Aufgabe 2 - Teilaufgaben 1 und 2 · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2021

Thema: Nervenzelle: Membranpotenziale und Erregungsleitung · Aus der Prüfung GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg (2021)

Aufgabenstellung

Material A: Duftwahrnehmung bei Lobesia botrana

Falter des Bekreuzten Traubenwicklers ( Lobesia botrana) nehmen wie andere Insekten Duftstoffe mithilfe von Sinneshaaren, den Sensillen, wahr (Abbildung 1A). Diese befinden sich unter anderem an den Fühlern. Jede Sensille enthält mehrere unterschiedliche olfaktorische sensorische Neuronen (OSN). Jedes OSN besitzt nur einen Dendriten, der in die Sensille hineinragt. Das Axon führt direkt zum Riechzentrum im Insektengehirn. Durch Poren in der Cuticula, dem Außenskelett der Insekten, gelangen die Duftstoffe in die Sensille, lösen sich in der dort vorliegenden Flüssigkeit und können so zur Dendritenmembran der OSN gelangen. Dort binden sie kurzzeitig nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an spezifische olfaktorische Rezeptorproteine, wodurch ein Rezeptorpotential ausgelöst wird (Abbildungen 1B und 1C). Jede OSN besitzt nur einen Typ von Rezeptorproteinen. Diese bilden zusammen mit Co-Rezeptorproteinen einen Kationenkanal in der Dendritenmembran.

Material B: Elektrophysiologische Untersuchungen

Bei den geschlechtsreifen Faltern des Bekreuzten Traubenwicklers ( Lobesia botrana) spielt die Duftwahrnehmung eine entscheidende Rolle für das Auffinden von Sexualpartnern und von geeigneten Wirtspflanzen zur Eiablage. Traubenwickler-Weibchen geben aus speziellen Drüsen einen artspezifischen Duftstoff ab. Mit diesem Sexualpheromon werden Männchen zur Begattung angelockt.

Im Rahmen von elektrophysiologischen Untersuchungen wurden Sensillen von männlichen und weiblichen Bekreuzten Traubenwicklern, die unterschiedliche OSN enthielten, mit dem Sexualpheromon weiblicher L. botrana sowie verschiedenen Pflanzenduftstoffen gereizt. Die Untersuchungen wurden an isolierten Fühlern durchgeführt. Nach Zugabe eines Duftstoffes wurde die Aktionspotentialfrequenz am Axon eines OSN gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 und Abbildung 2 dargestellt.

Material C: Pheromoneinsatz im Gewächshaus

Bekreuzte Traubenwickler und andere Insekten legen ihre Eier an Weinreben ab. Die im Frühjahr schlüpfenden Larven fressen zuerst Blüten und später Trauben und mindern dadurch den Ernteertrag im Weinanbau. Zwischen Frühjahr und Herbst können sich nacheinander bis zu drei Generationen von L. botrana entwickeln.

In einem zum Weinanbau errichteten Gewächshaus wurden durch L. botrana erhebliche Fraßschäden verursacht. Daher wurde im folgenden Anbaujahr folgende Methode erprobt: In einer Kontroll- und in einer Testeinheit des Gewächshauses wurden Pheromonfallen installiert, die über das ganze Jahr gezielt männliche Falter anlocken. In der Testeinheit wurden zur Vermeidung von Fraßschäden an den Weinreben ab Mitte Mai zusätzlich Pheromonspender eingesetzt. Diese Pheromonspender sprühten kontinuierlich weibliche Sexualpheromone von L. botrana in die Luft, sodass sich diese gleichmäßig in der Testeinheit verteilten. Die Ergebnisse dieses Experiments sind in Tabelle 2 dargestellt.

Alternativ zu Pheromonspendern können Schadinsekten wie L. botrana mit Insektiziden bekämpft werden. Insektizide sind Gifte, die oftmals unspezifisch auf zahlreiche Insektenarten wirken. Bei längerer Anwendung besteht die Gefahr einer Resistenzbildung.

Aufgabenstellung: Pheromoneinsatz zur Regulierung von Lobesia botrana im Weinanbau

1.

Geben Sie an, welche Funktionen Dendriten und Axone haben, und stellen Sie anhand von Abbildung 1 die Signaltransduktion in olfaktorischen sensorischen Neuronen von Insekten als Fließschema dar (Material A). Erklären Sie mit Bezug auf neurophysiologische Vorgänge den Verlauf des in Abbildung 1C abgebildeten Rezeptorpotentials (Material A). [16 Punkte]

2.

Fassen Sie die Daten aus Tabelle 1 und Abbildung 2 zusammen (Material B) und werten Sie sie unter neurobiologischen Aspekten aus (Materialien A und B). Entwickeln Sie eine neurobiologisch begründete Hypothese, wie die verschiedenen Aktionspotentialfrequenzen in OSN I und OSN A zustande kommen (Material B). Erläutern Sie, welche Selektionsvorteile die spezialisierte Duftwahrnehmung für Männchen und Weibchen von L. botrana hat (Material B). [24 Punkte]

Aufgabenstellung: Aufgabe 2 - Teilaufgaben 1 und 2 · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2021

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

1. Geben Sie an, welche Funktionen Dendriten und Axone haben, und stellen Sie anhand von Abbildung 1 die Signaltransduktion in olfaktorischen sensorischen Neuronen von Insekten als Fließschema dar (Material A).

Lösung: Funktionen: - Dendriten nehmen Signale auf und leiten sie zum Zellkörper der Nervenzelle weiter. - Axone erhalten elektrische Signale vom Soma und leiten diese in Form von Aktionspotentialen weiter. Fließschema der Signaltransduktion: Duftstoff aus der Luft → bindet an ein Rezeptorprotein des olfaktorischen Neurons → Öffnung des aus Rezeptorprotein und Co-Rezeptorprotein bestehenden Kationen-Kanals → Kationeneinstrom → Depolarisation des Zellinnenraumes und Entstehung eines Rezeptorpotentials.

1. Erklären Sie mit Bezug auf neurophysiologische Vorgänge den Verlauf des in Abbildung 1C abgebildeten Rezeptorpotentials (Material A).

Lösung: - Nach Beginn der Reizung, also der Zugabe des Duftstoffes, erfolgt die Depolarisation zeitverzögert, weil die Diffusion der Duftstoffmoleküle in die Sensille und zu den spezifischen Rezeptorproteinen eine gewisse Zeit benötigt. - Je mehr Duftstoffmoleküle an die Rezeptorproteine binden, desto mehr Kationen strömen in die Zelle. Es kommt zu einer raschen Depolarisation des Membranpotentials. - Die Höhe der Depolarisation ist abhängig von der Reizintensität, in diesem Fall von der Konzentration des Duftstoffes und somit der Anzahl der geöffneten Kanäle, da bei größerer Reizintensität mehr Kationen in die Zelle strömen.

2. Fassen Sie die Daten aus Tabelle 1 und Abbildung 2 zusammen (Material B) und werten Sie sie unter neurobiologischen Aspekten aus (Materialien A und B).

Lösung: Zusammenfassung der Daten: - Bei Männchen bzw. Weibchen wurden an OSN I und OSN A nur nach Reizung mit dem Sexualpheromon Aktionspotentiale gemessen, während an OSN II und OSN B nur nach Reizung mit pflanzlichen Duftstoffen Aktionspotentiale gemessen wurden. - OSN V und OSN E reagierten auf alle getesteten Duftstoffe mit Aktionspotentialen. - Nach Reizung mit dem Sexualpheromon bildete OSN I der Männchen deutlich mehr Aktionspotentiale als OSN A der Weibchen, OSN V etwas mehr als OSN E. Nach Reizung mit pflanzlichen Duftstoffen wurden hier bei Männchen und Weibchen sehr ähnliche Aktionspotentialfrequenzen gemessen. - Die ausschließlich für weibliche Sexualpheromone empfindlichen OSN I kommen bei Männchen deutlich häufiger vor (50 %) als die entsprechenden OSN A bei Weibchen (7 %), die für alle Duftstoffe empfindlichen OSN V etwas häufiger bei Männchen (30 %) als OSN E bei Weibchen (20 %). - Dagegen kommen die ausschließlich für pflanzliche Duftstoffe empfindlichen OSN B bei Weibchen häufiger vor (33 %) als OSN II bei Männchen (7 %). Neurobiologische Auswertung: - OSN I bzw. OSN A besitzen nur Rezeptorproteine für das weibliche Sexualpheromon, OSN II bzw. B nur für pflanzliche Duftstoffe. - Durch Bindung der spezifischen Duftstoffe werden jeweils Rezeptorpotentiale ausgelöst, die im Axon des entsprechenden OSN eine erhöhte Aktionspotentialfrequenz verursachen. - Je höher die Anzahl dieser duftstoffspezifischen Neuronen ist, desto stärker wird der entsprechende Duftstoff wahrgenommen. - Männchen nehmen das Sexualpheromon stärker als Weibchen wahr, während dies bei den getesteten pflanzlichen Duftstoffen umgekehrt ist.

2. Entwickeln Sie eine neurobiologisch begründete Hypothese, wie die verschiedenen Aktionspotentialfrequenzen in OSN I und OSN A zustande kommen (Material B).

Lösung: - Die höhere Aktionspotentialfrequenz in OSN I im Vergleich zur Aktionspotentialfrequenz in OSN A kann vermutlich darauf zurückgeführt werden, dass OSN I mehr spezifische Rezeptorproteine für die weiblichen Sexualpheromone an den Dendriten besitzt. - Hierdurch finden bei Reizung mit gleicher Duftstoffmenge ein stärkerer Kationenfluss und daher eine stärkere Depolarisation des Rezeptorpotentials in OSN I statt. - Somit wird auch eine höhere Frequenz von Aktionspotentialen im Axon gebildet.

2. Erläutern Sie, welche Selektionsvorteile die spezialisierte Duftwahrnehmung für Männchen und Weibchen von L. botrana hat (Material B).

Lösung: - Die Wahrnehmung weiblicher Sexualpheromone durch die Männchen ist notwendig für das Auffinden von Weibchen und somit für die Fortpflanzung. - Je mehr OSN I Männchen besitzen, desto empfindlicher ist die Wahrnehmung für das Sexualpheromon weiblicher L. botrana und desto effektiver ist das Auffinden weiblicher Falter. Hierdurch haben diese männlichen Falter einen Selektionsvorteil und damit verbunden einen größeren Fortpflanzungserfolg. - Für weibliche Falter bietet die Wahrnehmung ihres eigenen Pheromons dagegen keinen Selektionsvorteil; dieser Duftstoff wird weniger gut wahrgenommen. - Weibliche Falter legen ihre Eier auf geeigneten Wirtspflanzen ab. Eine empfindliche Wahrnehmung entsprechender Pflanzenduftstoffe stellt somit einen Selektionsvorteil für die Weibchen dar, da sie optimale Entwicklungsbedingungen für die Nachkommen sichert.

Die ausführliche Erklärung Schritt für Schritt (mit KI) gibt es mit Premium. Premium

Löse sie direkt hier: automatische Korrektur, Hinweise und Lösung Schritt für Schritt.

‹ Aufgabe 2 - Nervenzelle: Membranpotenziale und Er… · GK · Haupttermin · bilingual Englisch 2021 · Aufgabe 2 - Nervenzelle: Membranpotenziale und Er… · GK · Nachtermin 2021 ›

Mehr Aufgaben zu Nervenzelle: Membranpotenziale und Erregungsleitung