Lerntext über Aufbau und Funktionen menschlicher Haut

Roland Heynkes, 30.4.2013

Dieser Hypertext soll möglichst verständlich erklären, was man über menschliche Haut wissen sollte. Lernende des Maximilian-Kolbe-Gymnasiums sich das Thema auch mit ihrem Biologiebuch erarbeiten.

Gliederung

zum Text Fakten verzweifelt gesucht
zum Text Der Aufbau unserer Haut
zum Text Die Oberhaut
zum Text Die Lederhaut
zum Text Die Unterhaut
zum Text Die Rolle unserer Haut bei der Regulation der Körpertemperatur
zum Text Die Haut als unser größtes Sinnesorgan
zum Text Ein Kompromiss zwischen Vitamin-D-Produktion und UV-Schutz bestimmt die Hautfarbe
zum Text

Fakten verzweifelt gesucht nach oben

Man stößt auf ein in Biologie und Medizin leider weit verbreitetes Phänomen, wenn man versucht, verlässliche Fakten über unsere Haut zu sammeln. Die Zahlen verschiedener Quellen unterscheiden sich nämlich erheblich. Wir haben das zunächst gar nicht bemerkt, als wir uns die Unterrichtsfilme nur ansahen und die Zahlen zur Kenntnis nahmen. Erst wenn man die genannten Fakten aufschreibt und vergleicht, fallen die Unstimmigkeiten auf.

Unser erster kurzer Film zum Thema Haut verkündete folgende vermeintliche Tatsachen: Bei einem Erwachsenen soll die Haut eine Fläche von rund 2 m2 bedecken, etwa 10 kg wiegen und 1-4 Millimeter dick sein. Pro Quadratzentimeter soll die Haut 1-2 Meter Blutgefäße, 4-8 Meter Nervenbahnen, 10-20 Kältekörperchen, 2-4 Wärmekörperchen, 200 Schmerzpunkte, 100-400 Tast- und Druckpunkte, bis zu 300 Haare, bis zu 400 Schweißdrüsen und bis zu 15 Talgdrüsen enthalten.

In einem zweiten Film wurde behauptet, unsere Haut habe eine Oberfläche von 2 m2, ein Gewicht von 10-12 kg und ihre Dicke betrage 0,1 mm an den Augenlidern sowie 5 mm an den Fußsohlen. Außerdem soll ein Quadratzentimeter Haut durchschnittlich 200 Schmerzpunkte, 12 Kälte- und 2 Wärmerezeptoren und erstaunliche 12 Meter Blutgefäße enthalten.

Ein dritter kurzer Film gibt an, die Oberfläche der Haut betrage 1,5-2,0 m2 und wiege 10-12 Kilogramm.

Nun wüsste man vielleicht gerne, ob es 1-2 oder 12 Meter Blutgefäße sind. Also schaut man mal schnell bei haut.de nach, wo die Texte über die Haut nur von ausgewiesenen Experten geschrieben werden sollen. Aber dort findet man noch mehr Abweichendes: Zwar gibt man auch hier die Fläche der Haut mit 2 m2 an, aber ihr durchschnittliches Gewicht soll etwa 14 Kilogramm betragen. In einem Quadratzentimeter Haut sollen sich nur 1 Meter Blutgefäße, 4 Meter Nervenbahnen, 5 Haare, 100 Schweißdrüsen, 15 Talgdrüsen und etwa 600.000 Zellen befinden, darunter 5.000 Sinneszellen und 150.000 Pigmentzellen. Jetzt ist die Unterschiedlichkeit der Angaben nur noch größer geworden und es taucht die zusätzliche Frage auf, ob wir nun 5 oder 300 Haare pro cm2 haben. Wie kann es zu solchen Diskrepanzen kommen und hatte die Wissenschaft nicht eigentlich Zeit genug, derart simple Fragen wie die nach der Dichte unserer Haare zuverlässig zu klären?

Aber vielleicht hilft uns ja das Wikibuch: "Mensch in Zahlen" weiter: Die Oberfläche eines erwachsenen Menschen beträgt etwa 1,8-2 m2. Das Gewicht von Ober- plus Lederhaut soll allerdings nur etwa 4 kg betragen, während die gesamte Haut einschließlich Unterhaut mit ihren Fetteinlagen 15-16 kg wiegen soll. Wer derart differenzierte Angaben machen kann, scheint sich besonders gut auszukennen. Aber warum schreibt man dann, Ein Kubikzentimeter (1 cm3) Haut enthalte: 1 m Blutgefäße, 4 m Nerven, 13 Kältepunkte, 2 Wärmepunkte, 200 Schmerzpunkte, 25 Berührungspunkte, 10-25 Druckpunkte, durchschnittlich 20-200 Haare, 100 Schweißdrüsen, 15 Talgdrüsen und 6.000.000 Zellen. Gemeint sein muss ein Quadratzentimeter, denn die Haut ist ja nur wenige Millimeter dick.

Was also soll man tun, wenn sich wichtige Fachbücher wie der Pschyrembl erst gar nicht dazu äußern und keine Gemeinschaft führender Naturwissenschaftler für Klarheit sorgt? Als Laie kann man normalerweise gar nichts machen, wenn die Fachleute nur Verwirrung stiften. Aber als Naturwissenschaftler hat man die naturwissenschaftliche Methode. Man kann versuchen, seine Fragen durch eigene Beobachtungen, Untersuchungen oder Experimente zu klären. Die Längen der Blutgefäße und Nerven oder die Zahlen der Rezeptoren können wir im Biologie-Unterricht nicht ermitteln, aber vielleicht können wir ja wenigstens klären, wieviele Haare pro Quadratzentimeter wir besitzen. Im Unterricht versuchen wir es und es zeigt sich schnell, dass selbst das Zählen von Haaren viel schwieriger ist als gedacht. Wie zählt man genau einen Quadratzentimeter aus? Wo kann und wo bzw. auf wem muss man zählen und wie kommt man beim Zählen nicht durcheinander? Durch eigenes Ausprobieren lernen Schülerinnen und Schüler anhand einer scheinbar trivialen Fragestellung einige grundlegende Methoden naturwissenschaftlichen Arbeitens kennen.

Der Aufbau unserer Haut nach oben

In unserer Haut unterscheidet man drei Schichten: die meistens nur wenige Hundertstel Millimeter dicke, an manchen schwieligen Stellen aber auch mehrere Millimeter dicke Oberhaut, die Lederhaut und die Unterhaut. Die Grenze zwischen der Lederhaut und der darüber liegenden Oberhaut bildet die nur 1-2 Tausendstel Millimeter dicke Basalmembran. Sie ist ein stabiles und für die korrekte Entwicklung der Oberhaut sehr wichtiges Netzwerk aus Eiweißen. In der Oberhaut unterscheidet man grob zwischen der ständig neue Zellen produzierenden Keimschicht und der darüber liegenden Hornschicht. Zusammen sind Oberhaut und Lederhaut beim Menschen etwa 0,5-2 Millimeter dick und bei Männern etwa anderthalb mal so dick wie bei Frauen.

Aufbau unser Haut
Schema der Haut aus Wikimedia Commons
Diese Darstellung wurde von einem anonymen Zeichner unter der GNU Free Documentation License kostenlos der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt.

Die Oberhaut nach oben

Direkt auf der Basalmembran und damit relativ gut geschützt befinden sich ganz unten in der Keimschicht sogenannte Stammzellen, Melanocyten und in unbehaarten Bereichen spezielle Sinneszellen (Merkel-Zellen, Merkel-Körperchen oder Merkel-Tastscheiben), die umso mehr Signale an das Gehirn senden, je stärker die Haut eingedrückt wird.

Ähnlich wie Krebszellen und ganz anders als normale Körperzellen können sich die Stammzellen praktisch unendlich oft teilen, ohne dabei merklich zu altern oder sich zu verändern. Anders als Krebszellen und um ihre Vermehrung zu kontrollieren, können sie allerdings nur Stammzellen bleiben, solange sie einen Platz auf der Basalmembran finden. Weil sie sich immer wieder teilen und der Platz auf der Basalmembran begrenzt ist, wird immer ein Teil der Stammzellen von der Basalmembran verdrängt und entwickelt sich von Stammzellen zu sogenannten Keratinocyten, die sich nicht mehr teilen und nur noch etwa 3 Wochen leben.

Von nun an werden sie immer weiter nach oben abgedrängt, bis sie schließlich nach etwa einem Monat als sichtbare oder unsichtbar kleine Hautschuppen von der Haut abfallen. Während sie langsam durch die Keimschicht hindurch in Richtung Hornschicht geschoben werden, verändern sie sich. Sie werden immer breiter und flacher und bilden untereinander starke Verbindungen, die sich am Ende allerdings wieder auflösen. Gleichzeitig produzieren die Keratinocyten um sich herum eine stabile Hülle und zwischen sich eine Art Mörtel, der die Oberhaut wasserundurchlässig macht. Die Hornschicht unterscheidet sich von der Keimschicht dadurch, dass in ihr alle Zellen in Hornzellen umgewandelt und tot sind. Sie sind flach und liegen in 12-200 Zellschichten übereinander.

Die Melanocyten produzieren den Farbstoff, der unsere Haut bräunt und die Zellen vor der gefährlichen UV-Strahlung schützt. Jede Melanocyte versorgt mehrere Keratinocyten damit.

Zwischen den Keratinocyten sind noch spezielle weiße Blutkörperchen unterwegs, die man Langerhans-Zellen nennt. Sie fressen Mikroorganismen, zerlegen sie und zeigen die Bruchstücke anderen weißen Blutkörperchen (T-Helferzellen), zu denen sie extra aus der Haut in einen Lymphknoten wandern.

Die Lederhaut nach oben

Die Lederhaut ist ein sogenanntes Bindegewebe und besteht zunächst einmal aus einem stabilen Geflecht aus Kollagen-Fasern, aus dem man durch Entfernung aller anderen Hautbestandteile Leder machen kann. Darin eingebettet gibt es in der Lederhaut enorm viele Lymph- und Blutgefäße, Schweiß- und Talgdrüsen, Nerven und verschiedene Sensoren. Auch die Haarwurzeln stecken in der Lederhaut und um diese herum gibt es Nerven, die an das Gehirn melden, wenn die Haare berührt werden. In unbehaarten Hautregionen liegen ganz oben, direkt unter der Basalmembran die Meißner-Tastkörperchen. Sie melden dem Gehirn nicht Druck, sondern Druckänderungen. Wir brauchen sie zum Tasten. Ebenfalls im oberen Bereich der Lederhaut gibt es die Krause-Körperchen, die auf Beschleunigungen reagieren. Bis zu 2 Ruffini-Körperchen pro cm2 messen weiter unten in der Lederhaut, wie stark die extrem reißfesten Kollagenfasern gedehnt werden. Auch freie Nervenendigungen als Schmerzrezeptoren und Rezeptoren für Wärme und Kälte liegen in der Lederhaut.

In der Lederhaut gibt es zwischen den Zellen große Lücken, die mit einer geleeartigen Flüssigkeit gefüllt sind. Verschiedene Arten von weißen Blutkörperchen bewegen sich durch diese Lücken und schützen uns vor gefährlichen Mikroorganismen.

Die Unterhaut nach oben

Den größten Teil der Unterhaut machen die Fettzellen aus, die den Körper vor Kälte und Druckbelastungen schützen.

In der Unterhaut liegen bis zu 100 Vater-Pacini-Lamellenkörperchen pro cm2, die wie die Krause-Körperchen auf Vibration reagieren.

Die Rolle unserer Haut bei der Regulation der Körpertemperatur nach oben

Wandeln beim Sport die Muskeln chemische Energie aus der Nahrung in Bewegungsenergie um, dann wird dabei auch ein großer Teil der chemischen Energie in Wärmeenergie als eine Art Abfallprodukt umgewandelt. Um nicht lebensgefährlich zu überhitzen, muss der Körper dann viel Wärme an seine Umwelt abgeben. Zu diesem Zweck weiten sich Blutgefäße in der Lederhaut, damit durch eine vergrößerte Blutmenge auch mehr Wärme in die Haut transportiert wird. Denn je wärmer die Haut ist, umso mehr Wärme kann sie auch abgeben.

Unsere Haut gibt aber die Wärme nicht nur wie ein heißer Stein in Form von Strahlungswärme ab, weil das bei Temperaturen unter 40°C nicht ausreicht. Stark vergrößert wird unsere Wärmeabgabe dadurch, dass unsere Schweißdrüsen eine Art leicht saures Mineralwasser auf unsere Hautoberfläche abgeben. Dort verdunstet das Wasser und bringt viel Wärme von unserer Haut in die Luft. Die Wärmeenergie des Wassers steckt in der Bewegungsenergie der Wassermoleküle und wird bei deren Zusammenstößen ständig ausgetauscht. Unzählige einzelne Wassermoleküle verlieren dabei Teile ihrer Bewegungsenergie und werden abgebremst. Andere Wassermoleküle werden dabei derart beschleunigt, dass ihre Bewegungsenergie ausreicht, um sich aus dem dünnen Wasserfilm auf unserer Haut zu lösen und als relativ warmer Wasserdampf die Luft zu erwärmen. Auf der Haut bleiben die langsamsten Wassermoleküle zurück und deren Langsamkeit bedeutet Kälte. So wird unsere Haut trockener und kühler, während die Luft um uns herum feuchter und wärmer wird. Deshalb ist der kühlende Effekt des Schwitzens auch deutlich stärker, wenn Wind die erwärmte, feuchte Luft rasch durch kühle trockene ersetzt.

Wenn wir Schwitzen, müssen wir natürlich den Wasserverlust durch vermehrtes Trinken wieder ausgleichen und das beim Verdunsten übrig bleibende Salz von der Haut waschen. Möglicherweise trägt allerdings auch das Salz genau wie der relativ niedrige pH-Wert dazu bei, dass der Schweiß unsere Haut vor gefährlichen Bakterien schützt. Zu diesem Zweck enthält er spezielle Fettsäuren und Peptide, die besonders auf feuchten, leicht sauren Hautoberflächen (also bei niedrigen pH-Werten) viele Bakterienarten töten.

Wenn wir frieren, verengen sich die Blutgefäße der Lederhaut, damit das warme Blut im Körperinneren und länger warm bleibt. Gleichzeitig richten winzige Muskeln die kurzen Härchen auf unserer Haut auf und verformen die Hautoberfläche zur bekannten Gänsehaut. Weil das die Hautoberfläche vergrößert und weil unsere kurzen Härchen auch im aufgerichteten Zustand kaum wärmen, hilft das nicht wirklich gegen Kälte. Es ist nicht bekannt, warum unser Körper trotzdem immer noch mit dieser scheinbar sinnlosen Gänsehaut auf Kälte reagiert.

Vor Kälte kann man sich relativ leicht mit Kleidung schützen. Viel nützlicher war daher für die frühen Menschen die Fähigkeit, mit Hilfe ihrer Schweißdrüsen viel Wärme abzugeben. Ein Fell würde die Wirkung der Schweißdrüsen stark einschränken, weil der Wind die feuchte Warmluft nicht abtransportieren könnte. Menschen ohne Fell hatten daher den großen Vorteil, viel mehr Wärme abgeben und ohne Überhitzung lange Strecken rennen zu können. Allerdings haben wir nicht weniger Haare als Schimpansen. Das scheint nur so, weil die meisten unserer Haare so kurz und dünn sind. Die nur etwa 4 Hundertstel Millimeter dicken und sehr kurzen Vellushaare kann man mit bloßem Auge kaum sehen.

Die Haut als unser größtes Sinnesorgan nach oben

Unsere Haut dient nicht nur der Wärme-Regulation und der Abwehr gefährlicher Mikroorganismen, sondern sie ist auch unser größtes Sinnesorgan. In ihr gibt es in sehr großer Zahl verschiedene Arten von Sensoren, die entweder auf Wärme, Kälte, Druck, Druckschwankungen oder Vibrationen reagieren oder Schmerzen spüren und ihre Anregung an das Gehirn melden. So können wir mit nackten Füßen die Beschaffenheit des Bodens und besonders mit den vielen Tastkörperchen in unseren Fingerspitzen viele Eigenschaften von Oberflächen fühlen.

Im zweiten, nur gut 2 Minuten dauernden Film erfuhren wir, dass wir mit unseren Fingerspitzen einen Gewichtsunterschied von nur 1/100 Gramm spüren können sollen.

Berührungen braucht unsere Haut aber nicht nur als Sinnesorgan. Vor allem Berührungen durch andere Lebewesen brauchen wir, um uns wohl zu fühlen, gesund zu bleiben und uns als Kinder richtig zu entwickeln. Neugeborene können sogar sterben, wenn sie nicht gestreichelt werden. Besonders Kinder müssen die Gegenstände ihrer Umwelt anfassen, um sie wirklich zu begreifen. Schon dieses Wort "begreifen" zeigt, dass Menschen die große Bedeutung des Tastsinnes für unser Gehirn und sein Lernen schon lange vor der Wissenschaft verstanden haben. Umgekehrt können wir mit unserem Tastsinn aber auch nur Dinge erkennen, die unser Gehirn bereits kennt.

Ein Kompromiss zwischen Vitamin-D-Produktion und UV-Schutz bestimmt die Hautfarbe nach oben

Wo Familien seit Jahrtausenden in den selben Regionen leben, da hat sich ihre Hautfarbe perfekt an die Intensität der Sonnenstrahlung angepasst. Je höher in den Bergen und je näher am Äquator die Menschen seit Generationen leben, umso dunkler ist ihre Haut. Melanin-Farbstoffe von gelblich über rötlich und bräunlich bis hin zu Schwarz werden von Melaninozyten zwischen den Stammzellen der Oberhaut-Keimschicht produziert und an die Keratinocyten abgegeben. Welche Melanin-Varianten produziert werden und wie lange sie in den Keratinocyten erhalten bleiben, dass ist einerseits angeboren. Es wird zusätzlich aber auch dadurch beeinflusst, wie stark die Haut der gefährlichen UV-Strahlung ausgesetzt ist.

Die Hautfarbe ist deshalb nicht einfach überall so dunkel wie möglich, weil die Sonnenstrahlung für uns nicht nur gefährlich, sondern gleichzeitig auch notwendig ist. Wir müssen nämlich unsere Haut dem Sonnlicht aussetzen, um das für unsere Gesundheit dringend benötigte Vitamin D herstellen zu können. Besonders in nördlichen Ländern und vor allem im Winter ist das ein Problem und hat dazu geführt, dass die Menschen in nördlichen Ländern im Laufe von Jahrtausenden eine helle Haut entwickelt haben, sofern sie nicht wie die Inuit ihren Vitamin-D-Bedarf mit tierischer Nahrung decken konnten.

Durch UV-Lichtt verursachte Schäden an ihren Bauplänen können Hautzellen repaieren, falls man ihnen dafür genügend Zeit lässt. Man sollte seine Haut deshalb nicht zu lange ungeschützt der Sonne aussetzen, sondern lieber regelmäßig für jeweils kurze Zeit. Und man wird besser langsam als schnell braun. Zu viel Sonne lässt die Haut schneller altern. Auf jeden Fall sollte man Sonnenbrände vermeiden, denn Menschen haben ein stark erhöhtes Hautkrebsrisiko, wenn sie schon mehrfach Sonnenbrände hatten. Verändern sich Muttermale oder andere Flecken auf der Haut, dann sollte man sicherheitshalber einen Hautarzt aufsuchen.

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Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0

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