Aufgabe 1 (Teilaufgaben 1 bis 3) - Neurobiologie · Abitur NRW Biologie LK · Haupttermin 2022

Material A: Jagdverhalten bei Octopus

Die Vertreter der Gattung Octopus leben in Tiefen bis zu 200 Meter vorwiegend am Meeresboden. Sie besitzen einen Kopf, acht Arme, die mit jeweils zwei Reihen von Saugnäpfen besetzt sind, und einen Eingeweidesack mit Tintenblase. Oktopusse sind Jäger, die vorwiegend Krebstiere, Muscheln und Schnecken und manchmal Fische mithilfe ihrer Arme erbeuten. Beständig suchen sie mit ihren beweglichen Armen auf und im Untergrund nach Nahrung. Bei Gefahr entleert der Octopus seine Tintenblase und flüchtet vor Feinden wie etwa Kalmaren im Schutz des tintengefärbten Wassers. Oktopusse verfügen über empfindliche Sinnesorgane und ein leistungsfähiges Gehirn. Sie besitzen zwei hoch entwickelte Linsenaugen und können Wasserströmungen über ein Seitenlinienorgan wahrnehmen. Insbesondere die Arme mit den Saugnäpfen sind sehr stark von Neuronen durchzogen. Die Zellkörper dieser Neuronen liegen gemeinsam in einer Verdickung, dem Ganglion, an der Basis des jeweiligen Arms. Die Bewegung jedes Arms kann von dessen eigenem Ganglion und daher unabhängig vom Gehirn gesteuert werden.

In Experimenten mit dem Gewöhnlichen Kraken ( Octopus vulgaris) wurde im Aquarium die Häufigkeit des zuerst geöffneten Schraubgefäßes ermittelt (Abbildung 1). Als Nahrung bevorzugte O. vulgaris ohne Schraubgefäß immer Sardellen. Bei blickdichten Gefäßen mit Deckeln ohne Löcher wurden beide Gefäße annähernd gleich häufig zuerst geöffnet.

Material B: Neurophysiologische Untersuchungen bei Zelltypen von Saugnäpfen

Die Saugnäpfe der Arme des Kalifornischen Zweipunktkraken ( Octopus bimaculoides) wurden genauer analysiert. Hier treten drei Zelltypen auf, die sich in ihrem Aufbau und ihrer neurophysiologischen Reaktion auf verschiedene Reizarten unterscheiden lassen. Untersucht wurde der reizabhängige Einstrom von Kationen wie etwa Natriumionen in den jeweiligen Zelltyp mithilfe elektrophysiologischer Messungen (Abbildung 2).

Um die elektrophysiologischen Eigenschaften der drei Zelltypen zu untersuchen, wurden die verschiedenen Zelltypen unterschiedlich starken künstlichen Reizströmen ausgesetzt und die jeweilige Reaktion gemessen (Abbildung 3).

Abbildung 3 Elektrophysiologische Reaktion der Zelltypen des Saugnapfs bei unterschiedlich starken Reizströmen.

pA = Pico-Ampere

Material C: Spezifität der Chemorezeptorproteine

Molekulare Analysen der Chemorezeptorzellen führten zur Identifikation einer Vielzahl von Chemorezeptorproteinen, den CR-Proteinen, bei Octopus bimaculoides. Allgemein sind Chemorezeptorproteine Transmembranproteine, die von außen kommende Stoffe zu Beginn der Signaltransduktion spezifisch binden. Bei O. bimaculoides bilden die unterschiedlichen CR-Proteine Ionenkanäle, die nach Aktivierung für Kationen permeabel werden. Um die Spezifität dieser CR-Proteine genauer zu analysieren, wurden ihre Reaktionen auf unterschiedliche chemische Substanzen wie zum Beispiel Oktopus-Tinte elektrophysiologisch untersucht, auch mithilfe der Patch-Clamp-Technik. Die Ergebnisse der Experimente für ausgewählte CR-Proteine sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Im Wasser werden gut wasserlösliche (hydrophile) Stoffe schneller gleichmäßig in einem großen Volumen verteilt. Schlecht wasserlösliche (hydrophobe) Stoffe bleiben länger in der Nähe der Stoffquelle. Fischextrakt enthält sowohl hydrophile als auch hydrophobe Stoffe. Physiologisch bedeutende hydrophobe Substanzen sind zum Beispiel Atractylon und Polygodial. Diese beiden hydrophoben Stoffe werden auch von Muscheln oder Schnecken insbesondere bei Bedrohung abgegeben.

Material D: Evolution von CR-Proteinen

Acetylcholin-gesteuerte Natriumionen-Kanäle chemischer Synapsen, kurz bezeichnet als ACh-Rezeptorproteine, kommen in vielen Variationen in den unterschiedlichen neuronalen Geweben bei Wirbellosen und Wirbeltieren vor. Sie weisen alle einen Bereich auf, der den Liganden Acetylcholin binden kann. Die verschiedenen Varianten dieser ACh-Rezeptorproteine werden zum Beispiel beim Menschen oder auch beim Octopus durch eine Vielzahl unterschiedlicher Genkopien codiert. Die CR-Proteine von Octopus bimaculoides zeigen Sequenzübereinstimmungen zu Acetylcholin-gesteuerten Natriumionen-Kanälen erregender chemischer Synapsen, reagieren aber nicht auf den Liganden Acetylcholin. Die CR-Proteine findet man nur bei Octopus und anderen Kopffüßern in großer Vielfalt, aber nicht bei anderen Wirbellosen und auch nicht bei Wirbeltieren.

Durch Genverdopplungen können aus einem Ursprungsgen mehrere Genkopien entstehen, die sich evolutiv unterschiedlich entwickeln können. Solche Vorgänge führen zur Bildung von Genfamilien wie zum Beispiel bei den hier verglichenen Rezeptorproteinen. Abbildung 4 zeigt einen vereinfachten phylogenetischen Stammbaum ausgewählter ACh-Rezeptorproteine und CR-Proteine von O. bimaculoides.

Aufgabenstellung: Chemotaktile Wahrnehmung bei Octopus

1.

Stellen Sie das experimentelle Vorgehen knapp dar und werten Sie Abbildung 1 daraufhin aus, welche Bedeutung die einzelnen Reizarten für Octopus haben (Material A). [10 Punkte]

2.

Fassen Sie die Ergebnisse aus den Abbildungen 2 und 3 zusammen und erklären Sie, wie bei Mechano- und Chemorezeptorzellen von Octopus bimaculoides die Signaltransduktion abläuft (Material B). Deuten Sie diese Ergebnisse bezüglich der Rolle der unterschiedlichen Reizarten und beziehen Sie dabei die neuronale Informationsverarbeitung im Ganglion von Octopus bimaculoides ein (Materialien A und B). [22 Punkte]

3.

Stellen Sie die Patch-Clamp-Technik dar. Werten Sie Tabelle 1 hinsichtlich der Spezifität der beiden CR-Proteine aus (Material C). Erläutern Sie, welche Bedeutung die ausgewählten CR-Proteine und die Mechanorezeptoren für das Verhalten von Octopus bimaculoides in natürlicher Umgebung haben (Materialien A bis C). [20 Punkte]