Abitur NRW Biologie 2022 · GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg

Material A: Biologie der Vogel-Vampirfliege

Die Vogel-Vampirfliege ( Philornis downsi) ist eine Fliegenart, die in großen Teilen Südamerikas vorkommt. 1960 wurde die Vogel-Vampirfliege erstmals auf den Galapagos-Inseln nachgewiesen, wohin sie vermutlich per Schiff oder Flugzeug eingeschleppt wurde. Galapagos besteht aus 13 Hauptinseln. Die Inseln sind bis zu 1700 m hoch und weisen unterschiedliche Lebensräume auf, von heißen, trockenen Lavafeldern bis hin zum feuchten, kühlen Hochland. Die Vogel-Vampirfliege hat sich rasch auf fast allen Hauptinseln verbreitet.

Ausgewachsene Vogel-Vampirfliegen ernähren sich von frischen und faulenden Früchten und Blüten verschiedenster Pflanzenarten. Sie legen ihre Eier in Vogelnester. Die Vogel-Vampirfliegen-Larven saugen Blut von den Vogelküken, die daraufhin unter Blutarmut und geringem Wachstum leiden und meist sterben. Ein Fliegenweibchen legt bis zu 180 Eier, die es auf 20 bis 30 Nester verschiedener Vogelarten verteilt. In einer Vogel-Brutzeit entstehen mindestens drei Fliegengenerationen.

Tabelle 1: Vergleich ausgewählter Faktoren der Lebensbedingungen der Vogel-Vampirfliege in ihren Ursprungsregionen in Südamerika und auf den Galapagos-Inseln · Ursprungsregionen in Südamerika · Galapagos-Inseln

von der Vogel-Vampirfliege befallene Vogelarten · zahlreiche kleine Sperlingsvögel einschließlich Finken, Kuckucksvögel und Spechtvögel · zahlreiche kleine Sperlingsvögel einschließlich fast aller Darwinfinken-Arten und Kuckucksvögel

Anteil von der Vogel-Vampirfliege befallener Nester · weniger als 30 % · mehr als 90 %

durchschnittliche Anzahl Larven je Nest · weniger als 10 · mehr als 30

Anteil von Vogel-Vampirfliegen-Larven, die durch parasitische Schlupfwespen getötet werden · 10 bis 20 % · maximal 5 %

Fressfeinde der Vogel-Vampirfliegen-Larven · Ameisen · keine

Material B: Wirkung von Permethrin auf Nervenzellen

Der Befall mit Vogel-Vampirfliegen hat zu einem starken Rückgang der Anzahl vieler Darwinfinken geführt. Zur Bekämpfung der Vogel-Vampirfliegen auf den Galapagos-Inseln wird das Insektizid Permethrin eingesetzt. Insekten nehmen Permethrin über die Körperoberfläche auf. Bei ausreichend hoher Dosierung sterben die behandelten Insekten, bei zu niedriger Dosierung können sie sich wieder erholen. Permethrin bindet an spannungsgesteuerte Natriumionen-Kanäle in den Axonen. In Experimenten wurden die neurophysiologischen Auswirkungen von Permethrin untersucht. Dazu wurden Nervenzellen von Insekten mit Permethrin behandelt und kurz gereizt; es wurde das Membranpotential gemessen (Abbildung 1).

Material C: Permethrin zum Schutz von Darwinfinken

Auf den Galapagos-Inseln ist die Anzahl vieler Darwinfinken durch den Befall mit Vogel-Vampirfliegen stark zurückgegangen, da jährlich bis zu 95 % der Küken im Freiland sterben. Um die Vogelbestände zu schützen, wurde in Freilandexperimenten eine Bekämpfungsmaßnahme mit dem Insektizid Permethrin genauer untersucht.

Dabei wurden in einem ersten Experiment Spender mit Baumwollfasern aufgestellt, welche von den Darwinfinken für den Nestbau genutzt werden. Die Versuchs-Spender enthielten Baumwollfasern, die mit 1 %iger Permethrin-Lösung behandelt worden waren. Die Baumwollfasern in den Kontroll-Spendern waren mit Wasser behandelt. Nach Beendigung der Brut wurden in den Nestern die Masse der zum Nestbau verwendeten Baumwolle sowie die Anzahl an Vogel-Vampirfliegen-Larven bestimmt (Abbildung 2).

In einem zweiten Freilandexperiment wurden Nester mit 1 %iger Permethrin-Lösung oder mit Wasser eingesprüht. Anschließend wurde die Anzahl der in diesen Nestern flügge gewordenen Jungvögel bestimmt (Abbildung 3).

Außerdem sollte untersucht werden, ob eine Permethrin-Behandlung langfristige Folgen für die Darwinfinken hat. Dazu wurden Laborexperimente mit den nah verwandten Zebrafinken ( Taeniopygia guttata) durchgeführt, die leichter zu halten und zu vermehren sind als Darwinfinken. Für die Experimente wurden Zebrafinken über zwei Generationen gezüchtet. Bei beiden Generationen wurde jeweils entweder mit 1 % Permethrin behandeltes Nistmaterial oder mit Wasser behandeltes Nistmaterial verwendet. Für beide Generationen wurden die Eier und die Küken untersucht und der Bruterfolg ermittelt.

Bei der ersten Generation wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen der Kontrollgruppe und der Gruppe der mit Permethrin behandelten Nester festgestellt. In der zweiten Generation gab es keine signifikanten Unterschiede bei der Anzahl der Eier und der Anzahl der geschlüpften Küken, aber bei der Küken-Sterblichkeit. Während in den Kontrollnestern alle Jungvögel überlebten, waren es in den mit Permethrin behandelten Nestern 64 %.

Teilaufgabe 1 [19 Punkte]

1.1

Stellen Sie in einem Nahrungsnetz dar, welche Nahrungsbeziehungen zwischen den in Material A beschriebenen Lebewesen in deren südamerikanischen Herkunftsgebieten bestehen.

1.2

Ermitteln Sie, welchen Trophieebenen die Lebewesen aus Material A jeweils angehören.

1.3

Begründen Sie, weshalb sich die Vogel-Vampirfliege auf den Galapagos-Inseln so stark ausbreiten konnte (Material A).

Material A: Biologie der Vogel-Vampirfliege

Die Vogel-Vampirfliege ( Philornis downsi) ist eine Fliegenart, die in großen Teilen Südamerikas vorkommt. 1960 wurde die Vogel-Vampirfliege erstmals auf den Galapagos-Inseln nachgewiesen, wohin sie vermutlich per Schiff oder Flugzeug eingeschleppt wurde. Galapagos besteht aus 13 Hauptinseln. Die Inseln sind bis zu 1700 m hoch und weisen unterschiedliche Lebensräume auf, von heißen, trockenen Lavafeldern bis hin zum feuchten, kühlen Hochland. Die Vogel-Vampirfliege hat sich rasch auf fast allen Hauptinseln verbreitet.

Ausgewachsene Vogel-Vampirfliegen ernähren sich von frischen und faulenden Früchten und Blüten verschiedenster Pflanzenarten. Sie legen ihre Eier in Vogelnester. Die Vogel-Vampirfliegen-Larven saugen Blut von den Vogelküken, die daraufhin unter Blutarmut und geringem Wachstum leiden und meist sterben. Ein Fliegenweibchen legt bis zu 180 Eier, die es auf 20 bis 30 Nester verschiedener Vogelarten verteilt. In einer Vogel-Brutzeit entstehen mindestens drei Fliegengenerationen.

Tabelle 1: Vergleich ausgewählter Faktoren der Lebensbedingungen der Vogel-Vampirfliege in ihren Ursprungsregionen in Südamerika und auf den Galapagos-Inseln · Ursprungsregionen in Südamerika · Galapagos-Inseln

von der Vogel-Vampirfliege befallene Vogelarten · zahlreiche kleine Sperlingsvögel einschließlich Finken, Kuckucksvögel und Spechtvögel · zahlreiche kleine Sperlingsvögel einschließlich fast aller Darwinfinken-Arten und Kuckucksvögel

Anteil von der Vogel-Vampirfliege befallener Nester · weniger als 30 % · mehr als 90 %

durchschnittliche Anzahl Larven je Nest · weniger als 10 · mehr als 30

Anteil von Vogel-Vampirfliegen-Larven, die durch parasitische Schlupfwespen getötet werden · 10 bis 20 % · maximal 5 %

Fressfeinde der Vogel-Vampirfliegen-Larven · Ameisen · keine

Material B: Wirkung von Permethrin auf Nervenzellen

Der Befall mit Vogel-Vampirfliegen hat zu einem starken Rückgang der Anzahl vieler Darwinfinken geführt. Zur Bekämpfung der Vogel-Vampirfliegen auf den Galapagos-Inseln wird das Insektizid Permethrin eingesetzt. Insekten nehmen Permethrin über die Körperoberfläche auf. Bei ausreichend hoher Dosierung sterben die behandelten Insekten, bei zu niedriger Dosierung können sie sich wieder erholen. Permethrin bindet an spannungsgesteuerte Natriumionen-Kanäle in den Axonen. In Experimenten wurden die neurophysiologischen Auswirkungen von Permethrin untersucht. Dazu wurden Nervenzellen von Insekten mit Permethrin behandelt und kurz gereizt; es wurde das Membranpotential gemessen (Abbildung 1).

Material C: Permethrin zum Schutz von Darwinfinken

Auf den Galapagos-Inseln ist die Anzahl vieler Darwinfinken durch den Befall mit Vogel-Vampirfliegen stark zurückgegangen, da jährlich bis zu 95 % der Küken im Freiland sterben. Um die Vogelbestände zu schützen, wurde in Freilandexperimenten eine Bekämpfungsmaßnahme mit dem Insektizid Permethrin genauer untersucht.

Dabei wurden in einem ersten Experiment Spender mit Baumwollfasern aufgestellt, welche von den Darwinfinken für den Nestbau genutzt werden. Die Versuchs-Spender enthielten Baumwollfasern, die mit 1 %iger Permethrin-Lösung behandelt worden waren. Die Baumwollfasern in den Kontroll-Spendern waren mit Wasser behandelt. Nach Beendigung der Brut wurden in den Nestern die Masse der zum Nestbau verwendeten Baumwolle sowie die Anzahl an Vogel-Vampirfliegen-Larven bestimmt (Abbildung 2).

In einem zweiten Freilandexperiment wurden Nester mit 1 %iger Permethrin-Lösung oder mit Wasser eingesprüht. Anschließend wurde die Anzahl der in diesen Nestern flügge gewordenen Jungvögel bestimmt (Abbildung 3).

Außerdem sollte untersucht werden, ob eine Permethrin-Behandlung langfristige Folgen für die Darwinfinken hat. Dazu wurden Laborexperimente mit den nah verwandten Zebrafinken ( Taeniopygia guttata) durchgeführt, die leichter zu halten und zu vermehren sind als Darwinfinken. Für die Experimente wurden Zebrafinken über zwei Generationen gezüchtet. Bei beiden Generationen wurde jeweils entweder mit 1 % Permethrin behandeltes Nistmaterial oder mit Wasser behandeltes Nistmaterial verwendet. Für beide Generationen wurden die Eier und die Küken untersucht und der Bruterfolg ermittelt.

Bei der ersten Generation wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen der Kontrollgruppe und der Gruppe der mit Permethrin behandelten Nester festgestellt. In der zweiten Generation gab es keine signifikanten Unterschiede bei der Anzahl der Eier und der Anzahl der geschlüpften Küken, aber bei der Küken-Sterblichkeit. Während in den Kontrollnestern alle Jungvögel überlebten, waren es in den mit Permethrin behandelten Nestern 64 %.

2. Stellen Sie den Ablauf der neurobiologischen Vorgänge während eines Aktionspotentials als Fließschema dar und fassen Sie die Ergebnisse aus Abbildung 1B zusammen (Material B). Erläutern Sie, wie Permethrin neurophysiologisch wirkt, und leiten Sie hieraus die Konsequenzen für das Insekt ab (Material B). [21 Punkte]

a)

b)

c)

d)

Material A: Biologie der Vogel-Vampirfliege

Die Vogel-Vampirfliege ( Philornis downsi) ist eine Fliegenart, die in großen Teilen Südamerikas vorkommt. 1960 wurde die Vogel-Vampirfliege erstmals auf den Galapagos-Inseln nachgewiesen, wohin sie vermutlich per Schiff oder Flugzeug eingeschleppt wurde. Galapagos besteht aus 13 Hauptinseln. Die Inseln sind bis zu 1700 m hoch und weisen unterschiedliche Lebensräume auf, von heißen, trockenen Lavafeldern bis hin zum feuchten, kühlen Hochland. Die Vogel-Vampirfliege hat sich rasch auf fast allen Hauptinseln verbreitet.

Ausgewachsene Vogel-Vampirfliegen ernähren sich von frischen und faulenden Früchten und Blüten verschiedenster Pflanzenarten. Sie legen ihre Eier in Vogelnester. Die Vogel-Vampirfliegen-Larven saugen Blut von den Vogelküken, die daraufhin unter Blutarmut und geringem Wachstum leiden und meist sterben. Ein Fliegenweibchen legt bis zu 180 Eier, die es auf 20 bis 30 Nester verschiedener Vogelarten verteilt. In einer Vogel-Brutzeit entstehen mindestens drei Fliegengenerationen.

Tabelle 1: Vergleich ausgewählter Faktoren der Lebensbedingungen der Vogel-Vampirfliege in ihren Ursprungsregionen in Südamerika und auf den Galapagos-Inseln · Ursprungsregionen in Südamerika · Galapagos-Inseln

von der Vogel-Vampirfliege befallene Vogelarten · zahlreiche kleine Sperlingsvögel einschließlich Finken, Kuckucksvögel und Spechtvögel · zahlreiche kleine Sperlingsvögel einschließlich fast aller Darwinfinken-Arten und Kuckucksvögel

Anteil von der Vogel-Vampirfliege befallener Nester · weniger als 30 % · mehr als 90 %

durchschnittliche Anzahl Larven je Nest · weniger als 10 · mehr als 30

Anteil von Vogel-Vampirfliegen-Larven, die durch parasitische Schlupfwespen getötet werden · 10 bis 20 % · maximal 5 %

Fressfeinde der Vogel-Vampirfliegen-Larven · Ameisen · keine

Material B: Wirkung von Permethrin auf Nervenzellen

Der Befall mit Vogel-Vampirfliegen hat zu einem starken Rückgang der Anzahl vieler Darwinfinken geführt. Zur Bekämpfung der Vogel-Vampirfliegen auf den Galapagos-Inseln wird das Insektizid Permethrin eingesetzt. Insekten nehmen Permethrin über die Körperoberfläche auf. Bei ausreichend hoher Dosierung sterben die behandelten Insekten, bei zu niedriger Dosierung können sie sich wieder erholen. Permethrin bindet an spannungsgesteuerte Natriumionen-Kanäle in den Axonen. In Experimenten wurden die neurophysiologischen Auswirkungen von Permethrin untersucht. Dazu wurden Nervenzellen von Insekten mit Permethrin behandelt und kurz gereizt; es wurde das Membranpotential gemessen (Abbildung 1).

Material C: Permethrin zum Schutz von Darwinfinken

Auf den Galapagos-Inseln ist die Anzahl vieler Darwinfinken durch den Befall mit Vogel-Vampirfliegen stark zurückgegangen, da jährlich bis zu 95 % der Küken im Freiland sterben. Um die Vogelbestände zu schützen, wurde in Freilandexperimenten eine Bekämpfungsmaßnahme mit dem Insektizid Permethrin genauer untersucht.

Dabei wurden in einem ersten Experiment Spender mit Baumwollfasern aufgestellt, welche von den Darwinfinken für den Nestbau genutzt werden. Die Versuchs-Spender enthielten Baumwollfasern, die mit 1 %iger Permethrin-Lösung behandelt worden waren. Die Baumwollfasern in den Kontroll-Spendern waren mit Wasser behandelt. Nach Beendigung der Brut wurden in den Nestern die Masse der zum Nestbau verwendeten Baumwolle sowie die Anzahl an Vogel-Vampirfliegen-Larven bestimmt (Abbildung 2).

In einem zweiten Freilandexperiment wurden Nester mit 1 %iger Permethrin-Lösung oder mit Wasser eingesprüht. Anschließend wurde die Anzahl der in diesen Nestern flügge gewordenen Jungvögel bestimmt (Abbildung 3).

Außerdem sollte untersucht werden, ob eine Permethrin-Behandlung langfristige Folgen für die Darwinfinken hat. Dazu wurden Laborexperimente mit den nah verwandten Zebrafinken ( Taeniopygia guttata) durchgeführt, die leichter zu halten und zu vermehren sind als Darwinfinken. Für die Experimente wurden Zebrafinken über zwei Generationen gezüchtet. Bei beiden Generationen wurde jeweils entweder mit 1 % Permethrin behandeltes Nistmaterial oder mit Wasser behandeltes Nistmaterial verwendet. Für beide Generationen wurden die Eier und die Küken untersucht und der Bruterfolg ermittelt.

Bei der ersten Generation wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen der Kontrollgruppe und der Gruppe der mit Permethrin behandelten Nester festgestellt. In der zweiten Generation gab es keine signifikanten Unterschiede bei der Anzahl der Eier und der Anzahl der geschlüpften Küken, aber bei der Küken-Sterblichkeit. Während in den Kontrollnestern alle Jungvögel überlebten, waren es in den mit Permethrin behandelten Nestern 64 %.

3. Fassen Sie die Daten aus Material C zusammen. Diskutieren Sie, ob und wie sinnvoll es ist, Darwinfinken mithilfe von mit Permethrin behandelter Watte vor der Vogel-Vampirfliege zu schützen (Materialien A bis C).

[14 Punkte]

a)

b)

Material A: Ökologie Eurasischer Spitzmausarten

Die Eurasische Wasserspitzmaus ( Neomys fodiens) zählt wie die Sumpfspitzmaus ( Neomys anomalus) und die Waldspitzmaus ( Sorex araneus) zur Familie der Spitzmäuse. Alle drei Arten kommen in Europa und Teilen Asiens gemeinsam vor.

Die Eurasische Wasserspitzmaus ist die größte der drei Arten. Sie besitzt Schwimmborsten an den Hinterfüßen und am Schwanz. Sie kann gut schwimmen und tauchen. Das nachtaktive Tier bewohnt nicht zu dicht bewachsene Uferbereiche von meist schnell fließenden Gewässern. Auch Sümpfe, nasse Wälder und Wiesen werden besiedelt. Die nachtaktive Sumpfspitzmaus kann ebenfalls schwimmen und tauchen. Ihre Schwimmborsten sind kleiner als die der Eurasischen Wasserspitzmaus oder fehlen ganz. Sie lebt bevorzugt an Ufern langsam fließender Gewässer und in Feuchtgebieten mit dichtem Kraut- und Strauchbewuchs. Die tag- und nachtaktive Waldspitzmaus besiedelt insbesondere feuchte Wälder und Feuchtwiesen, aber auch andere Landlebensräume.

Neben den in Tabelle 1 gezeigten Wirbellosen zählen auch kleinere Wirbeltiere wie Frösche und Fische zur Beute der Eurasischen Wasserspitzmaus. Die Waldspitzmaus frisst selten kleinere Wirbeltiere wie Frösche oder junge Mäuse.

Tabelle 1 Beutespektrum von Eurasischer Wasserspitzmaus, Sumpfspitzmaus und Waldspitzmaus. Es wurden Fäkalien von gefangenen Spitzmäusen untersucht. Die gezeigten Werte geben an, bei wie viel Prozent der Spitzmäuse die jeweiligen Beutetiere gefunden wurden.

· Eurasische Wasserspitzmaus · Sumpfspitzmaus · Waldspitzmaus

landlebende Beute

Laufkäfer · 22,6 % · 30,8 % · 6,3 %

andere Käfer · 32,3 % · 38,5 % · 56,3 %

Käferlarven · 6,5 % · 23,1 % · 31,3 %

Ameisen · 12,9 % · 0,0 % · 25,0 %

Tausendfüßer · 61,3 % · 38,5 % · 3,1 %

Spinnen · 74,2 % · 76,9 % · 63,3 %

Regenwürmer · 45,2 % · 100,0 % · 90,6 %

wasserlebende Beute

Köcherfliegenlarven · 12,9 % · 15,4 %

Waffenfliegenlarven · 6,5 % · 15,4 %

Wasserasseln · 51,6 % · 23,1 %

Material B: Umgang von Spitzmausarten mit Beutetieren

Spitzmäuse nehmen täglich eine große Menge an Nahrung zu sich, ihr Energiebedarf ist sehr hoch. Da sie auch über den Winter aktiv sind, benötigen sie ganzjährig Nahrung. Sie erbeuten häufig mehr Beutetiere als sie direkt verzehren. Ein Teil der Beute wird für längere Zeit im Bau gehortet. Dafür werden einige Beutetiere durch Bisse immobilisiert. Dies kann mechanisch erfolgen, indem Nerven durchtrennt werden, welche die Muskeln innervieren. Möglich ist zudem eine Immobilisierung mithilfe von Giften.

Die Eurasische Wasserspitzmaus und die Sumpfspitzmaus produzieren ein Gift in Drüsen unter der Zunge. Das Gift kann bei einem Biss mit dem Speichel übertragen werden. Es hat eine muskellähmende Wirkung. Die Waldspitzmaus ist dagegen ungiftig.

In einem Laborexperiment wurde der Umgang mit der Beute von Eurasischer Wasserspitzmaus und der kleineren Waldspitzmaus im Zusammenhang mit der Beutegröße und Beutemasse untersucht. Dazu wurden den Spitzmäusen unterschiedliche Beutetiere angeboten. Als kleine, leichte Beute dienten Mehlkäfer-Larven, als mittelgroße Beute wurden Regenwürmer angeboten und als große, schwere Beute dienten Frösche. Es wurde ermittelt, welcher Anteil der jeweiligen Beutetiere sofort an Ort und Stelle oder nach und nach gefressen wurde. Zudem wurde erfasst, welcher Anteil der Beute im Bau gehortet oder ignoriert wurde (Abbildung 1A). Abbildung 1B zeigt die jeweils zur Überwältigung der Beute benötigte Zeit.

Material C: Verwandtschaftsverhältnisse und Giftigkeit

Die Verwandtschaftsverhältnisse ausgewählter Spitzmausgattungen wurden auf der Grundlage molekularer Daten ermittelt und in Bezug zum Auftreten des Merkmals Giftigkeit in einem phylogenetischen Stammbaum dargestellt (Abbildung 2). Die Eurasische Wasserspitzmaus und die Sumpfspitzmaus gehören zur Gattung Neomys (Wasserspitzmäuse).

Aufgabe 1

Fassen Sie die in Material A enthaltenen Informationen zu den Beutespektren der drei aufgeführten Spitzmausarten zusammen. Werten Sie Material A unter dem Aspekt der ökologischen Beziehungen aus und begründen Sie die Koexistenz dieser drei Spitzmausarten (Material A).

[14 Punkte]

1.1

1.2

1.3

Material A: Ökologie Eurasischer Spitzmausarten

Die Eurasische Wasserspitzmaus ( Neomys fodiens) zählt wie die Sumpfspitzmaus ( Neomys anomalus) und die Waldspitzmaus ( Sorex araneus) zur Familie der Spitzmäuse. Alle drei Arten kommen in Europa und Teilen Asiens gemeinsam vor.

Die Eurasische Wasserspitzmaus ist die größte der drei Arten. Sie besitzt Schwimmborsten an den Hinterfüßen und am Schwanz. Sie kann gut schwimmen und tauchen. Das nachtaktive Tier bewohnt nicht zu dicht bewachsene Uferbereiche von meist schnell fließenden Gewässern. Auch Sümpfe, nasse Wälder und Wiesen werden besiedelt. Die nachtaktive Sumpfspitzmaus kann ebenfalls schwimmen und tauchen. Ihre Schwimmborsten sind kleiner als die der Eurasischen Wasserspitzmaus oder fehlen ganz. Sie lebt bevorzugt an Ufern langsam fließender Gewässer und in Feuchtgebieten mit dichtem Kraut- und Strauchbewuchs. Die tag- und nachtaktive Waldspitzmaus besiedelt insbesondere feuchte Wälder und Feuchtwiesen, aber auch andere Landlebensräume.

Neben den in Tabelle 1 gezeigten Wirbellosen zählen auch kleinere Wirbeltiere wie Frösche und Fische zur Beute der Eurasischen Wasserspitzmaus. Die Waldspitzmaus frisst selten kleinere Wirbeltiere wie Frösche oder junge Mäuse.

Tabelle 1 Beutespektrum von Eurasischer Wasserspitzmaus, Sumpfspitzmaus und Waldspitzmaus. Es wurden Fäkalien von gefangenen Spitzmäusen untersucht. Die gezeigten Werte geben an, bei wie viel Prozent der Spitzmäuse die jeweiligen Beutetiere gefunden wurden.

· Eurasische Wasserspitzmaus · Sumpfspitzmaus · Waldspitzmaus

landlebende Beute

Laufkäfer · 22,6 % · 30,8 % · 6,3 %

andere Käfer · 32,3 % · 38,5 % · 56,3 %

Käferlarven · 6,5 % · 23,1 % · 31,3 %

Ameisen · 12,9 % · 0,0 % · 25,0 %

Tausendfüßer · 61,3 % · 38,5 % · 3,1 %

Spinnen · 74,2 % · 76,9 % · 63,3 %

Regenwürmer · 45,2 % · 100,0 % · 90,6 %

wasserlebende Beute

Köcherfliegenlarven · 12,9 % · 15,4 %

Waffenfliegenlarven · 6,5 % · 15,4 %

Wasserasseln · 51,6 % · 23,1 %

Material B: Umgang von Spitzmausarten mit Beutetieren

Spitzmäuse nehmen täglich eine große Menge an Nahrung zu sich, ihr Energiebedarf ist sehr hoch. Da sie auch über den Winter aktiv sind, benötigen sie ganzjährig Nahrung. Sie erbeuten häufig mehr Beutetiere als sie direkt verzehren. Ein Teil der Beute wird für längere Zeit im Bau gehortet. Dafür werden einige Beutetiere durch Bisse immobilisiert. Dies kann mechanisch erfolgen, indem Nerven durchtrennt werden, welche die Muskeln innervieren. Möglich ist zudem eine Immobilisierung mithilfe von Giften.

Die Eurasische Wasserspitzmaus und die Sumpfspitzmaus produzieren ein Gift in Drüsen unter der Zunge. Das Gift kann bei einem Biss mit dem Speichel übertragen werden. Es hat eine muskellähmende Wirkung. Die Waldspitzmaus ist dagegen ungiftig.

In einem Laborexperiment wurde der Umgang mit der Beute von Eurasischer Wasserspitzmaus und der kleineren Waldspitzmaus im Zusammenhang mit der Beutegröße und Beutemasse untersucht. Dazu wurden den Spitzmäusen unterschiedliche Beutetiere angeboten. Als kleine, leichte Beute dienten Mehlkäfer-Larven, als mittelgroße Beute wurden Regenwürmer angeboten und als große, schwere Beute dienten Frösche. Es wurde ermittelt, welcher Anteil der jeweiligen Beutetiere sofort an Ort und Stelle oder nach und nach gefressen wurde. Zudem wurde erfasst, welcher Anteil der Beute im Bau gehortet oder ignoriert wurde (Abbildung 1A). Abbildung 1B zeigt die jeweils zur Überwältigung der Beute benötigte Zeit.

Material C: Verwandtschaftsverhältnisse und Giftigkeit

Die Verwandtschaftsverhältnisse ausgewählter Spitzmausgattungen wurden auf der Grundlage molekularer Daten ermittelt und in Bezug zum Auftreten des Merkmals Giftigkeit in einem phylogenetischen Stammbaum dargestellt (Abbildung 2). Die Eurasische Wasserspitzmaus und die Sumpfspitzmaus gehören zur Gattung Neomys (Wasserspitzmäuse).

2. Fassen Sie die Ergebnisse zusammen, die Abbildung 1A zeigt, und deuten Sie das Verhalten der beiden Spitzmausarten (Materialien A und B). Stellen Sie unter Einbeziehung der Daten aus Abbildung 1B eine begründete Hypothese zur Bedeutung des Giftes für die Eurasische Wasserspitzmaus auf (Materialien A und B).

[20 Punkte]

a)

b)

c)

Material A: Ökologie Eurasischer Spitzmausarten

Die Eurasische Wasserspitzmaus ( Neomys fodiens) zählt wie die Sumpfspitzmaus ( Neomys anomalus) und die Waldspitzmaus ( Sorex araneus) zur Familie der Spitzmäuse. Alle drei Arten kommen in Europa und Teilen Asiens gemeinsam vor.

Die Eurasische Wasserspitzmaus ist die größte der drei Arten. Sie besitzt Schwimmborsten an den Hinterfüßen und am Schwanz. Sie kann gut schwimmen und tauchen. Das nachtaktive Tier bewohnt nicht zu dicht bewachsene Uferbereiche von meist schnell fließenden Gewässern. Auch Sümpfe, nasse Wälder und Wiesen werden besiedelt. Die nachtaktive Sumpfspitzmaus kann ebenfalls schwimmen und tauchen. Ihre Schwimmborsten sind kleiner als die der Eurasischen Wasserspitzmaus oder fehlen ganz. Sie lebt bevorzugt an Ufern langsam fließender Gewässer und in Feuchtgebieten mit dichtem Kraut- und Strauchbewuchs. Die tag- und nachtaktive Waldspitzmaus besiedelt insbesondere feuchte Wälder und Feuchtwiesen, aber auch andere Landlebensräume.

Neben den in Tabelle 1 gezeigten Wirbellosen zählen auch kleinere Wirbeltiere wie Frösche und Fische zur Beute der Eurasischen Wasserspitzmaus. Die Waldspitzmaus frisst selten kleinere Wirbeltiere wie Frösche oder junge Mäuse.

Tabelle 1 Beutespektrum von Eurasischer Wasserspitzmaus, Sumpfspitzmaus und Waldspitzmaus. Es wurden Fäkalien von gefangenen Spitzmäusen untersucht. Die gezeigten Werte geben an, bei wie viel Prozent der Spitzmäuse die jeweiligen Beutetiere gefunden wurden.

· Eurasische Wasserspitzmaus · Sumpfspitzmaus · Waldspitzmaus

landlebende Beute

Laufkäfer · 22,6 % · 30,8 % · 6,3 %

andere Käfer · 32,3 % · 38,5 % · 56,3 %

Käferlarven · 6,5 % · 23,1 % · 31,3 %

Ameisen · 12,9 % · 0,0 % · 25,0 %

Tausendfüßer · 61,3 % · 38,5 % · 3,1 %

Spinnen · 74,2 % · 76,9 % · 63,3 %

Regenwürmer · 45,2 % · 100,0 % · 90,6 %

wasserlebende Beute

Köcherfliegenlarven · 12,9 % · 15,4 %

Waffenfliegenlarven · 6,5 % · 15,4 %

Wasserasseln · 51,6 % · 23,1 %

Material B: Umgang von Spitzmausarten mit Beutetieren

Spitzmäuse nehmen täglich eine große Menge an Nahrung zu sich, ihr Energiebedarf ist sehr hoch. Da sie auch über den Winter aktiv sind, benötigen sie ganzjährig Nahrung. Sie erbeuten häufig mehr Beutetiere als sie direkt verzehren. Ein Teil der Beute wird für längere Zeit im Bau gehortet. Dafür werden einige Beutetiere durch Bisse immobilisiert. Dies kann mechanisch erfolgen, indem Nerven durchtrennt werden, welche die Muskeln innervieren. Möglich ist zudem eine Immobilisierung mithilfe von Giften.

Die Eurasische Wasserspitzmaus und die Sumpfspitzmaus produzieren ein Gift in Drüsen unter der Zunge. Das Gift kann bei einem Biss mit dem Speichel übertragen werden. Es hat eine muskellähmende Wirkung. Die Waldspitzmaus ist dagegen ungiftig.

In einem Laborexperiment wurde der Umgang mit der Beute von Eurasischer Wasserspitzmaus und der kleineren Waldspitzmaus im Zusammenhang mit der Beutegröße und Beutemasse untersucht. Dazu wurden den Spitzmäusen unterschiedliche Beutetiere angeboten. Als kleine, leichte Beute dienten Mehlkäfer-Larven, als mittelgroße Beute wurden Regenwürmer angeboten und als große, schwere Beute dienten Frösche. Es wurde ermittelt, welcher Anteil der jeweiligen Beutetiere sofort an Ort und Stelle oder nach und nach gefressen wurde. Zudem wurde erfasst, welcher Anteil der Beute im Bau gehortet oder ignoriert wurde (Abbildung 1A). Abbildung 1B zeigt die jeweils zur Überwältigung der Beute benötigte Zeit.

Material C: Verwandtschaftsverhältnisse und Giftigkeit

Die Verwandtschaftsverhältnisse ausgewählter Spitzmausgattungen wurden auf der Grundlage molekularer Daten ermittelt und in Bezug zum Auftreten des Merkmals Giftigkeit in einem phylogenetischen Stammbaum dargestellt (Abbildung 2). Die Eurasische Wasserspitzmaus und die Sumpfspitzmaus gehören zur Gattung Neomys (Wasserspitzmäuse).

3. Analysieren Sie den Stammbaum in Abbildung 2 daraufhin, bei welchen der abgebildeten Gattungen Gifte vorkommen (Materialien B und C). Entwickeln Sie unter Heranziehung sämtlicher Materialien eine Hypothese dazu, wie die Eurasische Wasserspitzmaus und die Sumpfspitzmaus evolutiv entstanden sind (Materialien A bis C).

[20 Punkte]

a)

b)

Material A: Ivermectin

Hunde können von Parasiten wie Läusen, Milben oder Zecken befallen werden. Zur Bekämpfung dieser Parasiten wird zum Beispiel Ivermectin eingesetzt. Ivermectin ist ein Neurotoxin, das insbesondere auf Wirbellose tödlich wirkt. Es bindet an Glutamat-gesteuerte Chloridionen-Kanäle in der postsynaptischen Membran und öffnet sie dauerhaft. Glutamat-gesteuerte Chloridionen-Kanäle kommen nur bei Wirbellosen vor.

Auf Wirbeltiere wirkt Ivermectin weniger toxisch und wird daher auch bei Hunden zur Bekämpfung parasitären Befalls angewendet. Es ist ein fettlöslicher Wirkstoff, der durch die Zellmembran diffundiert. Er reichert sich in Leber und Fettgewebe der behandelten Tiere an und wird von dort langsam freigesetzt. Der Wirkstoff zirkuliert dann in geringer Menge im Blut der behandelten Tiere und wird von den Parasiten aufgenommen.

Material B: Überempfindlichkeit gegen Ivermectin

Ivermectin kann bei höheren Konzentrationen auch an GABA-gesteuerte Chloridionen-Kanäle bei Wirbeltieren binden und diese aktivieren. Insbesondere im Zentralnervensystem von Wirbeltieren kann dies zu neurotoxischen Effekten führen.

Bei Collies und anderen Hunderassen wurden nach einer Behandlung mit Ivermectin häufig Symptome wie Bewegungsstörungen, Krämpfe und Benommenheit bis hin zu Komazuständen beobachtet. Da nicht alle Hunde einer Rasse gleichermaßen davon betroffen sind, wurden die individuellen Ursachen für diese Überempfindlichkeit analysiert.

Die Ursache dieser Überempfindlichkeit konnte auf eine Veränderung im MDR1 -Gen zurückgeführt werden. Um Erkenntnisse über die Funktion von MDR1 bei Säugetieren zu gewinnen, wurden Experimente mit Mäusen durchgeführt. Es handelte sich um Wildtyp-Mäuse und gentechnisch veränderte Mäuse, deren MDR1 -Gen ausgeschaltet worden war. Bei beiden Gruppen wurden nach Behandlung mit Ivermectin die Wirkstoff-Konzentrationen in verschiedenen Geweben bestimmt (Tabelle 1).

Das MDR1 -Gen codiert bei Säugetieren das Transportprotein MDR1. Es transportiert unter ATP-Verbrauch körperfremde Stoffe aus den Zellen zurück ins Blut, sodass sie abtransportiert werden können. MDR1 kommt auch in den Zellen der Blutgefäßwände der Blut-Hirn-Schranke vor. Die Blut-Hirn-Schranke lässt selektiv nur bestimmte Stoffe aus dem Blut in das Gehirn und grenzt so das Zentralnervensystem gegen das Blut ab.

Material C: MDR1 -Mutation bei Collies

Genetische Analysen des MDR1 -Gens bei Collies, die gegenüber Ivermectin überempfindlich sind, zeigten die in Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse. Das gesamte MDR1-Protein hat eine Länge von 1281 Aminosäuren.

Material D: Nachweis der MDR1 -Allele

Die Ivermectin-Überempfindlichkeit wird autosomal-rezessiv vererbt. Mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) wurden DNA-Proben verschiedener Hunde untersucht. Die jeweiligen Primer-Paare sowie die erwartete Größe der vervielfältigten Fragmente sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Ergebnisse einer Gelelektrophorese der PCR-Produkte zeigt Abbildung 2.

Material E: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

1. Beschreiben Sie, wie die Vorgänge an einer hemmenden chemischen Synapse ablaufen, und erklären Sie auf der Ebene der Moleküle, wie Ivermectin bei Wirbellosen wirkt (Material A).

[12 Punkte]

a)

b)

Material A: Ivermectin

Hunde können von Parasiten wie Läusen, Milben oder Zecken befallen werden. Zur Bekämpfung dieser Parasiten wird zum Beispiel Ivermectin eingesetzt. Ivermectin ist ein Neurotoxin, das insbesondere auf Wirbellose tödlich wirkt. Es bindet an Glutamat-gesteuerte Chloridionen-Kanäle in der postsynaptischen Membran und öffnet sie dauerhaft. Glutamat-gesteuerte Chloridionen-Kanäle kommen nur bei Wirbellosen vor.

Auf Wirbeltiere wirkt Ivermectin weniger toxisch und wird daher auch bei Hunden zur Bekämpfung parasitären Befalls angewendet. Es ist ein fettlöslicher Wirkstoff, der durch die Zellmembran diffundiert. Er reichert sich in Leber und Fettgewebe der behandelten Tiere an und wird von dort langsam freigesetzt. Der Wirkstoff zirkuliert dann in geringer Menge im Blut der behandelten Tiere und wird von den Parasiten aufgenommen.

Material B: Überempfindlichkeit gegen Ivermectin

Ivermectin kann bei höheren Konzentrationen auch an GABA-gesteuerte Chloridionen-Kanäle bei Wirbeltieren binden und diese aktivieren. Insbesondere im Zentralnervensystem von Wirbeltieren kann dies zu neurotoxischen Effekten führen.

Bei Collies und anderen Hunderassen wurden nach einer Behandlung mit Ivermectin häufig Symptome wie Bewegungsstörungen, Krämpfe und Benommenheit bis hin zu Komazuständen beobachtet. Da nicht alle Hunde einer Rasse gleichermaßen davon betroffen sind, wurden die individuellen Ursachen für diese Überempfindlichkeit analysiert.

Die Ursache dieser Überempfindlichkeit konnte auf eine Veränderung im MDR1 -Gen zurückgeführt werden. Um Erkenntnisse über die Funktion von MDR1 bei Säugetieren zu gewinnen, wurden Experimente mit Mäusen durchgeführt. Es handelte sich um Wildtyp-Mäuse und gentechnisch veränderte Mäuse, deren MDR1 -Gen ausgeschaltet worden war. Bei beiden Gruppen wurden nach Behandlung mit Ivermectin die Wirkstoff-Konzentrationen in verschiedenen Geweben bestimmt (Tabelle 1).

Das MDR1 -Gen codiert bei Säugetieren das Transportprotein MDR1. Es transportiert unter ATP-Verbrauch körperfremde Stoffe aus den Zellen zurück ins Blut, sodass sie abtransportiert werden können. MDR1 kommt auch in den Zellen der Blutgefäßwände der Blut-Hirn-Schranke vor. Die Blut-Hirn-Schranke lässt selektiv nur bestimmte Stoffe aus dem Blut in das Gehirn und grenzt so das Zentralnervensystem gegen das Blut ab.

Material C: MDR1 -Mutation bei Collies

Genetische Analysen des MDR1 -Gens bei Collies, die gegenüber Ivermectin überempfindlich sind, zeigten die in Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse. Das gesamte MDR1-Protein hat eine Länge von 1281 Aminosäuren.

Material D: Nachweis der MDR1 -Allele

Die Ivermectin-Überempfindlichkeit wird autosomal-rezessiv vererbt. Mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) wurden DNA-Proben verschiedener Hunde untersucht. Die jeweiligen Primer-Paare sowie die erwartete Größe der vervielfältigten Fragmente sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Ergebnisse einer Gelelektrophorese der PCR-Produkte zeigt Abbildung 2.

Material E: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

2. Vergleichen Sie, wie sich Ivermectin auf die einzelnen Gewebe der Mäuse verteilt (Tabelle 1), und leiten Sie daraus die Funktion des MDR1-Proteins bei Säugetieren ab (Materialien A und B). Ermitteln Sie die Aminosäuresequenz der DNA-Sequenzen aus Tabelle 2 und bestimmen Sie den Mutationstyp (Materialien C und E). Erläutern Sie, welche Folgen sich für das MDR1-Protein und für die betroffenen Hunde ergeben (Materialien A bis C). [24 Punkte]

a)

b)

Ermitteln Sie mithilfe von Tabelle 2 und der Codesonne (Material E) die Aminosäuresequenzen ab Triplett 73:

c)

Material A: Ivermectin

Hunde können von Parasiten wie Läusen, Milben oder Zecken befallen werden. Zur Bekämpfung dieser Parasiten wird zum Beispiel Ivermectin eingesetzt. Ivermectin ist ein Neurotoxin, das insbesondere auf Wirbellose tödlich wirkt. Es bindet an Glutamat-gesteuerte Chloridionen-Kanäle in der postsynaptischen Membran und öffnet sie dauerhaft. Glutamat-gesteuerte Chloridionen-Kanäle kommen nur bei Wirbellosen vor.

Auf Wirbeltiere wirkt Ivermectin weniger toxisch und wird daher auch bei Hunden zur Bekämpfung parasitären Befalls angewendet. Es ist ein fettlöslicher Wirkstoff, der durch die Zellmembran diffundiert. Er reichert sich in Leber und Fettgewebe der behandelten Tiere an und wird von dort langsam freigesetzt. Der Wirkstoff zirkuliert dann in geringer Menge im Blut der behandelten Tiere und wird von den Parasiten aufgenommen.

Material B: Überempfindlichkeit gegen Ivermectin

Ivermectin kann bei höheren Konzentrationen auch an GABA-gesteuerte Chloridionen-Kanäle bei Wirbeltieren binden und diese aktivieren. Insbesondere im Zentralnervensystem von Wirbeltieren kann dies zu neurotoxischen Effekten führen.

Bei Collies und anderen Hunderassen wurden nach einer Behandlung mit Ivermectin häufig Symptome wie Bewegungsstörungen, Krämpfe und Benommenheit bis hin zu Komazuständen beobachtet. Da nicht alle Hunde einer Rasse gleichermaßen davon betroffen sind, wurden die individuellen Ursachen für diese Überempfindlichkeit analysiert.

Die Ursache dieser Überempfindlichkeit konnte auf eine Veränderung im MDR1 -Gen zurückgeführt werden. Um Erkenntnisse über die Funktion von MDR1 bei Säugetieren zu gewinnen, wurden Experimente mit Mäusen durchgeführt. Es handelte sich um Wildtyp-Mäuse und gentechnisch veränderte Mäuse, deren MDR1 -Gen ausgeschaltet worden war. Bei beiden Gruppen wurden nach Behandlung mit Ivermectin die Wirkstoff-Konzentrationen in verschiedenen Geweben bestimmt (Tabelle 1).

Das MDR1 -Gen codiert bei Säugetieren das Transportprotein MDR1. Es transportiert unter ATP-Verbrauch körperfremde Stoffe aus den Zellen zurück ins Blut, sodass sie abtransportiert werden können. MDR1 kommt auch in den Zellen der Blutgefäßwände der Blut-Hirn-Schranke vor. Die Blut-Hirn-Schranke lässt selektiv nur bestimmte Stoffe aus dem Blut in das Gehirn und grenzt so das Zentralnervensystem gegen das Blut ab.

Material C: MDR1 -Mutation bei Collies

Genetische Analysen des MDR1 -Gens bei Collies, die gegenüber Ivermectin überempfindlich sind, zeigten die in Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse. Das gesamte MDR1-Protein hat eine Länge von 1281 Aminosäuren.

Material D: Nachweis der MDR1 -Allele

Die Ivermectin-Überempfindlichkeit wird autosomal-rezessiv vererbt. Mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) wurden DNA-Proben verschiedener Hunde untersucht. Die jeweiligen Primer-Paare sowie die erwartete Größe der vervielfältigten Fragmente sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Ergebnisse einer Gelelektrophorese der PCR-Produkte zeigt Abbildung 2.

Material E: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Aufgabe 3

Stellen Sie die zentralen Abläufe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) dar und erklären Sie, welche Aufgabe die Primer im gezeigten Diagnoseverfahren haben (Abbildung 1, Materialien C und D). Werten Sie Abbildung 2 bezüglich der Genotypen der getesteten Hunde aus (Material D). Erläutern Sie, welche Folgen sich daraus für die Hundezucht ergeben können (Materialien A bis D).

(18 Punkte)

a)

Stellen Sie die zentralen Abläufe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) dar:

b)

Erklären Sie, welche Aufgabe die Primer im gezeigten Diagnoseverfahren haben (Abbildung 1, Materialien C und D):

c)

Werten Sie Abbildung 2 bezüglich der Genotypen der getesteten Hunde aus (Material D):

d)

Erläutern Sie, welche Folgen sich daraus für die Hundezucht ergeben können (Materialien A bis D):