Aufgabe HT 1 - 2: Nervenzelle: Membranpotenziale und Erre… · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2022

Material A: Biologie der Vogel-Vampirfliege

Die Vogel-Vampirfliege ( Philornis downsi) ist eine Fliegenart, die in großen Teilen Südamerikas vorkommt. 1960 wurde die Vogel-Vampirfliege erstmals auf den Galapagos-Inseln nachgewiesen, wohin sie vermutlich per Schiff oder Flugzeug eingeschleppt wurde. Galapagos besteht aus 13 Hauptinseln. Die Inseln sind bis zu 1700 m hoch und weisen unterschiedliche Lebensräume auf, von heißen, trockenen Lavafeldern bis hin zum feuchten, kühlen Hochland. Die Vogel-Vampirfliege hat sich rasch auf fast allen Hauptinseln verbreitet.

Ausgewachsene Vogel-Vampirfliegen ernähren sich von frischen und faulenden Früchten und Blüten verschiedenster Pflanzenarten. Sie legen ihre Eier in Vogelnester. Die Vogel-Vampirfliegen-Larven saugen Blut von den Vogelküken, die daraufhin unter Blutarmut und geringem Wachstum leiden und meist sterben. Ein Fliegenweibchen legt bis zu 180 Eier, die es auf 20 bis 30 Nester verschiedener Vogelarten verteilt. In einer Vogel-Brutzeit entstehen mindestens drei Fliegengenerationen.

Tabelle 1: Vergleich ausgewählter Faktoren der Lebensbedingungen der Vogel-Vampirfliege in ihren Ursprungsregionen in Südamerika und auf den Galapagos-Inseln · Ursprungsregionen in Südamerika · Galapagos-Inseln

von der Vogel-Vampirfliege befallene Vogelarten · zahlreiche kleine Sperlingsvögel einschließlich Finken, Kuckucksvögel und Spechtvögel · zahlreiche kleine Sperlingsvögel einschließlich fast aller Darwinfinken-Arten und Kuckucksvögel

Anteil von der Vogel-Vampirfliege befallener Nester · weniger als 30 % · mehr als 90 %

durchschnittliche Anzahl Larven je Nest · weniger als 10 · mehr als 30

Anteil von Vogel-Vampirfliegen-Larven, die durch parasitische Schlupfwespen getötet werden · 10 bis 20 % · maximal 5 %

Fressfeinde der Vogel-Vampirfliegen-Larven · Ameisen · keine

Material B: Wirkung von Permethrin auf Nervenzellen

Der Befall mit Vogel-Vampirfliegen hat zu einem starken Rückgang der Anzahl vieler Darwinfinken geführt. Zur Bekämpfung der Vogel-Vampirfliegen auf den Galapagos-Inseln wird das Insektizid Permethrin eingesetzt. Insekten nehmen Permethrin über die Körperoberfläche auf. Bei ausreichend hoher Dosierung sterben die behandelten Insekten, bei zu niedriger Dosierung können sie sich wieder erholen. Permethrin bindet an spannungsgesteuerte Natriumionen-Kanäle in den Axonen. In Experimenten wurden die neurophysiologischen Auswirkungen von Permethrin untersucht. Dazu wurden Nervenzellen von Insekten mit Permethrin behandelt und kurz gereizt; es wurde das Membranpotential gemessen (Abbildung 1).

Material C: Permethrin zum Schutz von Darwinfinken

Auf den Galapagos-Inseln ist die Anzahl vieler Darwinfinken durch den Befall mit Vogel-Vampirfliegen stark zurückgegangen, da jährlich bis zu 95 % der Küken im Freiland sterben. Um die Vogelbestände zu schützen, wurde in Freilandexperimenten eine Bekämpfungsmaßnahme mit dem Insektizid Permethrin genauer untersucht.

Dabei wurden in einem ersten Experiment Spender mit Baumwollfasern aufgestellt, welche von den Darwinfinken für den Nestbau genutzt werden. Die Versuchs-Spender enthielten Baumwollfasern, die mit 1 %iger Permethrin-Lösung behandelt worden waren. Die Baumwollfasern in den Kontroll-Spendern waren mit Wasser behandelt. Nach Beendigung der Brut wurden in den Nestern die Masse der zum Nestbau verwendeten Baumwolle sowie die Anzahl an Vogel-Vampirfliegen-Larven bestimmt (Abbildung 2).

In einem zweiten Freilandexperiment wurden Nester mit 1 %iger Permethrin-Lösung oder mit Wasser eingesprüht. Anschließend wurde die Anzahl der in diesen Nestern flügge gewordenen Jungvögel bestimmt (Abbildung 3).

Außerdem sollte untersucht werden, ob eine Permethrin-Behandlung langfristige Folgen für die Darwinfinken hat. Dazu wurden Laborexperimente mit den nah verwandten Zebrafinken ( Taeniopygia guttata) durchgeführt, die leichter zu halten und zu vermehren sind als Darwinfinken. Für die Experimente wurden Zebrafinken über zwei Generationen gezüchtet. Bei beiden Generationen wurde jeweils entweder mit 1 % Permethrin behandeltes Nistmaterial oder mit Wasser behandeltes Nistmaterial verwendet. Für beide Generationen wurden die Eier und die Küken untersucht und der Bruterfolg ermittelt.

Bei der ersten Generation wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen der Kontrollgruppe und der Gruppe der mit Permethrin behandelten Nester festgestellt. In der zweiten Generation gab es keine signifikanten Unterschiede bei der Anzahl der Eier und der Anzahl der geschlüpften Küken, aber bei der Küken-Sterblichkeit. Während in den Kontrollnestern alle Jungvögel überlebten, waren es in den mit Permethrin behandelten Nestern 64 %.

2. Stellen Sie den Ablauf der neurobiologischen Vorgänge während eines Aktionspotentials als Fließschema dar und fassen Sie die Ergebnisse aus Abbildung 1B zusammen (Material B). Erläutern Sie, wie Permethrin neurophysiologisch wirkt, und leiten Sie hieraus die Konsequenzen für das Insekt ab (Material B). [21 Punkte]

a)

b)

c)

d)