Aufgabe 1 - Evolutionsfaktoren und Artbildung · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2022

Material A: Carabus auronitens – ein heimischer Laufkäfer

Der große flugunfähige Laufkäfer Carabus auronitens gehört durch sein goldrot glänzendes Außenskelett zu den auffälligen einheimischen Laufkäfern des Münsterlands. Außerhalb von Wäldern ist er nicht oder nur selten anzutreffen. Tagsüber hält sich C. auronitens verborgen in der Laubstreu auf und wird erst nach Eintritt der Dunkelheit aktiv, um nach Regenwürmern und anderen Wirbellosen zu jagen. Die tägliche Laufstrecke während der aktiven Zeit beträgt durchschnittlich acht Meter.

Von Ende März bis Mai paaren sich die Tiere und die Weibchen legen 20 bis 40 Eier ab. Spätestens Mitte Juni verkriechen sich die Käfer an feuchten Stellen unter Moos. Sie überdauern dort bis zum nächsten Frühjahr für fast neun Monate. Während dieser Ruhezeit ernähren sie sich ausschließlich von ihrem im Frühjahr angefressenen Fettkörper. Die Käfer können bis zu fünf Mal überwintern und sich fortpflanzen.

In einer Langzeitstudie über 13 Jahre wurde der Einfluss des Faktors Temperatur auf die Netto-Reproduktionsrate einer Laufkäferpopulation untersucht (Abbildung 1). Die Netto-Reproduktionsrate gibt die Anzahl weiblicher Käfer an, die ein Weibchen in einer Generation produziert. Liegt dieser Wert über eins, ist der Artbestand gesichert.

Material B: Evolution auf kleinstem Raum

Im Rahmen von Untersuchungen zur Ausbreitung des Laufkäfers in Westeuropa wurde 1989 die Verteilung von zwei Allelen eines Gens für das Enzym Hämolymph-Esterase an 19 verschiedenen Standorten im Münsterland ermittelt. Dieses Enzym ist an vielen Stoffwechselreaktionen beteiligt und findet sich in zwei gleichermaßen funktionsfähigen Formen in der Körperflüssigkeit der Käfer. Das S-Allel codiert die S-Form, das F-Allel die F-Form der Hämolymph-Esterase.

Die Baumberge und die Davert gelten als die ältesten Waldgebiete des Münsterlands. Fast alle anderen Wälder des Münsterlandes wurden im Mittelalter gerodet und dienten der Gewinnung von Brennmaterial, sodass es im 19. Jahrhundert keinerlei zusammenhängende Waldflächen mehr gab. Im 20. Jahrhundert erhöhte sich durch Wiederaufforstungen der Waldanteil erheblich.

Material C: Freilanduntersuchungen im Münsterland

In einem Freilandversuch wurde der Einfluss von Selektion auf die Frequenz der S- und F-Allele des Hämolymph-Esterase-Gens der münsterländischen Carabus auronitens -Populationen untersucht. Dazu wurde am Standort C (Abbildung 2) die dortige Carabus auronitens -Population mit Plexiglas bodentief eingezäunt, sodass keine Einwanderung aus den anderen benachbarten münsterländischen Carabus -Populationen mehr möglich war.

Über fünf Jahre wurden im Frühjahr die Tiere an diesem Standort in Bodenfallen gesammelt. Bei jedem Erstfang eines weiblichen Käfers wurde der Genotyp für das Enzym Hämolymph-Esterase bestimmt und die Tiere entsprechend markiert. Aus der Zahl aller Erstfänge und der Zahl der Wiederfänge von schon markierten weiblichen Käfern in den darauffolgenden Jahren wurde die Allelfrequenz des S-Allels und des F-Allels in der Gesamtpopulation der Käferweibchen für das jeweilige Jahr berechnet (Abbildung 3).

In einer weiteren Freilandstudie ermittelte man 2006 erneut die Frequenzen des S-Allels und des F-Allels und deren Verteilung an den 19 Standorten der Erstuntersuchung von 1989 (Material B, Abbildung 2). Es zeigte sich eine Zunahme der Frequenz des F-Allels in den Populationen im Bereich der Baumberge sowie eine Zunahme der Frequenz des S-Allels in den Populationen im Bereich der Davert.

2.

Fassen Sie zusammen, wie sich die Allele des Hämolymph-Esterase-Gens im Münsterland verteilen, wie es Abbildung 2 zeigt (Material B). Geben Sie an, wie der Begriff Gendrift definiert wird, und entwickeln Sie auf dieser Grundlage eine evolutionsbiologisch begründete Hypothese, die die in Abbildung 2 gezeigte Allelverteilung erklärt (Materialien A und B). (16 Punkte)

3.

Erklären Sie, wie Selektion die Allelfrequenz eines Gens beeinflusst. Fassen Sie die Untersuchungsergebnisse aus Abbildung 3 zusammen (Material C). Beurteilen Sie, ob die Allelverteilung des Hämolymph-Esterase-Gens im Münsterland durch Selektion entstanden sein kann (Materialien A bis C). (19 Punkte)