Wie reagiert der Mensch auf körperliche Anstrengung?

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Das aufgelistete Material reicht für ein einzelnes Experiment. Je nach Vorgehensweise (Anzahl der Kinder, Einzel- oder Gruppenarbeit, o.ä.) musst du die angegebenen Mengen anpassen.

Dieses Experiment ist ungefährlich. 

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Die Rubrik „Ideen für naturwissenschaftlichen Unterricht in der Grundschule“ wurde in Kooperation mit dem Script (Service de Coordination de la Recherche et de l’innovation pédagogiques et technologiques) ausgearbeitet und wendet sich hauptsächlich an Lehrkräfte der Grundschule. Das Ziel der Rubrik ist es, dich als Lehrperson mit kurzen Beiträgen dabei zu unterstützen, die naturwissenschaftliche Methode zu vermitteln. Hierzu ist es nicht nötig, dass du bereits alles über das jeweilige Naturwissenschafts-Thema weißt. Sondern vielmehr, dass du ein Umfeld schaffst, in dem die Kinder experimentieren und beobachten können. Ein Umfeld, in dem die Kinder lernen Fragen und Hypothesen zu formulieren, Ideen zu entwickeln und durch Beobachtung Antworten zu finden.

Die Erklärung bzw. das Hintergrundwissen steht nicht so sehr im Fokus. Dennoch liefern wir auch Erklärungen, damit sich interessierte Lehrkräfte informieren können und die Möglichkeit besteht, dass die Kinder selbständig auf science.lu die Erklärung recherchieren.

Wir hoffen, dass unsere Beiträge behilflich sind und von Dir in der Schule benutzt werden können. Wir freuen uns über Feedback und Anregungen und sind gerne bereit, unsere Beiträge stetig zu optimieren. Hier kannst du uns kontaktieren.

*In der Praxis läuft der wissenschaftliche Prozess nicht immer so linear ab. Der Einfachheit halber gehen wir in dieser Rubrik jedoch immer linear vor.

Um zu überleben, braucht ein menschlicher Körper Sauerstoff. Sauerstoff wird von den Zellen überall im Körper für Stoffwechselprozesse benötigt. Ein Stoffwechselprozess ist beispielsweise die Umwandlung von Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Bei der Atmung gelangt der Sauerstoff über die Lungenbläschen in der Lunge ins Blut und wird vom Blut zu den Zellen transportiert. Auf diesem Weg fließt das Blut durch das Herz, wo es durch den Herzschlag Richtung Zellen gepumpt wird. Ist der Sauerstoff verbraucht, transportiert das Blut Kohlenstoffdioxid von den Zellen zurück zur Lunge, wo es über die Lungenbläschen wieder in die Atemluft gelangt. Auch auf dem Weg von den Zellen zurück zur Lunge passiert das Blut das Herz, das das Blut Richtung Lunge pumpt.

Kleiner und großer Kreislauf

Die Kinder können sich die Bewegung des Blutes als eine Acht vorstellen, bei der die Lunge am oberen Rand liegt, das Herz in der Taille der Acht und die Zellen des Körpers am unteren Rand. Sauerstoffreiches Blut fließt von der Lunge (vom oberen Rand der Acht) ins Herz (die Taille) und dann weiter zu den Zellen (unterer Rand der Acht). Dort gibt das Blut Sauerstoff ab und nimmt Kohlendioxid auf. Dann fließ es wieder zum Herzen (Taille) und dann zur Lunge (oberer Rand). Der obere Kreis der Acht hat Kontakt zur Lunge und wird kleiner Kreislauf genannt. Der untere Kreis der Acht hat Kontakt zu den Zellen und wird großer Kreislauf genannt. Beide Kreisläufe transportieren sauerstoffreiches (kohlenstoffdioxidarmes) und sauerstoffarmes (kohlendioxidreiches) Blut. Da die Aufnahme/Abgabe von Sauerstoff/Kohlenstoffdioxid aber nur in der Lunge bzw. den Zellen geschehen kann, sind die beiden Kreisläufe nicht in sich geschlossen. Das sauerstoffreiche Blut aus der Lunge strömt durch den kleinen Kreislauf bis zum Herzen, muss aber erst den gesamten großen Kreislauf (und die Zellen) passieren, ehe es als sauerstoffarmes Blut wieder in den kleinen Kreislauf gelangt. Ebenso muss das sauerstoffarme Blut aus dem großen Kreislauf erst den gesamten kleinen Kreislauf (und die Lunge) passieren, ehe es als sauerstoffreiches Blut wieder in den großen Kreislauf gelangt.

Im Herz (der Taille der Acht) gelangt das Blut von einem Kreislauf in den anderen. Es kann sich im Herzen nicht vermischen, da die beiden Kammern von einer dünnen Wand, der Herzscheidewand, getrennt werden. Die linke Herzkammer pumpt sauerstoffreiches Blut Richtung Zellen in die sogenannte Aorta. Die Aorta ist eine Hauptschlagader, die in größere und kleinere Arterien und schließlich die Zellen mündet. Nachdem der Sauerstoff abgegeben und das Kohlendioxid aufgenommen wurde, gelangt das Blut über die sogenannten Venen wieder zurück zum Herzen. Die rechte Herzkammer pumpt das sauerstoffarme Blut in die Lungenarterie. Über die Lungenbläschen wird es wieder mit Sauerstoff angereichert und gelangt über die Lungenvenen in die linke Herzkammer. Adern, in denen das Blut zum Herzen fließt, werden Venen genannt. Adern, in denen das Blut vom Herzen wegfließt, werden Arterien genannt.

Herzschlag

Das Herz ist ein sogenannter Hohlmuskel: es besteht aus einem Muskel, der sich zusammenziehen und entspannen kann. Ein ständiger Wechsel zwischen dem Zusammenziehen oder der Anspannung (Systole) und der Entspannung (Diastole) des Herzmuskels treibt dabei den Blutfluss in dem kleinen und in dem großen Kreislauf an. Jeweils ein An- und Entspannen entspricht einem Pumpimpuls. Zu hören sind dabei die typischen zwei Töne. Das Blut gelangt in der Entspannungsphase auf beiden Seiten des Herzens zunächst in einen Vorhof und von dort aus in die eigentlichen Herzkammern. In der anschließenden Auswurfphase zieht sich das Herz zusammen und pumpt das Blut in die jeweiligen Arterien. Zwischen den Vorhöfen und den Herzkammern schließen sich dabei Klappen, um einen Rückfluss des Blutes in die Vorhöfe zu verhindern. Wenn sich das Herz zusammenzieht, ist auch der erste Herzton wahrnehmbar. Der zweite Herzton ist in der Regel lauter, heller und kürzer und tritt auf, wenn sich Klappen zwischen den beiden Herzkammern und den anschließenden großen Arterien schließen, um auch dort einen Rückfluss des zu verhindern. Die Klappen zwischen den Vorhöfen und den Herzkammern und zwischen den Herzkammern und den großen Arterien funktionieren wie Ventile: sie schließen sich durch den Druck, der beim ersten Zurückfließen des Blutes entsteht und verhindern so einen weiteren Rückfluss. Gesteuert wird der Herzschlag von Erregungszentren im Herzen selbst, sie befördern bei gesunden Erwachsenen im Ruhezustand etwa 70-mal pro Minute die exakt gleiche Menge Blut in den kleinen und den großen Kreislauf. Die entstehenden Druckwellen sind der spürbare Puls. Man kann ihn überall dort ertasten, wo die Blutgefäße dicht unter der Körperoberfläche liegen. Bei Neugeborenen schlägt das Herz pro Minute im Ruhezustand etwa 140-mal.

Bei körperlicher Anstrengung wird mehr Sauerstoff benötigt. Das Herz schlägt schneller und transportiert dadurch mehr sauerstoffreiches Blut zu den Muskeln. Auch die Atemfrequenz steigt, um mehr Sauerstoff in den Körper zu bringen.

Im Ruhezustand werden vom Erwachsenen etwa 16-20 Atemzüge pro Minute ausgeführt, vom Säugling etwa 40. Das sind ungefähr 4-7 Liter Luftumsatz. Bei Anstrengung kann der Bedarf an Atemluft auf bis zu 60 Liter pro Minute steigen.

Die Pumpbewegungen der Atmungsmuskeln im Zwerchfell und zwischen den Rippen werden von Nervenzellen des Rückenmarks gesteuert. Diese werden von anderen Nervenzellen erregt, die im Atemzentrum des so genannten Nachhirns liegen. Es ist der Kohlensäuregehalt (CO2) bzw. der Sauerstoffgehalt (O2) des Blutes, der das Atemzentrum des Gehirns erregt. Steigt der CO2-Gehalt bzw. fällt der O2-Gehalt des Blutes, so verstärkt das Atemzentrum die Arbeit der Lungen.

Mehr zu der Funktionsweise der Lunge erfährst du hier:

Der Reiz zur Atmung

Durch bloßes Anhalten der Luft kann man nicht ersticken. Irgendetwas zwingt uns nach kurzer Zeit weiter zu atmen. Deshalb kann man auch nur eine kurze Zeit tauchen. Das Atembedürfnis wird dann so groß, dass man wieder an die Oberfläche kommen muss. Wird dem Körper kein Sauerstoff zugeführt, erstickt der Mensch. Dies kann durch unzureichende Sauerstoffzufuhr geschehen, oder die Aufnahme von vorhandenem Sauerstoff verhindert wird, wie bei Kohlenmonoxid-Vergiftungen.

Ihr könnt das Pulsieren des Herzschlags auch sichtbar machen. Formt dazu eine etwa haselnussgroße Kugel aus Knetmasse und steckt einen Zahnstocher in die Kugel. Legt einen Arm mit der Handfläche nach oben ruhig auf einen Tisch. Positioniert die Kugel an die Stelle des Handgelenks, an der ihr den Puls fühlt, und zwar so, dass der Zahnstocher möglichst senkrecht steht. Beobachtet die Spitze des Zahnstochers. Sie sollte sich mit dem Pulsschlag ganz leicht bewegen. Ein Video dieses Experiments findest du hier: https://science.lu/de/bluttkreeslaf/visualiseier-daei-bols

Hier findest du Links zu Wissenschaftskommunikatoren und Workshop-Anbietern.

Bietet Deine Institution auch pädagogische Aktivitäten in diesem Bereich an und möchtest du auf science.lu verlinkt werden? Dann nimm bitte hier Kontakt mit uns auf.

Im SciTeach Center können sich Lehrkräfte Info-, Experimentier- und Expositionsmaterial ausleihen und mit dem kinderzentrierten „forschend- entdeckenden“ Lernen vertraut machen.

Während unsere Rubrik darauf abzielt, den Kinder die naturwissenschaftliche Methode anhand einer Anleitung näher zu bringen, geht es beim Konzept vom schülerzentrierten forschend-entdeckenden Lernen darum, den Kindern selbst mehr Gestaltungsmöglichkeiten zu geben. Du gibst als Lehrperson nur ein paar Materialien oder Fragen vor. Die Kinder entscheiden dann selbst, wofür sie sich interessieren oder was sie ausprobieren wollen. Als Lehrperson begleitest und unterstützt du sie dabei.

Im SciTeach Center soll das Kompetenzlernen im naturwissenschaftlichen Unterricht gefördert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, bietet das SciTeach Center Lehrkräften die Möglichkeit, gemeinsam mit anderen Lehrkräften und dem wissenschaftlichen Personal des SciTeach Centers neue Ideen und Aktivitäten für ihren naturwissenschaftlichen Unterricht zu entwickeln. Durch diese Zusammenarbeit soll auch das Vertrauen in den eigenen Unterricht gestärkt und mögliche Ängste gegenüber freiem Experimentieren abgebaut werden. Betreut werden die Veranstaltungen von wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen der Universität Luxemburg sowie von zwei Lehrerinnen.