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Freie und Hansestadt Hamburg Behörde für Schule und Berufsbi ldung

Schriftliche Abiturprüfung

Biologie

Hinweise und Beispiele zu den

zentralen schriftlichen Prüfungsaufgaben

Beispielaufgaben für die schriftliche Abiturprüfung im Fach Biologie

2

Impressum Herausgeber: Freie und Hansestadt Hamburg Behörde für Schule und Berufsbildung Landesinstitut für Lehrerbildung und Schulentwicklung Felix-Dahn-Straße 3, 20357 Hamburg Referatsleitung Unterrichtsentwicklung mathematisch-naturwissenschaftlich-technischer Unterricht: Werner Renz

Fachreferent Biologie: Lars Janning Diese Veröffentlichung beinhaltet Teile von Werken, die nach ihrer Beschaffenheit nur für den Unterrichtsgebrauch in Hamburger Schulen sowie für Aus- und Weiterbildung am Ham-burger Landesinstitut für Lehrerbildung und Schulentwicklung bestimmt sind. Eine öffentliche Zugänglichmachung dieses für den Unterricht an Hamburger Schulen be-stimmten Werkes ist nur mit Einwilligung des Landesinstituts für Lehrerbildung und Schul-entwicklung zulässig.

Veröffentlicht auf: www.li.hamburg.de/publikationen/abiturpruefung

Hamburg 2013


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Inhaltsverzeichnis

Vorwort 4

1 Regelungen für die schriftliche Abiturprüfung 5

2 Liste der Operatoren 6

3 Aufgabenbeispiele 8

3.1 grundlegendes Anforderungsniveau 8

Aufgabe I: Evolution und Zukunftsfragen 8

Aufgabe II: Ökologie und Nachhaltigkeit 13

3.2 erhöhtes Anforderungsniveau 18

Aufgabe I: Molekulargenetik und Gentechnik 18

Aufgabe II: Ökologie und Nachhaltigkeit 24


4

Vorwort Sehr geehrte Kolleginnen und Kollegen,

ab dem Schuljahr 2013/2014 wird die Zahl der Fächer mit zentral gestellten Aufgaben

in der Abiturprüfung u.a. um die MINT-Fächer Biologie, Chemie, Informatik und Physik

erweitert. Die schriftlichen Abituraufgaben für diese Fächer werden zentral von der

Schulbehörde erstellt. Sie beziehen sich auf Themen, die etwa 50 % des Unterrichts in

der Studienstufe ausmachen und in den Rahmenplänen bereits verbindlich geregelt

sind. Damit bleibt in der Profiloberstufe eine vernünftige Balance zwischen schulisch

geprägten Themen und zentralen Leistungsanforderungen erhalten. Die fachspezifi-

schen Hinweise im so genannten A-Heft, den „Regelungen für die zentralen schriftli-

chen Prüfungen“ für das Abitur 2014 (siehe Internet http://www.hamburg.de/abitur-

2014/hamburg/3365184/start.html) informieren über die Schwerpunkte und Anforde-

rungen der Prüfungsaufgaben. Sie ermöglichen damit eine langfristige Unterrichtspla-

nung.

Neu ab dem Abitur 2014 ist zudem die Wahlmöglichkeit für die zu bearbeitenden Prü-

fungsaufgaben durch die Schülerinnen und Schüler in allen MINT-Fächern. In den na-

turwissenschaftlichen Fächern und Informatik werden jeweils drei Aufgaben vorgelegt,

von denen die Schülerinnen und Schüler zwei zur Bearbeitung auswählen.

Auf den nachfolgenden Seiten finden Sie zu Ihrer Orientierung Beispiele für zentrale

Prüfungsaufgaben im Fach Biologie, in denen neben der Aufgabenstellung auch der

Erwartungshorizont und die zugeordneten Bewertungseinheiten beschrieben sind.

In der Hoffnung, dass die vorliegende Handreichung hilfreich für Sie und Ihre Unter-

richtsarbeit ist, wünsche ich Ihnen und Ihren Schülerinnen und Schülern eine erfolgrei-

che Vorbereitung auf die schriftliche Abiturprüfung.

Den Mitgliedern der Arbeitsgruppe, die diese Handreichung erstellte, danke ich herz-

lich für die geleistete Arbeit.

Werner Renz


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1 Regelungen für die schriftliche Abiturprüfung

Der Fachlehrerin, dem Fachlehrer

werden drei Aufgaben jeweils eine aus den Sachgebieten Molekulargenetik und Gen-

technik, Ökologie und Nachhaltigkeit, Evolution und Zukunftsfragen vorgelegt.

Die Abiturientin, der Abiturient

erhält alle drei Aufgaben,

wählt davon zwei Aufgaben aus und bearbeitet diese,

vermerkt auf der Reinschrift, welche Aufgabe sie / er bearbeitet hat,

ist verpflichtet, die Vollständigkeit der vorgelegten Aufgaben vor Bearbeitungsbeginn

zu überprüfen (Anzahl der Blätter, Anlagen usw.).

Aufgabenart: Bearbeitung einer Aufgabe, die fachspezifisches Material enthält.

Dieses Material kann sein: Naturobjekte, mikroskopische Präparate,

Abbildungen, Filme, Texte, z.B. wissenschaftliche Abhandlung (Be-

schreibung eines wissenschaftlichen Experiments), Tabellen,

Messreihen, Graphen.

Arbeitszeit: Grundlegendes Niveau:

Erhöhtes Niveau:

240 Minuten

300 Minuten

Eine Lese- und Auswahlzeit von 30 Minuten ist der Arbeitszeit vor-

geschaltet. In dieser Zeit darf nicht mit der Bearbeitung der Aufga-

ben begonnen werden.

Hilfsmittel: Taschenrechner, Rechtschreiblexikon

Die in den zentralen schriftlichen Abituraufgaben verwendeten Operatoren werden in

Kapitel 2 genannt und erläutert.

Grundlage der schriftlichen Abiturprüfung ist der Rahmenplan in der Fassung von 2009

mit den folgenden curricularen Vorgaben, Konkretisierungen und Schwerpunktsetzun-

gen. Für die Schwerpunktthemen ist jeweils eine Unterrichtszeit von der Hälfte, höchs-

tens aber von zwei Dritteln eines Semesters vorgesehen. Die jeweiligen Schwerpunkt-

themen entnehmen Sie bitte den Regelungen für die zentralen schriftlichen Prüfungs-aufgaben des entsprechenden Jahrgangs.

Es besteht grundsätzlich Themengleichheit zwischen Kursen auf grundlegendem und

erhöhtem Niveau. Für das erhöhte Niveau wird ein – auch qualitatives – Additum an-

gegeben. Die Themen beziehen sich auf die im Abschnitt 3.2.2 Tabelle 1 genannten

verbindlichen Inhalte der Themenbereiche im Rahmenplan.

Es werden drei Schwerpunktthemen benannt, die verschiedene Bereiche der Biologie

abdecken und in etwa die Hälfte des Unterrichts bestimmen. In einer Prüfungsaufgabe

werden sich die vier im Rahmenplan Biologie beschriebenen Kompetenzbereiche wie-

derfinden. Das heißt naturwissenschaftliche Methodenkompetenz wie die Kenntnis der

Schritte des Experimentierens, das Wissen um die Bedeutung von Modellen und eine

kompetenzorientierte differenzierte Bewertung werden als bekannt vorausgesetzt.


6

2 Liste der Operatoren Die in den zentralen schriftlichen Abituraufgaben verwendeten Operatoren werden in

der folgenden Tabelle definiert und inhaltlich gefüllt. Entsprechende Formulierungen in

den Klausuren der Studienstufe sind ein wichtiger Teil der Vorbereitung der Schülerin-

nen und Schüler auf das Abitur.

Neben Definitionen und Beispielen enthält die Tabelle auch Zuordnungen zu den An-

forderungsbereichen I, II und III, wobei die konkrete Zuordnung auch vom Kontext der

Aufgabenstellung abhängen kann und eine scharfe Trennung der Anforderungsberei-

che nicht immer möglich ist.

Operatoren Anforde-

rungs-

bereich

Definitionen

analysieren,

untersuchen

II-III Unter gezielten Fragestellungen Elemente und Strukturmerk-

male herausarbeiten und als Ergebnis darstellen

angeben,

nennen

I Ohne nähere Erläuterungen wiedergeben oder aufzählen

anwenden,

übertragen

II Einen bekannten Sachverhalt, eine bekannte Methode auf eine

neue Problemstellung beziehen

auswerten II Daten oder Einzelergebnisse zu einer abschließenden Gesamt-

aussage zusammenführen

begründen II-III Einen angegebenen Sachverhalt auf Gesetzmäßigkeiten bzw.

kausale Zusammenhänge zurückführen

benennen I Elemente, Sachverhalte, Begriffe oder Daten (er)kennen und an-

geben

beobachten I-II Wahrnehmen unter fachspezifischen Gesichtspunkten

berechnen I-II Ergebnisse von einem Ansatz ausgehend durch Rechenopera-

tionen gewinnen

beschreiben I-II Strukturen, Sachverhalte oder Zusammenhänge unter Verwen-

dung der Fachsprache in eigenen Worten veranschaulichen

bestimmen II Einen Lösungsweg darstellen und das Ergebnis formulieren

beurteilen III Hypothesen bzw. Aussagen sowie Sachverhalte bzw. Metho-

den auf Richtigkeit, Wahrscheinlichkeit, Angemessenheit, Ver-

träglichkeit, Eignung oder Anwendbarkeit überprüfen

bewerten III Eine eigene Position nach ausgewiesenen Normen oder Wer-

ten vertreten

darstellen I-II Zusammenhänge, Sachverhalte oder Arbeitsverfahren struktu-

riert und gegebenenfalls fachsprachlich einwandfrei wieder-

geben oder erörtern

einordnen,

zuordnen

II Mit erläuternden Hinweisen in einen Zusammenhang einfügen

entwickeln II-III Eine Skizze, eine Hypothese, ein Experiment, ein Modell oder

eine Theorie schrittweise weiterführen und ausbauen

erklären II-III Rückführung eines Phänomens oder Sachverhalts auf Gesetz-

mäßigkeiten

erläutern II-III Ergebnisse, Sachverhalte oder Modelle nachvollziehbar und

verständlich veranschaulichen

erörtern III Ein Beurteilungs- oder Bewertungsproblem erkennen und dar-

stellen, unterschiedliche Positionen und Pro- und Kontra- Ar-

gumente abwägen und mit einem eigenen Urteil als Ergebnis

abschließen


7

Operatoren Anforde-

rungs-

bereich

Definitionen

herausarbeiten II-III Die wesentlichen Merkmale darstellen und auf den Punkt bringen

interpretieren II-III Phänomene, Strukturen, Sachverhalte oder Versuchsergebnis-

se auf Erklärungsmöglichkeiten untersuchen und diese gegen-

einander abwägend darstellen

prüfen III Eine Aussage bzw. einen Sachverhalt nachvollziehen und auf

der Grundlage eigener Beobachtungen oder eigenen Wissens

beurteilen

skizzieren I-II Sachverhalte, Strukturen oder Ergebnisse kurz und übersicht-

lich darstellen, mit Hilfe von z. B. Übersichten, Schemata, Dia-

grammen, Abbildungen, Tabellen

vergleichen,

gegenüberstel-

len

II-III Nach vorgegebenen oder selbst gewählten Gesichtspunkten

Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermitteln

und darstellen

zeichnen I-II Eine hinreichend exakte bildhafte Darstellung anfertigen

3 Aufgabenbeispiele

3.1 grundlegendes Anforderungsniveau

Aufgabe I

Evolution und Zukunftsfragen

Schwerpunkt: Bruthelfer beim Florida-Buschblauhäher

a) Stellen Sie kurz die wesentlichen Gesichtspunkte der DARWINschen Evolutionstheorie

dar. (10 P)

b) Beschreiben Sie – am Beispiel des Florida-Buschblauhähers – die Entstehung einer für ein be-

stimmtes Gebiet endemischen Art aus einer weit verbreiteten Stammart.

Berücksichtigen Sie die Evolutionsfaktoren. (15 P)

c) Werten Sie die Materialien 1 und 2 detailliert in Hinblick auf die Frage aus, wodurch und

in welchem Maße die Helfer zum Bruterfolg beitragen. (10 P)

d) Erklären Sie – mit Bezug zu den Materialien 1 und 3 – inwieweit das Helferverhalten beim Flori-

da-Buschblauhäher im Sinne der Evolutionstheorie nicht nur für das Brutpaar, sondern

auch für seine Helfer von Vorteil ist. (15 P)

Quellenangaben

Veränderte Aufgabe nach: Eckebrecht, D. (1997): NATURA Oberstufe, Lehrerband Evolution, Ernst Klett Verlag, Stuttgart

de.wikipedia.org/wiki/Artbildung

de.wikipedia.org/wiki/Rabenvögel


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Anlage

Buschblauhäher

Der Buschblauhäher zählt zur Familie der Rabenvögel und besiedelt weite Teile Nordamerikas. Seinen Namen verdankt er zum einen der Tatsache, dass er lockeren Buschbestand als Lebensraum bevorzugt, und zum anderen, dass sein Hinterkopf, die Flügeloberseiten und der Schwanz leuchtend blau gefärbt sind.

Es gibt sechs verschiedene Arten von Buschblauhähern, die alle von einer gemeinsamen Stammart abstammen.

Material 1

Bruthelfer bei Florida-Buschblauhähern

Der Florida-Buschblauhäher kommt ausschließlich im südlichsten Zipfel der Ostküste, im US-Bundesstaat Florida vor, ist also eine für dieses Gebiet endemische (nur dort vorkommende) Art. Der Florida-Buschblauhäher bevorzugt Gebiete mit unberührtem, lockerem Buschbestand. In lichten, un-terholzreichen Laubwäldern finden die Vögel ausreichend Nahrung - z. B. in Form von Eicheln und anderen Waldfrüchten - sowie geeignete Stellen zum Nestbau in den Astgabeln von niedrigen Bäumen oder Büschen. Diese Lebensräume sind jedoch in Florida recht selten, und die einzelnen Gebiete lie-gen weit verstreut.

Außerhalb der Paarungszeit leben Florida-Buschblauhäher paarweise, in kleinen Familiengruppen oder in kleinen Nichtbrütergemeinschaften. Einzelgängerisch sieht man sie nur selten umherstreifen, denn es handelt sich bei ihnen um ausgesprochen soziale Vögel. Jedoch legen sie während der Paa-rungszeit ein territoriales Verhalten an den Tag. Brutpaare, die stets lebenslang zusammenbleiben, besetzen dann ein Revier und verteidigen dieses gegen konkurrierende Brutpaare.

Zu den Fressfeinden der Vögel zählen vor allem Greifvögel. Eier und Junge werden dagegen häufig von Schlangen gefressen. Die Eltern greifen Schlangen in Nestnähe mit Schnabelhieben und gegebe-nenfalls auch mit ihren Klauen heftig an.

Beobachtungen zeigten, dass in etwa der Hälfte der Reviere die Revierinhaber bis zu maximal sechs Artgenossen dulden, die nicht selber brüten, sondern bei der Aufzucht der Jungen, der Revierverteidi-gung und der Abwehr von Schlangen helfen. Dies ist erstaunlich, da die Tiere als Helfer keine eigenen Nachkommen erzeugen. Reviere mit Helfern sind allerdings größer als die von Brutpaaren ohne Hel-fer, und es kommt vor, dass Helfer (früher oder später) Teile des Reviers für sich zum Brüten bean-spruchen und dann ihrerseits verteidigen.


10

Material 2

Vergleichskriterien Elternpaare

ohne Bruterfahrung Elternpaare

mit Bruterfahrung

ohne Helfer

mit Helfer

103 flügge Jungvögel




Tab.1: Jährlicher Bruterfolg bei unerfahrenen und erfahrenen Elternpaaren (Angaben beziehen sich jeweils auf 100 Paare)

Material 3

Verwandtschaft der Helfer zum Brutpaar (74 untersuchte Fälle)

Die Helfer wirkten mit bei

ihren Eltern : in 48 Fällen

ihrem Vater und einem fremden Weibchen : in 16 Fällen

ihrer Mutter und einem fremden Männchen : in 2 Fällen

ihrem Bruder und einem fremden Weibchen : in 7 Fällen

einem fremden Weibchen und Männchen : in 1 Fall


11

Erwartungshorizont

Lösungsskizze Zuordnung, Bewertung

I II III

Der Erwartungshorizont versteht sich hinsichtlich des Inhalts als Anregung für die Bewertung. Andere sinnvolle Lösungen sind adäquat zu bewerten.

a) Jeder Organismus produziert mehr Nachkommen, als für die Erhaltung der Art notwendig sind und als schließlich auch überleben (Überproduktion).

Die Nachkommen unterscheiden sich in ihren Merkmalen (Variabilität). Da das Nahrungsangebot und der Lebensraum begrenzt sind, findet unter

den Individuen ein „Kampf ums Dasein“ („struggle for life“) im Sinne eines Wettbewerbs um diese Ressourcen statt.

Die Individuen, die durch ihre Eigenschaften für die Umweltbedingungen am besten geeignet sind, überleben („survival of the fittest“) und pflanzen sich fort, während die weniger gut angepassten Varianten im Laufe der Zeit aussterben (natürliche Auslese oder Selektion).

Die genetische Information über die Merkmale der Überlebenden wird an deren Nachkommen weitergegeben (Vererbung). 10

b) Die Entstehung einer neuen, für ein bestimmtes Gebiet endemischen Art beginnt mit der Separation einzelner Individuen oder einer Teilpopulation der Stammart.

Die Separation / geografische Isolation erfolgt durch geologische Faktoren (Vulkanismus, Landhebungen, Senkungen), klimatische Faktoren (Eiszei-ten), menschliche Eingriffe (Verinselung ehemals zusammenhängender Bio-tope) oder infolge von Migrationen.

Die zwei neu entstandenen Genpools unterscheiden sich voneinander: Der Genpool der separierten Teilpopulation umfasst nur einen zufällig beding-ten Ausschnitt aller Gene des Stamm-Genpools (Gendrift).

Evtl. zuvor seltene Gene können aufgrund der eingeschränkten Rekombina-tionsmöglichkeiten (mehr oder weniger ausgeprägte Inzucht-Situation) in der zunächst kleinen Teilpopulation schneller zur phänotypischen Ausprä-gung kommen.

Die Population der Stammart und der separierten Teilpopulation entwickeln sich durch adaptive Mutationen, wodurch die genetische Übereinstimmung sinkt.

Es entstehen dadurch unterschiedliche Phänotypen in der Stamm- und der Teilpopulation. Teilweise sind diese Unterschiede adaptiv, d. h. dass die Po-pulationen unterschiedlichen Selektionsdrücken auf Grund unterschiedlicher ökologischer Bedingungen in den beiden Gebieten ausgesetzt sind und sich dadurch in der ökologischen Nische unterscheiden.

Schließlich sind die Merkmale so verschieden, dass sich Angehörige der Teilpopulation nicht mehr mit solchen der Stammpopulation fortpflanzen können. Beide Populationen sind durch wirksame Isolationsmechanismen genetisch isoliert, die Teilpopulation hat sich zu einer eigenen Art (Florida-Buschblauhäher) entwickelt.

Neben den oben genannten Evolutionsfaktoren können auch weitere Faktoren, wie Rekombination und verschiedene Selektionsformen genannt werden. 5 10


12


I II III

c) Aus Material 1 geht hervor, wodurch die Helfer den Bruterfolg erhöhen: Sie helfen bei der Abwehr von Schlangen, bei der Revierverteidigung sowie bei der Aufzucht der Jungen und entlasten somit das Elternbrutpaar.

Durch Material 2 wird belegt, in welchem Maße die Helfer den Bruterfolg erhö-hen: Dabei profitieren unerfahrene Brutpaare mehr als bereits erfahrene Brutpaa-re. Während sich bei ihnen der Bruterfolg durch Helfer verdoppelt, beträgt der Zuwachs bei den erfahrenen Paaren nur ca. 36%. Das liegt aber daran, dass er-fahrene Paare ohne Helfer bereits in etwa 1 ½ -mal so erfolgreich sind wie uner-fahrene Paare. Absolut gesehen ist ihr Bruterfolg mit Helfern höher (220 flügge Jungvögel bei 100 Paaren) als der von unerfahrenen Paaren mit Helfern (206 flügge Jungvögel bei 100 Paaren). 10

d) Nach Material 1 sind geeignete Lebensräume für den Florida-Buschblauhäher in Florida selten und weit verstreut. Die Anzahl der Brutreviere ist damit ebenfalls sehr begrenzt. Nachkommen, die von ihren Eltern nicht vertrieben werden, ver-bessern nicht nur deren anschließenden Bruterfolg, sondern erhöhen durch ihr Helferverhalten auch die Chance auf ein eigenes Brutrevier und somit auf die direkte Weitergabe ihrer Gene.

Material 3 ist zu entnehmen, dass es sich bei den Helfern in der weit überwie-genden Zahl der Fälle (48 von 74 bzw. nahezu 65%) um den eigenen Nach-wuchs des Brutpaares handelt. Die Helfer unterstützen also die Aufzucht ihrer jüngeren Geschwister oder ihrer Halbgeschwister (in 18 von 74 Fällen) oder ihrer Neffen bzw. Nichten (in 7 von 74) Fällen. Nur in einem Fall wurde ein Brutpaar von nicht verwandten Helfern unterstützt. Die Helfer verbessern die Überlebenschancen naher Verwandter und damit von Artgenossen, die Kopien ihrer eigenen Gene tragen. Sie sorgen damit zunächst, d. h. solange sie sich nicht selbst fortpflanzen, indirekt zur Weitergabe ihrer Gene. 5 10

Insgesamt 50 BWE 15 25 10


13

3.1 grundlegendes Anforderungsniveau

Aufgabe II

Ökologie und Nachhaltigkeit

Vergleich zweier Laufkäferarten hinsichtlich ihrer Verbreitung und ihrer Reaktion auf Umweltfaktoren

a) Beschreiben Sie die in Abb. 2 dargestellten Temperaturtoleranzkurven unter Verwendung

von Fachbegriffen und vergleichen Sie die beiden Laufkäferarten miteinander hinsichtlich

ihrer Reaktion auf den Umweltfaktor Temperatur. (15 P)

b) Analysieren Sie die Beziehung zwischen dem Präferenzverhalten im Labor und der

Verbreitung der beiden Laufkäferarten in den verschiedenen Biotoptypen (Material 2). (20 P)

c) Entwickeln Sie anhand der gegebenen Informationen sowie anhand nicht genannter, aber

eventuell relevanter Aspekte eine Hypothese hinsichtlich der zwischen den beiden Lauf-

käferarten bestehenden Konkurrenz. (15 P)

Quellenangaben

Veränderte Aufgabe nach: Linder Biologie (1999): Lehrermaterialien, Schroedel Verlag, Hannover Bildungshaus Schulbuchverlage, Westermann Schroedel Diesterweg Schöningh Winklers GmbH www.schroedel.de

THIELE, H.U. (1964a): Experimentelle Untersuchung über die Ursachen der Biotopbindung bei Cara-biden. - Z. Morph. Ökol. Tiere 53, 387-452.


14

Material 1

Vergleich der Temperatur-Präferenzen zweier Laufkäferarten

Zur Familie der Laufkäfer gehören zum größten Teil räuberisch lebende Nachttiere. Laufkäfer jagen ihre Beute in der Regel am Boden. H.-U. Thiele, ein Laufkäferforscher, hat jahrzehntelang Laufkäfer in der Natur und im Labor untersucht. Mit Bodenfallen untersuchte er die Verbreitung des „Putzkä-fers“ Agonum assimile und des „Grabkäfers“ Pterostichus nigrita. Er erforschte im Labor die Präfe-renz der Tiere für die Umweltfaktoren Licht, Temperatur und Luftfeuchtigkeit.

Abb.1: Agonum assimile (links) und Pterostichus nigrita (rechts)

Abb. 2: Vergleich der Temperaturtoleranz beider Laufkäferarten


15

Material 2

Verbreitung der beiden Laufkäferarten in verschiedenen Biotopen


16

Erwartungshorizont


I II III


a) Der Toleranzbereich von Agonum assimile liegt zwischen 0 Grad und 30 Grad, wobei 0 Grad das Minimum und 30 Grad das Maximum darstellen. Sein Opti-mum bezüglich der Temperatur beträgt 10 Grad. Das Präferendum (Präferenzbe-reich) umfasst den Bereich zwischen ca. 5 -15 Grad.

Der Toleranzbereich von Pterostichus nigrita liegt zwischen 0 Grad und 40 Grad, wobei 0 Grad das Minimum und 40 Grad das Maximum darstellen. Sein Optimum bezüglich der Temperatur beträgt 25 Grad. Das Präferendum (Präfe-renzbereich) umfasst den Bereich zwischen ca. 5 -30 Grad.

Zusammenfassende Gegenüberstellung:

Agonum assimile bevorzugt kältere Regionen. Diese Art ist im Hinblick auf die Temperatur stenök (stenotherm).

Pterostichus nigrita bevorzugt wärmere Regionen. Diese Art ist eher euryök (eurytherm) gegenüber dem Umweltfaktor Temperatur. 10 5

b) Agonum assimile: Die enggefassten Präferenzen hinsichtlich der Temperatur bestimmen auch seine Verbreitung, er meidet die hellen und warmen Biotope wie Eichen-Birken-Wald und das Freiland. Er bevorzugt dunkle und kühle Edellaubwälder mit mittlerer Luftfeuchtigkeit. Fazit: Alle Agonum-Laufkäfer findet man ausschließlich in dunklen, kühlen Wäldern, die Feuchtigkeitspräfe-renz ist weniger wichtig. Somit können die Labormesswerte die Verbrei-tung/Biotopwahl von Agonum bestätigen.

Pterostichus nigrita ist in seiner Verbreitung stark durch die Feuchtigkeit, aber nicht durch die Temperatur bestimmt. Er kommt in den nass-feuchten, dunklen, aber kühlen Erlenwäldern und den nassen, warmen, aber hellen Wiesen vor. Fazit: Die Feuchtigkeit ist besonders wichtig, da alle Pterostichus-Laufkäfer feucht-nasse Gebiete bevorzugen, hingegen sind sie gegenüber Temperatur und Lichtintensität eurypotent. Auch hier stimmen die Labormesswerte mit der Bio-topwahl des Laufkäfers überein.

Die Labormesswerte können die Verbreitung der beiden Arten recht gut erklä-ren, aber es ist auch erkennbar, dass die einzelnen Faktoren die Biotopwahl in unterschiedlichem Maße bestimmen. 15 5


17


I II III

c) Material 2 verdeutlicht, dass beide Laufkäferarten aufgrund ihrer unterschiedli-chen Präferenzen weitgehend verschiedene Biotope bevorzugen und infolgedes-sen räumlich getrennt sind. Nur jeweils ungefähr 10% der einen Art kommen im gleichen Lebensraum vor wie die andere Art. Durch diese räumliche Trennung wird erfolgreich Konkurrenz vermieden.

Die Informationen im einleitenden Text lassen auf eine weitgehend ähnliche Lebensweise beider Laufkäferarten schließen: Beide Arten sind nachtaktive Räuber, die ihre Beute am Boden jagen. Somit stehen sie dort, wo sie gemein-sam vorkommen, (auch) in Konkurrenz um Beute bzw. Nahrung. Möglicher-weise bevorzugen sie unterschiedliche Beutetiere und/oder lauern ihrer Beute an unterschiedlichen Stellen am Boden auf. Evtl. gehen sie auch zu unterschiedli-chen Zeiten während der Nacht auf Beute. Dadurch würde die Konkurrenz wei-ter herabgesetzt werden. 10 5



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3.2 erhöhtes Anforderungsniveau

Aufgabe I

Molekulargenetik und Gentechnik

Schwerpunkt Synthese von Insulin

Insulinsynthese bei Säugern

a) Beschreiben Sie die einzelnen Schritte im Ablauf der natürlichen Insulinsynthese

beim Menschen und den Aufbau des aktiven Humaninsulins (Material 2). (15 P)

b) Bestimmen Sie mit Hilfe der Code-Sonne die möglichen Basensequenzen im codo-

genen Strang der DNA für Insulin von Mensch, Schwein sowie Rind in den Positio-

nen 8, 10 und 30 (Material 3) und erklären Sie Ursachen für die Abweichungen. (20 P)

c) Seit 1982 wird Humaninsulin von „umprogrammierten“ Bakterienzellen erzeugt.

Erklären Sie, unter Einbeziehung der Informationen, die Vorteile der gentechnischen

Humaninsulinherstellung gegenüber der Gewinnung von Insulin aus dem Speichel-

drüsengewebe von Schlachttieren. (15 P)

Quellenangaben

Veränderte Aufgabe nach Frank, R., Sommermann, U. & Ströhla, G. (2001): Natura, Genetik und Immunbiologie. Stuttgart, Klett Hafner, L. &. Hoff, P. (1995): Materialien für den Sekundarbereich II, Biologie – Genetik. Hannover, Schroedel

Jäckel, M. et al. (1998): Chemie heute S II. Hannover, Schroedel Sorbe, D. (1987): Gentechnisch manipulierte Bakterien produzieren Humaninsulin. Pädagogik der Naturwissenschaften – Biologie 2/36 Weber, U. (Hrsg.) (2001): Biologie Oberstufe – Gesamtband. Berlin, Cornelsen Grümme, T. et al. (2010): Markl Biologie – Arbeitsbuch Oberstufe (S. 78). Stuttgart, Klett


19

Material 1

Insulin ist ein Hormon, das von den -Zellen der Bauchspeicheldrüse produziert wird und die Zucker-regulation im Körper steuert. Es handelt sich dabei um ein Protein, dessen Aminosäuresequenz von Frederick Sanger aufgedeckt wurde. Er erhielt für seine Arbeit im Jahre 1958 den Nobelpreis.

Das Insulin besteht aus insgesamt 51 Aminosäuren. Die Aufklärung der räumlichen Struktur gelang erst einige Jahre später.

Die Zuckerkrankheit (Diabetes mellitus) gehört zu den häufigsten Stoffwechselerkrankungen in Deutschland. Bei Jugenddiabetes sind die sogenannten ß-Zellen in der Bauchspeicheldrüse der Be-troffenen nicht in der Lage, das Proteinhormon Insulin zu bilden. Es muss von außen zugeführt wer-den, um schwere körperliche Schäden zu vermeiden. Insulin wird seit 1921 aus den Bauchspeicheldrü-sen von Schlachttieren (Schwein, Rind) gewonnen. Die Herstellung ist nicht einfach, da Bauchspei-cheldrüsengewebe äußerst empfindlich ist, die Proteine in aufwendigen Verfahren isoliert und gerei-nigt werden müssen und das Tierinsulin sich in einer Aminosäure (Schwein) bzw. in drei Aminosäu-ren (Rind) vom Humaninsulin unterscheidet. Diese Unterschiede führen zu einer verminderten Wirk-samkeit im menschlichen Körper und können Immunreaktionen hervorrufen.

Bis 1982 wurde das Insulin aus den Bauchspeicheldrüsen von Rindern und Schweinen gewonnen. 1 kg Bauchspeicheldrüsengewebe von Schlachttieren ergab etwa 0,1g Insulin. Der Tagesbedarf eines Dia-betikers liegt bei 0,2 g. Weltweit gibt es schätzungsweise 366 Millionen Diabetiker (2012).

Eine gentechnische Erzeugung von Humaninsulin mittels umprogrammierter Bakterien wurde daher sehr bald ins Auge gefasst. Grundlage hierfür war die Aufklärung der Aminosäuresequenz des Insu-lins.


20

Material 2

Abb. 1: Natürliche Insulinsynthese in den ß-Zellen der Bauchspeicheldrüse

Legende: P = Promotor und Operator, ER = Endoplasmatisches Reticulum


21

Abb. 2: Aminosäuresequenz des aktiven Humaninsulins und vereinfachtes Schema der räumlichen Faltung des Insulinmoleküls

Material 3

A-Kette B-Kette

Positionsnummer 6 7 8 9 10 11 25 26 27 28 29 30

Mensch -Cys-Cys-Thr-Ser- Ile -Cys- -Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-Thr

Schwein -Cys-Cys-Thr-Ser- Ile -Cys- -Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-Ala

Rind -Cys-Cys-Ala-Ser-Val- Cys- -Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-Ala

Abb. 3: Ausschnitte aus den Aminosäuresequenzen des Insulins verschiedener Säuger-Arten

Abb. 4: Code-Sonne


22

Erwartungshorizont


I II III

Der Erwartungshorizont versteht sich hinsichtlich des Inhalts als Anregung für die Bewertung. Andere sinnvolle Lösungen sind adäquat zu bewerten. Je nach Unterrichtsvoraussetzungen sind auch weniger detaillierte, aber inhaltlich richti-ge Lösungen entsprechend zu bewerten.

a) Ablauf der natürlichen Insulinsynthese beim Menschen:

im Zellkern

Transkription: Exons und Introns werden bei Eukaryoten zunächst kom-plett in RNA transkribiert (prä-mRNA).

Processing und Splicing: Noch im Zellkern erfolgt ein Prozess der RNA-Reifung, d.h. das Herausschneiden (Processing) der Intronbereiche und das Verknüpfen (Splicing) der verbleibenden Exons.

im Cytoplasma

Translation: Die mRNA wandert durch die Zellkernporen ins Cyto-plasma, wo das sekundäre Genprodukt, das Protein Präproinsulin, an den Ribosomen synthetisiert wird.

im endoplasmatischen Reticulum

Umwandlung in Proinsulin: Während der Durchquerung der ER-Membran wird die Präsequenz vom restlichen Polypeptid abgespalten. Es entsteht Proinsulin.

Umwandlung in aktives Insulin: Proinsulin wird in aktives Insulin um-gewandelt. Dies geschieht durch enzymatische Abspaltung der 33 Ami-nosäuren langen C-Kette.

Aufbau des Humaninsulins:

Das aktive Insulin besteht zwei getrennten Ketten (A-Kette mit 21 AS und B-Kette mit 30 AS).

A- und B-Kette werden über 2 Disulfidbrücken zusammengehalten (AS 7-7 und AS 20-19).

Die A-Kette bildet eine Schlaufe durch eine Disulfidbrücke (AS 6-11).

Das Molekül ist in typischer Weise räumlich gefaltet (Tertiärstruktur ei-nes Proteins). 10 5

b) Bestimmung der DNA-Sequenzen, die den Aminosäuren 8 und 10 der A-Kette und der Aminosäure 30 der B-Kette zugrunde liegen:

AS 8 bzw. AS 30: Threonin oder Alanin

AS 10: Isoleucin oder Valin

3’ TGC 5’ 3’ CGC 5’

3’ TGT 5’ 3’ CGT 5’

3’ TGG 5’ 3’ CGG 5’

3’ TGA 5’ 3’ CGA 5’

3’ TAT 5’ 3’ CAT 5’

3’ TAG 5’ 3’ CAG 5’

3’ TAA 5’ 3’ CAA 5’


23


I II III

Erklärung der Abweichungen der AS-Sequenzen:

Es muss sich um einzelne Punktmutationen im (ursprünglichen) Insulin-Gen handeln, da der Unterschied der AS 8 und AS 30 (Threonin/Alanin) nur auf dem Austausch der ersten Triplett-Base T gegen C beruht (Substitution).

Bei AS 10 führt eine Punktmutation der ersten Triplett-Base zum Austausch von T gegen C (Substitution).

Diese Punktmutationen müssen genetisch verankert sein (Mutationen der Keimbahnzellen), damit sie an die Nachkommen vererbt werden können. 15 5

c) Einerseits ist die Isolierung des Insulins aus dem Bauchspeicheldrüsengewebe sehr aufwändig und damit meist auch teuer, andererseits ist die Menge an iso-liertem Insulin so gering, dass der weltweite Bedarf durch Diabetiker nicht ge-deckt werden kann.

Darüber hinaus unterscheidet sich das Schweineinsulin in einer Aminosäure bzw. das Rinderinsulin in drei Aminosäuren, so dass es zu einer Wirkungsmin-derung im menschlichen Organismus und ggf. zu Immunreaktionen kommen kann. 5 10



24

3.2 erhöhtes Anforderungsniveau

Aufgabe II

Ökologie und Nachhaltigkeit

Schwerpunkt Farbe der Marienkäfer und Abhängigkeit von der Temperatur

a) Beschreiben Sie mit Hilfe des Materials 1 die ökologische Potenz von Insekten in Bezug

auf die Temperatur. (10 P)

b) Werten Sie das Material 2 hinsichtlich des Zusammenhangs von Körperoberfläche und

Körpertemperatur aus. (15 P)

c) Erläutern Sie mit Hilfe des Materials 3 die Auswirkungen der unterschiedlichen Farbgebung

der aufeinander folgenden Marienkäfergenerationen und prüfen Sie, inwieweit dieser so ge-

nannte saisonale (Farb-)Dimorphismus eine optimale Anpassung an die abiotischen Umwelt-

bedingungen ist. (15 P)

d) Marienkäfer werden schon seit langem zur biologischen Schädlingsbekämpfung gegen Pflan-

zenläuse und Spinnmilben eingesetzt. Erstellen Sie eine beschriftete Skizze, aus der hervor-

geht, wie sich die Populationsdichten der Marienkäfer und der Pflanzenläuse über mehrere

Generationen in einem gemeinsamen Lebensraum entwickeln könnten und diskutieren Sie,

ob eine vollständige Ausrottung der Pflanzenläuse durch den Marienkäfer möglich ist. (10 P)

Quellenangaben

Veränderte Aufgabe nach Bracht, A., (Hrsg.) (1996): Natura – Lehrerband zum Themenheft Ökologie, Klett Verlag, Stuttgart Becker U., (Hrsg.) (1994): Herder-Lexikon der Biologie Selektion, Polymorphismus, Marienkäfer, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg Bracht, A., (1996): Natura – Themenheft Ökologie, Klett Verlag, Stuttgart http://jeb.biologists.org/content/199/12/2655.full.pdf http://www.kerbtier.de/Pages/Themenseiten/deFarbvarCoccinellidae.html http://de.wikipedia.org/wiki/Zweipunkt-Marienk%C3%A4fer


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Material 1:

Die Marienkäfer sind bei der Bevölkerung sehr beliebt und tragen die unterschiedlichsten Namen in der jeweiligen lokalen Umgangssprache. Die Beliebtheit begründet sich unter anderem darin, dass sie im Gartenbau und in der Landwirtschaft sehr nützlich sind, da sie allein in ihrer Larvenzeit je nach Art bis zu 3.000 Pflanzenläuse bzw. Spinnmilben fressen. Sie sind in ihrem Aussehen sehr variabel, was ihre Bestimmung erschwert. Ein und dieselbe Art kann in verschiedenen Varianten auftreten. Bei dem Zweipunkt (Adalia bipunctata) gibt es zwei Farbvarianten (Farbdimorphismus1), die unabhängig von Geschlecht oder Alter der Tiere sind. Die erste Variante hat eine rote Grundfarbe, auf jeder Flügelde-cke befindet sich ein schwarzer Punkt. Variante Zwei ist fast ganz schwarz, doch kann man hier auf jeder Flügeldecke zwei bis drei rote Punkte erkennen. Neben den Genen, spielen auch Umwelteinflüs-se eine Rolle für die Färbung der Käfer. Die roten Formen überstehen den Winter besser, dafür sind die Schwarzen aktiver beim Fortpflanzen. Der Marienkäfer Adalia bipunctata durchläuft zwei, selten drei Generationen pro Jahr. Er gehört, wie alle Insekten, zu den poikilothermen2 Tieren.

Abb. 1: Zweipunkt-Marienkäfer (Adalia bipunctata) (li.: rote Variante, re.: schwarze Variante)

Abb. 2: Temperaturabhängigkeit bei Insekten

1 Mit Dimorphismus bezeichnet man das Auftreten von zwei deutlich verschiedenen Erscheinungsfor-

men bei derselben Art. 2 Poikilotherm ist der Fachbegriff für „wechselwarm“.


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Material 2

Körpertemperatur und Flügeldeckenfärbung

Von Adalia bipunctata sind verschiedene, erblich bedingte Varianten der Flügeldeckenfärbung be-kannt, wobei die Tiere im Wesentlichen entweder schwarze Punkte auf rotem Grund oder rote Punkte auf schwarzem Grund zeigen (Abb. 1). Aufgrund der unterschiedlichen Färbung der Varianten absor-bieren sie einfallendes Licht verschieden stark (Abb. 4).

● schwarze Varianten (rote Punkte auf schwarzem Grund)

○ rote Varianten (schwarze Punkte auf rotem Grund)

Abb. 3: Körpertemperatur von Adalia bipunctata bei Beleuchtung (Außentemperatur 18°C)


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Material 3

Anteil der Marienkäfervarianten in der Sommer- und Wintergenerationen

Käfer der Wintergeneration legen im Frühjahr Eier, woraus die Larven schlüpfen, die sich schließlich verpuppen und im Juni/Juli die Sommergeneration hervorbringen. Aus den Eiern der Sommergenera-tion gehen wiederum die Käfer der Wintergeneration hervor. Im Herbst sucht diese Wintergeneration die Winterquartiere auf (Spalten und Ritzen in Bäumen und Mauern). Während der Winterstarre zeh-ren die Marienkäfer von ihren Fettreserven. Nicht alle Individuen der Wintergeneration überleben die Winterstarre in ihren Quartieren. Mit dem Verlassen der Winterquartiere beginnt der Generatio-nenzyklus erneut.

Die Sommergeneration und die Wintergeneration der Marienkäfer unterscheiden sich in der prozen-tualen Häufigkeit der schwarzen und roten Varianten.

Abb. 4: Durchschnittliche jahreszeitliche Schwankungen in der prozentualen Häufigkeit der beiden Varianten des Zweipunkt-Marienkäfers


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Erwartungshorizont


I II III


a) Bei der Beantwortung dieser Teilaufgabe wird Wert auf die klare Formulierung der zur Beschreibung der ökologischen Potenz wichtigen Fachbegriffe gelegt. Optimum, Minimum, Maximum und Präferendum (und optional die Pessima) sind zu nennen und mit der Temperaturabhängigkeit in Beziehung zu setzen. Mit Kältestarre und Wärmestarre wird eine besondere Situation gekennzeichnet, die mit Formulierungen wie unfähig zu Aktivität, bewegungsunfähig usw. beschrie-ben werden kann. Der Tod tritt erst nach einer weiteren Veränderung der Tem-peratur ein. 10

b) Material 2 zeigt die Körpertemperatur von Adalia bipunctata in Abhängigkeit von ihrer Flügeldeckenfärbung. Bei einer Außentemperatur von 18°C werden die Marienkäfer beleuchtet. Folgende Beziehungen sind erkennbar: Es besteht ein Zusammenhang von Körperoberfläche und Körpertemperatur (unabhängig von der Farbgebung). Größere Marienkäfer haben durchschnittlich eine höhere Körpertemperatur bei Beleuchtung. Werden Marienkäfer beleuchtet, so steigt die Körpertemperatur (unabhängig von der Farbgebung). Die Körpertemperatur der schwarzen Variante liegt im Durchschnitt um etwa 5°C über der Außentem-peratur, bei der roten um etwa 3°C. Dieser Unterschied ist so groß, dass die Körperfläche keinen Einfluss auf dieses Ergebnis hat. Die Beleuchtung der Ma-rienkäfer führt zu einer signifikanten Erhöhung der Körpertemperatur der schwarzen Varianten. Grund ist, dass ein größerer Anteil des Lichtes absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. 15

c) Eine Erhebung der prozentualen Häufigkeit im Frühjahr ergibt einen höheren Anteil der roten Varianten (63%). Aus dieser Wintergeneration geht die Som-mergeneration hervor. Die Erhebung der prozentualen Häufigkeit im Herbst ergibt das Ergebnis, dass die Population einen deutlich erhöhten Anteil schwar-zer Varianten als die Sommergeneration aufweist (58%).

Aufgrund des Zusammenhangs zwischen der Körpertemperatur und der Be-leuchtung haben die schwarzen Varianten eine erhöhte Körpertemperatur (Mate-rial 2). Mit der Körpertemperatur steigt die Stoffwechselaktivität (Material 1). Die schwarze Variante ist dadurch besser an die Lebensbedingungen in den Sommermonaten angepasst. Das führt auch dazu, dass sich diese Variante häufi-ger vermehrt, die Nachkommen haben mit erhöhter Wahrscheinlichkeit eine schwarze Färbung.

Während der Zeit der Winterstarre überleben offensichtlich mehr Individuen der roten Variation (prozentuale Häufigkeit im Frühjahr: 63%). Die Ursachen sind nicht aus dem Material zu entnehmen; (eine mögliche Ursache wäre der erhöhte Stoffwechsel der schwarzen Variante, die dazu führt, dass die Reserven vor dem Ende der Winterstarre verbraucht sind. Denkbar ist auch, dass Unterschiede in der Häufigkeit bestimmter Gene oder Genkombinationen mit der schwarzen Variante vorkommen. So könnte z. B. die Widerstandsfähigkeit gegenüber nied-rigen Temperaturen mit der Flügeldeckenfärbung korreliert sein.


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I II III

Die jahreszeitlichen Unterschiede der Umwelt (Temperatur und Lichtstrahlung) kann beide Farbvarianten erhalten (balancierter Polymorphismus): Die schwarze Variante hat im Sommer/Herbst deutliche Vorteile, da sie durch tageszeitlich frühere und schneller gesteigerte Stoffwechselaktivität eine erhöhte Vermeh-rungsrate aufweist, aber auch einen erhöhten Nahrungsbedarf. Sie verdrängt somit in dieser Saison die rote Variante. Die schwarzen Individuen haben in den warmen Monaten bessere Voraussetzungen, sind also besser an ihre Umwelt angepasst.

Hingegen hat die rote Variante im Winter/Frühjahr einen Vorteil, da sie auf-grund der geringeren Stoffwechselaktivität die Winterstarre besser übersteht als die schwarze Variante, die ihre Fettreserven schneller aufbraucht und damit größere Gefahr läuft zu verhungern. Die Sterblichkeitsrate der roten Marienkäfer ist im Winter geringer, die roten Individuen im Frühjahr zahlreicher.

Der saisonale Dimorphismus bevorzugt, abhängig von der Temperatur und der Lichtstrahlung, die Marienkäfer mit unterschiedlicher Flügeldeckenfarbe, somit können Umweltfaktoren beide Farbvarianten erhalten. 5 10

d) Erwartet wird ein sorgfältiges, hinreichend großes Diagramm mit zutreffender Beschriftung der Achsen und je einer Kurve für die Räuber- und die Beutepopu-lation über mehrere Jahre. Dabei müssen die Volterra-Regeln 1 und 2 korrekt dargestellt werden. Die folgende Abbildung dient als Orientierung.

Eine vollständige Ausrottung der Pflanzenläuse durch den natürlichen Fress-feind ist nicht möglich, da nach den Volterra-Regeln die Beutepopulation durch den Räuber stark dezimiert werden kann, sich aber hinsichtlich der Populations-dichte zyklisch wieder erholt. Beide Populationsdichten schwanken somit perio-disch um einen Mittelwert und gehen nie auf null zurück. 5 5


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