Abitur NRW Biologie 2023 · GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg

Material A: Die Gattung Ariamnes auf der Hawaii-Inselgruppe

Die Gattung Ariamnes gehört zur Familie der Haubennetzspinnen und kommt mit zahlreichen Arten auf der Hawaii-Inselgruppe vor. Die größte Art A. kahili wird maximal 11,3 mm groß. Ariamnes -Spinnen halten sich tagsüber in unterschiedlichen Ruhehabitaten versteckt (Tabelle 1). Es handelt sich um nachtaktive Räuber, die keine standortgebundenen Netze bauen, sondern auf der Suche nach Beute frei umherlaufen und ihre Beute mit einem zwischen den Hinterbeinen gewebten Netz fangen. Bei einigen Arten konnte zusätzlich ein kleptoparasitäres Verhalten beobachtet werden, bei dem diese Spinnen auf die Netze anderer Spinnenarten klettern und deren Beute oder die Spinnen selbst fressen. Fressfeinde der Ariamnes -Spinnen sind neben anderen Spinnen insbesondere Vögel.

Tabelle 1 Vorkommen und ausgewählte Merkmale der bekannten Ariamnes -Arten auf der Hawaii-Inselgruppe Art · Habitat · Ruhehabitat während des Tages · Form des Hinterleibs · Färbung · kleptoparasitäres Verhalten

A. huinakolu · Feuchtwald · Moos · kurz · dunkel · vorhanden

A. kahili · Feuchtwald · unter Blättern · langgestreckt · gold · vorhanden

A. uwepa · mäßig feucht · unter Blättern · langgestreckt · gold · nicht vorhanden

A. makue · mäßig feucht · abgestorbene Farne · langgestreckt · dunkel · vorhanden

A. poele · Feuchtwald · abgestorbene Farne · langgestreckt · dunkel · nicht vorhanden

A. melekalikimaka · Feuchtwald · unter Blättern · mittellang · gold · vorhanden

A. alepeleke · Feuchtwald · unter Blättern · mittellang · gold · nicht vorhanden

A. laau · Feuchtwald · abgestorbene Farne · langgestreckt · dunkel · vorhanden

A. corniger · trockener Wald · weiße Flechten · langgestreckt · matt weiß · nicht vorhanden

A. waikula · Feuchtwald · unter Blättern · langgestreckt · gold · nicht vorhanden

A. hiwa · Feuchtwald · Felsspalten · langgestreckt · dunkel · nicht vorhanden

Material B: Verwandtschaftsbeziehungen der Ariamnes -Spinnen

Die Hawaii-Inselgruppe liegt etwa 3800 km vom nordamerikanischen Kontinent entfernt im Pazifischen Ozean und ist vulkanischen Ursprungs. Sie umfasst neben der größten und jüngsten Insel Hawaii weitere Inseln, von denen Kauai die älteste ist (Abbildung 1). Die Inseln bieten vielfältige Lebensräume für eine große Zahl von Tier- und Pflanzenarten.

Mithilfe von mitochondrialen und nukleären DNA-Sequenzen wurden die Verwandtschaftsbeziehungen der Ariamnes -Spinnen der Hawaii-Inselgruppe analysiert und ein phylogenetischer Stammbaum erstellt (Abbildung 2). Dieser wurde um die Angaben zur heutigen Verbreitung der beschriebenen Ariamnes -Arten ergänzt. Die Spinnenart Argyrodes trigonum kommt in den USA vor, ist gelbbraun gefärbt und zeigt kleptoparasitäres Verhalten.

Aufgabe 1: Evolution der Ariamnes-Spinnen

1. Nennen Sie eine Definition des Begriffs ökologische Nische und erläutern Sie auf dieser Grundlage die Koexistenz der beiden Arten A. huinakolu und A. kahili (Materialien A und B). Stellen Sie für die Arten A. makue, A. corniger und A. hiwa Hypothesen auf, welchen Selektionsvorteil ihre äußeren Merkmale jeweils bieten (Material A). [16 Punkte]

a)

b)

c)

Material A: Die Gattung Ariamnes auf der Hawaii-Inselgruppe

Die Gattung Ariamnes gehört zur Familie der Haubennetzspinnen und kommt mit zahlreichen Arten auf der Hawaii-Inselgruppe vor. Die größte Art A. kahili wird maximal 11,3 mm groß. Ariamnes -Spinnen halten sich tagsüber in unterschiedlichen Ruhehabitaten versteckt (Tabelle 1). Es handelt sich um nachtaktive Räuber, die keine standortgebundenen Netze bauen, sondern auf der Suche nach Beute frei umherlaufen und ihre Beute mit einem zwischen den Hinterbeinen gewebten Netz fangen. Bei einigen Arten konnte zusätzlich ein kleptoparasitäres Verhalten beobachtet werden, bei dem diese Spinnen auf die Netze anderer Spinnenarten klettern und deren Beute oder die Spinnen selbst fressen. Fressfeinde der Ariamnes -Spinnen sind neben anderen Spinnen insbesondere Vögel.

Tabelle 1 Vorkommen und ausgewählte Merkmale der bekannten Ariamnes -Arten auf der Hawaii-Inselgruppe Art · Habitat · Ruhehabitat während des Tages · Form des Hinterleibs · Färbung · kleptoparasitäres Verhalten

A. huinakolu · Feuchtwald · Moos · kurz · dunkel · vorhanden

A. kahili · Feuchtwald · unter Blättern · langgestreckt · gold · vorhanden

A. uwepa · mäßig feucht · unter Blättern · langgestreckt · gold · nicht vorhanden

A. makue · mäßig feucht · abgestorbene Farne · langgestreckt · dunkel · vorhanden

A. poele · Feuchtwald · abgestorbene Farne · langgestreckt · dunkel · nicht vorhanden

A. melekalikimaka · Feuchtwald · unter Blättern · mittellang · gold · vorhanden

A. alepeleke · Feuchtwald · unter Blättern · mittellang · gold · nicht vorhanden

A. laau · Feuchtwald · abgestorbene Farne · langgestreckt · dunkel · vorhanden

A. corniger · trockener Wald · weiße Flechten · langgestreckt · matt weiß · nicht vorhanden

A. waikula · Feuchtwald · unter Blättern · langgestreckt · gold · nicht vorhanden

A. hiwa · Feuchtwald · Felsspalten · langgestreckt · dunkel · nicht vorhanden

Material B: Verwandtschaftsbeziehungen der Ariamnes -Spinnen

Die Hawaii-Inselgruppe liegt etwa 3800 km vom nordamerikanischen Kontinent entfernt im Pazifischen Ozean und ist vulkanischen Ursprungs. Sie umfasst neben der größten und jüngsten Insel Hawaii weitere Inseln, von denen Kauai die älteste ist (Abbildung 1). Die Inseln bieten vielfältige Lebensräume für eine große Zahl von Tier- und Pflanzenarten.

Mithilfe von mitochondrialen und nukleären DNA-Sequenzen wurden die Verwandtschaftsbeziehungen der Ariamnes -Spinnen der Hawaii-Inselgruppe analysiert und ein phylogenetischer Stammbaum erstellt (Abbildung 2). Dieser wurde um die Angaben zur heutigen Verbreitung der beschriebenen Ariamnes -Arten ergänzt. Die Spinnenart Argyrodes trigonum kommt in den USA vor, ist gelbbraun gefärbt und zeigt kleptoparasitäres Verhalten.

Aufgabe 1: Evolution der Ariamnes-Spinnen

2. Nennen Sie die einzelnen methodischen Schritte, die zur Erstellung des in Abbildung 2 dargestellten phylogenetischen Stammbaums nötig sind (Material B). Analysieren Sie die phylogenetischen Verwandtschaftsverhältnisse und beziehen Sie dabei die Besiedlung der einzelnen Inseln der Hawaii-Inselgruppe ein (Material B). Erläutern Sie zwei Möglichkeiten, wie die jeweils neu entstandenen Inseln von Ariamnes -Spinnen besiedelt worden sein können (Materialien A und B). [22 Punkte]

a)

b)

c)

Material A: Die Gattung Ariamnes auf der Hawaii-Inselgruppe

Die Gattung Ariamnes gehört zur Familie der Haubennetzspinnen und kommt mit zahlreichen Arten auf der Hawaii-Inselgruppe vor. Die größte Art A. kahili wird maximal 11,3 mm groß. Ariamnes -Spinnen halten sich tagsüber in unterschiedlichen Ruhehabitaten versteckt (Tabelle 1). Es handelt sich um nachtaktive Räuber, die keine standortgebundenen Netze bauen, sondern auf der Suche nach Beute frei umherlaufen und ihre Beute mit einem zwischen den Hinterbeinen gewebten Netz fangen. Bei einigen Arten konnte zusätzlich ein kleptoparasitäres Verhalten beobachtet werden, bei dem diese Spinnen auf die Netze anderer Spinnenarten klettern und deren Beute oder die Spinnen selbst fressen. Fressfeinde der Ariamnes -Spinnen sind neben anderen Spinnen insbesondere Vögel.

Tabelle 1 Vorkommen und ausgewählte Merkmale der bekannten Ariamnes -Arten auf der Hawaii-Inselgruppe Art · Habitat · Ruhehabitat während des Tages · Form des Hinterleibs · Färbung · kleptoparasitäres Verhalten

A. huinakolu · Feuchtwald · Moos · kurz · dunkel · vorhanden

A. kahili · Feuchtwald · unter Blättern · langgestreckt · gold · vorhanden

A. uwepa · mäßig feucht · unter Blättern · langgestreckt · gold · nicht vorhanden

A. makue · mäßig feucht · abgestorbene Farne · langgestreckt · dunkel · vorhanden

A. poele · Feuchtwald · abgestorbene Farne · langgestreckt · dunkel · nicht vorhanden

A. melekalikimaka · Feuchtwald · unter Blättern · mittellang · gold · vorhanden

A. alepeleke · Feuchtwald · unter Blättern · mittellang · gold · nicht vorhanden

A. laau · Feuchtwald · abgestorbene Farne · langgestreckt · dunkel · vorhanden

A. corniger · trockener Wald · weiße Flechten · langgestreckt · matt weiß · nicht vorhanden

A. waikula · Feuchtwald · unter Blättern · langgestreckt · gold · nicht vorhanden

A. hiwa · Feuchtwald · Felsspalten · langgestreckt · dunkel · nicht vorhanden

Material B: Verwandtschaftsbeziehungen der Ariamnes -Spinnen

Die Hawaii-Inselgruppe liegt etwa 3800 km vom nordamerikanischen Kontinent entfernt im Pazifischen Ozean und ist vulkanischen Ursprungs. Sie umfasst neben der größten und jüngsten Insel Hawaii weitere Inseln, von denen Kauai die älteste ist (Abbildung 1). Die Inseln bieten vielfältige Lebensräume für eine große Zahl von Tier- und Pflanzenarten.

Mithilfe von mitochondrialen und nukleären DNA-Sequenzen wurden die Verwandtschaftsbeziehungen der Ariamnes -Spinnen der Hawaii-Inselgruppe analysiert und ein phylogenetischer Stammbaum erstellt (Abbildung 2). Dieser wurde um die Angaben zur heutigen Verbreitung der beschriebenen Ariamnes -Arten ergänzt. Die Spinnenart Argyrodes trigonum kommt in den USA vor, ist gelbbraun gefärbt und zeigt kleptoparasitäres Verhalten.

Aufgabe 1: Evolution der Ariamnes-Spinnen

3. Entwickeln Sie Hypothesen dazu, wie es evolutiv zur Artenvielfalt der Ariamnes -Spinnen auf den Inseln von Hawaii gekommen sein könnte (Materialien A und B). Prüfen Sie dabei, ob die goldene Färbung auf eine konvergente Entwicklung zurückgeht (Materialien A und B). [16 Punkte]

a)

b)

Material A: Die Wirkung des Pestizids Azamethiphos

Lachsläuse ( Lepeophtheirus salmonis) sind parasitäre Kleinkrebse. Sie befallen den Atlantischen Lachs, leben auf dessen Körperoberfläche und ernähren sich von Schleim, Hautpartikeln und Blut der Fische. Betroffene Fische zeigen offene Wunden in der Haut und Blutarmut. Dies kann zum Tod der Fische führen.

In der Lachszucht führt ein Befall der Fische zu großen wirtschaftlichen Verlusten. Als Maßnahme wird in der Aquazucht das Pestizid Azamethiphos verwendet, das in geringen Mengen (0,2 µg pro Liter) den Zuchtbecken beigefügt wird. Um die Wirkung des Pestizids auf die Nervenzellen von Lachsläusen zu untersuchen, behandelte man homozygote Wildtyp-Lachsläuse für 24 Stunden mit Azamethiphos. Anschließend wurde die Aktivität des Enzyms Acetylcholinesterase (AChE) bei den so behandelten Wildtyp-Lachsläusen ermittelt (Abbildung 1).

Material B: Azamethiphos-Resistenz und ihre genetischen Ursachen

Nach jahrelangem, dauerhaftem Einsatz von Azamethiphos in der Aquazucht wurde eine weit verbreitete Resistenz bei Lachsläusen gegen dieses Pestizid festgestellt. Auf der Suche nach den Ursachen der Resistenz stieß man auf das ace1a -Gen der Lachslaus. Dieses codiert die Acetylcholinesterase.

Material C: Wirksamkeit von Azamethiphos bei unterschiedlichen Stämmen der Lachslaus

In Lachszucht-Gewässern Norwegens fand man Lachslaus-Stämme mit unterschiedlichen Genotypen bezüglich des ace1a -Gens. Es wurde die Wirksamkeit von Azamethiphos auf Lachsläuse der drei Stämme untersucht. Dazu behandelte man drei Lachslaus-Stämme für 24 Stunden mit diesem Pestizid und untersuchte die Auswirkungen (Abbildung 2). Anschließend wurde die Aktivität des Enzyms Acetylcholinesterase bei Stamm 1 unter dem Einfluss von Azamethiphos ermittelt (Abbildung 3).

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Ala · Alanin

Arg · Arginin

Asn · Asparagin

Asp · Asparaginsäure

Cys · Cystein

Gln · Glutamin

Glu · Glutaminsäure

Gly · Glycin

His · Histidin

Ile · Isoleucin

Leu · Leucin

Lys · Lysin

Met · Methionin

Phe · Phenylalanin

Pro · Prolin

Ser · Serin

Thr · Threonin

Trp · Tryptophan

Tyr · Tyrosin

Val · Valin

Thema: Pestizideinsatz in der Lachszucht

1.

Stellen Sie die Informationsübertragung an einer Acetylcholin-gesteuerten Synapse in Form eines Fließdiagramms dar. Beschreiben Sie die Ergebnisse, die Abbildung 1 zeigt (Material A). Erläutern Sie, wie sich Azamethiphos auf der molekularen Ebene sowie auf der Ebene des Organismus auswirkt (Material A). [21 Punkte]

a)

b)

c)

Material A: Die Wirkung des Pestizids Azamethiphos

Lachsläuse ( Lepeophtheirus salmonis) sind parasitäre Kleinkrebse. Sie befallen den Atlantischen Lachs, leben auf dessen Körperoberfläche und ernähren sich von Schleim, Hautpartikeln und Blut der Fische. Betroffene Fische zeigen offene Wunden in der Haut und Blutarmut. Dies kann zum Tod der Fische führen.

In der Lachszucht führt ein Befall der Fische zu großen wirtschaftlichen Verlusten. Als Maßnahme wird in der Aquazucht das Pestizid Azamethiphos verwendet, das in geringen Mengen (0,2 µg pro Liter) den Zuchtbecken beigefügt wird. Um die Wirkung des Pestizids auf die Nervenzellen von Lachsläusen zu untersuchen, behandelte man homozygote Wildtyp-Lachsläuse für 24 Stunden mit Azamethiphos. Anschließend wurde die Aktivität des Enzyms Acetylcholinesterase (AChE) bei den so behandelten Wildtyp-Lachsläusen ermittelt (Abbildung 1).

Material B: Azamethiphos-Resistenz und ihre genetischen Ursachen

Nach jahrelangem, dauerhaftem Einsatz von Azamethiphos in der Aquazucht wurde eine weit verbreitete Resistenz bei Lachsläusen gegen dieses Pestizid festgestellt. Auf der Suche nach den Ursachen der Resistenz stieß man auf das ace1a -Gen der Lachslaus. Dieses codiert die Acetylcholinesterase.

Material C: Wirksamkeit von Azamethiphos bei unterschiedlichen Stämmen der Lachslaus

In Lachszucht-Gewässern Norwegens fand man Lachslaus-Stämme mit unterschiedlichen Genotypen bezüglich des ace1a -Gens. Es wurde die Wirksamkeit von Azamethiphos auf Lachsläuse der drei Stämme untersucht. Dazu behandelte man drei Lachslaus-Stämme für 24 Stunden mit diesem Pestizid und untersuchte die Auswirkungen (Abbildung 2). Anschließend wurde die Aktivität des Enzyms Acetylcholinesterase bei Stamm 1 unter dem Einfluss von Azamethiphos ermittelt (Abbildung 3).

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Ala · Alanin

Arg · Arginin

Asn · Asparagin

Asp · Asparaginsäure

Cys · Cystein

Gln · Glutamin

Glu · Glutaminsäure

Gly · Glycin

His · Histidin

Ile · Isoleucin

Leu · Leucin

Lys · Lysin

Met · Methionin

Phe · Phenylalanin

Pro · Prolin

Ser · Serin

Thr · Threonin

Trp · Tryptophan

Tyr · Tyrosin

Val · Valin

Thema: Pestizideinsatz in der Lachszucht – Genetik und Mutationen

2.

Ermitteln Sie zu den Nukleotidsequenzen aus Tabelle 1 jeweils die mRNA- und die Aminosäuresequenz sowie die Art der Mutation (Materialien B und D). Erläutern Sie, wie sich die Mutationen möglicherweise auf die Funktion der Acetylcholinesterase auswirken (Materialien A und B). [16 Punkte]

2.a)

2.b)

3.

Ermitteln Sie begründend, welche Genotypen die Stämme 1, 2 und 3 jeweils aufweisen (Materialien B und C). Vergleichen Sie die Ergebnisse in Abbildung 3 mit denen in Abbildung 1 und entwickeln Sie eine Hypothese, die die Befunde erklärt (Materialien A bis C). [17 Punkte]

3.a)

3.b)

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]

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).

1.

Erklären Sie, was man unter Selektion versteht. Leiten Sie her, welche Selektionsvorteile sich für die Weinbergschnecke aus ihrer Lebensweise ergeben (Material A). [13 Punkte]

3.

Geben Sie an, wie der Begriff Mutation definiert wird. Erläutern Sie anhand der Synthetischen Evolutionstheorie, wie die neurophysiologischen Angepasstheiten der Weinbergschnecke entstanden sind (Materialien A bis C). [14 Punkte]