Klausur unter abiturähnlichen Bedingungen Leistungskurs Biologie

Klausur unter abiturähnlichen Bedingungen
Leistungskurs Biologie
Schuljahr 2006/2007
Name:
Datum:
Erreichte BE:
/ 60
Punkte:
02.03.2007
Zensur:
Kenntnisnahme:
Allgemeine Arbeitshinweise
Ihre Arbeitszeit (einschließlich der Zeit für das Lesen und Auswählen der Aufgaben)
beträgt 270 Minuten.
Die Prüfungsarbeit besteht aus den zu bearbeitenden Teilen A,
B1 oder B2,
C1 oder C2.
Erlaubte Hilfsmittel
1 Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung
1 Pflanzenbestimmungsbuch mit dichotomem Bestimmungsschlüssel ohne
farbige Illustrationen.
1 Tabellen – und Formelsammlung ohne ausführliche Musterbeispiele
(im Unterricht eingeführt)
Zeichengeräte
Leistungskurs Biologie - Vorabitur 2007
1
Aufgabe A
Helicobacter pylori
Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe und beziehen Sie dazu die folgenden
Materialien ein.
Material 1:
Helicobacter pylori gehört vor allem in den Industrieländern zu den medizinisch
bedeutsamsten Bakterien.
80-90% der Magenschleimhautentzündungen (Gastritis) gehen auf Helicobacter zurück.
Ein Fünftel der Infizierten bildet ein Magen- oder Zwölffingerdarmgeschwür aus und 1%
erkrankt an Magenkrebs. In den meisten Fällen kann der Erreger mit einer Dreifachtherapie
erfolgreich bekämpft werden, wodurch eine deutliche Besserung der Beschwerden, etwa das
Abheilen der Gastritis oder des Magengeschwürs, möglich wird.
Helicobacter pylori ist ein gebogenes bis spiralförmig gramnegatives Stäbchen von relativ
geringer Größe (3μm lang und 0,6 μm breit), das im menschlichen Magen vorkommt.
Das Bakterium ist microaerophil und hat ein Temperaturoptimum von 37°C. Drei bis fünf
membranumhüllte Flagellen verleihen ihm eine Beweglichkeit, die ausreicht, um den viskosen
Schleim des Magenepithels zu erreichen. Um in die Schleimschicht und nicht in das
Magenlumen zu gelangen, orientiert sich Helicobacter chemotaktisch an einem
pH-Gradienten. Dort findet mittels bestimmter bakterieller Haftproteine (Adhäsine) eine
Bindung an die Rezeptoren der Epithelzellmembran statt.
Helicobacter ist wahrscheinlich das einzige Bakterium, das im sauren Milieu des Magen
dauerhaft überleben kann. Diese einzigartige ökologische Nische verdankt das Bakterium
seiner Enzymausstattung. Die von Urease katalysierte Spaltung von Harnstoff erzeugt eine
„Ammoniakwolke“, die in unmittelbarer Umgebung des Erregers eine Neutralisation der
Magensäure bewirkt. Inaktiviert man die Ureasegene, so kann Helicobacter bei saurem pHWert nicht überleben.
Katalase schützt den Erreger vor dem von Phagozyten produzierten Wasserstoffperoxid,
Mucinasen lösen den Schleim und Phospholipasen schädigen die Zellmembran der
Magenepithelzellen durch Abbau von Lecithin.
Material 2: Aufbau der Magenschleimhaut
Leistungskurs Biologie - Vorabitur 2007
2
Material 3: Funktion der Belegzellen
Material 4:
Zur Bekämpfung von Helicobacter-Infektionen wird eine so genannte „Tripel-Therapie“
bestehend aus zwei Antibiotika und einem Säureblocker eingesetzt:
• Amoxicillin hemmt die Synthese von bakteriellen Zellwandbausteinen.
• Clathrinomycin bindet an die 50s-Untereinheit von bakteriellen Ribosomen und behindert
die weiteren Stoffwechselschritte.
• Omeprazol ist ein Protonenpumpenhemmer. Er bewirkt den Abbau des pH-Gradienten in
der Schleimhaut durch Verminderung der Säureproduktion
1.
Vergleichen Sie den Bau der Zellen von Helicobacter mit dem der Zellen seines Wirts in einer
Tabelle!
Ziehen Sie aus dem Vergleich eine Schlussfolgerung hinsichtlich der Funktion der Zellen!
(5 BE)
2.
Beschreiben Sie den Aufbau der menschlichen Magenschleimhaut und begründen Sie die
Bedeutung der verschiedenen Zelltypen für die Funktion des Magens!
(7 BE)
3.
Stellen Sie das Zusammenwirken von 5 Zellorganellen der Hauptzellen bei der Produktion
und Sekretion von Pepsinogen in einem Schema dar!
Erläutern Sie Ihre Darstellung!
(6 BE)
4.
Erklären Sie, warum Belegzellen einen hohen Sauerstoffbedarf aufweisen und warum
extremer Kochsalzmangel Magen-Darm-Infektionen begünstigt!
(4 BE)
5.
Erläutern Sie, auf welche Weise die genannte Wirkstoffkombination eine Beseitigung der
Infektion ermöglicht!
(3 BE)
25 BE
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3
Bearbeiten Sie eine der folgenden Aufgaben!
Aufgabe B 1
Wattenmeer
Bearbeiten Sie die nachstehende Aufgabe und beziehen Sie entsprechende Materialien ein.
Material 1 zeigt die Gliederung eines
Küstenteils der Nordsee, mit
vorgelagertem Wattenmeer.
Diese Schwemmlandküste ist einem sechsstündigen Rhythmus von Ebbe und Flut ausgesetzt.
Das Wattenmeer ist mit einer mittleren Breite von 13,5 km von Den Helder in Holland bis
Esbjerg in Dänemark der Nordseeküste vorgelagert.
Als Watt im engeren Sinne wird derjenige Teil bezeichnet, der bei Ebbe trocken liegt.
Die im Wattenmeer siedelnden Lebewesen müssen den extremen Schwankungen der
Lebensbedingungen, vor allem bei Ebbe hinsichtlich Temperatur (ca. 0° C bis ca. 40°C) und
Salzgehalt (25 ‰ bis 38 ‰), gewachsen sein. Die meisten Wasserbewohner leben deshalb im
Boden eingegraben, wo sie weitgehend geschützt sind. Die Produktivität der Wattflächen ist
relativ hoch. In 1 cm2 Watt können bis zu einer Million Algen als Produzenten leben. Bezogen
auf den Quadratmeter können u. a. davon wiederum 50000 Wattschnecken oder 40000
Schlickkrebse leben. Durch die bodennahen Strömungen, erzeugt durch die Gezeiten im Watt,
wird der Lebensraum laufend mit neuem Sauerstoff und Nährstoffen aus der Nordsee und aus
den Flüssen wie dem Rhein versorgt. Das riesige Nahrungsangebot wird u. a. von Fischen und
Vögeln genutzt. Im Wattenmeer wachsen z. B. die Jungfische von Seezunge, Scholle, Sprotte
und Stint heran. Im Frühjahr und Herbst nutzen Millionen von Zugvögeln aus Nord- und
Osteuropa wie Enten, Gänse und Schnepfenvögel das Nahrungsangebot des Watts.
1.
Begründen Sie, dass man beim Wattenmeer von einem Ökosystem sprechen kann!
2.
Beschreiben Sie die biochemischen Teilprozesse zur Freisetzung von ATP der Lebewesen, die (6 BE)
im Oxidationshorizont des Watts leben!
3.
Erklären Sie die unterschiedlichen Tiefen des Reduktionshorizontes im Watt!
Berücksichtigen Sie dabei dessen Bildung sowie abiotische und biotische Einflüsse!
( Material 2 und Material 3)
4.
Diskutieren Sie die Aussage:
„Die schwarzen Flecken sind ein Eutrophierungssymptom des Wattenmeeres“.
(Material 4)
Material 2
Oxidations- und Reduktionshorizont
nach THIES
Der Wattboden - eigentlich kein Boden sondern Sediment
- ist schwarz und stinkt. Jedenfalls unter der Oberfläche,
die eher von bräunlich-grauer Farbe ist. Die Färbung des
Wattbodens wird in erster Linie durch unterschiedliche
Eisenverbindungen hervorgerufen. Der Gestank rührt vom
Schwefelwasserstoff her. In der sauerstoffhaltigen Schicht
an der Wattoberfläche liegt Eisen als Hydroxid von
bräunlicher Farbe vor. In der sauerstofffreien Tiefe des
Sediments entsteht beim anaeroben Abbau organischer
Substanz Schwefelwasserstoff (H2S). Dieser Stoff reagiert
mit Eisen-Ionen zu schwarzem Eisensulfid. Unter
Sauerstoffzufuhr findet die umgekehrte Reaktion statt.
Das Eisen vermittelt so die Oxidation des giftigen H2S zu
Sulfat. Es stellt einen Puffer dar, der die Wattentiere vor
der toxischen Wirkung des H2S schützt. Soweit die
natürliche Situation.
Wenn nun sehr viel organische Substanz im Sediment
abgebaut wird, wird alles Eisen zu Eisensulfid reduziert.
Der Wattboden wird bis hin zu Oberfläche schwarz, und
das H2S wird in das Wasser und/oder die Atmosphäre
entlassen. Das Fehlen von Sauerstoff und die Wirkung des
H2S machen diese schwarzen Flecken für die typischen
Wattbodenbewohner unbesiedelbar. (SDN 1/1997)
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4
(4 BE)
(6 BE)
(4 BE)
Material 3
Watt- Typen
Sandwatt
Mischwatt
Tiefe, in der Reduktionsschicht beginnt
Feinsandanteil
Korngröße
Ton-Schluff-Gehalt
Wassergehalt
Gehalt an organischer Substanz
Strömung
O2-Gehalt
Besonderheiten
Schlickwatt
ab 5-8 cm
ab 1-2 cm
ab wenigen mm
85-100 %
50-85 %
15-50 %
> 0,1 mm
0,06- 0,1 mm
< 0,06 mm
0-15 %
15-50 %
50-85 %
25 %
25-50 %
50-70 %
ca. 1 %
ca. 4 %
ca. 10 %
-------------------------------------------------------------->
abnehmend
-------------------------------------------------------------->
abnehmend
ständige
hohe Aktivität der starke Besiedlung
Umlagerung
Bodentiere
durch Anaerobier
des Materials (Bioturbation);
durch
z.B.: dichte
Strömung
Besiedlung durch
und
Wattwurm
Wellengang
(Kothaufen,
Fraßtrichter)
Material 4
Schwarze Flecken auf der Wattoberfläche gab es schon immer, dass das Sediment bis zur Oberfläche hin
anoxisch, also schwarz wurde. Es gibt auch eine ganze Reihe schwarzer Flecken, die durch
Sedimentverlagerung entstehen, das reicht von Kothäufchen des Wattwurms über Trampelwannen der
Entenvögel bis hin zu Erosionserscheinungen in Verlagerungszonen von Prielen.
Erst das häufigere und großflächigere Auftreten anoxischer Flecken im Watt Ende der 80er Jahre wurde
schließlich als Warnsignal gedeutet.
Die Forschungsstelle Küste des Niedersächsischen Landesamtes für Ökologie veranlasste 1990/91 eine
Pilotstudie zu diesem Phänomen. Neben viel neuem Detailwissen ist ein Hauptergebnis, dass die großen
schwarzen Flecken im Watt auf den Abbau von Makroalgenresten im Sediment zurückzuführen sind.
Ende Mai 1996 wurde aus dem Warnsignal ein alarmierender Sirenenton: Entlang der ostfriesischen Küste waren
ca. 24 km² Wattfläche, ca. 5 % der trockenfallenden Fläche, umgekippt. Im Laufe von knapp zwei Wochen
vergrößerte sich die geschädigte Fläche auf 36 km² (8%). Zum Vergleich:1993 waren nur bis zu 0,3 % der
untersuchten Wattfläche anoxisch.
Bislang hatten sich auch die Auswirkungen der schwarzen Flecken in Grenzen gehalten. Zwar konnte festgestellt
werden, dass in schwarzen Flecken die typische Wattenfauna fehlte. Doch waren vermutlich nicht alle Tiere
abgestorben, die meisten konnten sich wohl vor der tödlichen Wirkung des Schwefelwasserstoffes ins nah
angrenzende, gesunde Watt retten.
Diesmal war es anders. Aus den großen schwarzen Flächen gab es für die Wattentiere kein Entrinnen. Zu
Tausenden kamen sie an die Sedimentoberfläche, wo sie dann verendeten. Ein apokalyptischer Anblick, der
gleichermaßen Wissenschaftler, Medien und Politiker auf den Plan rief. Die Wissenschaft berief Expertentreffen
ein, und die Ergebnisse der bisherigen Forschung wurden im Angesicht der neuen Situation diskutiert. Zuerst
war nur soviel klar: Die Makroalgen, die bislang als Hauptverursacher der schwarzen Flecken galten, spielten
diesmal keine Rolle. Schon im vergangenen Jahr war ihr Wachstum nicht mehr so üppig ausgefallen, und in
diesem Jahr hatte ihre Vegetationsphase gerade erst zögerlich begonnen.
Andere Ereignisse, die zur Situation im Frühsommer 1996 geführt haben könnten, wurden eingehend diskutiert.
War der harte Winter schuld? Welchen Einfluss hatte die Kieselalgenblüte (Coscinodiscus)? Wie sind die
Meldungen von Tankerunfällen in der Deutschen Bucht einzuordnen? Ist die Überdüngung der eigentliche
Auslöser?
Der dramatische Rückgang der Miesmuschel und damit ihrer enormen Filterleistung verringert die
Selbstreinigungskraft des Wattenmeeres. Toxische Stoffe greifen in die gesamte Ökologie ein. Diese stark
gestörte Wattsituation bildet die Voraussetzung für die Ereignisse im Frühsommer 1996.
Einem recht heißen Sommer 1995 war ein trockener, sturm- und seegangsarmer Herbst gefolgt und schließlich
ein kalter, langer und ebenso trockener Winter mit ausgeprägter Vereisung der Watten. Bereits jetzt war die
Sauerstoffversorgung des Wattbodens vermutlich verringert. Während der Kälteperiode war ein Großteil der
Bodentiere, insbesondere Herzmuscheln (Cerastoderma edule) und Bäumchenröhrenwürmer (Lanice
conchilega), abgestorben. Ihre Kadaver konnten aber erst nach Anstieg der Temperaturen abgebaut werden.
Besonders ein kurzfristiger Temperaturanstieg um 15°C Anfang Juni führte zu einer sprunghaften Zunahme der
Sedimentaktivität mit entsprechendem Sauerstoffbedarf.
Ungefähr zeitgleich war in der Nordsee nahe der Küste eine dichte Blüte der Kieselalge Coscinodiscus concinnus
zusammengebrochen. Ein Teil dieser Algen gelangte auch auf die Wattflächen, vermehrte damit die abbaubare
Biomasse und verminderte möglicherweise gleichzeitig die Durchlässigkeit des Bodens (Diffusionssperre). Dem
Watt ging die Luft aus.
Wegen der verminderten Aktivitäten der Bodentiere (Bioturbation) verringerte sich die Belüftung. Das Absterben
der Wattenfauna trug wiederum zu der Menge an abbaubarer Biomasse bei.
(SDN-Magazin 1/1997, stark gekürzt)
Leistungskurs Biologie - Vorabitur 2007
5
Aufgabe B 2
Karpfen
1.
Bereits 1912 entdeckte FEULGEN, dass DNA bei entsprechender Behandlung und
Zugabe von Schiffs- Reagens eine rötlich– purpurne Farbreaktion zeigt. Diese
Feulgen- Reaktion erwies sich als spezifisch für die DNA. Dadurch konnten
quantitative Messungen bezüglich der Erbsubstanz in den Zellen durchgeführt
werden. So absorbiert z. B. ein hoher Gehalt angefärbter DNA in Zellen mehr Licht
als eine geringe Menge. Durch Messung der Lichtmenge, die Feulgen- gefärbte
Zellkerne durchdringt, kamen SWIFT, ALFERT und andere zu der Erkenntnis, das in
der G2- Periode der Interphase eines Zellzyklus die doppelte Menge gefärbter DNA
vorliegt wie in der G1-Periode.
1.1
Beschreiben Sie den Vorgang, der zu dem veränderten DNA- Gehalt in der G2Periode führt! Welche Bedeutung hat dieser Prozess für die Lebewesen?
1.2
2.
(6 BE)
Äußern Sie eine begründete Vermutung über die Lichtmenge, die Feulgen-gefärbte
Zellkerne von Keimzellen im Vergleich zu den entsprechend gefärbten Zellkernen von
Körperzellen durchdringt!
(2 BE)
Oben beschriebene Ergebnisse der Grundlagenforschung der Genetik waren
Voraussetzung für eine immer gezieltere Anwendung der Erkenntnisse u. a. in der
Züchtung.
Karpfen unterscheidet man nach der Beschuppung:
- vollständig und regelmäßig beschuppt:
Schuppenkarpfen
- unregelmäßig beschuppt:
Spiegelkarpfen (Abb.1)
- ein- bis dreizeilig, regelmäßig beschuppt: Zeilkarpfen (Abb.2)
- schuppenlos:
Lederkarpfen
Die Beschuppung wird durch zwei Gene mit je zwei Allelen (B, b und N, n) bestimmt.
Allel B ruft regelmäßige Beschuppung hervor, Allel N bewirkt eine Reduktion der
Beschuppung. Zeilkarpfen sind immer heterozygot bezüglich des Allelenpaares Nn,
Spiegelkarpfen haben nur rezessive Allele.
2. 1
Erstellen sie ein Schema für die Kreuzung Spiegelkarpfen mit doppelt heterozygoten
Zeilkarpfen unter Verwendung der vorgegebenen Buchstabensymbole! Geben Sie die
Phänotypen in der ersten Folgegeneration an!
(6 BE)
2.2
Bei Kreuzungen von Lederkarpfen untereinander sterben regelmäßig 25% der
Embryonen ab. Geben Sie hierfür eine Erklärung!
2.3
Kreuzt man doppelt heterozygote Zeilkarpfen untereinander, so spaltet die nächste
Generation im Verhältnis 6:3:2:1 auf.
Stellen Sie unter Verwendung der entsprechenden Buchstabensymbole hierfür ein
Kreuzungsschema auf!
Leiten Sie aus den Genotypen die entsprechenden Phänotypen ab, und ordnen Sie
den Spaltungszahlen die entsprechenden Phänotypen zu!
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6
(2 BE)
(4 BE)
Bearbeiten Sie eine der folgenden Aufgaben!
Aufgabe C1
Zwergstrauchheiden
Windheiden sind typische Pflanzengesellschaften der Silikatalpen,
die oberhalb der Baumgrenze in 1600-2800m Höhe vorkommen.
Sie bilden den Grenzbereich aus subalpinen Zwergstrauchheiden
und alpinen Rasen.
Dazu gehören Gemsheide, Borstgras, Dreispaltige Binse,
Heidelbeere, Preiselbeere und Rostblättrige Alpenrose, ca. 25%
der Pflanzengesellschaften sind verschiedene Flechten.
Charakteristisch für dieses Gebiet ist die Gemsheide, ein niedriger,
teppichartiger Spalierstrauch mit dicht beblätterten Zweigen.
Das Gezweig der Gemsheide bildet zusammen mit Strauchflechten
ein stabiles Gefüge.
Das die Gemsheide solche extreme, windexponierte Standorte besiedeln kann, ist nur durch
spezielle Anpassungen und die Schaffung eines Mikroklimas möglich.
Besonders die Blätter haben sich entsprechend der ökologischen Bedingungen differenziert.
Die Pflanzen der Windheide müssen Temperaturschwankungen von -35°C bis zu 50°C und
Wassermangel standhalten.
Die Luftfeuchtigkeit ist meist sehr hoch, selten unter 80%.
Da die Böden sehr nährsalzarm sind, findet man bei der Gemsheide eine Wurzelsymbiose
mit Mykorhizapilzen vor.
1.
Untersuchen Sie die zwei vorliegenden Bodenproben auf pH-Wert und Kalkgehalt!
(10BE)
Fordern Sie beim Aufsicht führenden Fachlehrer die benötigten Chemikalien und Geräte
Schriftlich an! Erstellen Sie ein Kurzprotokoll und fassen Sie die Untersuchungsergebnisse in
einer Tabelle zusammen!
Ordnen Sie den Boden der Windheidegesellschaft einer der beiden Bodenproben begründet
zu!
(2BE)
2.
Nennen Sie zwei Blattdifferenzierungen und deren Funktion!
3.
Erläutern Sie die Wurzelsymbiose der Gemsheide und deren ökologische Bedeutung für (3 BE)
diesen Zwergstrauch!
15 BE
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7
Aufgabe C 2
Mais
Die Maispflanze (Zea mays) stammt ursprünglich wahrscheinlich aus Mittelamerika und
war zunächst eine typische Kurztagspflanze. Durch Züchtung tagneutraler Sorten wurde
der heute fast weltweite Anbau ermöglicht.
Hier in Deutschland wird Mais nicht nur als Nahrungs- und Futtermittel genutzt, sondern
inzwischen in großen Mengen zur Betreibung von Biogasanlagen zur Erzeugung von
Methan eingesetzt.
Für eine weitere Erhöhung der Maisproduktion scheinen deshalb nur Maßnahmen der
Intensivierung des Anbaus sinnvoll zu sein. Dabei spielt besonders die Schädlingsbekämpfung eine wichtige Rolle.
Der wichtigste Schädling ist eine Schmetterlingsart, der Maiszünsler (Pyrausta nubilalis),
dessen Larve im Inneren des Maissprosses frisst und die Erträge bei massenhaftem
Auftreten bis 50% mindern kann.
Fertigen Sie von der vorliegenden Sprossachse einen Querschnitt an.
Mikroskopieren Sie das Objekt und erstellen Sie eine beschriftete schematische
Übersichtszeichnung (keine einzelnen Zellen)!
Nach Fertigstellung der Zeichnung ist das Präparat unter dem Mikroskop dem Aufsicht
führenden Fachlehrer vorzuweisen!
Erarbeiten Sie ausgehend von der erstellten Übersichtszeichnung der mikroskopierten
Sprossachse eine begründete Einordnung der Pflanze ins System (mindestens drei
Kategorien)!
(8 BE)
2.
Begründen Sie, weshalb Maisanbau im nördlichen Mitteleuropa nur mit tagneutralen
Zuchtsorten betriebswirtschaftlich rentabel ist!
(3 BE)
3.
Werten Sie die verschiedenen praktizierten Methoden zur Dezimierung des
Maiszünslers aus ökologischer Sicht!
1.
Methode
Inhalt
züchterisch
Züchtung
resistenter
Sorten, die
vom Schädling
weniger
befallen
werden
chemisch
Insektizide
biologisch
a)Trichogramma
Schlupfwespen
als Feinde der
Zünsler
b)Bacillus thuringiensis tötet
Insekten
gentechnisch
Übertragung
des Gens für
die Vernichtung
von Insekten
von Bacillus
thuringiensis auf den
Mais
Bekämpfungserfolg
nicht
untersucht
gut
mittel bis gering
sehr gut
(4 BE)
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8