Aufgabe 3 - Membranpotenziale und Erregungsleitung · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2023

Material A: Überwinterung bei der Weinbergschnecke

Die Weinbergschnecke ( Helix pomatia) überwintert etwa von Oktober bis Anfang Mai zurückgezogen in ihrem mit einem Kalkdeckel dicht verschlossenem Schneckengehäuse unter Laubstreu eingegraben im Boden. Liegen die Temperaturen unter 8° Celsius, stellt sich der Stoffwechsel der Weinbergschnecke auf die Kältestarre um. Während der Kältestarre nimmt die Schnecke keine Nahrung auf. Ihre Stoffwechselrate, ihr Sauerstoffverbrauch, ihr Herzschlag und die Aktivität ihres Nervensystems sind reduziert. Die Weinbergschnecke zehrt während dieser Zeit von den angefressenen Nährstoffreserven. Bei ausreichender Feuchtigkeit ist die Weinbergschnecke ab Mai wieder aktiv auf Nahrungssuche. Sie ernährt sich von weichen, welken Pflanzenteilen und Algenbewüchsen.

Material B: Erregungsleitung bei der Weinbergschnecke

Die Ausbildung und Weiterleitung von Aktionspotentialen wird auch bei der Weinbergschnecke durch spannungsgesteuerte Ionenkanäle ermöglicht. Es werden verschiedene Typen spannungsgesteuerter Natriumionen-Kanäle, abgekürzt $\text{Na}_\text{v}$-Kanäle, aufgrund ihrer Eigenschaften unterschieden. Diese $\text{Na}_\text{v}$-Kanäle weisen während der unterschiedlichen Phasen eines Aktionspotentials unterschiedliche Leitfähigkeiten auf (Abbildung 1). Je höher ihre Leitfähigkeit ist, umso mehr Natriumionen können durch den $\text{Na}_\text{v}$-Kanal strömen.

Material C: Neurophysiologische Untersuchungen

Um die Aktivität von Neuronen im Gehirn der Weinbergschnecke genauer zu untersuchen, wurden verschiedene Experimente mit aktiven und mit überwinternden Weinbergschnecken durchgeführt. Die aktiven Schnecken wurden bei Raumtemperatur gehalten. Die überwinternden Schnecken wurden im Herbst in Kältestarre gesammelt und bei etwa 3° Celsius aufbewahrt.

Bei aktiven und bei überwinternden Weinbergschnecken wurde jeweils die relative Dichte ausgewählter $\text{Na}_\text{v}$-Kanäle der Neuronen im Gehirn untersucht (Abbildung 2).

Bei Neuronen im Gehirn der Weinbergschnecken wurden neurophysiologische Messungen vorgenommen. Der maximale Natriumionen-Strom durch $\text{Na}_\text{v}1.9$-Kanäle nach Reizung wurde sowohl bei Neuronen aktiver als auch überwinternder Weinbergschnecken gemessen (Abbildung 3).

2. Fassen Sie zusammen, welche Informationen Abbildung 1 enthält, und erläutern Sie, welche Rolle die einzelnen Natriumionen-Kanäle beim Ablauf eines Aktionspotentials spielen (Material B). Fassen Sie außerdem die Ergebnisse aus den Abbildungen 2 und 3 zusammen und erläutern Sie, wie sich diese während der Kältestarre der Weinbergschnecke auf die Erregungsleitung auswirken (Materialien A bis C). [27 Punkte]