Das Aktionspotenzial

Das Aktionspotenzial ist ein dynamischer Prozess, der sich durch klare Phasen und messbare Ionenströme auszeichnet. Aktives Lernen ermöglicht es den Schülerinnen und Schülern, diese Prozesse greifbar zu machen und durch eigene Beobachtung und Modellierung zu verstehen, warum Nervenzellen nach diesem Prinzip funktionieren.

• Klasse 13
• Biologie der Oberstufe: Von der Molekulargenetik zur globalen Ökologie
• 4 Aktivitäten
• 20 Min.–45 Min.

Lernziele

1. Erklären Sie die spezifischen Ionenbewegungen (Na+, K+) während der verschiedenen Phasen des Aktionspotenzials (Depolarisation, Repolarisation, Hyperpolarisation).
2. Analysieren Sie die Rolle spannungsabhängiger Ionenkanäle bei der Entstehung und Ausbreitung des Aktionspotenzials.
3. Vergleichen Sie die Mechanismen der Signalcodierung bei Aktionspotenzialen (Frequenzmodulation) mit anderen Signalübertragungsformen.
4. Bewerten Sie die Bedeutung der Refraktärzeit für die unidirektionale Weiterleitung von Nervenimpulsen.

Lernen an Stationen

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Lernen an Stationen: Phasen des Aktionspotentials

Richten Sie vier Stationen ein: Depolarisation (Natrium-Modell mit Kugeln), Repolarisation (Kalium-Ausstrom-Demo), Hyperpolarisation (Nachwirkungssimulation) und Alles-oder-Nichts (Schwellenwert-Experiment mit Batterie). Gruppen rotieren alle 10 Minuten, notieren Beobachtungen und zeichnen Diagramme. Abschließende Plenumdiskussion.

Vorbereitung & Details

Warum gilt beim Aktionspotenzial das Alles-oder-Nichts-Gesetz?

Moderationstipp: Fordern Sie die Gruppen bei der Refraktärzeit-Demonstration auf, die Unidirektionalität des Signals durch Pfeile in ihrem Modell zu visualisieren.

Setup: Im Raum verteilte Tische/Stationen

Materials: Stationskarten mit Arbeitsanweisungen, Unterschiedliche Materialien je Station, Timer für die Rotation

• Erinnern
• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Planspiel

⏱ 30 Min.·Partnerarbeit

Paararbeit: Frequenzcodierung simulieren

Paare erzeugen mit einem einfachen Schaltkreis (LED und Potentiometer) Pulse unterschiedlicher Frequenz. Sie messen, wie höhere Reizstärke mehr Pulse erzeugt, ohne Amplitude zu ändern. Protokollieren und vergleichen mit realem Aktionspotenzial.

Vorbereitung & Details

Wie wird die Signalstärke codiert, wenn die Amplitude des APs konstant bleibt?

Setup: Flexibler Raum für verschiedene Gruppenstationen

Materials: Rollenkarten mit Zielen und Ressourcen, Spielwährung oder Token, Rundenprotokoll

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Sozialbewusstsein
• Entscheidungsfähigkeit

Planspiel

⏱ 35 Min.·Kleingruppen

Gruppenmodell: Refraktärzeit demonstrieren

Gruppen bauen ein Modell mit Kondensator und Widerstand, das eine Erholungszeit simuliert. Testen Sie aufeinanderfolgende Reize und messen Verzögerung. Diskutieren Sie Auswirkungen auf Signalrichtung in Plenum.

Vorbereitung & Details

Welche Bedeutung hat die Refraktärzeit für die Signalrichtung?

Setup: Flexibler Raum für verschiedene Gruppenstationen

Materials: Rollenkarten mit Zielen und Ressourcen, Spielwährung oder Token, Rundenprotokoll

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Sozialbewusstsein
• Entscheidungsfähigkeit

Planspiel

⏱ 20 Min.·Ganze Klasse

Whole Class: Key-Questions-Quiz

Projektieren Sie Key Questions, Schüler beantworten per Kahoot oder Whiteboard. Folgediskussion klärt Missverständnisse und vertieft Verbindungen zu Phasen.

Vorbereitung & Details

Warum gilt beim Aktionspotenzial das Alles-oder-Nichts-Gesetz?

Setup: Flexibler Raum für verschiedene Gruppenstationen

Materials: Rollenkarten mit Zielen und Ressourcen, Spielwährung oder Token, Rundenprotokoll

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Sozialbewusstsein
• Entscheidungsfähigkeit

Dieses Thema unterrichten

Führen Sie das Thema schrittweise ein: Beginnen Sie mit dem Ruhepotenzial und den Ionengradienten, bevor Sie die Depolarisation erklären. Vermeiden Sie es, die Phasen isoliert zu betrachten, da sie nur im Zusammenspiel verstanden werden. Nutzen Sie Analogien wie eine Pumpe für die Natrium-Kalium-Pumpe, aber vermeiden Sie falsche Vorstellungen von einfachen „Türen“, die sich öffnen und schließen.

Was Sie erwartet

Erfolgreich lernen die Schülerinnen und Schüler, wenn sie die Phasen des Aktionspotenzials nicht nur benennen, sondern auch die zugrundeliegenden Ionenbewegungen und Kanalmechanismen erklären können. Sie erkennen, wie das Alles-oder-Nichts-Gesetz und die Refraktärzeit die Signalweiterleitung steuern.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Während des Stationenlernens zum Aktionspotenzial beobachten Sie, dass einige Schüler annehmen, eine stärkerer Reiz führe zu einer höheren Amplitude des Aktionspotenzials.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Halten Sie die Schüler dazu an, die Grafiken an den Stationen zu vergleichen und zu erkennen, dass die Amplitude trotz unterschiedlicher Reizstärken konstant bleibt. Nutzen Sie die Diskussion an Station 3, um das Alles-oder-Nichts-Gesetz durch die konstanten Werte zu verdeutlichen.

Häufige Fehlvorstellung

Während der Gruppenmodellierung der Refraktärzeit nehmen einige Schüler an, dass Signale in beide Richtungen blockiert werden.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Fordern Sie die Gruppen auf, in ihrem Modell die Pfeile für die Signalrichtung einzutragen und zu diskutieren, warum nur eine Richtung möglich ist. Die absolute Refraktärzeit an Station 3 macht dies durch die Inaktivierung der Natriumkanäle nachvollziehbar.

Häufige Fehlvorstellung

Während des Stationenlernens zur Hyperpolarisation halten einige Schüler diesen Zustand für einen Fehler oder eine Störung.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Nutzen Sie Station 2, um die Schüler die Hyperpolarisation als notwendigen Schritt zur Rückkehr zum Ruhepotenzial erkennen zu lassen. Die sequentielle Darstellung der Phasen hilft, die logische Abfolge zu verstehen.

Ideen zur Lernstandserhebung

Lernstandskontrolle

Nach dem Stationenlernen erhalten die Schüler eine Grafik des Aktionspotenzials mit markierten Phasen. Sie benennen jede Phase und beschreiben in einem Satz die Hauptursache für die Ionenbewegung oder den Kanalzustand.

Diskussionsfrage

Während der Gruppenmodellierung der Refraktärzeit stellen Sie die Frage: 'Warum ist die Refraktärzeit entscheidend für die schnelle und gerichtete Weiterleitung von Informationen?' Lassen Sie die Gruppen ihre Argumente sammeln und im Plenum vorstellen.

Kurze Überprüfung

Nach der Paararbeit zur Frequenzcodierung zeigen Sie eine Tabelle mit verschiedenen Stimulusstärken und der resultierenden AP-Frequenz. Die Schüler erklären, wie das Nervensystem die Reizstärke codiert, wenn die Amplitude des einzelnen Aktionspotenzials konstant bleibt.

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie schnelle Schüler auf, die Auswirkungen eines lokalen Betäubungsmittels auf das Aktionspotenzial zu recherchieren und im Modell zu simulieren.
• Unterstützen Sie unsichere Schüler durch eine vorbereitete Tabelle, in der sie die Ionenbewegungen und Kanalzustände in jeder Phase eintragen können.
• Vertiefen Sie mit einer Simulation, die zeigt, wie sich die Amplitude bei verschiedenen Reizstärken ändert, um das Alles-oder-Nichts-Gesetz zu testen.

Schlüsselvokabular

Aktionspotenzial	Eine kurzzeitige, schnelle Änderung des Membranpotenzials einer erregbaren Zelle, die der Informationsübertragung dient.
Schwellenwert	Das Membranpotenzial, das erreicht werden muss, damit ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Liegt typischerweise bei ca. -50 mV.
spannungsabhängige Ionenkanäle	Proteinkanäle in der Zellmembran, die sich bei Änderung des Membranpotenzials öffnen oder schließen und den Fluss von Ionen ermöglichen.
Refraktärzeit	Eine kurze Periode nach der Entstehung eines Aktionspotenzials, in der die Zelle nicht oder nur schwer erneut erregt werden kann.
Membranpotenzial	Die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran, die durch unterschiedliche Ionenkonzentrationen und -permeabilitäten aufrechterhalten wird.