Abitur NRW Biologie 2021 · GK · Nachtermin

Material A: Ökologie der Säbelzahnschleimfische

An Korallenriffen kommt eine Vielzahl von Fischen vor, darunter auch die farbenprächtigen Säbelzahnschleimfische. Diese werden in fünf Gattungen unterteilt. Alle Säbelzahnschleimfische zeichnen sich durch verlängerte, bogenförmige Eckzähne im Unterkiefer aus.

Der an indopazifischen Korallenriffen beheimatete Augenstreifen-Säbelzahnschleimfisch ( Meiacanthus atrodorsalis) hat einen blauen Vorderkörper, der in einen gelben Hinterkörper übergeht. Er frisst tierische Kleinstlebewesen, die sich ihrerseits von Algen ernähren. M. atrodorsalis besitzt in seinem Kiefer, wie die meisten Arten der Gattung Meiacanthus, Giftdrüsen, die unmittelbar an den verlängerten Eckzähnen positioniert sind. Wird M. atrodorsalis von einem Raubfisch wie dem Doppelfleck-Schnapper ( Lutjanus bohar) verschluckt, beißt er den Angreifer und wird von diesem meist unmittelbar und unverletzt wieder ausgespuckt. Von erfahrenen Räubern wird M. atrodorsalis daher gemieden.

Der Augenstreifen-Säbelzahnschleimfisch-Nachahmer ( Plagiotremus laudandus) kommt im Indopazifik gemeinsam mit M. atrodorsalis vor und ist genauso gefärbt wie dieser. P. laudandus ernährt sich räuberisch und wartet auf vorbeiziehende Fische, denen er blitzartig Flossen- oder Hautstücke abreißt. So attackiert P. laudandus zum Beispiel den Graukopf-Doktorfisch ( Acanthurus nigroris) während dieser Pflanzen, wie zum Beispiel Algen, im Riff abweidet. Ein Fressfeind von P. laudandus ist L. bohar.

Material B: Ökologische Untersuchungen an Korallenriffen

Im Rahmen von Beobachtungen und Experimenten an verschiedenen Korallenriffen wurde die interspezifische Beziehung von P. laudandus und M. atrodorsalis genauer untersucht. Eine Beobachtung war, dass P. laudandus in geringerer Anzahl an Korallenriffen vorkam als M. atrodorsalis.

Im Rahmen der Untersuchungen wurde innerhalb mehrerer 30-minütiger Beobachtungszeiträume jeweils die Aufenthaltsdauer von P. laudandus in direkter Nähe zu M. atrodorsalis und der Anteil erfolgreicher Angriffe von P. laudandus auf seine Beute erfasst (Abbildung 1).

Auch wurden Experimente mit P. laudandus -Attrappen an Korallenriffen durchgeführt, an denen M. atrodorsalis sowie P. laudandus beide nicht vorkamen oder gemeinsam vorkamen (Abbildung 2). Es wurden Fisch-Attrappen von P. laudandus im Riff positioniert, die sich in ihrer Farbe, nicht aber in ihrer Form unterschieden. Dabei wählte man eine Attrappe in blau-gelber Originalfärbung sowie eine Attrappe in grün-roter Färbung. Alle beobachteten Fischarten können die unterschiedlichen Farben wahrnehmen.

Es wurde erfasst, wie oft sich innerhalb eines Beobachtungszeitraumes von zehn Minuten Fressfeinde der jeweiligen Attrappe näherten (Abbildung 2). Die Annäherung eines Fressfeindes wurde als Angriff gewertet.

Material C: Phylogenie der Säbelzahnschleimfische

Die Verwandtschaftsbeziehungen der Schleimfische wurden anhand genetischer Daten untersucht. Ein Ausschnitt des phylogenetischen Stammbaums ist in Abbildung 3 dargestellt.

1. Skizzieren Sie anhand von Material A ein Nahrungsnetz und geben Sie begründend an, auf welcher Trophieebene sich die genannten Organismen jeweils befinden (Material A). (12 Punkte)

a)

b)

Material A: Ökologie der Säbelzahnschleimfische

An Korallenriffen kommt eine Vielzahl von Fischen vor, darunter auch die farbenprächtigen Säbelzahnschleimfische. Diese werden in fünf Gattungen unterteilt. Alle Säbelzahnschleimfische zeichnen sich durch verlängerte, bogenförmige Eckzähne im Unterkiefer aus.

Der an indopazifischen Korallenriffen beheimatete Augenstreifen-Säbelzahnschleimfisch ( Meiacanthus atrodorsalis) hat einen blauen Vorderkörper, der in einen gelben Hinterkörper übergeht. Er frisst tierische Kleinstlebewesen, die sich ihrerseits von Algen ernähren. M. atrodorsalis besitzt in seinem Kiefer, wie die meisten Arten der Gattung Meiacanthus, Giftdrüsen, die unmittelbar an den verlängerten Eckzähnen positioniert sind. Wird M. atrodorsalis von einem Raubfisch wie dem Doppelfleck-Schnapper ( Lutjanus bohar) verschluckt, beißt er den Angreifer und wird von diesem meist unmittelbar und unverletzt wieder ausgespuckt. Von erfahrenen Räubern wird M. atrodorsalis daher gemieden.

Der Augenstreifen-Säbelzahnschleimfisch-Nachahmer ( Plagiotremus laudandus) kommt im Indopazifik gemeinsam mit M. atrodorsalis vor und ist genauso gefärbt wie dieser. P. laudandus ernährt sich räuberisch und wartet auf vorbeiziehende Fische, denen er blitzartig Flossen- oder Hautstücke abreißt. So attackiert P. laudandus zum Beispiel den Graukopf-Doktorfisch ( Acanthurus nigroris) während dieser Pflanzen, wie zum Beispiel Algen, im Riff abweidet. Ein Fressfeind von P. laudandus ist L. bohar.

Material B: Ökologische Untersuchungen an Korallenriffen

Im Rahmen von Beobachtungen und Experimenten an verschiedenen Korallenriffen wurde die interspezifische Beziehung von P. laudandus und M. atrodorsalis genauer untersucht. Eine Beobachtung war, dass P. laudandus in geringerer Anzahl an Korallenriffen vorkam als M. atrodorsalis.

Im Rahmen der Untersuchungen wurde innerhalb mehrerer 30-minütiger Beobachtungszeiträume jeweils die Aufenthaltsdauer von P. laudandus in direkter Nähe zu M. atrodorsalis und der Anteil erfolgreicher Angriffe von P. laudandus auf seine Beute erfasst (Abbildung 1).

Auch wurden Experimente mit P. laudandus -Attrappen an Korallenriffen durchgeführt, an denen M. atrodorsalis sowie P. laudandus beide nicht vorkamen oder gemeinsam vorkamen (Abbildung 2). Es wurden Fisch-Attrappen von P. laudandus im Riff positioniert, die sich in ihrer Farbe, nicht aber in ihrer Form unterschieden. Dabei wählte man eine Attrappe in blau-gelber Originalfärbung sowie eine Attrappe in grün-roter Färbung. Alle beobachteten Fischarten können die unterschiedlichen Farben wahrnehmen.

Es wurde erfasst, wie oft sich innerhalb eines Beobachtungszeitraumes von zehn Minuten Fressfeinde der jeweiligen Attrappe näherten (Abbildung 2). Die Annäherung eines Fressfeindes wurde als Angriff gewertet.

Material C: Phylogenie der Säbelzahnschleimfische

Die Verwandtschaftsbeziehungen der Schleimfische wurden anhand genetischer Daten untersucht. Ein Ausschnitt des phylogenetischen Stammbaums ist in Abbildung 3 dargestellt.

2. Fassen Sie die Ergebnisse der Versuche zusammen, die in den Abbildungen 1 und 2 gezeigt werden (Material B), und erläutern Sie detailliert, welche Bedeutung die Ähnlichkeit in der Färbung von Plagiotremus laudandus und Meiacanthus atrodorsalis hat (Materialien A und B). Ermitteln Sie, welcher Selektionstyp auf die Färbung von P. laudandus einwirkt (Materialien A und B). (21 Punkte)

a)

b)

c)

Material A: Ökologie der Säbelzahnschleimfische

An Korallenriffen kommt eine Vielzahl von Fischen vor, darunter auch die farbenprächtigen Säbelzahnschleimfische. Diese werden in fünf Gattungen unterteilt. Alle Säbelzahnschleimfische zeichnen sich durch verlängerte, bogenförmige Eckzähne im Unterkiefer aus.

Der an indopazifischen Korallenriffen beheimatete Augenstreifen-Säbelzahnschleimfisch ( Meiacanthus atrodorsalis) hat einen blauen Vorderkörper, der in einen gelben Hinterkörper übergeht. Er frisst tierische Kleinstlebewesen, die sich ihrerseits von Algen ernähren. M. atrodorsalis besitzt in seinem Kiefer, wie die meisten Arten der Gattung Meiacanthus, Giftdrüsen, die unmittelbar an den verlängerten Eckzähnen positioniert sind. Wird M. atrodorsalis von einem Raubfisch wie dem Doppelfleck-Schnapper ( Lutjanus bohar) verschluckt, beißt er den Angreifer und wird von diesem meist unmittelbar und unverletzt wieder ausgespuckt. Von erfahrenen Räubern wird M. atrodorsalis daher gemieden.

Der Augenstreifen-Säbelzahnschleimfisch-Nachahmer ( Plagiotremus laudandus) kommt im Indopazifik gemeinsam mit M. atrodorsalis vor und ist genauso gefärbt wie dieser. P. laudandus ernährt sich räuberisch und wartet auf vorbeiziehende Fische, denen er blitzartig Flossen- oder Hautstücke abreißt. So attackiert P. laudandus zum Beispiel den Graukopf-Doktorfisch ( Acanthurus nigroris) während dieser Pflanzen, wie zum Beispiel Algen, im Riff abweidet. Ein Fressfeind von P. laudandus ist L. bohar.

Material B: Ökologische Untersuchungen an Korallenriffen

Im Rahmen von Beobachtungen und Experimenten an verschiedenen Korallenriffen wurde die interspezifische Beziehung von P. laudandus und M. atrodorsalis genauer untersucht. Eine Beobachtung war, dass P. laudandus in geringerer Anzahl an Korallenriffen vorkam als M. atrodorsalis.

Im Rahmen der Untersuchungen wurde innerhalb mehrerer 30-minütiger Beobachtungszeiträume jeweils die Aufenthaltsdauer von P. laudandus in direkter Nähe zu M. atrodorsalis und der Anteil erfolgreicher Angriffe von P. laudandus auf seine Beute erfasst (Abbildung 1).

Auch wurden Experimente mit P. laudandus -Attrappen an Korallenriffen durchgeführt, an denen M. atrodorsalis sowie P. laudandus beide nicht vorkamen oder gemeinsam vorkamen (Abbildung 2). Es wurden Fisch-Attrappen von P. laudandus im Riff positioniert, die sich in ihrer Farbe, nicht aber in ihrer Form unterschieden. Dabei wählte man eine Attrappe in blau-gelber Originalfärbung sowie eine Attrappe in grün-roter Färbung. Alle beobachteten Fischarten können die unterschiedlichen Farben wahrnehmen.

Es wurde erfasst, wie oft sich innerhalb eines Beobachtungszeitraumes von zehn Minuten Fressfeinde der jeweiligen Attrappe näherten (Abbildung 2). Die Annäherung eines Fressfeindes wurde als Angriff gewertet.

Material C: Phylogenie der Säbelzahnschleimfische

Die Verwandtschaftsbeziehungen der Schleimfische wurden anhand genetischer Daten untersucht. Ein Ausschnitt des phylogenetischen Stammbaums ist in Abbildung 3 dargestellt.

3. Werten Sie Abbildung 3 hinsichtlich des ersten Auftretens der Merkmale „lange Eckzähne“ und „Giftdrüsen“ innerhalb der Stammesgeschichte der Säbelzahnschleimfische aus (Materialien A und C) und entwickeln Sie unter Anwendung der Synthetischen Evolutionstheorie eine Hypothese zur Entstehung der Giftigkeit bei M. atrodorsalis (Materialien A bis C). Beschreiben Sie, worin sich konvergente und divergente Entwicklungen unterscheiden. Beurteilen Sie, ob die in Material C (Abbildung 3) genannten Farbähnlichkeiten zwischen Vertretern der Gattung Meiacanthus und anderen Fischarten das Ergebnis einer konvergenten Entwicklung sein könnten (Materialien A bis C). (21 Punkte)

a)

b)

c)

d)

Material A: Lebensweise der Östlichen Mausspinne

Die Östliche Mausspinne ( Missulena bradleyi) ist eine Giftspinne, die nur an der australischen Ostküste vorkommt. Diese Spinnen bauen etwa 30 Zentimeter tiefe, gangartige Höhlen in einem sandig-lehmigen Boden. Jeder Bau hat zwei Eingänge, die jeweils mit einer Falltür aus Spinnenseide versehen sind und den Beutefang erleichtern. Männliche und weibliche Spinnen fangen mithilfe der Falltür bodenbewohnende Wirbellose wie zum Beispiel Insekten und Schnecken, die sie mit ihrer Giftmischung lähmen, verflüssigen und aussaugen.

Ein weiterer Gang innerhalb des Baus führt zu einer Brutkammer, in die die Weibchen ihre unterschiedlich großen Gelege ablegen. Die Spinnenweibchen verlassen ihren Bau im Lauf ihres Lebens fast nie. Sobald die Spinnenmännchen fortpflanzungsfähig sind, verlassen sie vor allem im Herbst und Winter den Bau, gehen auf Beutefang und begeben sich auf die Suche nach einem paarungsbereiten Weibchen. Das Gift fortpflanzungsfähiger Männchen auf Wanderschaft ist toxischer als das von Weibchen und noch nicht fortpflanzungsfähigen Männchen. Nach der Paarung überwintern die Spinnen mit der sich entwickelnden Brut geschützt in den Bauten.

Material B: Wirkung von Delta-Missulenatoxin-Mb1a

Die Östliche Mausspinne verfügt über eine Giftmischung, die aus mehreren Komponenten besteht. Beim Menschen kann ein Biss der Spinne unbehandelt schnell zur Bewusstlosigkeit führen. Es treten Muskelkrämpfe sowie ein Kreislaufzusammenbruch auf. Der bei Wirbeltieren wie Ratten oder Menschen wirksame Bestandteil des Giftes der Mausspinnen-Männchen ist das Delta-Missulenatoxin-Mb1a. Die Auswirkungen von Delta-Missulenatoxin-Mb1a auf spannungsgesteuerte Natriumionen-Kanäle von Neuronen der Ratte wurden genauer analysiert. Dazu wurde der Natriumionen-Strom nach einer künstlichen Depolarisation über den Schwellenwert ermittelt (Abbildung 1). Ähnliche Ergebnisse sind auch für den Menschen anzunehmen.

Material C: Verwandtschaft der Vogelspinnenartigen

Anhand eines Vergleichs von morphologischen Merkmalen unterschiedlicher Spinnenarten wurde ein phylogenetischer Stammbaum erstellt (Abbildung 2). Die Östliche Mausspinne ( Missulena bradleyi) ist eine Spinnenart, die nach morphologischen Kriterien zur Familie der Actinopodidae gehört. Die stark giftige Sydney-Trichternetzspinne ( Atrax robustus) gehört zur Familie der Hexathelidae. Ähnlich wie bei der Östlichen Mausspinne sind bei der Sydney-Trichternetzspinne die fortpflanzungsfähigen Männchen toxischer als die Weibchen. In die Familie der Hexathelidae werden auch Spinnen der Gattungen Illawarra und Hadronyche eingeordnet. Diese Spinnen verfügen jeweils über Toxine, die dem Delta-Missulenatoxin-Mb1a der Östlichen Mausspinne ähneln. Ein Vergleich der vollständigen Aminosäuresequenzen der Toxine dieser Spinnenarten ist in Tabelle 1 dargestellt. Bei den anderen im Stammbaum in Abbildung 2 berücksichtigten Spinnenfamilien konnten ähnliche Toxine bislang nicht nachgewiesen werden.

Vergiftungen nach Bissen durch die Östliche Mausspinne können erfolgreich mit einem Gegengift gegen das Toxin der Sydney-Trichternetzspinne behandelt werden.

Material D: Tabelle der Aminosäuren

A · Ala · Alanin

C · Cys · Cystein

D · Asp · Asparaginsäure

E · Glu · Glutaminsäure

F · Phe · Phenylalanin

G · Gly · Glycin

H · His · Histidin

I · Ile · Isoleucin

K · Lys · Lysin

L · Leu · Leucin

M · Met · Methionin

N · Asn · Asparagin

P · Pro · Prolin

Q · Gln · Glutamin

R · Arg · Arginin

S · Ser · Serin

T · Thr · Threonin

V · Val · Valin

W · Trp · Tryptophan

Y · Tyr · Tyrosin

Thema: Das Gift der Östlichen Mausspinne

1. Definieren Sie den Begriff der reproduktiven Fitness (Geben Sie die Definition an) und erläutern Sie, welche Faktoren die reproduktive Fitness der Männchen und der Weibchen der Östlichen Mausspinne bestimmen (Material A). Entwickeln Sie eine evolutionsbiologisch begründete Hypothese dazu, wie es zur höheren Toxizität des Giftes bei fortpflanzungsfähigen Spinnenmännchen kommen konnte (Material A). (14 Punkte)

a)

b)

c)

Material A: Lebensweise der Östlichen Mausspinne

Die Östliche Mausspinne ( Missulena bradleyi) ist eine Giftspinne, die nur an der australischen Ostküste vorkommt. Diese Spinnen bauen etwa 30 Zentimeter tiefe, gangartige Höhlen in einem sandig-lehmigen Boden. Jeder Bau hat zwei Eingänge, die jeweils mit einer Falltür aus Spinnenseide versehen sind und den Beutefang erleichtern. Männliche und weibliche Spinnen fangen mithilfe der Falltür bodenbewohnende Wirbellose wie zum Beispiel Insekten und Schnecken, die sie mit ihrer Giftmischung lähmen, verflüssigen und aussaugen.

Ein weiterer Gang innerhalb des Baus führt zu einer Brutkammer, in die die Weibchen ihre unterschiedlich großen Gelege ablegen. Die Spinnenweibchen verlassen ihren Bau im Lauf ihres Lebens fast nie. Sobald die Spinnenmännchen fortpflanzungsfähig sind, verlassen sie vor allem im Herbst und Winter den Bau, gehen auf Beutefang und begeben sich auf die Suche nach einem paarungsbereiten Weibchen. Das Gift fortpflanzungsfähiger Männchen auf Wanderschaft ist toxischer als das von Weibchen und noch nicht fortpflanzungsfähigen Männchen. Nach der Paarung überwintern die Spinnen mit der sich entwickelnden Brut geschützt in den Bauten.

Material B: Wirkung von Delta-Missulenatoxin-Mb1a

Die Östliche Mausspinne verfügt über eine Giftmischung, die aus mehreren Komponenten besteht. Beim Menschen kann ein Biss der Spinne unbehandelt schnell zur Bewusstlosigkeit führen. Es treten Muskelkrämpfe sowie ein Kreislaufzusammenbruch auf. Der bei Wirbeltieren wie Ratten oder Menschen wirksame Bestandteil des Giftes der Mausspinnen-Männchen ist das Delta-Missulenatoxin-Mb1a. Die Auswirkungen von Delta-Missulenatoxin-Mb1a auf spannungsgesteuerte Natriumionen-Kanäle von Neuronen der Ratte wurden genauer analysiert. Dazu wurde der Natriumionen-Strom nach einer künstlichen Depolarisation über den Schwellenwert ermittelt (Abbildung 1). Ähnliche Ergebnisse sind auch für den Menschen anzunehmen.

Material C: Verwandtschaft der Vogelspinnenartigen

Anhand eines Vergleichs von morphologischen Merkmalen unterschiedlicher Spinnenarten wurde ein phylogenetischer Stammbaum erstellt (Abbildung 2). Die Östliche Mausspinne ( Missulena bradleyi) ist eine Spinnenart, die nach morphologischen Kriterien zur Familie der Actinopodidae gehört. Die stark giftige Sydney-Trichternetzspinne ( Atrax robustus) gehört zur Familie der Hexathelidae. Ähnlich wie bei der Östlichen Mausspinne sind bei der Sydney-Trichternetzspinne die fortpflanzungsfähigen Männchen toxischer als die Weibchen. In die Familie der Hexathelidae werden auch Spinnen der Gattungen Illawarra und Hadronyche eingeordnet. Diese Spinnen verfügen jeweils über Toxine, die dem Delta-Missulenatoxin-Mb1a der Östlichen Mausspinne ähneln. Ein Vergleich der vollständigen Aminosäuresequenzen der Toxine dieser Spinnenarten ist in Tabelle 1 dargestellt. Bei den anderen im Stammbaum in Abbildung 2 berücksichtigten Spinnenfamilien konnten ähnliche Toxine bislang nicht nachgewiesen werden.

Vergiftungen nach Bissen durch die Östliche Mausspinne können erfolgreich mit einem Gegengift gegen das Toxin der Sydney-Trichternetzspinne behandelt werden.

Material D: Tabelle der Aminosäuren

A · Ala · Alanin

C · Cys · Cystein

D · Asp · Asparaginsäure

E · Glu · Glutaminsäure

F · Phe · Phenylalanin

G · Gly · Glycin

H · His · Histidin

I · Ile · Isoleucin

K · Lys · Lysin

L · Leu · Leucin

M · Met · Methionin

N · Asn · Asparagin

P · Pro · Prolin

Q · Gln · Glutamin

R · Arg · Arginin

S · Ser · Serin

T · Thr · Threonin

V · Val · Valin

W · Trp · Tryptophan

Y · Tyr · Tyrosin

Thema: Das Gift der Östlichen Mausspinne

2. Erklären Sie, wie ein Aktionspotenzial abläuft. Beschreiben Sie die Befunde, die Abbildung 1 zeigt, und leiten Sie unter Berücksichtigung des vollständigen Materials B ab, wie das Toxin der Östlichen Mausspinne neurophysiologisch wirkt (Material B). Begründen Sie darauf aufbauend, welche Symptome das Gift beim Menschen hervorrufen kann (Material B). (22 Punkte)

a)

b)

c)

d)

Material A: Lebensweise der Östlichen Mausspinne

Die Östliche Mausspinne ( Missulena bradleyi) ist eine Giftspinne, die nur an der australischen Ostküste vorkommt. Diese Spinnen bauen etwa 30 Zentimeter tiefe, gangartige Höhlen in einem sandig-lehmigen Boden. Jeder Bau hat zwei Eingänge, die jeweils mit einer Falltür aus Spinnenseide versehen sind und den Beutefang erleichtern. Männliche und weibliche Spinnen fangen mithilfe der Falltür bodenbewohnende Wirbellose wie zum Beispiel Insekten und Schnecken, die sie mit ihrer Giftmischung lähmen, verflüssigen und aussaugen.

Ein weiterer Gang innerhalb des Baus führt zu einer Brutkammer, in die die Weibchen ihre unterschiedlich großen Gelege ablegen. Die Spinnenweibchen verlassen ihren Bau im Lauf ihres Lebens fast nie. Sobald die Spinnenmännchen fortpflanzungsfähig sind, verlassen sie vor allem im Herbst und Winter den Bau, gehen auf Beutefang und begeben sich auf die Suche nach einem paarungsbereiten Weibchen. Das Gift fortpflanzungsfähiger Männchen auf Wanderschaft ist toxischer als das von Weibchen und noch nicht fortpflanzungsfähigen Männchen. Nach der Paarung überwintern die Spinnen mit der sich entwickelnden Brut geschützt in den Bauten.

Material B: Wirkung von Delta-Missulenatoxin-Mb1a

Die Östliche Mausspinne verfügt über eine Giftmischung, die aus mehreren Komponenten besteht. Beim Menschen kann ein Biss der Spinne unbehandelt schnell zur Bewusstlosigkeit führen. Es treten Muskelkrämpfe sowie ein Kreislaufzusammenbruch auf. Der bei Wirbeltieren wie Ratten oder Menschen wirksame Bestandteil des Giftes der Mausspinnen-Männchen ist das Delta-Missulenatoxin-Mb1a. Die Auswirkungen von Delta-Missulenatoxin-Mb1a auf spannungsgesteuerte Natriumionen-Kanäle von Neuronen der Ratte wurden genauer analysiert. Dazu wurde der Natriumionen-Strom nach einer künstlichen Depolarisation über den Schwellenwert ermittelt (Abbildung 1). Ähnliche Ergebnisse sind auch für den Menschen anzunehmen.

Material C: Verwandtschaft der Vogelspinnenartigen

Anhand eines Vergleichs von morphologischen Merkmalen unterschiedlicher Spinnenarten wurde ein phylogenetischer Stammbaum erstellt (Abbildung 2). Die Östliche Mausspinne ( Missulena bradleyi) ist eine Spinnenart, die nach morphologischen Kriterien zur Familie der Actinopodidae gehört. Die stark giftige Sydney-Trichternetzspinne ( Atrax robustus) gehört zur Familie der Hexathelidae. Ähnlich wie bei der Östlichen Mausspinne sind bei der Sydney-Trichternetzspinne die fortpflanzungsfähigen Männchen toxischer als die Weibchen. In die Familie der Hexathelidae werden auch Spinnen der Gattungen Illawarra und Hadronyche eingeordnet. Diese Spinnen verfügen jeweils über Toxine, die dem Delta-Missulenatoxin-Mb1a der Östlichen Mausspinne ähneln. Ein Vergleich der vollständigen Aminosäuresequenzen der Toxine dieser Spinnenarten ist in Tabelle 1 dargestellt. Bei den anderen im Stammbaum in Abbildung 2 berücksichtigten Spinnenfamilien konnten ähnliche Toxine bislang nicht nachgewiesen werden.

Vergiftungen nach Bissen durch die Östliche Mausspinne können erfolgreich mit einem Gegengift gegen das Toxin der Sydney-Trichternetzspinne behandelt werden.

Material D: Tabelle der Aminosäuren

A · Ala · Alanin

C · Cys · Cystein

D · Asp · Asparaginsäure

E · Glu · Glutaminsäure

F · Phe · Phenylalanin

G · Gly · Glycin

H · His · Histidin

I · Ile · Isoleucin

K · Lys · Lysin

L · Leu · Leucin

M · Met · Methionin

N · Asn · Asparagin

P · Pro · Prolin

Q · Gln · Glutamin

R · Arg · Arginin

S · Ser · Serin

T · Thr · Threonin

V · Val · Valin

W · Trp · Tryptophan

Y · Tyr · Tyrosin

3. Erklären Sie, wie phylogenetische Stammbäume auf der Grundlage morphologischer Daten erstellt werden. Werten Sie Abbildung 2 im Hinblick auf die stammesgeschichtliche Verwandtschaft zwischen der Östlichen Mausspinne und der Sydney-Trichternetzspinne aus (Material C). Prüfen Sie kritisch, ob der abgebildete Stammbaum durch die molekularen Analysen der Spinnentoxine gestützt wird (Tabelle 1, Materialien A bis C). [18 Punkte]

Material A: Nozizeptoren und Schmerz

Die Empfindung Schmerz entsteht durch Reize, die den Organismus schädigen können. Fast jeder Reiz kann noxisch, also schmerzauslösend werden, wenn seine Intensität groß genug ist. Die spezifischen Rezeptorzellen für die Aufnahme dieser Reize nennt man Nozizeptoren. Die verzweigten dendritischen Fortsätze dieser primären Sinneszellen liegen zum Beispiel in den äußeren Hautschichten.

Legt man die Hand auf eine heiße Herdplatte, empfindet man sofort einen Schmerz hoher Intensität, was zu einer Vermeidungsreaktion führt. Der darauf folgende, verzögert wahrgenommene Schmerz ist meist von geringerer Intensität. Die Axone der für diese verzögerte Schmerzwahrnehmung verantwortlichen Nozizeptoren sind in der Regel nicht myelinisiert. Das Grundprinzip der Signaltransduktion bei dieser Gruppe von Nozizeptoren ist in Abbildung 1 dargestellt.

Die Axone der Nozizeptoren sind über Synapsen mit Neuronen des Rückenmarks verschaltet, die Aktionspotentiale zum Gehirn weiterleiten können.

Material B: Genetische Ursachen der Krankheit der extremen Schmerzanfälle (PEPD)

Die Krankheit der extremen Schmerzanfälle (PEPD) ist eine sehr seltene, erblich bedingte Erkrankung, bei der die Patienten unter extremer Schmerzempfindung leiden. Sie ist bisher erst bei 15 Familien weltweit beschrieben worden. Die Symptomatik der Krankheit beginnt im ersten Lebensjahr mit übermäßig starken Schmerzen nach Einwirkung nur schwacher noxischer Reize. Ältere Kinder und Erwachsene leiden ebenso unter extremen Schmerzattacken.

Die Abbildung 2 zeigt den Stammbaum einer von PEPD betroffenen Familie. In den Familien der Personen 3, 9 und 11 ist die Krankheit zuvor nie aufgetreten. Sie tragen daher keine Anlage für die Erkrankung.

Bei Patienten mit erblich bedingter PEPD wurden als Ursache der Krankheit unter anderem Mutationen im SCN9A -Gen gefunden (Tabelle 1).

Das SCN9A -Gen codiert die Alpha-Untereinheit des Natriumionen-Kanals $\text{Na}_\text{V}1.7$, der in den Dendriten und Axonen der Nozizeptoren vorkommt.

Material C: Neurophysiologische Ursachen der PEPD

Zur Analyse der neurophysiologischen Ursachen der PEPD wurde das unveränderte menschliche Wildtyp-Gen (Normalallel) beziehungsweise das mutierte SCNA9 -Gen in Nozizeptor-Zelllinien von Ratten eingebracht und dort exprimiert.

Mithilfe elektrophysiologischer Messungen wurde dann die Reaktion der Nozizeptor-Zelllinien von Ratten mit menschlichen Wildtyp $\text{Na}_\text{V}1.7$-Kanälen mit der Reaktion der mutierten $\text{Na}_\text{V}1.7$-Kanäle verglichen. Hierbei wurden die Frequenzen von Aktionspotentialen bei verschiedenen Stärken eines elektrischen Reizes untersucht (Abbildung 3).

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Aufgabe 3 - Nervenzelle: Membranpotenziale und Erregungsleitung

1.

Erklären Sie, wie TRPV1-Kanäle und $\text{Na}_\text{V}1.7$-Kanäle bei der Signaltransduktion funktionieren (Abbildung 1, Material A). Begründen Sie, warum der Schmerz zeitlich unterschiedlich wahrgenommen wird, und beziehen Sie dabei den Aufbau der Nozizeptoren ein (Material A). [12 Punkte]

3.

Fassen Sie die Ergebnisse aus Abbildung 3 zusammen (Material C) und werten Sie sie aus (Materialien A bis C). Entwickeln Sie auf Grundlage der Materialien A bis C eine Hypothese, welche neurophysiologischen Ursachen der PEPD beim Menschen zugrunde liegen. [22 Punkte]

Material A: Nozizeptoren und Schmerz

Die Empfindung Schmerz entsteht durch Reize, die den Organismus schädigen können. Fast jeder Reiz kann noxisch, also schmerzauslösend werden, wenn seine Intensität groß genug ist. Die spezifischen Rezeptorzellen für die Aufnahme dieser Reize nennt man Nozizeptoren. Die verzweigten dendritischen Fortsätze dieser primären Sinneszellen liegen zum Beispiel in den äußeren Hautschichten.

Legt man die Hand auf eine heiße Herdplatte, empfindet man sofort einen Schmerz hoher Intensität, was zu einer Vermeidungsreaktion führt. Der darauf folgende, verzögert wahrgenommene Schmerz ist meist von geringerer Intensität. Die Axone der für diese verzögerte Schmerzwahrnehmung verantwortlichen Nozizeptoren sind in der Regel nicht myelinisiert. Das Grundprinzip der Signaltransduktion bei dieser Gruppe von Nozizeptoren ist in Abbildung 1 dargestellt.

Die Axone der Nozizeptoren sind über Synapsen mit Neuronen des Rückenmarks verschaltet, die Aktionspotentiale zum Gehirn weiterleiten können.

Material B: Genetische Ursachen der Krankheit der extremen Schmerzanfälle (PEPD)

Die Krankheit der extremen Schmerzanfälle (PEPD) ist eine sehr seltene, erblich bedingte Erkrankung, bei der die Patienten unter extremer Schmerzempfindung leiden. Sie ist bisher erst bei 15 Familien weltweit beschrieben worden. Die Symptomatik der Krankheit beginnt im ersten Lebensjahr mit übermäßig starken Schmerzen nach Einwirkung nur schwacher noxischer Reize. Ältere Kinder und Erwachsene leiden ebenso unter extremen Schmerzattacken.

Die Abbildung 2 zeigt den Stammbaum einer von PEPD betroffenen Familie. In den Familien der Personen 3, 9 und 11 ist die Krankheit zuvor nie aufgetreten. Sie tragen daher keine Anlage für die Erkrankung.

Bei Patienten mit erblich bedingter PEPD wurden als Ursache der Krankheit unter anderem Mutationen im SCN9A -Gen gefunden (Tabelle 1).

Das SCN9A -Gen codiert die Alpha-Untereinheit des Natriumionen-Kanals $\text{Na}_\text{V}1.7$, der in den Dendriten und Axonen der Nozizeptoren vorkommt.

Material C: Neurophysiologische Ursachen der PEPD

Zur Analyse der neurophysiologischen Ursachen der PEPD wurde das unveränderte menschliche Wildtyp-Gen (Normalallel) beziehungsweise das mutierte SCNA9 -Gen in Nozizeptor-Zelllinien von Ratten eingebracht und dort exprimiert.

Mithilfe elektrophysiologischer Messungen wurde dann die Reaktion der Nozizeptor-Zelllinien von Ratten mit menschlichen Wildtyp $\text{Na}_\text{V}1.7$-Kanälen mit der Reaktion der mutierten $\text{Na}_\text{V}1.7$-Kanäle verglichen. Hierbei wurden die Frequenzen von Aktionspotentialen bei verschiedenen Stärken eines elektrischen Reizes untersucht (Abbildung 3).

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Aufgabe 3 - Humangenetik: Erbgang der PEPD

2.

Ermitteln Sie anhand von Material B einen möglichen Erbgang der PEPD, indem Sie andere Erbgänge mit Begründung ausschließen, und geben Sie die Genotypen der Personen 12 bis 16 an. [10 Punkte]

Person 12:

Person 13:

Person 14:

Person 15:

Person 16:

Material A: Nozizeptoren und Schmerz

Die Empfindung Schmerz entsteht durch Reize, die den Organismus schädigen können. Fast jeder Reiz kann noxisch, also schmerzauslösend werden, wenn seine Intensität groß genug ist. Die spezifischen Rezeptorzellen für die Aufnahme dieser Reize nennt man Nozizeptoren. Die verzweigten dendritischen Fortsätze dieser primären Sinneszellen liegen zum Beispiel in den äußeren Hautschichten.

Legt man die Hand auf eine heiße Herdplatte, empfindet man sofort einen Schmerz hoher Intensität, was zu einer Vermeidungsreaktion führt. Der darauf folgende, verzögert wahrgenommene Schmerz ist meist von geringerer Intensität. Die Axone der für diese verzögerte Schmerzwahrnehmung verantwortlichen Nozizeptoren sind in der Regel nicht myelinisiert. Das Grundprinzip der Signaltransduktion bei dieser Gruppe von Nozizeptoren ist in Abbildung 1 dargestellt.

Die Axone der Nozizeptoren sind über Synapsen mit Neuronen des Rückenmarks verschaltet, die Aktionspotentiale zum Gehirn weiterleiten können.

Material B: Genetische Ursachen der Krankheit der extremen Schmerzanfälle (PEPD)

Die Krankheit der extremen Schmerzanfälle (PEPD) ist eine sehr seltene, erblich bedingte Erkrankung, bei der die Patienten unter extremer Schmerzempfindung leiden. Sie ist bisher erst bei 15 Familien weltweit beschrieben worden. Die Symptomatik der Krankheit beginnt im ersten Lebensjahr mit übermäßig starken Schmerzen nach Einwirkung nur schwacher noxischer Reize. Ältere Kinder und Erwachsene leiden ebenso unter extremen Schmerzattacken.

Die Abbildung 2 zeigt den Stammbaum einer von PEPD betroffenen Familie. In den Familien der Personen 3, 9 und 11 ist die Krankheit zuvor nie aufgetreten. Sie tragen daher keine Anlage für die Erkrankung.

Bei Patienten mit erblich bedingter PEPD wurden als Ursache der Krankheit unter anderem Mutationen im SCN9A -Gen gefunden (Tabelle 1).

Das SCN9A -Gen codiert die Alpha-Untereinheit des Natriumionen-Kanals $\text{Na}_\text{V}1.7$, der in den Dendriten und Axonen der Nozizeptoren vorkommt.

Material C: Neurophysiologische Ursachen der PEPD

Zur Analyse der neurophysiologischen Ursachen der PEPD wurde das unveränderte menschliche Wildtyp-Gen (Normalallel) beziehungsweise das mutierte SCNA9 -Gen in Nozizeptor-Zelllinien von Ratten eingebracht und dort exprimiert.

Mithilfe elektrophysiologischer Messungen wurde dann die Reaktion der Nozizeptor-Zelllinien von Ratten mit menschlichen Wildtyp $\text{Na}_\text{V}1.7$-Kanälen mit der Reaktion der mutierten $\text{Na}_\text{V}1.7$-Kanäle verglichen. Hierbei wurden die Frequenzen von Aktionspotentialen bei verschiedenen Stärken eines elektrischen Reizes untersucht (Abbildung 3).

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Aufgabenstellung 2 (Teil 2): Ermitteln Sie zu den Nukleotidsequenzen aus Tabelle 1 jeweils die passenden mRNA- und Aminosäuresequenzen und bestimmen Sie den Mutationstyp (Material B und D).

a)

Geben Sie sowohl für das Normalallel als auch für das mutierte Allel die mRNA- und die Aminosäuresequenz an ($5' \to 3'$):

b)

Bestimmen Sie den vorliegenden Mutationstyp und beschreiben bzw. begründen Sie die eingetretene Veränderung: