Abitur NRW Biologie 2023 · LK · Nachtermin · Weiterbildungskolleg

Material A: Ökologie der Venusfliegenfalle

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

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

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

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

Material B: Lockmechanismen der Klappfalle

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

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

Material C: Der Bestäuber-Beute-Konflikt

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

Bei einer Untersuchung im Freiland, die zur Blütezeit der Venusfliegenfalle stattfand, wurden die Tiere an den Blüten und in den Klappfallen der Pflanzen gesammelt und die Tierarten bestimmt. Dann wurden die Tiere in unterschiedlichen Gruppen gezählt, je nachdem, ob sich alle Tiere der betreffenden Tierart ausschließlich an Blüten, ausschließlich in Klappfallen oder an beiden Fundstellen befanden. Für die Darstellung in Abbildung 3 wurden die Ergebnisse innerhalb der Ordnungen der Tierarten zusammengefasst, wie etwa der Ordnung der Zweiflügler, zu denen Fliegen gehören, oder der Ordnung der Hautflügler, die unter anderem Bienen und Ameisen umfasst.

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

Material D: Die Venusfliegenfalle und ihre Verwandten

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

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

1.

Erklären Sie, was man unter einer ökologischen Nische versteht. Werten Sie Material A hinsichtlich der ökologischen Nische der Venusfliegenfalle aus. Leiten Sie die Selektionsvorteile und Selektionsnachteile ab, die aus den Angepasstheiten der Venusfliegenfalle an ihren Lebensraum resultieren (Material A). [15 Punkte]

2.

Fassen Sie die Ergebnisse zusammen, die in Abbildung 2 gezeigt werden (Material B). Erläutern Sie diese Ergebnisse bezogen auf das Anlocken von Beutetieren durch die Venusfliegenfalle (Materialien A und B). [11 Punkte]

Material A: Ökologie der Venusfliegenfalle

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

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

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

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

Material B: Lockmechanismen der Klappfalle

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

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

Material C: Der Bestäuber-Beute-Konflikt

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

Bei einer Untersuchung im Freiland, die zur Blütezeit der Venusfliegenfalle stattfand, wurden die Tiere an den Blüten und in den Klappfallen der Pflanzen gesammelt und die Tierarten bestimmt. Dann wurden die Tiere in unterschiedlichen Gruppen gezählt, je nachdem, ob sich alle Tiere der betreffenden Tierart ausschließlich an Blüten, ausschließlich in Klappfallen oder an beiden Fundstellen befanden. Für die Darstellung in Abbildung 3 wurden die Ergebnisse innerhalb der Ordnungen der Tierarten zusammengefasst, wie etwa der Ordnung der Zweiflügler, zu denen Fliegen gehören, oder der Ordnung der Hautflügler, die unter anderem Bienen und Ameisen umfasst.

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

Material D: Die Venusfliegenfalle und ihre Verwandten

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

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

3. Analysieren Sie, welche ökologischen Beziehungen zwischen der Venusfliegenfalle und den unterschiedlichen Tiergruppen bestehen (Material C). Fassen Sie die Ergebnisse der Untersuchungen zusammen (Abbildung 3, Material C). Werten Sie diese hinsichtlich eines möglichen Bestäuber-Beute-Konflikts der Venusfliegenfalle aus (Material C). Prüfen Sie, inwiefern die drei in Material C dargestellten Mechanismen, die diesen Konflikt bei der Venusfliegenfalle abschwächen, tatsächlich vorliegen (Materialien A bis C). [23 Punkte]

a)

Analysieren Sie, welche ökologischen Beziehungen zwischen der Venusfliegenfalle und den unterschiedlichen Tiergruppen bestehen (pollentragende Blütenbesucher vs. Tiere in den Klappfallen).

b)

Fassen Sie die Ergebnisse der Untersuchungen aus Abbildung 3 und Material C zusammen.

c)

Werten Sie die Ergebnisse hinsichtlich eines möglichen Bestäuber-Beute-Konflikts der Venusfliegenfalle aus.

d)

Prüfen Sie, inwiefern die drei Mechanismen (zeitliche Trennung, räumliche Trennung, unterschiedliche Lockmechanismen) bei der Venusfliegenfalle tatsächlich vorliegen.

Material A: Ökologie der Venusfliegenfalle

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

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

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

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

Material B: Lockmechanismen der Klappfalle

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

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

Material C: Der Bestäuber-Beute-Konflikt

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

Bei einer Untersuchung im Freiland, die zur Blütezeit der Venusfliegenfalle stattfand, wurden die Tiere an den Blüten und in den Klappfallen der Pflanzen gesammelt und die Tierarten bestimmt. Dann wurden die Tiere in unterschiedlichen Gruppen gezählt, je nachdem, ob sich alle Tiere der betreffenden Tierart ausschließlich an Blüten, ausschließlich in Klappfallen oder an beiden Fundstellen befanden. Für die Darstellung in Abbildung 3 wurden die Ergebnisse innerhalb der Ordnungen der Tierarten zusammengefasst, wie etwa der Ordnung der Zweiflügler, zu denen Fliegen gehören, oder der Ordnung der Hautflügler, die unter anderem Bienen und Ameisen umfasst.

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

Material D: Die Venusfliegenfalle und ihre Verwandten

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

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

4. Beschreiben Sie, worin sich konvergente und divergente Entwicklung voneinander unterscheiden. Analysieren Sie den in Abbildung 4 dargestellten Stammbaum hinsichtlich der Evolution der carnivoren Ernährungsweise (Material D). Entwickeln Sie anhand von Abbildung 4 Hypothesen zur Evolution der verschiedenen Fallentypen (Material D).

[17 Punkte]

a)

b)

c)

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. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer von EPP betroffenen Familie.

Bei EPP kommt es zu einer Störung der Biosynthese von Häm, dem eisenhaltigen Bestandteil des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin (Abbildung 2). Eine Anreicherung von Vorläuferstoffen des Hämoglobins verursacht bei Belichtung tief in der Haut liegende Verbrennungssymptome und Schäden an den Blutgefäßen, was die Schmerzen zur Folge hat. Die Konzentration von Protoporphyrin in den roten Blutzellen wurde bei einigen Personen der betroffenen Familie ermittelt (Tabelle 1).

Tabelle 1: Konzentration von Protoporphyrin im Blut von Personen der von EPP betroffenen Familie. Der Normalwert liegt unter 2,00 µmol/µl.

· Protoporphyrin-Konzentration

Person 4 · 23,64 µmol/µl

Person 7 · 24,50 µmol/µl

Person 10 · 1,16 µmol/µl

Material B: Genetische Ursachen der EPP

Das FECH -Gen codiert ein Enzym, dessen Funktion für die Häm-Synthese wichtig ist und bei Fehlfunktion zu EPP führt. 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. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: Ausschnitt aus dem nicht-codogenen DNA-Strang des FECH -Gens von betroffenen und nicht betroffenen Familienmitgliedern

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 3 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.

Eine Alternative stellt der Wirkstoff Ziconotid dar, der unter anderem die spannungsabhängigen Calciumionen-Kanäle der in Abbildung 3 dargestellten Synapsen blockiert. Ziconotid hilft auch Patienten, bei denen Morphin nicht mehr höher dosiert werden darf. Der Wirkstoff kann über einen längeren Zeitraum eingesetzt werden, da fast keine Gewöhnung erfolgt. Ziconotid muss direkt ins Rückenmark injiziert werden. Nebenwirkungen von Ziconotid sind vorwiegend zentralnervöser Art, dazu gehören Atemnot, Schwindel, Verwirrung, Halluzinationen oder zunehmende Vergesslichkeit.

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

1. Leiten Sie aus dem Stammbaum in Abbildung 1 den Erbgang der erythropoetischen Protoporphyrie (EPP) ab, wobei Sie die übrigen Erbgänge mit Begründung ausschließen (Material A). Geben Sie für sämtliche Personen alle denkbaren Genotypen an und ermitteln Sie alle Wahrscheinlichkeiten, mit denen ein Kind von Person 8 an EPP erkranken würde (Material A).

a)

Ableitung mit Begründung und Ausschluss der übrigen Erbgänge:

b)

Denkbare Genotypen aller Personen (A steht für das Normal-Allel, a für das EPP-Allel):

Person · Möglicher Genotyp

Person 4, 7

Person 1, 2, 5, 8, 9, 10

Person 3, 6

c)

Wahrscheinlichkeiten für ein erkranktes Kind von Person 8, abhängig vom Genotyp des Partners:

%

%

%

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. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer von EPP betroffenen Familie.

Bei EPP kommt es zu einer Störung der Biosynthese von Häm, dem eisenhaltigen Bestandteil des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin (Abbildung 2). Eine Anreicherung von Vorläuferstoffen des Hämoglobins verursacht bei Belichtung tief in der Haut liegende Verbrennungssymptome und Schäden an den Blutgefäßen, was die Schmerzen zur Folge hat. Die Konzentration von Protoporphyrin in den roten Blutzellen wurde bei einigen Personen der betroffenen Familie ermittelt (Tabelle 1).

Tabelle 1: Konzentration von Protoporphyrin im Blut von Personen der von EPP betroffenen Familie. Der Normalwert liegt unter 2,00 µmol/µl.

· Protoporphyrin-Konzentration

Person 4 · 23,64 µmol/µl

Person 7 · 24,50 µmol/µl

Person 10 · 1,16 µmol/µl

Material B: Genetische Ursachen der EPP

Das FECH -Gen codiert ein Enzym, dessen Funktion für die Häm-Synthese wichtig ist und bei Fehlfunktion zu EPP führt. 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. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: Ausschnitt aus dem nicht-codogenen DNA-Strang des FECH -Gens von betroffenen und nicht betroffenen Familienmitgliedern

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 3 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.

Eine Alternative stellt der Wirkstoff Ziconotid dar, der unter anderem die spannungsabhängigen Calciumionen-Kanäle der in Abbildung 3 dargestellten Synapsen blockiert. Ziconotid hilft auch Patienten, bei denen Morphin nicht mehr höher dosiert werden darf. Der Wirkstoff kann über einen längeren Zeitraum eingesetzt werden, da fast keine Gewöhnung erfolgt. Ziconotid muss direkt ins Rückenmark injiziert werden. Nebenwirkungen von Ziconotid sind vorwiegend zentralnervöser Art, dazu gehören Atemnot, Schwindel, Verwirrung, Halluzinationen oder zunehmende Vergesslichkeit.

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

2. Erläutern Sie die Ergebnisse aus Tabelle 1 und beziehen Sie dabei auch den Häm-Syntheseweg (Material A) mit ein.

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. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer von EPP betroffenen Familie.

Bei EPP kommt es zu einer Störung der Biosynthese von Häm, dem eisenhaltigen Bestandteil des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin (Abbildung 2). Eine Anreicherung von Vorläuferstoffen des Hämoglobins verursacht bei Belichtung tief in der Haut liegende Verbrennungssymptome und Schäden an den Blutgefäßen, was die Schmerzen zur Folge hat. Die Konzentration von Protoporphyrin in den roten Blutzellen wurde bei einigen Personen der betroffenen Familie ermittelt (Tabelle 1).

Tabelle 1: Konzentration von Protoporphyrin im Blut von Personen der von EPP betroffenen Familie. Der Normalwert liegt unter 2,00 µmol/µl.

· Protoporphyrin-Konzentration

Person 4 · 23,64 µmol/µl

Person 7 · 24,50 µmol/µl

Person 10 · 1,16 µmol/µl

Material B: Genetische Ursachen der EPP

Das FECH -Gen codiert ein Enzym, dessen Funktion für die Häm-Synthese wichtig ist und bei Fehlfunktion zu EPP führt. 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. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: Ausschnitt aus dem nicht-codogenen DNA-Strang des FECH -Gens von betroffenen und nicht betroffenen Familienmitgliedern

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 3 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.

Eine Alternative stellt der Wirkstoff Ziconotid dar, der unter anderem die spannungsabhängigen Calciumionen-Kanäle der in Abbildung 3 dargestellten Synapsen blockiert. Ziconotid hilft auch Patienten, bei denen Morphin nicht mehr höher dosiert werden darf. Der Wirkstoff kann über einen längeren Zeitraum eingesetzt werden, da fast keine Gewöhnung erfolgt. Ziconotid muss direkt ins Rückenmark injiziert werden. Nebenwirkungen von Ziconotid sind vorwiegend zentralnervöser Art, dazu gehören Atemnot, Schwindel, Verwirrung, Halluzinationen oder zunehmende Vergesslichkeit.

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Aufgabe 2 – Teilaufgabe 3

Stellen Sie die zentralen Schritte der Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) dar.

Ermitteln Sie die Aminosäuresequenzen der in Tabelle 2 aufgeführten Abschnitte des FECH -Gens und geben Sie an, um welchen Mutationstyp es sich handelt (Materialien B und D). Leiten Sie aus den Materialien A und B mögliche Auswirkungen der Mutation ab.

[18 Punkte]

a)

b)

c)

d)

e)

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. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer von EPP betroffenen Familie.

Bei EPP kommt es zu einer Störung der Biosynthese von Häm, dem eisenhaltigen Bestandteil des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin (Abbildung 2). Eine Anreicherung von Vorläuferstoffen des Hämoglobins verursacht bei Belichtung tief in der Haut liegende Verbrennungssymptome und Schäden an den Blutgefäßen, was die Schmerzen zur Folge hat. Die Konzentration von Protoporphyrin in den roten Blutzellen wurde bei einigen Personen der betroffenen Familie ermittelt (Tabelle 1).

Tabelle 1: Konzentration von Protoporphyrin im Blut von Personen der von EPP betroffenen Familie. Der Normalwert liegt unter 2,00 µmol/µl.

· Protoporphyrin-Konzentration

Person 4 · 23,64 µmol/µl

Person 7 · 24,50 µmol/µl

Person 10 · 1,16 µmol/µl

Material B: Genetische Ursachen der EPP

Das FECH -Gen codiert ein Enzym, dessen Funktion für die Häm-Synthese wichtig ist und bei Fehlfunktion zu EPP führt. 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. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: Ausschnitt aus dem nicht-codogenen DNA-Strang des FECH -Gens von betroffenen und nicht betroffenen Familienmitgliedern

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 3 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.

Eine Alternative stellt der Wirkstoff Ziconotid dar, der unter anderem die spannungsabhängigen Calciumionen-Kanäle der in Abbildung 3 dargestellten Synapsen blockiert. Ziconotid hilft auch Patienten, bei denen Morphin nicht mehr höher dosiert werden darf. Der Wirkstoff kann über einen längeren Zeitraum eingesetzt werden, da fast keine Gewöhnung erfolgt. Ziconotid muss direkt ins Rückenmark injiziert werden. Nebenwirkungen von Ziconotid sind vorwiegend zentralnervöser Art, dazu gehören Atemnot, Schwindel, Verwirrung, Halluzinationen oder zunehmende Vergesslichkeit.

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

4. Stellen Sie in einem Fließschema die neurobiologischen Vorgänge dar, die während eines Aktionspotentials ablaufen. Erläutern Sie, wie Morphin und Ziconotid wirken, wenn Aktionspotentiale an der Synapse des Nozizeptors ankommen (Abbildung 3, Material C). Diskutieren Sie die Vor- und Nachteile, die sich beim Einsatz beider Substanzen in der Schmerztherapie bei EPP ergeben (Materialien A und C). [28 Punkte]

a)

b)

c)

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. Zebramuscheln leben im Süßwasser, sie tolerieren aber auch einen Salzgehalt von ein bis zwei Prozent. 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 in Tiefen von bis zu 80 Metern. In ihrem Ursprungsgebiet in Südosteuropa kommen Zebramuscheln und Quagga-Muscheln in gemischten Populationen vor. Quagga-Muscheln leben im Süßwasser, sie tolerieren einen Salzgehalt von bis zu einem Prozent. Ihr Nahrungsspektrum 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 an einer anderen Messstation 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: Haftung von Muscheln auf verschiedenen Oberflächen

Die adulten Zebramuscheln und Quagga-Muscheln sind als sesshafte Tiere mit Haftfäden fest an einem Untergrund verankert. Diese Haftfäden sind elastisch und können Strömungen und Wellenschlag standhalten. Der Durchfluss des Rheins erzeugt im Bodensee eine geringe messbare Strömung, die je nach Wassertiefe und Windverhältnissen zeitweise auch stärker sein kann. Auf Felsen haften Zebramuscheln und Quagga-Muscheln etwa gleich fest.

In Laborversuchen wurde die Anhaftungsstärke von Zebramuscheln und Quagga-Muscheln auf unterschiedlich glatten Oberflächen untersucht. Dazu wurden lebende Muscheln beider Dreissena -Arten auf die jeweilige Oberfläche gesetzt. Als Oberflächen wurden ein Kunststoff (PVC) und gehärtetes Silikonöl (PDMS) ausgewählt. PVC ist ein gängiger Kunststoff von Rohrleitungen. PDMS wird häufig als Antihaftbeschichtung für Schiffe verwendet, um Muschelbefall zu verhindern. Es wurde die Energie ermittelt, die zur Ablösung der Muscheln von der jeweiligen Oberfläche aufgewendet werden muss. Diese bezeichnet man als Adhäsionsenergie (Abbildung 3).

Material D: 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 sowie eine DNA-freie Probe mithilfe der Multiplex-PCR analysiert.

Die leere Probe enthält keine DNA, die nächsten drei Proben stammen von morphologisch eindeutig identifizierten Individuen: Zebramuschel, Quagga-Muschel sowie von einer einheimischen Kleinsten Erbsenmuschel. Die Proben A bis D stammen von jeweils einem Individuum unbekannter Art. Die PCR-Produkte wurden anschließend gelelektrophoretisch aufgetrennt (Abbildung 4).

1. Skizzieren Sie auf der Grundlage von Material A eine Nahrungskette und geben Sie die zugehörigen Trophieebenen mit Begründung an (Material A). Nennen Sie die zentralen Eigenschaften invasiver Arten und beurteilen Sie, wie hoch das invasive Potenzial der Zebramuschel ist (Material A).

(18 Punkte)

a)

b)

c)

d)

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. Zebramuscheln leben im Süßwasser, sie tolerieren aber auch einen Salzgehalt von ein bis zwei Prozent. 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 in Tiefen von bis zu 80 Metern. In ihrem Ursprungsgebiet in Südosteuropa kommen Zebramuscheln und Quagga-Muscheln in gemischten Populationen vor. Quagga-Muscheln leben im Süßwasser, sie tolerieren einen Salzgehalt von bis zu einem Prozent. Ihr Nahrungsspektrum 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 an einer anderen Messstation 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: Haftung von Muscheln auf verschiedenen Oberflächen

Die adulten Zebramuscheln und Quagga-Muscheln sind als sesshafte Tiere mit Haftfäden fest an einem Untergrund verankert. Diese Haftfäden sind elastisch und können Strömungen und Wellenschlag standhalten. Der Durchfluss des Rheins erzeugt im Bodensee eine geringe messbare Strömung, die je nach Wassertiefe und Windverhältnissen zeitweise auch stärker sein kann. Auf Felsen haften Zebramuscheln und Quagga-Muscheln etwa gleich fest.

In Laborversuchen wurde die Anhaftungsstärke von Zebramuscheln und Quagga-Muscheln auf unterschiedlich glatten Oberflächen untersucht. Dazu wurden lebende Muscheln beider Dreissena -Arten auf die jeweilige Oberfläche gesetzt. Als Oberflächen wurden ein Kunststoff (PVC) und gehärtetes Silikonöl (PDMS) ausgewählt. PVC ist ein gängiger Kunststoff von Rohrleitungen. PDMS wird häufig als Antihaftbeschichtung für Schiffe verwendet, um Muschelbefall zu verhindern. Es wurde die Energie ermittelt, die zur Ablösung der Muscheln von der jeweiligen Oberfläche aufgewendet werden muss. Diese bezeichnet man als Adhäsionsenergie (Abbildung 3).

Material D: 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 sowie eine DNA-freie Probe mithilfe der Multiplex-PCR analysiert.

Die leere Probe enthält keine DNA, die nächsten drei Proben stammen von morphologisch eindeutig identifizierten Individuen: Zebramuschel, Quagga-Muschel sowie von einer einheimischen Kleinsten Erbsenmuschel. Die Proben A bis D stammen von jeweils einem Individuum unbekannter Art. Die PCR-Produkte wurden anschließend gelelektrophoretisch aufgetrennt (Abbildung 4).

2.

Fassen Sie die Ergebnisse der Freilanduntersuchungen zusammen, die in den Abbildungen 1 und 2 gezeigt werden (Material B). Werten Sie diese im Hinblick auf die ökologischen Angepasstheiten von Zebramuscheln und Quagga-Muscheln aus (Materialien A und B). [14 Punkte]

3.

Fassen Sie die Ergebnisse der Laboruntersuchung zusammen, die Abbildung 3 zeigt (Material C). Erklären Sie das Konkurrenzausschlussprinzip. Diskutieren Sie, inwiefern beide Arten im Bodensee dauerhaft koexistieren könnten (Materialien A bis C). [20 Punkte]

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. Zebramuscheln leben im Süßwasser, sie tolerieren aber auch einen Salzgehalt von ein bis zwei Prozent. 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 in Tiefen von bis zu 80 Metern. In ihrem Ursprungsgebiet in Südosteuropa kommen Zebramuscheln und Quagga-Muscheln in gemischten Populationen vor. Quagga-Muscheln leben im Süßwasser, sie tolerieren einen Salzgehalt von bis zu einem Prozent. Ihr Nahrungsspektrum 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 an einer anderen Messstation 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: Haftung von Muscheln auf verschiedenen Oberflächen

Die adulten Zebramuscheln und Quagga-Muscheln sind als sesshafte Tiere mit Haftfäden fest an einem Untergrund verankert. Diese Haftfäden sind elastisch und können Strömungen und Wellenschlag standhalten. Der Durchfluss des Rheins erzeugt im Bodensee eine geringe messbare Strömung, die je nach Wassertiefe und Windverhältnissen zeitweise auch stärker sein kann. Auf Felsen haften Zebramuscheln und Quagga-Muscheln etwa gleich fest.

In Laborversuchen wurde die Anhaftungsstärke von Zebramuscheln und Quagga-Muscheln auf unterschiedlich glatten Oberflächen untersucht. Dazu wurden lebende Muscheln beider Dreissena -Arten auf die jeweilige Oberfläche gesetzt. Als Oberflächen wurden ein Kunststoff (PVC) und gehärtetes Silikonöl (PDMS) ausgewählt. PVC ist ein gängiger Kunststoff von Rohrleitungen. PDMS wird häufig als Antihaftbeschichtung für Schiffe verwendet, um Muschelbefall zu verhindern. Es wurde die Energie ermittelt, die zur Ablösung der Muscheln von der jeweiligen Oberfläche aufgewendet werden muss. Diese bezeichnet man als Adhäsionsenergie (Abbildung 3).

Material D: 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 sowie eine DNA-freie Probe mithilfe der Multiplex-PCR analysiert.

Die leere Probe enthält keine DNA, die nächsten drei Proben stammen von morphologisch eindeutig identifizierten Individuen: Zebramuschel, Quagga-Muschel sowie von einer einheimischen Kleinsten Erbsenmuschel. Die Proben A bis D stammen von jeweils einem Individuum unbekannter Art. Die PCR-Produkte wurden anschließend gelelektrophoretisch aufgetrennt (Abbildung 4).

4. Erklären Sie, welche Vorteile die Multiplex-PCR beim Nachweis von Arten bietet (Material D). Deuten Sie die Ergebnisse aus Abbildung 4 hinsichtlich des Artnachweises (Material D). [14 Punkte]

a)

b)