Abitur NRW Biologie 2023 · GK · Nachtermin · Weiterbildungskolleg

Thema: Grüne Jäger

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 Klappfallen produzieren ein Duftgemisch, das aus über 60 verschiedenen Duftstoffen besteht. Diese Duftstoffe kommen auch im Duft verschiedener reifer Früchte vor, die die Nahrung vieler Insekten darstellen. Die Innenseiten der Klappfallen sind dicht mit Drüsen besetzt, die ein Sekret mit Verdauungsenzymen absondern. Die 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: 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 2 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 C: 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 3 dargestellt. Zusätzlich wurde der jeweilige Fallentyp gekennzeichnet.

Aufgabe 1 (Teilaspekt 1)

Werten Sie Material A aus, um die ökologische Nische der Venusfliegenfalle darzustellen.

Thema: Grüne Jäger

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 Klappfallen produzieren ein Duftgemisch, das aus über 60 verschiedenen Duftstoffen besteht. Diese Duftstoffe kommen auch im Duft verschiedener reifer Früchte vor, die die Nahrung vieler Insekten darstellen. Die Innenseiten der Klappfallen sind dicht mit Drüsen besetzt, die ein Sekret mit Verdauungsenzymen absondern. Die 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: 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 2 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 C: 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 3 dargestellt. Zusätzlich wurde der jeweilige Fallentyp gekennzeichnet.

Aufgabe 1 (Teilaspekt 2)

Erklären Sie, was man unter Selektion versteht. Leiten Sie aus den Angepasstheiten der Venusfliegenfalle an ihren Lebensraum Selektionsvorteile und Selektionsnachteile ab (Material A).

a)

b)

Thema: Grüne Jäger

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 Klappfallen produzieren ein Duftgemisch, das aus über 60 verschiedenen Duftstoffen besteht. Diese Duftstoffe kommen auch im Duft verschiedener reifer Früchte vor, die die Nahrung vieler Insekten darstellen. Die Innenseiten der Klappfallen sind dicht mit Drüsen besetzt, die ein Sekret mit Verdauungsenzymen absondern. Die 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: 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 2 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 C: 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 3 dargestellt. Zusätzlich wurde der jeweilige Fallentyp gekennzeichnet.

2. Fassen Sie die Ergebnisse der Untersuchung zusammen (Abbildung 2, Material B). Werten Sie sie danach aus, ob bei der Venusfliegenfalle ein Bestäuber-Beute-Konflikt vorliegt (Material B). Prüfen Sie, inwiefern bei der Venusfliegenfalle die drei in Material B dargestellten Mechanismen verwirklicht sind, die diesen Bestäuber-Beute-Konflikt verringern (Materialien A und B). [21 Punkte]

a)

b)

c)

Thema: Grüne Jäger

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 Klappfallen produzieren ein Duftgemisch, das aus über 60 verschiedenen Duftstoffen besteht. Diese Duftstoffe kommen auch im Duft verschiedener reifer Früchte vor, die die Nahrung vieler Insekten darstellen. Die Innenseiten der Klappfallen sind dicht mit Drüsen besetzt, die ein Sekret mit Verdauungsenzymen absondern. Die 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: 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 2 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 C: 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 3 dargestellt. Zusätzlich wurde der jeweilige Fallentyp gekennzeichnet.

3. Beschreiben Sie, worin sich konvergente und divergente Entwicklung voneinander unterscheiden. Analysieren Sie den in Abbildung 3 dargestellten Stammbaum unter dem Aspekt der Evolution der carnivoren Ernährungsweise (Material C). Entwickeln Sie ausgehend von Abbildung 3 Hypothesen dazu, wie sich die einzelnen Fallentypen evolutiv herausgebildet haben (Material C). [17 Punkte]

Thema: Die erythropoetische Protoporphyrie

Material A: Vererbung der erythropoetischen Protoporphyrie

Die erythropoetische Protoporphyrie (EPP) ist eine seltene, angeborene Erkrankung, bei der schon wenige Minuten in der Sonne ausreichen, um Schmerzen an allen unbedeckten Hautstellen bei betroffenen Personen auszulösen. In der Regel vergehen Tage, bis die Schmerzen nachlassen. Da das sichtbare Licht Verursacher der Symptome ist, helfen Sonnencreme und andere Maßnahmen zum Schutz vor UV-Strahlung nicht.

Bei EPP kommt es zu einer Störung der Biosynthese von Häm, dem eisenhaltigen Bestandteil des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin. Dadurch kommt es zu einer Anreicherung von Vorläuferstoffen des Hämoglobins, die nicht weiterverarbeitet werden können. Sie verursachen tief in der Haut liegende Verbrennungssymptome und Schäden an den Blutgefäßen, was die Schmerzen zur Folge hat. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer von EPP betroffenen Familie.

Material B: Genetische Ursachen der EPP

Das FECH -Gen codiert ein Enzym, dessen Funktion für die Häm-Synthese wichtig ist. Das FECH -Gen umfasst 11 Exons und codiert für insgesamt 423 Aminosäuren. Um die genetische Ursache in einer betroffenen Familie zu ermitteln, wurde eine PCR mit anschließender Sequenzierung des Gens sowohl von nicht betroffenen als auch betroffenen Familienmitgliedern durchgeführt. Ausgewählte Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Material C: Schmerztherapie bei EPP

EPP ist häufig von starken Schmerzen begleitet. Die den Schmerz auslösenden Reize werden über Schmerzsinneszellen, die Nozizeptoren, in Erregung umgewandelt und weitergeleitet. Im Rückenmark erfolgt die Verschaltung auf Folgeneuronen, welche die Signale an das Gehirn weiterleiten, wo die Schmerzempfindung entsteht.

Eine Möglichkeit der Therapie starker Schmerzen ist die Behandlung mit Morphin, das unter anderem auch an den in Abbildung 2 dargestellten Synapsen wirkt. Morphin kann mithilfe von Tabletten verabreicht werden. Das Abhängigkeitspotenzial von Morphin ist hoch, da die Wirkung bei andauernder Anwendung nachlässt und dann die Dosis erhöht werden muss. Bei einer erhöhten Dosis von Morphin wird das Atemzentrum gelähmt. Diese Nebenwirkung wird durch die gleichzeitige Gabe eines anderen Wirkstoffs wie Naloxon verhindert.

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Aufgabe 2 (Teil): Humangenetik und Gentechnik

1.

Leiten Sie aus dem Stammbaum in Abbildung 1 den Erbgang der erythropoetischen Protoporphyrie (EPP) ab und schließen Sie dabei andere Erbgänge mit Begründung aus (Material A). Geben Sie für sämtliche Personen alle denkbaren Genotypen an (Material A). [10 Punkte]

2.

Stellen Sie die zentralen Schritte der Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) dar. [8 Punkte]

Thema: Die erythropoetische Protoporphyrie

Material A: Vererbung der erythropoetischen Protoporphyrie

Die erythropoetische Protoporphyrie (EPP) ist eine seltene, angeborene Erkrankung, bei der schon wenige Minuten in der Sonne ausreichen, um Schmerzen an allen unbedeckten Hautstellen bei betroffenen Personen auszulösen. In der Regel vergehen Tage, bis die Schmerzen nachlassen. Da das sichtbare Licht Verursacher der Symptome ist, helfen Sonnencreme und andere Maßnahmen zum Schutz vor UV-Strahlung nicht.

Bei EPP kommt es zu einer Störung der Biosynthese von Häm, dem eisenhaltigen Bestandteil des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin. Dadurch kommt es zu einer Anreicherung von Vorläuferstoffen des Hämoglobins, die nicht weiterverarbeitet werden können. Sie verursachen tief in der Haut liegende Verbrennungssymptome und Schäden an den Blutgefäßen, was die Schmerzen zur Folge hat. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer von EPP betroffenen Familie.

Material B: Genetische Ursachen der EPP

Das FECH -Gen codiert ein Enzym, dessen Funktion für die Häm-Synthese wichtig ist. Das FECH -Gen umfasst 11 Exons und codiert für insgesamt 423 Aminosäuren. Um die genetische Ursache in einer betroffenen Familie zu ermitteln, wurde eine PCR mit anschließender Sequenzierung des Gens sowohl von nicht betroffenen als auch betroffenen Familienmitgliedern durchgeführt. Ausgewählte Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Material C: Schmerztherapie bei EPP

EPP ist häufig von starken Schmerzen begleitet. Die den Schmerz auslösenden Reize werden über Schmerzsinneszellen, die Nozizeptoren, in Erregung umgewandelt und weitergeleitet. Im Rückenmark erfolgt die Verschaltung auf Folgeneuronen, welche die Signale an das Gehirn weiterleiten, wo die Schmerzempfindung entsteht.

Eine Möglichkeit der Therapie starker Schmerzen ist die Behandlung mit Morphin, das unter anderem auch an den in Abbildung 2 dargestellten Synapsen wirkt. Morphin kann mithilfe von Tabletten verabreicht werden. Das Abhängigkeitspotenzial von Morphin ist hoch, da die Wirkung bei andauernder Anwendung nachlässt und dann die Dosis erhöht werden muss. Bei einer erhöhten Dosis von Morphin wird das Atemzentrum gelähmt. Diese Nebenwirkung wird durch die gleichzeitige Gabe eines anderen Wirkstoffs wie Naloxon verhindert.

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Aufgabe 2 (Teil): Ermitteln Sie die Aminosäuresequenzen der in Tabelle 1 aufgeführten Abschnitte des FECH -Gens und geben Sie dazu den vorliegenden Mutationstyp an (Materialien B und D). Leiten Sie daraus denkbare Auswirkungen der Mutation ab (Materialien A und B).

a)

Ermitteln Sie mithilfe der Code-Sonne (Material D) die Aminosäuresequenzen, die sich für die Tripletts 26 bis 32 des nicht-codogenen DNA-Strangs ergeben (Material B, Tabelle 1):

b)

Geben Sie den Mutationstyp an, und zwar die Art des Basenaustauschs sowie den funktionellen Mutationstyp auf Ebene des Proteins:

c)

Leiten Sie ab, welche Folgen die Mutation für das Genprodukt (Enzym), den Stoffwechsel und die Entstehung der Krankheit haben kann (Materialien A und B):

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Thema: Die erythropoetische Protoporphyrie

Material A: Vererbung der erythropoetischen Protoporphyrie

Die erythropoetische Protoporphyrie (EPP) ist eine seltene, angeborene Erkrankung, bei der schon wenige Minuten in der Sonne ausreichen, um Schmerzen an allen unbedeckten Hautstellen bei betroffenen Personen auszulösen. In der Regel vergehen Tage, bis die Schmerzen nachlassen. Da das sichtbare Licht Verursacher der Symptome ist, helfen Sonnencreme und andere Maßnahmen zum Schutz vor UV-Strahlung nicht.

Bei EPP kommt es zu einer Störung der Biosynthese von Häm, dem eisenhaltigen Bestandteil des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin. Dadurch kommt es zu einer Anreicherung von Vorläuferstoffen des Hämoglobins, die nicht weiterverarbeitet werden können. Sie verursachen tief in der Haut liegende Verbrennungssymptome und Schäden an den Blutgefäßen, was die Schmerzen zur Folge hat. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer von EPP betroffenen Familie.

Material B: Genetische Ursachen der EPP

Das FECH -Gen codiert ein Enzym, dessen Funktion für die Häm-Synthese wichtig ist. Das FECH -Gen umfasst 11 Exons und codiert für insgesamt 423 Aminosäuren. Um die genetische Ursache in einer betroffenen Familie zu ermitteln, wurde eine PCR mit anschließender Sequenzierung des Gens sowohl von nicht betroffenen als auch betroffenen Familienmitgliedern durchgeführt. Ausgewählte Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Material C: Schmerztherapie bei EPP

EPP ist häufig von starken Schmerzen begleitet. Die den Schmerz auslösenden Reize werden über Schmerzsinneszellen, die Nozizeptoren, in Erregung umgewandelt und weitergeleitet. Im Rückenmark erfolgt die Verschaltung auf Folgeneuronen, welche die Signale an das Gehirn weiterleiten, wo die Schmerzempfindung entsteht.

Eine Möglichkeit der Therapie starker Schmerzen ist die Behandlung mit Morphin, das unter anderem auch an den in Abbildung 2 dargestellten Synapsen wirkt. Morphin kann mithilfe von Tabletten verabreicht werden. Das Abhängigkeitspotenzial von Morphin ist hoch, da die Wirkung bei andauernder Anwendung nachlässt und dann die Dosis erhöht werden muss. Bei einer erhöhten Dosis von Morphin wird das Atemzentrum gelähmt. Diese Nebenwirkung wird durch die gleichzeitige Gabe eines anderen Wirkstoffs wie Naloxon verhindert.

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

3. Stellen Sie in einem Fließschema dar, welche neurobiologischen Vorgänge während eines Aktionspotentials ablaufen. [8 Punkte]

Thema: Die erythropoetische Protoporphyrie

Material A: Vererbung der erythropoetischen Protoporphyrie

Die erythropoetische Protoporphyrie (EPP) ist eine seltene, angeborene Erkrankung, bei der schon wenige Minuten in der Sonne ausreichen, um Schmerzen an allen unbedeckten Hautstellen bei betroffenen Personen auszulösen. In der Regel vergehen Tage, bis die Schmerzen nachlassen. Da das sichtbare Licht Verursacher der Symptome ist, helfen Sonnencreme und andere Maßnahmen zum Schutz vor UV-Strahlung nicht.

Bei EPP kommt es zu einer Störung der Biosynthese von Häm, dem eisenhaltigen Bestandteil des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin. Dadurch kommt es zu einer Anreicherung von Vorläuferstoffen des Hämoglobins, die nicht weiterverarbeitet werden können. Sie verursachen tief in der Haut liegende Verbrennungssymptome und Schäden an den Blutgefäßen, was die Schmerzen zur Folge hat. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer von EPP betroffenen Familie.

Material B: Genetische Ursachen der EPP

Das FECH -Gen codiert ein Enzym, dessen Funktion für die Häm-Synthese wichtig ist. Das FECH -Gen umfasst 11 Exons und codiert für insgesamt 423 Aminosäuren. Um die genetische Ursache in einer betroffenen Familie zu ermitteln, wurde eine PCR mit anschließender Sequenzierung des Gens sowohl von nicht betroffenen als auch betroffenen Familienmitgliedern durchgeführt. Ausgewählte Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Material C: Schmerztherapie bei EPP

EPP ist häufig von starken Schmerzen begleitet. Die den Schmerz auslösenden Reize werden über Schmerzsinneszellen, die Nozizeptoren, in Erregung umgewandelt und weitergeleitet. Im Rückenmark erfolgt die Verschaltung auf Folgeneuronen, welche die Signale an das Gehirn weiterleiten, wo die Schmerzempfindung entsteht.

Eine Möglichkeit der Therapie starker Schmerzen ist die Behandlung mit Morphin, das unter anderem auch an den in Abbildung 2 dargestellten Synapsen wirkt. Morphin kann mithilfe von Tabletten verabreicht werden. Das Abhängigkeitspotenzial von Morphin ist hoch, da die Wirkung bei andauernder Anwendung nachlässt und dann die Dosis erhöht werden muss. Bei einer erhöhten Dosis von Morphin wird das Atemzentrum gelähmt. Diese Nebenwirkung wird durch die gleichzeitige Gabe eines anderen Wirkstoffs wie Naloxon verhindert.

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

3. Erläutern Sie, wie Morphin wirkt, wenn Aktionspotentiale an der Synapse des Nozizeptors ankommen (Abbildung 2, Material C). Diskutieren Sie die Vorteile und Nachteile, die sich ergeben, wenn Morphin in der Schmerztherapie bei EPP eingesetzt wird (Materialien A und C).

a)

b)

Thema: Zebramuscheln und Quagga-Muscheln im Bodensee

Material A: Zebramuscheln im Bodensee

Die Zebramuschel ( Dreissena polymorpha) war ursprünglich heimisch in Südosteuropa. Sie wurde erstmalig in der Mitte der 1960er Jahre im Bodensee entdeckt. Vermutlich ist sie über den Schiffsverkehr des Rheins in den Bodensee gelangt.

Zebramuscheln werden etwa zwei bis drei Zentimeter groß. Ihre Lebensdauer beträgt etwa drei bis fünf Jahre. Häufig wird schon im ersten Jahr die Fortpflanzungsfähigkeit erreicht. Weibchen können bei geeigneten Temperaturverhältnissen zwei- bis fünfmal pro Jahr bis zu einer Million Eier freisetzen, die dann im Wasser befruchtet werden. Dabei muss das Wasser mindestens 15 °C warm sein. Im Bodensee werden diese Wassertemperaturen im Sommer oberhalb von etwa 25 Metern Wassertiefe erreicht. Im Unterschied zu heimischen Muschelarten durchläuft die Zebramuschel im Laufe ihrer Entwicklung ein freischwimmendes Larvenstadium. Die adulten Muscheln leben festsitzend auf harten Oberflächen in Wassertiefen bis zu etwa 40 Metern und filtrieren, wie alle Muscheln, sowohl Algen als auch Algen fressende Kleinkrebse aus dem Wasser. Die Zahl der Algen verringerte sich deutlich nach Verbreitung der Zebramuscheln im Bodensee.

Harte Oberflächen im Wasser wie zum Beispiel Felsen werden komplett innerhalb weniger Monate von Zebramuscheln überdeckt. Auch heimische Muscheln werden überwuchert und damit von der Nahrungsaufnahme ausgeschlossen. Zebramuscheln können durch ihr Wachstum zudem Rohrleitungen von Fabriken, Kraftwerken und Trinkwassergewinnungsanlagen verstopfen.

Zebramuscheln werden hauptsächlich von tauchenden Wasservögeln wie Reiher- und Tafelenten, die am Bodensee überwintern, gefressen. Diese Enten tauchen bis zu drei Meter tief und erbeuten die auf den Felsen wachsenden Zebramuscheln. Nach anfänglich starkem Anstieg der Populationsgröße der Zebramuschel erfolgte ab 1974 ein Bestandsrückgang, während die Populationsgrößen der Wasservögel anstiegen.

Material B: Dreissena -Muscheln im Bodensee

Im Bodensee wird seit 2016 die vermehrte Ausbreitung der Quagga-Muschel ( Dreissena bugensis) beobachtet. Sie kann eine Größe von bis zu vier Zentimetern erreichen und wird etwa drei bis fünf Jahre alt. Im Unterschied zur Zebramuschel ist eine Reproduktion bereits bei einer Wassertemperatur von 5 °C möglich. Quagga-Muscheln leben festsitzend auf harten Oberflächen in Tiefen von bis zu 80 Metern. Das Nahrungsspektrum der Quagga-Muschel besteht aus Algen und Kleinkrebsen, die filtriert werden. Auch diese Muscheln werden von tauchenden Enten erbeutet.

Beide Dreissena -Arten durchlaufen in ihrer Entwicklung ein gleich aussehendes Larvenstadium. In Langzeitstudien untersuchte man die Häufigkeit von Larven der Dreissena -Muscheln im Jahresverlauf (Abbildung 1). Zusätzlich wurde die Verteilung der Larven der Dreissena -Muscheln in der Seetiefe im Sommer vor und nach der Besiedlung des Bodensees durch die Quagga-Muschel, die 2016 erstmals dort nachgewiesen wurde, ermittelt (Abbildung 2).

Material C: Das Multiplex-PCR-Verfahren für Artnachweise

Zebramuschel und Quagga-Muschel lassen sich im adulten Stadium morphologisch meistens gut unterscheiden. Häufig ist die Schale der Zebramuscheln geradliniger und kantiger. Allerdings finden sich immer auch Muscheln, die sich aufgrund ihrer Schalenmorphologie nicht eindeutig einer der beiden Dreissena -Arten zuordnen lassen.

Zum Artnachweis kann eine Multiplex-PCR als molekulares Verfahren durchgeführt werden. Bei der Multiplex-PCR werden zwei oder auch mehr unterschiedliche, artspezifische Primerpaare gleichzeitig in einem PCR-Ansatz verwendet. Die Primerpaare sind so gewählt, dass die jeweiligen PCR-Produkte aufgrund ihrer unterschiedlichen Größe nach gelelektrophoretischer Auftrennung gut unterscheidbar sind.

Bei diesem Experiment ist ein Primerpaar spezifisch für die Zebramuschel und ein weiteres Primerpaar spezifisch für die Quagga-Muschel. Es wurden DNA-Proben unterschiedlicher Muschel-Individuen mithilfe der Multiplex-PCR analysiert. Die ersten beiden Proben stammen von morphologisch eindeutig identifizierten Individuen von Zebramuschel oder Quagga-Muschel. Die Proben A bis D stammen von jeweils einem Individuum unbekannter Art. Die PCR-Produkte wurden anschließend gelelektrophoretisch aufgetrennt (Abbildung 3).

Skizzieren Sie auf Grundlage von Material A eine Nahrungskette und geben Sie mit Begründung die Trophieebenen der beteiligten Organismen an (Material A).

a)

Ihre Skizze der Nahrungskette im Bodensee:

b)

Thema: Zebramuscheln und Quagga-Muscheln im Bodensee

Material A: Zebramuscheln im Bodensee

Die Zebramuschel ( Dreissena polymorpha) war ursprünglich heimisch in Südosteuropa. Sie wurde erstmalig in der Mitte der 1960er Jahre im Bodensee entdeckt. Vermutlich ist sie über den Schiffsverkehr des Rheins in den Bodensee gelangt.

Zebramuscheln werden etwa zwei bis drei Zentimeter groß. Ihre Lebensdauer beträgt etwa drei bis fünf Jahre. Häufig wird schon im ersten Jahr die Fortpflanzungsfähigkeit erreicht. Weibchen können bei geeigneten Temperaturverhältnissen zwei- bis fünfmal pro Jahr bis zu einer Million Eier freisetzen, die dann im Wasser befruchtet werden. Dabei muss das Wasser mindestens 15 °C warm sein. Im Bodensee werden diese Wassertemperaturen im Sommer oberhalb von etwa 25 Metern Wassertiefe erreicht. Im Unterschied zu heimischen Muschelarten durchläuft die Zebramuschel im Laufe ihrer Entwicklung ein freischwimmendes Larvenstadium. Die adulten Muscheln leben festsitzend auf harten Oberflächen in Wassertiefen bis zu etwa 40 Metern und filtrieren, wie alle Muscheln, sowohl Algen als auch Algen fressende Kleinkrebse aus dem Wasser. Die Zahl der Algen verringerte sich deutlich nach Verbreitung der Zebramuscheln im Bodensee.

Harte Oberflächen im Wasser wie zum Beispiel Felsen werden komplett innerhalb weniger Monate von Zebramuscheln überdeckt. Auch heimische Muscheln werden überwuchert und damit von der Nahrungsaufnahme ausgeschlossen. Zebramuscheln können durch ihr Wachstum zudem Rohrleitungen von Fabriken, Kraftwerken und Trinkwassergewinnungsanlagen verstopfen.

Zebramuscheln werden hauptsächlich von tauchenden Wasservögeln wie Reiher- und Tafelenten, die am Bodensee überwintern, gefressen. Diese Enten tauchen bis zu drei Meter tief und erbeuten die auf den Felsen wachsenden Zebramuscheln. Nach anfänglich starkem Anstieg der Populationsgröße der Zebramuschel erfolgte ab 1974 ein Bestandsrückgang, während die Populationsgrößen der Wasservögel anstiegen.

Material B: Dreissena -Muscheln im Bodensee

Im Bodensee wird seit 2016 die vermehrte Ausbreitung der Quagga-Muschel ( Dreissena bugensis) beobachtet. Sie kann eine Größe von bis zu vier Zentimetern erreichen und wird etwa drei bis fünf Jahre alt. Im Unterschied zur Zebramuschel ist eine Reproduktion bereits bei einer Wassertemperatur von 5 °C möglich. Quagga-Muscheln leben festsitzend auf harten Oberflächen in Tiefen von bis zu 80 Metern. Das Nahrungsspektrum der Quagga-Muschel besteht aus Algen und Kleinkrebsen, die filtriert werden. Auch diese Muscheln werden von tauchenden Enten erbeutet.

Beide Dreissena -Arten durchlaufen in ihrer Entwicklung ein gleich aussehendes Larvenstadium. In Langzeitstudien untersuchte man die Häufigkeit von Larven der Dreissena -Muscheln im Jahresverlauf (Abbildung 1). Zusätzlich wurde die Verteilung der Larven der Dreissena -Muscheln in der Seetiefe im Sommer vor und nach der Besiedlung des Bodensees durch die Quagga-Muschel, die 2016 erstmals dort nachgewiesen wurde, ermittelt (Abbildung 2).

Material C: Das Multiplex-PCR-Verfahren für Artnachweise

Zebramuschel und Quagga-Muschel lassen sich im adulten Stadium morphologisch meistens gut unterscheiden. Häufig ist die Schale der Zebramuscheln geradliniger und kantiger. Allerdings finden sich immer auch Muscheln, die sich aufgrund ihrer Schalenmorphologie nicht eindeutig einer der beiden Dreissena -Arten zuordnen lassen.

Zum Artnachweis kann eine Multiplex-PCR als molekulares Verfahren durchgeführt werden. Bei der Multiplex-PCR werden zwei oder auch mehr unterschiedliche, artspezifische Primerpaare gleichzeitig in einem PCR-Ansatz verwendet. Die Primerpaare sind so gewählt, dass die jeweiligen PCR-Produkte aufgrund ihrer unterschiedlichen Größe nach gelelektrophoretischer Auftrennung gut unterscheidbar sind.

Bei diesem Experiment ist ein Primerpaar spezifisch für die Zebramuschel und ein weiteres Primerpaar spezifisch für die Quagga-Muschel. Es wurden DNA-Proben unterschiedlicher Muschel-Individuen mithilfe der Multiplex-PCR analysiert. Die ersten beiden Proben stammen von morphologisch eindeutig identifizierten Individuen von Zebramuschel oder Quagga-Muschel. Die Proben A bis D stammen von jeweils einem Individuum unbekannter Art. Die PCR-Produkte wurden anschließend gelelektrophoretisch aufgetrennt (Abbildung 3).

Nennen Sie die zentralen Eigenschaften, die invasive Arten kennzeichnen, und beurteilen Sie anhand von Material A, wie hoch das invasive Potenzial der Zebramuschel ist.

a)

b)

Thema: Zebramuscheln und Quagga-Muscheln im Bodensee

Material A: Zebramuscheln im Bodensee

Die Zebramuschel ( Dreissena polymorpha) war ursprünglich heimisch in Südosteuropa. Sie wurde erstmalig in der Mitte der 1960er Jahre im Bodensee entdeckt. Vermutlich ist sie über den Schiffsverkehr des Rheins in den Bodensee gelangt.

Zebramuscheln werden etwa zwei bis drei Zentimeter groß. Ihre Lebensdauer beträgt etwa drei bis fünf Jahre. Häufig wird schon im ersten Jahr die Fortpflanzungsfähigkeit erreicht. Weibchen können bei geeigneten Temperaturverhältnissen zwei- bis fünfmal pro Jahr bis zu einer Million Eier freisetzen, die dann im Wasser befruchtet werden. Dabei muss das Wasser mindestens 15 °C warm sein. Im Bodensee werden diese Wassertemperaturen im Sommer oberhalb von etwa 25 Metern Wassertiefe erreicht. Im Unterschied zu heimischen Muschelarten durchläuft die Zebramuschel im Laufe ihrer Entwicklung ein freischwimmendes Larvenstadium. Die adulten Muscheln leben festsitzend auf harten Oberflächen in Wassertiefen bis zu etwa 40 Metern und filtrieren, wie alle Muscheln, sowohl Algen als auch Algen fressende Kleinkrebse aus dem Wasser. Die Zahl der Algen verringerte sich deutlich nach Verbreitung der Zebramuscheln im Bodensee.

Harte Oberflächen im Wasser wie zum Beispiel Felsen werden komplett innerhalb weniger Monate von Zebramuscheln überdeckt. Auch heimische Muscheln werden überwuchert und damit von der Nahrungsaufnahme ausgeschlossen. Zebramuscheln können durch ihr Wachstum zudem Rohrleitungen von Fabriken, Kraftwerken und Trinkwassergewinnungsanlagen verstopfen.

Zebramuscheln werden hauptsächlich von tauchenden Wasservögeln wie Reiher- und Tafelenten, die am Bodensee überwintern, gefressen. Diese Enten tauchen bis zu drei Meter tief und erbeuten die auf den Felsen wachsenden Zebramuscheln. Nach anfänglich starkem Anstieg der Populationsgröße der Zebramuschel erfolgte ab 1974 ein Bestandsrückgang, während die Populationsgrößen der Wasservögel anstiegen.

Material B: Dreissena -Muscheln im Bodensee

Im Bodensee wird seit 2016 die vermehrte Ausbreitung der Quagga-Muschel ( Dreissena bugensis) beobachtet. Sie kann eine Größe von bis zu vier Zentimetern erreichen und wird etwa drei bis fünf Jahre alt. Im Unterschied zur Zebramuschel ist eine Reproduktion bereits bei einer Wassertemperatur von 5 °C möglich. Quagga-Muscheln leben festsitzend auf harten Oberflächen in Tiefen von bis zu 80 Metern. Das Nahrungsspektrum der Quagga-Muschel besteht aus Algen und Kleinkrebsen, die filtriert werden. Auch diese Muscheln werden von tauchenden Enten erbeutet.

Beide Dreissena -Arten durchlaufen in ihrer Entwicklung ein gleich aussehendes Larvenstadium. In Langzeitstudien untersuchte man die Häufigkeit von Larven der Dreissena -Muscheln im Jahresverlauf (Abbildung 1). Zusätzlich wurde die Verteilung der Larven der Dreissena -Muscheln in der Seetiefe im Sommer vor und nach der Besiedlung des Bodensees durch die Quagga-Muschel, die 2016 erstmals dort nachgewiesen wurde, ermittelt (Abbildung 2).

Material C: Das Multiplex-PCR-Verfahren für Artnachweise

Zebramuschel und Quagga-Muschel lassen sich im adulten Stadium morphologisch meistens gut unterscheiden. Häufig ist die Schale der Zebramuscheln geradliniger und kantiger. Allerdings finden sich immer auch Muscheln, die sich aufgrund ihrer Schalenmorphologie nicht eindeutig einer der beiden Dreissena -Arten zuordnen lassen.

Zum Artnachweis kann eine Multiplex-PCR als molekulares Verfahren durchgeführt werden. Bei der Multiplex-PCR werden zwei oder auch mehr unterschiedliche, artspezifische Primerpaare gleichzeitig in einem PCR-Ansatz verwendet. Die Primerpaare sind so gewählt, dass die jeweiligen PCR-Produkte aufgrund ihrer unterschiedlichen Größe nach gelelektrophoretischer Auftrennung gut unterscheidbar sind.

Bei diesem Experiment ist ein Primerpaar spezifisch für die Zebramuschel und ein weiteres Primerpaar spezifisch für die Quagga-Muschel. Es wurden DNA-Proben unterschiedlicher Muschel-Individuen mithilfe der Multiplex-PCR analysiert. Die ersten beiden Proben stammen von morphologisch eindeutig identifizierten Individuen von Zebramuschel oder Quagga-Muschel. Die Proben A bis D stammen von jeweils einem Individuum unbekannter Art. Die PCR-Produkte wurden anschließend gelelektrophoretisch aufgetrennt (Abbildung 3).

2. Vergleichen Sie bei Zebramuscheln und Quagga-Muscheln die Temperaturtoleranz miteinander (Materialien A und B). Fassen Sie die Ergebnisse der Freilanduntersuchungen zusammen, die in den Abbildungen 1 und 2 gezeigt werden (Material B). Werten Sie diese Ergebnisse im Hinblick auf die ökologischen Angepasstheiten beider Muschelarten aus (Materialien A und B). [20 Punkte]

a)

b)

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Thema: Zebramuscheln und Quagga-Muscheln im Bodensee

Material A: Zebramuscheln im Bodensee

Die Zebramuschel ( Dreissena polymorpha) war ursprünglich heimisch in Südosteuropa. Sie wurde erstmalig in der Mitte der 1960er Jahre im Bodensee entdeckt. Vermutlich ist sie über den Schiffsverkehr des Rheins in den Bodensee gelangt.

Zebramuscheln werden etwa zwei bis drei Zentimeter groß. Ihre Lebensdauer beträgt etwa drei bis fünf Jahre. Häufig wird schon im ersten Jahr die Fortpflanzungsfähigkeit erreicht. Weibchen können bei geeigneten Temperaturverhältnissen zwei- bis fünfmal pro Jahr bis zu einer Million Eier freisetzen, die dann im Wasser befruchtet werden. Dabei muss das Wasser mindestens 15 °C warm sein. Im Bodensee werden diese Wassertemperaturen im Sommer oberhalb von etwa 25 Metern Wassertiefe erreicht. Im Unterschied zu heimischen Muschelarten durchläuft die Zebramuschel im Laufe ihrer Entwicklung ein freischwimmendes Larvenstadium. Die adulten Muscheln leben festsitzend auf harten Oberflächen in Wassertiefen bis zu etwa 40 Metern und filtrieren, wie alle Muscheln, sowohl Algen als auch Algen fressende Kleinkrebse aus dem Wasser. Die Zahl der Algen verringerte sich deutlich nach Verbreitung der Zebramuscheln im Bodensee.

Harte Oberflächen im Wasser wie zum Beispiel Felsen werden komplett innerhalb weniger Monate von Zebramuscheln überdeckt. Auch heimische Muscheln werden überwuchert und damit von der Nahrungsaufnahme ausgeschlossen. Zebramuscheln können durch ihr Wachstum zudem Rohrleitungen von Fabriken, Kraftwerken und Trinkwassergewinnungsanlagen verstopfen.

Zebramuscheln werden hauptsächlich von tauchenden Wasservögeln wie Reiher- und Tafelenten, die am Bodensee überwintern, gefressen. Diese Enten tauchen bis zu drei Meter tief und erbeuten die auf den Felsen wachsenden Zebramuscheln. Nach anfänglich starkem Anstieg der Populationsgröße der Zebramuschel erfolgte ab 1974 ein Bestandsrückgang, während die Populationsgrößen der Wasservögel anstiegen.

Material B: Dreissena -Muscheln im Bodensee

Im Bodensee wird seit 2016 die vermehrte Ausbreitung der Quagga-Muschel ( Dreissena bugensis) beobachtet. Sie kann eine Größe von bis zu vier Zentimetern erreichen und wird etwa drei bis fünf Jahre alt. Im Unterschied zur Zebramuschel ist eine Reproduktion bereits bei einer Wassertemperatur von 5 °C möglich. Quagga-Muscheln leben festsitzend auf harten Oberflächen in Tiefen von bis zu 80 Metern. Das Nahrungsspektrum der Quagga-Muschel besteht aus Algen und Kleinkrebsen, die filtriert werden. Auch diese Muscheln werden von tauchenden Enten erbeutet.

Beide Dreissena -Arten durchlaufen in ihrer Entwicklung ein gleich aussehendes Larvenstadium. In Langzeitstudien untersuchte man die Häufigkeit von Larven der Dreissena -Muscheln im Jahresverlauf (Abbildung 1). Zusätzlich wurde die Verteilung der Larven der Dreissena -Muscheln in der Seetiefe im Sommer vor und nach der Besiedlung des Bodensees durch die Quagga-Muschel, die 2016 erstmals dort nachgewiesen wurde, ermittelt (Abbildung 2).

Material C: Das Multiplex-PCR-Verfahren für Artnachweise

Zebramuschel und Quagga-Muschel lassen sich im adulten Stadium morphologisch meistens gut unterscheiden. Häufig ist die Schale der Zebramuscheln geradliniger und kantiger. Allerdings finden sich immer auch Muscheln, die sich aufgrund ihrer Schalenmorphologie nicht eindeutig einer der beiden Dreissena -Arten zuordnen lassen.

Zum Artnachweis kann eine Multiplex-PCR als molekulares Verfahren durchgeführt werden. Bei der Multiplex-PCR werden zwei oder auch mehr unterschiedliche, artspezifische Primerpaare gleichzeitig in einem PCR-Ansatz verwendet. Die Primerpaare sind so gewählt, dass die jeweiligen PCR-Produkte aufgrund ihrer unterschiedlichen Größe nach gelelektrophoretischer Auftrennung gut unterscheidbar sind.

Bei diesem Experiment ist ein Primerpaar spezifisch für die Zebramuschel und ein weiteres Primerpaar spezifisch für die Quagga-Muschel. Es wurden DNA-Proben unterschiedlicher Muschel-Individuen mithilfe der Multiplex-PCR analysiert. Die ersten beiden Proben stammen von morphologisch eindeutig identifizierten Individuen von Zebramuschel oder Quagga-Muschel. Die Proben A bis D stammen von jeweils einem Individuum unbekannter Art. Die PCR-Produkte wurden anschließend gelelektrophoretisch aufgetrennt (Abbildung 3).

3. Erklären Sie, welche Vorteile die Multiplex-PCR beim Nachweis von Arten bietet (Material C). Deuten Sie die Ergebnisse aus Abbildung 3 bezüglich des Artnachweises (Material C). [12 Punkte]

a)

b)