Vorschlag B: Licht taktet die innere Uhr
Die meisten Lebewesen folgen einem bestimmten Tagesrhythmus, der von ihrem Körper selbst vorgegeben wird. Wissenschaftler sprechen von einem sogenannten Biorhythmus. Auch der Mensch hat einen eigenen Biorhythmus. Der innere Grundrhythmus lässt sich kaum verstellen. Er schwankt zwischen 23,5 und 25 Stunden und wird vom Sonnenlicht als äußerem Taktgeber täglich neu auf 24 Stunden eingestellt. Erstaunlicherweise funktioniert diese Angleichung an das Sonnenlicht auch bei Personen, die wegen eines Ausfalls der Stäbchen und Zapfen in der Netzhaut blind sind.
Benenne die durch Nummern gekennzeichneten Bestandteile der Wirbeltiernetzhaut. (Material 1)
Beschreibe und erläutere die Signaltransduktion im Stäbchen unter Lichteinfluss mithilfe der Abbildung 2. (Material 2)
Vergleiche die grundlegenden Vorgänge bei der Signaltransduktion in einer Stäbchenzelle mit denjenigen in einer lichtempfindlichen retinalen Ganglienzelle (ipRGC) unter Berücksichtigung der Membranpotenzialänderungen. (Material 2)
Analysiere die Ergebnisse der Experimente ab dem Zeitpunkt 21 Uhr und entwickle daraus begründete Handlungsempfehlungen für Jugendliche zur Nutzung von Computern bzw. Smartphones am Abend. (Material 3)
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 1: Die Netzhaut des Auges
Abbildung 1: Schematischer Aufbau einer Wirbeltiernetzhaut
(verändert nach: Bruckner et al. 2019, S. 248)
Material 2: Signaltransduktion in lichtempfindlichen Zellen der Netzhaut
Zusätzlich zum Sehen beeinflusst Licht grundlegend die Physiologie und das Verhalten durch die nicht-visuellen Nervenbahnen im Gehirn, die u. a. die innere Uhr kontrollieren. Diesen Wirkungen liegt maßgeblich eine dritte Sorte von Fotorezeptorzellen in der Netzhaut von Wirbeltieren zugrunde, die sogenannten ipRGC (= intrinsic photosensitive Retinal Ganglion Cells). Diese speziellen Ganglienzellen enthalten das Fotopigment Melanopsin, sind lichtempfindlich, dienen aber nicht dem Sehen. Sie sind an biologischen Prozessen wie der Ausschüttung des Schlafhormons Melatonin beteiligt.
Abbildung 2: Signaltransduktion in einer Stäbchenzelle der Netzhaut
(verändert nach: Lenahan et al. 2023, S. 3, Abb. 2)
Abbildung 3: Signaltransduktion in einer ipRGC
(verändert nach: Chen et al. 2023, S. 10, Abb. 8)
Material 3: Melatoninkonzentration bei Jugendlichen unter verschiedenen Lichtbedingungen
Melatonin ist ein Hormon, das das Einschlafen fördert. Es wird von der Zirbeldrüse im Zwischenhirn gebildet. Seine Bildung und Ausschüttung wird vom Nucleus suprachiasmaticus gesteuert, einer weiteren Region des Zwischenhirns, in welche die Signale der ipRGC (siehe Material 2) geleitet werden.
Besonders während der Pubertät und den mit ihr einhergehenden Veränderungen im Hormonhaushalt wird bei Jugendlichen häufig eine Verschiebung des Schlaf-Wach-Rhythmus beobachtet. Es wird erforscht, welche Rolle Lichtreize von außen hierbei spielen, z. B. Smartphones (Lichtintensität ca. 5 Lux) oder Computermonitore (Lichtintensität ca. 500 Lux).
In einer Studie wurden Jugendliche zunächst anhand ihres körperlichen Entwicklungsstands einem frühen bis mittleren Stadium der Pubertät oder einem späten Stadium der Pubertät zugeordnet. Alle Versuchspersonen wurden mehrere Nächte an einen konstanten Schlaf-Wach-Rhythmus gewöhnt. Anschließend wurden sie in Gruppen aufgeteilt, die in verschiedenen Räumen untergebracht wurden. Die Jugendlichen wurden gemäß dem in der Legende dargestellten Zeitplan Licht unterschiedlicher Stärke ausgesetzt und währenddessen bis 01 Uhr wachgehalten.
Jede Stunde wurde die Konzentration von Melatonin im Speichel der Versuchspersonen bestimmt.
Abbildung 4A: Lichteinwirkung von 15 Lux im frühen Stadium der Pubertät
Abbildung 4B: Lichteinwirkung von 15 Lux im späten Stadium der Pubertät
(verändert nach: Crowley et al. 2015, S. 4070, Abb. 2)
Abbildung 5A: Lichteinwirkung von 500 Lux im frühen Stadium der Pubertät
Abbildung 5B: Lichteinwirkung von 500 Lux im späten Stadium der Pubertät
(verändert nach: Crowley et al. 2015, S. 4070, Abb. 2)
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1: Pigmentzelle
2: Stäbchen
3: Zapfen
4: Horizontalzelle
5: Bipolarzelle
6: amakrine Zelle
7: Ganglienzelle
8: Sehnerv
Beschreiben und erläutern:
Die Absorption von Licht durch Rhodopsin in der Diskmembran bewirkt eine Konformationsänderung des 11-cis-Retinals zum all-trans-Retinal. Das G-Protein bindet an das all-trans-Retinal, wobei eine Untereinheit abgespalten wird. Diese aktiviert das Enzym PDE, welches die Reaktion von cGMP zu GMP katalysiert. Somit verringert sich die Menge von cGMP, das an Natrium-Ionenkanäle gebunden ist.
Die Natrium-Ionenkanäle, die durch gebundenes cGMP offengehalten werden, schließen sich bei Abwesenheit von cGMP. Dadurch können keine Natrium-Ionen mehr von außen in das Cytoplasma der Stäbchen diffundieren. Es kommt zu einer Hyperpolarisation.
Vergleichen:
Gemeinsamkeiten:
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Konformationsänderung des Retinals durch Lichtabsorption
-
Zerfall eines G-Proteins
-
dadurch Aktivierung eines weiteren Proteinmoleküls
-
Veränderung des Membranpotenzials
Unterschiede:
-
Bei ipRGC kommt es unter Lichteinfluss zu einer Öffnung von Calcium-Ionenkanälen und somit zu einem Calcium-Ionenstrom, bei Stäbchen zu einem Schließen von Natrium-Ionenkanälen und somit zu einem Stopp des Natrium-Ionenstroms.
-
Bei ipRGC ist die Folge des Lichteinflusses eine Depolarisation, bei Stäbchen eine Hyperpolarisation.
-
Bei ipRGC findet die Änderung des Membranpotenzials an der gleichen Membran statt wie die Lichtabsorption, bei Stäbchen findet die Änderung des Membranpotenzials an einer anderen Membran statt als die Lichtabsorption.
Analysieren:
Bei allen Versuchsreihen steigt die Melatoninkonzentration bis zum Zeitpunkt der zusätzlichen Beleuchtung an. Ohne zusätzliches Licht ist nach 23 Uhr die Melatoninkonzentration bei Jugendlichen im frühen Stadium der Pubertät höher als im späten Stadium.
Ein Lichtreiz zwischen 23 Uhr und 24 Uhr lässt die Melatoninkonzentration bei Jugendlichen in einem frühen Stadium der Pubertät absinken. Dieser Effekt fällt bei einer Lichtstärke von 500 Lux deutlicher aus als bei 15 Lux. Bei Jugendlichen in einem späten Stadium der Pubertät bewirkt ein Lichtimpuls von 15 Lux nahezu keine Veränderung der Melatoninkonzentration. Dagegen bewirkt ein starker Lichtreiz von 500 Lux ein deutliches Sinken der Melatoninkonzentration.
Nach Beendigung des zusätzlichen Lichtreizes bei Gruppe 2 steigt die Melatoninkonzentration wieder an (mit Ausnahme der Jugendlichen im späten Stadium der Pubertät, bei denen der Lichtreiz von 15 Lux keinen Effekt hat). Bei Jugendlichen in einem frühen Stadium der Pubertät liegt der Wert selbst eine Stunde nach Beendigung sowohl des stärkeren als auch des schwächeren Lichtreizes noch deutlich unter dem Wert ohne zusätzlichen Lichtreiz. Bei älteren Jugendlichen ist dieser Unterschied geringer.
Entwickeln:
mögliche Handlungsempfehlungen:
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Tätigkeiten an einem lichtstarken Monitor sollten vor dem Schlafen vermieden werden. Die Beleuchtungsstärke des Bildschirms sollte abends herunterreguliert werden.
Begründung: Licht hemmt die Ausschüttung von Melatonin. Da Melatonin das Einschlafen fördert, könnte die Arbeit an einem Computermonitor mit ca. 500 Lux einen negativen Einfluss auf das Einschlafen haben.
-
Jüngere Jugendliche sollten die Arbeit an Bildschirmen früher beenden als ältere Jugendliche, da der Einfluss eines Lichtreizes in der frühen bis mittleren Phase der Pubertät stärker ausgeprägt ist als in einer späten Phase der Pubertät.
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Das Smartphone ist mit 5 Lux deutlich lichtschwächer. Bei älteren Jugendlichen haben schon 15 Lux keinen Effekt, es ist daher zu erwarten, dass bei ihnen, im Gegensatz zu den Jüngeren, durch die Smartphone-Nutzung das Einschlafen nicht gestört wird.