2005 Biologie Grundkurs - liq

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Freie und Hansestadt Hamburg
Behörde für Bildung und Sport
Schriftliche Abiturprüfung
Schuljahr 2004/2005
Grundkurs Biologie
Mittwoch, 2. Februar 2005, 9.00 Uhr
Unterlagen für die Lehrerinnen und Lehrer
Diese Unterlagen sind nicht für die Prüflinge bestimmt.
Diese Unterlagen enthalten Hinweise für:
-
Allgemeines
die Auswahl der Aufgaben
den Erwartungshorizont und die Bewertung für jede Aufgabe
das Korrekturverfahren
1 Allgemeines
•
•
•
•
Weisen Sie bitte die Schülerinnen und Schüler auf die allgemeinen Arbeitshinweise am Anfang
der Schülermaterialien hin.
Die Schülerinnen und Schüler dürfen ihre Unterlagen nicht mit ihrem Namen kennzeichnen
sondern nur mit der Kursnummer und ihrer Schülernummer
Die Arbeitszeit beträgt 270 Minuten einschließlich Lesezeit.
Erlaubte Hilfsmittel: Rechtschreiblexikon,
Operatorenliste (! Seiten 2 und 3 – hinter dem Deckblatt).
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2 Aufgabenauswahl
•
•
•
•
•
Sie erhalten sechs Aufgaben, jeweils zwei aus den Sachgebieten Genetik (I.1, I.2), Ökologie und
Umweltschutz (II.1, II.2) und Evolutionslehre (III.1, III.2).
Sie wählen aus jedem Sachgebiet eine Aufgabe, insgesamt also drei Aufgaben, aus, entsprechend der
Kennungen links unten auf den Aufgabensätzen:
•
entweder
Bio1-GK11-AWT oder Bio1-GK12-AWT
•
dazu entweder Bio1-GK21-AWT oder Bio1-GK22-AWT
•
dazu entweder Bio1-GK31-AWT oder Bio1-GK32-AWT.
Die Schülerinnen und Schüler erhalten alle drei Aufgaben und bearbeitet diese.
Die Schülerinnen und Schüler überprüfen an Hand der Seitenzahlen, ob sie alle Unterlagen vollständig
erhalten haben.
Sie vermerken auf der Reinschrift, welche Aufgabe sie jeweils bearbeitet haben (I, II oder III).
3 Informationen zu den Aufgaben
Aufgabe I.1
Schwerpunkt:
Genregulation bei Escherichia coli
Sachgebietsübergreifender Aspekt:
Logistisches Wachstum bei Bakterien (Ökologie und Umweltschutz; Teilaufgabe a)
Unterrichtliche Voraussetzungen (gemäß Schwerpunktthemen):
Speicherung und Abruf von Erbinformationen
Genregulation
• Genregulation der Prokaryonten nach dem Operon-Modell
• Modelle von Substratinduktion und Endproduktrepression
Veränderung von Erbinformation
• Punkt- und Genmutationen und ihre Folgen für die Enzymstruktur
Wechselbeziehungen von Lebewesen
• Exponentielles und logistisches Wachstum
Quellenangaben:
Daumer, K. (1989): Genetik Lehrerband, Bayrischer Schulbuch-Verlag, München, S. 84
Aufgabe I.2
Schwerpunkt:
Transformation
Sachgebietsübergreifender Aspekt:
Minimumgesetz nach Liebig (Ökologie und Umweltschutz; Teilaufgabe a)
Unterrichtliche Voraussetzungen (gemäß Schwerpunktthemen):
Transformation und Transduktion
•
Einbau von Fremd-DNA und Plasmiden in Bakterienzellen
Mutationen
•
Punkt- und Genmutationen und ihre Folgen für die Enzymstruktur
Minimumgesetz nach Liebig
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Quellenangaben:
Stark Verlag (2003): Unterrichtsmaterialien für Lehrkräfte, Sek. II, Molekulargenetik, G 1.33
Aufgabe II.1
Schwerpunkt:
Angepasstheit des Kaiserpinguins an extreme Kältebedingungen
Sachgebietsübergreifender Aspekt:
Die Evolutionsfaktoren der synthetischen Theorie (Evolutionslehre; Teilaufgabe c).
Unterrichtliche Voraussetzungen (gemäß Schwerpunktthemen):
Angepasstheit an abiotische und biotische Faktoren
•
Klimaregeln: Bergmannsche Regel, Allensche Regel
•
Beispiele von Anpassungen an den Faktor Temperatur
Die Evolutionsfaktoren der synthetischen Theorie
Quellenangaben:
Ancel, A. u.a. (1997): Energy saving in huddling penguins. Nature 385, S. 304-305
Croxall, J.P. (1997): Emperor ecology in the antarctic winter. Trends in Ecology & Evolution 9, S. 333-334
Klemmstein, W. (2000): Kaiserpinguine: Überleben im Eis. UB 260, S. 52-53
Lipkow, E. (1991): Schutz vor Wärmeverlust bei Pinguinen. UB 169, S. 34-39
Aufgabe II.2
Schwerpunkte:
Anreicherung von Giften in der Nahrungskette
Zusammenhang zwischen Umweltbelastung, Virusinfektion und Populationsdichte
Sachgebietsübergreifender Aspekt:
Variabilität als Evolutionsfaktor (Evolutionslehre; Teilaufgabe d)
Unterrichtliche Voraussetzungen (gemäß Schwerpunktthemen):
Energiefluss und trophische Beziehungen in einem Ökosystem
•
Nahrungsnetz
•
Nahrungspyramide
Belastung von Umwelt und Mensch sowie Möglichkeiten ihrer Begrenzung
•
Belastungen durch Chemikalien (Beispiel: Schwermetalle)
Wechselbeziehungen von Lebewesen untereinander
•
Regelung der Populationsdichte (Abundanz): Dichte abhängige und Dichte unabhängige Faktoren
Die Evolutionsfaktoren der synthetischen Theorie
•
Ursachen der Variabilität
Quellenangaben:
Bracht, A., Hrsg. (1996): Natura – Lehrerband zum Themenheft Ökologie, Klett, S.109
Landesamt für den Nationalpark Schleswig-Holsteins Wattenmeer, Hrsg. (1988): S. 18
Aufgabe III.1
Schwerpunkt:
Langhalsgiraffe – synthetische Evolutionstheorie
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Okapi – ein lebendes Fossil?
Sachgebietsübergreifender Aspekt:
Molekulargenetischer Beleg zur Verwandtschaft (Genetik; Teilaufgabe d)
Unterrichtliche Voraussetzungen (gemäß Schwerpunkthemen):
Die Evolutionsfaktoren der synthetischen Theorie
•
Ursachen der Variabilität (Mutation, Rekombination)
•
Änderungen der Genfrequenzen durch Mutation, Selektion
Lebende Dokumente der Stammesgeschichte
•
Lebendes Fossil
Präzipitin-Reaktion
Proteinbiosynthese und genetischer Code
Quellenangaben:
Jaenicke, J., Hrsg.(1997): Evolution der Giraffen. In: Materialien-Handbuch zum Kursunterricht Biologie, Bd. 6,
S. 193/194
Macdonald, D., Hrsg.(2004): Giraffe und Okapi. In: Die große Enzyklopädie der Säugetiere, S.521-526
Storch, V.& Welsch, U. (1997): Abbildung des Okapis. In: Systematische Zoologie, S.741
Aufgabe III.2
Schwerpunkt:
Kettlewells Versuche zum Melanismus bei Birkenspannern
Sachgebietsübergreifender Aspekt:
Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese (Genetik; Teilaufgabe d)
Unterrichtliche Voraussetzungen (gemäß Schwerpunktthemen):
Allopatrische Artbildung
•
Artbegriff
•
Ursachen der Variabilität
•
Änderungen der Genfrequenzen durch Mutation, Selektion, Gendrift, Migration
•
Isolation als Fortpflanzungsschranke
Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese
Quellenangaben:
Kurtze, W.(2002): Melanismus und Industriemelanismus; in: Unterricht Biologie (CD-Rom zum Thema
„Evolution“)
Meyer, H. & Daumer, K. (1980): Evolution, München: bsv
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4 Erwartungshorizonte
Aufgabe I.1
a) Die Kurve soll die einzelnen Wachstumsphasen beinhalten. Startphase: Der Bakterienstoffwechsel wird
aktiviert, d.h. die für die Verarbeitung des Substrats notwendigen Enzyme müssen bereitgestellt werden.
Exponentielles Wachstum: Es liegt eine konstante maximale Teilungsrate vor, bei optimalen Bedingungen.
Stationäre Phase: Wegen der Nahrungsverknappung findet keine weitere Vermehrung statt. Außerdem hemmen
Stoffwechselendprodukte der Bakterien die weitere Vermehrung. Absterbephase: Aufgrund der toxisch
wirkenden Stoffwechselendprodukte sterben die Bakterien ab.
Exponentielles und logistisches Wachstum gehört zu den Schwerpunktthemen aus dem Bereich Ökologie und
Umweltschutz. Beim Zeichnen der Kurve müssen die Prüflinge erlerntes Wissen wiedergeben.
Deshalb weist der Operator „zeichnen“ hier auf den Anforderungsbereich I hin.
Anforderungsbereich I
10%
Der Operator „erläutern“ weist auf den Anforderungsbereich II hin.
Anforderungsbereich II
10%
b) Die Versuchsergebnisse in Material 1 zeigen, dass die Bakterien verschiedene Zucker als Kohlenstoff- und
Energiequelle nutzen können. Lässt man E. coli in der gemischten Nährlösung wachsen, so baut das Bakterium
zunächst die leichter verwertbare Glucose ab. Ist die Glucose in der Nährlösung verbraucht, so tritt in der
Bakterienkultur zunächst ein Wachstumsstillstand ein. Aus der beigefügten Kurve der GalactosidaseKonzentration kann man schließen, dass erst nach einer gewissen Anlaufzeit genügend Enzyme zum LactoseAbbau vorhanden sind und dass die Enzymproduktion erst durch die Lactose induziert wird (Substratinduktion).
Der Operator „beschreiben“ weist auf die Anforderungsbereiche I – II hin. Da die Prüflinge das Operon-Modell
aus dem Unterricht kennen und ihre Kenntnisse auf die Grafiken übertragen müssen, handelt es sich hier um den
Anforderungsbereich I.
Anforderungsbereich I
10%
Der Operator „erklären“ weist auf die Anforderungsbereiche II - III hin. Da es sich um ein aus dem Unterricht
bekanntes Modell zur Genregulation handelt,
ist die erwartete Leistung hier dem Anforderungsbereich II
zuzuordnen.
Anforderungsbereich II
20%
c) Fehlsinn- oder Unsinnmutationen in den Strukturgenen führen zu spezifischen Defekten in den einzelnen
Enzymen, so dass sich Zwischenprodukte eventuell anhäufen. Mutationen im Operator- oder Regulatorgen
betreffen die Synthese mehrerer Enzyme und damit komplette Syntheseketten. Mutationen im Regulatorgen
können auch auf andere Chromosomenbereiche wirken, während sich die Mutationen im Operatorgen nur auf die
direkt benachbarten Strukturgene auswirken.
Der Operator „erklären“ weist auf die Anforderungsbereiche II - III hin. Da die Prüflinge Mutationen im
Unterricht behandelt haben und jetzt überlegen müssen, wie sich diese speziell auf die genannten Gene
auswirken, handelt es sich hier um den Anforderungsbereich II.
Anforderungsbereich
II
20%
d) Das im abbauenden Stoffwechsel hergestellte Enzym E2 wird nicht nur zum Umsatz des Substrats benutzt,
sondern wirkt gleichzeitig als aktiver Repressor für ein anderes Operon. Ist also Operon 1 aktiv, dann wird
Operon 2 blockiert. Ist Operon 1 abgeschaltet, dann arbeitet Operon 2. Mit Bezug auf das Substrat gilt also:
Solange Substrat vorhanden ist, tritt der erste Fall ein und ist das Substrat abgebaut, der zweite.
Die Prüflinge kennen ähnliche Darstellungen des Operon-Modells und müssen diese auf das Beispiel übertragen
(Anforderungsbereich II).
Dabei besteht die Schwierigkeit, die wechselseitige Abhängigkeit von Operon 1 und Operon 2 zu erkennen und
erklärend darzustellen (Anforderungsbereich III).
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Der Operator „erklären“ weist hier deshalb teilweise auf den Anforderungsbereich II und teilweise auf den
Anforderungsbereich III hin.
Anforderungsbereich II
15%
Anforderungsbereich III
15%
Aufgabe I.2
a) Das LIEBIG-Gesetz besagt, dass der im Minimum liegende Faktor limitierend auf Wachstum und
Entwicklungsgeschwindigkeit wirkt. Wenn z.B. in einem ökologischen Bedingungszusammenhang mehrere
Faktoren beteiligt sind, gibt derjenige den Ausschlag, der im Minimum vorhanden ist. Auf die menschliche
Ernährung und das gegebene Beispiel bezogen ist dies Lysin. Auch die Aufnahme anderer essentieller
Aminosäuren in unterschiedlichen Mengen könnte den Protein-Nährwert der Nahrung bzw. des Weizens nicht
erhöhen. Dies ist erst bei einer größeren Lysinmenge möglich: Im Beispiel verdoppelt sich der Protein-Nährwert
von Weizen.
Das LIEBIG-Gesetz ist im Ökologie-Semester behandelt worden und muss hier auf ein anderes Beispiel (den
Menschen) übertragen werden.
Der Operator „erläutern“ weist auf den Anforderungsbereich II hin.
Anforderungsbereich II
25%
b) Das gewünschte Gen wird mit Hilfe von Restriktionsenzymen aus dem entsprechenden DNA-Abschnitt
gewonnen und in ein entsprechend geschnittenes Plasmid eingebaut.
Das so behandelte Plasmid wird mit vorbereiteten Bakterien zusammengetan.
Damit die transformierten Bakterien ausselektiert werden können, ist zusätzlich ein Gen für eine AntibiotikumResistenz (hier: Kanamycin) eingebaut worden.
Ist der Plasmidvektor von der Bakterienzelle aufgenommen, so können die Bakterien auf einen Kanamycinhaltigen Nährboden übertragen werden.
Nur die erfolgreich transformierten Bakterien überleben auf den Nährböden, der Wildtyp stirbt ab. Mit den
überlebenden Bakterien kann weitergearbeitet werden.
Der Operator „beschreiben“ weist auf die Anforderungsbereiche I - II hin.
Die Prüflinge haben Genübertragung mit Plasmidvektoren und die Selektion transformierter Bakterien im
Unterricht behandelt und müssen hier ihre Kenntnisse auf das Beispiel anwenden. Damit entspricht die erwartete
Leistung teilweise dem Anforderungsbereich I und teilweise dem Anforderungsbereich II.
Anforderungsbereich I
20%
Anforderungsbereich II
20%
c) Die Aminosäure Lysin hemmt das Enzym Aspartatkinase durch Anschluss an ein regulatorisches Zentrum.
Das Enzym wird dadurch so verändert, dass das Substrat nicht mehr umgesetzt werden kann, das Enzym wird
folglich gehemmt. Durch Manipulation des lysC-Gens wird die Struktur der Aspartatkinase so verändert, dass
Lysin sich nicht mehr an das Enzym binden kann, es erfolgt keine Hemmung der Lysinproduktion mehr.
Der Operator „erklären“ weist auf den Anforderungsbereich II-III hin.
Die Prüflinge kennen die Wirkungsweise von Enzymen und können mit Hilfe der Darstellungen 4 und 5 die
Wirkungsweise der Aspartatkinase ableiten. Damit entspricht die erwartete Leistung teilweise dem
Anforderungsbereich II und teilweise dem Anforderungsbereich III.
Anforderungsbereich II
20 %
Anforderungsbereich III
15%
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Aufgabe II.1
a) Bergmannsche Regel: Nahe verwandte Arten der Homoiothermen sind in kälteren Regionen schwerer und
größer. Das Verhältnis zwischen Körpervolumen und Körperoberfläche verschiebt sich zugunsten des
Volumens, so dass die Abstrahlung von Körperwärme reduziert wird.
Allensche Regel: Nahe verwandte Arten der Homoiothermen besitzen in wärmeren Klimaten längere
Körperanhänge als in kalten. Die Abstrahlung von Körperwärme über die exponierten Körperanhänge wird in
kalten Regionen durch Verkleinerung reduziert.
Die Klimaregeln sind ein Schwerpunktthema im Semester Ökologie und Umweltschutz. Die erlernten
Definitionen müssen wiedergegeben und erläutert werden.
Der Operator „darstellen“ weist auf die Anforderungsbereiche I - II hin.
Hier muss nur ein einfacher Sachverhalt wiedergegeben werden, daher sind die Erwartungen dem
Anforderungsbereich I zuzuordnen.
Anforderungsbereich I
10%
Der Operator „erläutern“ weist auf den Anforderungsbereich II hin.
Anforderungsbereich II
10%
b) Die im Text angeführten morphologischen Merkmale zeigen, dass der Kaiserpinguin gut an die
Lebensbedingungen der Antarktis angepasst ist. Daher können Einzeltiere 50 bis 60 Tage ohne
Nahrungsaufnahme überstehen (Material 1, Versuch a). Im Vergleich mit kleineren Pinguinarten geben
Kaiserpinguine wegen ihrer - in Beziehung zur Körpermasse - kleineren Oberfläche weniger Wärme ab.
Auch durch die kurzen Flügel wird der Wärmeverlust reduziert. Die Wärmeabgabe wird zudem durch das
isolierende Gefieder stark verringert.
Die inneren Organe werden durch ein vielfach verzweigtes Blutgefäßsystem gut temperiert gehalten. Dessen
Wärmeverlust wird beim Kontakt mit der kalten Luft im Nasenraum und in den Füßen durch optimale
Wärmerückgewinnung minimiert.
Verhaltensanpassungen reduzieren den Wärmeverlust zusätzlich. Da Pinguine kein Revierverhalten zeigen und
keine Individualdistanz einhalten, können sich die Männchen zusammendrängen und den Wärmeverlust
verringern. Schon bei kleinen Gruppen verringert sich dadurch die Stoffwechselrate von 2,5 auf 1,8, also um
knapp 30% (Material 1 a, c).
Doch erst die Zusammenballung von mehreren Tausend Männchen reduziert die Stoffwechselrate jedes Vogels
um 40%, was ihm das Überdauern der gesamten Brutperiode ohne Nahrungsaufnahme ermöglicht (Material 1 a,
d).
Verglichen mit einem „Igel“ aus wenigen Tieren verringert sich die Stoffwechselrate um 16% (Material 2). In
großen Brutkolonien wird der tägliche Verlust an Körpermasse und Flüssigkeit durch das enge Zusammenstehen
und die langen Schlafphasen stark reduziert, so dass die Pinguine am Ende der Hungerperiode 7% mehr
Körpermasse aufweisen als Artgenossen in kleinen Brutgemeinschaften (Material 2).
Die erwarteten Anpassungen werden im Arbeitsmaterial vorgegeben. Bei dieser Teilaufgabe kommt es also
hauptsächlich auf eine möglichst umfassende und in sich schlüssige Zusammenstellung der Informationen an,
die sowohl dem Text als auch 2 Abbildungen entnommen werden müssen.
Die Teilaufgabe ist dem Anforderungsbereich I zuzuordnen, wenn es sich um Aussagen handelt, die dem Text zu
entnehmen sind.
Der Operator „beschreiben“ weist hier auf den Anforderungsbereich I hin.
Anforderungsbereich I
20%
Der Operator „erläutern“ weist auf den Anforderungsbereich II hin.
Anforderungsbereich II
30%
c) Die im Laufe der Evolution entwickelten Spezialisierungen erlauben den Kaiserpinguinen, unter extremen
Klimabedingungen zu brüten. Dennoch ist der Selektionsdruck durch die Umweltbedingungen weiterhin hoch:
Noch immer sterben rund 80% der Nachkommen (Material 3). Unter den Umweltbedingungen der
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Kaiserpinguine ist eine Größenzunahme begünstigt, weil sie zu einem besseren Oberflächen-VolumenVerhältnis führt und dadurch zu einer größeren Energieeinsparung. Im Laufe der Evolution hatten deshalb
größere Tiere eine bessere Überlebenschance und einen höheren Fortpflanzungserfolg.
Alle Veränderungen, die zur Energieeinsparung und zur Verringerung der Wärmeabgabe führten, hatten einen
positiven Selektionswert: Kaiserpinguine, die kein Territorialverhalten entwickelten und keine Individualdistanz
einhielten, profitierten vom wärmenden Zusammenschluss mit Artgenossen. Tiere, die lange energiesparende
Schlafphasen einhielten, wurden ebenfalls von der Selektion begünstigt. Nur Männchen, die in der
Evolutionsgeschichte der Kaiserpinguine diese Verhaltens-Angepasstheiten entwickelten, gelang es die langen
Hungerperioden zu überstehen. Ihre Fitness bewirkte, dass sich ihr Verhalten in der Population ausbreitete.
Der Operator „erklären“ verweist auf die Anforderungsbereiche II - III.
Evolutionsfaktoren sind ein zentraler Bestandteil des Sachgebietes Evolutionslehre. Somit verfügen die Prüflinge
über die notwendigen Grundlagen, um die Entstehung der Angepasstheit erklären zu können.
Die Leistungserwartungen entsprechen hier dem Anforderungsbereich II.
Anforderungsbereich II
15%
Die stoffwechselphysiologischen Vorteile des Kaiserpinguins sind nicht Bestandteil des Unterrichts und müssen
von den Prüflingen folgerichtig abgeleitet werden.
Die Leistungserwartungen sind in diesen Punkten dem Anforderungsbereich III zuzuordnen.
Anforderungsbereich III
15%
Aufgabe II.2
a) Dem Material 1 und 2 können Hinweise über mögliche Nahrungsbeziehungen entnommen werden.
Pflanzliches Plankton als Produzent ist Ausgangspunkt der vorliegenden Nahrungskette. Zooplankton ernährt
sich von pflanzlichem Plankton. Garnelen ernähren sich von kleinen Würmern. Muscheln filtrieren Plankton aus
dem Meerwasser. Grundeln ernähren sich von Kleinkrebsen und Würmern.
Nahrungsketten geben den Weg der Nahrung durch die Trophie-Ebenen an. Der Seehund ernährt sich
ausschließlich von Fischen und Krebstieren und damit aus der Gruppe der Konsumenten. Er steht zusammen mit
den Vögeln am Ende von Nahrungsketten.
Einige Nahrungsbeziehungen sind in den Materialien genannt, so dass die Anforderung dieser Aufgabe in einer
sinnvollen Strukturierung der Beziehungen und in der Umsetzung in eine angemessene zeichnerische
Darstellung besteht. Die exponierte Stellung des Seehundes wird deutlich.
Der Operator „darstellen“ verweist auf die Anforderungsbereiche I - II. Da die Sachverhalte im Wesentlichen
vorliegen, ist dieser Aufgabenteil dem Anforderungsbereich I zuzuordnen
Anforderungsbereich I
15%
b) Das Material 1 zeigt die Konzentration von PCB in Meerwasser und Organismen die im Meer leben oder
einen Teil ihrer Nahrung aus dem Meer beziehen. Die Werte sind in der Gruppe der Säugetiere am höchsten.
Aus den Materialien 1 und 2 und den Überlegungen der Aufgabe a) lässt sich folgern, dass der Nahrungserwerb
in direktem Zusammenhang mit der relativen PCB-Konzentration steht. Der Seehund ist das letzte Glied der
Nahrungskette, in dem der relative Anteil schwer abbaubaren PCB durch die Anreicherung von Trophiestufe zu
Trophiestufe am höchsten ist. Das Gift kann von den Organismen nicht abgebaut werden. Verwertbare Stoffe der
Beutetiere werden genutzt, das PCB wird im Räuberorganismus eingelagert. Die Konzentration des PCB
kumuliert von Trophie-Stufe zu Trophie-Stufe. So lässt sich erklären, dass sich in Seehunden, als Konsumenten
höherer Ordnung, die größte relative PCB-Konzentration gemessen wird. PCB ist im Seehundgewebe im
Vergleich zum Meerwasser etwa 10millionenfach angereichert. Offensichtlich ist diese Konzentration nicht
direkt toxisch. Die geringere Konzentration bei Vogelarten lässt sich damit erklären, dass die genannten Vögel
einen Teil ihrer Nahrung auf dem Land finden bzw. sich von pelagisch lebenden Fischen ernähren
(Küstenseeschwalbe).
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Die Auswertung des beschriebenen Materials ergibt, dass die artspezifische Ernährung in direktem
Zusammenhang mit den gemessenen Konzentrationen von PCB steht. Der Vorgang der Anreicherung wird an
diesem Beispiel deutlich.
Der Operator „begründen“ verweist auf die Anforderungsbereiche II - III. Hier wird die Darstellung kausaler
Zusammenhänge bekannter Vorgänge gefordert; daher ist dieser Aufgabenteil dem Anforderungsbereich II zu
zuordnen.
Anforderungsbereich II
25%
c) Dichte abhängige Faktoren sind Anzahl der Feinde, Krankheiten und Parasiten, innerartliche Konkurrenz zum
Beispiel um Nahrung, Brutplätze, sozialer Stress, etc.- Dichte unabhängige Einflüsse wie klimatische
Bedingungen oder Naturkatastrophen betreffen kleine und große Populationen gleichermaßen.
Als Ursache für die besonders große Zahl der erkrankten Seehunde können unterschiedliche Ansätze diskutiert
werden.
Die Aussagen im Text legen die Vermutung nahe, dass ein, durch die Auseinandersetzung mit Umweltgiften
belasteter Organismus ein geschwächtes Immunsystem hat. In der Folge können weniger Organismen der
Erkrankung genug Abwehrkraft entgegensetzen. Eine plausible Begründung auf physiologischer Ebene ist die
Blockierung von Enzymen durch PCB, was dazu führt, dass der Stoffumsatz verringert wird.
Dass die Umweltkapazität mit einer höheren Bestandszahl als zurzeit angegeben wird, kann als Indiz für
veränderte Umweltbedingungen gewertet werden. Das kann außer Schadstoffbelastungen auch andere Ursachen
haben.
Aufgrund der Lebensweise der Seehunde ist die Übertragung des Erregers theoretisch auf alle Organismen
möglich, was die hohe Sterblichkeit erklärt. Krankheiten werden zusammen mit Feinden und innerartlicher
Konkurrenz normalerweise als Dichte abhängig bezeichnet. Hier sind aber aufgrund der Lebensweise der
Seehunde auch kleinere Populationen betroffen (Zusammenkunft auf Sandbänken).
Die rasche Zunahme der Populationsdichte lässt sich durch die Tatsache erklären, dass sich die Organismen, die
sich in einer Epidemie als resistent erwiesen haben, optimale Lebensbedingungen vorfinden.
Der Operator „nennen“ weist auf den Anforderungsbereich I hin.
Anforderungsbereich I
5%
Mit den im Material enthaltenen Aussagen können Vermutungen entwickelt werden, welche Zusammenhänge
zwischen Organismen und Umweltfaktoren wirken.
Der Operator „entwickeln“ weist auf die Anforderungsbereiche II – III hin. In der vorliegenden Teilaufgabe
werden Leistungen sowohl im Anforderungsbereich II als auch im Anforderungsbereich III erwartet.
Anforderungsbereich II
20%
Anforderungsbereich III
15%
d) Das zu untersuchende Phänomen kann mit dem Evolutionsfaktor Variabilität erklärt werden. Durch
unterschiedliche Allele, die in einem Genpool vorhanden sind, besteht die statistische Sicherheit, dass alle
Individuen einer Art sich in den Ausprägungen ihrer Merkmale unterscheiden. Durch die hohe Spezialisierung,
die Viren in Bezug auf ihre Wirtszelle besitzen, ist es in der Situation einer Epidemie vorhersehbar, dass einzelne
Individuen nicht von den Krankheitserregern infiziert werden können. Ursache der Variabilität sind Mutationen,
die zu veränderten Allelen führen. Die Resistenz eines einzelnen Individuums kann aber nicht vorhergesagt
werden, da diese auf Mutation beruhende Veränderung ungerichtet ist („Präadaptation“).
Der Operator „begründen“ verweist auf den Anforderungsbereich II - III.
Die zur Bearbeitung dieser Aufgabenstellung relevanten Sachverhalte sind in den Schwerpunktthemen genannt
und sollen auf diesen Fall angewandt werden; dies entspricht dem Anforderungsbereich II.
Anforderungsbereich II
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20%
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Aufgabe III.1
a) Die kurzhalsigen, Steppen bewohnenden Vorfahren der heutigen Langhalsgiraffe ernährten sich von
Blättern. Eine wahrscheinlich zunehmende Nahrungsverknappung in der Steppe erhöhte die Konkurrenz unter
ihnen und damit den Selektionsdruck. Gemäß der synthetischen Evolutionstheorie könnte man die Entstehung
der Langhalsgiraffe wie folgt erklären: Bedingt durch das Zusammenspiel von Mutation und Rekombination
traten Varianten mit unterschiedlich langen Hälsen auf. Varianten mit längerem Hals hatten einen
Selektionsvorteil, weil sie auch höher hängende Blätter erreichen konnten. Diese Varianten hatten bessere
Überlebenschancen, kamen mit größerer Wahrscheinlichkeit zur Fortpflanzung und damit zur Weitergabe ihrer
Anlagen. Die Anlagen für einen längeren Hals reicherten sich über viele Generationen hinweg im Genpool
immer mehr an. Durch diese natürliche Auslese setzten sich schließlich die langhalsigen Varianten erfolgreich
durch (im Sinne einer richtenden Selektion), die kurzhalsigen wurden aus der Steppe verdrängt bzw. dort
ausgemerzt.
Die enorme Körpergröße, das Herdenleben und die nur kurzen Schlafphasen während der Nacht in der offenen
Steppe bzw. Savanne bieten einen wichtigen Vorteil, nämlich einen größeren Schutz gegenüber Fressfeinden.
Eine weitere Anpassung stellt die Körperfärbung der Langhalsgiraffe dar. Sie ist als Schutztracht zu
interpretieren, denn sie dient der Tarnung bzw. der Gestaltauflösung (am Tage unter schattigen Bäumen).
In dieser Teilaufgabe müssen die Prüflinge ihr Grundlagenwissen bezüglich der synthetischen Evolutionstheorie
konkret auf das vorliegende Beispiel anwenden und eine fundierte Hypothese zur Entstehung der
Langshalsgiraffe entwickeln.
Der Operator „erklären“ weist auf die Anforderungsbereiche II-III hin.
Die Anwendung der relevanten Evolutionsfaktoren (Mutation, Rekombination, Selektion) zur Erklärung der
unterschiedlichen Halslänge ist weitgehend dem Anforderungsbereich II zuzuordnen.
Anforderungsbereich II
25%
Die ebenfalls geforderte Auswertung der Anpassungen der Langhalsgiraffe an ihren Lebensraum stellt zum Teil
einen erhöhten Schwierigkeitsgrad dar und entspricht damit dem Anforderungsbereich III.
Anforderungsbereich III
15%
b) Lebende Fossilien sind Tiere, die sich ohne nennenswerte Veränderungen über lange Zeiträume erhalten haben
und daher einen altertümlichen Bau zeigen (Dauergattung). Sie besitzen nur wenige oder gar keine lebenden
Verwandten (isolierte Stellung im System der rezenten Arten) und meistens ist ihr Vorkommen auf der Erde
reliktartig begrenzt.
Diese Kriterien werden durchaus vom Okapi erfüllt: Die Ähnlichkeit mit dem längst ausgestorbenen
Libytherium und die Beibehaltung des kurzen Halses sind hier als ursprünglich einzuschätzen. Außerdem ist von
der durch Fossilienfunde belegten ehemals großen Artenvielfalt der Kurzhalsgiraffen nur noch eine einzige
rezente Gattung und innerhalb dieser eine einzige rezente Art, das Okapi, übrig geblieben. Und das ursprünglich
weite Verbreitungsgebiet der Kurzhalsgiraffen (von Afrika bis Südostasien) ist auf die Regenwälder
Zentralafrikas zusammengeschrumpft.
Hier wäre – im Sinne einer besonderen Leistung – auch eine kritische Stellungnahme denkbar. Auch das Okapi
zeigt besondere Anpassungen (z.B. Fellzeichnung, Nachtaktivität) an seinen Lebensraum, die wahrscheinlich
„moderne Errungenschaften“ innerhalb einer jüngeren evolutiven Entwicklung darstellen. Das spräche gegen die
Einschätzung als lebendes Fossil.
In dieser Aufgabe sollen die Prüflinge zunächst einen bekannten Sachverhalt beschreiben.
Der Operator „beschreiben“ weist auf die Anforderungsbereiche I - II hin.
Da es sich um eine einfache Beschreibung handelt, entspricht die Leistung dem Anforderungsbereich I.
Anforderungsbereich I
10%
Anschließend müssen die allgemeingültigen Kriterien für ein lebendes Fossil auf das vorliegende Beispiel
übertragen bzw. die hierzu relevanten Belege aus den Materialien herausgearbeitet werden.
Der Operator „untersuchen“ weist auf die Anforderungsbereiche II-III hin. Da aber die geforderten Belege
offensichtlich sind, ist die Leistung dem Anforderungsbereich II zuzuordnen.
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Anforderungsbereich II
15%
c) Die Langhalsgiraffe ist dem Okapi am nächsten verwandt (sie gehört zur selben Familie: Giraffen), ihr folgt
der Hirsch (er gehört zur selben Unterordnung: Wiederkäuer), dann folgt das Kamel (es gehört zur selben
Ordnung: Paarhufer) und schließlich das Zebra (es teilt mit dem Okapi lediglich die gleiche Wirbeltierklasse:
Säugetiere).
Mit einer geeigneten biochemischen Methode ist die Präzipitin-Reaktion gemeint. Sollten die Prüflinge
allerdings in ihrem Unterricht (auch) die DNA-Sequenzanalyse kennen gelernt haben, wäre die Beschreibung
dieser Methode ebenfalls als Lösung geeignet und gültig.
Im Weiteren wird die Präzipitin-Reaktion erläutert. In dem Fall ist das Okapi das Vergleichstier. Ihm muss man
Blut abnehmen und dieses einem Kaninchen spritzen. Das Kaninchen entwickelt spezifische Antikörper gegen
die Proteine im Blutserum des Okapiblutes. Nach einiger Zeit wird dem Kaninchen Blut abgenommen, von
diesem das Serum abgetrennt und gereinigt. So erhält man das für den Nachweis erforderliche „Anti-OkapiSerum“. Dieses ergibt in vitro mit dem Blutserum des Okapis eine Ausfällung, die gleich 100% gesetzt wird.
Danach mischt man das „Anti-Okapi-Serum“ mit den Blutseren der anderen Tiere und misst jeweils den
Ausfällungsgrad.
Da die Langhalsgiraffe dem Okapi verwandtschaftlich am nächsten steht, weist ihr Blutserum den höchsten
Anteil an Serumproteinen auf, die mit denen des Okapis übereinstimmen, und ergibt einen dementsprechend
hohen Ausfällungsgrad (zweithöchster Wert, nach 100%). Den dritthöchsten Ausfällungsgrad zeigt das
Blutserum des Hirsches, den vierthöchsten Wert das Blutserum des Kamels und beim Blutserum des Zebras wird
der geringste Ausfällungsgrad beobachtet. Allgemein lässt sich sagen: Je näher die Verwandtschaft ist, desto
höher ist der Anteil übereinstimmender Serumproteine und damit der erzielte Ausfällungsgrad.
Für die verwandtschaftliche Einordnung der genannten Tiere müssen die Prüflinge das Material 3 zielgerichtet
auswerten.
Der Operator „einordnen“ deutet auf die Anforderungsbereiche I - II hin. Da aber die systematische Einordnung
einer Tierart für die Prüflinge „Neuland“ sein dürfte, beinhaltet die hier geforderte Lösung einen höheren
Schwierigkeitsgrad und muss daher dem Anforderungsbereich II zugeordnet werden.
Anforderungsbereich II
10%
In dieser Teilaufgabe soll die aus dem Unterricht bekannte Präzipitin-Reaktion (ggf. auch die DNASequenzanalyse) auf den vorliegenden Fall übertragen werden.
Der Operator „beschreiben“ verweist auf die Anforderungsbereiche I - II. Die Beschreibung der Durchführung
hat allerdings im Wesentlichen reproduktiven Charakter, was dem Anforderungsbereich I entspricht.
Anforderungsbereich I
10%
d) Mit Hilfe der Präzipitin-Reaktion lassen sich übereinstimmende Serumproteine bei verschiedenen Arten
nachweisen. Jedes Protein zeichnet sich durch eine spezifische Aminosäurensequenz aus, die durch den
genetischen Code bedingt wird. Da der genetische Code universell ist und die Proteinbiosynthese in allen
Organismen prinzipiell gleich abläuft (Transkription, Translation), kann man aus übereinstimmenden Proteinen
auf übereinstimmende Erbinformationen bzw. DNA-Abschnitte schließen. Umgekehrt sind die nicht
übereinstimmenden Proteine auf Mutationen der zugrunde liegenden Gene zurückzuführen und damit ein Maß
für die Trennung der Entwicklungslinien der untersuchten Arten.
Die Zulässigkeit, aus dem Ergebnis der Präzipitin-Reaktion auf Verwandtschaft zu schließen, setzt voraus, dass
die hierzu relevanten Aspekte aus der Molekulargenetik im Unterricht behandelt wurden. Folglich sollen die
Prüflinge ihre Kenntnisse über molekulargenetische Grundlagen gezielt zur Bewältigung dieser Teilaufgabe
auswählen.
Der Operator „erläutern“ weist auf den Anforderungsbereich II hin.
Anforderungsbereich II
15%
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Aufgabe III.2
a) Kettlewell hat an zwei verschiedenen Orten in England (je ein Waldgebiet bei Dorset und bei Birmingham)
eine bestimmte Zahl von Birkenspannern (Biston betularia) der beiden Formen typica und carbonaria frei
gelassen. Die beiden Gebiete sind durch Industrieeinfluss unterschiedlich betroffen. Nach einer geraumen Zeit
hat er in den Untersuchungsgebieten Birkenspanner eingefangen und ausgezählt.
Die grundsätzliche Fragestellung lautet: „Haben melanisierte Formen des Birkenspanners in durch
Industrieeinfluss geprägten Gebieten eine größere Überlebenschance?“ oder allgemeiner: „Unterschieden sich
die Überlebenschancen der beiden Birkenspannerformen in den beiden Waldgebieten?“
Die Versuchsdurchführung soll lediglich verstanden und in eigenen Worten versprachlicht werden.
Der Operator „beschreiben“ verweist hier auf den Anforderungsbereich I.
Anforderungsbereich I
10%
Der Operator „entwickeln“ verweist hier auf Anforderungsbereich II, da die Fragestellung leicht ableitbar ist.
Dabei muss vom Experiment auf das Erkenntnisinteresse Kettlewells zurück geschlossen werden.
Anforderungsbereich II
10%
b) Im nicht durch Industrierauchgase beeinflussten Waldgebiet bei Dorset ist ein höherer Anteil Individuen der
forma typica (31,6%) als der forma carbonaria (6,3%) eingefangen worden. Im Gegensatz dazu sind im durch
Industrieeinfluss geprägten Gebiet bei Birmingham mehr Individuen der forma carbonaria (34,1%) als der
forma typica (16,9%) eingefangen worden.
Dieses Versuchsergebnis legt nahe, dass die beiden Formen jeweils in einem der Gebiete einen
Überlebensvorteil haben. Der Selektionsvorteil besteht darin, dass die jeweilige Form auf Grund mehr oder
weniger starker Melanisierung auf den mehr oder weniger stark verdunkelten Birken besser oder schlechter von
ihren Fressfeinden wahrgenommen werden können.
Zur Interpretation der Entwicklung der Birkenspannerpopulation der forma carbonaria seit 1848 unter
Verwendung der synthetischen Evolutionstheorie ist folgender Gedankengang denkbar:
Ursprungspopulation mit Varianten in der Melanisierung - Verdunklung der Bäume durch Industrieeinfluss Selektionsvorteil (Schutz vor Fressfeinden) für stärker melanisierte Individuen - Selektionsnachteil für heller
pigmentierte Individuen (Fraß durch Räuber) – mit fortschreitender Dunkelfärbung der Bäume haben Individuen
mit stärkerer, auf Mutation / Rekombination zurückzuführende Melanisierung zunehmend größere
Überlebenschancen - Genfrequenz (Genpool) ändert sich in Richtung stärker pigmentierter Individuen.
Die Zahlenwerte des Versuchsergebnisses sollen von den Prüflingen abgelesen und zueinander in Relation
gesetzt werden.
Der Operator „beschreiben“ weist hier auf den Anforderungsbereich I hin.
Anforderungsbereich I
10%
Die zu erklärende Entwicklung soll zum einen durch ein punktuelles Versuchsergebnis gestützt werden, zum
anderen aber auch in eine bekannte Theorie eingebettet werden.
Der Operator „interpretieren“ weist auf die Anforderungsbereiche II – III hin.
In dieser Aufgabe handelt es sich einerseits um den Anforderungsbereich II.
Anforderungsbereich II
10%
Andererseits stellt das richtige Ablesen der Versuchsergebnisse aus der Tabelle und deren Deutung
vergleichsweise hohe methodische Anforderung dar.
Anforderungsbereich III
eine
10%
c) Eine Art ist dadurch gekennzeichnet, dass ihre Individuen miteinander fertile Nachkommen zeugen können
und in „wesentlichen Merkmalen“ übereinstimmen.
Da sich die Individuen der beiden „Formen“ offensichtlich nur in dem Grad der Schwarzfärbung unterscheiden,
kann angenommen werden, dass sie gemäß der oben genannten Definition zur selben Art Biston betularia
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gehören. Zur Bildung von zwei Birkenspanner-Arten muss es z.B. zur räumlichen Sonderung (Separation) und
reproduktiven Isolation der Formen kommen. Die damit verbundenen Evolutionsschritte sind darzustellen.
Am vorliegenden Beispiel sollen die Zusammenhänge der allopatrischen Artbildung herausgearbeitet und
dargestellt werden.
Der Operator „untersuchen“ weist auf den Anforderungsbereich II hin.
Anforderungsbereich II
25%
d) Die Synthese von Phenylalanin zu Tyrosin und die Synthese von Tyrosin zu Melanin sind enzymgesteuert.
Enzyme sind Polypeptide. Vor dem Hintergrund der „Ein Gen-ein-Polypeptid-Hypothese“ wird ein Enzym durch
ein Gen codiert. Wird eine Transkription bestimmter Gene eingeleitet, so kommt es durch die Translation zur
Synthese der katalysierenden Enzyme und durch deren Katalyseaktivität entsprechend zur Synthese von
Melanin.
Die Prüflinge sollen auf der Basis ihrer Kenntnisse über den Zusammenhang zwischen Gen und Polypeptid das
vorliegende Schema nachvollziehbar und verständlich veranschaulichen.
Der Operator „erläutern“ verweist auf den Anforderungsbereich II.
Anforderungsbereich II
25%
5 Bewertungen
Die Note „ausreichend“ (5 Punkte) wird erteilt, wenn annähernd die Hälfte (mindestens 45 %) der erwarteten
Gesamtleistung erbracht worden sind. Dazu müssen auch Leistungen im Anforderungsbereich II erbracht
werden. Dieses ist der Fall, wenn je nach Aufgabenstellung
•
Sachverhalte korrekt wiedergegeben und in Teilen korrekt angewendet werden
•
einfache Fachmethoden korrekt beschrieben und in Teilen korrekt angewendet werden
•
vorgegebene Kommunikations- und Darstellungsformen korrekt angewendet werden
•
einfache Bezüge aufgezeigt werden und
•
die Darstellung erkennbar geordnet und sprachlich verständlich ist.
Die Note „gut“ (11 Punkte) wird erteilt, wenn annähernd vier Fünftel (mindestens 75 %) der erwarteten
Gesamtleistung erbracht worden sind. Dabei muss die Prüfungsleistung in ihrer Gliederung, in der
Gedankenführung, in der Anwendung fachmethodischer Verfahren sowie in der fachsprachlichen Artikulation
den Anforderungen voll entsprechen. Ein mit „gut“ beurteiltes Prüfungsergebnis setzt voraus, dass neben
Leistungen in den Anforderungsbereichen I und II auch Leistungen im Anforderungsbereich III erbracht werden.
Dieses ist der Fall, wenn je nach Aufgabenstellung
•
Sachverhalte und Fachmethoden korrekt dargestellt und in abgegrenzten Gebieten korrekt
angewendet werden
•
Kenntnisse und Fachmethoden stellenweise zur Lösung von Problemen selbständig herangezogen
werden
•
Kommunikations- und Darstellungsformen korrekt angewendet und in Teilen selbständig
ausgewählt werden
•
Bezüge hergestellt und Bewertungsansätze wiedergegeben werden und
•
die Darstellung in ihrer Gliederung und Gedankenführung klar strukturiert und nachvollziehbar ist
sowie den allgemeinen und fachsprachlichen Anforderungen voll entspricht.
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6 Korrekturverfahren
•
•
•
•
•
•
Die Korrekturen werden gemäß der „Richtlinie für die Korrektur und Bewertung der Prüfungsleistungen im
schriftlichen Teil der Abiturprüfung“ vorgenommen.
Die Bewertung und Benotung der Arbeiten wird auf einem gesonderten Blatt vorgenommen, siehe Anlagen
Bewertungsbögen für die Erst- und die Zweitkorrektur.
Nach der Erstkorrektur werden die Schülerarbeiten komplett kopiert.
Die Kopien verbleiben zusammen mit den Bewertungsbögen in der Schule.
Die Originale der Schülerarbeiten werden zusammen mit dem Bewertungsbogen für die Zweitkorrektur und
einer Kursliste, die nur die Schülernummern enthalten darf, sowie einem Exemplar der Lehrermaterialien zu
einem Päckchen gepackt.
Zu den Zeitvorgaben, Warnmeldungen und dem weiteren Verlauf des Verfahrens siehe den „Ablaufplan für
die Durchführung der schriftlichen Prüfungen“.
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Fach
Bewertungsbogen Erstkorrektur
Kurstyp
Für Biologie
Aufgaben
Nummer
BeBo EKo Bio
Schulchiffre
GK/LK
SchülerNummer
Kurs-Nummer
Bewertungstext
Teilaufgabe
Gesamtpunktzahl
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