pflanzen haben zwei Tricks erfunden:  Sie können Strahlungsenergie der Sonne einfangen  Und diese Energie in einer chemischen Verbindung speichern Alles Leben auf der Erde hängt energetisch von diesem Prozess der Photosynthese ab.

Molekül Rhodopsin     

Wandelt Photonen in elektrische Impulse um Sehfarbstoff In den Stäbchen Energiereich Bestehend aus zwei Komponenten: Retinal (Re) und Opsin (O) (Protein)

1 Rhodopsin- Molekül a Retinal b Opsin 2 Energie wird freigesetzt wenn ein Photon auftrifft 3 Energie wird über Ganglienzellen zum Gehirn geleitet 4 Gehirn macht aus elektrischem Impuls Licht 5 Glukose + O2 6 Mitochondrien (Ort der Zellatmung): Glukose oxidiert in Glukose gespeicherte Energie wird durch Oxidation freigesetzt und auf ein Transportmolekül (ATP) übertragen

8 ATP Adenonsin-Tri-Phosphat (Transportmolekül und „Energiekleingeld der Zelle“): Energie aus ATP wird genutzt um Rhodopsin wieder in einen energiereichen Zustand zu bringen. 7 H2O + CO2 : Abfallprodukt (Ausatmen)

Was passiert wenn ich von draußen in den Keller gehe? Während ich zunächst kaum etwas erkennen kann, sehe ich mit der Zeit immer mehr und mehr.  Das ist ja nicht selbstverständlich.

Worin besteht das Problem, das das Auge offenbar zu lösen in der Lage ist?  geringere Belichtungsdichte als draußen, das heißt  es treffen pro Zeiteinheit weniger Photonen als draußen auf eine Sinneszelle

Wodurch könnte die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass ein Rhodopsinmolekül von einem Photon getroffen wird? a) Mehr Photonen ins Auge lassen:  Die Iris wird weitgestellt, sodass möglichst viel Licht ins Auge eindringen kann.  Wie kann die Iris weitgestellt werden? Ringmuskel der Iris b) Anzahl der Moleküle erhöhen (damit alle Photonen auftreffen)

Die Zelle Die Zelle als Fabrik Zellmembran: Abgrenzung der Zelle nach aussen Kanäle: Orte, an denen Stoffe ein- und austreten können Input: angeliefete Rohstoffe Output: Abfälle Stoffwechsel: chemische Veränderung der Rohstoffe durch Verarbeitung Baustoffwechsel: Zerlegung und Aufbau von chemischen Bausteinen

Energiestoffwechsel: Oxidation zur Freisetzung von Energie Mitochondrien: Kraftwerk der Zelle, Ort der Oxidation Baupläne: Angaben zur Konstruktion DNA: Bestimmung der Art, aufgebaut zu werden Zellkern: Anweisungen geben, Steuerzentrale Zellorganellen: Maschinen Chloroplasten: Ort der Photosynthese Enzyme: Werkzeuge bestehend aus Eiweiß, die chemische Verbindungen knüpfen und auflösen Ribosomen: Eiweißfabriken Vesikel: kleine Bläschen zum Transport Endoplasmatisches Retikulum: Netzsystem aus Röhren und Hohlräumen in der Zelle

Strukturen

Beispiel Struktur entsteht durch:

 Energie und Materie: Wirkung strukturbestimmender Prozesse: Struktur wird aufrechterhalten durch: Außenwelt Unordnung INPUT (Co2+ H2O) ⬇ Lebewesen

Dissipative Struktur Kerzenflamme Oxidation von Kohlenwasserstoffen: chemische Energie wird in Licht- und Wärmestrahlung umgewandelt Prozess Fließen durch Struktur

Konservative Struktur Legosteinwand Gefüge einzelner Steine

Gegenwart

Zustand Sind in der Struktur festgelegt Vergangenheit

Kontinuierlicher Energieumwandlungsprozess

Konstante Wechselwirkungskräfte

Information⬇ Ordnung ⬇ Außenwelt Output⬇ Unordnung

Blätter: dissipative und konservative Strukturen?

1)Sonneneinstrahlung/Strahlungsenergie 2)H2O 3)CO2 4)C6H12O6 5)O2 6)Baustoffe 7)Zellatmung(Oxidation) in den Mitochondrien 8)O2 9)ATP 10)CO2 11)H2O

07.12.17 Strahlungsenergie wird in chemische Energie (Glukose) umgewandelt. Die Prozesse in Lebewesen bauen selber mittelfristig stabile, konservative Strukturen auf. Dissipative Struktur ist eingebettet in konservativer Struktur.

Die konservative Struktur stellt sicher, dass Lebewesen nicht sofort verschwinden, wenn der Stoff- und Energiestrom unterbrochen ist. Lebewesen können den Energie- und Materiefluss aktiv steuern: Die ihnen enthaltene Information lenkt Energie und Materie so durch die Zellen hindurch, dass aus Unordnung ein hohes Maß von Ordnung entsteht. Aber auch diese konservativen Strukturen sind im beständigen Fluss: Selbst das Skelett wird im Laufe der Jahre komplett ausgetauscht.

DNA Die Information, die diese Ordnung zu organisieren vermag, ist auf einem Molekül gespeichert: DNA.

DNA bewegt pro Jahr 120 gigatonnen Kohlenstoff, weil es in Zellen von Landpflanzen die Photosynthese dirigiert.

Lecithin- ein Phospholipid philia= Liebe phobos= Furcht hydor= Wasser lipos= Fett

polar: hydrophil unpolar: hydrophob

δ- O

� δ+H

H δ+

� Bindungsorbital- je Elektron von Wasserstoff und Sauerstoff  halten sich aufgrund seiner höheren Elektronegativität mehr auf der Seite des Sauerstoffs auf dadurch ist die Ladung im Molekül ungleich verteilt:

δ gr.: delta-Zeichen für eine Partial-Ladung= Teil-Ladung δ+ δ- das Molekül ist ein Dipol: was also werden Wassermoleküle tun? Aufgrund von Kräften ziehen sich die Moleküle an, Wasser bildet ein Netz Wenn ein Teil keine Ladung hat, kann es sich den Kräften nicht wiedersetzen und es würde verdrängt werden.

Monomolekularer Film: Bei Kontakt mit der Wasseroberfläche bildet Phospholipid einen monomolekularen Film. Die geladenen Atome verbinden sich mit dem Wasser. Die Fettsäuren bleiben über dem Wasser, weil sie ungeladen sind.

Membranaufbau Erythrocyten (rote Blutkörperchen) zu Erforschung von Membraneigenschaften -enthalten im reifen Stadium weder Zellkern noch andere Organelle -zu 5% umhüllende Membran

-zu 95% aus Hämoglobin (Eiweiß) (transportiert Sauerstoff+CO2) -durch Zentrifugieren den Membran und Hämoglobin trennen zu A2: Was passiert wenn man Erythrocyten in destilliertes Wasser gibt? Hypotonisch: Sie platzen aufgrund des einströmenden Wassers. Hypertonisch: Durch Zentrifugieren werden Membranbestandteile vom Farbstoff getrennt.

Oberfläche Blutkörper: 145 Mikrometer

Biomembran Um die Oberfläche der Blutkörperchen zu berechnen, müssen die Erythrocyten als monomolekularer Film auf dem destillierten Wasser schwimmen. Der Film breitet sich kreisförmig aus, da das Molekül unten rund ist. So kann man den Radius r mit pi im Quadrat rechnen.

Sandwich-Modell

Fluid-Mosaic-Modell 25.01.18 1: integrales Protein 2: peripheres Protein 3: Glykoprotein (Zuckermolekül angehangen) 4: Transmembran-Protein

Transmembran-Proteine bilden Tunnel durch den Membran. Glykoproteine sind Antennen, die Kommunikation mit den Zellen ermöglicht. Bsp.: Hormone docken an Hormonrezeptoren an: Glykoproteine löst Signal auf Membraninnenseite aus ablesen einer best. DNA- Sequenz am Ribosom: Produktion eines Enzyms z.B. in Leberzellen: Enzym, das Glykogen in einzelne Zuckermoleküle zerschneidet Zucker wird in Mitochondrien oxidiert ...

Diffusion Was passiert mit einem Tropfen Tinte in klarem Wasser im Verlauf einer Stunde? Sie verteilen sich, da die Teilchen eine kinetische Energie haben uns sich ständig bewegen.  Diffusion ist die Bewegung von Teilchen entlang eines Konzentrationgefälles von Orten höherer zu solchen niedrigerer Konzentration, die allmählichen Konzentrationsausgleich zur Folge hat.  Ursache ist NUR zufällige Bewegung im Raum und kein Bestreben, irgendetwas auszugleichen!

Semipermeale Membran -nur durchlässig für Wassermoleküle -nicht durchlässig für gelöste Stoffe mikroskopisch: Die Wassermoleküle bewegen sich. makroskopisch: Der Wasserspiegel ändert sich jedoch nicht. Was passiert, wenn man Kochsalz in Wasser auflöst? -Wassermoleküle knallen auf Ionengitter -Na+ und Cl- wird von positiven Wasserstoffatomen umgeben - Wechselwirkungskräfte sind mit Wasser höher als im Ionengitter  Hydratisierung: Anlagerung von Wassermolekülen an gelöste Ionen, Ionen werden von Hydrathülle umgeben, sie werden hydratisiert

-der Wasserspiegel steigt auf der Seite mit den hydratisierten Ionen, weil die Wassermoleküle nicht mehr so schnell durch die Membran gelangen und mehr Wassermoleküle auf der Seite sind

Osmose Def.: Einseitige Diffusion eines Stoffes durch eine semipermeale Membran. Die Ionen bilden eine Wasserstoffbrückenbindung (= Wechselwirkungskräfte zwischen+ und – geladenen Teilchen, z.B. zwischen Wasserdipolen oder Wassermolekülen + Ionen) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Semipermeale Membran Wassermoleküle frei beweglich Übertrittswahrscheinlichkeit Fließgleichgewicht (zu jeder Zeit fließen gleich viele Teilchen von links nach rechts wie andersherum Ionengitter Anziehung Wasserhülle Wassermoleküle weniger frei beweglich Übertrittswahrscheinlichkeit Netto(=Wasserspiegel /Brutto=Teilchenbewegung)übertritt von Wasser in eine andere Kammer Wasserspiegel steigt Bis Ausgleich der Anzahl frei beweglicher Moleküle Fließgleichgewicht

Membrantransport/ Biomembran 1: Es geht nicht durch, da der geladene Stoff sich mit dem geladenen Teil des Membrans verbindet. Die Kraft ist größer, dass sich die Teilchen binden, als dass sie durch die Fettsäuren geht. Sie streben eher nach einer Wassersstoffbrückenbindun...