Aufgabe 1 - Nervenzelle: Membranpotenziale und Er… · Abitur NRW Biologie LK · Nachtermin 2022

Thema: Gelbfiebermücken in Kenia

Material A: Merkmale von Gelbfiebermücken ( Aedes aegypti)

Die Mückenart Aedes aegypti war ursprünglich nur in Wäldern in Afrika südlich der Sahara beheimatet. Die Weibchen ernährten sich durch Blutsaugen an Tieren. Nach ihrer Verbreitung auf andere Kontinente hat sich im Laufe der Evolution eine neue Form entwickelt, die bevorzugt Menschen sticht. Sie überträgt unter anderem Gelbfieber-Erreger und wird daher auch Gelbfiebermücke genannt.

Heute können in Kenia in Afrika zwei Formen von Aedes aegypti beobachtet werden. Die schwarz gefärbte Waldform lebt in Waldgebieten oder Wiesen mit Baumbeständen. Sie meidet Häuser, legt ihre Eier in Baumhöhlen oder Kleingewässer und die Mückenweibchen stechen vorwiegend nicht-menschliche Säugetiere. Die braune Hausform wurde aus Thailand wieder nach Afrika eingeführt. Sie lebt in der Nähe von oder auch in Häusern und legt ihre Eier in mineralstoffarme Gewässer, Regenwasser-Behälter oder auch in Wasserreste in Töpfen. Die Mückenweibchen stechen bevorzugt Menschen.

Beide Formen wurden seit den 1950er Jahren in Kenia beobachtet. Zur genaueren Untersuchung wurden im Jahr 2009 Larven und Puppen beider Formen an unterschiedlichen, aber nahe beieinander liegenden Orten gesammelt. Die Mücken der verschiedenen Sammelorte wurden im Labor getrennt voneinander weiter vermehrt. Nach mehreren Generationen wurde die Färbung der Tiere untersucht. Die Färbung blieb in den untersuchten Generationen konstant und veränderte sich nicht. Die Färbung der Hausform entsprach dabei der Färbung von Mücken aus Thailand.

Im Labor waren Kreuzungen beider Formen mit fertilen Nachkommen möglich.

Material B: Vorliebe für Menschengeruch

Stechmücken wie A. aegypti orientieren sich unter anderem mithilfe ihres Geruchssinns. An den Fühlern befinden sich Geruchsrezeptorzellen, die einen Dendriten und ein Axon besitzen. In der Dendriten-Membran befinden sich olfaktorische Rezeptorproteine, OR-Proteine. Jede Geruchsrezeptorzelle besitzt nur einen Typ von OR-Proteinen und jedes OR-Protein bindet jeweils ein spezifisches Duftstoffmolekül. Daher nimmt jede Geruchsrezeptorzelle genau einen bestimmten Duftstoff wahr. Die Bindung des Duftstoffmoleküls an das OR-Protein verursacht die Öffnung eines Kationenkanals in der Dendritenmembran. A. aegypti besitzt verschiedene OR-Proteine, die zur Unterscheidung nummeriert sind.

Um die Spezifität von OR4 zu untersuchen, wurden Geruchsrezeptorzellen, die OR4 in ihrer Membran besitzen, durch Zugabe verschiedener Duftstoffmoleküle gereizt und die Aktionspotentiale als Spannungsänderungen nach Zugabe des Duftstoffs gemessen. Abbildung 1A zeigt die Reaktion der Zelle nach Reizung mit Sulcaton. Dieser Duftstoff kommt in hoher Konzentration im Duft von Menschen, aber nur in geringer Konzentration im Duft von Tieren, wie Kühen, Hühnern oder Meerschweinchen, vor. Zum Vergleich wurden die Duftstoffe von Meerschweinchen untersucht, die alle das gleiche Ergebnis ergaben. Abbildung 1B zeigt beispielhaft die Ergebnisse nach Reizung mit einem dieser Duftstoffe von Meerschweinchen.

Material C: Vielfalt der or4 -Allele bei A. aegypti

Das OR4-Protein wird vom or4 -Gen codiert. In A. aegypti gibt es sieben verschiedene Allele dieses Gens. Die Häufigkeit dieser sieben Allele A bis G in der Hausform und der Waldform sowie die Empfindlichkeit ihrer Genprodukte für Sulcaton wurden experimentell überprüft (Abbildung 2).

Material D: Geruchsrezeptoren bei Insekten

Insekten können Düfte möglicher Paarungspartner, Feinde und Nahrung erkennen und unterscheiden. Düfte bestehen aus einer Mischung zahlreicher Duftstoffmoleküle, die mithilfe von Geruchsrezeptoren wahrgenommen werden können. Insekten und andere Wirbellose besitzen verschiedene Typen von Geruchsrezeptorproteinen, unter anderem die OR-Proteine.

Nur wenige Insekten sind auf den Menschen als Nahrungsquelle spezialisiert, wie die Malariamücke ( Anopheles gambiae) und die Gelbfiebermücke sowie die Kleiderlaus ( Pediculus humanus), die sogar ausschließlich menschliches Blut saugt. Ein phylogenetischer Stammbaum ausgewählter Insektenarten wurde auf der Basis von umfangreichen Vergleichen molekularer Daten erstellt. Ein Ausschnitt ist in Abbildung 3 dargestellt.

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 der Genfamilie der or -Gene.

2.

Beschreiben Sie die Messergebnisse, die Abbildung 1 zeigt, und erläutern Sie sie auf der Ebene der Neurophysiologie (Material B). [14 Punkte]