Abitur Mecklenburg-Vorpommern Biologie 2026 · LK · Leben in der Tiefsee

Lebewesen der Tiefsee

Bis in die siebziger Jahre des letzten Jahrhunderts wurde angenommen, dass in der Tiefsee aufgrund der vorherrschenden extremen Umweltbedingungen keine oder kaum Lebewesen existieren. Inzwischen werden mit moderner Technik viele interessante Lebensformen aus diesen Bereichen der Meere erforscht, darunter auch hoch spezialisierte Miesmuschel- und Bakterienarten mit ihren Stoffwechselwegen.

Material 1: Leben in der Tiefsee

Die Tiefsee beginnt ab ca. 800 m Wassertiefe und zählt zu den wenig erforschten Gebieten der Welt. Das Sonnenlicht dringt nicht bis in diese Bereiche vor, wodurch keine fotosynthetisch aktiven Organismen überleben können und somit diese Nahrungsgrundlage für viele Organismen fehlt. Sauerstoff gelangt nur in geringen Mengen über Meeresströmungen bis in tiefe Wasserschichten. Nur ungefähr ein Prozent der schwebenden Biomasse aus den höher liegenden lichtdurchfluteten Wasserschichten kommt in der Tiefsee an, da der Rest bereits in dem darüber liegenden Freiwasser gefressen wird.

Bei einer Expedition wurde in rund 2.500 m Wassertiefe ein sogenanntes Hydrothermalfeld entdeckt. Hydrothermalfelder bilden in der Tiefsee einen einzigartigen Lebensraum. Aufgrund ihrer Abgeschiedenheit werden diese Bereiche gelegentlich als autarkes Ökosystem, also als unabhängig von äußeren Einflüssen, angesehen.

In das Ökosystem Hydrothermalfeld ragen vulkanische Schlote aus dem Meeresboden. Aus diesen Schloten strömt bis zu 400 °C heißes Wasser, welches mit Mineralstoffen, wie z. B. Schwefelverbindungen, angereichert ist. Um diese heißen Schlote herum wurden zahlreiche Bakterienarten entdeckt, die aus dem mineralstoffhaltigen Wasser Schwefelverbindungen aufnehmen und umwandeln. Die dabei freiwerdende Energie wird für den Aufbau von Kohlenhydraten, wie z. B. Glucose, genutzt. Diese Bakterien bilden die Nahrungsgrundlage für viele Tierarten. Dazu zählen unter anderem Tiefsee-Miesmuscheln, große Röhrenwürmer und Krabben. Diese Tiere ernähren sich auch von den wenigen organischen Schwebstoffen im Wasser. Es wurde ebenfalls beobachtet, dass sich verschiedene räuberisch lebende Fische und Tintenfische aus höher liegenden Wasserschichten trotz des hohen Drucks, der in diesen Tiefen herrscht, von den Tiefsee-Miesmuscheln, Röhrenwürmern und Krabben ernähren. Die größeren Tiere halten sich allerdings nur kurzzeitig für die Nahrungssuche in der Tiefsee auf.

(Quelle: In Anlehnung an Scinexx - Das Wissensmagazin, 2018 und Better Oceans, 2023)

Material 2: Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus

Im Ökosystem Hydrothermalfeld im Bereich der heißen Schlote sind umfangreiche Ansammlungen von Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus zu finden. Bei Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass in der oberen Hautschicht ihrer Kiemen, dem sogenannten Kiemenepithel, schwefeloxidierende Bakterien leben. Sie kommen dort in besonderen Zellen, den Bakteriocyten, vor. Dadurch werden diese Bakterien nicht durch das Wasser weggespült oder von Krebsen gefressen. Des Weiteren gelangen die Bakterien durch den Filtrationsstrom an den Kiemen leichter an Schwefelverbindungen und Sauerstoff. Durch Chemosynthese können die Bakterien die Energie aus Schwefelwasserstoff umwandeln und Kohlenhydrate aufbauen. Diese organischen Produkte nutzen auch andere Organismen wie beispielsweise die Tiefsee-Miesmuscheln als Nahrung. Die Bakterien wiederum verwenden Abbauprodukte aus dem Stoffwechsel der Tiefsee-Miesmuscheln zum Aufbau organischer Substanzen.

(Quelle: In Anlehnung an Kreutzmann & Dubilier, 2016)

Material 3: Schwefeloxidierende Bakterien

Schwefeloxidierende Bakterien in den Bakteriocyten der Tiefsee-Miesmuscheln gewinnen Energie durch Chemosynthese. Dabei findet ähnlich wie bei Pflanzen ein Calvin-Zyklus statt. Diese Bakterien wandeln Schwefelwasserstoff ($\text{H}_2\text{S}$) schrittweise zu Sulfat-Ionen ($\text{SO}_4^{2-}$) um (Abb. 1). Die dabei freiwerdende Energie wird für die Bildung von ATP genutzt. Außerdem wird $\text{NADPH} + \text{H}^+$ oder $\text{NADH} + \text{H}^+$ gebildet. Diese Zwischenprodukte werden anschließend im Calvin-Zyklus der Bakterien zur Produktion von Kohlenhydraten, z. B. Glucose, unter Nutzung von $\text{CO}_2$ verwendet.

Die Gesamtgleichung der Chemosynthese lautet:

$$6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{S} + 6\,\text{O}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 12\,\text{H}^+ + 6\,\text{SO}_4^{2-}$$

Die folgende Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte Modellvorstellung über ausgewählte Prozesse in einer Bakteriocyte.

1

Beschreiben Sie die Besonderheiten des Ökosystems Hydrothermalfeld in der Tiefsee anhand von sechs Umweltfaktoren (M 1).

[6 BE]

Lebewesen der Tiefsee

Bis in die siebziger Jahre des letzten Jahrhunderts wurde angenommen, dass in der Tiefsee aufgrund der vorherrschenden extremen Umweltbedingungen keine oder kaum Lebewesen existieren. Inzwischen werden mit moderner Technik viele interessante Lebensformen aus diesen Bereichen der Meere erforscht, darunter auch hoch spezialisierte Miesmuschel- und Bakterienarten mit ihren Stoffwechselwegen.

Material 1: Leben in der Tiefsee

Die Tiefsee beginnt ab ca. 800 m Wassertiefe und zählt zu den wenig erforschten Gebieten der Welt. Das Sonnenlicht dringt nicht bis in diese Bereiche vor, wodurch keine fotosynthetisch aktiven Organismen überleben können und somit diese Nahrungsgrundlage für viele Organismen fehlt. Sauerstoff gelangt nur in geringen Mengen über Meeresströmungen bis in tiefe Wasserschichten. Nur ungefähr ein Prozent der schwebenden Biomasse aus den höher liegenden lichtdurchfluteten Wasserschichten kommt in der Tiefsee an, da der Rest bereits in dem darüber liegenden Freiwasser gefressen wird.

Bei einer Expedition wurde in rund 2.500 m Wassertiefe ein sogenanntes Hydrothermalfeld entdeckt. Hydrothermalfelder bilden in der Tiefsee einen einzigartigen Lebensraum. Aufgrund ihrer Abgeschiedenheit werden diese Bereiche gelegentlich als autarkes Ökosystem, also als unabhängig von äußeren Einflüssen, angesehen.

In das Ökosystem Hydrothermalfeld ragen vulkanische Schlote aus dem Meeresboden. Aus diesen Schloten strömt bis zu 400 °C heißes Wasser, welches mit Mineralstoffen, wie z. B. Schwefelverbindungen, angereichert ist. Um diese heißen Schlote herum wurden zahlreiche Bakterienarten entdeckt, die aus dem mineralstoffhaltigen Wasser Schwefelverbindungen aufnehmen und umwandeln. Die dabei freiwerdende Energie wird für den Aufbau von Kohlenhydraten, wie z. B. Glucose, genutzt. Diese Bakterien bilden die Nahrungsgrundlage für viele Tierarten. Dazu zählen unter anderem Tiefsee-Miesmuscheln, große Röhrenwürmer und Krabben. Diese Tiere ernähren sich auch von den wenigen organischen Schwebstoffen im Wasser. Es wurde ebenfalls beobachtet, dass sich verschiedene räuberisch lebende Fische und Tintenfische aus höher liegenden Wasserschichten trotz des hohen Drucks, der in diesen Tiefen herrscht, von den Tiefsee-Miesmuscheln, Röhrenwürmern und Krabben ernähren. Die größeren Tiere halten sich allerdings nur kurzzeitig für die Nahrungssuche in der Tiefsee auf.

(Quelle: In Anlehnung an Scinexx - Das Wissensmagazin, 2018 und Better Oceans, 2023)

Material 2: Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus

Im Ökosystem Hydrothermalfeld im Bereich der heißen Schlote sind umfangreiche Ansammlungen von Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus zu finden. Bei Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass in der oberen Hautschicht ihrer Kiemen, dem sogenannten Kiemenepithel, schwefeloxidierende Bakterien leben. Sie kommen dort in besonderen Zellen, den Bakteriocyten, vor. Dadurch werden diese Bakterien nicht durch das Wasser weggespült oder von Krebsen gefressen. Des Weiteren gelangen die Bakterien durch den Filtrationsstrom an den Kiemen leichter an Schwefelverbindungen und Sauerstoff. Durch Chemosynthese können die Bakterien die Energie aus Schwefelwasserstoff umwandeln und Kohlenhydrate aufbauen. Diese organischen Produkte nutzen auch andere Organismen wie beispielsweise die Tiefsee-Miesmuscheln als Nahrung. Die Bakterien wiederum verwenden Abbauprodukte aus dem Stoffwechsel der Tiefsee-Miesmuscheln zum Aufbau organischer Substanzen.

(Quelle: In Anlehnung an Kreutzmann & Dubilier, 2016)

Material 3: Schwefeloxidierende Bakterien

Schwefeloxidierende Bakterien in den Bakteriocyten der Tiefsee-Miesmuscheln gewinnen Energie durch Chemosynthese. Dabei findet ähnlich wie bei Pflanzen ein Calvin-Zyklus statt. Diese Bakterien wandeln Schwefelwasserstoff ($\text{H}_2\text{S}$) schrittweise zu Sulfat-Ionen ($\text{SO}_4^{2-}$) um (Abb. 1). Die dabei freiwerdende Energie wird für die Bildung von ATP genutzt. Außerdem wird $\text{NADPH} + \text{H}^+$ oder $\text{NADH} + \text{H}^+$ gebildet. Diese Zwischenprodukte werden anschließend im Calvin-Zyklus der Bakterien zur Produktion von Kohlenhydraten, z. B. Glucose, unter Nutzung von $\text{CO}_2$ verwendet.

Die Gesamtgleichung der Chemosynthese lautet:

$$6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{S} + 6\,\text{O}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 12\,\text{H}^+ + 6\,\text{SO}_4^{2-}$$

Die folgende Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte Modellvorstellung über ausgewählte Prozesse in einer Bakteriocyte.

2

Analysieren Sie die ökologische Beziehung zwischen schwefeloxidierenden Bakterien und Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus (M 1, M 2). [7 BE]

4

Beschreiben Sie den Energiefluss in einem Ökosystem allgemein. Erläutern Sie die Bedeutung der schwefeloxidierenden Bakterien für das Ökosystem Hydrothermalfeld der Tiefsee (M 1, M 2). [9 BE]

5

Beurteilen Sie die Einordnung von Hydrothermalfeldern als autarke Ökosysteme (M 1, M 2). [8 BE]

Lebewesen der Tiefsee

Bis in die siebziger Jahre des letzten Jahrhunderts wurde angenommen, dass in der Tiefsee aufgrund der vorherrschenden extremen Umweltbedingungen keine oder kaum Lebewesen existieren. Inzwischen werden mit moderner Technik viele interessante Lebensformen aus diesen Bereichen der Meere erforscht, darunter auch hoch spezialisierte Miesmuschel- und Bakterienarten mit ihren Stoffwechselwegen.

Material 1: Leben in der Tiefsee

Die Tiefsee beginnt ab ca. 800 m Wassertiefe und zählt zu den wenig erforschten Gebieten der Welt. Das Sonnenlicht dringt nicht bis in diese Bereiche vor, wodurch keine fotosynthetisch aktiven Organismen überleben können und somit diese Nahrungsgrundlage für viele Organismen fehlt. Sauerstoff gelangt nur in geringen Mengen über Meeresströmungen bis in tiefe Wasserschichten. Nur ungefähr ein Prozent der schwebenden Biomasse aus den höher liegenden lichtdurchfluteten Wasserschichten kommt in der Tiefsee an, da der Rest bereits in dem darüber liegenden Freiwasser gefressen wird.

Bei einer Expedition wurde in rund 2.500 m Wassertiefe ein sogenanntes Hydrothermalfeld entdeckt. Hydrothermalfelder bilden in der Tiefsee einen einzigartigen Lebensraum. Aufgrund ihrer Abgeschiedenheit werden diese Bereiche gelegentlich als autarkes Ökosystem, also als unabhängig von äußeren Einflüssen, angesehen.

In das Ökosystem Hydrothermalfeld ragen vulkanische Schlote aus dem Meeresboden. Aus diesen Schloten strömt bis zu 400 °C heißes Wasser, welches mit Mineralstoffen, wie z. B. Schwefelverbindungen, angereichert ist. Um diese heißen Schlote herum wurden zahlreiche Bakterienarten entdeckt, die aus dem mineralstoffhaltigen Wasser Schwefelverbindungen aufnehmen und umwandeln. Die dabei freiwerdende Energie wird für den Aufbau von Kohlenhydraten, wie z. B. Glucose, genutzt. Diese Bakterien bilden die Nahrungsgrundlage für viele Tierarten. Dazu zählen unter anderem Tiefsee-Miesmuscheln, große Röhrenwürmer und Krabben. Diese Tiere ernähren sich auch von den wenigen organischen Schwebstoffen im Wasser. Es wurde ebenfalls beobachtet, dass sich verschiedene räuberisch lebende Fische und Tintenfische aus höher liegenden Wasserschichten trotz des hohen Drucks, der in diesen Tiefen herrscht, von den Tiefsee-Miesmuscheln, Röhrenwürmern und Krabben ernähren. Die größeren Tiere halten sich allerdings nur kurzzeitig für die Nahrungssuche in der Tiefsee auf.

(Quelle: In Anlehnung an Scinexx - Das Wissensmagazin, 2018 und Better Oceans, 2023)

Material 2: Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus

Im Ökosystem Hydrothermalfeld im Bereich der heißen Schlote sind umfangreiche Ansammlungen von Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus zu finden. Bei Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass in der oberen Hautschicht ihrer Kiemen, dem sogenannten Kiemenepithel, schwefeloxidierende Bakterien leben. Sie kommen dort in besonderen Zellen, den Bakteriocyten, vor. Dadurch werden diese Bakterien nicht durch das Wasser weggespült oder von Krebsen gefressen. Des Weiteren gelangen die Bakterien durch den Filtrationsstrom an den Kiemen leichter an Schwefelverbindungen und Sauerstoff. Durch Chemosynthese können die Bakterien die Energie aus Schwefelwasserstoff umwandeln und Kohlenhydrate aufbauen. Diese organischen Produkte nutzen auch andere Organismen wie beispielsweise die Tiefsee-Miesmuscheln als Nahrung. Die Bakterien wiederum verwenden Abbauprodukte aus dem Stoffwechsel der Tiefsee-Miesmuscheln zum Aufbau organischer Substanzen.

(Quelle: In Anlehnung an Kreutzmann & Dubilier, 2016)

Material 3: Schwefeloxidierende Bakterien

Schwefeloxidierende Bakterien in den Bakteriocyten der Tiefsee-Miesmuscheln gewinnen Energie durch Chemosynthese. Dabei findet ähnlich wie bei Pflanzen ein Calvin-Zyklus statt. Diese Bakterien wandeln Schwefelwasserstoff ($\text{H}_2\text{S}$) schrittweise zu Sulfat-Ionen ($\text{SO}_4^{2-}$) um (Abb. 1). Die dabei freiwerdende Energie wird für die Bildung von ATP genutzt. Außerdem wird $\text{NADPH} + \text{H}^+$ oder $\text{NADH} + \text{H}^+$ gebildet. Diese Zwischenprodukte werden anschließend im Calvin-Zyklus der Bakterien zur Produktion von Kohlenhydraten, z. B. Glucose, unter Nutzung von $\text{CO}_2$ verwendet.

Die Gesamtgleichung der Chemosynthese lautet:

$$6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{S} + 6\,\text{O}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 12\,\text{H}^+ + 6\,\text{SO}_4^{2-}$$

Die folgende Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte Modellvorstellung über ausgewählte Prozesse in einer Bakteriocyte.

3 Vergleichen Sie tabellarisch die Stoffwechselprozesse der schwefeloxidierenden Bakterien mit denen von fotoautotrophen Organismen anhand von fünf Kriterien (M 3). [10 BE]