Die Vitalfunktionen des Lebens: Biologie und Anatomie

Lebewesen und Vitalfunktionen

Lebewesen (Tiere, Bakterien, Algen usw.) zeichnen sich durch Bewegung, Reproduktion und die Fähigkeit zur Nahrungsaufnahme aus. Diese drei sind die drei lebenswichtigen Funktionen.

Ernährungsformen

• Tiere: Heterotrophe Ernährung.
• Pflanzen: Autotrophe, photosynthetische Ernährung.
• Pilze (Fungi): Heterotrophe Ernährung (die Nährstoffe werden nicht durch Verschlucken, sondern durch Absorption aufgenommen).

Alle typischen Landpflanzen (nicht Wasserpflanzen) besitzen Wurzel, Stängel und Blätter. Es gibt jedoch Ausnahmen wie Moose, die einen evolutionären Schritt aus dem Wasser darstellen.

Zum Beispiel betreiben Wasserlebewesen (Algen) Photosynthese, könnten aber aufgrund ihrer schwachen Struktur nicht in der Luftumgebung überleben.

Nicht-Lebewesen

• Mineralien: Kohle, Salz.
• Gesteine: Schiefer.

Moleküle der unbelebten Materie sind einfach. Lebewesen speichern genetische Informationen.

Zelluläre Organisation

• Bakterien: Einzellige Lebewesen.
• Pilze (Fungi):
  • Hefen (Einzeller).
  • Blütenpilze (Vielzeller).
  • Speisepilze.

Pilze sind keine Pflanzen, da ihre Ernährung heterotroph ist.

Protozoen sind eine Gruppe von Organismen, die im Wasser, in unserem Körper, in Tieren oder Schwimmbädern leben (sie bewegen sich sehr leicht und sind gut zu beobachten).

Blütenpilze leben immer von organischer Substanz, haben eine heterotrophe Ernährung und sind vielzellig.

Ernährung und Verdauung beim Menschen

Die Rolle der Nährstoffe

Die menschliche Ernährung dient der Energiegewinnung:

Glucose + O₂ → CO₂ + H₂O + Energie

Wir benötigen Glukose zur Energiegewinnung. Nicht alle Lebensmittel liefern Glukose (z. B. Wasser).

Ablauf der Nährstoffaufnahme

Welche Systeme sind an Verdauung, Kreislauf, Atmung und Ausscheidung beteiligt?

1. Nahrungsaufnahme (durch den Mund).
2. Verdauungstrakt zerlegt die Komponenten.
3. Kreislauf transportiert Glukose (Blutkreislauf).

Die Verdauung wandelt das Material in kleine Bestandteile um. Die chemische Verdauung der Nahrung erfolgt durch Proteine, die von Enzymen produziert werden. Diese Enzyme werden in Drüsen abgesondert, die mit dem Verdauungstrakt verbunden sind. Enzyme führen Reaktionen durch, die Polymere (z. B. Polysaccharid-Kohlenhydrate) in Monomere (z. B. Glukose) umwandeln.

Komponenten des Verdauungstrakts

Die Verdauung findet im ersten Teil des Verdauungstrakts statt (vom Mund bis zum Zwölffingerdarm). Die Bewegung des Materials erfolgt durch Muskelkontraktionen in peristaltischen Bewegungen. Die Peristaltik bewegt den Inhalt in die richtige Richtung.

Die Mundhöhle, der Rachen und die Speiseröhre

Die Mundhöhle: Zunge, Zähne, Rachen

a. Die Zunge: Die Zunge ist ein muskulöses Organ mit einer einzigen Aufnahme (bietet Mobilität) und enthält Geschmacksknospen (süß, salzig, sauer und bitter). Die Papillen enthalten Krypten, in die gelöste Stoffe fallen und Neuronen erregen, was zum Geschmackssinn führt.

b. Die Zähne: Zähne sind harte Stücke, die zum Schneiden, Reißen, Zerreißen und Zermahlen in kurze Stücke dienen, damit die Enzyme sie leichter angreifen können.

• Der Schmelz ist sehr hart (Kalziumphosphat).
• Das Dentin ähnelt Elfenbein.
• Das Zahnmark besteht aus lebendem Gewebe (Nerven und Blutgefäße).
• Der Zement dient zur Befestigung der Wurzel.

c. Der Rachen: Der Rachen kreuzt den Verdauungs- und Atemtrakt und verbindet:

1. Mundhöhle.
2. Speiseröhre (zum Magen).
3. Kehlkopf (Atemwege). Der Eingang wird durch die Epiglottis reguliert.
4. Eustachi-Röhren (Verbindung zum Mittelohr).

Speiseröhre und Magen

Die Speiseröhre ist ein etwa 25 cm langes Rohr, das sich zwischen der Luftröhre (vorne) und der Wirbelsäule (hinten) befindet, durch das Zwerchfell führt und in den Magen mündet.

Der Magen ist eine Erweiterung des Verdauungstrakts unterhalb des Zwerchfells mit einer Kapazität von etwa 2,5 Litern. Die Innenseite ist mit einer Magenschleimhaut bedeckt, die Magensaft absondert. Die Nahrung wird durch die Einwirkung des Magensafts zu Chymus.

Leber und Bauchspeicheldrüse

a. Die Leber: Die Leber wiegt etwa 1,5 kg und hat mehrere Funktionen: Verdauung, Abwehr, Speicherung, Produktion usw.

b. Die Bauchspeicheldrüse (Pankreas): Dieses Organ befindet sich hinter dem Magen, ist etwa 15 cm lang und wiegt 80 Gramm. Es ist eine gemischte Drüse:

1. Exokrin: Produziert Pankreassaft (enthält Enzyme zur Verdauung aller Arten von Biomolekülen, Endverdauung).
2. Endokrin: Sekretion von Insulin, das es Glukose ermöglicht, aus dem Blut in die Zellen zu gelangen.

Dünn- und Dickdarm

Die Därme sind 8 bis 9 Meter lang und sind von einer zähen Schutzmembran, dem Peritoneum, umgeben. Blutgefäße sind überall vorhanden und dienen dazu, Nährstoffe zu sammeln und über die Mesenterialvenen zur Leber zu transportieren.

Die Darmzotten (im Dünndarm) sind für die Resorption zuständig. Sie bestehen aus einer absorbierenden Außenschicht (weiß) und Bindegewebe im Inneren, durch das Blut- und Lymphgefäße verlaufen (violett).

Der Dickdarm ist deutlich vom Dünndarm unterschieden und 2 bis 3 Meter lang. Hier wird der größte Teil des Wassers und der Salze, die zur Erleichterung der Verdauung freigesetzt wurden, resorbiert. Dadurch wird der Chylus (der Name des Chymus im Dickdarm) verfestigt und verhärtet.

Besonders im Colon transversum befindet sich eine große Menge an Bakterien, die verschiedene Funktionen erfüllen:

• Resorption von Salzen und Wasser.
• Chemische Umwandlungen.
• Synthese von Vitamin K, das für die Blutgerinnung notwendig ist.
• Abwehr gegen feindliche Bakterien.

Der Kreislauf: Transport und Abwehr

Funktionen des Kreislaufsystems

Das Kreislaufsystem erfüllt grundsätzlich drei Funktionen:

1. Verteilung von Nährstoffen und Sauerstoff im Körper.
2. Sammeln von Abfallprodukten (CO₂, Harnstoff usw.).
3. Transport von Abwehrstoffen (weiße Blutkörperchen und Antikörper) und Hormonen durch den gesamten Körper.

Es besteht aus:

• Blut: Zirkulierende Flüssigkeit mit Blutzellen.
• Herz: Muskelpumpe, die die Flüssigkeit antreibt.
• Gefäße: Blut- und Lymphgefäße sind die Leitungen, durch die die Flüssigkeit fließt.

Blut: Plasma und Blutzellen

Blut ist ein leicht viskoses und salziges Gewebe, das aus einer gelblichen Flüssigkeit, dem Plasma, und einer Reihe von zellulären Elementen besteht. Eine Person hat eine bestimmte Blutmenge, die etwa 7 % des Körpergewichts ausmacht.

Bestandteile des Plasmas

• Nährstoffe (Glukose, Aminosäuren) und Salzwasser.
• Abfallstoffe (von der Leber zu den Nieren).
• CO₂ (geht zur Lunge).
• Hormone (von Drüsen zu Zielzellen).
• Andere: Fibrinogen (Blutgerinnung), Antikörper (Abwehr), Heparin (Gerinnungshemmer).

Rote Blutkörperchen (Erythrozyten)

Sie verlieren kurz nach ihrer Entstehung ihren Kern und enthalten Hämoglobin, das Sauerstoff binden kann (O₂-Hb, rot) und es durch das enthaltene Eisen transportiert. Die Konzentration liegt zwischen 4·10⁶ und 5·10⁶ pro mm³. Eisenmangel, Mangel an roten Blutkörperchen oder Hämoglobin wird als Anämie bezeichnet.

Weiße Blutkörperchen (Leukozyten)

Sie besitzen einen Kern mit sehr unterschiedlichen Formen und haben die Fähigkeit, die Blutgefäße zu verlassen (Diapedese). Einige verdauen Bakterien und abgestorbene Zellen, während andere Antikörper (defensive Proteine) produzieren, die Krankheitserreger zerstören.

Blutplättchen (Thrombozyten)

Dies sind Zellfragmente, die Substanzen enthalten, die für die Blutgerinnung notwendig sind.

Das Herz: Struktur und Funktion

Das Herz hat eine konische Form, wobei die Spitze nach unten und leicht nach links geneigt ist. Es liegt auf dem Zwerchfell zwischen den beiden Lungen.

Wichtige Strukturen

• Vena Cava: Empfängt Blut aus dem Körper.
• Lungenvenen: Empfangen Blut aus der Lunge.
• Rechter Vorhof: Empfängt Blut aus dem Körper.
• Rechte Herzkammer: Empfängt Blut aus dem rechten Vorhof.
• Aorta: Sendet Blut in den Körper.
• Lungenarterie: Sendet Blut in die Lunge.

Funktion des Herzens

• Systole: Kompressionsphase (Vorhof- und Kammerkontraktion).
• Diastole: Erholungs- oder Entspannungsphase.

Die rechte Seite des Herzens empfängt sauerstoffarmes Blut aus allen Systemen über die Vena Cava und pumpt es zur Lunge. Die linke Seite empfängt sauerstoffreiches Blut aus der Lunge und pumpt es über die Aorta in alle Körpersysteme.

Das Herz besitzt ein elektrisches System, das aus zwei rhythmischen Nervenknoten besteht, die Strom erzeugen (abhängig von der Sauerstoffkonzentration im Blut): der Sinusknoten (rechter Vorhof, steuert die Vorhofsystole von oben nach unten) und der Atrioventrikularknoten (steuert die Kammersystole von unten nach oben).

Blutgefäße und Kreisläufe

Die Kontraktion der Herzkammern treibt das Blut in die Arterien. Diese verzweigen sich zu kleineren Arteriolen, die sich in Tausende von Kapillaren aufteilen (so klein, dass rote Blutkörperchen einzeln passieren und den Austausch von Gasen und Substanzen ermöglichen). Die Kapillaren münden in Venolen, die sich zu großen Venen vereinigen.

• Arterien: Gefäße, die vom Herzen wegführen und Blut im Körper verteilen. Ihre Wände sind elastisch und können sich dehnen (bei hohem Blutdruck) oder zusammenziehen (bei niedrigem Blutdruck).

Der Blutkreislauf besteht aus zwei Kreisläufen:

1. Kleiner (Lungen-) Kreislauf: Funktion der Oxygenierung des Blutes.
2. Großer (Systemischer) Kreislauf: Sendet sauerstoffreiches Blut zu allen Organen, um die Zellatmung (chemische Energiegewinnung) zu ermöglichen.

Das Lymphsystem

Das Lymphsystem sammelt Nährstoffe, Abfallstoffe und Flüssigkeit aus den Zellzwischenräumen. Die Bewegung wird durch die arbeitenden Muskeln und die Atmung unterstützt.

Das Atmungssystem

Das Atmungssystem dient dazu, Sauerstoff aus der Luft aufzunehmen, ihn dem Kreislaufsystem zuzuführen und Kohlendioxid auszuscheiden.

Obere und untere Atemwege

Die Atemwege sind in obere und untere Abschnitte unterteilt:

• Obere Atemwege: Sind mit Bronchialschleimhaut bedeckt und haben weitere Funktionen.
• Untere Atemwege: Befinden sich im Inneren, sind stark verzweigt und von Kapillaren durchzogen, um eine maximale Kontaktfläche für den Gasaustausch zu gewährleisten.

Nasenhöhle, Rachen und Kehlkopf

• Nasenhöhle: Die Luft wird durch die rote Hypophyse (oberflächliche Blutgefäße) erwärmt und befeuchtet. Die gelbe Hypophyse erkennt Gerüche. Die Nebenhöhlen sind Hohlräume, die sich mit Schleim, Bakterien oder Viren füllen können.
• Rachen: Verbindet Nase, Mund, Speiseröhre und Kehlkopf. Enthält die Gaumenmandeln (Tonsillen).
• Kehlkopf: Der Kehlkopf ist außen durch Knorpelstrukturen geschützt, darunter das Zungenbein und die Schilddrüse (mit dem bei Männern gut entwickelten Adamsapfel). Die Schilddrüse ist wichtig für den Stoffwechsel der Nährstoffe. Im Inneren befinden sich die Stimmbänder.

Luftröhre und Lunge

• Luftröhre (Trachea): Ist mit Flimmerhärchen und Schleimzellen ausgekleidet und dient als letzte Verteidigungslinie vor den Bronchien und der Lunge. Am Ende teilt sie sich in zwei Bronchialkanäle.
• Lunge: Es gibt zwei schwammige Massen (links 2 Lappen, rechts 3), die von einer schützenden Pleura (Brustfell) bedeckt sind, um das Gleiten in der Brusthöhle zu erleichtern. Die Brusthöhle wird begrenzt durch: Rippen, Zwischenrippenmuskeln und das Zwerchfell (Muskel, der die Atemwege von der Bauchhöhle trennt).

Die Lunge enthält Lungenbläschen (Alveolen), die Enden von Ausdehnungen in Form von Trauben (500 Millionen kleine Säcke mit sehr dünnen Wänden) sind, die von Kapillaren umgeben sind. Dies erleichtert den Gasaustausch und reduziert den Wasserverlust.

Lungenventilation und Gasaustausch

Die Lungenventilation ist der Prozess der Erneuerung der Luft, die die Lungen füllt. Beteiligt sind:

• Zwischenrippenmuskeln (erweitern die Höhle).
• Das Zwerchfell (erweitert die Höhle).
• Die Pleura hält die Lungen an den Rippen befestigt.

Ein Pneumothorax dringt in die Pleura ein und führt zum Verlust der Fähigkeit, Luft anzusaugen.

Phasen der Ventilation

1. Inspiration (Einatmung): Phase der Energieaufnahme, bei der sich die Höhle erweitert, der Innendruck sinkt (Luft dringt ein).
2. Expiration (Ausatmung): Phase der Entspannung, bei der der Innendruck der Höhle steigt und das Gas austritt.

Volumina

• Eingeatmete Luft (sauerstoffreich): 0,5 Liter Atemzugvolumen.
• Ausgeatmete Luft (O₂-arm, CO₂-reich): 0,5 Liter Atemzugvolumen.
• Inspiratorisches Reservevolumen (erzwungen): 3 Liter.
• Exspiratorisches Reservevolumen (erzwungen): 1 Liter.
• Residualvolumen (verbleibend): 1,5 Liter.
• Totale Lungenkapazität: 0,5 + 3 + 1 + 1,5 = 6 Liter.

Gasaustausch auf alveolärer Ebene

1. Sauerstoff (O₂): In hoher Konzentration wird O₂ aufgenommen und an das Hämoglobin gebunden (später in der Nähe von Zellen mit hohem Sauerstoffverbrauch freigesetzt).
2. Kohlendioxid (CO₂): In hoher Konzentration im Blut erreicht CO₂ die Alveolen, wo ein Teil des vom Körper gesammelten CO₂ in die Atemluft übergeht.

Ausscheidung und Harnwege

Ausscheidung ist die Abgabe von Produkten, die für die Zelle (zelluläre Ausscheidung) oder das Blut (körperliche Ausscheidung) nutzlos oder schädlich sind.

Ausgeschiedene Stoffe

Die hauptsächlich ausgeschiedenen Stoffe sind:

1. CO₂ und H₂O, die bei der mitochondrialen Atmung entstehen.
2. Ammoniak (NH₃), das aus dem Proteinstoffwechsel stammt und in Harnstoff umgewandelt wird.
3. Überschüssige Mineralsalze, die im Blut gelöst sind.
4. Andere Stoffe wie Medikamente, Zusatzstoffe usw., die sich im Blut angesammelt haben.

Anatomie der Harnwege

Die Harnwege bestehen aus folgenden Organen:

1. Nieren: Bohnenförmig, befinden sich hinten und sind von schützendem Fett umgeben.
2. Harnleiter: Leiten den Urin ab (ca. 25 cm).
3. Harnblase: Kugelförmige Kammer, in der sich der Urin bis zur Ausscheidung ansammelt (300 bis 1.500 cm³).
4. Harnröhre (Urethra): Kanal zur Ausscheidung des Urins (Wasserlassen).

Nierenanatomie

1. Nierenkapsel: Gibt der Niere Kohärenz.
2. Kortikale Zone (Rinde): Besteht aus Nierenkörperchen.
3. Medulläre Zone (Mark): Besteht aus pyramidenförmigen Tubuli und Sammelrohren.
4. Nierenbecken: Umfasst die Sammelrohre des Urins.

Fortbewegung und Nervensystem

Das Bewegungssystem

Fortbewegung ist die Fähigkeit von Lebewesen, sich von einem Ort zum anderen zu bewegen. Dies erfordert Komponenten des Bewegungsapparates, bestehend aus:

• Skelettsystem: Besteht aus 206 starren Knochen beim Menschen.
• Muskuläres System.

Knochen, Knorpel und Gelenke

• Knorpel: Halbstarr und flexibel.
• Gelenke: Verbindungen zwischen zwei oder mehr Knochen.
• Bänder: Strukturen, die Gewebe mit Knochen und Knorpel verbinden.
• Sehnen: Gewebestrukturen, die Muskeln und Knochen verbinden.

Funktionen des Skelettsystems

1. Dient als Grundgerüst des Körpers (Bipedie).
2. Schutz lebenswichtiger Organe (Gehirn, Rückenmark, Lunge und Herz).
3. Dient als Ansatzpunkt für Muskeln und bestimmt deren Anordnung.
4. Ermöglicht Bewegung.
5. Hämatopoese: Erzeugung von Blutzellen im Inneren der Knochen.

Muskeln und Kontraktion

Die Muskeln geben dem Körper Form und ermöglichen Bewegung. Sie bestehen aus Muskelgewebe, das die einzigartige Fähigkeit zur Kontraktion besitzt. Muskeln bestehen aus gestreckten Zellen, den Muskelfasern.

Das Nervensystem

Das Nervensystem ist dafür zuständig, äußere und innere Reize wahrzunehmen, zu interpretieren und darauf zu reagieren. Es besteht aus drei Systemen:

Aufbau des Nervensystems

1. Zentrales Nervensystem (ZNS):
   • Gehirn.
   • Rückenmark.
2. Peripheres Nervensystem (PNS):
   • Sensorische Nerven (Eingang).
   • Motorische Nerven (Ausgang).
3. Autonomes (Vegetatives) Nervensystem (ANS):
   • Sympathikus.
   • Parasympathikus.

Nervenzellen sind spezialisiert darauf, Veränderungen zu empfangen und Nervenimpulse zu erzeugen. Sie benötigen ständig Glukose und O₂.

Struktur der Neuronen

1. Soma oder Zellkörper: Enthält den Kern.
2. Dendriten: Kurze zytoplasmatische Erweiterungen, die Signale empfangen.
3. Axon: Lange Erweiterung, die Signale oder Antworten sendet.

Gehirn, Rückenmark und Reflexe

Das Gehirn ist im Schädel geschützt und steuert fast alle Körperfunktionen.

• Großhirn: Zuständig für Gedächtnis, Intelligenz und Bewusstsein. Es ist in Hemisphären unterteilt (links und rechts), die Informationen aus dem gesamten Körper und der Außenwelt empfangen.
• Kleinhirn: Reguliert die motorische Aktivität.
• Medulla Oblongata (Verlängertes Mark): Steuert automatische Funktionen wie Atmung und Herzschlag. Es erstreckt sich bis zum Rückenmark.

Das Rückenmark ist eine Nervenachse, die an der Basis des Hirnstamms entspringt und sich innerhalb der Wirbelsäule erstreckt. Es dient als Weg für motorische Nerven (efferente Bahnen) und sensible Nerven (afferente Bahnen). Es kann fast alle Bewegungen ohne Eingriff des Gehirns durch Reflexe erzeugen. Reflexbewegungen benötigen nur drei Arten von Neuronen: sensorische Neuronen, Assoziationsneuronen und motorische Neuronen.

Sinnesorgane: Auge und Zunge

• Auge: Strukturen wie Iris und Linse fokussieren das Licht auf die Netzhaut, die Photorezeptoren enthält. Diese erregen Nervenzellen, die Informationen über den Sehnerv weiterleiten. Das Gehirn setzt das umgekehrte Bild zusammen. Die Bewegung der Ziliarmuskeln ermöglicht es uns, die Linse zu verändern und zu fokussieren (Myopie: schlechte Sicht auf entfernte Objekte).
• Zunge: Die Zunge hat 10.000 Geschmacksknospen mit Chemorezeptoren. Der bittere Geschmack ist ein Reflex, der Erbrechen auslösen kann.