Aufgabe 1 - Nahrungsbeziehungen und Populationen · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · bilingual Englisch 2021

Thema: Nahrungsbeziehungen und Populationen · Aus der Prüfung GK · Haupttermin · bilingual Englisch (2021)

Aufgabenstellung

Material A: The Grape as a Habitat

The ripe fruits of the common grape vine ( Vitis vinifera) are a source of nutrition as well as a habitat for many organisms. Yeasts, to which the so-called “baker’s yeast” ( Saccharomyces cerevisiae) belongs, are single-celled fungi. In nature, baker’s yeast occurs primarily on fruits. In autumn, they spread rapidly on ripe, sugary grapes. They ferment the sugar to gain energy, creating alcohol and various volatile 1 substances in the process. Other fungi, such as the grey mould ( Botrytis cinereum) or Penicillium species, also use the grapes as a nutrient source.

The fruit fly ( Drosophila melanogaster) is found all around the world and lives on various fruits and other organic material. Adult fruit flies use overripe and fermenting grapes as a source of nutrition and as a substrate for egg deposition. The flies and their larvae consume not only the grapes, but also the baker’s yeast growing on them. The yeast contains essential amino acids, lipids and vitamins.

Ichneumon wasps 2 of the genus Leptopilina are able to lay an egg inside of a fruit fly larva. After hatching, the ichneumon larva eats the fruit fly from the inside out. It emerges from the remains of the fruit fly larva when it has reached maturity. The zebra spider ( Salticus scenicus) hunts insects which live on the ripe, fermenting grapes. They jump on their prey from a distance of several centimetres and kill them with their venomous bite.

1 flüchtig

2 Schlupfwespe

Material B: Dispersion of Baker’s Yeast on Grapes

An experiment was conducted using adult fruit flies. The flies were bred in a laboratory and had had no contact with baker’s yeast before the experiment. At the start of the experiment, these fruit flies were fed for one day either with food including living baker’s yeast or with yeast-free food. A single fruit fly from each food group was then placed on a sterilised, yeast-free grape. Grapes without fruit flies were used as controls (Table 1).

Table 1 Growth of baker’s yeast on grapes. Each experiment was repeated 10 times. Experiment · Grapes with baker’s yeast growth

Fruit flies fed with yeast-free food · 0

Fruit flies fed with food containing yeast · 10

Control without fruit fly · 0

Material C: Reproduction of the Fruit Fly

The effect of the fruits and of the baker’s yeast on the reproduction of fruit flies was studied in further experiments. Four different tests were conducted, each using a different food source: grapes, grapes fermented by baker’s yeast, a grape-free nutrient medium for fruit flies, and a nutrient medium fermented by baker’s yeast. The odoriferous substances 3 released by these test foods were collected. Each was placed individually in a wind tunnel containing 20 fruit flies. After 15 minutes, the number of fruit flies which had flown into the wind and had landed on the source of the smell was noted (Figure 1A).

In another experiment, a substrate for egg deposition was created out of each of the four food sources. To each of the four egg deposition substrates, 20 fertilised fruit fly females were given, and the number of eggs laid was noted after 24 hours (Figure 1B).

In a third experiment, two-day-old, yeast-free fruit fly larvae were placed together with either a piece of grape (with or without baker’s yeast) or with a nutrient medium (with or without baker’s yeast). The percentage of larvae which developed into adult fruit flies was then noted (Figure 1C).

3 Duftstoffe

Material D: Odoriferous Substances in Yeasts

There are 83 genera of yeasts containing approximately 600 species. Many of these fungi produce odoriferous substances. Seven different yeast species which are not phylogenetically closely related were used in an experiment. Each of these species can be clearly differentiated from the others by its life requirements: some live on fruits, others on insects, in milk or as pathogens of humans. In a wind tunnel experiment similar to that described in Material C, it was analysed how many adult fruit flies landed on each odoriferous substance collected from these different yeast species (Figure 2).

Topic: Fruit as a Habitat

1.

Using Material A, sketch a food web and name its trophic levels, justifying your answer (Material A). [11 Punkte]

2.

Sum up the results presented in Table 1 and, building on them, explain how important the fruit fly is for the baker’s yeast (Materials A and B). Describe the results shown in Figure 1, then analyse and evaluate them regarding the role of the odoriferous substances in the fruit fly’s reproduction (Materials A and C). Check whether a symbiotic relationship between the baker’s yeast and the fruit fly is possible (Materials A to C). [27 Punkte]

Aufgabenstellung: Aufgabe 1 - Nahrungsbeziehungen und Populationen · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · bilingual Englisch 2021

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

1. Using Material A, sketch a food web (Material A).

Lösung: Skizze des Nahrungsnetzes: - Weinrebe wird gefressen von Grauschimmel, Bäckerhefe und Taufliege. - Bäckerhefe wird gefressen von Taufliege. - Taufliege wird gefressen bzw. parasitiert von Zebraspringspinne und Schlupfwespe. *(Da die Zebraspringspinne verschiedene Insekten erbeutet, ist auch eine Kennzeichnung der Schlupfwespe als Nahrung für die Springspinne korrekt.)*

1. Name its trophic levels, justifying your answer (Material A).

Lösung: - Die Weinrebe ist als Photosynthese betreibende Pflanze ein Produzent und Nahrungsquelle für verschiedene Lebewesen. - Die drei Pilze Bäckerhefe, Grauschimmel und *Penicillium* sind Konsumenten erster Ordnung, die den Produzenten als Nahrungsquelle nutzen. - Die Taufliege ist ein Konsument erster und zweiter Ordnung, da sie sowohl Weintrauben als auch den Konsumenten Bäckerhefe frisst. - Die Zebraspringspinne und die Schlupfwespe nutzen die Taufliege als Nahrungsquelle und sind somit Konsumenten zweiter beziehungsweise dritter Ordnung.

2. Sum up the results presented in Table 1 and, building on them, explain how important the fruit fly is for the baker’s yeast (Materials A and B).

Lösung: Zusammenfassung der Ergebnisse aus Tabelle 1: - Wenn Taufliegen mit Bäckerhefe gefüttert werden, wächst die Bäckerhefe anschließend auf vormals Bäckerhefe-freien Weintrauben (10 von 10 Versuchen). - Die Bäckerhefe wächst aber nicht auf Weintrauben, die keinen Kontakt zu Fliegen hatten (0 von 10) oder die von Taufliegen besucht wurden, die nicht mit Bäckerhefe gefüttert wurden (0 von 10). Bedeutung der Taufliege für die Bäckerhefe: - Die Taufliegen übertragen die Bäckerhefe auf die Weintrauben. Die Taufliegen sorgen somit für die Verbreitung der Bäckerhefe auf überreifem Obst.

2. Describe the results shown in Figure 1, then analyse and evaluate them regarding the role of the odoriferous substances in the fruit fly’s reproduction (Materials A and C).

Lösung: Beschreibung der Ergebnisse aus Abbildung 1: - *Anflugverhalten (A):* Weibliche Taufliegen landen bevorzugt (zu mehr als 50 %) auf Geruchsquellen, die von Bäckerhefen vergoren wurden (kein wesentlicher Unterschied zwischen vergorenen Weintrauben und vergorenem Nährmedium). Auf der Geruchsquelle von Weintrauben ohne Hefe landeten nur etwa 30 % der Fliegen, bei reinem Nährmedium nur etwa 10 %. - *Eiablage (B):* Taufliegenweibchen legen sowohl auf Weintrauben mit Hefe als auch auf Nährmedium mit Hefe etwa 8 Eier je Weibchen ab. Auf Weintrauben ohne Hefe legen sie nur etwa 4 Eier, auf hefefreiem Nährmedium nur etwa 1 Ei ab. - *Überlebensrate der Larven (C):* Auf Nährmedium und Weintrauben mit Hefe überleben etwa 50 bis 65 % der Fliegenlarven. Auf hefefreien Weintrauben überleben nur etwa 20 % der Larven, während auf hefefreiem Nährmedium alle Larven sterben (0 %). Auswertung hinsichtlich der Bedeutung von Duftstoffen: - Die Taufliegen-Weibchen können die verschiedenen Proben anhand des Duftes unterscheiden. Sie bevorzugen Substrate mit Bäckerhefe-Zusatz für Anflug und Eiablage, wodurch die Überlebenswahrscheinlichkeit der Larven maximiert wird. - Larven fressen überreife Früchte und Hefe, welche lebensnotwendige Aminosäuren, Fette und Vitamine bereitstellt. Auf hefehaltigen Proben entwickeln sich die Larven daher am besten. - Weintrauben allein enthalten nur in geringem Maße essenzielle Nährstoffe (geringe Larvenüberlebensrate), während sie im hefefreien Nährmedium völlig fehlen (kein Überleben). Der Duft von Hefe dient den Fliegen somit als verlässlicher Indikator für ein nährstoffreiches, larvengeeignetes Substrat.

2. Check whether a symbiotic relationship between the baker’s yeast and the fruit fly is possible (Materials A to C).

Lösung: Prüfung auf eine Symbiose (Mutualismus): - *Nutzen beider Partner:* Bei einer Symbiose profitieren beide Partner. Die Bäckerhefe profitiert durch die Verbreitung auf neue Nahrungsquellen (überreifes Obst). Die Taufliege und ihre Larven profitieren, da die Hefe als essenzielle Nahrungsquelle (Aminosäuren, Lipide, Vitamine) dient. Daher liegt im weiteren Sinne eine Symbiose bzw. ein Mutualismus vor. - *Einschränkungen und Kosten:* Einerseits schädigen die Taufliegen den Pilz durch Fressen, andererseits überwiegt für die Hefe vermutlich der Vorteil der Ausbreitung gegenüber den Verlusten durch Fraß. - *Fakultative Beziehung:* Die Bäckerhefe ist nicht ausschließlich auf die Taufliege angewiesen (Verbreitung auch über andere Tiere wie Springspinnen möglich, zudem Vorkommen auf diversen Substraten). Auch Taufliegen können in geringem Maße auf reinem Fruchtsubstrat überleben. Da beide Partner unabhängig voneinander existieren können, handelt es sich um eine fakultative (nicht verbindliche) Symbiose / eine Allianz bzw. einen lockeren Mutualismus. *(Hinweis: Bei entsprechender Argumentation, dass die Beziehung zu lose ist oder das Fressen überwiegt, ist auch das Fazit vertretbar, dass keine echte Symbiose vorliegt.)*

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