Aufgabe Vorschlag C - Aufgabe 1: Trophieebenen · Abitur Hessen Biologie LK 2022

Koffeinjunkies bei Käfern, Bakterien und Menschen

(Genetik und Gentechnik, ökologische und stoffwechselphysiologische Zusammenhänge, Neurobiologie und Verhaltensbiologie)

Nach einer Legende soll die anregende Wirkung von Kaffeefrüchten äthiopischen Ziegenhirten aufgefallen sein, als ihre Tiere davon fraßen. Der wirksame Inhaltsstoff ist Koffein. In höheren Dosen ist es für viele Lebewesen ein Nervengift, welches manche Pflanzen als Fraßschutz nutzen. Kleine Käfer, die nahezu ihr ganzes Leben in den giftigen Kaffeebohnen verbringen, haben sich mithilfe von Bakterien an diesen Lebensraum angepasst. Menschen nehmen Koffein zu sich, um länger wach zu bleiben – allerdings mit mehr oder weniger gutem Erfolg, wie Untersuchungen zeigten.

Material 1

Der Kaffeestrauch

Ursprünglich im äthiopischen Bergland in Afrika beheimatet, wird heute Kaffee rund um die Äquatorregion angebaut. In Kaffeeplantagen findet sich zu etwa 60% die Art Coffea arabica (Bergkaffee), auf die sich die nachfolgenden Informationen beziehen. C. arabica ist eine anspruchsvolle, bis zu 4 m große Pflanze, die nur in Höhen von 600 bis 2000 m mit hohen Niederschlagsmengen, humusreichen Böden und in einem engen Temperaturbereich von 18 bis 25 °C gedeiht. Je nach Höhe über dem Meeresspiegel, der jährlichen Niederschlagsverteilung und der Temperatur blüht der Kaffeestrauch einmal oder mehrmals im Jahr. Voraussetzung für die Blütenbildung sind ausgiebige Regenfälle. Die Reifung der Früchte dauert ca. 7 bis 9 Monate, die Farbe wechselt mit zunehmendem Reifungsgrad von grün über gelb zu rot. Die reifen Früchte, die man auch Kaffeekirschen nennt, verströmen einen alkoholartigen Geruch. Kaffeekirschen enthalten in der Regel zwei grüne Samen, die wir als Kaffeebohnen bezeichnen. Das Koffein wird in jungen Blättern synthetisiert und während der Reifezeit in die Früchte transportiert. Nicht alle Früchte reifen gleichzeitig, sodass sich die Ernte über zehn bis zwölf Wochen hinzieht.

Material 2

Der Kaffeeschädling Nummer 1

Unter den Kaffeezüchtern ist der noch nicht einmal 2 mm große Kaffeekirschenkäfer ( Hypothenemus hampei) als Schädling gefürchtet. Der jährliche Schaden wird auf 500 Millionen US-Dollar beziffert. Obwohl das giftige Koffein in den Kaffeebohnen als Fraßschutz dienen soll, schafft es der Kaffeekirschenkäfer als einziges Insekt, nahezu seinen kompletten Lebenszyklus versteckt in den Kaffeekirschen zu verbringen und die Kaffeebohnen als Nahrung zu nutzen.

Befruchtete weibliche Käfer fliegen bevorzugt reife Früchte an. An der Spitze der Kaffeekirsche bohrt der Käfer einen Gang, der zu einer der beiden Kaffeebohnen führt. Je nach klimatischen Bedingungen (Luftfeuchtigkeit und Temperatur) und Nährstoffgehalt der Kaffeebohnen können in der Kaffeekirsche mehrere Generationen von Kaffeekirschenkäfern heranwachsen. Frisch geschlüpfte Käfer verpaaren sich noch in der Kaffeekirsche, allerdings sind die kleineren Männchen aufgrund verkümmerter Flügel nicht flugfähig und verlassen die Kaffeekirsche nicht. Auch die Weibchen sind keine guten Flieger und können nur Strecken von bis zu 500 Metern zurücklegen. Zwischen den Reifezeiten der Kaffeebohnen können sie aber mühelos mehrere Monate in den heruntergefallenen Früchten überleben. Der kleine Käfer hat viele Feinde, z. B. steht er auf dem Speisezettel von Ameisen und Vögeln. Winzige Wespen wie die Art Cephalonomia stephanoderis suchen die Bohrgänge von befallenen Kaffeekirschen auf, um dort ebenfalls ihre Eier abzulegen. Die Larven und Puppen der Käfer dienen als Nahrung für die Wespenlarven. In dem feuchten, regenreichen Klima müssen sich die Käfer auch gegen Pilze wie Beauveria bassiana wehren. Wenn Pilzsporen (einzellige Fortpflanzungseinheiten) den Käfer infizieren, bilden sich Pilzgeflechte im Käfer aus. Der Pilz ernährt sich von dem Käfer und führt zu dessen Tod.

1 Ordnen Sie Kaffeestrauch, Wespe und Käfer jeweils einer Trophiestufe zu. (Material 1 und 2)