Schulausfall:
sofatutor 30 Tage kostenlos nutzen

Videos & Übungen für alle Fächer & Klassenstufen

Oberflächenvergrößerung – ein biologisches Prinzip 09:02 min

Textversion des Videos

Transkript Oberflächenvergrößerung – ein biologisches Prinzip

Hallo! Heute möchte ich euch ein biologisches Prinzip vorstellen. Bevor wir dahin kommen, will ich von einer Fragestellung ausgehen. Ich will untersuchen, in welchem Verhältnis Volumina und Oberflächen bei Zellen und Lebewesen zueinanderstehen. Ich beginne mit dem Modell einer Zelle, die unbegrenzt wachsen kann. Sie befindet sich in einer Nährlösung. Und die hier erfolgenden Diffusionen zwischen Zelle und Außenmedium sollen ungehindert über die Zellmembran erfolgen. Die Zelle ist im ständigen Stoffaustausch und sie wächst zunächst schnell heran, denn Input ist größer als Output. Doch dann verlangsamt sich die Zunahme an Zellmasse deutlich. Obwohl die Lösung unverändert reichlich Nährstoffe bietet und zelluläre Endprodukte aufnehmen kann. Woran könnte das liegen? Nehmen wir eine embryonale Zelle an. Sie sei würfelförmig und sie hat eine Kantenlänge von zehn Mikrometern. Das Volumen beträgt dann 1000 Kubikmikrometer und die Oberfläche – wir müssen also 6•100 rechnen – beträgt 600 Quadratmikrometer. Die Zelle wächst heran auf die doppelte Kantenlänge, 20 Mikrometer. Dann beträgt das Volumen 8000 Kubikmikrometer und die Oberfläche 2400 Quadratmikrometer. Die Kantenlänge verdoppelt sich erneut, womit das Volumen auf 64000 Kubikmikrometer ansteigt und die Oberfläche kommt auf 9600 Quadratmikrometer. Wie ihr inzwischen merktet, habe ich die Volumina mit den Oberflächen bereits in Beziehung gesetzt. Es ergeben sich diese Werte für die relativen Oberflächen: 10 zu 6, 10 zu 3 und 10 zu 1,5. Es ist ganz klar eine relative Flächenabnahme festzustellen. Die Oberfläche, die zum Stoffaustausch zur Verfügung steht, bezogen auf das Zellvolumen der Zelle wird immer kleiner. Das könnte das mit der Zeit abnehmende Wachstum und die begrenzte Größe von Zellen erklären. Wie können Zellen den entstehenden Oberflächenmangel kompensieren? Welche Wege der erforderlichen Oberflächenvergrößerung könnte es geben? Eigentlich gibt es nur drei Möglichkeiten: A) Die Membran stülpt sich nach außen, und B) sie könnte sich nach innen stülpen. Und nun noch der letzte Fall: C) Die Zelle könnte sich abflachen und sich strecken und dabei eine größere Oberfläche erreichen. Hier sind Ausstülpungen von Dünndarmzellen, die sogenannten Mikrovilli, zu sehen. Die Mikrovilli vergrößern die Resorptionsoberfläche für die Nährstoffe. Und hier ein Beispiel für Pflanzen. Die Wurzelhaarzellen, die der Wasseraufnahme dienen, wachsen einfach weiter nach außen und vergrößern so die Oberfläche. Ich zeichne jetzt einen Chloroplasten und ein Mitochondrium. Klar war zu sehen, dass sich die inneren Membranen einstülpen. So entstehen Reaktionsräume und große Oberflächen, zum Beispiel durch Membranstapel. Und im dritten Fall C kann ich als Beispiel die Erythrozyten aufführen. 25 Billionen Blutzellen des Menschen bedecken eine Fläche von 4480 Quadratmetern. Das ist fast die Größe eines Fußballfeldes. Damit wäre geklärt, wie Oberflächen auf zellulärer Ebene vergrößert werden und wir haben das Prinzip der Oberflächenvergrößerung erstmals verstanden. Untersuchen wir nun, ob wir das Prinzip bei Geweben, Organen und Organismen wiederfinden. Unsere beiden Gehirnhälften sind gefaltet. Feiner sind die Furchung und Faltung beim Kleinhirn, das die Feinabstimmung unserer Bewegungen übernimmt. Die Fläche der blattförmigen Windungen des Kleinhirns erreichen bis zu 75% der Fläche des Großhirns und das kommt bereits auf fast zwei Quadratmeter. Zwei Quadratmeter Speicherfläche – wer hätte das gedacht? Die Haut ist unser größtes Organ. Bei den inneren Häuten können wir die Oberfläche nicht direkt wahrnehmen. Wir sehen zum Beispiel nicht, dass die Nasenschleimhaut in etwa 200 Quadratzentimeter umfasst. Der Dünndarm hat aufgerollt eine innere Fläche von 0,33 Quadratmetern. Allerdings ist er innen in Falten gelegt, wodurch wir mit dem Faktor drei multiplizieren müssen, und wir sind bei 1 Quadratmeter innerer Oberfläche angekommen. Die Dünndarmzotten sitzen dicht an dicht auf den Dünndarmfalten. Durch sie steigt die innere Oberfläche maximal auf 40 Quadratmeter an. Den Durchbruch bringen aber die Mikrovilli. Sie lassen die innere Oberfläche bis auf das Fünfzigfache ansteigen. 2000 Quadratmeter Dünndarmoberfläche stehen demnach der Verdauung und der Resorption der Nährstoffe zur Verfügung. Unsere Lungen gliedern sich auf wie ein Baum, der auf dem Kopf steht. Die Luftröhre bildet den Stamm, die Bronchien und die Bronchiolen führen zu den Lungenbläschen hin. Als Hohlräumchen sind sie von feinsten Haargefäßen, den Kapillaren, umsponnen. Hier wird die Oberflächenvergrößerung durch eine stetig zunehmend verfeinerte Aufgliederung, wie man sie auch von den Tracheen der Insekten kennt, erreicht. Die innere Oberfläche der vielen Lungenbläschen ist gewaltig. Sie macht 200 Quadratmeter aus. Das ist ungefähr die Fläche eines Tennisplatzes. Hingegen beträgt die äußere Oberfläche der Lunge nur in etwa 1 Quadratmeter. Finden wir das Oberflächenvergrößerungsprinzip bei unseren Pflanzen und Gehölzen ebenso wieder? Nehmen wir eine große Buche. Sie möge eine Krone von über 10 Metern Durchmesser haben und ungefähr 600 000 Blätter besitzen. Alle Blätter nebeneinander gelegt bedecken eine Fläche von 1200 Quadratmetern. Das ist eigentlich wenig für solch einen großen Baum. Schaut man in ein Blatt hinein, wird deutlich, dass zwischen den Zellen Hohl- und Zwischenräume sind. Es sind die Atemhöhlen und die Interzellularen. Deshalb ist die Oberfläche, die für den Gasaustausch verfügbar ist, viel größer. Sie beträgt 15 000 Quadratmeter. Die Zusammenfassung ist heute schnell erfolgt: In der Natur ist die Oberflächenvergrößerung ein biologisches Prinzip. Und die unterschiedlichsten zellulären Verformungen führen zu größeren Oberflächen, wie zum Beispiel die Ausstülpung, die Einstülpung von Membranen sowie die Abflachung von Zellen kommen vor. Das Prinzip kommt immer dann zum Tragen, wenn große Oberflächen für Austauschvorgänge und biochemische Reaktionen erforderlich sind. Als typisches Beispiel hatten wir den Dünndarm ausgewählt. Hier war das „Dreifach-Prinzip der Oberflächenvergrößerung“ ganz einfach zu verstehen. Die Darmfalten, die Dünndarmzotten und die Mikrovilli vergrößern die Verdauungs- und Resorptionsfläche auf ein Vierfaches. So, das war’s für heute. Ich sage wie immer tschüss und bis bald, euer Oktavus.

12 Kommentare
  1. Hallo Mario, von der Biomasse her gesehen ist die Haut das größte Organ. Betrachtet man die innere Oberfläche, ist der Dünndarm Spitzenreiter. Ich glaube nicht, dass gesagt wurde, der Darm sei das größte Organ. Vielleicht meintest Du die Länge? Das würde stimmen.

    Von Roland Hesse, vor 4 Monaten
  2. Im Video zuvor " Organisationsstufen" heißt es, dass der Darm das größte Organ ist, wer hat denn nun recht?

    Von Mario Noelke, vor 4 Monaten
  3. Hallo Viktoriawild,
    bitte beschreibe genauer, was du nicht verstanden hast. Gib beispielsweise die konkrete Stelle im Video mit Minuten und Sekunden an. Gerne kannst du dich auch an den Hausaufgaben-Chat wenden, der von Montag bis Freitag zwischen 17-19 Uhr für dich da ist.
    Ich hoffe, dass wir dir weiterhelfen können.

    Von Tatjana Elbing, vor mehr als einem Jahr
  4. gehts auch noch komplizierter???

    Von Viktoriawild, vor mehr als einem Jahr
  5. Klingt aber viel zu kompliziert

    Von Diamondprincess, vor mehr als einem Jahr
Mehr Kommentare

Oberflächenvergrößerung – ein biologisches Prinzip Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Oberflächenvergrößerung – ein biologisches Prinzip kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe die Bedeutung und das Prinzip der Oberflächenvergrößerung.

    Tipps

    Damit Zellen überleben können, müssen regelmäßig Abfallstoffe herausgeschleust und Nährstoffe in die Zelle befördert werden.

    Lösung

    Für den Stoffaustausch ist die Oberfläche wesentlich. Bei einer zu geringen Zelloberfläche werden lebenswichtige Prozesse wie der Stoffwechsel, der Transport von Nährstoffen oder die Weiterleitung von Informationen nicht ausreichend gewährleistet.

    Wächst eine Zelle oder ein Lebewesen, wird die Oberfläche und das Volumen größer. Die Oberfläche wächst jedoch bei gleichbleibender Form deutlich langsamer als das Volumen.
    Damit Zellen, Gewebe oder Organe möglichst effizient Nährstoffe aufnehmen können, müssen sie eine möglichst große Oberfläche aufweisen. Daher entwickelten sich mehrere Möglichkeiten der Oberflächenvergrößerung.

    Bei gleichem Volumen haben abgeflachte Zellen eine größere Oberfläche als runde Zellen.
    Bei der Einstülpung werden Oberflächen nach innen gefaltet, um große Reaktionsflächen in Zellorganellen zu bilden.
    Bei der Ausstülpung werden Oberflächen nach außen gefaltet, um Stoffe effizienter mit der Außenwelt austauschen zu können.

  • Nenne Beispiele für verschiedene Formen der Oberflächenvergrößerung.

    Tipps

    Erythrozyten sind rote Blutkörperchen.

    Lösung

    Allgemein können Oberflächen durch feine Aufgliederungen vergrößert werden.

    Beispiele für Ausstülpungen sind Mikrovilli und Wurzelhaarzellen.

    Einstülpungen findet man in Chloroplasten und Mitochondrien.

    Rote Blutkörperchen (Erythrozyten) und Blätter sind abgeflacht.

  • Erkläre den Sinn und Zweck der Oberflächenvergrößerung im Darm.

    Tipps

    Werden Nährstoffe oder Wasser aus dem Nahrungsbrei im Darm in den Körper aufgenommen, spricht man von einer Resorption.

    Im Dickdarm wird viel Wasser resorbiert.

    Lösung

    Zusätzlich zur mehrfachen Auffaltung der Darmwand findet eine weitere Oberflächenvergrößerung durch die Mikrovilli an den Darmzotten statt.

    Die Mikrovilli vergrößern die Oberfläche. Die Nahrung wird durch die Muskelaktivität des Darms (Peristaltik) weitergeleitet.

    Durch die Oberflächenvergrößerung kann der Darm mehr Nahrungsbestandteile resorbieren.

    Obwohl im Dickdarm die Darmzotten fehlen, ist die Darmwand nicht glatt. Hier wird viel Wasser resorbiert.

    Durch die innere Oberflächenvergrößerung besitzt der Dünndarm eine wesentlich höhere Resorptionsfläche.

  • Berechne die Seitenfläche $A_S$, Oberfläche $A_O$ und das Volumen $V$ einer würfelförmigen Zelle zu verschiedenen Zeitpunkten während ihres Wachstums.

    Tipps

    Ein Würfel besitzt sechs Seitenflächen $A_S$.

    Die Gesamtoberfläche $A_O$ eines Würfels berechnet man wie folgt:
    $A_O = 6 * A_S$

    Lösung

    1) Bei einer würfelförmigen Zelle mit einer Kantenlänge von 5 µm beträgt eine Seitenfläche
    $A_S$ = 25 µm².
    Rechnung: $A_S$ = 5 µm * 5 µm = 25 µm²

    2) Wenn eine würfelförmige Zelle eine Kantenlänge von 5 µm hat, dann beträgt ihre Oberfläche
    $A_O$ = 150 µm²
    und ihr Volumen
    $V$ = 125 µm³.
    Rechnung Oberfläche: $A_O$ = 5 µm * 5 µm * 6 (Seitenflächen) = 150 µm²
    Rechnung Volumen: $V$ = 5 µm * 5 µm * 5 µm = 125 µm³

    3) Wenn eine würfelförmige Zelle eine Kantenlänge von 15 µm hat, dann beträgt ihre Oberfläche
    $A_O$ = 1350 µm²
    und ihr Volumen
    $V$ = 3375 µm³.
    Rechnung Oberfläche: $A_O$ = 15 µm * 15 µm * 6 (Seitenflächen) = 1350 µm²
    Rechnung Volumen: $V$ = 15 µm * 15 µm * 15 µm = 3375 µm³

    3) Wenn eine würfelförmige Zelle eine Kantenlänge von 100 µm hat, dann beträgt ihre Oberfläche
    $A_O$ = 60000 µm²
    und ihr Volumen
    $V$ = 1000000 µm³.
    Rechnung Oberfläche: $A_O$ = 100 µm * 100 µm * 6 (Seitenflächen) = 60000 µm²
    Rechnung Volumen: $V$ = 100 µm * 100 µm * 100 µm = 1000000 µm³

    4) Das Volumen wächst schneller relativ zur Oberfläche.

  • Nenne Formen der Oberflächenvergrößerung.

    Tipps

    Wenn du dich streckst, machst du dich groß und lang aber auch flach.

    Zwei der fünf Begriffe sind nicht richtig.

    Lösung

    Typische Formen der Oberflächenvergrößerung sind Einstülpung, Ausstülpung und Abflachung.

  • Zeige anhand der Bergmannschen Regel, dass eine Oberflächenvergrößerung nicht immer sinnvoll ist.

    Tipps

    Zwei gegensätzliche Worte sind in keiner Lücke richtig und bleiben übrig.

    Das Volumen eines Würfels berechnet sich wie folgt:
    $V=a*a*a=a^3$

    Lösung

    Bei einem Wachstum der Körpergröße verändert sich das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen. Mit steigender Körpergröße vergrößern sich sowohl die Oberfläche als auch das Volumen. Wobei das Volumen kubisch und somit schneller wächst. Die Oberfläche wächst nur quadratisch.

    Im Sinne der Bergmannschen Regel ist eine zusätzliche Oberflächenvergrößerung nicht hilfreich.
    Über eine größere Oberfläche geht mehr Körperwärme verloren. Daher ist es für Lebewesen in kälteren Regionen vorteilhaft, ein relativ großes Volumen im Vergleich zur Oberfläche zu haben, um den Wärmeverlust zu minimieren. Eine dichte Körperbedeckung wie durch Fell oder Federn sowie eine dicke Fettschicht zur Isolation erhöhen neben dem Volumen zudem die Überlebenswahrscheinlichkeit.