Aufgabe 1 - Stammbäume, Verhalten und Evolution d… · Abitur NRW Biologie LK · Nachtermin 2023

Material A: Ökologie der Venusfliegenfalle

Bei der Venusfliegenfalle ( Dionaea muscipula) handelt es sich um eine carnivore Pflanze, die hauptsächlich Insekten und Spinnentiere erbeutet. Die Pflanzenart kommt in einer begrenzten Region der USA auf dauerfeuchten, sehr mineralstoffarmen Böden an sonnigen Standorten vor. Ihre Laubblätter sind zu Klappfallen umgewandelt, mit denen sie ihre Beutetiere fängt.

Die Innenseiten der Klappfallen sind dicht mit Drüsen besetzt, die ein Sekret mit Verdauungsenzymen absondern. Diese Enzyme werden unter hohem Energieaufwand hergestellt. Die bei der Verdauung der Beutetiere gewonnenen Mineralstoffe wie Nitrat und Phosphat werden aufgenommen und für den Stoffwechsel verwendet.

Die Fotosyntheserate der Klappfallen ist deutlich geringer als die der Laubblätter anderer Pflanzen. Die Venusfliegenfalle wächst daher sehr langsam und wird schnell von anderen Pflanzen verdrängt. Im Sommer kommt es im Verbreitungsgebiet regelmäßig zu Buschfeuern, die einen großen Teil der gesamten Vegetation oberirdisch zerstören. Die Venusfliegenfalle besitzt einen unterirdischen Wurzelstock, aus dem sie schnell wieder austreiben kann. Kurz nach einem Feuer wachsen dabei besonders viele neue Klappfallen und Blüten.

Die Blätter der Venusfliegenfalle bilden eine bodennahe Rosette. Im Mai und Juni wächst ein bis zu 35 Zentimeter hoher Stängel, der mehrere weiße Blüten trägt (Abbildung 1). Während der Blütezeit wachsen keine neuen Klappfallen, die bestehenden bleiben erhalten.

Material B: Lockmechanismen der Klappfalle

Die Klappfalle der Venusfliegenfalle besteht aus zwei Hälften. Wenn ein Beutetier Sinneshaare auf der Innenseite der Klappfalle berührt, klappen die Hälften zusammen und das Beutetier ist gefangen. Am Rand der Klappfalle befinden sich Nektardrüsen. Außerdem produziert die Klappfalle ein Duftgemisch, das aus über 60 verschiedenen Duftstoffen besteht. Diese Duftstoffe kommen auch im Duft verschiedener Blüten und reifer Früchte vor. Reife Früchte sind die Nahrung vieler Insekten, wie etwa der Taufliege ( Drosophila melanogaster).

In einem Experiment wurde die Präferenz der Taufliege für verschiedene Düfte untersucht. Dabei konnten hungrige Taufliegen in einem Y-Labyrinth zwischen einer duftfreien Kontrolle und einer Probe wählen (Abbildung 2). Die Probe war entweder ohne Duft, oder sie bestand aus Taufliegen-Futter oder einer nicht-blühenden Venusfliegenfalle. Es wurde gezählt, wie viele Taufliegen sich innerhalb von drei Minuten im Y-Labyrinth zur jeweiligen Probe oder zur Kontrolle bewegten oder sich in keine der beiden Richtungen bewegten und daher am Startpunkt verblieben (Abbildung 2).

Material C: Der Bestäuber-Beute-Konflikt

Die Venusfliegenfalle wird von Insekten wie Hautflüglern und Käfern bestäubt. Für die Venusfliegenfalle besteht somit das Risiko, dass potenzielle Bestäuber in den Fallen gefangen werden. Dies wird als Bestäuber-Beute-Konflikt bezeichnet. Es werden drei Mechanismen diskutiert, die bei carnivoren Pflanzen diesen Konflikt minimieren könnten: Erstens könnten Blüten und Fallen zeitlich getrennt auftreten, zweitens könnten Blüten und Fallen räumlich getrennt vorkommen und drittens könnten sie unterschiedliche Lockmechanismen ausbilden.

Bei einer Untersuchung im Freiland, die zur Blütezeit der Venusfliegenfalle stattfand, wurden die Tiere an den Blüten und in den Klappfallen der Pflanzen gesammelt und die Tierarten bestimmt.

Dann wurden die Tiere in unterschiedlichen Gruppen gezählt, je nachdem, ob sich alle Tiere der betreffenden Tierart ausschließlich an Blüten, ausschließlich in Klappfallen oder an beiden Fundstellen befanden.

Für die Darstellung in Abbildung 3 wurden die Ergebnisse innerhalb der Ordnungen der Tierarten zusammengefasst, wie etwa der Ordnung der Zweiflügler, zu denen Fliegen gehören, oder der Ordnung der Hautflügler, die unter anderem Bienen und Ameisen umfasst.

Die Untersuchung ergab, dass flugfähige Insekten 87 Prozent der Blütenbesucher und 20 Prozent der Beute ausmachten. Außerdem wurden sieben Prozent der Tiere, die Pollen der Venusfliegenfalle trugen, an Blüten und in Fallen entdeckt.

Material D: Die Venusfliegenfalle und ihre Verwandten

Es gibt etwa 810 carnivore Pflanzenarten unter den rund 250 000 Arten von Blütenpflanzen. Bei den carnivoren Pflanzenarten kommen verschiedene, von Blättern gebildete Fallentypen vor: Klebfallen haben ein klebriges Sekret, an dem die Beute haftet. Klappfallen, wie die der Venusfliegenfalle, schnappen bei Berührung schnell zu und halten das Beutetier gefangen. Kannenfallen fangen Beutetiere in einem von Blättern gebildeten Hohlraum.

Die Venusfliegenfalle gehört zur Ordnung der Nelkenartigen (Caryophyllales). Die Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Nelkenartigen wurden mithilfe von DNA-Sequenzanalysen ermittelt. Ein Stammbaum ausgewählter Gattungen ist in Abbildung 4 dargestellt. Zusätzlich wurde der jeweilige Fallentyp gekennzeichnet.

Teilaufgabe 4

Beschreiben Sie, worin sich konvergente und divergente Entwicklung voneinander unterscheiden.

Analysieren Sie den Stammbaum in Abbildung 4 hinsichtlich der Entstehung der carnivoren Ernährungsweise (Material D). Entwickeln Sie anhand von Abbildung 4 Hypothesen dazu, wie sich die einzelnen Fallentypen evolutiv herausgebildet haben (Material D).

[17 Punkte]

1.

2.

3.