A1 Gehörlosigkeit

Abiturprüfung 2011
BIOLOGIE
als Grundkursfach
Arbeitszeit: 180 Minuten
Der Fachausschuss wählt jeweils eine Aufgabe aus den Gebieten A, B und
C zur Bearbeitung aus.
Bei jeder Teilaufgabe steht die maximal erreichbare Anzahl von
Bewertungseinheiten (BE).
-2-
A 1 Gehörlosigkeit
Gehörlosigkeit kann durch genetische Defekte oder Umwelteinflüsse (z. B. Lärm) ausgelöst
werden.
1
Zwei Beispiele für genetisch bedingte Hörstörungen sind zum einen die Fortschreitende
Hörstörung (Stammbaum Familie 1) und zum anderen die Fortschreitende Hörstörung mit
zusätzlichem Nierenfunktionsdefekt (Stammbaum Familie 2). Beide Krankheiten werden
jeweils monogen vererbt. Das Gen für eine der Erkrankungen liegt auf einem Autosom,
das für die andere auf einem Gonosom.
Bei den vorliegenden Beispielfamilien tritt jeweils nur eine der Erkrankungen auf.
Familie 1
Familie 2
1
2
3
4
5
7
8
6
9
1*
2*
3*
4*
5*
7*
8*
6*
9*
Abb. 1: Stammbäume zweier Familien, in denen genetisch bedingte Hörstörungen
auftreten (Das Gen für eine der Erkrankungen liegt auf einem Autosom, das für
die andere auf einem Gonosom.)
1.1
Leiten Sie unter Ausschluss der Ihnen bekannten Erbgangstypen sowie unter Angabe der
entscheidenden Genotypen die Erbgangstypen bei den Familien 1 und 2 ab!
[8 BE]
1.2
Geben Sie jeweils den Genotyp der Personen 9 und 8* an, die zusammen bereits ein Kind
haben, das an beiden Hörstörungen erkrankt ist! Ermitteln Sie mithilfe eines Kombinationsquadrates die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein weiteres Kind dieser Eltern an
beiden Krankheiten leidet! Hinweis: In den Familien 1 bzw. 2 tritt jeweils nur eine der
Erkrankungen auf.
[6 BE]
2
Martha's Vineyard ist eine Insel vor der Küste Massachusetts. Im 18. und 19. Jahrhundert
war der Anteil an Gehörlosen mit 0,7 % an der Gesamtbevölkerung größer als im
Vergleich zu 0,015 % in anderen Gegenden der USA.
Erläutern Sie unter Textbezug das gehäufte Auftreten der Gehörlosigkeit bei den Bewohnern von Martha's Vineyard!
[5 BE]
3
Die Mutation R143W führt zu einer weiteren erblichen Form der Gehörlosigkeit, der NSHL
(non-syndromic hearing loss). Die Bezeichnung R143W bedeutet, dass eine Punktmutation vorliegt, durch die an Position 143 der Aminosäurekette des gebildeten Proteins
die Aminosäure „R“ gegen die Aminosäure „W“ (W = Tryptophan, Trp) ausgetauscht wird.
Im nicht-mutierten Gen findet man im codogenen Strang an der entsprechenden Position
das Triplett 3' GCC 5'.
3.1
Beschreiben Sie zwei Eigenschaften des genetischen Codes!
[4 BE]
(Fortsetzung nächste Seite)
-3-
3.2
Leiten Sie mithilfe der Code-Sonne (Abb. 2) her, wie der dem Codon 143 zugrunde
liegende codogene Strang der DNA durch die Mutation verändert wurde, und schließen
Sie daraus auf die Aminosäure „R“!
[5 BE]
Abb. 2: Code-Sonne (Leserichtung von innen nach außen)
3.3
Die Krankheit NSHL wird autosomal-rezessiv vererbt. Um festzustellen, ob Probanden
heterozygot bezüglich dieser Mutation sind, wird aus dem Genom ein 521 Basenpaare
(bp) langes DNA-Fragment, das den betreffenden DNA-Abschnitt enthält, isoliert,
vervielfältigt und mit dem Restriktionsenzym Nci I geschnitten. Anschließend werden die
Fragmente durch Gelelektrophorese aufgetrennt. Bei dieser Untersuchungsmethode
wandert die DNA durch ein Gel, an dem eine Spannung anliegt. Die Wanderungsgeschwindigkeit der DNA sinkt mit steigender Molekülgröße. Nach dem Auftrennen wird die
DNA sichtbar gemacht; es sind Banden zu erkennen.
Das gewählte Fragment weist ohne Mutation zwei Schnittstellen für das Restriktionsenzym Nci I auf, mit Mutation nur eine.
Abb. 3: Versuchsergebnisse der Gelelektrophorese für drei unterschiedliche Probanden
Geben Sie begründet an, ob die Personen 1-3 gesund oder erkrankt sind!
3.4
[6 BE]
Ein wichtiger Ansatz für die zukünftige Behandlung genetisch bedingter Krankheiten
ist die Gentechnologie. Restriktionsenzyme spielen auch hier eine wichtige Rolle,
nämlich bei der Herstellung von Hybridplasmiden.
Beschreiben Sie die wesentlichen Schritte zur Herstellung eines Hybridplasmids!
[6 BE]
______
[40 BE]
-4-
A 2 Sichelzellanämie
Sichelzellanämie ist eine Erkrankung, die auf eine Veränderung des roten Blutfarbstoffes
Hämoglobin zurückzuführen ist. Bei Erkrankten nehmen die roten Blutkörperchen in bestimmten
Situationen eine sichelförmige Gestalt an und verklumpen.
1
Das Hämoglobin besteht aus vier Peptidketten.
1.1
Stellen Sie allgemein unter Mitverwendung einer beschrifteten Skizze den Ablauf der
Translation dar!
1.2
[8 BE]
Die Reihenfolge der einzelnen Aminosäuren in den Peptidketten kann durch Sequenzanalyse ermittelt werden. Hierbei wird ein Peptid durch Enzym 1 in mehrere Teilstücke
zerlegt. Die Teilstücke können im Labor getrennt und identifiziert werden. Um die richtige
Aufeinanderfolge der Teilstücke zu ermitteln, wird dasselbe Peptid durch Enzym 2 in eine
andere Serie von Teilstücken zerlegt. Aus den sich überlappenden Sequenzen der Teilstücke aus beiden Versuchsansätzen lässt sich schließlich die Aminosäuresequenz
herausfinden. Im Folgenden ist das Ergebnis für den Anfangsbereich einer der vier
Peptidketten des Hämoglobins bzw. des Sichelzellhämoglobins dargestellt.
Tab. 1: Ergebnis der enzymatischen Spaltung des Anfangsbereichs der Peptidkette des
Hämoglobins1
normales Hämoglobin (HbA)
Sichelzellhämoglobin (HbS)
Teilstücke nach
Behandlung mit Enzym 1
Teilstücke nach
Behandlung mit Enzym 2
Teilstücke nach
Behandlung mit Enzym 1
Teilstücke nach
Behandlung mit Enzym 2
Leu – Thr
Val – His
Glu – Lys
Pro – Glu
Glu – Glu – Lys
Thr – Pro
Val – His – Leu
Val – Glu – Lys
Val – His
Leu – Thr – Pro
Val – His – Leu
Glu – Lys
Thr – Pro – Val
Ermitteln Sie anhand der Tabelle die Aminosäuresequenzen für das normale Hämoglobin
(HbA) und das Sichelzellhämoglobin (HbS) im untersuchten Bereich!
[4 BE]
1.3
Ermitteln Sie für die Aminosäuren, durch die sich die beiden Aminosäuresequenzen von
HbA und HbS unterscheiden, mithilfe der Code-Sonne alle möglichen Basentripletts der
codogenen DNA-Stränge und leiten Sie daraus eine mögliche genetische Ursache der
Sichelzellanämie ab!
Sollten Sie bei 1.2 zu keiner Lösung gekommen sein, so nehmen Sie an, dass sich HbA
und HbS durch die Aminosäuren Histidin (His) und Prolin (Pro) unterscheiden. Diese
Alternative entspricht nicht der Lösung von 1.2.
[7 BE]
(Fortsetzung nächste Seite)
-5-
Abb. 1: Code-Sonne (Leserichtung von innen nach außen)
2
Die Abbildung 2 zeigt den Stammbaum einer Familie, in der Sichelzellanämie auftritt.
13
Abb. 2: Stammbaum einer Familie, in der Sichelzellanämie auftritt
2.1
Leiten Sie unter Ausschluss der Ihnen bekannten Erbgangstypen den Erbgangstyp für die
Sichelzellanämie ab und geben Sie die möglichen Genotypen der Generationen I und II
an!
[6 BE]
(Fortsetzung nächste Seite)
-6-
2.2
Die Personen 3 und 4 (Abb. 2) wünschen sich ein drittes Kind und möchten das Risiko
abschätzen lassen, mit welcher Wahrscheinlichkeit das Kind an Sichelzellanämie
erkrankt. Der Arzt teilt ihnen mit, dass hierfür eine Stammbaumanalyse allein nicht für
eine eindeutige Vorhersage genügt. Er schlägt folgende molekulargenetische Untersuchung vor: Die isolierten Hämoglobin-Gene werden vervielfältigt und anschließend mit
dem Restriktionsenzym Mst II in Fragmente geschnitten. Durch die Mutation, die Sichelzellanämie auslöst, wird gleichzeitig die Schnittstelle für das Mst II zerstört. Folgende
Abbildung gibt die Fragmentgrößen in Basenpaaren (Bp) an.
Spaltungsmuster 1:
2200 Bp
Spaltungsmuster 2:
1500 Bp
700 Bp
Abb. 3: Spaltungsmuster der Restriktionsanalyse
Tab. 2: DNA-Fragmente bei verschiedenen Personen (+ = vorhanden)
Person 3
Person 4
700
+
+
1500
+
+
2200
+
Ermitteln Sie auf Grundlage dieser Untersuchung die Genotypen von Person 3 und 4 und
berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit, dass das dritte Kind dieser Familie an Sichelzellanämie erkrankt!
[6 BE]
In einem Laborexperiment wurde das Blut von drei Personen untersucht. Dabei ergab sich
folgendes Diagramm:
Anteil an Sichelzellen in %
2.3
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Sauerstoffpartialdruck in mm Hg
Person A
Person B
Person C
Abb. 4: Häufigkeit von Sichelzellen in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck im Blut
(Der Sauerstoffpartialdruck ist ein Maß für die Sauerstoffkonzentration.)2
2.3.1 In bestimmten Alltagssituationen bilden sich bei Person B Sichelzellen im Blut.
Geben Sie begründet an, in welcher Alltagssituation dies der Fall sein kann!
[3 BE]
2.3.2 Ordnen Sie die beiden Personen A und C je einer Person im Stammbaum (Abb. 2) zu und
begründen Sie Ihre Zuordnung! Stellen Sie eine begründete Hypothese auf, die die
Ursache für den Kurvenverlauf bei Person B erklärt!
[6 BE]
______
[40 BE]
Abbildungen und Tabellen:
1
verändert nach: http://www.webmic.de/sichelzellanaemie.htm
2
verändert nach: http://www.nslc.wustl.edu/sicklecell/part1/background.html
-7-
B 1 Prachtlibellen
In Bayern sind mit der Gebänderten Prachtlibelle und der Blauflügel-Prachtlibelle zwei
Prachtlibellenarten bekannt. Beide Arten leben ausschließlich räuberisch; sie machen
Jagd auf Mücken oder fressen Blattläuse, die Pflanzen befallen haben. Die Libellen und
ihre Larven werden auch selbst Opfer verschiedener Jäger. So enden die erwachsenen
Libellen zum Teil im Netz von Spinnen oder werden von Vögeln erbeutet.
Die Entwicklung der ebenfalls räuberisch lebenden Libellenlarven findet im Wasser statt.
Da die Larven der Blauflügel-Prachtlibelle empfindlicher auf Sauerstoffmangel reagieren
als die der Gebänderten Prachtlibelle, werden von ihnen etwas kältere, meist schneller
fließende, sauerstoffreiche und daher meist kleinere, stärker beschattete Fließgewässer
mit einer optimalen Wassersommertemperatur von 13 bis 18 °C bevorzugt. Die
Gebänderte Prachtlibelle kommt vermehrt an stärker besonnten Bereichen von Fließgewässern bei Wassersommertemperaturen zwischen 18 und 24 °C vor.
350
Anzahl der Nachweise
Anzahl
der Nachweise
Anzahl
Nachweise
1
300
250
200
150
350
300
250
200
150
100
100
50
50
0
M
1
0
7A
M 19J
13
25J
31A 37S
43O 49N 55
M
A
M
J
J
A
S
O
N
Abb. 1: Nachgewiesene Flugzeiten von März bis November der Gebänderten Prachtlibelle (links) und der Blauflügel-Prachtlibelle (rechts)1
1.1
Erstellen Sie unter Verwendung von ökologischen Fachbegriffen für alle Lebewesen der
oben beschriebenen Lebensgemeinschaft ein Nahrungsnetz und ordnen Sie die
Lebewesen den Trophieebenen zu!
[6 BE]
1.2
Die erwachsenen Tiere beider Arten kommen an manchen Fließgewässern nebeneinander vor.
Entwickeln Sie aus ökologischer Sicht eine Hypothese, die das gemeinsame Vorkommen
beider Prachtlibellen-Arten erklärt! Begründen Sie Ihre Hypothese mithilfe der gegebenen
Informationen!
[6 BE]
1.3
Die Larven der Blauflügel-Prachtlibelle bevorzugen Gewässer, bei denen das Sediment
einen geringen Anteil an organischem Material aufweist.
Erklären Sie diese Beobachtung aus ökologischer Sicht!
[3 BE]
(Fortsetzung nächste Seite)
-8-
2
Im Wasser lebende Libellenlarven besitzen eine Fangmaske, die aus der stark
verlängerten Unterlippe entstanden ist. Sie dient dem Beutefang.
2.1
Sobald eine Libellenlarve ein sich bewegendes Beutetier wahrnimmt, dreht sie den Kopf
in Richtung Beute und nähert sich ihr an. Die Fangmaske der Libelle schießt hervor und
greift die Beute. Nachdem die Fangmaske wieder eingeklappt wurde, wird die Beute
verzehrt.
Abb. 2: Ausklappen der Fangmaske einer Libellenlarve2
Erläutern Sie unter Textbezug das Beutefangverhalten der Libellenlarve! Verwenden Sie
ethologische Fachbegriffe!
[6 BE]
2.2
2.3
Fangmasken treten nur bei wenigen Insektengruppen auf.
Erklären Sie auf Grundlage der erweiterten Evolutionstheorie die Entstehung einer
anatomischen Struktur wie der Fangmaske!
[6 BE]
Die tierische Nahrung ist sehr proteinhaltig. Überschüssige Aminosäuren, die nicht zur
Synthese von eigenen Proteinen verwendet werden, dienen im Stoffwechsel als Energiequelle. Dazu werden Aminosäuren, wie beispielsweise Asparaginsäure, unter aeroben
Bedingungen abgebaut. Die einzelnen Reaktionsschritte dieses Vorgangs lassen sich
vereinfacht folgendermaßen zusammenfassen:
Asparaginsäure + NAD+ + H2O Æ Brenztraubensäure + NADH/H+ + NH3 + CO2
Die Brenztraubensäure wird in der vom Kohlenhydratabbau bekannten Weise weiter
abgebaut.
Nennen Sie die wesentlichen weiteren Schritte des aeroben Abbaus der Brenztraubensäure! Vergleichen Sie am Beispiel der Asparaginsäure (C4-Körper) den Energiegewinn
beim Abbau von Aminosäuren mit dem beim Abbau von Glucose (jeweils pro Molekül)! [8 BE]
3
Besonders in der Paarungszeit kann man Libellenmännchen beobachten, die in der Luft
voreinander stehen bleiben, abrupte Richtungswechsel vollziehen und abwechselnd
voreinander vorwärts und rückwärts fliegen.
Interpretieren Sie dieses Verhalten aus ethologischer Sicht!
[5 BE]
______
[40 BE]
Abbildungen:
1
verändert nach: Bayerisches Landesamt für Umweltschutz und Bund Naturschutz in Bayern e. V. (Hrsg.): Libellen in
Bayern. Eugen Ulmer Verlag, Stuttgart 1998
2
http://www.sglibellen.de/fangmaske.gif
-9-
B 2 Phytoplankton
1
Der 1986 erstmals geflutete Altmühlsee ist ein See mit hohem Mineralstoffeintrag. Seine
durchschnittliche Wassertiefe liegt nur bei etwa 2,5 m.
Im See wurde ein sehr hoher Bestand an Brachsen (dominierender Friedfisch) festgestellt. Friedfische ernähren sich in erster Linie von größeren Vertretern des Zooplanktons,
vor allem von Wasserflöhen. Diese wiederum ernähren sich vorwiegend von Phytoplankton, wie z. B. einzelligen Grünalgen und Cyanobakterien. Der einzige im See vorkommende Raubfisch ist der Zander.
1.1
Erstellen Sie unter Verwendung der ökologischen Fachbegriffe für die oben beschriebene
Lebensgemeinschaft im Altmühlsee eine Nahrungskette und ordnen Sie die Trophieebenen zu!
[4 BE]
1.2
Im Jahr 2001 kam es wegen des hohen Anteils an potenziell toxischen Cyanobakterien im
Phytoplankton mehrfach innerhalb der Hauptbadesaison zur Verhängung eines Badeverbotes.
Neben anderen Giftstoffen wurde Anatoxin, ein Gift, das die Acetylcholinesterase
irreversibel hemmt, in Cyanobakterien nachgewiesen.
Fertigen Sie eine beschriftete Skizze einer neuromuskulären Synapse an! Beschreiben
Sie die Vorgänge bei der Informationsübertragung in dieser Synapse in Gegenwart von
Anatoxin und eine zu erwartende Vergiftungserscheinung!
[10 BE]
2
Am Großen Müggelsee wurde 1991 der Chlorophyll-a-Gehalt des Sees über das Jahr
hinweg verfolgt. Der Chlorophyll-a-Gehalt ist dabei ein Maß für die Dichte der
Phytoplankton-Organismen im See. Die Messdaten wurden in der Seemitte aus dem
Oberflächenwasser erhoben. Es ergaben sich folgende Werte:
Chlorophyll-a-Gehalt in µg/l
140
120
100
80
60
40
20
0
Jan
Feb Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug Sep
Okt
Nov Dez
Abb. 1: Chlorophyll-a-Gehalt im Großen Müggelsee (1991)1
2.1
Stellen Sie eine aus ökologischer Sicht begründete Hypothese auf, die den Kurvenverlauf
erklärt!
[6 BE]
2.2
Zeichnen Sie ein Diagramm, das die zu erwartende Sichttiefe (relative Einheiten) im
Großen Müggelsee in dem untersuchten Zeitraum zeigt!
[3 BE]
(Fortsetzung nächste Seite)
- 10 -
3
Kieselalgen sind wichtige Vertreter des Phytoplanktons in Seen. Da die verschiedenen
Kieselalgenarten sich in ihrer ökologischen Toleranz bezüglich abiotischer Umweltfaktoren unterscheiden, eignen sie sich zum Teil gut als Bioindikatoren. Beispielsweise hängen
sowohl das Artenspektrum als auch die relative Arthäufigkeit von Kieselalgen von der
Mineralstoffbelastung und der Konzentration von Gesamt-Phosphor in Seen ab.
Tab.: Überwiegend vorliegende Gesamt-Phosphor-Konzentrationen (µg/l) beim
Vorkommen von drei verschiedenen Kieselalgenarten. Die Gesamt-PhosphorKonzentration beinhaltet auch die Konzentration von gelösten Phosphat-Ionen.2
Art
Aulacoseira subarctica
Aulacoseira islandica
Cyclotella distinguenda
(A)
(B)
(C)
ca. 20-100
ca. 10-20
ca. 5-15
Gesamt-PhosphorKonzentration (µg/l)
Abgestorbene Kieselalgen sinken auf den Seegrund und haben wesentlichen Anteil an
der Bildung des Sediments. Die vertikale Verteilung ausgewählter Kieselalgenarten (A),
(B) und (C) eines Sedimentkerns, der am 18.10.1990 im Chiemsee gestochen wurde, gibt
Aufschluss über die Entwicklung der Kieselalgenzusammensetzung in diesem See von
etwa 1954 (unterste Sedimentschicht, 19 cm) bis zum Zeitpunkt der Entnahme (oberste
Sedimentschicht) (s. Abb. 2).
Art A
Art B
Häufigkeit
Häufigkeit
50%
0%
100%
50%
Häufigkeit
100%
0%
0
2
2
2
3
3
3
4
4
4
5
7
9
11
5
7
9
11
Sedimenttiefe [cm]
0
0
Sedimenttiefe [cm]
Sedimenttiefe [cm]
0%
Art C
50%
100%
5
7
9
11
13
13
15
15
15
17
17
17
19
19
19
13
Abb. 2: Relative Häufigkeit ausgewählter Kieselalgenarten im Sediment des Chiemsees3
3.1
Skizzieren Sie die Toleranzkurve der Kieselalgenart A bezüglich der Gesamt-PhosphorKonzentration! Beschriften und erklären Sie allgemein charakteristische Punkte einer
Toleranzkurve!
[5 BE]
3.2
Leiten Sie aus der Abbildung 2 die Entwicklung der Gesamt-Phosphor-Konzentration
sowie der Mineralstoffsituation im Chiemsee in den Jahren 1954 bis 1990 ab und
bezeichnen Sie diese Entwicklung mit einem Fachbegriff! Nennen Sie zwei mögliche
Ursachen!
[5 BE]
(Fortsetzung nächste Seite)
- 11 -
Entwickeln Sie eine Hypothese, warum die Arten A und C trotz ihrer unterschiedlichen
Ansprüche an die Gesamt-Phosphor-Konzentration in derselben Sedimentschicht
gefunden werden!
[3 BE]
3.4
Im Jahr 1989 wurde am Chiemsee die Ringkanalisation in Betrieb genommen. Bereits
sechs Jahre vorher hatte man begonnen, die Konzentrationen von Gesamt-Phosphor im
Chiemsee regelmäßig zu messen. In Abbildung 3 sind die jährlichen arithmetischen
Mittelwerte der Messergebnisse bis 1996 dargestellt.
30
25
20
15
10
5
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1985
1984
0
1983
Gesamt-Phosphor-Konzentration [µg/l]
3.3
Abb. 3: Jährliche arithmetische Mittelwerte der Gesamt-Phosphor-Konzentration im
Chiemsee4
Stellen Sie auf Grundlage der vorliegenden Daten eine begründete Hypothese auf, wie
sich die relative Häufigkeit der jeweiligen Kieselalgenarten von 1989 bis 1996 entwickelt
haben könnte!
[4 BE]
______
[40 BE]
Abbildungen und Tabellen:
1
verändert nach: http://www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt/umweltatlas/d201_05.htm
2
verändert nach: J. Schaumburg: Zur Limnologie des Chiemsees. Informationsberichte des Bayerischen
Landesamtes für Wasserwirtschaft. Heft 2/92. Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft (Hrsg.). Verlag Bartels &
Wernitz, München, Juli 1992
3
verändert nach: Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen (Hrsg.):
Nährstoffbedingtes Pflanzenwachstum - Trophie. In: Heft 29 der Schriftenreihe „Wasserwirtschaft in Bayern“. Flüsse
und Seen in Bayern. Gewässergüte und Wasserbeschaffenheit 1995. Verlag Bartels & Wernitz, München, 1996
4
verändert nach: B. Wolf, F. Liesenkötter: Ergebnisse aus dem Landesmessnetz Seen – Routinemonitoring. In:
Wasserwirtschaftlicher Bericht – Niedrigwasserperiode 2003. Informationsbericht des Bayerischen Landesamts für
Wasserwirtschaft Heft 2/05. Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft (Herausgeber und Verlag), München, 2005
- 12 -
C 1 Sinnesphysiologie und Verhaltensleistungen des
Dreistachligen Stichlings
1
Der Dreistachlige Stichling (Gasterosteus aculeatus) besitzt, wie alle Fische, ein Seitenlinienorgan. Hierbei handelt es sich um ein Sinnesorgan, mit dem Druckwellen und
Bewegungen im Wasser aufgenommen werden können. Das Seitenlinienorgan besteht
aus vielen Sinnesknospen, die in Kanälen unter der Haut angeordnet sind. Die Kanäle
stehen über Poren mit dem umgebenden Wasser in Verbindung, so dass sich Druckänderungen in der Umgebung auch auf das Wasser im Kanalsystem auswirken.
Sinneszelle
Sinnesknospe
Sinneshärchen
Gallerte
Pore
Kanal
afferente
Fasern
Sinnesknospe
Synapse
afferenter Nerv
Abb. 1: Seitenliniensystem1, 2
Eine Sinnesknospe enthält mehrere Haarsinneszellen, deren Sinneshärchen in eine
Gallerte hineinragen. Wird diese Gallerte durch die Wasserströmung verformt, werden die
Sinneshärchen ausgelenkt und das Membranpotenzial der Haarsinneszellen verändert
sich. Auch im nicht gereizten Zustand bilden diese Sinneszellen Aktionspotenziale in einer
charakteristischen Frequenz, die als Spontanaktivität bezeichnet wird.
1.1
Beschreiben Sie anhand der Abbildung 2 die Zusammenhänge zwischen der Auslenkung
der Sinneshärchen, dem Membranpotenzial der Haarsinneszelle und der Aktionspotenzialfrequenz der afferenten Nervenfaser!
[6 BE]
Membranpotenzial der
Haarsinneszelle
U
Aktionspotenziale der
afferenten Nervenfaser
Zeit
Abb. 2: Elektrische Antwort auf die Auslenkung der Sinneshärchen3
1.2
Bei höherer zeitlicher Auflösung der Potenzialveränderungen der afferenten Nervenfaser
wird der typische Verlauf eines Aktionspotenzials sichtbar.
Erläutern Sie den Verlauf eines Aktionspotenzials mithilfe einer beschrifteten Skizze! [9 BE]
(Fortsetzung nächste Seite)
- 13 -
1.3
In Abbildung 3 sind Bau und Funktionsweise des Drehsinnesorgans in den Bogengängen
des Innenohrs von Säugetieren dargestellt.
Bogen
gang
Abbiegen der Gallerte
mit Flüssigkeit
gefüllter Bogengang
Gallerte
Sinneszelle
afferente
Faser
a) Lage
b) Bau
c) Funktionsweise
Abb. 3: Drehsinnesorgan der Säugetiere4
Zeigen Sie drei Gemeinsamkeiten zwischen Seitenlinien- und Drehsinnesorgan auf und
begründen Sie, ob es sich dabei um homologe oder analoge Organe handelt!
[6 BE]
2
Der Dreistachlige Stichling zählt zu den Fischarten, deren Verhalten sehr gut untersucht
ist.
2.1
Trifft ein laichbereites Stichlingsweibchen auf ein Männchen, führt das Männchen einen
Zick-Zack-Tanz auf. Nun richtet sich das Weibchen auf und zeigt ihm seinen dicken
Bauch (= Kopfhoch-Balzhaltung). Das Balzverhalten wird weiter fortgesetzt und es kommt
letztlich zum Ablaichen und zur Besamung der Eier. Das Männchen bewacht anschließend das Nest mit den Eiern und fächelt frisches, sauerstoffreiches Wasser zu.
2.1.1 Die Männchen des Dreistachligen Stichlings haben während der Fortpflanzungsperiode
einen intensiv rotgefärbten Bauch. Infiziert man Männchen mit dem häufig auftretenden
krankheitserregenden Parasiten Ichthyophthirius multifiliis, so werden diejenigen blasser
und erkranken, denen ein Resistenzgen gegen den Parasitenbefall fehlt.
Abb. 4: Wahlverhalten des Stichlingsweibchens zwischen unterschiedlich intensiv
gefärbten Männchen5
Beurteilen Sie mithilfe von Abbildung 4 den Paarungserfolg eines infizierten Männchens
ohne Resistenzgen und eines infizierten Männchens mit Resistenzgen, wenn ein Weibchen in einem Laborexperiment die Wahl zwischen diesen beiden Männchen hat!
Legen Sie anhand von zwei Aspekten dar, worin der Nutzen dieses Wahlverhaltens für
die Weibchen besteht!
[8 BE]
(Fortsetzung nächste Seite)
- 14 -
Aufenthaltsdauer beim blassen
Männchen [min]
2.1.2 Unter natürlichen Bedingungen hat das Weibchen meist nicht die Wahl zwischen
gleichzeitig anwesenden Männchen, sondern es trifft nacheinander auf die potenziellen
Partner. Um das Wahlverhalten der Weibchen unter solchen Bedingungen zu
untersuchen, wurde folgender Versuch durchgeführt:
Laichbereite Weibchen verbrachten drei Minuten in einem Becken mit einem intensiv
rotgefärbten Männchen, waren von ihm und seinem Nest aber durch ein Netz getrennt.
Die Weibchen nahmen sofort die Kopfhoch-Balzhaltung ein.
Anschließend wurden die Weibchen nach unterschiedlich langen Pausen in ein Testbecken gesetzt, in dem sich ein blasses Männchen mit seinem Nest befand.
Es wurde die Zeit notiert, in der sich das Weibchen in einer bestimmten Zone in der Nähe
des Männchens aufhielt. Das Ergebnis ist in Abbildung 5 dargestellt.
Die Aufenthaltsdauer des Weibchens beim blassen Männchen entspricht der Intensität
der Balzhandlung des Weibchens.
120
100
80
60
40
20
0
0
10
30
60
Pause nach rotem Männchen [min]
Abb. 5: Aufenthaltsdauer laichbereiter Weibchen in der Nähe eines blassen Testmännchens in Abhängigkeit von der Pause nach einem roten Männchen6
Entwickeln Sie unter Verwendung von ethologischen Fachbegriffen zwei Hypothesen für
das Zustandekommen der unterschiedlichen Aufenthaltsdauer in der Nähe des blassen
Männchens!
[6 BE]
2.2
Der Hecht (Esox lucius) gehört zu den natürlichen Feinden der Stichlinge. Dennoch
meidet ein Hecht, der sich mehrfach beim Fressen von Stichlingen an deren Stacheln
verletzt hat, künftig diese potenziellen Beutetiere.
Erklären Sie das Verhalten des Hechts unter Verwendung von ethologischen Fachbegriffen!
[5 BE]
______
[40 BE]
Abbildungen:
1
verändert nach: H. Bleckmann, J. Mogdans, J. Engelmann, S. Kröther, W. Hanke: Das Seitenliniensystem – Wie
Fische Wasser fühlen. In: Biologie in unserer Zeit. 34. Jg. 2004, Nr. 6, S. 358
2
verändert nach: H. Moßner, G. Sailer, J. Staudinger: Natura 6. Ernst Klett Schulbuchverlage, Stuttgart, 2006, S. 160
3
verändert nach: H. Bleckmann, J. Mogdans, J. Engelmann, S. Kröther, W. Hanke: Das Seitenliniensystem – Wie
Fische Wasser fühlen. In: Biologie in unserer Zeit. 34. Jg. 2004, Nr. 6, S. 361
4
verändert nach: H. Bayerhuber, U. Kull (Hrsg.): Linder Biologie. Schroedel-Verlag, Braunschweig, 2005, S. 229
5
verändert nach: D. Franck: Verhaltensbiologie. Thieme Verlag, Stuttgart, 1997, S. 130
6
verändert nach: D. Franck: Verhaltensbiologie. Thieme Verlag, Stuttgart, 1997, S. 163
- 15 -
C 2 Fische
1
In einem Experiment werden die DNA-Menge pro Zelle sowie der Ploidiegrad (n) der
Zellen während der Spermienbildung und Befruchtung bei einer Fischart untersucht.
1.1
Übertragen Sie das in Abbildung 1 vorgegebene Diagramm auf Ihren Arbeitsbogen und
tragen Sie die zu erwartenden Werte für die DNA-Menge pro Zelle und den Ploidiegrad
der Zellen ein! Begründen Sie jeweils die Werte unter Mitverwendung entsprechender
cytogenetischer Fachbegriffe!
[9 BE]
DNA-Menge
pro Zelle
[rel. Einheiten]
Ploidiegrad (n)
der Zellen
4
n=2
3
2
n=1
1
Urkeimzelle
vor Beginn der
Meiose
Spermium
Zygote
direkt nach der
Befruchtung
Abb. 1: DNA-Menge pro Zelle und Ploidiegrad von Urkeimzelle, Spermium und Zygote
1.2
Beschreiben Sie die beiden Vorgänge, bei denen während der Keimzellenbildung eine
Durchmischung des genetischen Materials stattfindet!
[4 BE]
(Fortsetzung nächste Seite)
- 16 -
2
Viele Fische ernähren sich von Zooplankton. Die Abbildung 2 zeigt im Meer lebende
Tierarten mit ihren im Zooplankton vorkommenden Larven. Jeweils zwei der abgebildeten
Arten sind nahe verwandt.
ausgew. Tier
Larve
ausgew. Tier
A: Entenmuschel
ausgew. Tier
Larve
B: Yoldia
Larve
ausgew. Tier
C: Miesmuschel
Larve
D: Salinenkrebs
Abb. 2: Verschiedene im Meer lebende Tierarten1
Begründen Sie mit Fachbegriffen und unter Bezugnahme auf Abbildung 2, welche Paare
der dort dargestellten Tierarten jeweils nahe miteinander verwandt sind!
[5 BE]
mittlere Länge der Flecken [mm]
Guppies (Poecilia reticulata) stammen ursprünglich aus Südamerika, sind heute aber in
den Tropen weit verbreitet, da sie häufig zur Mückenbekämpfung eingesetzt wurden. Die
Männchen der Endler-Guppies sind in ihrer Grundfarbe silbergrau. Sie bilden schöne,
kräftig orange, grüne und schwarze Farbflecke aus.
Der Wissenschaftler John Endler führte in fünf verschiedenen Flüssen Trinidads (A-E)
Untersuchungen zur Körperfärbung von männlichen Guppies durch. Dabei untersuchte er
die mittlere Fleckenzahl pro Fisch sowie die mittlere Länge der Flecke in Abhängigkeit von
zunehmender Dichte der Raubfeinde.
mittlere Fleckenzahl pro Fisch
3
11
10
9
8
7
A
B
C
D
E
Flüsse A-E mit zunehmender Räuberdichte
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
A
B
C
D
E
Flüsse A-E mit zunehmender Räuberdichte
Abb. 3: Einfluss der Bejagung durch Räuber auf die Farbmuster männlicher Guppies
(Fluss A: geringste Räuberdichte)2
(Fortsetzung nächste Seite)
- 17 -
Interpretieren Sie die Ergebnisse aus Abbildung 3! Erläutern Sie zwei Vorteile einer
auffälligen Körperfärbung bei männlichen Guppies!
[7 BE]
4
Drei nahe verwandte Buntbarsch-Arten zeigen Unterschiede im Fortpflanzungsverhalten:
Haplochromis burtoni ist eine maulbrütende Buntbarsch-Art. Die Eier entwickeln sich im
Maul des Weibchens und auch die Jungfische flüchten sich bei Gefahr dorthin.
Tilapia tholloni ist eine bodenbrütende Buntbarsch-Art, d. h. die Eier werden auf dem
Gewässergrund abgelegt. Beide Eltern bewachen das Gelege.
Pelmatochromis taenius ist ebenfalls Bodenbrüter, verlagert aber seine Eier mehrfach,
indem er sie mit dem Maul transportiert. Zudem werden die frisch geschlüpften Larven für
einige Zeit im Maul behalten.
4.1
Stellen Sie eine begründete Hypothese auf, welche der drei oben beschriebenen
Fortpflanzungsverhaltensweisen evolutionsgeschichtlich die jüngste ist!
4.2
[6 BE]
Je früher bei Haplochromis burtoni die Eier vom Weibchen ins Maul genommen werden,
desto mehr Nachkommen überleben. Die Weibchen nehmen deshalb sofort nach dem
Ablegen die Eier auf, häufig so schnell, dass sie noch nicht von Männchen besamt
werden konnten.
Eiflecken
frisch gelegte Eier
Abb. 4: Haplochromis burtoni (unten Weibchen, oben Männchen)3
Beschreiben Sie mithilfe der Abbildung 4, warum es bei Haplochromis burtoni trotz des
beschriebenen Verhaltens des Weibchens dennoch zu einer Befruchtung kommt!
[4 BE]
4.3
Experimentell soll nachgewiesen werden, ob das Fluchtverhalten der Jungtiere bei
Haplochromis burtoni angeboren ist.
Erläutern Sie die Durchführung eines entsprechenden Experiments und geben Sie die zu
erwartenden Beobachtung an, falls das Verhalten angeboren ist!
[5 BE]
______
[40 BE]
Abbildungen:
1
verändert nach: D. Feldermann: Linder Biologie – Arbeitsbuch. Schroedel-Verlag, Braunschweig, 2005
2
verändert nach: J. R. Krebs, N. B. Davies: Einführung in die Verhaltensökologie. Blackwell Wissenschafts-Verlag,
Berlin, Wien, 1996
3
D. Feldermann: Linder Biologie – Lehrermaterialien. Schroedel-Verlag, Braunschweig, 2007