Der LK Biologie weist Krankheitserreger nach – Ein Besuch im Gläsernen Labor

Der LK Biologie hat am 11. Januar 2013 das Gläserne Labor in Buch besucht. Die Schüler diagnostizierten den Virusbefall eines Bakterienstammes mittels einer PCR (polymerase chain reaction). Dabei werden Teile des Virus-Erbmaterials zunächst vervielfältigt und anschließend mithilfe einer Gelelektrophorese sichtbar gemacht. Eine Technik, die auch für den Nachweis menschlicher Krankheitserreger genutzt werden kann, jedoch an vielen Stellen (z.B. Vaterschaftsnachweisen, forensischer Kriminalistik, vor und nach dem Einschleusen von Fremd-Genen) genutzt wird.

Neben dem Umgang mit typischen Laborgeräten war insbesondere das Arbeiten mit kleinsten Mengen (im Mikroliter-Bereich) und die Tatsache, dass die Substanzen (wie Primer, Nukleotide, Pufferlösungen, Bakterien-DNA, Erreger-DNA) natürlich nicht sichtbar sind und jedes Gefäß daher genau beschriftet sein muss, neu für die Schüler. Auch der Sinn in der Schule vermittelter, fundierter theoretischer Kenntnisse wurde deutlich, da die Arbeitsschritte ohne Vorkenntnisse nicht nachvollziehbar gewesen wären.

Nebenbei erhielten wir auch Informationen zur Berufsorientierung, denn die für uns zuständige Doktorandin gab uns durchaus wichtige Einblicke zum Studium und den Perspektiven in der Biotechnologie.

Eine sehr gelungene Veranstaltung, für die sich das mühevolle „Ackern“ in der Genetik endlich gelohnt hat!

P. Fischer

 

 

 

Vom Regenwurm zum Gedächtnisspiel: Ein Tag im gläsernen Labor

Leistungskurs Bio (Q1)

06.12.2012

An einem verschneiten Nikolaustag begab sich der Biologieleistungskurs von Frau Dafertshofer in das Gläserne Labor auf dem Campus Buch. Nach einem kleinen Aufwärmversuch im kalten Schnee mit Ball und Prismenbrille folgte im warmen Labor zunächst eine ausführliche Sicherheitseinweisung. Bis in den späten Nachmittag hinein führten wir hier dann eine Vielzahl von Experimenten zum Thema „Neurobiologie“ durch, die wir euch im Folgenden kurz vorstellen wollen.

 

Elektromyogramm - Lass deine Muskeln spielen!

Bei einem Elektromyogramm handelt es sich um ein Messgerät, das die Spannung (in V) an einem Muskel misst. In unserem Experiment haben wir es für die Messung der Spannung am Fingerbeuger (an der Innenseite des Unterarms) eingesetzt. Dazu wurden Elektroden an diesen Muskel angelegt, die Messung gestartet und schließlich das Ergebnis am Computer sichtbar gemacht. Wir haben zunächst die Spannung bei ruhendem Muskel gemessen, danach bei dem Zusammendrücken eines Soft- und Tennisballes.

Dieser Versuch hat uns geholfen, das Gelernte über die Reizübertragung von einem Neuron zur motorischen Endplatte zu festigen.

Achtung Spannung! - Diffusion und ihre Folgen

Bei diesem Versuch wurden Diffusionsvorgänge zwischen zwei Lösungen in Form von Spannungsänderungen an einer Cellophan-Membran gemessen und dokumentiert. Dazu haben wir in eine Ussing- Kammer, die aus zwei Teilen und einer omnipermeablen (=ganz durchlässigen) Membran in Form von Cellophanfolie besteht, zunächst destilliertes Wasser gefüllt. Dabei war keine Spannung zu messen. Spannung konnte erst gemessen werden, nachdem in eine Kammer verdünnte Salzsäure gefüllt wurde. Es kam zu einem Konzentrationsausgleich, weil die Ionen durch die Membran entlang ihres Konzentrationsgefälles diffundierten.

Diffusionsvorgänge im Körper laufen an einer Membran ab, die semipermeabel (=halbdurchlässig) ist. Dieser Prozess wird als Osmose bezeichnet. Osmose ist für viele Abläufe in der Natur von Bedeutung, z.B. zur Regulation des Wasserhaushaltes von Zellen.

Die Zelle als Batterie - Messung von Membranpotenzialen

Dieses Experiment ist ein Modell für das Ruhepotenzial an der Membran eines Neurons. Das Ruhepotenzial ist eine durch verschiedene Ionen verursachte Membranspannung, die für die Signalweiterleitung in unseren Nervenzellen grundlegend ist.

 

Bei dem Modellexperiment haben wir eine zweigeteilte Ussing-Kammer mit destilliertem Wasser und einer NaCl- Lösung befüllt. Zwischen diese beiden Kammern wir eine kationenpermeable Membran (durchlässig für positiv geladene Teilchen) gespannt. Danach haben wir 20 Minuten lang die Spannung gemessen.

Die positiv geladenen Na- Ionen diffundieren durch die Membran entlang des Konzentrationsgefälles in die Kammer mit dem destillierten Wasser. Die negativ geladenen Calcium-Ionen können die kationenpermeable Membran nicht durchdringen. Dadurch entsteht eine Spannungsdifferenz. Die Natrium-Ionen diffundieren solange in die andere Kammer bis das sogenannte Fließgleichgewicht erreicht ist. Zu einem vollständigen Konzentrationsausgleich kommt es jedoch in der Regel nicht, da die Ionen ständig in Bewegung bleiben und zu geringen Teilen wieder durch die Membran zurückdiffundieren.

Elektrooculographie - beim Lesen zuschauen

Die Versuchsperson wird mit drei Elektroden an ein Messgerät angeschlossen. Die erste Elektrode wird zwischen den Augen angebracht. Die beiden anderen Elektroden werden links und rechts von den Augen befestigt. Letztere messen die Bewegung der Augen, während diese verschiedene Texte und Comics betrachten. Der aus den Messwerten erzeugte Graph stellt die links-rechts-Bewegung der Augen dar. Aus ihm lassen sich Zeilensprünge, Wiederholungen von Wörtern und ganzen Sätzen sowie Unaufmerksamkeiten ableiten. Allgemein wird das Leseverhalten der Versuchsperson untersucht, indem Muskelsummenpotenziale gemessen werden.

Die Elektrooculographie wird aktuell für die Entwicklung von Werbung jeglicher Art verwendet, da man mit dieser Methode nachvollziehen kann, was dem Menschen bei Betrachten von Werbung zuerst ins Auge fällt.

Oh, wie reizend – Mechanisches Reizen des Regenwurms 

Bei diesem Versuch wird ein Regenwurm mithilfe einer Borste sowohl am Vorder- als auch am Hinterende auf der Haut gereizt. Dabei sollen die unterschiedlichen Geschwindigkeiten bei der Signalweiterleitung gemessen und miteinander verglichen werden. Für diesen Versuch eignet sich ein Regenwurm besonders gut, da sich seine Nervenbahnen dicht unter der Haut befinden. Sein Nervensystem besteht aus einer medianen (mittleren) und zwei lateralen (seitlichen) Riesenfasern. Diese leiten die wahrgenommenen Signale in verschiedene Richtungen weiter. Bei dem Versuch können durch das unterschiedliche Reizen des Regenwurms die “synaptische Bahnung“ und die “synaptische Depression“ hervorgerufen und untersucht werden. Auch auf bekannte Inhalte aus dem bisherigen Unterricht, darunter die Saltatorische und die Allosterische Erregungsweiterleitung sowie die Signalverstärkung bei einfachen Lernvorgängen, konnten wir bei diesem Versuch zurückgreifen. Somit ermöglicht dieser Versuch die Verknüpfung zwischen der Wiederholung von bereits bekannten Lerninhalten mit selbst erarbeiteten Informationen durch die Untersuchung an einem lebendigen Tier.

 

Täuschung des Gehirns - Prismenbrille & Fingerlabyrinth

Bei unserem ersten Experiment haben wir mit einer Prismenbrille gearbeitet. Die Versuchsperson soll dabei lernen, die visuelle Abweichung durch eine Prismenbrille zu kompensieren und dabei Lernfortschritte erzielen. In drei Durchläufen sollte die Testperson mit jeweils zehn Bällen versuchen, das Zentrum einer Zielscheibe zu treffen.

Der erste Durchlauf erfolgte ohne Prismenbrille und durch ihn konnten wir feststellen, wie gut die Testperson zielgenau ohne Prismenbrille werfen kann. Im Kleinhirn ist für diesen Vorgang bereits eine Art „Programm“ gespeichert und jederzeit abrufbar.

Auch wenn unsere Testperson nicht besonders geübt im zielgerichteten Werfen war, so wurde nach ein paar Würfen dennoch eine Verbesserung deutlich, da das im Kleinhirn gespeicherte Programm weiter optimiert werden konnte.

Bei den zehn Würfen mit der Prismenbrille stellte sich eine deutliche Verschlechterung der Zielgenauigkeit ein, da das Blickfeld durch die Prismenbrille um 16 Grad verschoben wurde. Zu Beginn traf die Testperson nicht einmal mehr die Zielscheibe, denn das Kleinhirn versuchte weiterhin sein bekanntes Programm anzuwenden.

Als das Gehirn erkannte, dass ein genaues Treffen nicht mehr erfolgte, musste das Großhirn am Lernvorgang beteiligt werden. Es entwickelte ein neues Programm.

Mit Hilfe dieses neuen Programmes näherten sich die Würfe erneut dem Zentrum der Zielscheibe an. Bei den abschließenden Würfen ohne Prismenbrille zeigte sich, dass die Person die Zielscheibe erneut nicht traf, da ihr Gehirn nun versuchte, das neu entwickelte Programm anzuwenden. Bei diesem Durchgang trat allerdings deutlich früher ein Erfolgserlebnis ein, da das Gehirn schneller wieder auf das alte Programm zurückgreifen und dieses anwenden konnte.

Bei unserem zweiten Lernexperiment wurde mit dem Fingerlabyrinth gearbeitet. Der Versuchsperson wurden die Augen verdeckt und sie sollte anschließend mit Hilfe eines Stiftes den Weg durch ein Labyrinth finden. Dabei wurden für jeden Versuch Zeit und Fehleranzahl dokumentiert. Nach kurzer Zeit und einigen Versuchen verbesserten sich die Ergebnisse der Testperson deutlich. Die benötigte Zeit verkürzte sich mit jedem Versuch und auch die Fehleranzahl ließ nach. Nach jedem kleinen Erfolg wird Dopamin im Körper ausgeschüttet, wodurch die Testperson motiviert wird, sich allerdings auch einem immer höher werdendem Leistungsdruck stellen muss. Zunächst überwiegen das Glückshormon sowie die Motivation und es wird versucht, die erbrachte Leistung weiter zu steigern. An einem gewissen Punkt zeigte sich jedoch, dass die Leistungsfähigkeit der Testperson nachließ. Dies hing mit dem Stress zusammen, der durch die zu hohe Dosis Dopamin hervorgerufen wurde.

Um diesem Stress entgegenzuwirken, haben wir bis zum nächsten Durchlauf fünf Minuten gewartet und es zeigte sich, dass die Versuchsergebnisse erneut besser wurden.

An unserem letzten Lernexperiment kann man sehen, dass Pausen beim Lernen durchaus förderlich sein können und den Leistungsdruck minimieren.

Reine Nervensache – Nerven lassen Muskeln zucken

In diesem Selbstversuch hatten wir die Aufgabe, die Leitgeschwindigkeit unserer eigenen Nerven zu bestimmen. Um diese zu ermitteln, nutzten wir den Achillessehnenreflex. Mit dem Reflexhammer, der mit einem Messgerät und einem Computerprogramm gekoppelt war, lösten wir den Reflex aus. Nun gelang die Erregung zum Rückenmark und schließlich zu den Waden, die den Reflex mit einem Zucken bemerkbar machten. Mithilfe der an den Waden klebenden Elektroden, die den Reaktionszeitpunkt aufzeichneten, und der Abmessung der zum Reflex gehörenden Nervenbahn, konnten wir anschließend die Geschwindigkeit des Reflexes vom Reiz zur Reaktion errechnen.

Am Ende der Veranstaltung stellten wir unsere Ergebnisse vor und werteten diese kritisch aus.

 

Vielen Dank für diesen tollen und aufschlussreichen Tag im MaxLab des Wissenschaftscampus in Buch!