GYMNASIUM MUTTENZ MATURITÄTSPRÜFUNGEN 2014 SPF
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Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 GYMNASIUM MUTTENZ MATURITÄTSPRÜFUNGEN 2014 SPF: Biologie KLASSE/N: Viel Erfolg! Dauer der Prüfung: 4h Max. Punktzahl: 60.75 Alle Aufgaben werden bewertet Stoffwechsel Neurologie Genetik Sinnesphysiologie Muskel A1 3.25P B1 2 C1 3.25 A2 2.5 B2 6.75 C2 3 A3 5 B3 7.25 C3 5.75 A4 2 B4 2.5 C4 2.25 A5 2.5 B5 5.75 C5 1.25 B6 5.75 Total 15.25 30 15.5 1 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet A: Stoffwechsel Aufgabe A1 Organismen sind offene Systeme. Heterotrophe Organismen nehmen energiereiche Stoffe auf, bauen diese über verschiedene Stoffwechselprozesse ab, um biologisch verwertbare Energie und Bausteine zum Aufbau der Zellstrukturen und der extrazellulären Bestandteile des Organismus zu erhalten. Um eine ausreichende Versorgung aller Zellen zu gewährleisten, sind höher entwickelte Tiere mit Organsystemen ausgestattet, die auf Substanzabbau, Substanzverteilung und Entsorgung spezialisiert sind. * Abb.1 Organsystem von Wirbeltieren, die dem Substanzabbau, der Substanzverteilung und der Entsorgung dienen, so wie sie bei Säugetieren vorliegen. a. Beschriften Sie alle die in der Abbildung mit Linien markierten Organe und nennen ihre wichtigsten Funktionen. (2,25 P) b. Welche Ausscheidungsformen für Abbauprodukte des Protein- und Nukleinsäurestoffwechsels gibt es im Tierreich? Namen genügen! (0,75 P) c. Welche Gemeinsamkeit in Konstruktionsprinzip haben alle im obigen Bild markierten Organe. (0,25 P) 2 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet A: Stoffwechsel Aufgabe A2 Der Transport der Atemgase ist eine der wichtigsten Funktionen des Blutes. Benennen Sie den Zelltyp, in dem Sauerstoff transportiert wird, mit einem Fachbegriff. (0,25P) b. Nennen Sie 3 spezifische Anpassungen dieses Zelltyps, ausser dem Besitz von Hämoglobin. (0,75 P) c. Skizzieren Sie grobschematisch und beschriften Sie den Aufbau eines mit Sauerstoff beladenen Hämoglobins. (1,5 P) Platz für Skizze a. 3 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet A: Stoffwechsel Aufgabe A3 Herzmuskelzellen weisen wie Muskelfasern eine Querstreifung auf. Die Besonderheit des Herzens gegenüber den Skelettmuskeln ist, dass das Herz selbsterregend ist. Dennoch ist das Herz in seiner Schlagfrequenz anpassungsfähig, indem es über bestimmte Anteile des peripheren Nervensystems (PNS) innerviert wird. Abb. 2 Erregungsausbreitung über das Herz. a. Nennen Sie, welcher Teil des PNS zu einer Erhöhung des Pulses und welcher zu einer Verringerung des Pulses führt. (0,5 P) b. Schildern Sie anhand der Abb. 2 den Weg der Erregungsausbreitung über das Herz. (1,75 P) c. Angenommen ein Herzinfarkt führt zum Absterben des Gewebeteils, in dem der primäre Schrittmacher lokalisiert ist. Wie ist der vermutliche Verlauf des EKGs des geschädigten Herzens? Vergleichen Sie ihn mit dem EKG eines gesunden Herzens, indem Sie den EKGVerlauf der beiden EKGs in das untere Diagramm zeichnen und die Zacken und Wellen beider EKGs beschriften. (2,75 P) gesundes Herz krankes Herz Zeit 0s 1s 2s 4 3s Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet A: Stoffwechsel Aufgabe A4 Beim Menschen liegt ein doppeltes Kreislaufsystem vor. a. Worin liegt der Vorteil eines solchen doppelten Kreislaufsystems gegenüber einem einfachen, wie es beispielsweise bei einer Forelle vorliegt? (1 P) Abb. 3: Doppeltes Kreislaufsystem beim Menschen b. Worin liegt der Vorteil eines vierkammerigen Herzens im Vergleich zu einem dreikammerigen, wie es beim Frosch vorliegt? (1 P) 5 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet A: Stoffwechsel Aufgabe A5 Abb. 4: Exkretionssystem beim Menschen a. Beschriften Sie an den markierten Stellen die Bestandteile des menschlichen Exkretionssystems. (1,5 P) b. Bier wirkt diuretisch (harntreibend). Markieren Sie in der Abbildung, wo der Angriffspunkt einer diuretisch wirksamen Substanz des Bieres ist und erläutern, wie sie zur Diurese führt. (1 P) 6 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet B: Neurobiologie, Sinnesphysiologie, Muskel Aufgabe B1 Tiere besitzen als einzige Organismen der Domäne der Eukarya ein Nervensystem. Bereits sehr einfach organisierte Tiere, wie die in der unteren Abbildung gezeigte Hydra, besitzen ein Nervensystem. Das Nervensystem des Menschen mit seinem Gehirn ist sicherlich die komplexeste Struktur, die die Natur jemals hervorgebracht hat. (A) (B) Abb. 5: (A) Hydra mit angedeutetem Nervensystem, (B) Mensch mit Gehirn, Rückenmark und Hirnund Spinalnerven. a. Zeigen Sie anhand von drei Beispielen ausserhalb der Klasse der Wirbeltiere die zunehmende Komplexität der Nervensysteme im Tierreich. (2 P) 7 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet B: Neurobiologie, Sinnesphysiologie, Muskel Aufgabe B2 In früheren Zeiten war man der Ansicht, dass die Erregungsleitung im Nerv mit nahezu Lichtgeschwindigkeit erfolgt. Heute weiss man es besser! Die Abbildung zeigt, wie erstmals experimentell die Leitungsgeschwindigkeit in einem Neuron gemessen wurde. a. Skizzieren und beschriften Sie den Aufbau eines myelinisierten Motoneurons, das mit einer anderen Nervenzelle oder einer Muskelfaser in Verbindung steht. (3 P) Platz für Skizze Abb. 6: Versuchsaufbau zur Messung der Erregungsleitung in Nerven Tetraethylammonium ist ein selektiver Blocker spannungsabhängiger Na+-Kanäle in Neuronen. Markieren Sie in Ihrer gesamten Zeichnung diejenigen Bereiche rot, in denen spannungsabhängige Na+-Kanäle vorliegen. (0,75 P) c. Zeichnen Sie ein Diagramm das die Spannung in Abhängigkeit der Zeit eines Aktionspotenzials darstellt. Beschriften Sie die Achsen mit sinnvollen Einheiten. Geben für jede Phase des Aktionspotenzials an, welche Ionenkanäle geöffnet sind. Stellen Sie dem ungehemmten zeitlichen Verlauf eines Aktionspotenzials den Verlauf mit schwach wirksamen Dosen Tetraethylammonium im gleichen Diagramm gegenüber. (3 P) Platz für Skizze b. 8 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet B: Neurobiologie, Sinnesphysiologie, Muskel Aufgabe B3 Monosynaptische Reflexbögen zählen zu den einfachsten neuronalen Verschaltungen, die es im Nervensystem von Wirbeltieren gibt. Die Reaktion auf einen Reiz erfolgt ohne die Kontrolle des Gehirns. Die Verschaltung der Neurone erfolgt direkt im Rückenmark. Der Kniesehnenreflex ist ein weit bekanntes Beispiel, der zumindest teilweise eine solche monosynaptische Verschaltung von Neuronen aufweist. Abb. 7: Die Dehnung des Unterschenkelstreckers durch einen Schlag auf die Kniesehne führt zum Ausschlagen des Unterschenkels nach oben. a. Skizzieren und beschriften Sie in der obigen Abbildung den Querschnitt durch das Rückenmark und den direkt damit verbundenen Strukturen des peripheren Nervensystems (PNS) so, dass der Aufbau des monosynaptischen Reflexbogens vervollständigt wird. (2,5 P) b. Zeichnen Sie in Ihrer Skizze farbig den Verlauf und die Verschaltung der Neuronen des Kniesehnenreflexes ein und bezeichnen die Neuronen. (2 P) c. Beschreiben Sie die Prozesse, die bei der Erregungsübertragung an einer erregenden Synapse im Rückenmark ablaufen. Beginnen Sie mit dem Ankommen eines Aktionspotenzials des präsynaptischen Neurons und enden mit der Ausbildung eines EPSP beim postsynaptischen Neuron. (2,75 P) 9 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet B: Neurobiologie, Sinnesphysiologie, Muskel Aufgabe B4 Skelettmuskeln zählen zur quergestreiften Muskulatur a. Beschriften Sie die untere Abbildung an den gekennzeichneten Stellen. (1,5 P) Abb. 8: Aufbau eines Skelettmuskels b. Schildern Sie die Rolle von Ca2+ bei der Muskelkontraktion (1 P) 10 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet B: Neurobiologie, Sinnesphysiologie, Muskel Aufgabe B5 a. Beschriften Sie die Bestandteile des Auges an den markierten Stellen. (3 P) Abb. 9: Wirbeltierauge b. Skizzieren Sie den Strahlengang bei einem weitsichtigen Auge. Beschreiben und skizzieren Sie ebenfalls eine Korrekturmöglichkeit. (Lineal benutzen!) (1,25 P) c. Beschreiben Sie den Akkomodationsprozess bei der Annäherung des Objekts aus dem “Unendlichen” in den Nahbereich. (1,5 P) 11 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet B: Neurobiologie, Sinnesphysiologie, Muskel Aufgabe B6 Lichtrezeption wurde in der Evolution bereits sehr früh entwickelt. Lichtrezeptoren findet man bei Prokaryoten, Protisten, Pflanzen, Pilzen und Tieren. Die Abbildung zeigt eine auf Lichtrezeption spezialisierte Sinneszelle des Menschen. Abb. 10: Lichtsinneszelle in der Retina des Menschen Zeichnen Sie in die obige Abbildung die Bereiche ein, in denen sich die Lichtrezeptormoleküle befinden und zeigen die Richtung des Lichteinfalls. (0,5 P) b. Skizzieren Sie in groben Zügen den Aufbau der Netzhaut und beschriften die verschiedenen Zelltypen. (2,5 P) Platz für Skizze a. 12 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 c. Schildern Sie mit Hilfe der unteren Abbildung die wesentlichen Schritte, die bedingt durch das Licht eine Änderung des Membranpotenzials bewirken. (2,25 P) d. Skizzieren Sie mit Hilfe der unteren Abbildung den Verlauf des Membranpotenzials an der Rezeptorzelle beim Übergang von dunkel zu hell. (0,5 P) dunkel Abb. 11: Signaltransduktionskaskade in Lichtsinneszellen der Retina PDE = Phosphodiesterase 13 hell Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet C: Genetik Aufgabe C1 Meselson und Stahl konnten erstmals mit Hilfe von 15N-Markierung und Dichtegradientenzentrifugation eine semikonservative Replikation bei Bakterien nachweisen. a. Zeichnen Sie in die unten abgebildeten Zentrifugenröhrchen die Position der DNA-Banden nach einer und zwei Replikationsrunden und in das unterste Röhrchen die Position der 14Nund 15N-Marker. Ordnen Sie den Markierungen die Nuklidmarkierung zu. (1.25 P) DNA-Banden nach erster Replikationsrunde DNA-Banden nach zweiter Replikationsrunde DNA-Banden der 14N- und 15N-Marker b. In welcher Phase des Zellzyklus läuft der gezeigte Prozess ab? (0,25 P) c. Beschriften Sie die Abbildung an den markierten Stellen. (1,25 P) d. Markieren Sie in der Abbildung den Leitstrang. (0,25 P) e. Worin besteht die Aufgabe der Ligase beim gezeigten Prozess? (0,25 P) Abb. 12: Replikationsgabel 14 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet C: Genetik Aufgabe C2 PCR Eine technische Anwendung der DNA-Vermehrung ist die Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR polymerase chain reaction). Die PCR ermöglicht - ausgehend von einem einzigen DNA Molekül eine milliardenfache Vervielfältigung eines bestimmten DNA-Abschnitts. Der Verlauf der PCR wird durch unterschiedliche Temperaturen eines sogenannten Thermocyclers gesteuert. a. Geben Sie an, welche Stoffe außer der zu vermehrenden DNA in einen PCR Ansatz gelöst sein müssen, damit eine vielfach wiederholte DNA-Verdoppelung erfolgen kann (ohne Begründung). (1,5 P) b. Ergänzen Sie sinnvolle Temperaturen auf der Temperaturskala der unten stehenden Abbildung und beschreiben, welcher Prozess jeweils bei den Temperaturbereichen 1, 2 und 3 abläuft. (1,5 P) Abb. 13: Temperaturverlauf eines PCR Zyklus 15 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet C: Genetik Aufgabe C3 Ablauf der Translation a. Welcher Prozess erfolgt bei der Translation und in welchem Zellkompartiment erfolgt er bei eukaryotischen Zellen? (0,5 P) Skizzieren Sie den Initiationskomplex der Translation. (1,25 P) Platz für Skizze b. 16 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 c. Markieren Sie in der unteren Abbildung (Abb. 14) die Ableserichtung der mRNA mit einem Pfeil. (0,25P) d. Nummerieren Sie die Teilabbildungen entsprechend ihrer zeitlichen Abfolge. (0,5 P) e. Ergänzen Sie an den tRNA-Molekülen der Abbildung, an die eine Aminosäure gebunden ist, die fehlenden Aminosäuren oder Peptide. Markieren Sie entladene t-RNAs mit E (= entladen). (1,75 P) f. Skizzieren Sie eine t-RNA, mit deren Hilfe Tryptophan (Trp) übertragen werden kann. Kennzeichnen Sie die verschiedenen Bereiche der t-RNA und ordnen das 3' und 5'-Ende zu. (1,5 P) Abb. 14: Oben: Zeitliche Ausschnitte der Translation, Unten: Code-Sonne. 17 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet C: Genetik Aufgabe C4 In einem Experiment sollte die Hypothese untersucht werden, ob UV-Strahlen das Wachstum von Hefezellen beeinflussen, weil die Strahlung direkt Proteine schädigt oder ob eine Schädigung des Erbmaterials vorliegt. Zu diesem Zweck wurden Hefezellen nacheinander mit UV-Strahlen verschiedener Wellenlängen bestrahlt und die entsprechenden Mutationsraten ermittelt. Das Ergebnis ist in der unteren Abbildung gezeigt. Abb. 15: Schädigung von Hefezellen durch UV-Strahlung und Absorption von DNA und Protein. a. Entscheiden Sie, ob die oben formulierte Hypothese zutrifft. Begründen Sie Ihre Entscheidung mit Daten, die mit dem Experiment gewonnen wurden. (1,25 P) b. Ergänzen Sie im obigen Diagramm das von Ihnen erwartete Ausmass der Schädigung der Hefezellen im Bereich von 230 bis 240 nm und begründen Ihre Erwartung. (1 P) 18 Gymnasium Muttenz: Biologie schriftlich, 2014 Themengebiet C: Genetik Aufgabe C5 a. Erläutern und begründen Sie die Vererbung der Kurzfingrigkeit anhand dieses Familienstammbaums. (0.75 P) b. Nennen Sie für 1, 4 und 20 die Genotypen in Bezug auf das angegebene Merkmal. (0.5 P) 19
