Aufgabe 3 - Evolutionsfaktoren und Artbildung · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2022

Thema: Evolutionsfaktoren und Artbildung · Aus der Prüfung GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg (Kolleg) (2022)

Aufgabenstellung

Thema: Schwefelwasserstofftoleranz bei Zahnkärpflingen

Material A: Atlantik-Kärpflinge in schwefelwasserstoffhaltigen Flussabschnitten

Der Atlantik-Kärpfling ( Poecilia mexicana), der zur Familie der Zahnkärpflinge gehört, lebt in küstennahen Flussabschnitten entlang der Atlantikküste von Nordmexiko bis in die nördlichen Gebiete Costa Ricas. Poecilia mexicana ist eine sehr variable Art, sodass sich die einzelnen Populationen in ihren Merkmalen leicht voneinander unterscheiden.

Einige Populationen des Atlantik-Kärpflings können in schwefelwasserstoffhaltigen und sauerstoffarmen Flussabschnitten im Süden Mexikos überleben. Schwefelwasserstoff (H 2 S) ist ein farbloses und wasserlösliches Gas. Es stammt aus vulkanischen Quellen und kann außerdem unter Sauerstoffmangel bei der Zersetzung organischen Materials gebildet werden. Schwefelwasserstoff ist für die meisten Organismen giftig oder sogar tödlich. Atlantik-Kärpflinge, die in schwefelwasserstoffhaltigen Flussabschnitten überlebensfähig sind, geben den Schwefelwasserstoff über ihr Körpergewebe ab. Die Atlantik-Kärpflinge in schwefelwasserstoffhaltigen Flussabschnitten ernähren sich von den Larven einer bestimmten Zuckmückenart, die ebenfalls schwefelwasserstofftolerant ist. Die Angepasstheiten der schwefelwasserstofftoleranten Fische beruhen auf genetischen Veränderungen in den Populationen.

Material B: COX-Aktivität bei Zahnkärpflingen

Schwefelwasserstoff bindet im aktiven Zentrum der Cytochrom-c-Oxidase (COX), einem zentralen Enzym der Zellatmung. Schwefelwasserstoff blockiert die Bindungsstelle des Enzyms für Sauerstoff und vermindert so die Aktivität der Cytochrom-c-Oxidase. Dadurch kommt es zur Hemmung der gesamten Zellatmung, sodass letztlich die ATP-Gewinnung beeinträchtigt wird.

Die COX-Aktivität unterschiedlicher Populationen von Poecilia mexicana aus zwei verschiedenen Flüssen Mexikos, dem Pichucalco (Pich) und dem Puycatengo (Puy) wurde untersucht (Tabelle 1). Diese Flüsse weisen sowohl nicht-schwefelwasserstoffhaltige als auch schwefelwasserstoffhaltige Abschnitte auf. Neben den Atlantik-Kärpflingen kommen in Mexiko auch Schwefel-Kärpflinge ( Poecilia sulphuraria) vor. Diese leben ausschließlich im schwefelwasserstoffhaltigen Quellbereich des Flusses Pichucalco isoliert von den anderen Zahnkärpflingen. Die Population P. mexicana limantouri stammt aus einem 500 Kilometer entfernten, geografisch getrennten Flusslauf.

Tabelle 1: COX-Aktivität bei Populationen von Zahnkärpflingen mit unterschiedlichem Lebensraum H 2 S-Gehalt · Lebensraum · Art

[Population] · relative COX-Aktivität

ohne H 2 S · bei 0,5 µM H 2 S

H 2 S-frei · Flüsse Mittelamerikas · Poecilia mexicana limantouri · 100 % · 52 %

Puycatengo · Poecilia mexicana mexicana

[Puy –H 2 S] · 100 % · 65 %

Pichucalco · Poecilia mexicana mexicana

[Pich –H 2 S] · 100 % · 27 %

H 2 S-haltig · Puycatengo · Poecilia mexicana mexicana

[Puy +H 2 S] · 100 % · 109 %

Pichucalco · Poecilia sulphuraria · 100 % · 108 %

Material C: Molekulare Veränderungen im cox1 -Gen

Die molekularen Veränderungen der Cytochrom-c-Oxidase wurden genauer untersucht. Dabei wurde das cox1 -Gen bei Zahnkärpflingen analysiert, das für die Untereinheit I der Cytochrom-c-Oxidase codiert. Es handelt sich um ein Gen der mitochondrialen DNA.

Material D: Evolution der Zahnkärpflinge

Um die Verwandtschaftsverhältnisse der verschiedenen Populationen schwefelwasserstofftoleranter und nicht-schwefelwasserstofftoleranter Fische der Gattung Poecilia zu untersuchen, wurde ein phylogenetischer Stammbaum berechnet (Abbildung 1). Dazu wurden mitochondriale DNA-Sequenzen der Fische verwendet. Der letzte gemeinsame Vorfahre aller dargestellten Populationen lebte wahrscheinlich in schwefelwasserstoffarmen Gewässern.

Material E: Codesonne und Tabelle zum mitochondrialen genetischen Code

Thema: Schwefelwasserstofftoleranz bei Zahnkärpflingen

1. Leiten Sie ab, welche Selektionsvorteile sich für den Atlantik-Kärpfling aus der Besiedlung von Flussabschnitten mit Schwefelwasserstoff ergeben könnten (Material A). Geben Sie für zwei Evolutionsfaktoren jeweils eine Definition an und entwickeln Sie unter Anwendung der Synthetischen Evolutionstheorie eine Hypothese dazu, wie die schwefelwasserstofftoleranten Populationen entstanden sind (Material A).

[18 Punkte]

a)

b)

c)

Aufgabenstellung: Aufgabe 3 - Evolutionsfaktoren und Artbildung · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2022

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

Leiten Sie ab, welche Selektionsvorteile sich für den Atlantik-Kärpfling aus der Besiedlung von Flussabschnitten mit Schwefelwasserstoff ergeben könnten (Material A).

Lösung: Mögliche Selektionsvorteile sinngemäß: - Da Schwefelwasserstoff für die meisten anderen Fische giftig oder sogar tödlich ist, finden die Atlantik-Kärpflinge einen nahezu konkurrenzfreien Lebensraum vor. - Die Nahrungsspezialisierung der Kärpfling-Populationen auf Zuckmückenlarven, die ebenfalls schwefelwasserstofftolerant sind, ermöglicht es den Kärpfling-Populationen, auch in diesem extremen Lebensraum Nahrung zu finden. - Im Lebensraum befinden sich zudem vermutlich wenige Fressfeinde, die die Populationen der Kärpflinge dezimieren können.

Geben Sie für zwei Evolutionsfaktoren jeweils eine Definition an.

Lösung: Definitionen zweier Evolutionsfaktoren (z. B. Mutation und Selektion): - Als Mutation bezeichnet man zufällige Veränderungen des Erbguts, die zur genetischen Variabilität innerhalb des Genpools einer Population führen. - Der Begriff Selektion beschreibt den Prozess, der zum unterschiedlichen Fortpflanzungserfolg der Individuen einer Population aufgrund unterschiedlicher Angepasstheiten an die Umwelt auf Basis genetischer Variabilität führt. (Auch andere korrekt definierte Evolutionsfaktoren wie Rekombination oder Gendrift sind möglich.)

Entwickeln Sie unter Anwendung der Synthetischen Evolutionstheorie eine Hypothese dazu, wie die schwefelwasserstofftoleranten Populationen entstanden sind (Material A).

Lösung: Hypothese zur Entstehung der schwefelwasserstofftoleranten Populationen: - Vermutlich ist es im Laufe der Zeit zur Veränderung der Umweltbedingungen durch das Auftreten von H2SH_2S in einigen Flussabschnitten gekommen. Der Schwefelwasserstoff-Gehalt wirkte als Selektionsfaktor für die dortigen Populationen von *P. mexicana*. - Die durch verschiedene Mutationen (und Rekombination) erzeugte genetische Variabilität in den Populationen von *P. mexicana* führte auch zufällig zu Individuen, die Schwefelwasserstoff besser über ihr Körpergewebe abgeben konnten. Diese konnten überleben und sich erfolgreich fortpflanzen. - Aufgrund der fehlenden Konkurrenz hatten die schwefelwasserstofftoleranten Individuen Selektionsvorteile und so eine größere reproduktive Fitness. Es kam zur Anreicherung ihrer Allele im Genpool der Population. - Aufgrund der geringen Schwefelwasserstofftoleranz der anderen *P. mexicana*-Populationen könnte eine Isolation der toleranten Population eingetreten sein.

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