Aufgabe 3 - Teilaufgaben 1 und 4: Evolutionsfakto… · Abitur NRW Biologie LK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2022

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

Aufgabenstellung

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. Dort blockiert Schwefelwasserstoff 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 im Labor untersucht (Tabelle 1). Diese Flüsse weisen sowohl nicht-schwefelwasserstoffhaltige als auch schwefelwasserstoffhaltige Abschnitte auf. Die Population P. mexicana limantouri stammt aus einem 500 Kilometer entfernten, geografisch getrennten Flusslauf. 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.

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: Artbildung beim Atlantik-Kärpfling?

Schwefelwasserstofftolerante Atlantik-Kärpflinge unterscheiden sich durch Morphologie und Verhalten von den nicht-schwefelwasserstofftoleranten Populationen. Schwefelwasserstofftolerante P. mexicana besitzen größere Köpfe und eine größere Kiemenfläche. Sie schwimmen sehr oft nah an der Oberfläche der schwefelwasserstoffhaltigen Gewässer. Ihre Pigmentierung ist eher gering, ihnen fehlt auch die typische gelbe Färbung der Schwanzflosse der nicht-schwefelwasserstofftoleranten Populationen.

Die P. mexicana -Weibchen aus nicht-schwefelwasserstoffhaltigen Gewässern bevorzugen Männchen der eigenen Population bei der Partnerwahl, wobei die gelb gefärbte Schwanzflosse eine Signalwirkung ausübt.

Material F: Codesonne und Tabelle zum mitochondrialen genetischen Code

Aufgabe 3: 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).

(16 Punkte)

4.

Geben Sie für zwei Artbegriffe jeweils eine Definition an und diskutieren Sie unter Einbeziehung sämtlicher Materialien, ob die Zahnkärpflinge aus den Flüssen Puycatengo und Pichucalco den Status eigener Arten haben (Materialien A bis E).

(14 Punkte)

Aufgabenstellung: Aufgabe 3 - Teilaufgaben 1 und 4: Evolutionsfakto… · Abitur NRW Biologie LK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2022

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

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).

Lösung: Mögliche Selektionsvorteile: - 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. Definitionen zweier Evolutionsfaktoren (z. B.): - Mutation: Zufällige Veränderungen des Erbguts, die zur genetischen Variabilität innerhalb des Genpools einer Population führen. - Selektion: Der Prozess, der zum unterschiedlichen Fortpflanzungserfolg (reproduktive Fitness) der Individuen einer Population aufgrund unterschiedlicher Angepasstheiten an die Umwelt auf Basis genetischer Variabilität führt. *(Auch andere korrekt definierte Evolutionsfaktoren wie Rekombination, Gendrift oder Isolation sind möglich).* Hypothese zur Entstehung: - Vermutlich kam es im Laufe der Zeit zu einer Veränderung der Umweltbedingungen durch das Auftreten von H2S\mathrm{H_2S} in einigen Flussabschnitten, wodurch der Schwefelwasserstoffgehalt als abiotischer Selektionsfaktor wirkte. - Durch spontane Mutationen und Rekombination entstandene genetische Variabilität führte zufällig zu Individuen mit erhöhter Schwefelwasserstofftoleranz. - Aufgrund geringerer Konkurrenz und Prädation hatten diese Individuen Selektionsvorteile und eine höhere reproduktive Fitness. Dies führte zur differentiellen Reproduktion und Anreicherung der vorteilhaften Allele im Genpool der Population sowie ggf. zu einer beginnenden ökologischen Isolation.

4. Geben Sie für zwei Artbegriffe jeweils eine Definition an und diskutieren Sie unter Einbeziehung sämtlicher Materialien, ob die Zahnkärpflinge aus den Flüssen Puycatengo und Pichucalco den Status eigener Arten haben (Materialien A bis E).

Lösung: Definitionen zweier Artbegriffe: - Morphologischer Artbegriff: Arten sind Gruppen von Lebewesen, die untereinander und mit ihren Nachkommen in allen wesentlichen morphologischen (äußeren/strukturellen) Merkmalen übereinstimmen. - Biologischer Artbegriff: Eine Art umfasst eine Gruppe von Individuen, die sich unter natürlichen Bedingungen potenziell oder tatsächlich miteinander fruchtbar fortpflanzen können und von anderen Gruppen reproduktiv isoliert sind. Diskussion des Artstatus: - Schwefel-Kärpflinge (*Poecilia sulphuraria*): - Leben isoliert im schwefelwasserstoffhaltigen Quellbereich des Pichucalco. - Unter natürlichen Bedingungen findet vermutlich keine Paarung mit anderen Zahnkärpflingen statt (geografische und ökologische Isolation). - Nach dem biologischen Artbegriff stellen sie eine eigenständige Art dar; morphologische und molekulargenetische Unterschiede stützen dies. - Populationen von *Poecilia mexicana* im Fluss Puycatengo: - Tolerante ([Puy +H2S][\text{Puy } +\mathrm{H_2S}]) und nicht-tolerante ([Puy −H2S][\text{Puy } -\mathrm{H_2S}]) Populationen leben parapatrisch in verschiedenen Flussabschnitten. - Sie weisen Unterschiede in der Morphologie (Kopf- und Kiemengröße, Pigmentierung, Flossenfärbung) und im Verhalten auf. - Physiologische Schranke: Nicht-tolerante Fische sterben in H2S\mathrm{H_2S}-haltigem Wasser bzw. weisen eine drastisch reduzierte COX-Aktivität auf. - Verhaltensbiologische/sexuelle Isolation: Weibchen aus nicht-toleranten Populationen bevorzugen Männchen mit gelb gefärbter Schwanzflosse; tolerante Weibchen steigern ihre Fitness durch Paarung mit toleranten Männchen. - Möglicherweise treten in Übergangszonen Hybride auf; die Populationen befinden sich somit mitten in einem sympatrischen bzw. parapatrischen Artbildungsprozess (Speziation im Gange).

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