Grundprinzip für Austauschvorgänge

Wird eine Oberfläche in der Biologie vergrössert, dann ist das ein Hinweis darauf, dass Austauschvorgänge für Stoffe oder Energie stattfinden.

Folgende Strukturen sind möglich:

• Faltung und/oder Kammerung nach innen: Lungenbläschen
• Faltung und/oder Verzweigung nach aussen: Darmzotten und Mikrovilli, Wurzelhaare
• Windungen: Gehirn
• Körperchen: Erythrozyten

Beispiele aus der Natur

Im Tierreich kommt es in der Lunge, im Dünndarm, bei den roten Blutkörperchen und den Kapillarnetzen zu einer Oberflächenvergrösserung.

Lungenbläschen

Erythrozyten (Rote Blutkörperchen) bilden zusammen eine Oberfläche von 3000 Quadratmetern bei jedem Menschen.

Im Dünndarm falten sich die Zotten einerseits zu einer mächtigen Oberfläche, dazu kommen die Mikrovilli, welche die Oberfläche um ein Vielfaches vergrössern.

Mikrovilli im Dünndarm.

Jedes der rund 50 Kanälchen pro Hodendrüse hat eine Länge von 30-80cm, dies ergibt eine Gesamtlänge von etwa 2 x 25m. Von den Hodenkanälchen gelangen die Spermien in den Nebenhodengang, von wo sie während des Geschlechtsakts durch den Samenleiter ausgestossen werden. Pro Tag werden bei einem jungen Mann etwa 100 Millionen Spermien gebildet, also etwa 1000 pro Sekunde!

Im Pflanzenreich kommt es an den Blättern und an den Wurzeln zur Oberflächenvergrösserung!

Die Zellen der Palisadenschicht ordnen sich so an, dass für die Chloroplasten eine möglichst grosse Oberfläche entsteht.

Bei einer sechs Monate alten Roggenpflanze machen z. B. die Wurzelhaare über 60% der gesamten Wurzeloberfläche aus. Man hat errechnet, dass eine Roggenpflanze über 10 Milliarden Wurzelhaare besitzt. Ihre Gesamtlänge erreicht 10’000 km und ihre Gesamtoberfläche kommt einem Quadrat von 20 m Seitenlänge gleich (400m²). Das entspricht etwa dem 50 bis 80fachen des gesamten Sprosssystems einschließlich der Blätter. Diese starke Oberflächenvergrößerung der Wurzelhaarzone ist für die Wasseraufnahme der Pflanze von unschätzbarer Wichtigkeit.

Oberflächenvergrösserung bei Pilzen:

Auf dem Niveau der Zell-Organellen finden wir Oberflächenvergrösserung beim Endoplasmatischen Retikulum, den Mitochondrien, den Chloroplasten, den Lichtrezeptoren …

Das Endoplasmatische Retikulum besteht ausschliesslich aus Lamellen von Membranen, welche zur Herstellung von Eiweissen spezialisiert sind.

Die innere Membran der Mitochondrien ist stark gefältelt. Sie dient der Energieerzeugung für unseren Körper.

Die Granum-Stapel der Chloroplasten enthalten die Enzyme für die Photosynthese. Eine möglichst grosse Oberfläche führt zur optimalen Arbeitsweise der Chloroplasten als Sonnen-Kollektor.

Um den Einfang der Lichtstrahlen zu optimieren, finden wir bei Stäbchen im Auge im Aussensegment vielzählige Membranstapel, sogenannte Disks, in deren Lipiddoppelschicht der Sehfarbstoff Rhodopsin eingelagert ist.

Bei Zapfen ist die Plasmamembran des Aussensegments mehrfach eingestülpt und enthält das Rhodopsin. Zapfen sind weniger lichtempfindlich als Stäbchen und sind für das Sehen bei Tageslicht und die Farbwahrnehmung zuständig. Es gibt drei Zapfentypen mit Absorptionsmaxima bei 420nm(blau), 540nm (grün) und 560nm (rot).

Beispiele aus der Technik

Kühlsysteme (Motorkühlung, Kühlung in Computern, etc.

 

Beispiele aus der Architektur

Hohe Bauwerke an Orten mit begehrter Aussicht schaffen mehr Oberfläche für eine schöne Lage (verdichtetes Bauen).

Anordnung der Häuser in Florida in einem Gewässer zum Vergrössern der Plätze für eine schöne Lage.

 

Warum vergrössert sich die Oberfläche in kleinen Strukturen?

Aussagen wie: Die roten Blutzellen bilden beim Menschen insgesamt eine Oberfläche von 3000 Quadratmetern, oder auch: Die Oberfläche aller Kapillargefässe liegt bei 1000 Quadratmetern, lassen uns ungläubig erstaunen. Wie soll möglich sein?

Wir untersuchen diese Frage, wie sich Oberflächen vergrössern, am Beispiel eines Würfels mit der Kantenlänge von 10cm. Die Oberfläche dieses Würfels beträgt 600cm².

Teilen wir den Würfel allseitig parallel drei Mal, entstehen 27 kleine Würfelchen mit der Seitenlänge 3.33cm.
Die Oberfläche eines dieser kleinen Würfelchen beträgt 66.67cm² . Die Oberfläche aller 27 Würfelchen beträgt 1800cm²

Teilungen	Anzahl Würfel	Kantenlänge in Mikrometer	Oberfläche in m3
0	1	100000.00	0.06
1	27	33333.33	0.18
2	729	11111.11	0.54
3	19’683	3703.70	1.62
4	531’441	1234.57	4.86
5	14’348’907	411.52	14.58
6	387’420’489	137.17	43.74
7	10’460’353’203	45.72	131.22
8	282’429’536’481	15.24	393.66
9	7’625’597’484’987	5.08	1180.98

Nach 9 Teilungen erhalten wir also mehr als 7.6 Billionen Würfelchen mit einer Kantenlänge von 5 Mikrometern. Insgesamt ergibt sich daraus eine Oberfläche von mehr als 1000 Quadratmetern.