NATURA - asset.klett.de · Lebewesen als offene Systeme (Seite 24/25) 1 Leiten Sie aus den Angaben...

Ernst Klett VerlagStuttgart Leipzig

Katharina BaackRoman ReméGunter SackChristian Steinert

Lösungen Niedersachsen

QualifikationsphaseBiologie für Gymnasien

NATURA

1. Auflage 15 4 3 2 1

| 23 22 21 20 19

AlleDruckedieserAuflagesindunverändertundkönnenimUnterrichtnebeneinanderverwendetwerden.DieletzteZahlbezeichnetdasJahrdesDruckes.DasWerkundseineTeilesindurheberrechtlichgeschützt.JedeNutzunginanderenalsdengesetzlichzugelassenenFällenbedarfdervorherigenschriftlichenEinwilligungdesVerlages.Hinweis§60aUrhG:WederdasWerknochseineTeiledürfenohneeinesolcheEinwilligungeingescanntundineinNetzwerkeingestelltwerden.DiesgiltauchfürIntranetsvonSchulenundsonstigenBildungseinrichtungen.FotomechanischeoderandereWiedergabeverfahrennurmitGenehmigungdesVerlages.

©ErnstKlettVerlagGmbH,Stuttgart2019.AlleRechtevorbehalten.www.klett.deDasvorliegendeMaterialdientausschließlichgemäß§60bUrhGdemEinsatzimUnterrichtanSchulen.

Autorinnen und Autoren:KatharinaBaack,RomanRemé,GuntherSack,ChristianSteinertUnter Mitarbeit von:AndreaBecker,Dr.DetlefEckebrecht,Dr.JustineKießling,MarcoKoch,AlexanderMaier,Dr.GünterRoßnagel

Redaktion:Dr.DetlefEckebrechtDIDACTICCONCEPTIONSMediengestaltung:IngridWalter

Illustrationen:WolfgangHerzig,Essen;OttoNehren,Achern;Prof.JürgenWirth,Dreieich

A15150-04933101

Methoden Methode: Umgang mit wissenschaftlichen Daten (Seite 6/7)

1 Wählen Sie für folgende Untersuchungen einen Diagrammtyp und begründen Sie Ihre Wahl: a) Vergleich der Artenanzahlen bei Säugetieren, Vögeln und Reptilien in Deutschland und Ecuador. b) Größe der Forellenpopulation eines Teiches im Zeitraum von 2006 — 2015 (monatlich ermittelt). a) EsbietetsicheinSäulendiagramman,daDatenverglichenwerden,dienichtvoneinanderabhängigsind.b) EsbietetsicheinKurvendiagramman,daderzeitlicheVerlaufeinerMessgrößeuntersuchtwurde.

2 Bewerten Sie die Abhängigkeit einer Gesetzmäßigkeit von der Anzahl der Messungen. GenauigkeitundAussagekrafthängenstarkvonderAnzahlderMesswerteab.Stichproben-MessungensindsehrfehleranfälligundkönnenFehlinterpretationenverursachen.UmfangreicheMessungenmitWiederholungensindgenauerundwenigerfehler-anfällig.

3 Erstellen Sie ein Diagramm zur Verteilung der Haarfarben in Ihrem Kurs. Wählen Sie den Diagrammtyp selbst. Vergleichen und bewerten Sie die Aussagekraft der unterschiedlichen gewählten Diagrammtypen. Säulen-oderBalkendiagrammsindzurDarstellungderexaktenHäufigkeit,Kreis-oderStapeldiagrammzurDarstellungderpro-zentualenHäufigkeitgeeignet.AußerdemkönnenKriterienwieAchsenbeschriftung,ZuteilungvonunabhängigerundabhängigerVariableraufx-bzw.y-Achse,Überschriftetc.betrachtetwerden.

Methode: Aufgabenstellungen mit Operatoren (Seite 8/9)

1 Formulieren Sie die Aufgabenstellungen mit passenden Operatoren für die Antworten in Abb. 1. „BeschreibenSiedieVerdauungderNährstoffeimDünndarm.“„BeschreibenSieIhreBeobachtungendesVersuchsunderläuternSiedieErgebnisse.“„BewertenSiedasVorgeheninderForstwirtschaft,diegefälltenBäumevollständigausdemWaldzuentfernen.“oder„LeitenSiedieFolgenderEntfernunggefällterBäumefürdasÖkosystemab.“

2 Ordnen Sie den Aufgaben die Anforderungsbereiche zu. „BeschreibenSiedieVerdauungderNährstoffeimDünndarm.“(AFBI)„BeschreibenSieIhreBeobachtungendesVersuchsunderläuternSiedieErgebnisse.“(AFBII)„BewertenSiedasVorgeheninderForstwirtschaft,diegefälltenBäumevollständigausdemWaldzuentfernen.“oder„LeitenSiedieFolgenderEntfernunggefällterBäumefürdasÖkosystemab.“(AFBIII)

Methode: Klausurvorbereitung (Seite 10/11)

1 Beschreiben Sie die Vorbereitung auf Ihre letzte Klausur. individuelleLösung.MöglicheAspektesind:VerschaffeneinesthematischenÜberblicks,ErstelleneinesrealistischenZeitplans,BeschaffungvonLernmaterialien,AnwendungvonLerntechnikenbzw.Lernmedien(Mind-Map,Lernsoftware,Übungsklausuren,Lernkartensystemetc.),LernenineinerLerngruppe.

2 Erläutern Sie Optimierungsmöglichkeiten für Ihre kommenden Klausurvorbereitungen. individuelleLösung

3 Bewerten Sie mithilfe von Abb. 3 die von Ihnen formulierten Optimierungsmöglichkeiten und leiten Sie ggf. Alternativen ab. individuelleLösung

Methode: Abiturklausuren bearbeiten (Seite 12/13)

1 Vergleichen Sie Ihr bisheriges Vorgehen bei schrift lichen Leistungskontrollen mit den Vorschlägen zum Vorgehen bei der Abiturklausur. individuelleLösung

2 Nennen Sie Verbesserungsmöglichkeiten beim Bearbeiten Ihrer nächsten Klausuren. individuelleLösung

3 Üben Sie die Vorgehensweise zur Bearbeitung von Klausuren, z. B. mithilfe der Abi-Training-Seiten am Ende der Kapitel in diesem Buch. individuelleLösung

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Methode: Bioethisches und ökologisches Bewerten (Seite 14/15)

1 Nennen Sie möglichst alle Personen bzw. Personengruppen, die von der Entscheidung im Beispiel betroffen wären. Berufsgärtner,ArbeiterdiebeiderTorfgewinnungbeschäftigtsind,Unternehmerundalle,diefinanziellvondiesenPersonenabhängigsind,sowieHobbygärtner.

2 Nennen Sie weitere Handlungsoptionen für das Beispiel. EineweitereHandlungsoptionbestündedarin,diebestehendenNutzungsverträgezeitlichzubefristen,umdannnachdiesemMoratoriumvollständigausderTorfgewinnungauszusteigen.

3 Stellen Sie eine für Sie persönlich geltende Rangordnung der Werte dar. individuelleLösung

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1 Stoffwechsel

1. 1 Stoffwechsel und Energiehaushalt

Lebewesen als offene Systeme (Seite 24/25)

1 LeitenSieausdenAngabeninAbb.2ab,dassderHabichtStoffwechselbetreibt.Der Habicht gibt andere Stoffe an die Umgebung ab als er aufnimmt. Dies ist ein Anzeichen für den Stoffwechsel im Inneren des Vogels. Ein weiteres Indiz ist die Wärmeabgabe.

2 ErläuternSie,inwieferndieZellmembranalsSystemgrenzebezeichnetwerdenkann.Eine Systemgrenze hält die Teile des Systems zusammen und grenzt sie gegen die Umgebung ab. Dennoch ermöglicht sie die Aufnahme und Abgabe von Stoffen und Energie. Alle diese Eigenschaften treffen für die Zellmembran zu.

3 Grünalgenund„Urzeitkrebse“könnenineinermitWassergefüllten,verschlossenenGlaskugelaneinemhellenStandortlangeZeitüberleben.BegründenSie,obdasGesamtsystemausGlaskugelundInhalt(Algen,Krebse,Wasser)alsoffenesSystembezeichnetwerdenkann.Die autotrophen Grünalgen nehmen Licht von außen und Kohlenstoffdioxid aus dem Wasser auf, erzeugen mithilfe der Fotosynthese Nährstoffe und geben Sauerstoff ab. Sie sind ein offenes System. Die Krebse nehmen Sauerstoff und Grünalgen auf und geben Kohlenstoffdioxid ab. Sie sind ebenfalls ein offenes System. Das Gesamtsystem tauscht keine Stoffe mit der Umgebung aus. Es ist kein offenes System.

Energiebereitstellung und Energienutzung bei Lebewesen (Seite 26/27)

1 WirverbrauchenständigATP,auchwennwirunsausruhen.NennenSieBeispielefürVorgänge,diedafürdieUrsachesind.Beispiele sind die Tätigkeit von Herz und Nervensystem sowie die Herstellung von Stoffen im Baustoffwechsel.

2 ErläuternSiedieAussage,dasswirdieStabilitätunsererkörpereigenenSubstanzenderAktivierungsenergieverdanken.Der Abbau aller Nährstoffe in unserem Körper besteht aus exergonischen, also freiwillig ablaufenden Reaktionen. Ohne die Gegenwart von entsprechenden Enzymen ist die Aktivierungsenergie so hoch, dass der Abbau nicht spontan erfolgt. Daraus resultiert die Stabilität.

Lebewesen als Energiewandler (Seite 28)

1 NennenSieanhandvonAbb.1dreiFormenvonEnergieumwandlungeninLebewesen,dieimTextnichtgenanntsind.Unter Ausnutzung der chemischen Energie aus der ATPUmsetzung können Teilchen durch die Biomembran transportiert werden und einen Konzentrationsunterschied erzeugen. Molekülspannungen in Muskeln können zur Kontraktion des Muskels genutzt werden. Bei der Muskelkontraktion aufgrund der Bereitstellung chemischer Energie aus dem ATPAbbau wird thermische Energie frei.

2 ErklärenSiedieBeobachtung,dassmeistderersteSchneeimWinteraufKomposthaufenschmilzt,imübrigenGartenabernicht.Bakterien und andere Lebewesen im Kompost setzen innerhalb ihres Energie und Baustoffwechsels thermische Energie frei, was zur Erwärmung des Komposts führt.

Material: Energieumwandlungen (Seite 29)

1 LeitenSieausdenInformationeninAbb.1und2dieFunktionsweiseunddenNutzeneinesPumpspeicherkraftwerksab.In Zeiten geringer Stromnutzung durch Verbraucher wird Strom zum Pumpen von Wasser in den oberen Speichersee verwendet. Die potenzielle Energie wird in Zeiten der Spitzenlast zur Stromerzeugung verwendet.

2 WendenSiedasVerständnisdesPumpspeicherkraftwerksmodellhaftaufdenEnergiehaushaltdesmenschlichenKörpersan,insbesondereaufdasErnährungsverhaltenundmöglichesportlicheAktivitäten.Die Nahrungsaufnahme erfolgt in unregelmäßigen Intervallen. Der Körper nimmt energetisch nutzbare Nährstoffe auf und speichert (noch) nicht benötigte Anteile. Diese werden kontinuierlich nach Bedarf zur Energiebereitstellung genutzt, z. B. bei sportlichen Aktivitäten.

3 ErläuternSieindiesemZusammenhangdieFunktionsweiseeinerDiätzurReduktiondesKörpergewichts.Durch die verminderte Nahrungsaufnahme kommt es zur Leerung von Speichern energetisch nutzbarer Stoffe (z. B. aus Fettzellen), da die Zufuhr geringer ist als der Bedarf.

4 ErläuternSiedieEntstehungvonthermischerEnergie(Wärme)beiderKeimung.Energie und BaustoffwechselReaktionen im Keimling setzen auch thermische Energie frei, die sich als Wärme zeigt.

5 EntwickelnSieeineVersuchsanordnung,mitdersichnachweisenlässt,dassindenErbsensamenbeiderKeimungEnergieumwandlungenstattfinden.Man kann die dabei frei werdende Wärme durch Temperaturmessung registrieren, wenn die Keimung in einem wärmegedämmten Gefäß stattfindet.

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Die Vielfalt der Stoffwechselreaktionen (Seite 30/31)

1 ErläuternSiemithilfevonAbbildung1,dasssichWasserundEthanolgutineinanderlösen.Da im Wasser und im Ethanol polare Bindungen vorliegen, wirken Anziehungskräfte zwischen den Molekülen. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen lösen sich und neue Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wasser und Ethanol entstehen. Aufgrund der Teilchenbewegung werden ständig Bindungen gelöst und neu gebildet. Die Moleküle der beiden Stoffe vermischen sich.

2 ErläuternSie,dassessichbeiderHydrolyseeinerPeptidbindung(Abb.5)wederumeineRedoxreaktionnochumeineSäureBaseReaktionhandelt.Bei der Reaktion findet weder ein Übergang von Elektronen noch ein Übergang von WasserstoffIonen statt.

3 ErklärenSieanzweiBeispielendieBedeutungvonWasserimZellstoffwechsel.Wasser tritt z. B. bei der Reaktion mit Carboxygruppen in Aminosäuren in SäureBaseReaktionen auf. Wird eine Peptidbindung zwischen zwei Aminosäuren gelöst, ist Wasser bei dieser Hydrolyse Reaktionspartner.

Struktur und Funktion von Enzymen (Seite 32/33)

1 NennenSiedieMerkmaleeinesBiokatalysators.Ein Biokatalysator ist ein Stoff, der meist ganz oder überwiegend aus einem Protein besteht und die Aktivierungsenergie einer biochemischen Reaktion herabsetzt und dadurch die Reaktion beschleunigt. Er liegt nach der Reaktion unverändert vor.

2 ErläuternSiedieBedeutungvonEnzymenfürdenStoffwechselvonOrganismen.Durch Enzyme wird die Aktivierungsenergie chemischer Reaktionen gesenkt; so laufen Stoffwechselreaktionen bei Körpertemperatur hinreichend schnell ab.

3 DerAustauscheinerAminosäureimEnzymmolekülkannAuswirkungenaufdessenFunktionhaben.BegründenSie.Der Austausch kann einen anderen Enzymaufbau zur Folge haben. Das bewirkt ein anders geformtes aktives Zentrum, sodass die Bindung des Substrats nicht mehr möglich ist und damit keine Reaktion erfolgt.

Eigenschaften von Enzymen (Seite 34)

1 ErklärenSiedieWirkungsspezifitätdesLactasemoleküls.Lactase bindet immer das Substrat Lactose auf die gleiche Weise, auch werden immer die gleichen Bindungen gelöst, es wird immer die Reaktion (Hydrolyse zu Galactose und Glucose) katalysiert.

2 ImmenschlichenKörpergibtesmehrereTausendverschiedeneEnzyme.LeitenSiedieNotwendigkeitsovielerEnzymeab.Durch die Substrat und Wirkungsspezifität benötigt ein Organismus viele verschiedene Enzyme; nur so ist kontrollierter Stoffwechsel möglich.

Praktikum: Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 35)

1 StellenSiedieMittelwertederErgebnisseineinemLiniendiagrammdar.individuelle Lösung. Das Diagramm zeigt die Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit bei höherer Enzymkonzentration. Die Dauer des Aufsteigens entspricht der Reaktionsgeschwindigkeit.

2 ErläuternSiedenZusammenhangzwischenderEnzymkonzentrationundderReaktionsgeschwindigkeitanhandIhrerVersuchsergebnisse.Je höher die Enzymkonzentration ist, desto höher ist auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Übersteigt die Enzym die Substratkonzentration, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit nicht mehr zu.

3 StellenSiedieMittelwertederErgebnisseineinemDiagrammdar.individuelle Lösung. Das Diagramm zeigt die lineare Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Substratkonzentration bei geringen Substratkonzentrationen. Bei höheren Substratkonzentrationen nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit langsamer zu und nähert sich einem Maximalwert.

4 ErläuternSiedenZusammenhangvonSubstratkonzentrationundReaktionsgeschwindigkeit.Solange die aktiven Zentren der Enzyme noch nicht komplett belegt sind, steigt die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Substratkonzentration. Ab einer bestimmten Substratkonzentration sind die aktiven Zentren aller Enzyme belegt. Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit der Enzyme (vmax) ist erreicht.

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1. 2 Stoffwechselreaktionen und Enzyme


Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 36/37)

1 BeantwortenSiedieeingangsgestellteFragezurUrsacheunterschiedlicherAlkoholverträglichkeit.Durch die unterschiedlichen Wechselzahlen der Isoenzyme der Alkoholdehydrogenase wird Alkohol unterschiedlich schnell abgebaut und wirkt entsprechend unterschiedlich stark.

2 EntwickelnSiezudenPunkten2und3inAbb.3mitPunkt1vergleichbaremodellhafteDarstellungenundbegründenSie.Es ist eine Darstellung mit fünf Enzymen und z. B. bei (2) vier Substratmolekülen und bei (3) sechs Substratmolekülen denkbar.

3 ErläuternSiedenZusammenhangzwischenvmaxundkcat.Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit vmax wird durch die Wechselzahl kcat des Enzyms bestimmt.

Regulation enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 38/39)

1 VergleichenunderläuternSiedieErgebnisseinAbb.1.blau: Mit steigender Substratkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit zu. Zunehmend mehr aktive Zentren werden besetzt, bis die Enzyme gesättigt sind und vmax erreicht ist. rot: Mit steigender Substratkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit zu, bis vmax erreicht ist. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt allerdings langsamer, da die Hemmstoffe (kompetitive Hemmung) erst durch das Substrat verdrängt werden müssen. grün: Mit steigender Substratkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit zu, erreicht jedoch nicht vmax, da ein Teil der Enzyme inaktiviert ist. Der Inhibitor kann durch das Substrat nicht verdrängt werden, da er an eine Bindungsstelle außerhalb des aktiven Zentrums gebunden ist.

2 DurcheineGesetzesänderungsindHausbesitzerverpflichtet,LeitungswasserrohreausBleiauszutauschen.NehmenSiezudieserMaßnahmeStellung.Die Maßnahme erscheint sinnvoll zur Vermeidung von Bleivergiftungen: Die SchwermetallIonen des Bleis reagieren mit SHGruppen von Enzymmolekülen und inaktivieren sie (nichtkompetitive Hemmung — teils irreversibel durch hohe Bindungsaffinität der Schwermetalle). Der Funktionsausfall der Enzyme kann Stoffwechselstörungen zur Folge haben.

3 OrdnenSiedasBeispielderBlutzuckerregulationderSubstratinduktionoderderEndprodukthemmungzuundbegründenSie.Es handelt sich um eine Endprodukthemmung, da das Produkt Glucose dafür sorgt, dass das Enzym Phosphorylase a gehemmt wird und kein Glykogen mehr zu Glucose abgebaut wird.

Einflüsse auf die Enzymaktivität (Seite 40/41)

1 ErläuternSiedenTemperatureinflussaufdieEnzymaktivitätamBeispielderBrenztraubensäurekinaseinderForelle(Abb.3).Das Temperaturoptimum bzw. der Maximalwert liegt bei etwa 15 °C. Zwischen 0 °C und 37 °C steigt die Enzymaktivität bis zum Maximalwert gleichmäßig an bzw. nimmt gleichmäßig ab. Darüber und darunter zeigt sich keine Enzymaktivität. Die Zunahme der Enzymaktivität lässt sich durch die RGTRegel erklären: Eine Erhöhung der Temperatur bewirkt die Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit. Die Abnahme der Enzymaktivität entsteht durch die Denaturierung des Enzyms: Die Sekundär, Tertiär und Quartärstruktur des Enzyms verändern sich bis zur irreversiblen Inaktivierung.

2 VergleichenSiedieEnzymaktivitätderbeidenProteasenPepsinundTrypsin(Abb.4).Pepsin zeigt entsprechend seinem Wirkort (Magen) ein pHOptimum von pH 2, wobei die Enzymaktivität von pH 0 bis 4 reicht. Die Enzymaktivität von Trypsin reicht von pH 3,5 bis 11,5. Das pHOptimum liegt bei pH 8. Dies entspricht dem pHWert im Dünndarm.

3 DasLebenmitLactoseintoleranzwirddurchLactasePräparateerleichtert,dieimDünndarmwirken.NennenSieSchwierigkeitenbezüglichderWirksamkeit,diebeiderEinnahmevonLactasePräparatenbestehen.EntwickelnSieLösungsansätze.Das Enzym Lactase wird durch den niedrigen pHWert der Magensäure denaturiert und hat somit im Dünndarm keine Wirkung mehr. Lösungsansatz: Isoenzyme der Lactase verwenden oder Lactase in säureresistenter Kapsel zu sich nehmen, die sich erst im Dünndarm auflöst.

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1. 3 Stoffaufnahme und Stoffumsatz

Äußere Atmung (Seite 42/43)

1 BeschreibenSiedenÜbertrittderAtemgaseinLungeundGewebe.Aufgrund der in Lunge herrschenden höheren Sauerstoffpartialdrucke als im Blut diffundiert Sauerstoff aus der in der Lunge enthaltenen Luft ins Blut. Bei Kohlenstoffdioxid ist es umgekehrt. Im Gewebe hingegen ist der Kohlenstoffdioxidpartialdruck im Gewebe höher als im Blut, was zur Diffusion dieses Gases ins Blut führt. Bezüglich des Sauerstoffs ist es hier umgekehrt.

2 NennenSiediebesonderenAngepasstheitendesHämoglobinMolekülsDie Affinität zu Sauerstoff ist so groß, dass eine vollständige Sättigung bei den in der Lunge herrschenden Sauerstoffpartialdrucken auftritt, im Gewebe jedoch eine schnelle Abgabe des Sauerstoffs aus dem Blut möglich ist, da das Sauerstoffbindungsvermögen bei den hier herrschenden Partialdrucken steil abfällt.

3 DasHormonEPO(Erythropoetin)regtdieBildungvonRotenBlutzellenan.ErläuternSiedenVorteilvonHochleistungssportlernbeiAusdauersportarten(Doping).Durch EPO wird für eine höhere Zahl an Erythrocyten pro mm3 Blut gesorgt und dadurch die Sauerstoffversorgung der Muskeln verbessert. Anmerkung: Allerdings kann es bei solchem „Blutdoping“ zu so hohen ErythrocytenWerten kommen, dass die Fließfähigkeit des Blutes in den Kapillaren nicht mehr gewährleistet ist. Der Tod der Sportler kann die Folge sein.

Resorption und Transport von Nährstoffen (Seite 44/45)

1 ErläuternSiedenBegriff„erleichterteDiffusion”.Dabei handelt es sich um eine dem Konzentrationsunterschied folgende Diffusion mit erhöhter Durchtrittswahrscheinlichkeit von Teilchen, die durch Carrier in der Biomembran hervorgerufen wird.

2 ErklärenSiedensekundäraktivenTransportamBeispielderGlucoseaufnahmePrimär aktiver Transport liegt bezüglich der Ionen Na+ und K+ vor. Der dadurch entstehende Na+Konzentrationsgradient ist der Antrieb für den folgenden sekundär aktiven Transport der Glucose.

3 ErklärenSiedieBedeutungderstarkenDurchblutungderDarmwandfürdieNährstoffresorption.Die starke Durchblutung der Darmwand bedeutet, dass relativ viel Blut durch die Darmwand fließt. Durch den raschen Abtransport der Nährstoffe wird der Konzentrationsunterschied Blut – Darmepithelzelle erhalten und damit auch der Konzentrationsunterschied Zelle – Darmlumen.

Energiebereitstellung und Aktivität (Seite 46)

1 NennenSieFaktoren,diedenGrundumsatzbeeinflussen.Der Grundumsatz wird beeinflusst durch Geschlecht, Alter und Körpermasse.

2 LeitenSieausdenAngabeninAbb.2AussagenzumNährstoffbedarfhomoiothermerundpoikilothermerTiereab.Bei niedrigen Temperaturen ist der Stoffwechsel homoiothermer Tiere wesentlich intensiver. Sie benötigen mehr Nährstoffe zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur, bei deren Abbau Wärme frei wird. Bei hohen Umgebungstemperaturen wird Aufwand für die Wärmeabgabe erkennbar. Die sehr viel niedrigere Stoffwechselgeschwindigkeit des poikilothermen Tiers deutet auf einen sehr viel geringeren Nährstoffbedarf hin. Er steigt mit der Umgebungstemperatur stetig an.

Material: Der Energiehaushalt von Tieren (Seite 47)

1 BerechnenSieausdenDateninAbb.1denSauerstoffverbrauchproGrammKörpergewichtundStundeundtragenSieihngegendielogarithmiertenAngabenzurKörpermasseauf.siehe Tabelle

Säugetierarten Masse (g) lg Sauerstoffver-brauch (ml O/h)

lg Herzfrequenz (1/min)

lg

Maus 22 1,3 36 1,6 600 2,8

Meerschweinchen

900 3,0 605 2,8 280 2,5

Zwergziege 7000 3,9 2710 3,4 158 2,2

Mensch 76000 4,9 15980 4,2 72 1,9

Pferd 500000 5,7 65100 4,8 44 1,6

Elefant 3833000 6,6 268000 5,4 26 1,4

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2 BeschreibenSiedasexperimentelleErgebnisausAufgabe1.Mit steigender Masse der Tiere nimmt der Sauerstoffverbrauch zu, jedoch mit geringerem Faktor. Dagegen nimmt die Herzfrequenz mit steigender Körpermasse ab.

3 ErläuternSieanhandderDarstellungausAufgabe1,dasseskaumeinhomoiothermesTiergebenkann,daskleineristalseineMaus.Je kleiner ein homoiothermes Tier, desto größer ist sein relativer Energieverbrauch. Dies liegt daran, dass ein wesentlich größerer Anteil der Energieproduktion benötigt wird, um die Körpertemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur aufrecht zu erhalten, da die Körperoberfläche in Bezug zum Körpervolumen immer größer wird, was eine Auskühlung zunehmend begünstigt.

4 ErläuternSiedasVerhaltenderPinguineimarktischenWinter.StellenSieeineAnalogiezudengroßenOhrenderafrikanischenElefantenher.Das enge Aneinanderstellen der Pinguine verringert die Oberfläche jedes einzelnen Tieres, die der kalten Umgebungsluft ausgesetzt wird. Dieses Verhalten ist für alle Pinguine energiesparend. Beim afrikanischen Elefanten helfen die großflächigen Ohren hingegen, Wärme effektiv an die Umgebung abzuführen. Diese können daher beim Kühlen helfen.

5 ErläuternSiediebiologischeBedeutung,diederbeobachtbareEffektfürdieFröschehat.Die Frösche suchen den Bereich auf, der für ihr Überleben die besten Ausgangsbedingungen bietet. Durch dieses Verhalten suchen sie sich die optimale Umgebungstemperatur aus, auf die ihr Körper erwärmt wird.

6 ErläuternSiedieBedeutungdesVergleichsversuches.Da die Temperatur der einzige Faktor ist, der zwischen diesen beiden Experimenten verändert wurde, kann nur durch die unterschiedlichen Beobachtungen der beiden Versuche die Aussage aus Aufgabe 5 getroffen werden.

Messung des Energieumsatzes (Seite 48)

1 ErläuternSiedieBezeichnungendirektebzw.indirekteKalorimetrie.Die Zu bzw. Abnahme der gemessenen Wärmemenge lässt einen direkten Schluss auf den Stoffwechsel zu. Bei der indirekten Kalorimetrie erfolgt eine nährstoffspezifische Umrechnung, um indirekt zum gleichen Wert zu kommen. Sie beruht auf der Messung der Sauerstoffaufnahme.

2 VergleichenSiedieBrennwerteundkalorischenÄquivalentederNährstoffeunderklärenSiedasrelativniedrigekalorischeÄquivalentfürFette.Fette haben einen hohen Brennwert, aber auch einen hohen Sauerstoffbedarf bei der energetischen Nutzung, sodass das kalorische Äquivalent mit dem der anderen Nährstoffe vergleichbar ist.

Praktikum: Stoffwechsel und Energie (Seite 49)

1 StellenSiedieMesswertegrafischdarunderläuternSiedieWahldesDiagrammtyps.individuelle Lösung (Anmerkung: Das Punktdiagramm bzw. das Liniendiagramm ist eine geeignete Diagrammform.)

2 ErklärenSiedieVersuchsergebnisse.NennenSiemöglicheUrsachenfürunterschiedlicheMesswerte.Der Embryo in keimenden Erbsen erzeugt im Rahmen seines Stoffwechsels Wärme, die die Temperatur im Gefäß ansteigen lässt. Trockene Samen ruhen. Der Stoffwechsel ist so gering, dass kein Temperaturanstieg gemessen wird.

3 EntwickelnSieeinenVersuchzurErkennungmöglicherFehlerquellenmitdenzurVerfügungstehendenMaterialien.Hinweis:WärmekapazitätEisen:0,452kJ/kg·K,WärmekapazitätWasser:4,182kJ/kg·KMögliche Fehlerquellen sind: Wärmeabgabe trotz Isolierung, Wärmeaufnahme durch das Isoliergefäß und das Thermometer, Behinderung des Stoffwechsels durch Sauerstoffmangel im Gefäß mit keimenden Samen, Messungenauigkeit beim Wiegen bzw. Temperaturmessen. Die drei ersten Fehlerquellen können untersucht werden, indem man durch die erhitzte Schraube eine definierte Wärmemenge einer definierten Wassermenge in der Versuchsanordnung zuführt und den Temperaturverlauf misst.

4 FührenSiedenvonIhnenentwickeltenVersuchdurchundstellenSiedieMesswertegrafischdar.Versuchsdurchführung: Wassermenge abmessen und in das Isoliergefäß füllen, Schraube wiegen und erwärmen (Temperatur messen), heiße Schraube in das Gefäß geben und Temperatur messen.

5 ErklärenSiedieErgebnissedesVersuchs.NennenSieSchlussfolgerungenfürdenVersuchmitErbsensamen.Das Produkt aus Temperaturdifferenz und Wärmekapazität der Schraube muss dem entsprechenden Wert für das Wasser gleichen. Die Abweichung ergibt die Wärmekapazität der Anordnung, die Abkühlungskurve den Wärmeverlust durch Wärmeabgabe. Die Wärmeabgabe durch die Erbsensamen ist also etwas höher, als die gemessene Temperaturerhöhung anzeigt.

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6 FertigenSieeinVersuchsprotokollinklusiveDeutungan.Das Versuchsprotokoll enthält eine Skizze der Versuchsanordnung, die Messwerte und eine Deutung. Der Kohlenstoffdioxidgehalt in der ausgeatmeten Luft ist nach den Kniebeugen höher als vorher, da im Körper durch die Muskelarbeit mehr Kohlenstoffdioxid im Stoffwechsel entsteht.

7 DiskutierenSie,obSiedieGenauigkeitderMessmethodebeurteilenkönnen,indemSieIhreMessergebnissemitdenenIhrerMitschülervergleichen.Die Werte bei verschiedenen Personen zeigen zwar dieselbe Tendenz, sind aber nicht quantitativ vergleichbar, da sie z. B. von der Körpermasse abhängen.

Die Muskelkontraktion benötigt Energie (Seite 50/51)

1 StellenSiedenAblaufderMuskelkontraktionineinemVerlaufsschemadar.Nervensignal trifft ein → CalciumIonen werden freigesetzt → Myosinbindungsstellen am Actin werden freigegeben → Myosinköpfe lagern sich an Bindungsstellen am Actin → Myosinköpfe knicken ab → Actin und Myosinmolekül verschieben sich gegeneinander → der Muskel verkürzt sich.

2 RegelmäßigesKrafttrainingkannzueinerVerdickungdertrainiertenMuskelnführen.ErklärenSiedieAuswirkungenaufdieMuskelkraft.Durch das Training werden mehr parallel angeordnete Muskelfasern gebildet, deren Kraft sich bei der Kontraktion addiert.

3 NachEintrittdesTodesfindetimKörperkeineATPSynthesemehrstatt.NacheinigenStundenverlierenvieleProteineihreursprünglicheStruktur.StellenSieeineHypothesezurUrsachedernachdemTodeintretendenTotenstarreundderenAbklingennacheinigenStundenauf.ErläuternSieIhreAnnahme.Ohne ATP kann die Verbindung zwischen Actin und Myosin nicht gelöst werden. Erst wenn die Actin und/oder Myosinfilamente ihre Struktur verändern, löst sich die Totenstarre.

Sport und Energiebereitstellung (Seite 52/53)

1 BeschreibenSiedieEnergiebereitstellungbeim800mLauf.In wenigen Sekunden sinkt der ATPVorrat, dann der von Kreatinphosphat. Dabei steigt die Milchsäurekonzentration zuerst, sinkt dann aber bei zunehmender Zellatmung.

2 LeitenSieausAbb.2dieimMuskelvorkommendenenergetischnutzbarenStoffebzw.Stoffkombinationenab.Es handelt sich um ATP/ ADP, Kreatinphosphat/ ADP, Glucose, Glucose/ Sauerstoff.

3 ErläuternSiedieRolledesKreatinphosphatsbeiderEnergiebereitstellung.Diese Möglichkeit zur ATPBereitstellung ohne Sauerstoffbedarf verzögert das Einsetzen der energetisch wenig ergiebigen Milchsäuregärung.

4 FormulierenSieeineHypothesezurUrsachederMilchsäuregärungundbegründenSiediese.Dieser anaerobe Abbauweg der Glucose tritt bei Sauerstoffmangel auf, der vermutlich dadurch entsteht, dass der Sauerstofftransport durch das Blut nicht zum oxidativen GlucoseAbbau ausreicht.

Extra: Regulation der Atmung (Seite 53)

ErstellenSiemithilfederAbbildungeinenRegelkreiszurAtemaktivität.Störgröße: z.B. sportliche Betätigung Regelgröße: Partialdruck der Atemgase im Blut Messfühler: Sensoren für Kohlenstoffdioxid im verlängerten Rückenmark, für Sauerstoff in der Halsschlagader Istwert: jeweiliger Messwert Regler: Neuronen im verlängerten Rückenmark Führungsglied: Atemzentrum Stellwert: vorgegebenen Partialdrucke der Atemgase im Blut Stellglied: Atemmuskulatur Stellgröße: Art bzw. Intensität, mit der die Atemmuskulatur arbeitet.

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Mitochondrien als Atmungsorganellen (Seite 54)

1 InformierenSiesichüberIsotopeunderläuternSiedieseamBeispielvon14C.Isotopie bedeutet, dass im Atomkern eines Elements unterschiedliche Anzahlen von Neutronen vorkommen können. Das natürlicherweise am häufigsten vorkommende Isotop des Kohlenstoffs ist das Isotop 12C. Es besteht im Kern aus sechs Protonen und sechs Neutronen. Beim Isotop 14C befinden hingegen neben den sechs Protonen acht Neutronen im Zellkern.

2 ErläuternSiedieinAbb.2erkennbarenZusammenhänge.In Muskelzellen werden viele energetisch nutzbare Stoffe umgesetzt, da dabei ein Teil der in den Nährstoffen chemisch gebundenen Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird. In Leberzellen hingegen werden viele Stoffe, die dem Körper zugeführt werden, in andere Stoffe umgewandelt. Mitochondrien sind die zentralen Stoffwechselorganellen im Körper. Von daher ist es nicht verwunderlich, dass die Daten einen Zusammenhang zwischen Zellen mit hoher Stoffwechselaktivität und Anteil der Mitochondrien am Gesamtvolumen der Zelle aufzeigen.

Material: Befunde zum Ort der Zellatmung (Seite 55)

1 BeschreibenSiedieErgebnissederbeidenVersuche.Wenn die Probe nur Mitochondrien enthält, bleibt der Sauerstoffgehalt der Probe konstant hoch. Nur bei einer Probe, die Mitochondrien und Zellplasma enthält, sinkt der Sauerstoffgehalt unmittelbar nach Glucosezugabe innerhalb der ersten drei bis vier Minuten stark ab. In den darauf folgenden fünf Minuten steigt er jedoch wieder und erreicht die Ausgangskonzentration.

2 FormulierenSieverschiedeneHypothesenzumBeginndesGlucoseAbbaus,diesichausdenDatenergebenkönnen.Hypothesen: – Das Zellplasma allein ist der Ort der Zellatmung und enthält also die gesamten dafür notwendigen Enzyme. – Die Zellatmung findet in mehreren Schritten statt, teils im Zellplasma, teils in den Mitochondrien (alternativ andere Hypo these zur Reihenfolge). (Hinweis: Die Hypothesen sind durch einen weiteren Versuch zu überprüfen, bei dem die Probelösung nur Zellplasma enthält).

3 ErklärenSiedieMessergebnissezurRadioaktivität.Da Glucose sich nicht in Silikonöl löst, kann sie nicht in die unterste wässrige Phase gelangen. Bei b) und c) ist dort dennoch Radioaktivität nachweisbar. Radioaktive Stoffe müssen sich in den Zellen (b) bzw. in den Mitochondrien (c) befinden. Mitochondrien allein (a) führen nicht zur Anreicherung von Radioaktivität in der untersten Phase. Isolierte Mitochondrien nehmen also keine Glucose auf. Glucose wird erst in andere radioaktive Stoffe umgewandelt, die wiederum innerhalb der Mitochondrien in die unterste Phase gelangen. Diese Umwandlung von Glucose findet wohl im Zellplasma statt.

4 GlucosewirdinmehrerenSchrittenanverschiedenenOrtenderZelleabgebaut.ErläuternSieanhandderMessergebnissesowohldieReihenfolgealsauchdieOrtedesjeweiligenAbbauschrittes.Die ersten Schritte der Zellatmung finden nicht in den Mitochondrien statt, sondern im Zellplasma. Ein Produkt dieser Reaktionen gelangt in die Mitochondrien und reagiert dort weiter. (Hinweis: Die geringe Radioaktivität in der Silikonphase hängt mit der Radioaktivität natürlicher Stoffe zusammen, was ein Kontrollversuch nur mit Silikon bestätigt.

Die Glykolyse — der erste Schritt der Zellatmung (Seite 56/57)

1 BeschreibenSiedasPrinzipderAktivierung.Aktivierung bedeutet die Erhöhung der Reaktionsfreudigkeit von Molekülen durch Herabsetzung der notwendigen Aktivierungsenergie für Folgereaktionen.

2 ErläuternSie,wiedieBildungvonGlucose6phosphateineSteigerungderGlucoseAufnahmebewirkt.Durch die Reaktion von Glucose mit ATP zu Glucose6phosphat wird der weitere Glucoseabbau eingeleitet. Dadurch sinkt die Glucosekonzentration. Dies begünstigt die weitere Glucoseaufnahme.

3 DasEnzymPhosphofructokinasekatalysiertdieReaktionvonFructose6phosphatmitATP(Abb.2).EswirddurchvielATPimZellplasmagehemmt,einehoheADPKonzentrationfördertseineAktivität.FormulierenSieeineHypothesezurbiologischenBedeutungdieserBefunde.Die Hemmung bzw. Förderung der Enzymwirkung in Abhängigkeit von der ATP bzw. ADPKonzentration beeinflusst die Geschwindigkeit der Glykolyse so, dass sie bei ATPMangel schneller abläuft bzw. bei Vorhandensein von viel ATP langsamer abläuft. Dadurch ist es möglich, dass die Abbaurate der Glucose an den ATPBedarf angepasst wird.

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Der Abbau der Brenztraubensäure (Seite 58/59)

1 ErläuternSiedieFunktionderOxalessigsäureimCitronensäurezyklus.Die Oxalessigsäure dient als Akzeptor für AcetylCoA, das dadurch in den Citronensäurezyklus gelangt und dort abgebaut wird.

2 ErstellenSiefürdenAbbauvonBrenztraubensäureinAktivierungundCitronensäurezyklusdieReaktionsgleichung.CH3COCOOH + 2 H2O + 3 NAD+ + FAD + ADP + Phosphat ¥ 3 CO2 + 3 NADH + H+ + FADH2 + ATP

3 ErklärenSiemithilfevonAbb.2,wieausAcetylCoAohnedieAufnahmevonSauerstoffausderLuftKohlenstoffdioxidentstehenkann.Der Sauerstoff für die CO2Bildung stammt aus dem Wasser, wobei der Wasserstoff zur Bildung von Reduktionsäquivalenten führt.

Die Atmungskette — der letzte Schritt der Zellatmung (Seite 60/61)

1 ErläuternSiedasBasiskonzept„Kompartimentierung“amBeispielMitochondriumundAtmungskette.Die Trennung von Intermembranraum und Matrix ist die Voraussetzung für die Erzeugung eines Konzentrationsunterschieds durch die Atmungskette. Die Energie dieses Unterschieds stellt die Energie für die endergonische ATPSynthese bereit.

2 ErklärenSiedieBedeutungderOberflächenvergrößerunganderinnerenMembranderMitochondrien.Die Auffaltung der inneren Mitochondrienmembran erlaubt die Platzierung von mehr WasserstoffIonen transportierenden Proteinkomplexen und ATPSynthasen. Dadurch steigt die Leistungsfähigkeit des Mitochondriums.

3 IneinemExperimentwurdenisolierteMitochondrienineineLösungmitdempHWert8gegeben(Abb.4).EsfandkeineATPSynthesestatt.NachÜberführungineineLösungmitpH4wurdeATPgebildet.ErklärenSiedieVersuchsergebnisseunterEinbeziehungdesHinweises,dassdieäußereMitochondrienmembrandurchlässigfürH+Ionenist.Bei pH 8 liegt kein bzw. kein hinreichend großer Konzentrationsunterschied an H+Ionen zwischen Intermembranraum und Matrix für die Funktion der ATPSynthese vor. Bei einem pHWert von 4 im Intermembranraum reicht der Konzentrationsunterschied zur ATPSynthese aus.

Der oxidative Glucoseabbau im Überblick (Seite 62)

1 ErklärenSie,weshalbinderReaktionsgleichungzumGlucoseabbauWasseralsEduktundalsProduktvorkommt(Abb.1).C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 ¥ 6 CO2 + 12 H2O Im Citronensäurezyklus werden Wassermoleküle an Kohlenstoffgerüste gebunden, der Wasserstoff wird dann zur Bildung von Reduktionsäquivalenten verwendet. Auf der Produktseite steht Wasser, da Wassermoleküle in der Atmungskette entstehen.

2 MancheHefepilzekönnenGlucoseoxidativabbauen,aberauchGärungbetreiben.ErläuternSiediebiologischeBedeutungdieserFähigkeit.Die Hefepilze nutzen bei Anwesenheit von Sauerstoff den effektiveren Stoffwechselweg, können aber auch bei Sauerstoffmangel ihren Energiestoffwechsel und damit auch ihren Baustoffwechsel betreiben.

Praktikum: Glucoseabbau (Seite 63)

1 NennenSieIhreBeobachtungenunddeutenSiedieseunterBeachtungderAngabeninAbb.2.Die Schnittfläche ist blau gefärbt, in der Nähe des Embryos weniger intensiv als auf der übrigen Fläche. Der Stärkenachweis ist also positiv. In der Nähe des Embryos ist weniger Stärke vorhanden als außen. Der Embryo hat für seinen Stoffwechsel Stärke abgebaut.

2 ErläuternSiedieZusammenstellungderProbeninAbb.2.Wasser dient als Kontrollansatz; die übrigen Stoffe sind die für die Ernährung des Embryos infrage kommenden Nährstoffe.

3 UnterSauerstoffentzugkeimendieBohnensamennicht.ErklärenSiedies.Der Embryo benötigt die Energie aus dem oxidativen Glucoseabbau für seinen Energie und Baustoffwechsel.

4 ErläuternSieanhandvonAbb.3,welchesderbeidenMoleküledesMethylenblausdieoxidiertebzw.diereduzierteFormdarstellt.Die farblose Form ist die reduzierte Form, sie hat Elektronen aufgenommen. Die blaue Form ist die oxidierte Form, sie hat Elektronen abgegeben.

5 FührenSiedasExperimentdurchundbeschreibenSieIhreBeobachtungen.Es erfolgt eine langsame Entfärbung nach Zugabe des Methylenblaus. Beim Schütteln tritt wieder die Blaufärbung ein, wie auch bei erneutem Schütteln nach erfolgter Entfärbung.

6 ErklärenSiedenerstenFarbumschlagunterVerwendungdesHinweises,dassdabeiGlucoseoxidiertwird.Durch die RedoxReaktion mit Glucose wird diese oxidiert und Methylenblau geht in die reduzierte farblose Form über.

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7 ErklärenSiedieBeobachtungnachdemSchütteln.Luftsauerstoff oxidiert die farblose Methylenblauform.

8 ÜbertragenSiedasErgebnisdesModellversuchsaufVorgängebeimoxidativenGlucoseabbau.Methylenblau steht in der Mitte einer RedoxKette wie NAD+ zwischen CKörper und Proteinkomplex I in der Atmungskette.

Regulation im Stoffwechsel (Seite 64)

1 BeschreibenSiedieVersuchsergebnisseunderklärenSiediesemithilfedesModells(Abb.1und3).Je höher die Substratkonzentration ist, desto schneller läuft die Reaktion ab. Insbesondere bei mittleren Enzymkonzentrationen steigert ADP die Enzymwirkung, bei ATPZugabe sinkt sie. ADP bzw. ATP bewirken als Aktivator bzw. Hemmstoff eine Veränderung der Enzymform und damit der katalytischen Wirkung.

2 PhosphofructokinasewirddurchCitronensäureebenfallsgehemmt.BeschreibenSieeinExperiment,mitdessenHilfemandieseAussagebestätigenkann.In Anlehnung an das in Abb. 1 dargelegte Experiment könnte man den Umsatz von Fructose6phosphat in Gegenwart von und in Abwesenheit von Citrat untersuchen.

3 ErklärenSiediebiologischeBedeutungderHemmungderPhosphofructokinasedurchCitronensäure.Eine hohe Konzentration von Citronensäure bedeutet, dass ständig viel Oxalessigsäure mit AcetylCoA zu Citrat umgesetzt wird, weil der Citronensäurezyklus vermehrt abläuft. Ist dies der Fall, so liegt auch viel ATP vor. Citrat führt ebenfalls zur allosterischen Hemmung der Phosphfructokinase. Dies ist biologisch bedeutend, da nicht unnötigerweise Nährstoffe durch die Glykolyse und dann durch den CItronensäurezyklus geschleust werden. Lebewesen sparen Ressourcen in Situationen, wenn sie nicht gebraucht werden.

Material: Regulation der Zellatmung (Seite 65)

1 GehenSiedieReaktionsschematafürdiebeidenAbbauwegederGlucose(Abb.1)an.aerob: C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 → 6 CO2 + 12 H2O anaerob: C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2

2 ErklärenSiedieinAbb.2dargestelltenVersuchsergebnisseunterVerwendungdesinAbb.3dargestelltenModells.NADH + H+ wirkt allosterisch hemmend auf die BTSDehydrogenase.

3 ErläuternSiedieRegulationsmöglichkeitenbeiderGlykolyseundbeimCitronensäurezyklusundderenbiologischeBedeutung.Die Glykolyse kann bei der Umsetzung von Fructose6phoshat zu Fructose1,6bisphosphat reguliert werden. Dann setzt eine Regulation bei der Umsetzung von Brenztraubensäure zu AcetylCoenzym A ein. Im Citronensäurezyklus wird bei der Umsetzung von Acetyl Coenzym A zu Citronensäure und bei der Umsetzung von Isocitronensäure zu aKetoglutarsäure reguliert. Liegt viel ATP und Citronensäure vor, wird sie gehemmt, liegt viel ADP vor, wird sie aktiviert. Bedeutung: Wenn wenig energetisch nutzbare Stoffe benötigt werden, erfolgt der Abbau von ATP nur in geringem Ausmaß, ebenso wird Citronensäure im Citronensäurezyklus nicht weiter umgesetzt, sondern häuft sich an. Ein weiterer Abbau von Nährstoffen käme einem nicht effektiven Umgang mit Nährstoffen gleich, was in Zeiten des Mangels einen Nachteil bedeuten kann. Wird viel ATP benötigt, ist zeitgleich die Menge an ADP hoch, sodass die Beschleunigung des Abbaus von Nährstoffen einen Vorteil bedeuten kann. In diesem Fall ist wegen des vermehrt ablaufenden Citronensäurezyklus die Menge an Citronensäure gering. Liegt viel NADH+H+, ATP und Acetyl Coenzym A vor, so werden wenig energetisch nutzbare Stoffe benötigt, da diese Stoffe nicht umgesetzt werden. In diesem Fall läuft der Citronensäurezyklus weniger intensiv ab, sodass sich Acetyl Coenzym A anhäuft. Ein weiterer Abbau von Nährstoffen wäre daher nicht effektiv.

Energie- und Baustoffwechsel (Seite 66/67)

1 BeschreibenSieunterVerwendungvonAbb.1,wieAminosäurenzurBildungvonFettsäurenbeitragenkönnen.Zuerst erfolgt eine Desaminierung. Aus der entstehenden organischen Säure kann AcetylCoA gebildet werden. Solche Bausteine können durch Verknüpfung zum Fettsäuremolekül werden.

2 DerCitronensäurezykluswirdals„DrehscheibedesStoffwechsels“bezeichnet.ErläuternSiediesenAusdruck.Aus allen Nährstoffgruppen können Moleküle zur Energiebereitstellung oder zum Aufbau von Nährstoffen aus der eigenen Gruppe oder aus anderen Gruppen genutzt werden.

Extra: Einseitige Diäten (Seite 67)

EntwickelnSieeinenVorschlag,deraufgesundemWegezueinerGewichtsreduzierungführenkann,undbegründenSieihn.Wenig, aber ausgewogene Nahrung ist eine Alternative zu einseitiger Ernährung oder einer Crashdiät. So kann man eine langsame Leerung der Fettspeicher bewirken, ohne den Stoffwechsel einseitig zu belasten.

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© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2019 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Natura Qualifikationssphase Biologie Niedersachsen, LösungenGrafik: Wolfgang Herzig, Essen

Material: Steuerung und Regelung im Stoffwechsel (Seite 68/69)

1 StellenSiedieMessergebnisseausAbb.2grafischdar.

2 ErklärenSiedieZusammenhängezwischendenMesswertenunterdemAspektderkalorischenHomöostase.Die sinkende Glucosefreisetzung in der Leber wird durch die Abgabe von Ketonkörpern und Fetten ausgeglichen. Dadurch wird die Versorgung mit energetisch nutzbaren Stoffen aufrechterhalten.

3 ErläuternSiedieinAbb.1dargestelltenZusammenhänge.Fette werden aus dem Fettgewebe mobilisiert und in der Leber zu Ketonkörpern, Glucose und unter Verwendung von in Muskeln durch Proteinabbau freigesetzten Aminogruppen auch zu Aminosäuren umgebildet. So wird die Versorgung der Organe ermöglicht.

4 ErläuternSiekurzdieWasserbildungindenMitochondriennormalerKörperzellen.Wasserstoff aus den Reduktionsäquivalenten und aufgenommener Sauerstoff reagieren wie in der Knallgasreaktion zu Wasser.

5 ErklärenSiemithilfevonAbb.3dieAuswirkungenvonThermogenininderMitochondrienmembraninZellendesbraunenFettgewebesaufdieVerteilungvonH+IonenaufdieATPBildung.Thermogenin senkt den WasserstoffIonenkonzentrationsunterschied ohne ATPBildung und senkt dadurch die ATPProduktion.

6 ErklärenSiedieintensiveWärmefreisetzungdurchdasbrauneFettgewebemitBezugzurgutenDurchblutungdiesesGewebesundseinerLageimKörper.Weniger ATP führt zu weniger gehemmtem Abbau der Fette und damit zur vermehrten Produktion von Reduktionsäquivalenten. Die starke Durchblutung bringt genug Sauerstoff heran, sodass die Knallgasreaktion verstärkt ablaufen kann. Dadurch wird mehr Wärme freigesetzt.

7 EntwickelnSieeineVersuchsanleitung,diezudenErgebnisseninAbb.5führenkann.In einem Gefäß befindet sich eine GlucoseLösung, in die Sauerstoff geleitet oder in der die Sauerstoffzufuhr unterbunden werden kann. (Ein Rührer sollte für Durchmischung sorgen.) Durch einen Abfluss mit Hahn können Proben entnommen werden, die auf ihren Glucosegehalt untersucht werden. Ein Thermometer erlaubt die Bestimmung der Temperatur.

8 ErklärenSiedieVersuchsergebnisse(Abb.5).Die Temperatur steigt langsam, obwohl der Glucosegehalt schnell abnimmt, weil die Hefe anaerob durch Gärung nur wenig ATP für den Stoffwechsel bereitstellen kann. Aerob betreibt sie mit weniger Glucose intensiver Stoffwechsel.

9 ErläuternSie,welchenVorteilderHefepilzalsfakultativerGärerbesitzt.Aerob wächst und vermehrt sich die Hefe schnell, da sie Glucose optimal energetisch nutzen kann. Ohne Sauerstoff kann sie durch alkoholische Gärung hinreichend Energie für langsames Wachstum bereitstellen.

10InGärtankswirdbeiderAlkoholherstellungzuBeginnSauerstoffzugeführt,späternichtmehr.ErklärenSiedieVorteilediesesVorgehens.Unter aeroben Bedingungen vermehrt sich die Hefe schneller, unter anaeroben setzen die Hefezellen dann Alkohol durch Gärung frei.

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normalernährt

40 StundenHunger

7 TageHunger

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GlucoseFettsäurenKetonkörper


Ernährung von Tieren und Pflanzen (Seite 70/71)

1 ErklärenSiedieBedeutungderunterschiedlichfarbigenPfeileinAbb.1.Die unterschiedlich farbigen Pfeile deuten auf Vorgänge hin, die nur bei Pflanzen oder nur bei Tieren ablaufen. Beispielsweise nehmen Tiere und Pflanzen Sauerstoff auf, aber nur Pflanzen geben auch Sauerstoff ab.

2 ErläuternSiedieBegriffeheterotrophundautotrophamBeispielvonzweiselbstgewähltenOrganismen.NutzenSiedazuauchAbb.1.Z.B.:Ein Apfelbaum stellt die benötigten Nährstoffe mithilfe von Licht selbst her. Von außen nimmt er dazu Wasser, Kohlenstoffdioxid und Mineralstoffe auf. Ein Hase kann die benötigten Nährstoffe nicht selbst herstellen und muss sie mit der Nahrung aufnehmen. Ein Apfelbaum ist ein autotropher, ein Hase ein heterotropher Organismus.

3 ErläuternSiedasBasiskonzeptStoffundEnergieumwandlungamBeispielderFotosynthese.Pflanzen bilden mithilfe der Lichtenergie in den Fotosynthesereaktionen den energetisch nutzbaren Stoff Glucose.

Extra: Parasitierende Pflanzen (Seite 71)

StellenSieGemeinsamkeitenundUnterschiedevonVollundHalbparasitenineinerTabelledar.Gemeinsamkeiten: Voll und Halbparasitenpflanzen benötigen eine Wirtspflanze; ein Teil der benötigten Stoffe wird der Wirtspflanze entzogen. Unterschiede: Halbparasitenpflanzen nehmen von ihrer Wirtspflanze meist nur Wasser und Mineralstoffe auf, betreiben aber selbst Fotosynthese; Vollparasitenpflanzen entziehen ihrer Wirtspflanze auch Nährstoffe, betreiben also nicht selbst Fotosynthese.

Zusammenwirken der Pflanzenorgane (Seite 72/73)

1 ErstellenSieeineTabellezudenStrukturenderBlätterundihrenjeweiligenFunktionen.siehe Tabelle

2 StellenSieeineHypotheseauf,weshalbeinBuchenblattnuraufderBlattunterseiteStomatabesitzt,nichtaberaufderBlattoberseite.Aufgrund höherer Sonneneinstrahlung und Temperatur auf der Blattoberseite wäre der Wasserverlust durch Transpiration bei geöffneten Stomata auf der Blattoberseite wesentlich höher.

3 StellenSieineinemSchemadar,welchenEinflussdieFaktorenLicht,WasserundVersorgungmitKohlenstoffdioxidaufdieÖffnungsweitederStomatahaben.mehrere Lösungen möglich, z. B.:

Fotosynthese und Umweltfaktoren (Seite 74)

1 ErläuternSiebegrenzendeFaktorenderFotosyntheserateeinerPflanzeaneinemhellenSommertag.An einem hellen Sommertag sind die Lichtintensität und die Temperatur so hoch, dass annähernd optimale Bedingungen bezüglich dieser Faktoren erreicht sind. Begrenzend wirkt die CO2Versorgung der Pflanze, die erst mit eine CO2Konzentration von ca. 0,15 % optimal wäre.

2 ErstellenSieausdenMesswerteninAbb.2einDiagramm.ErklärenSiedenVerlaufderKurve(s.auchSeite40).Diagramm ergibt Optimumkurve: Zunahme der Fotosyntheserate durch höhere Enzymaktivität (RGTRegel), Optimum bei 35 °C, höchste Enzymaktivität, Abnahme durch Denaturierung der Enzyme, Struktur des aktiven Zentrums verändert sich.

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1. 4 Fotosynthese und Stoffaufbau

Struktur Funktion

EpidermismitKutikula Verdunstungsschutz

Palisadengewebe enthältdiemeistenChloroplasten,HauptortderFotosynthese

Schwammgewebe Gasdiffusion(Kohlenstoffdioxid,Sauerstoff)zwischenZellenderGewebe

Spaltöffnungen GasaustauschmitderUmgebung(Kohlenstoffdioxid,Sauerstoff,Wasserdampf)

Leitbündel TransportzwischenPflanzenorganen(Xylem:WasserundMineralstoffe,Phloem:Nährstoffe)

jemehrLicht

desto höherFSRate CO2Ver

sorgungÖffnungsweiteStomata

Wasser

desto höher muss sein

dann sinkt

desto größer

desto geringer

desto höher Transpiration

desto kleiner


Praktikum: Fotosynthese (Seite 75)

1 ProtokollierenSiedieVersuchsergebnisseundwertenSiesiehinsichtlichderKohlenstoffdioxidaufnahmeundderSauerstoffabgabebeiderFotosyntheseaus.Im Ansatz mit Mineralwasser färbt sich die Lösung um die Pflanze herum sehr schnell und stark blau, im Ansatz mit destilliertem Wasser wesentlich langsamer und weniger stark. Im Ansatz mit Mineralwasser ist wesentlich mehr Kohlenstoffdioxid im Wasser gelöst. Durch Aufnahme ist die Fotosyntheserate hier wesentlich höher, es wird mehr Sauerstoff gebildet, die Lösung färbt sich schneller und stärker blau.

2 PlanenSieeinenKontrollansatz,führenSieihndurchundwertenSieihnaus.Ein Kontrollansatz ist z. B. ohne Pflanze mit und ohne Ölschicht möglich. So kann kontrolliert werden, ob die Blaufärbung durch die Sauerstoffabgabe der Pflanze entsteht.

3 WertenSiedenerstenVersuchsteilhinsichtlichdesEinflussesderLichtintensitätaufdieFotosyntheseaus.Je größer die Lichtintensität, desto mehr Gasblasen entstehen, desto höher ist die Fotosyntheserate.

4 LeitenSieausdenErgebnissendeszweitenVersuchsteilsTippsfüreineoptimaleBeleuchtungvonPflanzenab.Bei blauem und rotem Licht ist die Anzahl der Gasblasen und damit die Fotosyntheserate am höchsten, bei gelbem und grünem Licht am niedrigsten. Pflanzen werden für optimales Wachstum am besten mit rotem und blauem Licht beleuchtet.

Licht — Energiequelle für die Fotosynthese (Seite 76)

1 Theodor W. Engelmann(1843—1909)führte1882deninAbb.2dargestelltenVersuchmiteinerFadenalgeundsauerstoffliebendenBakteriendurch.WertenSiedieVersuchsergebnisseaus.Die sauerstoffliebenden Bakterien sammeln sich hauptsächlich in den Bereichen des blauen und roten Lichts. Die Fadenalge produziert also in diesen Bereichen mehr Sauerstoff, was auf eine höhere Fotosyntheserate zurückzuführen ist. Blaues und rotes Licht zeigt die höchste Wirkung bezüglich der Fotosyntheserate (Wirkungsspektrum).

2 ErläuternSie,inwieferndieAbsorptionsundWirkungsspektrenbelegen,dassdieverschiedenenBlattfarbstoffeanderFotosynthesebeteiligtsind.Die Maxima des Wirkungsspektrums liegen dort, wo die Absorptionsmaxima von Chlorophyll a liegen. Die Wirkung im Bereich 600 nm bis 630 nm wird durch die Absorption von Chlorophyll b verursacht, Chlorophyll a absorbiert hier weniger. Die Wirkung bei 500 nm bis 510 nm kommt durch die Absorption der Carotinoide zustande.

Praktikum: Trennung von Blattfarbstoffen (Seite 77)

1 VergleichenSiediegenutztenFilterpapierehinsichtlichderdaranerkennbarenBlattfarbstoffe.Es sind jeweils mehrere Farbstoffe in den Filterpapieren zu erkennen. Grüne Blätter: grün, gelb; rote Blätter: rot, grün, gelb; gelbe Herbstblätter: gelb

2 ErläuternSiedasPrinzipderTrennungvonFarbstoffendurchDünnschichtchromatographie(Abb.1).In der Abbildung sind die Wechselwirkungen zwischen den unpolaren Molekülen von Stoff 1 und den wenig polaren Molekülen des Laufmittels größer, Stoff 1 wird schneller mit dem Laufmittel transportiert. Die polaren Moleküle von Stoff 2 wechselwirken weniger mit den Laufmittelmolekülen, aber stärker mit den Molekülen des Kieselgels, Stoff 1 wird langsamer mit dem Laufmittel transportiert.

3 BlätterderBlutbucheenthaltenzusätzlichdenFarbstoffCyanidin,gelbeHerbstblätterdenFarbstoffAnthocyan.IdentifizierenSiedieingrünen,rotenundherbstlichgelbenBlätternjeweilsenthaltenenStoffeindenChromatogrammen.Cyanidin ist nur im Chromatogramm der roten Blätter zu finden, Anthocyan nur in den gelben Herbstblättern. Die gelben und grünen Banden, die auch im Chromatogramm der grünen Blätter zu finden sind, sind den Carotinoiden und Chlorophyllen zuzuordnen.

4 PrüfenSieanhandderVersuchsergebnisse,welcheBlätterChlorophyllenthalten,undstellenSieeineHypotheseauf,wiedieHerbstfärbungentsteht.Die grünen und roten Blätter enthalten Chlorophylle, die gelben Herbstblätter nicht. Die Chlorophylle werden im Herbst vermutlich abgebaut, sie absorbieren dann nicht mehr im blauen und roten Bereich des Lichts. Die Carotinoide absorbieren im blauen Lichtbereich. Der im Herbst gebildete Farbstoff Anthocyan absorbiert vermutlich im grünen Lichtbereich. Werden grünes und blaues Licht absorbiert, erscheinen die Blätter gelb, orange, rot.

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Fotoreaktion — der erste Teil der Fotosynthese (Seite 78/79)

1 ErläuternSie,anwelcherStellederPrimärreaktionendieLichtenergiefürdiePflanzechemischnutzbarwird.Im Reaktionszentrum überträgt ein Chlorophyllmolekül Elektronen auf einen primären Elektronenakzeptor. In diesem Moment wurde die absorbierte Lichtenergie für die Pflanze chemisch nutzbar gemacht.

2 BegründenSie,auchmithilfederAbb.2,weshalbwederdasFotosystemInochdasFotosystemIIalleinfürdiePrimärreaktionenderFotosynthesevonPflanzenausreicht.Die ATPBildung ist durch den Protonengradienten möglich. Dieser entsteht unter anderem durch den Transport von Protonen während der Redoxkette zwischen den Fotosystemen. Zwischen Fotosystem I und Wasser wäre die Spannung zur Wasserspaltung zu gering.

3 NehmenSieStellungzurfolgendenAussage:„OhneLichtkeineATPBildung“.Nur mithilfe des Lichts kann der Protonengradient entstehen, durch den wiederum ATP gebildet wird. Deshalb findet ohne Licht keine ATPBildung statt.

Synthesereaktion — der zweite Teil der Fotosynthese (Seite 80/81)

1 BeschreibenSiedieTeilschrittedesCalvinzyklus,beginnendbeiderKohlenstoffdioxidfixierung.GehenSiedabeiaufdieFunktionenvonATPundNADPH+H+indenReaktionenein.Beschreibung der einzelnen Schritte, z. B. Zerfall C6Körper in je zwei C3Körper, Addition Phosphatgruppe, ATP überträgt Phosphatgruppen, NADPH + H+ überträgt Elektronen, Folgeprodukte setzen in Reaktionen mehr Energie frei

2 ErmittelnSieanhandvonAbb.1denBedarfanATPundNADPH+H+fürdieSyntheseeinesMolekülsGlucose.Für die Bildung eines Moleküls Glucose wird der CalvinZyklus sechsmal durchlaufen. Dafür werden 18 Moleküle ATP und 12 Moleküle NADPH + H+ benötigt.

3 AlgenwerdenbeiausreichendKohlenstoffdioxidimLichtgehalten.NacheinigerZeitwirddasLichtausgeschaltet.SkizzierenSiedenPGSundRubPGehaltnachdemAusschaltendesLichts.OrientierenSiesichdabeianAbb.2.BegründenSiedengewähltenVerlaufmitAbb.1.PGSGehalt steigt, RubPGehalt sinkt, CO2Fixierung läuft auch ohne Licht weiter ab, die Reaktionen des Zyklus vom PGS zurück zum RubP allerdings nicht, da die Produkte ATP und NADPH + H+ aus den Fotoreaktionen ohne Licht nicht gebildet werden.

Methode: Autoradiographie (Seite 81)

1 BeschreibenSiedasVerfahrenderAutoradiographie.Durch ein geeignetes Isotop wird die gewünschte Atomsorte radioaktiv markiert. Die untersuchten Reaktionen werden nach unterschiedlichen Zeiten gestoppt und eine Probe einer Chromatographie unterzogen. Filmmaterial wird durch radioaktive Strahlung geschwärzt. Entstandene Stoffe mit eingebauten radioaktiven Isotopen werden so im Autoradiogramm sichtbar.

2 DeutenSiedieAutoradiogrammeinderAbb.3hinsichtlichderErkenntnissezurSynthesevonGlucoseunterBeteiligungvonKohlenstoffdioxid.Der erste Stoff nach der Bindung von Kohlenstoffdioxid ist 3Phosphoglycerinsäure (Autoradiogramm nach 0,5 s). Aus PGS wird über Zwischenprodukte (GAP, RubP) Glucose gebildet (Autoradiogramm nach 10 s).

Fotosynthese im Überblick (Seite 82)

1 ErläuternSieAbb.1.GehenSiedabeidaraufein,inwiefernauchdieFotoreaktionvonderSynthesereaktionabhängt.Beschreibung von Fotoreaktion und Synthesereaktion, Synthesereaktion ist nur mit Produkten der Fotoreaktion möglich. Umgekehrt werden in der Fotoreaktion ADP und NADP+ benötigt, die in der Synthesereaktion zurückgebildet werden.

2 PflanzenwerdenmitschweremC18O2versorgt.BegründenSie,inwelchenProduktenderFotosynthesedieschwerenSauerstoffatomenachweisbarsindundinwelchennicht.In Wasser sind keine markierten OAtome nachweisbar, O2 stammt ausschließlich aus Wasser, in Glucose und Wasser wären nach dem Verlauf des CalvinZyklus markierte OAtome denkbar.

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Material: Erforschung der Fotosynthesereaktionen (Seite 83)

1 ErmittelnSiemöglicheFragestellungen,dieArnoninseinenExperimentenuntersuchte.z. B.: Welche Substanzen werden in der Fotosynthese mithilfe von Licht oder ohne Licht gebildet? Wo finden die lichtabhängigen bzw. lichtunabhängigen Reaktionen statt?

2 ErklärenSiedieErgebnissederExperimenteinAbb.1.In 1 und 3 Fotoreaktion, in Folge mit CO2 auch Synthesereaktion, in 2 und 4 keine Fotoreaktion, damit auch keine Synthesereaktion möglich, in 5 Produkte der Fotoreaktion gegeben, Synthesereaktion auch ohne Licht

3 IhnenstehenThylakoide,Stroma,Kohlenstoffdioxid,Licht,ADP,ATP,NADP+undNADPH+H+zurVerfügung.VariierenSiedieVersuchsbedingungenausAbb.1fürdreiweitereExperimenteundtreffenSiebegründeteVorhersagenzudenjeweiligenErgebnissen.individuelle Lösung

4 ErläuternSiediepHWertänderungeninAbb.2mithilfeIhrerKenntnisseüberdieFotoreaktion.Durch Licht wird mithilfe des angeregten Chlorophylls Wasser gespalten. Durch den Elektronentransport in der Elektronentransportkette entsteht ein Konzentrationsunterschied an WasserstoffIonen. Der pHWert außen steigt.

5 BeschreibenSiedenVersuchinAbb.3.Isolierte Thylakoide werden in ein Medium mit dem pHWert 4 gegeben, bis sich der pHWert in deren Innerem angeglichen hat. Danach werden sie in ein Medium mit dem pHWert 8 übertragen.

6 DeutenSiedieVersuchsergebnisseinAbb.3underklärenSie,weshalbdieVersucheimDunkelndurchgeführtwurden.Der Konzentrationsunterschied an WasserstoffIonen führt zur Bildung von ATP. Je größer der Konzentrationsunterschied, desto mehr H+Ionen strömen durch die ATPSynthasen und desto mehr ATP wird gebildet. Die Versuchsdurchführung bei Dunkelheit stellt sicher, dass kein lichtinduzierter Transport von WasserstoffIonen stattfindet.

Material: Fotosynthesespezialisten C4-Pflanzen und CAM-Pflanzen (Seite 84/85)

1 VergleichenSiedenBlattquerschnittderC4PflanzeMaismitdemBlattquerschnittderC3PflanzeRotbucheaufSeite73,Abb.3.Beide Blattquerschnitte besitzen obere und untere Kutikula, obere und untere Epidermis, Spaltöffnungen unten, Leitbündel, fotosynthetisch aktives Gewebe. Der Blattquerschnitt der C4Pflanze Mais ist von oben und unten symmetrisch und nicht wie bei der C3Pflanze Buche in Palisaden und Schwammgewebe unterteilt. C4Pflanzen weisen Mesophyllzellen mit Chloroplasten und Bündelscheidenzellen mit Chloroplasten auf. Letztere sind um die Leitbündel herum angeordnet.

2 BeschreibenSiedieSynthesereaktioneninBlattzellenvonMais(Abb.1).Kohlenstoffdioxid der Luft wird in Mesophyllzelle mit Enzym PEPCarboxylase gebunden. Das Zwischenprodukt Äpfelsäure wandert in Bündelscheidenzelle, wo Kohlenstoffdioxid wieder abgespalten wird. Der CO2Akzeptor PEP wird in Mesophyllzellen zurückgebildet, das Kohlenstoffdioxid in Bündelscheidenzellen wird wie bei C3Pflanzen im CalvinZyklus fixiert. Kohlenstoffdioxid wird in C4Pflanzen also zweimal fixiert.

3 ErklärenSiedieVorteile,diesichfürC4PflanzenanwarmtrockenenStandortenausderräumlichgetrennten,zweimaligenKohlenstoffdioxidfixierungergeben.In den Mesophyllzellen kann die Kohlenstoffdioxidfixierung durch die PEPCarboxylase bei wesentlich niedrigeren Kohlenstoffdioxidkonzentrationen erfolgen. In den Bündelscheidenzellen wird Kohlenstoffdioxid durch Freisetzung zunächst wieder angereichert und höhere Konzentrationen werden erreicht. Nun kann auch das Enzym Rubisco effektiv Kohlenstoffdioxid im Calvinzyklus binden.

4 ErläuternSieunterBezugaufAbb.2,unterwelchenBedingungenC3PflanzenundunterwelchenC4PflanzenimVorteilsind.Bei der natürlichen Kohlenstoffdioxidkonzentration der Luft von 0,04 % ist die C4Pflanze der C3Pflanze überlegen und kann etwa doppelt so viel Kohlenstoffdioxid binden. Erst bei einer doppelt so hohen Kohlenstoffdioxidkonzentration (0,08 %) würde die C3Pflanze eine höhere Fotosyntheserate erzielen.

5 VerhungernoderVerdursten?ErläuternSieunterBezugzumgesamtenMaterial,wieC4PflanzenanwarmtrockenenStandortenandieseDilemmasituationangepasstsind.Die erste Kohlenstoffdioxidfixierung durch die PEPCarboxylase erfolgt effektiv auch bei geringeren Kohlenstoffdioxidkonzentrationen, also auch bei geringerer Spaltöffnungsweite. Der Wasserverlust der Pflanze wird so gering gehalten, sie kann aber dennoch effektiv Fotosynthese betreiben.

6 VergleichenSiedieBefundezurKohlenstoffdioxidaufnahmeundabgabevonBohneundBrutblattinAbb.4.Die Bohne nimmt tagsüber Kohlenstoffdioxid auf, nachts wird Kohlenstoffdioxid abgegeben. Beim Brutblatt findet die Kohlenstoffdioxidaufnahme nachts statt. Tagsüber ist die Kohlenstoffdioxidbilanz ausgeglichen, es erfolgt weder eine Kohlenstoffdioxidaufnahme noch abgabe.

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7 InformierenSiesichaufSeite81überdasVerfahrenderAutoradiographie.ErläuternSie,welcheReaktioneninAbb.6mitdenAutoradiogrammeninAbb.5nachgewiesenwerden.Das erste Produkt der Kohlenstoffdioxidfixierung ist Oxalessigsäure. Nach 5 s ist im Zellplasma bei Dunkelheit auch Äpfelsäure nachweisbar, das bestätigt deren direkte Bildung aus Oxalessigsäure, da keine weiteren Produkte im Autoradiogramm nachgewiesen werden. Nach 60 s ist auch in den Vakuolen der Mesohyllzellen Äpfelsäure nachweisbar. Dies deutet auf den Transport der zuvor gebildeten Äpfelsäure in die Vakuolen bei Dunkelheit hin.

8 ErklärenSiediepHWertänderungeninAbb.3anhanddesSchemasinAbb.6.Der pHWert in den Vakuolen der Mesophyllzellen steigt von 6 Uhr (pH 3) bis 18 Uhr (pH 6) an und sinkt im Verlauf der Nacht wieder auf etwa pH 3. Da nachts der pHWert der Vakuolen sinkt, wird also eine Säure angereichert, die Äpfelsäure wird nachts in die Vakuolen transportiert. Tagsüber wird die Äpfelsäure wieder aus den Vakuolen abgegeben, es ist weniger Säure in den Vakuolen vorhanden, der pHWert steigt.

9ErläuternSiedieVorteilederzeitlichenTrennungvonKohlenstoffdioxidaufnahmeundGlucosebildungfürCAMPflanzen.Kohlenstoffdioxid wird nachts bei geöffneten Stomata aufgenommen und in Form der Äpfelsäure als Reaktionsprodukt in den Vakuolen der Mesophyllzellen gespeichert. Nachts bedeuten geöffnete Stomata einen wesentlich geringeren Wasserverlust. Tagsüber wird die Äpfelsäure zurück ins Zellplasma transportiert, abgebaut und Kohlenstoffdioxid wieder freigesetzt. Der Pflanze steht so, trotz geschlossener Stomata tagsüber, Kohlenstoffdioxid für die weiteren Fotosyntesereaktionen zur Verfügung.

Stoff- und Energieebene der Fotosynthese (Seite 86/87)

1 VergleichenSiediechemiosmotischeATPBildunginderFotosyntheseundinderZellatmungmithilfevonAbb.1.Mithilfe von Elektronentransportketten werden jeweils Protonen transportiert, bei der Fotosynthese in den Thylakoidinnenraum, bei der Zellatmung in den Intermembranraum. Beim Rückfluss der Protonen in das Stroma bzw. die Matrix freigesetzte Energie wird zur ATPBildung genutzt.

2 ErläuternSiedieBasiskonzepteStoffundEnergieumwandlungundKompartimentierungamBeispielvonFotosyntheseundZellatmung.Pflanzen bilden mithilfe der Lichtenergie in den Fotosynthesereaktionen den energetisch nutzbaren Stoff Glucose. Bei der Zellatmung wird Glucose mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt. Die dabei frei werdende Energie wird zur Bildung von ATP genutzt, das für viele Reaktionen im Bau und Energiestoffwechsel benötigt wird. Die Bildung von ATP kann nur durch unterschiedliche Protonenkonzentrationen in verschiedenen Kompartimenten erfolgen. In unterschiedlichen Kompartimenten können also bei unterschiedlichen Reaktionsbedingungen verschiedene Stoffwechselreaktionen ablaufen.

3 BeschreibenSieanhandvonAbb.2denEnergieflussausgehendvonGlucoseundSauerstoffbeiderZellatmungimMitochondrium.Bei Bedarf wird das System Glucose – Sauerstoff in der Glykolyse und im Citronensäurezyklus abgebaut. Die freigesetzte Energie wird zunächst im System Wasserstoff und Sauerstoff und dann kurzfristig in der Differenz der WasserstoffIonenkonzentrationen gespeichert, die zur ATPBildung in der Atmungskette genutzt wird. Das gebildete ATP reagiert schnell mit Wasser. Die dabei freigesetzte Energie wird für Lebensprozesse genutzt oder zum Aufbau von Biomasse genutzt und langfristig im System Biomasse – Sauerstoff gespeichert.

Sekundäre Pflanzenstoffe (Seite 88)

1 ErläuternSiedenUVSchutzvonAlpenEnzianendurchAnthocyanealsAngepasstheitanihrenWuchsstandortin2000bis2600mHöhe.AlpenEnziane sind an ihren Wuchsstandorten in 2000 bis 2600 m Höhe wesentlich höherer UVStrahlung ausgesetzt. AlpenEnziane produzieren den sekundären Pflanzenstoff Anthocyan, der u. a. die Pflanze vor zu hoher UVStrahlung schützt. Mutationen der DNA und damit Pflanzenschäden werden so trotz hoher UVStrahlung gering gehalten. Die AlpenEnziane sind an ihren Wuchsstandort mit hoher UVStrahlung angepasst.

2 EineBlütenpflanzeproduziertaufgrundvonMangelversorgungwenigFarbstoffeundNektarfürBlüten.StellenSiedieFolgenfürdiePflanzedar.Weniger Farbstoffe und Nektar in Blüten locken weniger Bestäuber an, es erfolgen weniger Befruchtungen, die Pflanze trägt weniger Früchte, Fortpflanzung und Verbreitung der Pflanze sind eingeschränkt.

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Material: Speicherstoffe und Abwehrstoffe (Seite 89)

1 BeschreibenSiedieGiftbildungbeiBlattfraßvonBohnen,ErbsenundLinseninAbb.1.Werden Vakuolen der Zellen von Bohnen, Erbsen und Linsen z. B. durch Blattfraß beschädigt, setzen sie cyanogene Glykoside frei. GlukosidaseEnzyme setzen die Glykoside unter Abspaltung von Zucker in Ketone und Blausäure um. Blausäure ist ein Gift für Pflanzenfresser.

2 ErläuternSieamBeispielderGurkendieVorteilederCucurbitacinBildungfürdieGurkenpflanzeundfürdieGurkenkäfer.Die Bildung von Cucurbitacinen hält die meisten Insekten vom Blattfraß ab. Die Gurkenpflanzen werden so insgesamt weniger beschädigt. Die Angepasstheit der Gurkenkäfer bedeutet für diese eine sehr geringe Nahrungskonkurrenz an den Gurkenpflanzen.

3 BeschreibenSiedieStärkebildunginPalisadenundSpeicherzelleninAbb.2.In Palisadenzellen wird aus dem Primärprodukt der Fotosynthese, Glucose, in weiteren Reaktionen tagsüber Stärke aufgebaut. Ist die Glucoseproduktion durch Fotosynthese nachts niedrig, kann die Stärke bei Bedarf wieder in Glucose abgebaut werden. In Speicherzellen wird Stärke aus dem Transportzucker Saccharose aufgebaut.

4 OrdnenSiedieAssimilationsunddieReservestärkebegründetdenVorgängeninAbb.2zu.Die Stärke in Palisadenzellen kann nachts bei Bedarf wieder zu Glucose abgebaut werden. Dies ist die Assimilationsstäke. Die Reservestärke, die längerfristig, z. B. bis zum nächsten Frühjahr gespeichert wird, befindet sich in den Speicherzellen.

Chemosynthese (Seite 90)

1 VergleichenSieFotosyntheseundChemosyntheseanhandvonAbb.1.In beiden Prozessen werden Kohlenhydrate aus Kohlenstoffdioxid aufgebaut. Dafür werden Substanzen benötigt, die in Reaktionen Energie freisetzen: NAD(P)H + H+ und ATP. Diese werden jeweils aus der Oxidation von anorganischen Stoffen hergestellt. In der Fotosynthese wird Wasser mithilfe von absorbierter Lichtenergie gespalten, in der Chemosynthese werden Stoffe oxidiert, die selbst in chemischen Reaktionen Energie freisetzen.

2 BegründenSie,obdieChemosynthesederStickstoffbakterienunabhängigvonderFotosyntheseist.Zur Oxidation der Stickstoffverbindungen benötigen die Bakterien Sauerstoff. Dieser stammt aus der Fotosynthese der grünen Pflanzen. Die Chemosynthese der Stickstoffbakterien ist damit abhängig von der Fotosynthese bzw. vom abgegebenen Sauerstoff.

Material: Chemosynthese und anoxygene Fotosynthese (Seite 91)

1 LeitenSieausdenErgebnisseninAbb.1einenStoffwechselwegderBakterienanBlackSmokernab.ErstellenSiedazuaucheinSchemaentsprechendderAbb.1aufSeite90.Die Bakterien an Black Smokern oxidieren Schwefelwasserstoff (H2S) zu SulfatIonen (SO4

2–). Dazu benötigen sie Sauerstoff. Deshalb ist ein Bakterienwachstum in Ansatz 5, aber nicht in Ansatz 4 festzustellen. Bei der Oxidation von Schwefelwasserstoff wird die freigesetzte Energie zum Aufbau von ATP und NADH + H+ genutzt. Werden diese Produkte statt Schwefelwasserstoff zugegeben, ist ebenfalls Bakterienwachstum zu beobachten (Ansatz 3), Sauerstoff wird für den CalvinZyklus nicht benötigt (Ansatz 2). Schema wie Abb. 1 rechts auf Seite 90, als anorganischen Stoff Schwefelwasserstoff, als Oxidationsprodukt SulfatIonen ein setzen

2 ErläuternSiemithilfevonAbb.2denNutzenfürBartwurmundBakterienausderSymbiose.Die Bartwürmer nehmen Sauerstoff, Schwefelwasserstoff und Kohlenstoffdioxid aus dem umgebenden Wasser auf. Diese Stoffe werden an die Bakterien weitergegeben, die so immer mit den Ausgangsstoffen für die Chemosynthese versorgt sind. In dieser produzieren sie Nährstoffe, die sie wiederum mit den Bartwürmern austauschen. Bartwürmer können selbst keine Nährstoffe von außen aufnehmen.

3 NennenSieGemeinsamkeitenundUnterschiedederChemosynthesevonSchwefelbakterienundderanoxygenenFotosynthesevonGrünenSchwefelbakterien.In beiden Stoffwechselwegen wird Schwefelwassserstoff (H2S) oxidiert. Die Spaltung erfolgt in der anoxygenen Fotosynthese der Grünen Schwefelbakterien allerdings mithilfe der Energie des Lichts. In beiden Stoffwechselwegen sind ATP und NADH + H+ die Produkte der Primärreaktion.

4 VergleichenSiedieFotoreaktionenderGrünenSchwefelbakterienmitdenengrünerPflanzen.In beiden Fotoreaktionen werden Fotosysteme durch Licht angeregt. In der Fotoreaktion grüner Pflanzen gibt es zwei verschiedene Fotosysteme (P680 und P700), in der Fotoreaktion der Grünen Schwefelbakterien nur die Fotosysteme P840. Die Elektronenlücken werden jeweils durch Fotolyse eines Stoffes (Wasser, Schwefelwasserstoff) geschlossen. Die ATPBildung erfolgt in beiden Reaktionen durch Aufbau eines WasserstoffIonenkonzentrationsunterschieds, indem Protonen über Redoxketten transportiert werden. Dabei erfolgt auch die NADH + H+ bzw. NADPH + H+Bildung. Während bei grünen Pflanzen NADPH + H+ und ATP gleichzeitig gebildet werden, laufen diese Prozesse in der Fotoreaktion der Grünen Schwefelbakterien alternativ ab.

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Bau- und Energiestoffwechsel des Gartenschläfers (Seite 94)

1 BeschreibenSieunterVerwendungvonAbb.1dieEnergiebereitstellungdurchdenoxidativenAbbauvonGlucose.(Punkte: 8/50)In der Glykolyse und im Citronensäurezyklus wird Glucose schrittweise zu Kohlenstoffdioxid abgebaut. Dabei entstehen pro Glucosemolekül vier Moleküle der universellen Energieträger ATP bzw. GTP. Der Glucoseabbau ist gekoppelt mit der Übertragung von Elektronen und WasserstoffIonen auf NAD+ und FAD. Die Elektronen und WasserstoffIonen reagieren in der Atmungskette zu Wasser. Dabei werden NAD+ und FAD wieder frei für Glykolyse und Citronensäurezyklus. Der in den Mitochondrien erzeugte WasserstoffIonenkonzentrationsunterschied zwischen Intermembranraum und Mitochondrienmatrix führt pro Glucosemolekül zur Bildung von 34 ATPMolekülen.

2 LeitenSieausdemTextundAbb.1eineErklärungdafürab,dassderNahrungsbedarfdesGartenschläfersinderWachphasevonderUmgebungstemperaturabhängigist.(Punkte: 9/50) In der Wachphase ist die Körpertemperatur des Gartenschläfers in der Regel höher als die Außentemperatur. Je nach Aktivität kann der Wärmebedarf zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur so hoch sein, dass Glucose nicht primär zur Bereitstellung von ATP für normale Körperfunktionen abgebaut wird, sondern zur Wärmefreisetzung. Je kälter die Umgebung ist, desto mehr Nahrung braucht der Gartenschläfer dafür.

3 ErklärenSieanhandvonAbb.2,dassderGartenschläferauchbeiunterschiedlichenAnteilenderdreiNährstoffgruppenseinenEnergieundBaustoffwechselaufrechterhaltenkann.(Punkte: 14/50) Aus Kohlenhydraten, Fettsäuren und Aminosäuren können im Zellstoffwechsel Moleküle mit einem Kohlenstoffgerüst erzeugt werden, die durch Citronensäurezyklus und Atmungskette zur ATPBildung genutzt werden können. Andererseits kann der Körper aus den Stoffen im Citronensäurezyklus auch Fettsäuren und Aminosäuren für den Baustoffwechsel aufbauen.

4 WennderGartenschläferausdemWinterschlaferwacht,erreichtdasHerznurallmählichseinevolleLeistungsfähigkeit.ErklärenSiedies. (Punkte: 9/50) Die Geschwindigkeit von Stoffwechselreaktionen ist temperaturabhängig (RGTRegel). Die Wärmefreisetzung und die ATPBildung erfolgen bei 6 °C deutlich langsamer als bei der normalen Körpertemperatur. Dadurch ergibt sich eine noch geringe Pumpleistung des Herzens. Die Versorgung der Gewebe mit Nährstoffen und die Geschwindigkeit der Stoffwechselreaktionen erhöhen sich langsam.

5 AnalysierenSiedieinAbb.3dargestelltenDatenbezüglichderStoffwechselumstellungeninderAufwachphasedesGartenschläfersimFrühjahr.(Punkte: 10/50) In den ersten 20 min wird primär Glucose abgebaut. Gleichzeitig werden Fette zu Fettsäuren und Glycerin abgebaut. In den folgenden 40 min steigt die Milchsäurekonzentration im Blut, da vermehrt Milchsäuregärung stattfindet. Das ist ein Hinweis darauf, dass die Zellen noch nicht ausreichend mit Sauerstoff für die Zellatmung versorgt werden. Im weiteren Verlauf wird der Energiestoffwechsel mit dem Glycerin und Fettsäureabbau betrieben, deren Konzentrationen im Blut sinken.

Die Fotosynthese (Seite 95)

6 BeschreibenSiedenAblaufderFotosynthese.NehmenSiedabeiBezugaufAbb.4.(Punkte: 10/50) In der Fotoreaktion werden mithilfe von Energie aus absorbiertem Licht Wassermoleküle gespalten. Dabei entsteht molekularer Sauerstoff. Elektronen und WasserstoffIonen werden auf NADP+ übertragen. Außerdem wird bei der Fotoreaktion ATP aus ADP und Phosphat gebildet. NADPH + H+ und ATP ermöglichen in der Synthesereaktion die Bildung von Glucose aus Kohlenstoffdioxid.

7 Robert Emerson(1903—1959)konnteineinemrechteinfachenExperimentzeigen,dassanderFotoreaktionzweiFotosystemebeteiligtsind.ErbestrahlteGrünalgenmitLichtbestimmterWellenlängenundmaßdieÄnderungderSauerstoffkonzentrationinderLösung.ErklärenSiedieinAbb.5dargestelltenErgebnisse.(Punkte: 14/50) Bei Bestrahlung mit Licht setzen die Grünalgen Sauerstoff frei. Der Anstieg der Sauerstoffkonzentration kann als Maß für die Fotosyntheserate dienen. Hellrotes und dunkelrotes Licht sind fast gleich wirksam. Bei der Bestrahlung mit beiden Wellenlängen ist die Fotosyntheserate deutlich mehr als doppelt so hoch. An der Fotoreaktion der Fotosynthese sind die Fotosysteme I und II beteiligt. Durch die Anregung beider Systeme durch die beiden jeweils passenden Wellenlängen erfolgt der Anstieg der Fotosyntheserate.

8 IneinemExperimentwurdenChloroplastenzertrümmertunddann30minlangunterAusschlussvonKohlenstoffdioxidbelichtet.AnschließendtrenntemandurchZentrifugationalleThylakoidmembranenab.DasStromaversetztemananschließendmitverschiedenenZusätzenundleiteteradioaktivmarkiertes14CKohlenstoffdioxidhindurch(Abb.6).Nachweiteren30minbestimmtemandieRadioaktivitätderLösung.ErklärenSiedieErgebnisse.(Punkte: 16/50) An den Thylakoidmembranen von Chloroplasten findet die Fotoreaktion der Fotosynthese statt, im Stroma die Synthesereaktion. Die Versuchslösung enthält nach der Zentrifugation die Enzyme für die Synthesereaktion und etwas ATP und NADPH + H+ aus der Fotoreaktion bei der vorangegangenen Belichtung. Dadurch wird etwas radioaktives Kohlenstoffdioxid gebunden und zur Glucosesynthese verwendet. Wenn beide Stoffe zugegeben werden, kann viel Glucose produziert werden (C).

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Abi-Training: Stoffwechsel


9 VerschiedenePflanzenartensindandieinihremLebensraumvorhandeneFeuchtigkeitangepasst.ErläuternSiedasDilemmavonPflanzenantrockenenStandortenunderklärenSieanhandvonAbb.7einenmöglichenAusweg.(Punkte: 10/50) Je geringer das Wasserangebot am Standort der Pflanzen ist, desto mehr Spaltöffnungen findet man. Durch die Spaltöffnungen finden der Gasaustausch und die Wasserabgabe (stomatäre Transpiration) statt. An feuchten Standorten ist genügend Wasser vorhanden, um die Spaltöffnungen lange geöffnet zu halten, ohne dass für die Pflanze das Risiko des Vertrocknens besteht. An trockenen Standorten würden Pflanzen mit mittags geöffneten Spaltöffnungen vertrocknen. Die hohe Spaltöffnungsdichte ermöglicht einen intensiven Gasaustausch, also auch die Kohlenstoffdioxidaufnahme in den Morgen und Nachmittagsstunden. Mittags müssen die Spaltöffnungen geschlossen sein.

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2 Genetik

2. 1 Molekulargenetik

Die Nucleinsäuren DNA und RNA (Seite 98/99)

1 BeschreibenSiedieStruktureinesDNA-Doppelstrangs.NehmenSieexaktBezugaufdieVerknüpfungenderNucleotide,dieRichtungenderSträngeunddieAnzahlderWasserstoffbrückenbindungenzwischendenBasen.Ein DNA-Doppelstrang besteht aus zwei unverzweigten Ketten, in denen vier verschiedene Bausteine, die Nucleotide, miteinander verknüpft sind. Jedes Nucleotid besteht aus einem Molekülrest der Desoxyribose, der Phosphorsäure (bzw. Phosphat) und einer organischen Base. Die Nucleotide unterscheiden sich voneinander in der Art der organischen Base. Die vier Basen sind Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Nummeriert man die fünf Kohlenstoffatome der Desoxyribose von 1 bis 5, so ist die Base immer an das Kohlenstoffatom 1 und der Phosphat-Rest an das Kohlenstoffatom 5 gebunden. An die Nummern wird ein Strich als Index an-gefügt. Die Nucleotide jedes Strangs sind untereinander verbunden, indem jeweils ein Phosphat-Rest mit dem 3‘-Kohlenstoffatom des einen Nucleotids und dem 5‘-Kohlenstoffatom des nächsten Nucleotids verknüpft ist. Jeder Einzelstrang endet unabhängig von seiner Länge auf einer Seite mit einer freien OH-Gruppe am 3‘-Kohlenstoffatom und auf der anderen Seite mit einem Phosphat-Rest, der an das 5‘-Kohlenstoffatom gebunden ist. Die beiden Einzelstränge eines DNA-Doppelstrangs sind durch Wasserstoff-brücken zwischen den Basen miteinander verbunden. Dabei liegen sich Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin gegenüber. Zwischen Adenin und Thymin liegen zwei, zwischen Guanin und Cytosin drei Wasserstoffbrücken vor. Die beiden Stränge eines Doppelstrangs haben unterschiedliche Richtungen. Das bedeutet, dass das 5’-Ende des einen Strangs immer dort liegt, wo das 3’-Ende des anderen Strangs liegt. Man sagt, die Stränge verlaufen antiparallel.

2 NennenSieUnterschiedeundGemeinsamkeitenimBauvonDNA-undRNA-Molekülen.Wie DNA-Moleküle bestehen auch RNA-Moleküle aus langen Ketten miteinander verknüpfter Nucleotide, die jedoch Ribose-Reste anstelle der Desoxyribose-Reste enthalten. Thymin kommt in der RNA nicht vor. Es wird von Uracil (U) ersetzt, das ebenfalls komplementär zu Adenin ist. Während die DNA in der Zelle nahezu immer als Doppelstrang vorliegt, sind RNA-Moleküle meist einzelsträngig. Sie können aber auch Doppelstränge bilden, sowohl untereinander als auch mit DNA-Einzelsträngen.

3 BeiderAnalyseeines900BplangenDNA-Strangserhieltman250Adeninmoleküle.BerechnenSiedieAnzahlderanderenBasenmoleküledesStrangsundbegründenSieIhreLösungmithilfederRegelvonChargaff.Die von Erwin Chargaff entdeckte Regel sagt aus, dass in der DNA immer ebenso viele Adenin- wie Thymin-Reste auftreten und die Anzahl der Cytosin- mit der Anzahl der Guanin-Reste übereinstimmt. Daraus kann man schließen, dass die Analyse des betrachte-ten Strangs 250 Thyminmoleküle ergab. Die Summe von Guanin und Cytosin muss dann (900 – 250 – 250) = 400 sein. Die Analyse muss somit 200 Guanin- und 200 Cytosinmoleküle ergeben.

Die Verdopplung der DNA bei Eukaryoten (Seite 100/101)

1 EntwerfenSieeinenÜberblickzumAblaufderReplikationmitjeweilseinemSatzfürjedenSchritt.Bildung der Replikationsgabel durch Entspiralisierung der Doppelhelix an spezifischen Positionen des Chromosoms → Proteine stabilisieren die entwundenen Einzelstränge. → RNA-Polymerasemoleküle (Primasen) synthetisieren an den nun vorliegenden freien Einzelsträngen ein Stück komplementäre RNA-Nucleotide (Primer) in 5´-3´-Richtung. → Nach ungefähr 10 Nucleotiden wird die Primer-Synthese beendet. Nun bindet ein Molekül DNA-Polymerase an den Primer und synthetisiert in 5´-3´-Richtung kontinuierlich einen komplementären DNA-Strang. → Da die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix antiparallel sind, laufen sowohl die Primasen als auch die DNA-Polymerasen an den beiden als Vorlagen dienenden Strängen in entgegengesetzte Richtungen. → An jeder Replikationsgabel wächst ein Strang (Leitstrang) kontinuierlich, während der andere (Folgestrang) immer wieder neu begonnen wird, wenn sich die Helicase ein Stück weiterbewegt hat. → Am Folgestrang entstehen zunächst 100 bis 200 Nucleotide lange Abschnitte, sogenannte Okazaki-Fragmente. → Die RNA-Primer werden schließlich mithilfe von spezifischen Enzymen wie-der entfernt und mithilfe bestimmter Polymerasemoleküle durch DNA ersetzt. → Ein weiteres Enzym (DNA-Ligase) schließt unter ATP-Verbrauch die Lücke, die am letzten Nucleotid beim Ersatz des Primers durch DNA entstanden ist.

2 AndenReplikationsstartpunktenfindetmansehrvielmehrA—T-alsG—C-Basenpaare.StellenSieeineHypotheseauf,worinderVorteildieserTatsacheliegenkönnte.Da beim Öffnen des Doppelstrangs die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen getrennt werden müssen, ist die Trennung von A — T-Paaren vermutlich mit geringerem ATP-Verbrauch verbunden, da zwischen A und T zwei Wasserstoffbrücken, zwischen G und C jedoch drei Wasserstoffbrückenbindungen vorliegen.

3 ErklärenSie,warumjederderbeidenneuenDoppelsträngeimLaufderReplikationOkazaki-Fragmenteenthält.Da sich Helicasen in beide Richtungen bewegen, entstehen von jedem Startpunkt aus zwei Replikationsgabeln, an denen die Replikation beginnt und von hier aus weiterläuft. An jeder Replikationsgabel entstehen im Lauf der Replikation ein Leitstrang und ein Folgestrang. Da die Polymerasen den neuen Strang immer in 5‘-3‘-Richtung synthetisieren, die Replikation an den beiden Gabeln aber in entgegengesetzte Richtungen verläuft, müssen die Folgestränge, die ausgehend von den beiden Replikations-gabeln gebildet werden, jeweils Okazaki-Fragmente enthalten (s. Abb. 1 oben im Schülerbuch).

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PCR — DNA-Replikation im Reagenzglas (Seite 102)

1 VergleichenSiediePCRmitderDNA-ReplikationinZellen.Die Auftrennung der DNA-Stränge erfolgt bei der PCR durch Temperaturerhöhung. Bei der DNA-Replikation übernehmen dies Enzyme (Helicasen). Die Synthese von Leit- und Folgestrang erfolgt bei der PCR kontinuierlich, während bei der DNA-Replikation nur der Leitstrang kontinuierlich synthetisiert wird. Die Synthese des Folgestrangs erfolgt in Form von Okazaki-Fragmenten, die zusammengefügt werden müssen. Bei PCR und DNA-Replikation sind zum Start der Synthese Primer erforderlich. Bei der Replika-tion sind dies RNA-Stücke, bei der PCR handelt es sich um DNA-Stücke. Während die RNA-Stücke herausgeschnitten werden müs-sen und durch DNA-Stücke ersetzt werden, entfällt dieser Schritt bei der PCR. Startpunkt und Endpunkt werden bei der Replikation durch bestimmte Basenabfolgen festgelegt. Bei der PCR wird der Startpunkt durch die Primersequenz festgelegt und das Ende durch die Temperaturerhöhung herbeigeführt. Für beide Prozesse wird eine DNA-Polymerase verwendet, die nur in 3‘ — 5‘-Richtung arbeiten kann. Im Gegensatz zur DNA-Replikation bei Eukaryoten ist die bei der PCR verwendete DNA-Polymerase hitzestabil.

Material: Polymerasekettenreaktion (PCR) (Seite 103)

1 NennenSiedieFaktoren,vondenendieHybridisierungstemperaturvonPrimernabhängt.Die Hybridisierungstemperatur eines Primers hängt von seiner Länge und dem Gehalt an G–C-Bindungen ab. Je länger der Primer und desto mehr G–C-Bindungen vorliegen, desto höher ist die Hybridisierungstemperatur.

2 BerechnenSiefürfolgendePrimerdiepassendeHybridisierungstemperatur:a)5’ GATTGTCGCCATATGCTC 3’b)5’ GGTTCCAAAGGGCTCTAC 3’c)5’ GTAGTACCGCCGTATAAG 3’a) 54 °C; b) 58 °C; c) 54 °C

3 FormulierenSiezudendreiRegelnfürdieAuswahlvonPrimernjeeineBegründung.Die beiden Primer dürfen nicht komplementär sein, da ansonsten eine Paarung der beiden Primer möglich wäre. Beide Primer müssen eine ähnliche Hybridisierungstemperatur aufweisen, da ansonsten ein Kompromiss notwendig würde und keiner der beiden Primer seine ideale Hybridisierungstemperatur bekommen könnte. Wären 5‘-Ende und 3‘-Ende komplementär, so könnte es zu einer Haarnadelbildung innerhalb des Primers kommen.

4 DieinAbb.1dargestellteDNA-SequenzsollmittelseinerPCRvervielfältigtwerden.ErstellenSieeinpassendesPrimer-PaarmiteinerLängevonje20Nucleotiden.5’ ATGATTGTTTTTCCCCCAC 3‘ 3‘ CCACTTGTTCTTGCTTTTCT 5‘ Beide Primer weisen eine Hybridisierungstemperatur von 56 °C auf, die Enden sowie die Primer sind nicht komplementär.

5 FürdieVervielfältigungeinerDNA-SequenzhabenSiedieAuswahlzwischendreiPrimer-Paaren(Abb.3).WählenSiedasPaaraus,dasIhnenambestengeeignetscheint.BegründenSieIhreEntscheidung.Primer-Paar 1 ist gut geeignet, da sie jeweils die gleiche Hybridisierungstemperatur besitzen und auch nicht untereinander sowie in sich komplementär sind. Primer-Paar 2 ist komplementär, sodass dieses Paar nicht geeignet ist. Paar 3 ist ebenfalls nicht geeignet, da die beiden Primer unterschiedliche Hybridisierungstemperaturen besitzen.

Transkription — der erste Teil der Proteinbiosynthese (Seite 104/105)

1 LeitenSiediem-RNA-Basensequenzab,dieanfolgendemAbschnitteinescodogenenStrangsgebildetwird:3’ TACATGCCTCGTTTTGGGCGATCTACC 5’m-RNA 5’ AUG UAC GGA GCA AAA CCC GCU AGA UGG 3‘

2 BeiderTranskriptiontretenverglichenmitderReplikationvielhäufigerFehlerauf.ErklärenSie,warumdieFolgeneinerfeh-lerhaftenTranskriptionvergleichsweisegeringsind.Fehler in der DNA haben gravierendere Folgen als Fehler in der m-RNA, die in einer Zelle schnell wieder abgebaut wird. Eine Evo-lution von Reparaturmechanismen in der DNA war für das Überleben wichtiger.

3 StellenSieeineHypotheseauf,wasgeschehenwürde,wennfrischgebildetem-RNA-MolekülenichtnachkurzerZeitimZell-plasmawiederabgebautwürden.Der Abbau der m-RNA-Moleküle beendet die Bildung entsprechender Proteine. Sonst könnte eine Überproduktion der entspre-chenden Proteine erfolgen, also eine Produktion die den Bedarf übersteigt. Durch den Abbau der m-RNA wird ebenso wie durch die Anzahl der gebildeten m-RNA-Moleküle die Menge des gebildeten Proteins gesteuert.

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Translation — die Funktion von t-RNA und Ribosomen (Seite 106/107)

1 FormulierenSiefürdiefolgendem-RNAdencodogenenAbschnittderDNA,dieAnticodonsunddiezugehörigenAminosäu-ren:5’ CAUUGGAACGACCGUACA 3’codogener Abschnitt: 3‘ GTA ACC TTG CTG GCA TGT 5‘; Anticodons: GUA ACC UUG CUG GCA UGU; Aminosäuren: His Trp Asn Asp Arg Thr

2 StellenSiedar,beiwelchenfürdieTranslationwichtigenProzessendasSchlüssel-Schloss-PrinzipeineRollespielt.Schlüssel-Schloss-Prinzip bei Bindung der Aminosäure und der t-RNA in der Synthetase beim Beladen der t-RNA/Paarung von Codon und Anticodon bei der Translation

Extra: Spezifität der t-RNA — die Wobble-Theorie (Seite 107)

LeitenSiedieBedeutungvonWobble-PaarungenfürOrganismenab.Größere Schnelligkeit der Translation durch Wobble-Paarung an der 3. Base (Kompromiss zwischen Schnelligkeit und Erkennungs-spezifität; die Erkennungsspezifität wird durch die ersten beiden Basenpaarungen gewährleistet.)

Translation — ein Protein entsteht (Seite 108/109)

1 BeschreibenSiedieVorgängebeiderTranslationinFormeinesVerlaufsschemas.Ribosom lagert sich an RNA-Molekül an. → Mit einer spezifischen Aminosäure beladenes t-RNA-Molekül lagert sich an der A-Stelle an ein komplementäres Triplett an. → Die Aminosäure an der P-Stelle verbindet sich enzymkatalysiert mit der Amino-säure an der A-Stelle. → Das Ribosom bewegt sich ein Triplett auf dem m-RNA-Molekül weiter. → Das entladene Molekül an der E-Stelle löst sich ab und eine neue beladene t-RNA lagert sich an der nun freien A-Stelle an.

2 Manchem-RNA-MoleküleweisenmehrereStart-Codonsauf.ErläuternSiedieVorteile,diesichfüreineZelleergebenkönnen.In der Zelle können anhand einer m-RNA gleichzeitig unterschiedliche Proteine gebildet werden (z. B. ein Protein ohne Signalse-quenz und ein Protein mit Signalsequenz für den Import in Chloroplasten — also Proteine mit ähnlichen Funktionen, die aber in unterschiedlichen Kompartimenten ihre Funktion erfüllen.

Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten (Seite 110/111)

1 ErläuternSieanhandvonAbb.3denBegriff„alternativesSpleißen“.unterschiedliches Prozessieren eines m-RNA-Typs durch zusätzliches Entfernen unterschiedlicher Exons — aus einem Gen können viele unterschiedliche Proteine gebildet werden.

2 StellenSiedieVor-undNachteilederunterschiedlichenProteinbiosynthese-AbläufeinPro-undEukaryotendar.Prokaryoten: schneller — Hochleistungszellen, aber weniger Regulationsmöglichkeiten/ Eukaryoten: langsamer durch räumliche Trennung, aber viel mehr Regulationsmöglichkeiten (Transkriptionsfaktoren, alternatives Spleißen, …) — Entwicklung komplexer Eukaryoten wurde möglich.

3 MenschlicheProteinewerdenfürmedizinischeAnwendungenauchinProkaryotenhergestellt(z.B.Insulin).ErläuternSie,welcheProblemedabeiauftretenkönnen.Prokaryoten verfügen über kein Spleißen — Introns werden in Aminosäuren übersetzt; eukaryotische Promotoren und Terminato-ren werden i. d. R. in Prokaryoten nicht erkannt, andere bzw. keine posttranslationalen Modifikationen, …

Genregulation (Seite 112/113)

1 WissenschaftlersindinzwischeninderLage,differenzierteKörperzelleninundifferenzierteZellenzuüberführen.ErklärenSie,wassichinnerhalbderZellebeidiesemProzessändernmuss.Es müssen alle Gene wieder transkribiert werden können. Dazu müssen manche Methylierungen aufgehoben werden, sodass die RNA-Polymerase wieder an die DNA ansetzen kann. Ebenfalls müssen Histone acetyliert werden. Dadurch wird Heterochromatin wieder in Euchromatin überführt.

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© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2019 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Natura Qualifikationssphase Biologie Niedersachsen, Lösungen Illustrator: Otto Nehren, Achern

Extra: Genregulation bei Prokaryoten (Seite 113)

SkizzierenSieeinSchemafürdieSubstrat-Induktion.OrientierenSiesichdabeianAbbildung4.individuelle Lösung. Beispiel:

Erbinformation äußerhalb des Zellkerns (Seite 114)

1 ErläuternSie,inwieweitdiemt-DNAfürdieAnalysevonVerwandtschaftsbeziehungeneingesetztwerdenkann.Da die mt-DNA (nahezu) ausschließlich von der Mutter vererbt wird, haben alle Kinder einer Mutter die gleiche mt-DNA. Die mt-DNA Analyse ist für einen Vaterschaftstest ungeeignet. Wenn keine Mutationen auftreten, muss die mt-DNA der weiblichen Linie in den Parentalgenerationen übereinstimmen. Kinder haben also die gleiche mt-DNA wie die Oma der mütterlichen Seite.

Material: Genregulation bei Eukaryoten (Seite 115)

1 BeschreibenSiedieWirkungsweisedesTestosteronsanhandvonAbb.1.Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip bindet Testosteron in der Zelle an ein Rezeptorprotein. Im Zellkern wirkt dieser Hormon-Rezep-tor-Komplex als Transkriptionsfaktor: Er bindet an regulatorische DNA-Abschnitte und bewirkt dadurch die Transkription eines bestimmten Gens.

2 TestosteronhateinenentscheidendenEinflussaufdieAusprägungdesGeschlechts.StellenSieeineHypotheseauf,wieTesto-sterondenPhänotypbeeinflussenkönnte.Hydrophile Transport- und Rezeptorproteine sind in der hydrophilen Umgebung des Blutes bzw. der Zelle für die Löslichkeit des hydrophoben Testosterons nötig.

3 DiskutierenSiedieNotwendigkeitderTransport-undRezeptorproteine.Der Hormon-Rezeptor-Komplex könnte an eine Enhancer-Region eines Gens binden und dadurch die Transkription eines Gens verstärken, dessen Genprodukte für die Ausbildung von Geschlechtsmerkmalen nötig sind.

4 ErläuternSiedieWirkungderMethylierungmitBezugzuAbb.2.Durch das Anheften von Methylgruppen mithilfe des Enzyms DNA-Methyltransferase wird in den betroffenen DNA-Regionen verhindert, dass eine RNA-Polymerase binden kann. Dadurch wird eine Transkription von Genen verhindert — sie sind stillgelegt.

5 BeiBienenbewirktunterschiedlichesFutterbeigenetischidentischenTierendieAusprägungverschiedenerPhänotypen.LeitenSiediezugrundeliegendenUrsachenausAbb.3ab.Bei genetisch identischen Bienenlarven führt das Füttern mit Pollen und Honig zur Entwicklung von Arbeiterinnen; das Füttern mit Gelee Royale bewirkt die Entwicklung von Königinnen. Untersuchungen haben ergeben, dass bei Arbeiterinnen der Anteil an Methylierungen in der DNA viel höher ist als bei Königinnen; bei ihnen sind durch Methylierungen viele Gene stillgelegt: Das Futter beeinflusst folglich das Methylierungsmuster und dadurch den Phänotyp.

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Regulatorgen

Repressor (aktiv)

Repressor(inaktiv)

Anlagerung

Pro-motor

RNA-PolymeraseOperator Strukturgene

keineTranskription

derStrukturgene

Enzyme fürLactose-Abbau

m-RNA

Regulatorgen

Substrat Lactose (Effektor)

RNA-Polymerase

Transkriptionerfolgt

m-RNA m-RNA

ohne

Sub

stra

tSu

bstr

at v

orha

nden


Mutationen (Seite 116/117)

1 ErläuternSiedieAuswirkungeneinerNonsense-MutationanhandvonAbb.3.Da bei einer Nonsense-Mutation aus einem für eine Aminosäure codierenden Triplett ein Stopp-Codon entsteht, bricht die Transla-tion an dieser Stelle ab. Es entsteht ein verkürztes Protein.

2 ErläuternSiedieAuswirkungenvonMutationeninAbhängigkeitdavon,obKeimbahn-oderandereKörperzellenbetroffensindunddavon,inwelchemZeitraumdervorgeburtlichenEntwicklungsiesichereignen.Mutationen, die Keimbahnzellen betreffen, können an die Nachkommen weitervererbt werden. Mutationen in Körperzellen wirken sich nur auf den betroffenen Organismus, nicht auf dessen Nachkommen aus. Je früher im Lauf der embryonalen Entwicklung eine Mutation in einer Zelle auftritt, desto größer sind die Auswirkungen auf die entstehenden Gewebe und desto größer ist die Anzahl betroffener Gewebe. Zellen, die am Beginn der Entwicklung des Organismus stehen, haben ein hohes Differenzierungs-potenzial, sodass ausgehend von ihnen verschiedene Gewebetypen und Organe entstehen.

3 ErklärenSie,warumbestimmteHaut-undFellarealederSiamkatzedunkelsind.Das Enzym Tyrosinase, das Voraussetzung für die Bildung des Farbstoffs und damit die Dunkelfärbung ist, ist aufgrund einer Mutation bei Temperaturen über 33 °C nicht mehr ausreichend aktiv. Teile der Ohren, des Gesichts und der Gliedmaßen sind — vermutlich durch Wärmeverluste — kälter als die übrigen Bereiche des Körpers. Sinkt die Temperatur dieser Körperteile unter 33 °C, ist die Tyrosinase aktiv und der Farbstoff kann gebildet werden.

DNA-Reparatur (Seite 118/119)

1 ErläuternSieineinerkurzenÜbersichtdiehäufigstenDNA-SchädenundderenReparatur.siehe Tabelle

2 EnzymederReplikationsindauchTeiledesDNA-Reparatursystems.StellenSieeineHypotheseauf,worindieVorteiledieserKopplungliegenkönnten.Bei der Replikation treten Fehler z. B. durch Fehlpaarungen auf, die teilweise von den gleichen Reparaturenzymen erkannt und repariert werden, die an der Reparatur von DNA-Mutationen beteiligt sind, die durch andere Einflüsse entstehen. Die Mecha-nismen, die es ermöglichen, fehlerhafte Basenpaarungen zu korrigieren, komplette Abschnitte durch andere zu ersetzen und Neuverknüpfungen mit Ligase vorzunehmen, haben sich möglicherweise als Teilvorgänge der Replikation entwickelt und wurden dann universell für die DNA einsetzbar.

3 ErklärenSie,warumderVerlustderTelomerstrukturoftzurFusionvonChromosomenführt.Die Telomerstruktur verhindert, dass reguläre Chromosomenenden mit den Enden verwechselt werden, die durch Doppelstrang-brüche entstehen. Fehlt die Telomerstruktur an den Enden zweier Chromosomen, werden diese als Teilstücke eines Doppelstrang-bruchs betrachtet und miteinander verknüpft.

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DNA-Schaden Reparaturmechanismus

AbspaltungvonBasendurchReaktionmitWasser(Adenin,Guanin)oderchemischeUmwandlungvonBasen(z.B.CytosininUracil)

EnzymatischesHerausschneidendesbetroffenenNucleotids→EinbaueineskorrektenNucleotids

BildungvonCytosin-oderThymin-DimerenunterEinwirkungvonUV-Licht

EnzymatischesHerausschneideneineslängerenEinzelstrang-Abschnitts,derdiebeschädigteStelleenthält→HerstellungeinesneuenDNA-Einzel-strangskomplementärzumkorrektenDNA-Strang→VerknüpfungmitLigase

Doppelstrangbruch ErkennungundFixierungderanderBruchstelleentstandenenEnden→NeuverknüpfungderSträn-ge.DabeibleibtmeisteinVerlustvonmehrerenNucleotidenanderursprünglichenBruchstellezurück.

2. 2 Veränderungen der Erbinformation


Sequenzierung der DNA (Seite 120/121)

1 GebenSiedieSequenzderDNA-Fragmentean,dieimzweitenAnsatzalsBandenimElektrophorese-GelbeimklassischenVerfahrenzuerkennensind(Abb.1).GATGTAAG; GATG

2 StellenSiedieMethodedermodernenDNA-SequenzierunginFormeinesVerlaufsschemasdar.Unbekannte DNA erhitzen, damit Doppelstränge getrennt werden → DNA auf 4 Ansätze verteilen → Nucleotide der vier Basen, Primer, Polymerase und jeweils ein fluoreszenzmarkiertes Didesoxynucleotid zugeben → Primer und Nucleotide lagern sich an Einzelstränge an → Anlagerung von Didesoxynucleotiden führt zum Kettenabbruch → Auftrennung der DNA-Fragmente durch Gel-Elektrophorese → DNA-Stücke laufen aus dem Gel und passieren einen Detektor → Aufzeichnung durch einen Drucker

3 ErläuternSie,weshalbdurchdieModernisierungdesVerfahrensdieGeschwindigkeitderDNA-Sequenzierungenormerhöhtwerdenkonnte.Durch die moderne DNA-Sequenzierung können längere DNA-Stücke sequenziert werden, da die Stücke aus dem Gel heraus an dem Detektor vorbeilaufen. Außerdem erfolgt sofort eine Aufzeichnung des Ergebnisses durch einen Drucker bzw. eine sofortige Auswertung mithilfe eines Computers.

Der genetische Fingerabdruck (Seite 122/123)

1 InAbb.1isteinTäternachweisdargestellt.WerwarderTäter?BegründenSieIhreAntwort.Der Verdächtige B ist der Täter. Die Banden in seinem genetischen Fingerabdruck entsprechen denen der DNA, die am Tatort gefunden wurde.

2 AnalysierenSiedeninAbb.3dargestelltenVaterschaftstest.Für alle Marker stimmt die Anzahl der Wiederholungen, die auf den Chromosomen des Kindes liegen, jeweils mit einem Elternteil überein. Marker 1 : 11 wie die Mutter, 12 wie der potenzielle Vater. Marker 2: 10 wie die Mutter, 11 wie der potenzielle Vater. Marker 3 : 14 wie die Mutter, 17 wie der potenzielle Vater. Aus diesem Grund handelt es sich um den leiblichen Vater des Kindes.

3 Abb.2zeigteinDNA-Profil,dasmithilfevon9verschiedenenMarkernerstelltwurde.FürdieMarker2,4und9istnureinAusschlag(Peak)erkennbar.ErklärenSiedies.Die Höhe des Peaks gibt an, wie viel DNA vorliegt. Befindet sich auf beiden homologen Chromosomen die gleiche Anzahl von Wiederholungen im Bereich eines Markers, so erscheint nur ein Peak, der jedoch höher ist.

Genom, Proteom und Epigenom in der Forschung (Seite 124/125)

1 ErklärenSie,weshalbsichkeineeinfachenRückschlüssevomGenomeinesMenschenaufseinenPhänotypziehenlassen.NutzenSiedazuauchAbb.1.Zwischen Genotyp und Phänotyp gibt es keine Eins-zu-eins-Relation. Gene können z. B. durch alternatives Spleißen zu unterschied-lichen Genprodukten führen. Außerdem können DNA-Abschnitte durch Methylierungen inaktiviert oder auch wieder aktiviert wer-den. Zwischen einzelnen Proteinen kommt es zu Wechselwirkungen, die ebenfalls den Phänotyp beeinflussen können. Schließlich gibt es auch noch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Stoffwechselwegen. Wie man am Beispiel der Hautfarbe erkennt, spielt bei der Ausprägung des Phänotyps auch noch die Umwelt eine Rolle.

Extra: DNA-Chip (Seite 125)

BegründenSie,wiesoinderAbbildung2nichtalleSträngegebundenwerdenkönnen.Der DNA-Chip enthält für zwei der zugegebenen einsträngigen DNA-Abschnitte die komplementären Sequenzen. Der dritte DNA-Abschnitt kann nicht gebunden werden.

Material: Gene und Umwelt (Seite 126)

1 BeschreibenSiedieinAbb.1dargestelltenModifikationendesAgouti-GensundihreAuswirkungen.Auf dem Agouti-Gen können sich Methylgruppen im Bereich der Cystein-Basen anlagern. Dies führt dazu, dass zum entsprechen-den Genabschnitt keine m-RNA gebildet werden kann.

2 ErläuternSiedasinAbb.1wiedergegebeneVersuchsergebnis.Mäuse, die während der Schwangerschaft eine Diät mit erhöhtem Vitamin-B12-, Folsäure-, Betain- und Cholin-Gehalt gefressen haben, bekommen vorwiegend schlanke dunkle Nachkommen. Dies weist darauf hin, dass durch die Diät die Methylierung auf-gehoben wird und das Agouti-Gen abgelesen werden kann. Diese Veränderung der DNA wird auch an die Nachkommen weiterge-geben.

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3 ErklärenSiemithilfevonAbb.2,weshalbeineiigeZwillingetrotzdesgleichengenetischenMaterialsnichtexaktdengleichenPhänotypaufweisen.Das Methylierungsmuster von 3-jährigen Zwillingen ist noch sehr ähnlich. Bei 50-jährigen Zwillingen erkennt man, dass die Methylierungsmuster sich stärker unterscheiden. Verschiedene Umweltbedingungen führen zu verschiedenen Methylierungsmus-tern, was auch Auswirkungen auf den Phänotyp hat.

Material: Erforschung von Krankheiten mithilfe von Knockout-Mäusen (Seite 127)

1 FassenSiedieErgebnissederdargestelltenUntersuchungenzusammen.In der Abb. 1 erkennt man, dass bei Mäusen, bei denen das Gen für den Canabinoid-Rezeptor ausgeschaltet wurde, die Entzün-dungsreaktion sehr viel stärker ausfällt als in der Kontrollgruppe. Abb. 2 zeigt, dass bei diesen Mäusen die Membranaktivität nach Auslösen der Entzündungsreaktion erhöht ist. Wird das Enzym, das für den Abbau von körpereigenen Canabinoiden zustän-dig ist, ausgeschaltet, so fallen Entzündungsreaktionen sehr viel geringer aus (Abb. 3). Die Versuche zeigen, dass körpereigene Canabinoide einen positiven Einfluss auf Entzündungen des Darms haben.

2 AusdenUntersuchungsergebnissenlassensichmöglicheTherapieansätzefürdieBehandlungvonMagen-Darm-Erkrankun-genableiten.ErläuternSiediese.Aus den Versuchen lässt sich ableiten, dass Canabinoide als Medikamente zur Behandlung von chronischen Darmentzündungen geeignet sind. Zusätzlich könnte man noch Medikamente einsetzen, die den Abbau von körpereigenen Canabinoiden hemmen, indem sie die Enzyme blockieren, die für den Abbau der Canabinoide zuständig sind.

Material: Chorea Huntington (Seite 128/129)

1 BenennenSiedieFormderMutation,diebeiChoreaHuntingtonvorliegt.Es handelt sich um eine Duplikation des Basentripletts CAG. Statt 2 Wiederholungen liegen auf dem Chromosom 4 durch die Mutation 4 Wiederholungen des Basentripletts CAG vor.

2 StellenSieeineHypothesedazuauf,wiesichdasveränderteHuntington-ProteinvomGenproduktdesnicht-mutiertenGensunterscheidet.Die Mutation führt dazu, dass die Aminosäure Valin 4-mal statt 2-mal in das Protein eingebaut wird. Folge ist eine veränderte Faltung des Proteins, was zu einem vollständigen oder teilweisen Funktionsverlust führt.

3 AnalysierenSiedenStammbauminAbb.2.Genotyp Aa: 1, 2, 4, 7, 8; Genotyp aa: 3, 5, 6, 9, 10, 11 Es handelt sich um einen autosomal-dominanten Erbgang. Männer und Frauen sind gleichermaßen betroffen. Eltern 1 und 2 sind betroffen, bekommen aber ein gesundes und ein betroffenes Kind. Dieses ist nur bei einem dominanten Erbgang möglich.

4 WertenSiedieinAbb.3dargestelltePCR-Analyseaus.Für jede Testperson sind zwei Banden zu sehen, da jeder Mensch 2-mal über das Chromosom 4 verfügt. Beim Vater sind zwei Banden zu sehen, eine für einen Genabschnitt mit etwas mehr als 18 CAG-Wiederholungen und eine für einen Abschnitt mit etwas weniger als 18 CAG-Wiederholungen. Da der Vater gesund ist, spricht dies dafür, dass diese Anzahl an Wiederholungen für ein gesundes Allel steht. Die Mutter trägt ein gesundes Allel mit etwas mehr als 18 CAG-Wiederholungen und ein krankes Allel mit mehr als 48 Wiederholungen. Kind 1 und 3 haben jeweils vom Vater und von der Mutter die gesunden Allele geerbt, werden also nicht erkranken. Kind 2 und 4 haben von der Mutter das kranke und vom Vater ein gesundes Allel geerbt. Sie werden an Chorea Huntington erkranken. Kind 5 hat vom Vater das gesunde Allel und von der Mutter das kranke Allel geerbt. Hier ist es jedoch durch eine Spontanmutation zu weiteren CAG-Wiederholungen im Gen gekommen, weshalb das PCR-Produkt etwas länger ist als beim mütterlichen Allel. Dieses Kind wird ebenfalls an Chorea Huntington erkranken.

5 AnalysierenSieAbb.4.GehenSiedabeiauchaufdieKonsequenzenfürdieMitgliederderFamilieausAbb.3ein.Die Abbildung zeigt, dass das Erkrankungsalter von der Anzahl der CAG-Wiederholungen abhängt. Je mehr CAG-Wiederholungen vorhanden sind, desto früher tritt die Erkrankung auf. Weniger als 30 Wiederholungen scheinen für ein gesundes Allel zu spre-chen, da die Grafik zeigt, dass ca. 35 Wiederholungen zu einem Ausbruch der Erkrankung zwischen dem 62. und 75. Lebensjahr führen. Geht man von einer linearen Entwicklung aus, dürften Patienten mit weniger als 30 Wiederholungen vor einem möglichen Ausbruch der Krankheit bereits verstorben sein. Wiederholungen zwischen 60 und 70 führen dazu, dass Patienten im Kindesalter erkranken. Hier hat das mütterliche Allel ca. 50 Wiederholungen, die Mutter ist also im Alter zwischen 40 und 50 Jahren erkrankt. Für die beiden Kinder, die dieses Allel unverändert tragen, kann man die gleiche Prognose stellen. Kind 5 trägt das durch Mutation verlängerte Allel. Bei ihm ist davon auszugehen, dass es bereits im Alter zwischen 30 und 40 Jahren erkranken wird.

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6 LisaundLenawissennicht,obsiedasHuntington-GenvonihrerMuttergeerbthaben.LisawürdegerneinenGentestdurch-führenlassen,umGewissheitzuhaben.Lenamöchtediesnicht.ErläuternSiedieBedingungen,diegegebenseinmüssten,wennLisadiesenTestdurchführenlässt.BeachtenSiedabeidiePrinzipienderMedizinethik(Abb.6).Lisa sollte sich vor dem Test eingehend beraten lassen. Die Beratung sollte Lisa auch auf den Umgang mit einem möglicherweise positiven Testergebnis vorbereiten. Außerdem müsste gewährleistet sein, dass ihre Zwillingsschwester nicht von dem Testergeb-nis Kenntnis erhält, da sie keinen Test wünscht. Ihr Recht auf Nichtwissen muss gewahrt werden. Das Testergebnis darf nur Lisa erhalten. Es darf nicht an Dritte weitergegeben werden, um eine mögliche Diskriminierung zu vermeiden. Sollte trotzdem jemand Kenntnis von z. B. einem positiven Testergebnis erhalten, so darf dies keinen Einfluss haben. Ein Arbeitgeber darf z. B. eine Einstel-lung nicht aufgrund der Erkrankung ablehnen.

7 PetersVaterhatsicheinemGentestunterzogen,dadessenVateranChoreaHuntingtonerkranktwar.DasErgebnisistpositiv.PeterstehtnunvorderEntscheidung,oberebenfallseinenTestmachensoll.FührenSieineinemRollenspieleinBeratungs-gesprächzwischenPeterundeinemHumangenetikerdurch.individuelle Lösung. Folgende Punkte könnten im Rollenspiel thematisiert werden: Humangenetiker: Folgen der Erkrankung, Wahrscheinlichkeit für ein positives Testergebnis, Bedeutung eines positiven Testergeb-nisses, Umgang mit dem Testergebnis Peter: Fragen zum Krankheitsbild, Folgen eines positiven Testergebnisses, Lebenserwartung, Therapiemöglichkeiten

Alterung von Zellen (Seite 130/131)

1 StellenSieeineHypothesezumZusammenhangzwischenKörpermasseundLebensdauereinesOrganismusauf(Abb.2).Aus der Grafik geht hervor, dass eine größere Körpermasse mit einer längeren Lebensdauer verbunden ist. Die Abbildung zeigt nur gleichwarme Tiere. Gleichwarme Tiere investieren sehr viel Energie, um ihre Körpertemperatur aufrechtzuerhalten. Bei kleinen Tie-ren ist das Verhältnis zwischen Körperoberfläche und Volumen ungünstig. Sie haben im Verhältnis eine relativ große Oberfläche, über die sie Wärme abgeben. Dies führt dazu, dass sie eine erhöhte Stoffwechselleistung erbringen müssen, um dem Wärmever-lust entgegenzuwirken. Dies könnte eine Begründung für die geringere Lebensdauer sein.

2 BeschreibenSiedenAblaufderApoptose(Abb.3).Bei der Apoptose handelt es sich um einen sogenannten programmierten Zelltod. Die Zelle beginnt zunächst zu schrumpfen. Die DNA zerfällt in gleichmäßige Fragmente. Die Zelle zerfällt in einzelne Teile, die von einer Membran umgeben sind. Diese Teile werden von Makrophagen vernichtet.

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© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2019 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Natura Qualifikationssphase Biologie Niedersachsen, Lösungen Illustrator: Wolfgang Herzig, Essen

Keimesentwicklung von der Zygote bis zur Blastocyste (Seite 132/133)

1 BeschreibenSiediewichtigstenSchrittevonderBefruchtungbiszurBlastocysteinjeweilseinemSatz.Beim Kontakt des Spermiums mit der Eizelloberfläche werden Stoffe freigesetzt, die das Eindringen weiterer Spermien durch die Zona pellucida blockieren. → Der Spermienkopf und Teile der Geißel dringen in die Eizelle ein. → Vom Spermium in die Eizelle ein-gebrachte Mitochondrien werden beseitigt. → DNA des Spermiums wird entpackt und mit einer neuen Kernhülle umgeben. → Im so entstandenen väterlichen Vorkern wird die DNA repliziert. → Das Eindringen des Spermiums regt in der Eizelle die Beendigung der zweiten Reifeteilung mit der Bildung eines zweiten Polkörperchens an. → Die in der Eizelle verbliebenen Chromosomen wer-den von einer neu gebildeten Kernhülle eingeschlossen. → Im so entstandenen mütterlichen Vorkern werden die Chromosomen verdoppelt und zur Transportform verdichtet. → Aufbau der Teilungsspindel für die erste Mitose → Die Hüllen beider Vorkerne lösen sich auf und die Chromosomen ordnen sich in einem Spindelapparat an. → Das entstehende 2-Zellstadium ist das erste Stadium, in dem sich väterliche und mütterliche Chromosomen gemeinsam in einem Zellkern befinden. → Die Zellen teilen sich, während sie durch den Eileiter wandern. → Ab dem 4- oder dem 8-Zellstadium wird erstmals das Genom der Zygote exprimiert. → Im Morula-Stadium beginnt die Differenzierung der Zellen. → Sobald die Morula die Gebärmutter erreicht hat, nimmt sie Wasser und Ionen aus flüssigen Absonderungen der Gebärmutterschleimhaut auf. → Nach weiteren Zellteilungen bildet sich auf einer Seite der Morula ein flüssigkeitsgefüllter Hohlraum, auf der anderen häuft sich die innere Zellmasse an. → Die Morula ist nun in die sogenannte Blastocyste übergegangen, in der nun auch die Richtung von Zellteilung und Wachstum gesteuert wird.

2 DieGenefürmitochondrialeErkrankungenkönnenzwarMännerundFrauenbesitzen,abersiekönnennurvonderMuttervererbtwerden.ErklärenSiedieseBeobachtung. Die vom Spermium in die Eizelle eingebrachten Mitochondrien werden beseitigt. Die Mitochondrien eines Menschen stammen von der Mutter.

3 ErklärenSie,warumSpermieninderRegelnurEizellendereigenenArtbefruchtenkönnen. Die Erkennung des Spermiums an der Eizellmembran funktioniert nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Schloss und Schlüssel sind in der Zellmembran eingelagerte Proteine. Dabei trägt das Spermatozoon den Schlüssel und die Oocyte die Schlösser (Rezepto-ren). Fehlt der Eizelle der artspezifische passende Rezeptor, kann das Spermium nicht in die Eizelle eindringen.

Pränatale Diagnostik (Seite 134/135)

1 StellenSiedieWerteausAbb.4ingeeigneterFormgrafischdar.ErmittelnSiedamit,abwelchemAlterderSchwangereneineinvasiveUntersuchungsmethodeempfehlenswertist. Eine Untersuchung ist ab einem Alter der Mutter von 35 Jahren sinnvoll, da das Risiko für das Auftreten einer Trisomie 21 ab diesem Alter stark ansteigt.

2 ErläuternSie,warumeinmolekulargenetischerBluttestbeidenmeistenMehrlingsschwangerschaftenungeeignetist. Der Test beruht darauf, dass die Menge eines bestimmten Chromosoms gemessen wird. Bei einer Einlingsschwangerschaft sollte die Menge an Chromosom 21 bei einer Trisomie um 1/3 erhöht sein. Bei Mehrlingsschwangerschaften ist eine Aussage über eine Trisomie schwierig, da hier sowieso die Menge an Chromosomen erhöht ist.

3 BehindertenverbändestehenmolekulargenetischenBluttestskritischgegenüber.StellenSiemöglichePro-undContra-ArgumenteausderSichtvonBehindertenverbänden,derSchwangerenundderGesellschaftgegenüber.NehmenSieauchausIhrerPerspektiveStellung. individuelle Lösung. Z. B. aus der Sicht der Schwangeren: Pro: kein Risiko für Mutter und Kind; hohe Aussagekraft; contra: Es muss eine Entscheidung getroffen werden ob die Schwangere das Kind bekommen will oder nicht. Aus der Sicht der Behindertenver-bände: Pro: Schwangere könnte sich vorher informieren und so auf das Leben mit einem Kind mit Trisomie 21 vorbereiten; contra: mehr Abtreibungen wegen niedriger Hemmschwelle, den Test durchzuführen. Aus der Sicht der Gesellschaft: Pro: Test verursacht weniger Kosten für die Krankenkassen als invasive Untersuchungen; contra: Leben für Menschen mit Behinderungen könnte schwieriger werden, da Eltern sich für ein behindertes Kind rechtfertigen müssten.

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2. 3 Reproduktionsbiologie

Alter der Mutter (Jahre)30 40 50100 20

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Stammzellen (Seite 136/137)

1 ErläuternSiedieUnterschiedeinderEntwicklungsfähigkeitverschiedenerStammzellen. Zellen, aus denen ein vollständiges Lebewesen entstehen kann, werden als totipotent bezeichnet. Zellen, die zwar nicht der Ausgang eines vollständigen Lebewesen sein können, aus denen sich jedoch alle Zelltypen des Organis-mus bilden können, werden als pluripotent bezeichnet. Die den pluripotenten Zellen nachfolgenden Zellgenerationen, die sich nur noch zu Zelltypen innerhalb eines Gewebes differenzie-ren können, sind multipotent.

2 ErklärenSie,warumvieleGewebeStammzellenenthaltenmüssen. Mit der Spezialisierung geht bei vielen Zellen die Fähigkeit zur Zellteilung verloren. Durch Stammzellen wird ermöglicht, dass in den Geweben auch solche Zellen durch neue ersetzt werden, wenn es notwendig ist.

3 InformierenSiesichüberdasdeutscheEmbryonenschutzgesetzunderläuternSiedieaufgeführtenGründefürdasVerbotderForschunganEmbryonen.VergleichenSiediegesetzlichenVorgabenmitanderenLändernundnehmenSieselbstStellung. individuelle Lösung

Differenzielle Genaktivität (Seite 138)

1 StellenSieeineHypotheseauf,waspassiert,wenndieMutterkeineBicoid-m-RNAvererbt. Es kann kein Bicoid-Protein produziert werden. Damit fehlt die Information, an welchem Ende sich der Kopf bildet soll. Beide Enden müssen dann aussehen wie ein Hinterteil.

Erweiterter Genbegriff (Seite 139)

1 NennenSiemehrereGründe,warumdieAnzahlderProteineeinesOrganismushöherseinkannalsdieZahlderGeneaufderDNA.Aus der m-RNA, die nach der Transkription vorliegt, können durch alternatives Spleißen mehrere verschiedene m-RNA-Moleküle er-zeugt werden, die bei der anschließenden Translation zu verschiedenen Proteinen führen. Die Basensequenz der m-RNA kann auch im Anschluss an Spleißvorgänge durch Editing verändert werden. Dabei wird eine Base durch eine andere ersetzt. Im Anschluss an die Translation können auf das gleiche Gen zurückgehende Proteine zellspezifisch verändert werden (posttranslationale Modi-fikation).

2 ErklärenSie,warumdasimDarmgebildeteApoB-ProteinkürzeristalsdasinderLeberentstehendeundwarumdieskeineNonsense-Mutationist.Die m-RNA wird in Zellen des Darms im Gegensatz zu Leberzellen vor der Translation verändert, indem ein Adenin durch Uracil ersetzt wird (Editing). Dadurch entsteht ein Stopp-Codon, das dazu führt, dass die Translation bereits nach 2152 verknüpften Amino-säuren beendet wird. Es handelt sich nicht um eine DNA-Mutation, da im Darm die gleiche Basensequenz vorliegt wie in der Leber, die zum Stopp führende Veränderung also an der m-RNA, nicht an der DNA erfolgt. Während sich eine Nonsense-Mutation auf alle Zellen auswirken würde, in denen das Gene exprimiert wird, kann das durch Editing entstandene Stoppcodon je nach Differenzierungszustand gebildet werden oder nicht.

Assistierte Reproduktion (Seite 140/141)

1 BeschreibenSiedenAblaufeinerIn-vitro-Fertilisation.Hormonelle Anregung der Follikelreifung → Auslösung des Eisprungs → Entnahme von Eizellen aus dem Eierstock → Gewinnung von Sperma und Aufbereitung → Aufbereitete und gereinigte Spermien werden zu den Eizellen gegeben. Alternativen: Ein einzelnes Spermium wird mit einem dünnen Glasrohr in das Innere einer Eizelle übertragen werden (Intracyto-plasmatische Spermieninjektion ICSI) oder die Keime werden im 4-Zell-, im 8-Zell- oder im Blastocystenstadium in die Gebärmut-ter übertragen (Embryotransfer). In manchen Fällen wird die Zona pellucida unmittelbar vor dem Transfer aufgeweicht, um die Chance für die Einnistung zu erhöhen (assisted hatching).

2 NehmenSieStellungzurspätenNobelpreis-VerleihunganRobert EdwardsundbegründenSie,obdasKomiteeausIhrerSichtrichtiggehandelthat. individuelle Lösung

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Klonen (Seite 142)

1 BeschreibenSieVerfahrensweiseundZieledesreproduktivenunddestherapeutischenKlonens.Beim Klonen durch Zellkerntransfer wird der Kern einer Körperzelle in eine zuvor kernlos gemachte Eizelle übertragen. Dadurch entsteht eine totipotente Zelle, die die Embryonalentwicklung beginnen kann. Beim reproduktiven Klonen wird der so entstehende Keim in eine Leihmutter übertragen, in der sich ein kompletter Organismus entwickeln soll. Gelingt die Entwicklung, ist das entstehende Lebewesen ein Klon des Individuums, aus dem der Zellkern der Körperzelle stammt. Beim therapeutischen Klonen vermehrt man die embryonalen Zellen in Zellkulturen weiter. Durch Zugabe spezifischer Wachstumsfaktoren versucht man, daraus verschiedene Gewebe zu züchten und diese zur Therapie Erkrankter zu implantieren.

2 EineiigeZwillingebeimMenschenkannmanalsKlonebezeichnen.BegründenSieGemeinsamkeitundUnterschiedzumKlonbegriffbeiBlattläusen.Eineiige Zwillinge beim Menschen sind genetisch identisch. Das chromosomale Genom unterscheidet sich aber von dem der Mut-ter. Sie haben einen Chromosomensatz vom Vater und einen von der Mutter. Klone bei Blattläusen entstehen ohne Befruchtung aus Zellen der Mutter. Blattlausnachkommen sind deshalb sowohl Klone untereinander als auch Klone ihrer Mutter.

Material: Präimplantationsdiagnostik (Seite 143)

1 ErläuternSie,warumdieElternvonElodieeineIn-vitro-Fertilisationdurchführenließen,obwohlsiekeineFruchtbarkeitsstö-rungenhatten.Bei einer Befruchtung und Schwangerschaft auf natürlichem Weg wäre es weder möglich gewesen, festzustellen, ob das Genom der Zygote frei ist von der Erbkrankheit, unter der der Bruder leidet, noch ob die Gewebeeigenschaften des sich daraus entwickeln-den Kindes für eine Transplantation von Stammzellen geeignet sind. Diese Untersuchungen erfordern eine PID mit anschließender Embryonenauswahl, was wiederum eine In-vitro-Fertilisation voraussetzt.

2 NehmenSieStellungzurgezieltenZeugungeinesRetterkindes.GehenSieauffolgendeFragenein:HabendieElterndasRechtoderdiemoralischePflicht,ausdiesemGrundundaufdiesemWegeinKindzuerzeugen?DarfdasRetterkindeinbezo-genwerden,ohnegefragtzuwerden? individuelle Lösung

3 RecherchierenSie,warumdiePolkörperdiagnostikwenigerAussagenüberdenEmbryoermöglichtalseinePräimplantations-diagnostikim8-ZellstadiumodermitZellenausderBlastocyste.Sowohl der erste als auch der zweite Polkörper enthalten nur die Chromosomen der Mutter. Anomalien und Erbkrankheiten, die auf die Spermien zurückgehen, können durch Polkörperdiagnostik nicht nachgewiesen werden. Zellen, die aus der Zygote hervor-gegangen sind, wie die Zellen im 8-Zellstadium oder der Blastocyste, enthalten dagegen väterliche und mütterliche Chromoso-men.

4 InformierenSiesichüberdieRisikeneinerIn-vitro-FertilisationfürMutterundKindimVergleichzunatürlichgezeugtenKin-dern.individuelle Lösung. Hinweise: Mögliche Risiken für die Mutter: hormonelle Überstimulation der Eierstöcke, die üblichen Risiken operativer Eingriffe, Risiken durch Mehrlingsschwangerschaften wie Wassereinlagerungen, Nierenstörungen, erhöhter Blutdruck, akute Leberschädigungen und Schwangerschaftsdiabetes. Mögliche Risiken für die Kinder: erhöhtes Risiko für Chromosomen-Abweichungen, evtl. höheres Fehlbildungsrisiko und Risiko einer frühkindlichen Hirnschädigung. Ursache ist möglicherweise die höhere Rate an Mehrlings- und Frühgeburten.

5 BewertenSie,obeinePräimplantationsdiagnostikzurGeschlechtswahlgesetzlicherlaubtseinsoll. Eine Lösung kann nicht vorgegeben werden. Die Lehrkraft sollte sich im Unterricht auch mit eigenen Lösungen zurückhalten, um die offene Meinungsbildung der Schüler/innen nicht zu gefährden. Zur Diskussion sollten aber von der Lehrkraft mehrere Beispie-le angeboten werden. Denkbar wäre auch die Planung einer Dilemma-Diskussion (z. B. nach Prof. Lind, Konstanz, http://www.uni-konstanz.de/ag-moral/moral/dildisk-d.htm).

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Anwendungsgebiete der Gentechnik (Seite 144/145)

1 StellenSiez.B.inFormeinerMind-Mapdar,woSieinIhremAlltagmitGentechnikinBerührungkommen.NutzenSiedazuauchAbb.2. individuelle Lösung. Hier könnten beispielsweise die Bereiche Lebensmittel, Kosmetikprodukte, Waschmittel, Medikamente, Impfungen aufgeführt werden.

2 VieleMenschenhabengroßeBefürchtungenbezüglichderGentechnik,aberauchgroßeHoffnungen.FormulierenSiediegrößteBefürchtungunddiegrößteHoffnung,dieSiemitderGentechnikverbinden.HebenSieIhreFormulierungenaufundüberprüfenSiediese,nachdemdieUnterrichtseinheitzurGentechnikbeendetist. individuelle Lösung. Mögliche Argumente sind z. B.: Die größte Hoffnung ist die Heilung von Krankheiten. Die größte Befürchtung ist möglicherweise die Erzeugung sogenannter Designerbabys.

Grundprinzipien der Gentechnik (Seite 146/147)

1 GentechnikernutzenhäufigTechniken,dieinderNaturschonvorkommen.StellenSieinFormeinerTabelledieseTechniken,ihreBedeutunginderNaturundihreVerwendunginderGentechnikzusammen. siehe Tabelle

2 ErläuternSiemithilfederAbb.2dieFunktionsweiseeinesRestriktionsenzyms. Restriktionsenzyme schneiden DNA nach bestimmten Basenabfolgen. Jedes Restriktionsenzym schneidet nach einer spezifischen Basensequenz. Dabei werden die beiden Einzelstränge in der Regel versetzt geschnitten, sodass einzelsträngige Enden entstehen.

Gentherapie (Seite 148/149)

1 StellenSiediebeidenMethodenderGentherapieinFormeinesVerlaufsschemasdar(Abb.1).Ex vivo: Entnahme von Zellen aus dem menschlichen Organismus → Kultivieren der Zellen in einer Zellkultur → Einschleusen des gewünschten Gens in die Zellen der Zellkultur → Vermehrung der gentechnisch veränderten Zellen in der Zellkultur → Einschleu-sen der gentechnisch veränderten Zellen in den Organismus In vivo: Einpacken des gewünschten Gens in einen Vektor oder in Liposomen → Einschleusen des Vektors oder der Liposomen in bestimmte Gewebe oder Körperzellen

2 Abb.2zeigtmöglicheAnsätzefüreineGentherapie.ErläuternSiediese.ObereAbbildung: Bei rezessiven genetisch bedingten Krankheiten liegen bei einer Erkrankung auf beiden homologen Chromoso-men die mutierten allelen Gene vor. Es kann kein funktionsfähiges Genprodukt exprimiert werden. Durch das Einschleusen eines nicht mutierten Gens wäre die Krankheit heilbar, da dadurch ein funktionsfähiges Genprodukt hergestellt werden könnte. Mittlere Abbildung: Eine Krebstherapie wäre in der Form denkbar, dass ein Toxin-Gen gezielt in die Krebszellen eingeschleust wird. Gelingt dies, könnte das Gen exprimiert werden und das Toxin könnte gezielt die Krebszellen zerstören. Untere Abbildung: Eine andere Form der Krebstherapie ist denkbar, indem gezielt körperfremde Antigen-Gene in Krebszellen eingeschleust werden. Werden diese exprimiert, könnten Antigene auf den Zelloberflächen der Krebszellen gebildet werden. Die fremden Antigene werden vom Immunsystem erkannt und die Krebszellen gezielt zerstört.

3 FormulierenSieeineHypothese,warumdiemeistenGentherapiensichmitderErforschungvonHeilungsmöglichkeitenfürKrebsauseinandersetzen.Gentherapie beinhaltet zurzeit noch große Risiken. Nur bei Erkrankungen, bei denen es keine anderen Therapien gibt und die unweigerlich zum Tod führen, ist es vertretbar, eine so risikoreiche Therapie wie die Gentherapie anzuwenden. Aus diesem Grunde erfolgen die meisten Gentherapie-Versuche auf dem Gebiet der Krebsbehandlung.

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2. 4 Gentechnik

Verfahren Bedeutung in der Natur Verwendung in der Gentechnik

ReverseTranskription EinbauvonViren-RNAinDNAderWirtszellen

Umschreibenvonm-RNAinc-DNA

Restriktion HerausschneidenvonVirus-RNAausBakterienchromosom

gezieltesSchneidenvonDNA

EinfügenvonPlasmideninBakterien

AustauschvongenetischemMaterialzwischenBakterien

gezieltesEinbringenvonFremd-DNAinBakterien

Ligation ZusammenfügenvonDNA-StückenbeiderDNA-Repara-turoderDNA-Replikation

ZusammenfügenvonDNA-Stücken

Antibiotikaresistenz SchutzvonBakteriengegenAntibiotika

SelektionvongentechnischverändertenBakterien


Material: Gentechnik in der Medizin (Seite 150/151)

1 BeschreibenSiemithilfevonAbb.2,wiesichGenemithilfedesCRISPR-Cas-Systemsgezieltausschneidenbzw.einbauenlassen.CAS-Proteine bestehen aus einem DNA-Abschnitt, einem Proteinanteil und einer lenkenden RNA-Sequenz. Die RNA-Sequenz ist so aufgebaut, dass sie zu einem DNA-Abschnitt komplementär ist. Wird ein solches Protein in eine Zelle eingeschleust, „lenkt“ der RNA-Abschnitt das CAS-Protein zur komplementären DNA-Region. Diese wird gezielt ausgeschnitten. An dieser Stelle kann auch ein neues DNA-Stück eingebaut werden.

2 CRISPR-CasermöglichterstmalseinegezielteAnwendungderGentherapie.ErläuternSiedies.Bisher ist es nicht möglich, DNA-Stücke gezielt in das Genom einer Zelle einzubringen. Da das CAS-Protein DNA gezielt an einer Stelle schneiden kann, ist es auch möglich, gezielt an dieser Stelle ein Fremdgen einzubringen.

3 DurchNutzungdesCRISPR-Cas-SystemskönntemaneineImmunitätgegenHIVerzeugen.ErläuternSie,wiediesesVerfahrenaussehenmüsste.Mithilfe von CAS-Proteinen könnten gezielt die Gene herausgeschnitten werden, die für die Rezeptoren CD4 und CCR5 codieren. Diese beiden Rezeptoren sind notwendig, damit HI-Viren in die Zellen eindringen können. Fehlen diese Rezeptoren auf den Zell-oberflächen, ist die Person immun gegen HIV.

4 BeschreibenSiedieSelektionvontransformiertenBakterien,indieerfolgreicheinInsulin-Geneingebautwurde,mithilfedesTextesundderAbb.3.Ein Insulin-Gen wird in ein Plasmid eingebaut, das ein Resistenz-Gen gegen Ampicillin und ein β-Galactosidase-Gen enthält. Dabei wird die Einbaustelle für das Insulin-Gen in dem Vektor so gewählt, dass sich das Insulin-Gen in die Gensequenz des β-Galactosidase-Gens einbaut und diese zerstört. Das rekombinante Plasmid wird in ein Bakterium eingeschleust und die Bakterien werden auf einem Medium kultiviert, das Ampicillin und X-Gal enthält. X-Gal kann von Bakterien abgebaut werden, die das β-Galactosidase-Gen besitzen. Der Abbau führt zu einer Blaufärbung der Bakterienkolonien. So können Bakterien selektiert werden, bei denen es gelungen ist, ein rekombinantes Plasmid einzuschleusen. Diese können kein X-Gal abbauen und erscheinen weiß.

5 ErläuternSie,weshalbmanfürdieSelektiondertransformiertenBakterienzweiMarkergenenutzt.Um das Fremdgen in die Plasmide einzuschleusen, werden Plasmid und Fremdgen mit dem gleichen Restriktionsenzym geschnit-ten. Dabei kann es auch passieren, dass das Plasmid sich wieder schließt, ohne dass das Fremdgen eingebaut wurde. Um Bakte-rien mit Plasmid ohne Fremdgen von Bakterien mit Plasmid und Fremdgen zu unterscheiden, werden zwei Markergene benötigt. Wird nur das Plasmid ohne Fremdgen eingeschleust, so wachsen die Bakterien auf dem Medium mit Ampicillin und bilden blaue Kolonien, da das β-Galactosidase-Gen intakt ist. Durch den Einbau des Fremdgens wird das β-Galactosidase-Gen zerstört. Bakteri-en mit Plasmid und Fremdgen wachsen auf dem Medium mit Ampicillin, können aber kein X-Gal abbauen und erscheinen weiß.

6 BeschreibenSie,wiesichmithilfegentechnischerMethodentransgeneTiereherstellenlassen,dieAntithrombinproduzieren(Abb.4).Das menschliche Antithrombin-Gen wurde in ein Stück Ziegen-DNA eingebaut, das einen Promotor enthält, der dazu führt, dass das Gen nur im Euter der Ziegen exprimiert wird. Dieses DNA-Stück wird in die Zygote einer Ziege eingeschleust. Wird das DNA-Stück erfolgreich in das Ziegengenom eingebaut, entwickelt sich eine Ziege, deren Milch Antithrombin enthält.

7 FormulierenSiePro-undContra-ArgumentefürdieHerstellungvonAntithrombinintransgenenZiegen.Pro: Große Mengen Antithrombin können kostengünstig produziert werden. Auch in heißen Ländern kann die Ziegenmilch als Medikament eingesetzt werden. Es müssen keine Medikamente transportiert werden, die evtl. gekühlt werden müssten. Contra: Lebewesen werden „ausgenutzt“. Der Einbau des Antithrombin-Gens erfolgt nicht gezielt. Es werden viele Versuche notwendig sein, bis eine Zygote sich zu einer Ziege mit den gewünschten Eigenschaften entwickelt. Es ist nicht bekannt, ob die Mischung aus Ziegenmilch und Antithrombin evtl. Nebenwirkungen haben könnte. Die Ziegenmilch ist ein Lebensmittel und könnte mit normaler Ziegenmilch verwechselt werden.

8 FormulierenSieIhreneigenenStandpunktzurHerstellungvonMedikamentenintransgenenTieren.BegründenSieIhreMeinung.individuelle Lösung. Argumente in Anlehnung an Aufgabe 7

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Gentechnik in der Landwirtschaft (Seite 152/153)

1 BeschreibenSiedieHerstellungtransgenerPflanzenmithilfevonAgrobacterium tumefaciens(Abb.3).Das gewünschte Gen wird in ein Ti-Plasmid eingebaut. Das Plasmid wird in Agrobacterium eingeschleust. Blattstückchen einer Pflanze werden auf einem Nährboden kultiviert. Die Blattstückchen werden mit den transgenen Agrobacterien infiziert. Durch die Infektion wird das Plasmid in die Pflanzenzellen eingeschleust. Aus den Blattstückchen lassen sich ganze Pflanzen regenerieren.

2 InAmerikasind85%undweltweit24%desangebautenMaisesgentechnischverändert.InDeutschlandistderAnbauvonBt-Maisverboten.Trotzdemistesschwierigzukontrollieren,obinDeutschlandProdukteausBt-MaisaufdemMarktsind.RecherchierenSienachProdukten,fürderenHerstellungMaisverwendetwird.NennenSieProdukte,beidenensichBt-Maisnurschwernachweisenlässt.BegründenSieIhreEntscheidung.individuelle Lösung. Hinweis: Bei Produkten, die direkt aus Mais bestehen, lässt sich die gentechnische Veränderung nachweisen. Bei Produkten, die unter Verwendung von Produkten hergestellt wurden, die wiederum aus Mais gewonnen wurden, lässt sich dies nur schwer nachweisen, so z. B. Produkte, für deren Herstellung Maiskeimöl verwendet wurde.

Material: Gen-Ethik (Seite 154/155)

1 RecherchierenSie,welcheLebensmittelunterBeteiligungvonGVOhergestelltwerden,abernichtderKennzeichnungspflichtunterliegen.individuelle Lösung. Z. B. Joghurt aus Milch von Kühen, die gentechnisch verändertes Soja gefressen haben; Lebensmittel, die Aromen enthalten, die mithilfe von GVO hergestellt wurden; Maisprodukte können bis zu 0,9 % mit Bt-Mais verunreinigt sein.

2 MancheVerbraucherfühlensichdurchdiederzeitigenRegelungenzurKennzeichnungspflichtvonLebensmitteln,inderenHerstellungsprozessGentechnikeineRollespielt,nichtausreichendgeschützt.NennenSiemöglicheGründefürdieseEinstel-lung.siehe auch Aufgabe 1. Verunreinigungen sind immer möglich. Es besteht nur eine Kennzeichnungspflicht, wenn der GVO im Lebensmittel nachweisbar ist. Lebensmittel, die Stoffe enthalten, die mithilfe von GVO hergestellt wurden, sind nicht kennzeich-nungspflichtig.

3 MancheFirmenversehenihreProduktemitdemSiegel„OhneGentechnik“,einerseitsumVerbraucherneinegrößereTranspa-renzzuermöglichen,andererseitszuWerbezwecken.a) RecherchierenSie,welcheBedingungenfürdieVerleihungdesSiegels„OhneGentechnik“erfülltseinmüssen.b) GibtdieKennzeichnung„OhneGentechnik“demVerbraucherdieSicherheit,dassdasProduktohneBeteiligungvon Gentechnikhergestelltwurde?BegründenSieIhreAntwort.a) Bei pflanzlichen Lebensmitteln bedeutet das Siegel, dass genveränderte Bestandteile noch nicht einmal in Spuren enthalten sein dürfen. Sind gentechnisch veränderte pflanzliche Bestandteile im Produkt, muss dies erst ab einem Anteil von 0,9 Prozent deklariert werden. Bei Tierprodukten bedeutet „ohne Gentechnik“, dass die Futtermittel maximal 0,9 Prozent gentechnisch veränderte Bestandteile enthielten (diese Futtermittel gelten vor dem Gesetz als gentechnikfrei). Ausnahmen: Die Tiere müssen nur einen bestimmten Zeitraum vor der Gewinnung des Lebensmittels (also vor der Schlachtung oder vor dem Lege- termin eines Eies) gentechnikfrei gefüttert worden sein — am Anfang ihres Lebens dürfen sie gentechnisch verändertes Futter erhalten. b) Auch das Siegel „Ohne Gentechnik“ garantiert nicht, dass die Lebensmittel komplett ohne den Einsatz von Gentechnik ent-

standen sind. So sind Verunreinigungen weiterhin möglich und eine Fütterung von Tieren mit GVO ist auch noch möglich. Siehe auch Aufgabe a).

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4 FührenSieeineethischeBewertungzumThemaZulassungvonGendicineinDeutschlanddurch.GehenSiedabeinachfolgen-denSchrittenvor: 1. BeschreibenSiedieProblemsituation. 2. FormulierenSieChancenundRisiken.

NennenSiedieHandlungsoptionenderBeteiligten(Staat,Unternehmen,Patienten,Ärzte,…). 3. WählenSievondenWertenausderWertetabelle(Abb.3)diejenigenaus,dieIhrerMeinungnachbetroffensind.Begrün-

denSieIhreEntscheidung. 4. ErstellenSiefürsicheineRangfolgederWerte. 5. EntscheidenSiesichfüreineHandlungsoption. 6. FormulierenSiedieAuswirkungenIhrerEntscheidungfürdieBetroffenen(Staat,Unternehmen,Ärzte,Patienten,…).

ÜberdenkenSiegegebenenfallsIhreEntscheidung.individuelle Lösung, z. B.: 1. Problemsituation: Gendicine ist in Deutschland zurzeit nicht zugelassen. Interne Studien in China belegen die Wirksamkeit von Gendicine bei bestimmten Krebserkrankungen. Die Studien wurden aber nicht unter international anerkannten Bedin-gungen durchgeführt. Eine Behandlung in China ist möglich, jedoch sehr teuer. 2. Mit Gendicine könnten Krebspatienten evtl. geheilt werden. Gendicine könnte jedoch Nebenwirkungen haben, die bisher aufgrund zu weniger Studien noch nicht erkannt wurden. Aufgrund der fehlenden Studien ist Gendicine in Deutschland nicht zugelassen. Für eine Zulassung müssten die Gesetze geändert werden. Dies birgt Risiken, da diese Veränderung in der Gesetzgebung auch eine Lockerung in der Gesetzgebung für andere Medikamente bedeuten würde. Es wäre aber eine bedingte Zulassung zu Studienzwecken möglich. Diese müsste dann entweder auf eigenes Risiko der Patienten sein oder nur bei Patienten möglich sein, für die es ansonsten keine anderen Therapiemöglichkeiten mehr gibt. Für die Patienten bleibt zurzeit nur die Möglichkeit, sich in China behandeln zu lassen. Dies ist aber nur möglich, wenn die notwendigen finanziellen Mittel zur Verfügung stehen. Krankenkassen übernehmen die Behandlung nicht, könnten aber vielleicht in Härtefällen einen Zuschuss genehmigen. 3. Werte: z. B. Gesundheit: Mit einer Gendicine-Behandlung könnten Patienten geheilt werden. Es besteht aber auch die Mög-lichkeit, dass Nebenwirkungen auftreten. Soziale Gerechtigkeit: Nur Patienten, die über genügend Geld verfügen, können sich die Behandlung leisten. Sicherheit: Gendicine ist nicht hinreichend untersucht. 4., 5., 6: individuelle Lösungen

Synthetische Biologie (Seite 156/157)

1 FormulierenSiemöglicheBedenkengegendenEinsatzderSynthetischenBiologie.individuelle Lösung. Z. B.: Mensch als „Schöpfer“. Risiken sind nur schwer abschätzbar. Lebewesen könnten trotz Sicherheitsmaß-nahmen in die Umwelt gelangen und Schaden anrichten, Angst vor Missbrauch

2 ErläuternSiedieVorteiledesorthogonalenAnsatzes.Diese Lebewesen nutzen anderes genetisches Material und haben einen anderen Weg der Proteinbiosynthese. Dadurch ist ausge-schlossen, dass sie in der Natur Mischformen mit anderen Lebewesen eingehen.

3 DurchdenEinsatzandererDNA-Nucleotidebzw.andererRibosomen,dieVierercodonsablesen,sindauchandereVeränderun-geninderProteinbiosynthesenotwendig.BeschreibenSiediese.Neben den genannten Veränderungen müssten auch Start- und Stopp-Codons vorkommen. Außerdem werden auch andere t-RNA-Moleküle benötigt, die auf die Vierercodons eingestellt sind. Der gesamte genetische Code müsste verändert sein.

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Genetisch bedingte Gerinnungsstörung (Seite 160)

1 NennenSieGründe,wiesoeineThrombosesogefährlichseinkann.(Punkte:8/50)Bei einer Thrombose bildet sich ein Blutgerinnsel, das Blutgefäße verschließen kann. Dadurch kann der Fall eintreten, dass lebenswichtige Organe nicht mehr mit sauerstoff- und nährstoffreichem Blut versorgt werden und ihre Funktion nicht mehr erfül-len können.

2 ErläuternSieanhandvonAbbildung2dieUrsachedesFaktor-V-Leidens.BeziehenSiesichdabeiauchaufdieVeränderungaufEbenederDNA.(Punkte:16/50)Die Aminosäure Arginin (Arg) ist gegen Glutamin (Gln) ausgetauscht. Das Faktor-V-Protein wird von APC an der Position 506/507 geschnitten. Durch die veränderte Aminosäuresequenz kann das Faktor-V-Protein von APC nicht an dieser Stelle geschnitten werden. Das Faktor-V-Protein wird dadurch nicht so schnell abgebaut. Folgende Basentripletts der m-RNA codieren für die beiden Aminosäuren: Arg: CGG, CGU, CGA, CGG, AGG, AGA Gln: CAA, CAG Es handelt sich vermutlich um eine Punktmutation. Die Triplettcodes CGG und CAG unterscheiden sich nur in einer Base. In der DNA ist wahrscheinlich die Base Cytosin gegen Thymin ausgetauscht (codogener Strang) bzw. Guanin gegen Adenin (m-RNA, komplementärer DNA-Strang).

3 ErklärenSiedieunterschiedlicheThromboseneigungbeigesunden,heterozygotenundhomozygoterkranktenPersonenunterEinbeziehungvonAbbildung3.(Punkte:12/50)Heterozygote Personen haben sowohl die Information für intakte Faktor-V-Proteine, aber auch eine mutierte Variante, da auf beiden Chromosomen des 1. Chromosomenpaares die Information für den Aufbau eines Faktor-V-Proteins vorliegt. Die intakten Faktor-V-Proteine können abgebaut werden. Deshalb ist die Gerinnungsneigung nicht so hoch wie bei den homozygot erkrankten Personen. Diese besitzen nur die Information für den Bau veränderter Proteine, die an der Position 506 nicht geschnitten werden können.

4 VondenuntersuchtenPersonenisteineheterozygotundeinehomozygotbezüglichdesFaktor-V-Leidens.OrdnenSiediePatientenbegründeteinemGenotypzu.(Punkte:14/50)Patient 1 ist heterozygot bzgl. des Faktor-V-Leiden-Gens. Es zeigen sich Banden bei 163 Bp, 67 Bp und 37 Bp wie bei einem gesun-den Patienten. D. h. auf einem der beiden homologen Chromo somen liegt das nicht-mutierte Gen (zwei Schnittstellen für das Restriktionsenzym). Auf dem zweiten Chromosom liegt aufgrund der Mutation nur eine Schnittstelle vor, deshalb sind hier nur ein 67 Bp großes und ein 200 Bp großes DNA-Stück sichtbar. Patient 2 ist homozygot bzgl. des Faktor-V-Leiden-Gens. Beide homologen Chromosomen haben nur eine Schnittstelle für das Restriktionsenzym. Es entstehen 2 DNA-Stücke.

Gentechnisch veränderte Pappeln (Seite 161)

5 BeschreibenSieunterVerwendungvonAbb.5inFormeinesVerlaufsschemas,wiesicheinzusätzlichesGeninPappelnein-bringenlässt.(Punkte: 10/50)Isolierung der Fremd-DNA → Schneiden der Fremd-DNA mit einem Restriktionsenzym → Schneiden des Ti-Plasmids mit dem gleichen Enzym → Einfügen der Fremd-DNA in Ti-Plasmid (Ligation) → Einbringen des Ti-Plasmids in Agrobacterium tumefaciens (Transformation) → Infektion von Pflanzenzellen mit Agrobacterium tumefaciens → Regeneration der Pflanzenzellen zu einer intakten Pflanze

6 StellenSiePro-undContra-ArgumentefürdieBodenentgiftungmithilfevongentechnischverändertenPappelnzusammen.NutzenSiedazuAbb.6und7.(Punkte: 18/50)Pro: keine Belastung der Böden mit zusätzlichen Chemikalien; keine Gefahr des Auswaschens der Schwermetalle aus dem Boden, natürliche Rekultivierung des Bodens durch den Anbau von neuen Pflanzen, Pappeln müssen nur einmal angepflanzt werden. Contra: Pappeln speichern Giftstoffe in den Blättern und werfen diese ab. Die abgeworfenen Blätter enthalten Schwermetalle und müssen deshalb entsorgt werden. Pappeln sind Windbestäuber und Samen können über weite Strecken verbreitet werden. Dadurch ist die Übertragung des Fremd-Gens auf andere Pappeln im Umkreis möglich. Dadurch, dass Pappeln mit Pilzen in Sym-biose leben, ist eine Übertragung des Fremd-Gens auch auf diesem Wege (in Pilz oder andere Pappeln) möglich.

7 ErläuternSieVorsichtsmaßnahmen,diebeimAnbaugentechnischveränderterPappelnzutreffenwären.(Punkte: 10/50)Die Blätter der Pappeln müssten fachgerecht entsorgt werden. Eine Verbreitung der Samen müsste über die gewünschte Anbau-fläche hinaus verhindert werden, z. B. durch Entfernen der Blüten oder „Abschottung“ der Anbaufläche. Im weiten Umfeld der Pappeln dürften sich keine anderen Bäume befinden, damit das Wurzelgeflecht der Pilze, mit denen sie in Symbiose leben, nicht auch auf andere Pflanzen zugreift und so eine Übertragung des Fremd-Gens erfolgen kann.

8 NehmenSiebegründetStellungzumAnbaugentechnischveränderterPappelnzurBodenentgiftung.(Punkte: 12/50)individuelle Lösung. Anmerkung: Die Lösung sollte Argumente mit persönlicher Gewichtung enthalten.

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Abi-Training Genetik


3 Ökologie

3. 1 Beziehungen von Lebewesen zu ihrer Umwelt

Grundbegriffe der Ökologie (Seite 164/165)

1 PlanenSieeinenVersuch,mitdemmandiephysiologischePotenzderGroßenBrennnesselinAbhängigkeitvomabiotischenÖkofaktorTemperaturbestimmenkann.Es können Pflanzversuche durchgeführt werden, bei denen alle Ökofaktoren außer der Temperatur konstant gehalten werden. Gleich viele Pflanzen sollten auf gleich großer Fläche mit gleich starker Beleuchtung und gleicher Wasserverfügbarkeit angepflanzt werden. Nur die Temperatur muss variiert werden, z. B. 0, 10, 20 und 30 °C.

2 FormulierenSiejeeinekonkreteFragestellung,diemanimRahmenderfünfinAbb.1genanntenForschungsgebietederÖkologieuntersuchenkann.Autökologie: Welche abiotischen Ökofaktoren bevorzugt der Graureiher? Populationsökologie: Wie sind die Schwankungen der Graureiherpopulation zu erklären? Synökologie: Wie beeinflussen sich die Graureiherpopulation und die Population einer bestimmten Fischart gegenseitig? Ökosystemforschung: Welchen Einfluss haben die Jahreszeiten auf einen See? Biosphärenforschung: Welche Auswirkungen hat der Treibhauseffekt auf die Biosphäre?

Einfluss der Temperatur auf Tiere (Seite 166/167)

1 BeurteilenSieanhandderDateninAbb.2dieVor-undNachteilederwechselwarmenundgleichwarmenTiereunterverschie-denenLebensbedingungen.Die Stoffwechselraten der Maus sind in allen Umgebungstemperaturen hoch genug. Bis 27 °C und ab 32 °C steigen die Stoffwechselraten z. B. zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur an. Dies bedeutet einen erhöhten Nahrungsbedarf, Muskelzittern oder verstärkte Wärmeabgabe an die Umgebung. Dies ist bei der Eidechse nicht notwendig, aber bei niedrigen Umgebungstemperaturen sind die Stoffwechselraten sehr niedrig und damit die Beweglichkeit gering.

2 ErläuternSiedenVorteilkurzerKörperanhängebeiTiereninkaltenRegionenundlangerKörperanhängeinwarmenRegio-nen.Kurze Körperanhänge bedeuten eine geringere wärmeabgebende Körperoberfläche in kalten Regionen, lange Körperanhänge eine größere wärmeabgebende Körperoberfläche in warmen Regionen. So kann die Körpertemperatur jeweils einfacher aufrechterhalten werden.

3 ErklärenSieanhandvonAbb.4,dassdieBergmann’scheRegelnichtaufpoikilothermeTiereanwendbarist.Die Körper und Schwanzlängen der Eidechsenarten zeigen einen Trend genau entgegengesetzt zur Bergmann´schen Regel. Sie gilt nicht für poikilotherme Tiere, da sie keine Wärme an die Umgebung abgeben. Es ist sogar umgekehrt so, dass größere Körper von wechselwarmen Tieren nur in wärmeren Regionen ausreichend von der Umgebung erwärmt werden, sodass diese zum Beispiel Beute jagen können.

Praktikum: Der Umweltfaktor Temperatur (Seite 168)

1 StellenSieIhreMesswertegrafischdar.individuelle Lösung

2 BeschreibenSiediePräferenzkurvefürdieMehlkäferlarvenundvergleichenSiesieggf.mitdenMesswertenvonweiterenTierarten.individuelle Lösung, Nennung der Anzahl der Larven für verschiedene Temperaturen, Minimum, Optimum, Maximum nennen, Vergleich: Gemeinsamkeiten mit und Unterschiede zu anderen Tieren beschreiben

3 PlanenSieeinExperiment,mitdemmandieLichtpräferenzvonWasserflöhenmessenkann.Unterschiedliche Lösungen sind möglich, z. B.: Ein kleines Glasbecken wird auf einen OverheadProjektor gestellt. Zwischen Glas und Projektor werden unterschiedlich viele Lagen Pergamentpapier gelegt, sodass stufenweise unterschiedlich viel Licht auf die Wasserflöhe trifft. Von oben wird das Glasbecken z. B. mit Pappe abgedunkelt, sodass nur der Lichteinfluss von unten gemessen wird. In das Glasbecken wird Wasser mit einer bekannten Zahl von Wasserflöhen gefüllt und nach einiger Zeit ausgezählt, in welchem Bereich sich wie viele Wasserflöhe befinden.

4 ErläuternSiedenZusammenhangzwischenHerzschlagfrequenzundTemperatur.Bei Temperatursteigerung kommt es zu einer erhöhten Aktivität der Enzyme (RGTRegel), die an der Zellatmung beteiligt sind. Entsprechend nehmen der Sauerstoffverbrauch und die Sauerstoffaufnahme zu. Über Regelungsvorgänge steigt auch die Herzschlagfrequenz.

5 TragenSiedieErgebnisseimKurszusammenunderrechnenSieMittelwertefürdiejeweiligeTemperatur.individuelle Ergebnisse, die Herzschläge sollten bei 25 °C am höchsten sein, bei 10 °C am niedrigsten.

6 ErklärenSiedieMessergebnisse.Mit abnehmender Temperatur sinken die Enzymaktivität, die Zellatmungsrate, die Sauerstoffaufnahme und letztlich auch die Herzschlagfrequenz. Dies gilt für poikilotherme Tiere wie Wasserflöhe.

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Praktikum: Modellexperimente zum Wärmehaushalt von Tieren (Seite 169)

1 BerechnenSieVolumen(V=4/3πr3)undOberfläche(O=4πr2)sowiedierelativeOberfläche(O/V)derverwendetenKolben.GehenSiedabeivereinfachtvoneinerKugelformaus. Beispielrechnung für die Radien r100 = 3 cm und r1000 = 6,5 cm: O100 = 113 cm2, O1000 = 530,66 cm2

O/V = 3/r: für den 100mlKolben 1 cm–1, für den 1000mlKolben 0,46 cm–1

2 StellenSieIhreMesswertegrafischdar.individuelle Lösung. (Die Temperatur im kleinen Kolben fällt schneller ab als im großen Kolben, nach 15 Minuten ist die Temperatur im kleinen Kolben um einige °C niedriger.)

3 ErläuternSieanhandderBerechnungenausAufgabe1undIhrerGrafikausAufgabe2denWärmehaushaltvongrößerenundkleinerenTieren.Das Wärme produzierende und Wärme speichernde Volumen ist bei großen Tieren größer als bei kleinen Tieren, die Wärme abgebende relative Oberfläche ist bei kleinen Tieren größer. Bei gleich niedriger Temperatur ist ein größeres Tier im Vorteil, die Stoffwechselrate eines kleineren Tieres muss im Vergleich erhöht werden, um die Körpertemperatur aufrechtzuerhalten. Bei gleich hohen Temperaturen ist das kleinere Tier im Vorteil, es kann über die größere relative Oberfläche schneller und mehr Wärme abgeben, größeren Tieren droht schneller eine Überhitzung.

4 ErläuternSieanhanddesModellversuchsdieBergmann’scheRegel.Bei nah verwandten Arten oder Unterarten haben Individuen mit größerer Körpermasse, im Modell der große Kolben, einen Vorteil in kälteren Regionen, da ihre Körper nicht so schnell auskühlen wie bei Individuen mit kleinerer Körpermasse, im Modell der kleine Kolben. Dies entspricht der Bergmann´schen Regel.

5 FührenSieeineModellkritikdurch.unterschiedliche Aspekte, z. B. wird durch das Kolbenvolumen nur das Wärmeenergie speichernde Volumen dargestellt, nicht aber das Wärme produzierende Volumen. Die Kolben produzieren also nicht wie lebende Tiere Wärme durch Stoffwechselaktivität nach.

6 EntwickelnSiemitdenangegebenenMaterialieneinenModellversuchzurAllen’schenRegel.In eine Kartoffel werden die beiden kürzeren, in die andere Kartoffel die beiden längeren Kupferbleichstreifen gleich tief gesteckt, ebenso die Thermometer. Bei gleicher Starttemperatur wird die Temperatur 15 Minuten lang in Abständen von drei Minuten gemessen und protokolliert.

7 FührenSieIhrenVersuchdurchundfertigenSieeinVersuchsprotokollan.individuelle Lösung, z. B. Versuch wie in Lösung Aufgabe 6, die Kartoffel mit großen Kupferblechstreifen kühlt schneller ab

8 FührenSieeineFehlerbetrachtungzuIhremVersuchundIhrenMesswertendurch.Mögliche Fehlerquellen sind z. B. nicht ganz gleich große Kartoffeln, die Kartoffen sind unterschiedlich geformt, unterschiedliche Starttemperatur der Kartoffeln, die Kupferblechstreifen oder Thermometer sitzen nicht gleich tief in der Kartoffel, Ablesefehler

9 WertenSieIhrenModellversuchaus.Über die größere Oberfläche längerer Körperanhänge, im Modell die längeren Kupferblechstreifen, wird mehr Wärme in gleicher Zeit abgegeben als über die kleinere Oberfläche kürzerer Köpreranhänge, im Modell die kürzeren Kupferblechstreifen. Individuen nah verwandter Arten oder Unterarten mit größeren Körperanhängen haben in warmer Umgebung einen Vorteil. Dies entspricht der Allen´schen Regel.

10ErläuternSie,inwieferndasGefäßsystemimPinguindieAngepasstheitbezüglichderAllen‘schenRegelergänzt.Körperwarmes Blut fließt in Richtung Fußspitze und gibt Wärme an das kalte Blut ab, das vom Fuß in den Körper zurückfließt. So entsteht ein Temperaturgefälle im Fuß, in der Fußspitze ist die Temperatur am niedrigsten. In den Bereichen niedrigerer Körpertemperatur wird weniger Wärme an die Umgebung abgegeben, es muss weniger nachproduziert werden. Außerdem gelangt kein kaltes Blut in den Körper. Diese Angepasstheit der Pinguinfüße bedeutet einen geringeren Energieverbrauch und damit geringeren Nahrungsbedarf des Tieres. Trotz einer größeren Körperoberfläche durch Körperanhänge (Allen'sche Regel) kann die Wärmeabgabe so reduziert werden.


Einfluss der Temperatur auf Pflanzen (Seite 170)

1 StellenSiedieZusammenhängevonJahresmitteltemperatur,WachstumszeitundVegetation(Abb.1)grafisch,z.B.ineinerConcept-Map,dar.individuelle Lösung, z. B.:

2 ErläuternSiedieFrosttoleranzderAckerschmalwandunterBezugzuAbb.2alsAngepasstheitandenStandort.Aus Abb. 2 geht hervor, dass die Letaltemperatur mit zunehmender Entfernung vom Äquator sinkt, in Regionen mit niedrigeren Temperaturen ertragen die Pflanzen der Ackerschmalwand also auch mehr Frost, die Frosttoleranz steigt. Dies ist durch Einlagerung von Zuckerkristallen im Zellplasma möglich. Ohne diese Angepasstheit wäre das Verbreitungsgebiet der Ackerschmalwand deutlich kleiner.

Material: Lebewesen und Temperatur (Seite 171)

1 BeschreibenunderklärenSiedenZuwachsderWurzelnbeiderGelbenLupineinAbb.1unterVerwendunggeeigneterFach-begriffe.Ein Zuwachs der Wurzeln der Gelben Lupine ist zwischen 0 und 45 °C zu messen. Den höchsten Zuwachs zeigen die Wurzeln bei 30 °C. Die Stoffwechselprozesse zum Aufbau von Biomasse sind temperaturabhängig. Bei steigenden Temperaturen steigt auch die Enzymaktivität (RGTRegel) der beteiligten Enzyme, der Wurzelzuwachs nimmt zu. Sind die Temperaturen zu hoch, werden Enzyme durch Denaturierung geschädigt, die Aktivität der Enzyme und damit der Zuwachs der Wurzeln nimmt ab.

2 „SchneeglöckchentauensichdenWegzumLichtfrei.“NehmenSieStellungzudieserAussage(Abb.2).In Abb. 2 im Schülerbuch ist direkt um das Schneeglöckchen herum kein Schnee. Beim Abbau der Nährstoffe in der Zwiebel wird die freigesetzte Energie also nicht nur zum Austreiben der Blätter genutzt, sondern es wird auch Wärme gebildet. Schneeglöckchen tauen sich tatsächlich den Weg zum Licht frei, mit dessen Hilfe ihre Blätter dann selbst Nährstoffe durch Fotosynthese herstellen können.

3 ErläuternSienotwendigeVoraussetzungen,diedasWachstumvonSchneeglöckchenbeiFrostundSchneeermöglichen.Die Nährstoffe für das Wachstum müssen bereits vorhanden sein, da unter der Schneedecke kaum Fotosynthese betrieben werden könnte. Schneeglöckchen haben Nährstoffe in der Zwiebel gespeichert. Die beteiligten Enzyme müssen eine relativ hohe Enzymaktivität bei niedrigen Temperaturen besitzen, sonst können Stoffwechselprozesse kaum stattfinden. Zusätzlich kann die Temperatur durch Wärmefreisetzung erhöht werden. Dies ist wahrscheinlich, da direkt um das Schneeglöckchen herum kein Schnee zu sehen ist (Abb. 2 im Schülerbuch).

4 StellenSiedieÜberlebensratederPuppenbei20°CinAbhängigkeitvonderLuftfeuchtigkeitineinemDiagrammdar(Abb.3).

5 AnalysierenSiedenZusammenhangvonTemperaturundLuftfeuchtigkeitfürdasÜberlebenderPuppenderApfelwickler.Das Thermohydrogramm zeigt, das sowohl Lufttemperatur als auch Luftfeuchtigkeit einen großen Einfluss auf die Überlebensrate der Puppen der Apfelwickler haben. Bei feuchter Luft steigt auch bei niedrigen Temperaturen die Überlebensrate der Puppen schnell an. Bei trockener Luft hingegen sind die Überlebensraten bei gleichen Temperaturen viel niedriger. Optimale Bedingungen für die Puppen herrschen bei ca. 21 — 27 °C und 60 — 95 % Luftfeuchtigkeit.

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relative Luftfeuchtigkeit (%)60 70 80 90 10020 28 40

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Wachstumszeitbestimmt die Länge der

beeinflusst dieJahresmitteltemperatur Vegetation

bestimmt Art und Höhe der


6 ErläuternSie,dassdieBerücksichtigungnureinesFaktorseinunvollständigesBildliefert.Das Thermohydrogramm macht deutlich, dass die Berücksichtigung nur der Temperatur oder nur der Luftfeuchtigkeit keine nützlichen Informationen liefert. Ein Optimum bezüglich der Luftfeuchtigkeit (80 %) beispielsweise ist nicht aussagekräftig. Bei 10 °C hätten die Puppen dann nur eine Überlebensrate von 20 %, bei 23 °C hingegen eine fast 100%ige Überlebensrate.

7 BeschreibenSiedenmöglichenNutzendieserMessungenfürObstgartenbesitzer.Apfelwickler sind für Obstgartenbesitzer Schädlinge. Eine möglichst genaue Kenntnis der Wirkung von Umweltfaktoren auf die Überlebensrate ist hilfreich bei der Entwicklung erfolgreicher Bekämpfungsmaßnahmen.

8 BegründenSiemithilfevonAbb.3,dassderApfelwicklernichtimPuppenstadiumüberwintert.Im Winter treten Temperaturen auch unter 0 °C auf. Die Puppen der Apfelwickler sterben bereits zu 100 %, wenn eine Temperatur von ca. 8 °C unterschritten wird. Eine Überwinterung im Puppenstadium ist nach Abb. 3 nicht möglich.

Wasserverfügbarkeit und Pflanzenwachstum (Seite 172/173)

1 ErklärenSiedieTranspirationundFotosyntheseratevonMesophytenimTagesverlaufmitBezugzuAbb.3.Bei kühlen Temperaturen am frühen Morgen verliert die Pflanze trotz geöffneter Spaltöffnungen keine Feuchtigkeit. → Transpiration null, wegen fehlenden Lichts betreibt sie noch keine Fotosynthese. → Fotosyntheserate null. Bei steigenden Morgentemperaturen nimmt der Wasserverlust durch die geöffneten Spaltöffnungen zu. → Transpiration steigt, einsetzendes Licht ermöglicht zunehmend Fotosynthese. → Fotosyntheserate steigt. Steigt die Temperatur am Vormittag noch weiter an, verengen sich die Spaltöffnungen und schließen sich ganz. → Transpiration nimmt ab. → Bei geschlossenen Spaltöffnungen wird Kohlenstoffdioxid als Edukt der Fotosynthese knapp. → Fotosyntheserate nimmt ab. Gegen Mittag verliert die Pflanze bei geschlossenen Spaltöffnungen Wasser ausschließlich über die Kutikula, aufgrund der hohen Temperaturen. → geringe Transpiration. Am Nachmittag öffnen sich die Spaltöffnungen wieder. → Transpiration und Fotosyntheserate nehmen leicht zu. Bei kühlen Nachttemperaturen → keine Transpiration und ohne Licht keine Fotosynthese trotz geöffneter Spaltöffnungen.

Bedeutung von Wasser für Landtiere (Seite 174)

1 ErläuternSiedieAngepasstheitenderKängururatteandasgeringeWasserangebotinihremLebensraummithilfevonAbb.2und3.Kängururatten zeigen eine Reihe von Verhaltensweisen, die die Wasserabgabe verringern. Dazu gehören u. a. die Kondensation von Ausatemluft, die starke Konzentration des Harns, die Dehydrierung des Kotes und die verstärkte Wassergewinnung aus der Zellatmung (Oxidationswasser). Dies wird durch die Messdaten in Abb. 3 im Schülerbuch belegt. Die Wasserabgabe der Kängururatten ist insgesamt niedriger als bei Wanderratten, sie gewinnen mehr Oxidationswasser als Wanderratten. Kängururatten kommen aufgrund dieser Angepasstheiten dauerhaft ohne Trinkwasser aus.

2 StellenSiedieDateninAbb.3ineinergeeignetenGrafikzumVergleichderWasserbilanzenvonKängururatteundWanderrattedar.individuelle Lösung, z. B. Säulendiagramm

Material: Tiere in der Wüste (Seite 175)

1 ErläuternSiedieFunktionenderStachelnundderHautstrukturdesDornteufels.Die Stacheln und wabenförmigen Plättchen vergrößern die Körperoberfläche des Dornteufels. An ihnen kann Morgentau oder Nebel besser kondensieren und über die kleinen Rillen zum Maul laufen. So ist der Dornteufel ebenfalls an sehr geringe Niederschläge angepasst.

2 VergleichenSiedieAngepasstheitendesNebeltrinker-KäfersunddesDornteufels.Beide Angepasstheiten bewirken eine verstärkte Kondensation von Wasserdampf am Körper. Der Dornteufel weist physiologische Angepasstheiten seiner Körperoberfläche auf. Der Nebeltrinker zeigt hingegen Angepasstheiten seines Verhaltens durch Aufsuchen windbegünstigter Orte und durch die Körperhaltung mit gesenktem Kopf.

3 ErklärenSiedenUnterschiedzwischenSchwitzenundEvaporation.Bei der Evaporation wird Wasser verdunstet und als Wasserdampf abgegeben. Dies benötigt Energie, die der Umgebung entzogen wird und in Folge abkühlt. Beim Schwitzen wird hingegen flüssiges Wasser abgegeben. Durch nasses Fell wird dessen Wärmeleitfähigkeit sogar erhöht, so wird keine Kühlung der Hautoberfläche erreicht.

4 FassenSiedieErgebnissederExperimentezusammen.Das ungeschorene Dromedar gibt weniger Wasser ab als das geschorene Dromedar (Experiment 1). Die Hautoberfläche ist mit ca. 34 °C der kälteste Punkt im Vergleich zur Körpertemperatur (ca. 38 °C) und der Lufttemperatur (ca. 45 °C, Experiment 2).

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5 ErläuternSiedenAnpassungswertdeswolligenFellsdesDromedarsimLebensraumWüste.BerücksichtigenSiedabeidieAspekteWasserabgabeundTemperatur.Aus Experiment 1 folgt, dass die niedrigere Wasserabgabe auf die Wollhaare zurückzuführen ist. Die niedrigere Temperatur an der Hautoberfläche in Experiment 2 ist auf die Evaporation zurückzuführen. Die Wollhaare wirken gegen die höheren Lufttemperaturen isolierend. Der Anpassungswert des wolligen Fells besteht also einerseits in der Reduzierung des Wasserverlusts und andererseits in der Isolation der kühleren Hautoberfläche.

Einfluss des Lichts auf Pflanzen und Tiere (Seite 176/177)

1 ErklärenSieanhandvonAbb.1,dassnichtdieTages-,sonderndieNachtlängefürdieBlütenbildungbeiPflanzenentschei-dendist.Bei längerer Hell und kürzerer Dunkelphase ändert eine kurze Unterbrechung der Lichtphase durch eine Dunkelphase nichts an der Blütenbildung von Lang und Kurztagpflanzen. Eine Unterbrechung der Dunkelphase durch Belichtung hingegen führt zu einer jeweiligen Änderung bezüglich der Blütenbildung. Die Nachtlänge entscheidet also darüber, ob bei Lang bzw. Kurztagpflanzen Blüten ausgebildet werden.

2 ErläuternSiedieAngepasstheitenvonSonnen-undSchattenblätternderRotbucheandieLichtintensität.Sonnenblätter sind kleiner und dunkelgrüner, dies wird durch die dickeren chloroplastenhaltigen Gewebe hervorgerufen, da Sonnenblätter ein mehrschichtiges Palisadengewebe und ein dickeres Schwammgewebe aufweisen. Diese betreiben bei höherem Lichtangebot mehr Fotosynthese als das einschichtige Palisadengewebe und dünnere Schwammgewebe der Schattenblätter. Diese sind deshalb hellgrüner. Eine größere Oberfläche der Schattenblätter ermöglicht eine bessere Lichtausnutzung.

3 AnderMeeresküstewachsenRotalgenineinerWassertiefevonüber60m.IhreFarbeverdankensierotenPigmenten,dieLichtderWellenlängen490nmbis580nmabsorbierenunddemeigentlichenFotosynthesepigmentChlorophyll(680nm,700nm)zurVerfügungstellen.BeurteilenSiedenVorteilfürdieRotalgenunterBerücksichtigungderLichtverhältnisseinderTiefe(Abb.5).Im Lebensraum der Rotalgen (ab etwa 60 m Meerestiefe) fehlt das Rotlicht, das direkt vom Chlorophyll genutzt werden kann. Rote Hilfspigmente, denen die Rotalgen ihre Farbe verdanken, nehmen grünblaues Licht auf und leiten es weiter an das eigentliche Fotosynthesepigment Chlorophyll.

Konkurrenz (Seite 178/179)

1 ErläuternSiedenunterschiedlichenEinflussderIndividuendichtederNapfschneckenaufdieBiomasse(Abb.1).Die Gesamtbiomasse aller Napfschnecken auf einem Felsen ist durch die Ressource Nahrung begrenzt. Bei geringer Individuendichte sind die einzelnen Individuen größer. Eine Veränderung bei geringer Individuendichte (bis ca. 200 pro m2) hat demnach einen großen Einfluss auf die Gesamtbiomasse. Bei hoher Individuendichte (vor allem ab 400 pro m2) sind die einzelnen Individuen kleiner, eine Veränderung hat kaum Einfluss auf die Gesamtbiomasse der Napfschnecken.

2 BegründenSiedasVorliegenvonintraspezifischerundinterspezifischerKonkurrenzindenKieselalgenkulturenunterVerwen-dungvonAbb.2.In den Abbildungen links und in der Mitte liegt jeweils intraspezifische Konkurrenz vor. Die Individuen innerhalb der Kieselalgenart konkurrieren um Silicate. Die Verfügbarkeit von Silicat bestimmt die maximal mögliche Individuendichte. Diese bleibt dann konstant oder sinkt leicht. In der Abbildung rechts konkurrieren zwei Kieselalgenarten um die Ressource Silicat. Die Art Synedra ist konkurrenzstärker und kann überleben, die Art Asterionella stirbt im Untersuchungsbecken aus.

3 ErklärenSie,warumdieReviergrößevonBussardenbeihoherBeutetierdichtedeutlichkleineristalsbeigeringererBeutetier-dichte.Ein Revier sichert u. a. die Verfügbarkeit von Nahrung. Die Überwachung und Verteidigung eines Reviers benötigt aber viel Energie. Ist die Beutetierdichte hoch, reicht ein kleineres Revier zur Sicherung von ausreichend Nahrung, ein kleineres Revier spart Energie. Bei nie driger Beutetierdichte muss ein größeres Revier verteidigt werden, um ausreichend Nahrung zu sichern.

Räuber-Beute-Beziehungen (Seite 180)

1 MäusebussardezieheninderRegel2bis4JungeproJahrgroß.InJahrenmitgeringemMausvorkommenhabendieseGreif-vögeldagegenkeineNachkommen.ErklärenSiediePopulationsschwankung. Die Populationseinbrüche bei geringen Mausvorkommen sind auf die schlechtere Ernährungssituation der Elterntiere zurückzuführen. Wenig vorhandene Beute erlaubt den Fortbestand bestehender Tiere (oder des größten Teils von ihnen), aber nicht die Aufzucht von Jungtieren. (Hinweis: Derartige Schwankungen sind typisch für Räuber mit verhältnismäßig engem Beutespektrum. Mäusebussarde können daher eher zu den Spezialisten gezählt werden.)

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Parasitismus (Seite 181)

1 BeschreibenSiedieEntwicklungdesSaugwurmsLeucochloridiumparadoxum. Vogelkot enthält Saugwurmeier, die der Zwischenwirt Bernsteinschnecke aufnimmt. Im Zwischenwirt Bernsteinschnecke findet die Entwicklung zur Sporocyste mit Cercarien statt. Cercarien gelangen in den der Schnecke und bewegen sich dort. Ein Vogel frisst als Endwirt den Schneckenfühler. Nach der Aufnahme von Cercarien findet im Vogel die Entwicklung zum geschlechtsreifen Wurm statt.

2 ErklärenSieVorteiledesWirtswechselsfürdenFortbestandderSaugwurmartLeucochloridiumparadoxum.Die Infektion mehrerer Zwischenwirte und die starke ungeschlechtliche Vermehrung im Zwischenwirt erhöht jeweils das Infektionsrisiko für den Vogel und sichert damit den Fortbestand des Saufwurms in Folgezyklen.

Symbiose (Seite 182)

1 BeschreibenSieanhandvonAbb.1,wieBlütenpflanzeundBestäuberartaneinanderangepasstsind.Bienenblume: tiefliegender Nektar, langgestreckte Staubblätter Nachtfalterblume: tiefliegender Nektar, bei Dämmerlicht öffnend Tagfalterblume: tiefliegender Nektar, bei Tageslicht öffnend Käferblume: freiliegender Pollen, robuste Blume Vogelblume: tiefliegender Nektar, oft rot

2 ImDarmvielerPflanzenfresserlebenBakterien,dieCellulosezerlegen.ErklärenSiedenwechselseitigenNutzendieserSymbiosefürBakterienundPflanzenfresser.Nutzen Bakterien: Lebensraum mit gleichbleibenden Umweltfaktoren und großem Nahrungsangebot Nutzen Pflanzenfresser: Aufschluss der Pflanzenzellwände durch Enzyme (Cellulasen) der Bakterien

Material: Wechselbeziehungen zwischen Lebewesen (Seite 183)

1 BeschreibenSiedieWechselbeziehungenzwischenPilzundAlgenunterVerwendungvonAbb.2.Die Alge erhält Wasser und Mineralstoffe vom Pilz, der Pilz erhält durch Fotosynthese produzierte Nährstoffe von der Alge. Die Alge beeinflusst den Pilzstoffwechsel durch ihre Steuerstoffe, Flechtenstoffe zu produzieren. Diese haben vielfältige Funktionen: Sie dienen dem UVSchutz in den Pilzzellen, sie wirken als Antibiotika, sie greifen als Steuerstoffe in das Stoffwechselgeschehen der Alge ein, sie erhöhen die Membrandurchlässigkeit der Algenzellen.

2 ErläuternSiedieBezeichnung„balancierterParasitismus“fürdasBeispielFlechte.Bei längerem Lichtmangel verdaut der Pilz die Algen als Nährstoffquelle. Die zuvor vorhandenen Vorteile sind für diese Algen nicht mehr vorhanden. Dann liegt Parasitismus vor, bis wieder Licht auf die Flechten gelangt. Der Umweltfaktor Licht entscheidet über das Vorliegen einer Symbiose oder eines vorübergehenden Parasitismus. Daher wird diese Beziehung auch als balancierter Parasitismus bezeichnet.

3 BeschreibenSieanhandvonAbb.5denLebenszyklusderZecke.Aus den Eiern schlüpfen Larven. Diese saugen an einem Wirtstier und überwintern dann. Sie entwickeln sich zu Nymphen, die wiederum Blut an einem Wirtstier saugen und überwintern. Im nächsten Frühjahr häuten sich die Nymphen zu adulten Zecken, die sich paaren. Das Männchen stirbt, das Weibchen saugt sich an einem dritten Wirt voll und legt Eier.

4 ErläuternSie,wodurchdieÜberlebenswahrscheinlichkeiteinerZeckeerhöhtwird.Je eine Blutmahlzeit ermöglicht das nächste Entwicklungsstadium. Da Zecken nicht auf einen Wirt festgelegt sind, sondern viele Wirtstiere für die Blutmahlzeit geeignet sind, ist die Wahrscheinlichkeit auf ein Wirtstier zu treffen höher. Durch die Überwinterung ist sichergestellt, dass die Zecken im Frühsommer einen Wirt benötigen und nicht zu Jahreszeiten, in denen weniger Tiere unterwegs sind. Legt das Weibchen viele Eier, ist der Fortbestand gesichert, auch wenn nicht alle Larven einen Wirt finden.

5 ErklärenSie,weshalbesvorallemimFrühsommerverstärktzuZeckenbissenkommt.Da bei allen Stadien die Häutung im Frühjahr erfolgt und die Zecken dann Blut benötigen, lauern im Frühsommer besonders viele Zecken auf einen neuen Wirt.

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Die ökologische Nische (Seite 184)

1 ErklärenSie,weshalbdievierWanzenartengemeinsaminGewässerndauerhaftexistierenkönnen(Abb.2).Obwohl beispielsweise Wasserskorpione und Rückenschwimmer Insekten und Kaulquappen fressen, suchen sie die Nahrung in ufernaher Vegetation bzw. im Freiwasser und treten so nicht in Konkurrenz zueinander. Die ökologischen Nischen der vier Wasserwanzenarten unterscheiden sich hinreichend voneinander und sie können dauerhaft in einem Gewässer koexistieren.

Material: Konkurrenz und ökologische Nische (Seite 185)

1 StellenSieeineHypothesezurFunktiondesSchutznetzesüberdemRadnetzvonNephila clavipesauf.Nephila sitzt im Radnetz unter dem Schutznetz. Dieses könnte Nephila vor Fressfeinden schützen.

2 FassenSiediewesentlichenAussagenderTag-Nacht-AktivitätundderAufenthaltsortederzweiArgyrodes-ArteninAbb.4undAbb.5zusammen.A. caudatus ist hauptsächlich nachtaktiv und weist am Tag längere Ruhephasen auf. A. elevatus ist tag und nachtaktiv, die Ruhephasen sind nachts länger als tagsüber. Während der Aktivitätsphasen hält sich A. caudatus am meisten auf eigenen Fäden, weniger und eher nachts auf dem Schutznetz und kaum und nur tagsüber im Radnetz von Nephila auf. A. elevatus hält sich ebenfalls häufig auf eigenen Fäden, aber viel häufiger im Radnetz des Wirts auf als A. caudatus. Das Schutznetz wird von A. elevatus wesentlich seltener aufgesucht als von A. caudatus.

3 ErklärenSieanhandeinerdifferenziertenMaterialanalyse(Abb.1,3,4und5),wiediebeidenArgyrodes-ArtenimNetzvonNephila clavipes koexistierenkönnen.A. caudatus ist mit braunem Hinterleib sehr gut getarnt und nicht auf den Schutz vor Fressfeinden unter dem Schutznetz von Nephila angewiesen. A. caudatus erbeutet kleine Insekten und junge Spinnen des Wirts vorwiegend auf eigenen Fäden und auf dem Schutznetz. Die Gefahr vor Fressfeinden bei Aufenthalt auf dem Schutznetz ist durch Nachtaktivität deutlich verringert. A. elevatus ist mit silbrigem Hinterleib nicht getarnt. Im Radnetz von Nephila unter dem Schutznetz ist A. elevatus besser vor Fressfeinden geschützt und frisst dort mit Nephila von deren Beute. Durch den Schutz im Radnetz kann A. elevatus auch tagsüber aktiv sein. Die Ernährung und die Aufenthaltsorte von A. caudatus und A. elevatus unterscheiden sich hinreichend voneinander, Konkurrenz wird so vermieden. Die ArgyrodesArten bilden unterschiedliche ökologische Nischen aus und können langfristig im Netz von Nephila koexistieren.

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Populationsentwicklung (Seite 186/187)

1 BeschreibenSieunterVerwendungvonAbb.3denEinflussdichteabhängigerunddichteunabhängigerFaktorenaufdiePopu-lationsgröße.Dichteunabhängig: Je günstiger das Klima, desto höher ist die Anzahl der Tiere. Dichteabhängig: Je höher die Anzahl der Tiere, desto weniger werden die Ressourcen. Der Rückgang der Ressourcen führt zu einer Verringerung der Geburtenrate und damit zu einer Verringerung der Populationsgröße. Dies wiederum senkt den RessourcenVerbrauch. Ein entsprechender Weg ergibt sich über die Sterberate.

2 ErklärenSieanhandvonAbb.5,welcheFaktorenzuSchwankungenderPopulationsgrößeführen.Erreicht die Populationsdichte die begrenzende Umweltkapazität, kann die hohe Geburtenrate zu einer Überschreitung führen, die dann zu einer hohen Sterberate führt.

3 DieZyklenderPopulationsgrößesindbeiTieren,diespätergeschlechtsreifwerdenundsichinlängerenAbständenfortpflan-zen,längeralsbeiArtenmitkurzenAbständenzwischendenFortpflanzungsperioden.ErklärenSiedenZusammenhang.Bei einer langen Generationsdauer wirkt sich eine Veränderung von Fortpflanzungs bzw. Sterberate erst nach längerer Zeit aus.

Fortpflanzungsstrategien (Seite 188/189)

1 NennenSiejezweiBeispielefürr-undK-Strategen,dieinunserenWäldernvorkommen.BegründenSiedieZuordnung.individuelle Lösung

2 ErläuternSie,obesPflanzengibt,diealleEigenschaftenvonK-Strategenaufweisen.Auf entstandenen Lichtungen wachsen im Verlauf vieler Jahre Bäume heran, von denen die konkurrenzstärksten dann das Blätterdach wieder schließen. Die schnelle Ausbreitung der rStrategen Kräuter stört dabei nicht, weil die jungen Bäume schon nach kurzer Zeit das Licht oberhalb der Krautschicht nutzen können. Die Größe der KStrategen sichert ihr Heranwachsen und damit ihren Reproduktionserfolg.

Population und Metapopulation (Seite 190)

1 VergleichenSiedieWirksamkeitderBrückenfürTierebezüglichderStabilitätvonPopulationenvonr-undK-Strategen.Die Maßnahme kann prinzipiell bei r und KStrategen wirken, allerdings bewirkt sie bei rStrategen sehr viel schneller eine Erholung einer stark dezimierten Population aufgrund der hohen Geburtenrate und frühen Geschlechtsreife.

Material: Populationsgrößen und ihre Veränderung (Seite 191)

1 ErläuternSiemithilfevonAbb.1denZusammenhangzwischenWachstumsrateundlogistischemWachstum.Je höher die Wachstumsrate einer Population ist, desto schneller wird die BiotopKapazität erreicht. Die Zunahme der Sterberate führt dann zu einer Verringerung der Wachstumsrate, sodass das exponentielle Wachstum in ein logistisches übergeht.

2 WertenSiedieinAbb.2wiedergegebenenVersuchsergebnissehinsichtlichderEntwicklungderPopulationsgrößeaus.Die Ressource Nahrung erweist sich im Experiment als begrenzender Faktor. Je mehr Nahrung vorhanden ist, desto später und auf desto höherem Niveau erreicht die Population die Biokapazität, sodass das exponentielle Wachstum in ein logistisches übergeht.

3 ErläuternSie,warummitderScheinwerfermethodewederdiePopulationsgrößenochdieabsolutePopulationsdichteermit-teltwerdenkann.Um die Populationsgröße zu bestimmen, muss man das Verbreitungsgebiet kennen. Das wird durch diese Methode nicht ermittelt. Bei der absoluten Populationsdichte müssten alle Tiere in einem bestimmten Areal gezählt werden. Die Scheinwerfermethode erlaubt nur eine relative Angabe für den Vergleich von Gebieten oder die Veränderung über einen längeren Zeitraum.

4 ErklärenSiedieDateninAbb.4.Im Verlauf des Sommers hat die Anzahl der Tiere durch die Produktion von Nachkommen zugenommen. Ein Teil der Population stirbt im Winter, wo allerdings weniger Tiere als im Sommer hinzugekommen sind. Durch die Abschüsse der Jäger wird die Anzahl der Tiere im Gebiet konstant gehalten.

5 MitdergleichenMethodewerdenauchdieBestandsdichtenandererWildtiereermittelt.ErläuternSieeineweitereNutzungs-möglichkeitfürdieerhobenenDaten.Mit der Methode kann z. B. auch die Bestandsentwicklung bei Tieren in unterschiedlich intensiv landwirtschaftlich genutzten Gebieten gemessen und verglichen werden. Gleiches gilt z. B. für den Einfluss einer neu gebauten Autobahn durch ein Verbreitungsgebiet.

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3. 2 Populationsökologie


Nahrungsbeziehungen und Populationsentwicklung (Seite 192/193)

1 ErklärenSiedieZusammenhängeinderAbbildungaufderRandspalte.Die Abbildung gibt proportionale und umgekehrt proportionale Beziehungen zwischen Größen in einer RäuberBeuteBeziehung wieder. Beispiele: Je größer die Dichte der Räuberpopulation, desto mehr RäuberBeuteKontakte finden statt. Je größer die Sterberate der Beute, desto kleiner wird die Beutepopulation.

2 ZeigenSiemithilfederAbbildungaufderRandspalte,dassbeiderRäuber-Beute-BeziehungRegulationvorliegt.Der zweite Umlauf beginnt mit „Je geringer die Dichte der Beutepopulation, desto …“. Bei jedem weiteren Umlauf kehrt sich die Richtung um. Der rote Pfeil zeigt die umgekehrte Proportionalität an.

3 1846wurdederletzteLuchsimBayerischenWalderlegt.Anfangder1970er-JahreerfolgtedieWiederansiedlung.ErläuternSiedieVoraussetzungenfürdenErfolg.Die Größe der Luchspopulation wird schwanken (Volterra 1). Auch am Tiefpunkt müssen genügend Luchse vorhanden sein, sodass Verpaarungen stattfinden. Bezüglich der Beute gilt: Auch sie muss am Tiefpunkt der Schwankungen noch genügend vorhanden sein, sodass die Luchspopulation nicht zusammenbricht.

Material: Schädlingsbekämpfung (Seite 194)

1 ErläuternSieunterVerwendungvonAbb.2und3dieZeiträumefürdenEinsatzderjeweiligenMethodezurBekämpfungdesTraubenwicklers.Raupen und Puppen sind zu bestimmten Zeiten im Frühjahr, Sommer und Herbst erkennbar und können mechanisch abgesammelt werden. Pheromone wirken nur bei adulten Schmetterlingen, also in den Monaten Mai und Juli. Bt und BtToxine wirken gegen die Raupen. Sie können in den Monaten Juli und August eingesetzt werden.

2 BeurteilenSiedieEinbeziehungökonomischerAspektebeiderEntscheidung,obeineSchädlingsbekämpfungdurchgeführtwird(Abb.1).Die Einbeziehung ökonomischer Argumente kann zu weniger Bekämpfungen führen. Bezüglich der Umweltverträglichkeit kann sich dies positiv auswirken.

Material: Neophyten- und Neozoenpopulationen (Seite 195)

1 ImHimalayaistdieVegetationsperiodekürzeralsinEuropa.ErklärenSiedieBedeutungdiesesFaktorsfürdieVerbreitunginEuropa.Das Drüsige Springkraut ist an eine kurze Vegetationsperiode und niedrige Keimtemperaturen angepasst. Die Pflanzen wachsen daher im Frühjahr schnell heran, sodass langsamer wachsenden einheimischen Arten Licht und Mineralstoffe fehlen.

2 AnalysierenSieAbb.2bezüglichderAusbreitungswegedesSpringkrauts.An Flussufern finden die feuchtigkeitsliebenden Pflanzen gute Wachstumsbedingungen. Ein Teil der Samen gelangt in das Wasser und wird flussabwärts getrieben. Dort keimen sie. Die Flüsse fördern die Verbreitung des Drüsigen Springkrauts.

3 ErläuternSiedieFortpflanzungs-undVerbreitungsstrategienderVarroamilbe.Bei der Fortpflanzung im Bienenstock profitiert die Milbe indirekt von der Jungenaufzucht und Vorratshaltung der Bienen, da sie ihre Nahrung aus deren Larven und adulten Tieren bezieht. Bei der Verbreitung im Bienenstock nutzt die Milbe die Tatsache, dass in einem Stock meist viele Tausend Tiere ihrer Wirtsart leben. Da die Milbe auf Bienen lebt, kann es bei einem Blütenbesuch oder bei dem Versuch des Einfliegens in einen fremden Stock dazu kommen, dass eine Milbe auf eine Biene gelangt, die zu einem Bienenvolk ohne Milben gehört.

4 ErklärenSiedieVeränderungenderPopulationsgrößenimBienenstockunterVerwendungvonAbb.4.Die Anzahl der Bienen in einem Bienenstock nimmt während des Sommers stark zu. Die hohe Anzahl potenzieller Wirtstiere fördert das Wachstum der Milbenpopulation. Der Parasitenbefall erhöht die Sterberate bei den Bienen, sodass deren Anzahl abnimmt.

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© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2019 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Natura Qualifikationssphase Biologie Niedersachsen, Lösungen Illustratorin: Ingrid Schobel, Hannover

Biomasse (Seite 196/197)

1 AndersalsinWälderndergemäßigtenBreitengibtesintropischenRegenwäldernkaumBodenstreu.ErklärenSie.In feuchtwarmen Regionen laufen abbauende Vorgänge sehr schnell ab (RGTRegel). Aufbauende Vorgänge durch Fotosynthese sind dagegen auch hier durch die Verfügbarkeit von Licht begrenzt.

2 NennenSiedieproduktivstenBereichebeiLand-undGewässerökosystemen.Land: tropische Regionen (viel Licht und Wärme) Meer: Auftriebszonen an der Küste (viele Mineralstoffe)

Trophiestufen und Nahrungspyramiden (Seite 198/199)

1 BeschreibenSiedenAufbauvonBiomasse-undProduktionspyramideingroßenGewässern.In großen Gewässern ist die aktuell vorhandene Biomasse der Produzenten kleiner als die von Konsumenten 1, denn es wachsen zwar viele nach, werden aber sofort von Konsumenten gefressen. Ihr aufsummierter Zuwachs an Biomasse pro Zeiteinheit (Produktion) ist aber größer als der der Konsumenten.

2 SkizzierenSieeineökologischePyramidefürdenFlächenbedarf(Reviere)vonKonsumenteninLandökosystemen.

Stoffanreicherungen (Seite 200/201)

1 VergleichenSiedenBioakkumulationsfaktor(QuotientauszweiKonzentrationeninProzent)fürDDTundPCBzwischenPlank-tonundEndkonsument(Abb.1und2).DDT: 0,04/13,8 = 0,003 = 0,3 % PCB: 8/160 = 0,05 = 5 %

2 RecherchierenSieimInternetüber„dasdreckigeDutzend“,eineListevonSchadstoffen,undnennenSiedieUrsachenihrerGefährlichkeit.Aldrin – Insektizid; Chlordan – Insektizid; Dieldrin – Insektizid; DDT – pDichlordiphenyltrichlorethan, Insektizid; Endrin – Insektizid Heptachlor – Insektizid; Hexachlorbenzol (HCB) – Fungizid, Getreidetrockenbeizmittel; Mirex – Insektizid; PCB – Polychlorierte Biphenyle; PCDD – Polychlorierte Dibenzodioxine; PCDF – Polychlorierte Dibenzofurane; Toxaphen – „Camphechlor“, Insektizid Ursachen der Gefährlichkeit: Bioakkumulation, Persistenz (Langlebigkeit), hohe Toxizität (Giftigkeit) sowie Ferntransport

3 DiskutierenSiedasProundContraderVerwendungvonBleigeschossenbeiderJagd.Bleigeschosse werden vielfach in der Jagd eingesetzt, weil sie eine gute Treffsicherheit haben. Blei gelangt so in das Wildbret und über die Entsorgung des Wildaufbruches auch in die Umwelt. Seeadler sind vielfach Opfer von Bleivergiftungen.

Extra: Plastik in Ozeanen (Seite 201)

DiskutierenSieMöglichkeiten,deninIhrerSchuleanfallendenPlastikmüllzuverringern.individuelle Lösung

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3. 3 Systemökologie

Primärproduzenten

Konsumenten1. Ordnung



Flächenbedarf, Reviergröße(Fläche/Individuum)


Globaler Kohlenstoffkreislauf (Seite 202/203)

1 BeschreibenSiedenmöglichenWegeinesKohlenstoffatomsvoneinerLandpflanzezumTiefenwasserimOzean.Pflanze wird von Tier gefressen, das Kohlenstoffdioxid abgibt, oder gibt selbst Kohlenstoffdioxid ab. Das in die Atmosphäre gelangte Molekül löst sich im Meerwasser. Phytoplankton nimmt es auf und erzeugt Glucose. Abgestorben sinkt es als Detritus im Meer ab.

2 ErläuternSiemithilfevonAbb.2dieAuswirkungenderAbholzungbzw.derAufforstungvonWäldern.Durch Aufforstung fixieren Bäume in ihrer Biomasse atmosphärischen Kohlenstoff, bei Abholzung und Verbrennen bzw. Verrotten des Holzes wird Kohlenstoffdioxid frei und fließt der Atmosphäre zu.

3 WennderSäuregehaltderMeeredurchdasLösenvonKohlenstoffdioxidzunimmt,kanneinTeilderKalkschalenvonMu-schelnundMeeresschneckensichunterFreisetzungvonKohlenstoffdioxidauflösen.ErläuternSiedieFolgen.Die Versauerung der Meere kann zu verminderter Kalkablagerung führen, sodass die Gleichgewichte in Richtung Atmosphäre verschoben werden. Dadurch kann der Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre langfristig zunehmen.

Stickstoff- und Phosphorkreislauf (Seite 204/205)

1 BeidenStoffkreisläufenvonKohlenstoff,StickstoffundPhosphorunterscheidetmanzwischenSpeichernundFlüssen.StellenSiediewichtigstenjeweilstabellarischgegenüber.siehe Tabelle

2 BeimKompostierensolltemandaraufachten,dassBioabfällelockergelagertundgutbelüftetverrottenundnichtunterLuft-abschlussundGestankverfaulen.ErklärenSiedieseGärtnerregelunterBerücksichtigungdesStickstoffkreislaufs.Im anaeroben Milieu werden Stickstoffverbindungen durch Nitrifizierung wieder zu Stickstoff (N2) und gehen den Pflanzen verloren.

3 BeschreibenSiedieRollederDestruentenindenStoffkreisläufenunddieFormderWechselbeziehungzwischenNitrit-undNitratbakterien.Destruenten verarbeiten organische Substanz, die von Lebewesen als Kot und Exkrement abgegeben wurde oder durch Absterben, Laubfall und Tod anfällt. Dadurch werden gebundene Mineralstoffe wieder frei und schließen den Kreislauf. Nitrit und Nitratbakterien leben in Symbiose.

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Speicher(Vorräte) Flüsse

Kohlenstoff Sedimente Fotosynthese-Respiration

Stickstoff Atmosphäre Denitrifikation—Nitrifikation

Phosphor GesteinundSedimente SedimentationundTransport


Ökosystem See (Seite 206/207)

1 StellenSieineinerTabelledieLebensbedingungeninderUferzone,derFreiwasserzoneunddertiefenBodenzoneimSom-merzusammen.siehe Tabelle

2 VergleichenSiedieVerteilungvonSauerstoffundMineralstoffenimJahresverlaufineinemtiefenSeemitdenenineinemflachenSeemitnurwenigenMeternWassertiefe. Durch Zirkulation herrschen in einem flachen See oberflächen und bodennah ganzjährig ähnliche Konzentrationen. In einem tiefen See verändern sich die Werte im Verlauf der Stagnationsphasen und gleichen sich im Frühjahr und Herbst durch Zirkulation an.

3 PhytoplanktonhältsichimSommertagsüberoberflächennahauf,sinktjedochnachtsintieferesWasser.BildenSieeineHypothesezurErklärungdieserBeobachtung.Mögliche Hypothesen sind: Nachts herrscht in tieferen Zonen ein geringerer Feinddruck durch Zooplankton, das der Nahrung teilweise nicht folgt. Alternativ: Die Organismen weisen nachts durch fehlende Sauerstofffreisetzung eine geringere Dichte auf.

Nahrungsbeziehungen im See (Seite 208/209)

1 NennenSiejeeineNahrungskettedesPelagialsunddesProfundals(Abb.1).Mögliche Nahrungskette Pelagial: Phytoplankton → Wasserfloh → Großlibellenlarve → Teichralle Mögliche Nahrungskette Profundal: Wasserpflanzen → Rotfeder → Hecht

2 ErläuternSiedieZusammenhängederKurvenverläufeinAbb.2.GehenSiedabeiauchaufdieKlarwasserphaseein,inderdieGrünfärbungdesWassersverschwindet.Im Jahresverlauf eines Sees beginnt das intensivere Leben im Frühjahr. Mit zunehmender Lichtintensität und Wärme wachsen die Populationen des Phytoplanktons. Als Folge nehmen auch die Populationen des Zooplanktons zu und zehren als Räuber bis zum späten Frühjahr das Phytoplankton weitgehend auf. Das kann zu einer Klarwasserphase führen. Bei weniger Nahrung sinkt durch eine erhöhte Sterberate auch die Population des Zooplanktons, die PhytoplanktonPopulation erholt sich daraufhin wieder.

3 EntwickelnSiemindestenseineweitereMaßnahmezurVerhinderungderAlgenblütedurchBiomanipulation(Abb.3).Ähnliches wie durch Abfischen der Rotfedern wird durch Einsetzen von Raubfischen wie Hechten erreicht. Diese dezimieren die RotfederPopulation, großes Zooplankton kann sich wiederum stärker vermehren und die Algen durch Fraß stärker dezimieren.

Eutrophierung und Regeneration eines Sees (Seite 210/211)

1 VergleichenSiedieStoffkonzentrationenimoligotrophenundimhypertrophenSee(Abb.2). Aus der Perspektive des eutrophierten Sees: weniger Sauerstoff und mehr Kohlenstoffdioxid in bodennahem Wasser durch den vermehrten Abbau von Biomasse durch Destruenten. Dabei wird viel Ammoniak und Schwefelwasserstoff freigesetzt. Sulfat und Nitrat entstehen nicht in allen Höhen, sondern nur im sauerstoffreichen oberflächennahen Wasser.

2 ErläuternSiedieVeränderungderStoffkonzentrationenimHerbst.gleiche Konzentration aller Stoffe in allen Wassertiefen durch die Herbstzirkulation

3 EineunterstützendeSanierungsmaßnahmefüreinenhypertrophenSeeistdasAberntenvonPflanzeninsbesondereausdemSchilfgürteldesSees.ErläuternSiedieWirkungdieserMaßnahmeunterEinbeziehungvonAbb.3und4.Die Pflanzen entnehmen beim Wachsen mit ihren Wurzeln Mineralstoffe aus dem ufernahen Seeboden und dem Wasser. Durch das Abernten gelangen die Mineralstoffe nicht durch den Biomasseabbau in das Wasser zurück. Mit der Biomasse werden Mineralstoffe aus dem See entfernt.

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3. 4 Ökosysteme

Uferzone Freiwasserzone tiefe Bodenzone

hohesLichtangebotfürPflanzen-wachstum

jenachWassertiefeverschiedenhohesLichtangebot Dunkelheit

starkejahreszeitlicheTemperatur-schwankungen

inZirkulations-undStagnationsphasenundjenachHöhesehrunterschiedlicheTemperaturen

gleichbleibendniedrigeTemperaturvonca.4°C

kaumschwankendesSauerstoff-angebot

inZirkulations-undStagnationsphasenundjenachHöhesehrunterschiedlicherSauerstoffgehalt

sichinZirkulations-undStagnations-phasenänderndesSauerstoffangebot


Material: Ökosystem See (Seite 212)

1 ErläuternSieanhandvonAbb.1denjährlichenWechselvonStagnations-undZirkulationsphasenimSee. Frühjahrszirkulation im März und Herbstzirkulation im Dezember führen zur vollständigen Durchmischung des Wassers. Im Sommer und Winter bauen Destruenten am Seegrund Biomasse oxidativ ab. Im Sommer setzen Produzenten im oberflächennahen Wasser Sauerstoff frei. Ursache der Schichtung ist die Dichteanomalie des Wassers.

2 ErklärenSiedieMessergebnissefürdiePhosphatkonzentration(Abb.2).Phosphat wird oberflächennah von Pflanzen im Baustoffwechsel gebunden und von Destruenten beim Biomasseabbau am Seeboden freigesetzt. Die Konzentrationen ergeben sich durch Stagnation und Zirkulation.

3 OrdnenSiedieinAbb.3genanntenMaßnahmennachihrerWirkungsweise.Die Sauerstoffzufuhr verhindert die Bildung von Schwefelwasserstoff. Alle übrigen Maßnahmen reduzieren den Mineralstoffgehalt des Wassers.

4 AnalysierenSiedieinAbb.4wiedergegebeneStellungnahmebezüglichderkausalenZusammenhänge.Die zeitweilige Reduzierung des Mineralstoffgehalts hat nur langfristig Erfolg, wenn der Zufluss von Mineralstoffen gestoppt wird.

5 VondeninAbb.3und4genanntenMaßnahmenkönnenauchmehrereinKombinationeingesetztwerden.EntwerfenSieeineMaßnahmenkombinationfüreinerascheundnachhaltigeSeesanierung.Fällung und anschließende Abdeckung reduzieren schnell den Mineralstoffgehalt. Anschließende Belüftung verhindert die H2SBildung.

Praktikum: Untersuchung eines Sees (Seite 213)

1 BestimmenSiedieSichttiefeanmehrerenStellendesSees.WerdendieMessungenzuverschiedenenJahreszeitenwieder-holt,stellenSiedieseineinemBalkendiagrammdar.individuelle Messwerte und Lösungen

2 ErläuternSieZusammenhängezwischenSichttiefeundAlgenwachstum(ggf.imJahresverlauf).Im Frühjahr und Sommer wachsen mit zunehmender Lichtintensität und Wärme die Populationen des Phytoplanktons und der Algen, die Sichttiefe nimmt ab.

3 InterpretierenSieIhreMessergebnisse.individuelle Lösung

4 ErmittelnSieanhandvonMessungendieTiefederSprungschicht(imSommer).individuelle Lösung

5 StellenSieIhreMessergebnissegrafischsinnvolldar.z.B. Liniendiagramm; Temperatur und Sauerstoffkonzentration auf zwei xAchsen, Wassertiefe auf der yAchse (siehe Schülerbuch S. 207, Abb. 3), individuelle Messwerte

6 WertenSieIhreMessergebnisseimHinblickaufdievorliegendeJahreszeitaus.Mögliche Auswertung für Messergebnisse im Sommer (andere Auswertung zu anderer Jahreszeit): Durch die Sommerstagnation wird das Oberflächenwasser erwärmt, aber nicht mit dem Tiefenwasser vermischt. Nach einer schnellen Temperaturabnahme in der Sprungschicht ist die Wassertemperatur im Tiefenwasser deshalb niedrig. Die Sauerstoffverteilung ist ähnlich. Im Oberflächenwasser betreiben die Algen Fotosynthese, der Sauerstoffgehalt ist hoch. In der Tiefenschicht verringert sich die Sauerstoffkonzentration durch den Stoffwechsel der Destruenten.

7 OrdnenSiedemuntersuchtenSeebegründeteinenTrophiegradzu(Abb.3).individuelle Zuordnung mithilfe von Abb. 3

8 ReflektierenSiekritischIhreErmittlungdesTrophiegradsdesSees.Mögliche Aspekte sind: Messungenauigkeiten bei Sichttiefe und Sauerstoffgehalt, keine flächendeckenden Messungen, keine Messungen über einen längeren Zeitraum u. a.

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Vom See zum Moor (Seite 214)

1 VergleichenSieNiedermoorundHochmoortabellarisch.siehe Tabelle

Material: Spezialisten im Hochmoor (Seite 215)

1 BeschreibenSiediemikroskopischenStrukturenausAbb.1. Neben Fotosynthese betreibenden Zellen sind viele wasserspeichernde Hyalocyten zu sehen.

2 ErklärenSieaufderBasisvonAbb.1denschwammaratigenAufbaueinesHochmoores.Hyalocyten nehmen Wasser auf und können es auch wieder abgeben. Mit relativ wenig Zellmaterial kann durch den schwammartigen Bau viel Wasser gespeichert werden.

3 BerechnenSiedasAltereines6mmächtigenHochmoores.Das Alter ergibt sich aus folgender Rechnung: 6 m / 0,001 m x Jahre–1 = 6000 Jahre

4 NochwerdeninEuropaHochmoorflächenzurGewinnungvonBlumenerdeabgetorft.NehmenSieStellungzudieserPraxis.Die Entstehung eines Hochmoors dauert mehrere Tausend Jahre. Der in Torf in der Blumenerde gebundene Kohlenstoff wird in wenigen Jahren zu Kohlenstoffdioxid mineralisiert. Damit ist Verwendung von Hochmoortorf nicht nachhaltig. Außerdem erhöht sie die Kohlenstoffdioxidfreisetzung in die Atmosphäre.

5 StellenSieaufderBasisderReaktionsgleichungineigenenWortendar,wasbeimIonenaustauschdurchTorfmoosege-schieht.Die Carboxylgruppe der PolygalacturonsäureMoleküle geben ein WasserstoffIon. Dabei bilden sich Oxoniumionen und Carboxylatreste. Durch elektrostatische Anziehungskräfte (+/–) werden oberflächlich in der Lösung Calciumionen reversibel gebunden.

6 BegründenSie,dassesinunmittelbarerNäheeinerHochmoor-Torfmoospflanzesauerist.Die beim Ionenaustausch der Carboxylgruppen entstehenden Oxoniumionen säuern die Lösung an.

7 ErklärenSie,welchenEffektderIonenaustauschaufdieMineralstoffversorgungderTorfmoospflanzenhat.Die Anlagerung von positiv geladenen Ionen an der Zellwandoberfläche ermöglicht die spätere Aufnahme der Mineralstoff in die Zelle.

8 ErläuternSie,wiesichdieserIonenaustauschaufdieStabilitätderBiozönoseauswirkt.Durch den hohen Säuregehalt des Moorwassers können dort nur wenige Spezialisten existieren. Dazu zählen insbesondere Torfmoose. Dadurch stabilisiert sich die Biozönose selbst.

Lebensgemeinschaft im Hochmoor (Seite 216/217)

1 ErstellenSieeineConcept-MapzumThema„ÖkologischeFaktorendesHochmooresundAngepasstheitendaran“.individuelle Lösung. Die ConceptMap sollte die Punkte Mineralstoffarmut → Symbiose und → fleischfressende Pflanzen sowie Kälte und → Xeromorphie enthalten.

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Niedermoor Hochmoor

Entstehung VerlandungeinesSeesDauerhafteVernässungvonWiesen

KuppelbildungdurchTorfmoosebeidauerhafterFeuchtigkeit

Mineralstoffgehalt hoch niedrig

pH-Wert normal sauer

Wasserversorgung Grundwasser Niederschlag

dominierendePflanzen

Gräser Torfmoose


Von der Quelle zur Mündung (Seite 218/219)

1 FlüsseschlängelnsichimMittel-undUnterlauftypischerweisedurchdieLandschaft,siemäandrieren.ErläuternSie,wodurchdiesentsteht. Am Prallufer wird Boden abgetragen, am Gleithang abgelagert. Dadurch verlagert sich die Flussbiegung Richtung Prallhang. Das verstärkt den Effekt.

2 BeschreibenSiemöglicheAuswirkungenvonFlussbegradigungendurchdenMenschen.Die Strömung wird stärker. Daran nicht angepasste Lebewesen werden fortgespült. An schnell fließendes Wasser angepasste Arten leben in kaltem, sauerstoffreichem Wasser. Diese Arten können meist schnell fließende Bereiche des Mittellaufs nicht besiedeln.

3 ErklärenSiedieinAbb.4dargestelltenUnterschiedebeidenAnteilenderErnährungstypeninverschiedenenAbschnittenvonFließgewässern.Im Oberlauf dominieren Detritusfresser. Das Angebot für Pflanzenfresser ist gering. Im Mittellauf ernähren sich Pflanzenfresser von Algen und höheren Pflanzen. Der steigende Anteil an Schwebstoffen und Detritus ist Nahrung für die Filtrierer und Sedimentfresser. Diese stellen den weitaus größten Anteil im Unterlauf dar. Im Verhältnis zur Wassermasse kommen wenig Pflanzen vor. Räuberische Fleischfresser kommen in allen Bereichen vor. Im Oberlauf sind hauptsächlich Insektenlarven die Beute, in den anderen Bereichen sind es Plankton, Insektenlarven, Krebse und kleinere Fische.

Praktikum: Untersuchung eines Fließgewässers (Seite 220/221)

1 FotografierenundbeschreibenSiedasGewässer.individuelle Lösung

2 BeurteilenSieseineStrukturanhandvonAbb.1.individuelle Lösung

3 EntwickelnSieeinVerfahrenzurBestimmungderFließgeschwindigkeiteinesGewässers.individuelle Lösung

4 BeschreibenSiedieBeschaffenheitdesGewässerbodens(Lehm,Sand,Kies,Steine).individuelle Lösung

5 OrdnenSieIhreMesswerteeinerökologischenZustandsklassezu(Abb.2).individuelle Lösung

6 BerechnenSiedenSaprobienindexfürIhrenUntersuchungsort.individuelle Lösung

7 VergleichenSiedenWertmitderausdenstrukturellenundphysikalisch-chemischenDatenermitteltenökologischenZustands-größe.individuelle Lösung

Selbstreinigung im Fließgewässer (Seite 222)

1 ErklärenSiedieVeränderungenderStoffkonzentrationen(Abb.3)währenddersogenanntenSelbstreinigung. Die zugeführte Biomasse wird durch Destruenten oxidativ abgebaut, der Sauerstoffgehalt sinkt. Dabei werden Mineralstoffe Phosphat und Ammonium freigesetzt. Ammonium wird von nitrifizierenden Bakterien zu Nitrat umgesetzt. Die Ionen regen das Algenwachstum an. Die Algen entnehmen dem Wasser Mineralstoffe und geben Sauerstoff an das Wasser ab.

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Material: Abwasserreinigung (Seite 223)

1 ErläuternSiedieFunktionsweiseundBedeutungdereinzelnenStufeneinerkommunalenKläranlage(Abb.1). Mit Rechen werden mechanisch Gegenstände im Wasser aufgefangen. In der den folgenden Becken setzen sich aufgrund einer geringen Fließgeschwindigkeit Sand und Schwebstoffe ab. In der biologischen Reinigungsstufe bauen Mikroorganismen weitere Schwebstoffe ab und denitrifizierende Bakterien verringern den Nitratgehalt des Wassers. Durch Flockungsmittel werden unerwünschte Ionen im Wasser als schwer lösliche Stoffe ausgefällt. Im Nachklärbecken setzen sich im Wasser verbliebene Schwebstoffe ab. Biomasse aus dem Absetz und Vorklärbecken sowie aus dem Nachklärbecken wird teilweise im Faulturm durch Mikroorganismen anaerob abgebaut. Dabei entstehendes Methan wird zur Energieversorgung der Anlage genutzt.

2 ImDenitrifikationsbeckenlebenBakterien,diebeiAbwesenheitvonfreiemSauerstoffNitratzumolekularemStickstoff(N2)reduzieren.ErläuternSiedieBedeutungdiesesReinigungsschrittsfürdieUmweltverträglichkeitdesgereinigtenWassers.Die Freisetzung von Stickstoff verhindert eine Überdüngung des Gewässers, in das der Vorfluter mündet.

3 VergleichenSiedieFunktionsweiseeinerbiologischenKläranlage(Abb.2)mitdereinertypischenkommunalenKläranlage.Die Absetzgrube entspricht der mechanischen Reinigung. Die biologische Reinigung erfolgt im Wurzelsystem des Schilfs durch Bakterien. Dadurch entsteht kein Klärschlamm aus organischem Material. Dabei frei werdende Mineralstoffe werden vom Schilf aufgenommen. Das so entmineralisierte Wasser versickert im Nachklärbecken. Dort nehmen Pflanzen weitere Mineralstoffe auf.

Marine Ökosysteme (Seite 224/225)

1 ErläuternSiedenBegriffdesozeanischenFörderbands.Als ozeanisches Förderband bezeichnet man das globale System aus Wasserströmungen, das durch temperaturbedingte und vom Salzgehalt bedingte Dichteunterschiede angetrieben wird. Es transportiert große Mengen an Wärme und Mineralstoffen und beeinflusst deshalb das Klima und marine Biozönosen.

2 HochseefischereiwirdzwarnichtinKüstennähe,aberauchnurselteninmittendergroßenOzeanebetrieben.ErläuternSiedieGründeausbiologischerSicht.Fische sind überwiegend Konsumenten 1. oder 2. Ordnung. Sie halten sich im Lebensraum ihrer Nahrungsquellen auf. Das sind überwiegend Küstenregionen mit einer Wassertiefe bis 200 m und nicht Bereiche der Tiefsee.

3 ErklärenSie,welcheKonstellationvonÖkofaktorendazuführt,dassKorallenriffealssehrproduktiveÖkosystemeimäquator-undküstennahenGewässervorkommen.In küstennahen Gewässern herrscht ein hohes Mineralstoffangebot für Primärproduzenten und gutes Lichtangebot durch geringe Wassertiefe. In Äquatornähe ist das Lichtangebot besonders hoch. Außerdem ist das Wasser wärmer als in anderen Regionen (RGTRegel, schnelleres Wachstum).

Nordsee und Ostsee (Seite 226/227)

1 VergleichenSiedieSchnabellängederWatvögelunddieEingrabtiefederBeutetiereinBezugaufdieEinnischungderArten.Die Schnabellänge passt jeweils zur Eingrabtiefe der Beutetiere, dadurch wird eine direkte zwischenartliche Konkurrenz um Nahrung vermieden.

2 SkizzierenSieeinNahrungsnetzimWattenmeer.

Extra: Brackwasser der Ostsee (Seite 227)

DasschwedischeHolzschiffVasaversankimJahre1628inderOstsee.BeiseinerBergung1961wareserstaunlichguterhal-ten.InderNordseewerdenHolzteiledagegenschnellvonderSchiffsbohrmuschelundanderenMeeresorganismenzersetzt.NennenSieeinemöglicheUrsachefürdiesenUnterschiedIm Brackwasser leben nur wenige Arten, es fehlen die meisten Destruenten von Holz, wie die Schiffsbohrmuschel.

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Austernfischer

Muschel

Scholle

Seehund

Kieselalge

Wattwurm


Stabilität und Sukzession im naturnahen Wald (Seite 228/229)

1 BeschreibenSieanhandvonAbb.3diejahreszeitlichenbiologischenAktivitätenimWald.Die biologische Aktivität aller genannten Lebewesen wird von den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen beeinflusst. Bei den homoiothermen Säugetieren und Vögeln ist die Aktivität in den kalten Jahreszeiten höher als bei den Insekten. Die Schwankungen bei den Bodenorganismen sind relativ gering, da im Boden die Temperatur im Winter nicht so stark fällt wie in der Luft.

2 ErläuternSiedieAngabenzuProduktion,ArtenanzahlundBiomasseinAbb.4.In Initial und Folgephasen führt die Verfügbarkeit der Ressourcen Licht und Mineralstoffe zu starkem Pflanzenwachstum. In der Folgephase herrscht eine Vielfalt von hellen und schattigen, trockenen und feuchteren Bereichen. Das fördert die Artenvielfalt. In der Klimaxphase sind Kapazitätsgrenzen erreicht. Wenige konkurrenzstarke Arten herrschen vor.

Praktikum: Vegetationsanalyse im Wald (Seite 230/231)

1 PrüfenSiedieimTextgenanntenKriterienundwählenSiebegründeteineUntersuchungsflächeaus.TragenSiedieseinIhreKarteein.individuelle Lösung

2 FertigenSieanhandIhrerBeobachtungenundPflanzenbestimmungeneinProtokollundeineSkizzemitderBedeckungdurchdieArtenausderVogelperspektivean. individuelle Lösung

3 BegründenSie,dassdieSummederbedecktenFlächen100%überschreitenkann. Da z. B. unter Bäumen Kräuter und Sträucher wachsen können, gehen manche Flächen doppelt in die Berechnung ein.

4 VergleichenSieIhreSkizzeunddieListedervonIhnenbestimmtenArtenmitdenenderanderenGruppen. individuelle Lösung

5 LeitenSieausdenermitteltenWertenAussagenüberdieUntersuchungsflächeab. individuelle Lösung

6 VergleichenSieIhreErgebnissemitdenenderanderenGruppen. individuelle Lösung

7 ErstellenSiemitIhrenErgebnissenundFotoseinePräsentation. individuelle Lösung

Lokale Stoffkreisläufe im Wald (Seite 232/233)

1 ErläuternSieAbb.3.Die Werte zeigen eine Abnahme der Produktion in den Trophiestufen von den Produzenten bis zu den Konsumenten. Bei den Pflanzen ist die Auswirkung der Beschattung der Kräuter durch die Bäume erkennbar. Die kurzlebigen Destruenten bauen viel Biomasse ab bei geringer eigener Biomasseproduktion.

2 ImMittelalterwurdeninWäldernimSommerSchweinegehalten.ErklärenSiederenEinflüsseaufdieStoffkreisläufe.Die Schweine sind Konsumenten, die Kohlenstoffdioxid und Stickstoff in den Ausscheidungen zurücklassen. Durch die Zunahme ihrer Körpermasse erfolgt eine Entnahme von Kohlenstoff und Stickstoff aus dem Ökosystem. Werden sie nur tagsüber im Wald gehalten, entfällt ein Teil der Rückdüngung.

3 ErklärenSiedieAuswirkungenintensiverForstwirtschaftaufdenKohlenstoff-unddenStickstoffkreislaufimWald.Durch die Holzernte werden die beiden Elemente dem Wald entzogen. Das führt beim Kohlenstoff zu einem Stofffluss vom Speicher Atmosphäre zur Biomasse und beim Stickstoff zu einem Stofffluss vom Speicher Boden zur Biomasse.

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Ökosystem Wiese (Seite 234/235)

1 BeschreibenSiedieAuswirkungvonDüngungaufdieArtenvielfaltanhandvonAbb.2.Häufiges Düngen begünstigt hohe Pflanzen wie Glatthafer und WiesenKerbel. Dadurch fehlt kleinwüchsigen Gräsern das Licht für die Fotosynthese. Die schnellwachsenden Gräser ergeben einen größeren Ernteertrag.

2 WiesensindvomMenschengeschaffeneÖkosysteme,auchihrErhaltistaufmenschlicheBewirtschaftungangewiesen.Erläu-ternSie.Ohne Mahd würde die Wiese verbuschen und langfristig in Wald übergehen. Ohne Düngung würden auf dem dann mineralstoffarmen Boden überwiegend sehr kleinwüchsige Grasarten vorkommen. Ein stabile Wiese erfordert also beides gut abgestimmt aufeinander.

3 BildenSieanhandvonAbb.2eineHypothesezumMineralstoffbedarfvonWiesen-KerbelundanderenBlumenderGlatthafer-wiese.Als hochwüchsige Arten haben WiesenKerbel und Glatthafer einen mittleren bis hohen Mineralstoffbedarf.

Extra: Wirtschaft verändert die Flora (Seite 235)

ErläuternSie,wiedurchstädtischeGrünflächenpflegeWiesenpflanzenerhaltenwerdenkönnen.Auch wenn der Grünschnitt nicht als Tiernahrung genutzt wird, können städtische Grünflächen durch moderates Mähen als bunte Wiesen erhalten werden.

Wiese und Weide (Seite 236/237)

1 SkizzierenSieineinemgeeignetenDiagrammdieVeränderungderÖkofaktorenLicht,TemperaturundFeuchtigkeitbeiderHöhenzonierungderWiese.Im Diagramm nimmt das Licht bei der Höhenzonierung von oben nach unten ab, die Temperatur ebenso. Die Feuchtigkeit nimmt von oben nach unten zu.

2 NehmenSieStellungzuderThese,dassderErhaltvonWiesenauchdemAmphibienschutzdient.Adulte Amphibien leben teilweise beträchtliche Zeit des Jahres außerhalb des Wassers, sind aber auf Feuchtigkeit angewiesen. Die tiefen Zonen der Wiesen bieten Amphibien diesen feuchten Lebensraum. Deswegen ist Wiesenerhalt auch Amphibienschutz.

3 ErläuternSiedieinAbbildung3dargestelltenMesswerte.Die Verteilung der Volumenanteile zeigt bei Weiden eine starke Häufung bei 50 % Luftvolumenanteil des Bodens, bei Wiesen bei 60 %. Durch den Viehtritt ist der Boden von Weiden stärker verdichtet, das Porenvolumen ist also insgesamt geringer als bei Wiesen und damit ist die Durchlüftung geringer.

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Bevölkerung und Welternährung (Seite 238/239)

1 ErläuternSieAbb.3.Die Wachstumsrate der Bevölkerung ergibt sich aus der Differenz zwischen Geburten und Sterberate. Da die Sterberate schneller gesunken ist als die Geburtenrate, gibt es weniger Neugeborene, aber durch die höhere Lebenserwartung eine größere Bevölkerung.

2 VergleichenSiedieAussagenvonAbb.2und5undnennenSiemöglicheErklärungen.In Asien und teilweise in Afrika steigt zwar die Bevölkerungszahl besonders stark, aber dennoch hat der Anteil der Unterernährten in vielen Gebieten abgenommen. Das kann an gesteigerter Nahrungsmittelproduktion liegen oder an der gestiegenen Wirtschaftskraft zum Kauf von Nahrungsmitteln.

3 RecherchierenSiedieUrsachenderAusbreitungderWüsteninAfrikaunterdemStichwortDesertifikationundleitenSieausAbb.6dieFolgenab.Ursachen für die Desertifikation sind neben dem Klimawandel die Überbeanspruchung der Bodenfruchtbarkeit mit anschließender Erosion durch Wind. Die Abholzung von Bäumen in Steppenregionen kann ebenfalls zur Ausbreitung der Wüsten beitragen. Die Abbildung zeigt, dass durch die Ausbreitung der Sahara in Nordafrika und der Wüsten in Südafrika ein Sinken der Getreideernten zu erwarten ist. Dadurch ist in diesen Gebieten ein Anstieg der Menschen mit prekärer Ernährungssituation zu erwarten.

Der Klimawandel (Seite 240/241)

1 NennenSiemöglicheFolgenfürLebewesendurchdierelativschnelleVerschiebungvonKlimazonen.Klimaveränderungen in ökologisch kurzen Zeiträumen können dazu führen, dass eine Reihe von Pflanzenarten ausstirbt. Die Neubesiedlung durch an die geänderten Verhältnisse angepasste Arten wird in vielen Fällen nur langsam erfolgen. Der Rückgang der Primärproduktion wirkt sich auf alle Trophiestufen aus. Der Rückgang bei Ökosystemen mit hoher Produktivität kann zu reduzierter Kohlenstoffdioxidfixierung und damit zu einer Verstärkung des Treibhauseffekts führen.

2 ErklärenSieamBeispieldesGletscherrückgangsdasPrinzipderpositivenRückkopplung.Je mehr die Gletscher schmelzen, desto mehr erwärmt sich die Erde. Dadurch beschleunigt sich wiederum die Gletscherschmelze. Beide Parameter fördern wechselseitig den Effekt Erwärmung.

3 DiskutierenSiefolgendeAussage:„DerKlimawandelwirdüberwiegendvonIndustriestaatenverursacht,trifftjedochbeson-dersstarkMenscheninwirtschaftlichwenigerentwickeltenRegionen“.individuelle Lösung

Biodiversität und Flächenbewirtschaftung (Seite 242)

1 BegründenSie,wiedurchdenErhaltderBiodiversiätaufÖkosystemebenegleichzeitigdieArtenvielfaltgefördertwerdenkann.Verschiedene Ökosysteme weisen unterschiedliche Artenzusammensetzungen auf. Manche Arten können nicht in anderen Ökosystem existieren. Eine Erhöhung der Systemvielfalt ist daher mit einer Erhöhung der Artenvielfalt (vor allem für Spezialisten) verbunden.

Material: Biodiversität, Artenschutz und die Entwicklung der Landwirtschaft (Seite 243)

1 ErläuternSieanhandvonAbb.2,dassselbstbeieinemHeckenabstandvon0,5kmeinnahezuflächendeckenderRückgangvonErnteschädlingenbeobachtetwerdenkann.Bei der Ausbreitung der Schadinsekten wandern auch Tiere in heckennahe Bereiche ab bzw. aus diesen Bereichen ein. Durch die Fressfeinde der Schadinsekten wird deren Anzahl dezimiert.

2 WertenSieAbb.3aus.Mit Zunahme des Brachflächenanteils bis 2 % steigt die Populationsdichte der beobachteten Vogelarten deutlich an. Von einer weiteren Steigerung des Anteils profitieren die Dorngrasmücken leicht, die anderen Arten nicht einheitlich. Das ist ein Hinweis darauf, dass ein anderer Faktor die Populationsdichte begrenzt.

3 StellenSieunterVerwendungdesgesamtenMaterialsArgumentefürundgegendieErrichtungvonHeckenbzw.Brach-flächenzusammen.Hecken und Brachflächen begünstigen die Ansiedlung und Fortpflanzung von Wildkräutern und Tieren. Manche der Tierarten fördern den Ernteertrag durch die Nutzung von Schadinsekten als Nahrung. Das kann eine Verringerung des Einsatzes chemischer Pflanzenschutzmittel bewirken. Andererseits kann die Verbreitung von Samen von Wildkräutern zu genau entgegengesetzten Wirkungen führen.

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3. 5 Mensch und Umwelt


Felsenkrabben auf Jamaika (Seite 246)

1 BeschreibenSieamBeispielvonSesarma rectumunterVerwendungvonAbb.1dieBedeutungderBegriffeökologischePo-tenzundToleranzbereich.(Punkte: 8/50) Sesarma rectum kann bei einem Salzgehalt von 2,5 % (Minimum) bis 4,8 % (Maximum) überleben. Dies ist der Toleranzbereich bezüglich des Salzgehalts des Wassers für diese Art. In der Nähe von Minimum und Maximum ist die Überlebensrate jedoch sehr gering. Es ist zu vermuten, dass die Tiere bei einem Salzgehalt zwischen etwa 3 % und 4,5 % langfristig existieren können. Dieser Bereich gibt die ökologische Potenz der Art bezüglich des Salzgehalts an. Der Bereich der ökologischen Potenz ist immer kleiner als der Toleranzbereich.

2 ErläuternSieunterBezugzumEinstiegstextundzuAbb.1dieBedeutungdesUmweltfaktorsSalzgehaltfürdiedreiFelsen-krabbenarten.(Punkte: 12/50)Die Krabbenarten sind an den Salzgehalt des Wassers in ihrer natürlichen Umgebung angepasst: die Schneckenkrabbe an Süßwasser, Sesarma rectum an Meer wasser und die Brackwasserkrabbe an stark schwankende Salzgehalte in der Uferzone des Meeres.

3 ErklärenSieanhandvonAbb.1und2dieToleranzderBrackwasserkrabbebezüglichdesUmweltfaktorsSalzgehaltdesWas-sers.(Punkte: 10/50) Durch Regen bzw. Wasserverdunstung schwankt der Salzgehalt des Wassers in den Felsentümpeln um den Wert von 3,5 %. Die Larven sind den Extremwerten nicht ausgesetzt, da sie sich im Meerwasser entwickeln. Die ausgewachsenen Krabben tolerieren große Schwankungen.

4 InderKörperflüssigkeitvonBrackwasserkrabbenfindetmanleichtschwankendeSalzgehalte.OrdnenSiedenTierenmitBezugzuAbb.3begründetdenBegriffReguliererbzw.Konformerzu.(Punkte: 8/50) Brackwasserkrabben sind keine reinen Konformer, da ihr Salzgehalt weniger schwankt als der im umgebenden Wasser. Sie sind aber auch keine reinen Regulierer, die den Salzgehalt immer konstant halten. Durch das Zulassen geringer Schwankungen reduzieren sie den Unterschied zur Umgebung, der zu Wasseraufnahme oder abgabe durch Osmose führt. Andererseits schwankt der Salzgehalt in ihren Körperflüssigkeiten nicht so stark, dass Stoffwechselreaktionen beeinträchtigt werden.

5 VergleichenSiedieFortpflanzungsstrategienvonzweiFelsenkrabbenartenanhandvonAbb.4.(Punkte: 12/50)S. rectum produziert viele Eier mit wenig Nährstoffen für den Embryo und betreibt keine Brutpflege. S. jarvise erzeugt wenige, aber große Eier, in denen sich die Larven schnell entwickeln. Außerdem betreibt sie Brutpflege. S. rectum weist Merkmale für rStrategen auf, während S. jarvise eher zu den KStrategen gehört.

Waldrodung und Klimafolgen (Seite 247)

6 BeschreibenSiedieökologischenundwirtschaftlichenFolgeneinerFlächenrodunganhandvonAbb.5.(Punkte: 10/50)Gerodete Flächen trocknen bei Sonneneinstrahlung schneller aus als der Waldboden, da er sich schneller erwärmt. Wind und abfließendes Wasser können zu Bodenerosion führen. Dadurch wird die fruchtbare Bodenschicht abgetragen. Durch Verbrennung oder Verrottung von Biomasse aus dem Wald gelangt zusätzliches Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre, das nicht wieder durch Waldbäume gebunden wird.

7 IneinemExperimentwurdenaufeinerWaldflächeinleichterHanglagealleBäumegefällt,währendeinenahegelegeneVergleichsflächeunberührtblieb.ImabfließendenWasserbeiderFlächenwurdederNitratgehaltbestimmt(Abb.6).ErklärenSiedieVersuchsergebnisse.(Punkte: 13/50)Auf der Vergleichsfläche steigt die Nitratkonzentration im Frühjahr an wie vor der Rodung. In dieser Zeit setzen die Destruenten im Boden aufgrund der steigenden Temperaturen mehr Nitrat frei, während die Pflanzen noch nicht so viel Nitrat aufnehmen wie im Sommer. Auf der gerodeten Fläche führen Abbauprozesse im Waldboden zu einem Anstieg des Nitratgehalts auf ein Vielfaches, da viel Biomasse abgebaut wird, darunter auch Wurzelmasse der gefällten Bäume. Gleichzeitig fehlt die Nitrataufnahme durch die Bäume.

8 StellenSieeineHypothesedazuauf,welcheAuswirkungdasvonderRodungsflächeabfließendeWasseraufeinendortflie-ßendenBachhabenkönnte.(Punkte: 7/50)Das abfließende Wasser kann Biomasse aus dem Boden und Mineralstoffe mitführen und dadurch eine düngende Wirkung auf den Bach haben. Der Abbau von Wurzeln gefällter Bäume durch Destruenten kann diesen Effekt verstärken. Die Mineralstoffe können das Algenwachstum verstärken mit der Folge einer stärkeren Vermehrung von Bakterien. Dies könnte ein Absinken des Sauerstoffgehalts im Wasser zur Folge haben. Dazu könnte auch die aus dem Waldboden stammende Biomasse beitragen.

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Abi-Training Ökologie


9 DieglobaleAbholzungvonWäldernhatzudenaktuellfeststellbarenKlimaveränderungenbeigetragen.ErläuternSieandiesemBeispieldieAuswirkungenmenschlichenHandelnsaufdenglobalenKohlenstoffkreislauf.(Punkte: 12/50)Der globale Kohlenstoffkreislauf kann als System aus Kohlenstoffspeichern und zwischen ihnen stattfindenden Kohlenstoff flüssen beschrieben werden. Wälder sind Teil des Kohlenstoffspeichers „Biomasse der Landlebewesen“. Bäume fixieren Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre durch Fotosynthese und geben Kohlenstoffdioxid durch Zellatmung und Abbau ihrer Biomasse durch Destruenten an die Atmosphäre ab. Im stabilen Ökosystem Wald gleichen sich diese Kohlenstoffflüsse aus. Durch die Abholzung gelangt Kohlenstoffdioxid durch die Zersetzung von Holzresten und Baumwurzeln und evtl. durch die Verbrennung von Holz in die Atmosphäre. Diesem Kohlenstofffluss steht keine Aufnahme durch die Bäume entgegen. Dies führt ebenso wie die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas zu verstärkten Kohlenstoffflüssen in Form von Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre.

10InAbb.8sinddieAbweichungenderSommertemperaturenvomlangjährigenMittelunddasDickenwachstumvonWeißfich-teninAlaskadargestellt.InterpretierenSiedasDiagrammbezüglichderFolgenvonKlimaveränderungenfürdieWälderinAlaska.(Punkte: 8/50)Das Diagramm zeigt einen Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Dicke der Jahresringe. Bei hoher Temperatur sind die Jahresringe schmal, bei niedriger sind sie breiter. Im Verlauf der dargestellten 100 Jahre ist die Temperatur angestiegen und das Dickenwachstum der Bäume hat sich verringert. Ursache für den Zusammenhang könnte das Schließen von Spaltöffnungen in den Blättern der Bäume bei hohen Temperaturen sein. Der Schutz vor Verdunstung beschränkt die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid für die Fotosynthese.

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4 Evolution

4. 1 Vom Evolutionsgedanken zur Evolutionstheorie

Die Entstehung der Evolutionstheorie (Seite 250/251)

1 ErstellenSiejeweilseinVerlaufsschemafürdieEntstehungderlangenHälsebeiGiraffennachLamarckundDarwin (Abb.4).Nach Lamarck: Strecken der Hälse nach Nahrung an Bäumen → Nachkommen mit längeren Hälsen → Nachkommen strecken die Hälse nach Nahrung an Bäumen → Nachkommen mit noch längeren Hälsen → usw. Nach Darwin: Giraffen mit unterschiedlich langen Hälsen (Variabilität) → langhalsige Giraffen haben bessere Überlebenschan-chen als kurzhalsige („survival of the fittest“) → längerhalsige Giraffen haben durch den besseren Zugang zu Nahrung mehr Nachkommen → unter den Nachkommen gibt es mehr Giraffen mit längerem Hals, aber wiederum Variabilität → usw.

2 ErläuternSie,wiediegeringeSehkraftdesMaulwurfsnachLamarck bzw.nachDarwinentstandenseinkönnte.Nach Lamarck nutzten die Maulwürfe bei ihrer Lebensweise im Erdboden ihre Augen nur wenig. Dadurch verkümmerten die Organe. Nach Darwin waren unter den Nachkommen solche, die nicht voll ausgebildete Augen hatten. Diese Nachkommen waren die „fitteren Tiere“ unter den speziellen Lebensbedingungen (vielleicht weil ihre Augen durch Verletzungen im Erdreich weniger entzündeten).

Variabilität und ihre Ursachen (Seite 252/253))

1 ErläuternSiedenUnterschiedzwischenmodifikatorischerundgenetischerVariabilität.Die modifikatorische Variabilität beruht auf unterschiedlichen Umweltbedingungen. Die Unterschiede sind nicht erblich. Die genetische Variabilität beruht auf dem Vorhandensein unterschiedlicher alleler Gene, was trotz identischer Umweltbedingungen zu Unterschieden führt.

2 ErläuternSie,warumfürdieZüchtunginAbb.3keinereinerbigenLinieninfragekommen.Für die Züchtung ist eine genetische Variabilität grundlegend, denn nur dann ist zu erwarten, dass Individuen mit erwünschten Eigenschaften eine andere genetische Information enthalten. Durch die Auswahl von geeigneten Individuen für die weitere Zucht müsste sich der Genpool in der nächsten Generation verbessern. Bei reinerbigen Linien würden die Unterschiede der Individuen allein auf modifikatorischer Variabilität beruhen. Trotz der Auswahl von erwünschten Individuen wäre der Genpool in der nächsten Generation unverändert.

3 EinGärtnerbautGartenbohneneinerneuenSortemitbesondersgroßenSamenan.TrotzdemernteterteilweiserechtkleineBohnensamen.ErklärenSie,warumnichtalleSamengroßsind.Vermutlich zeigt die neue Sorte eine deutliche modifikatorische Variablität und damit große Unterschiede in der Samengröße. Denkbar wäre auch, dass die neue Sorte nicht reinerbig ist und darüber hinaus auch eine genetische Variabilität zeigt.

Selektion (Seite 254/255)

1 NennenSiedreiFaktoren,diediereproduktiveFitnesseinesLebewesensbeeinflussen.Mögliche Faktoren: Fähigkeit zur Nahrungsbeschaffung, Attraktivität für Sexualpartner, Resistenz gegen Krankheitserreger, …

2 BeiderZuchtvonTierendurchdenMenschensprichtmanvonkünstlicherSelektion.VergleichenSiekünstlicheundnatürli-cheSelektion.Bei der Neuzüchtung einer Rasse betreibt der Mensch transformierende Selektion. Zur Erhaltung der Rasse erfolgt stabilisierende Selektion. Die Zuchtziele sind — im Gegensatz zur natürlichen Selektion — meist unabhängig von der Überlebenschance in natürli-cher Umgebung. Durch strenge Auslese erfolgt die Veränderung der Population schneller als bei der natürlichen Selektion.

3 NehmenSiean,dassineinerFinkenpopulationkeineSelektionbezüglichderSchnabelformstattfindet.StellenSieeinebe-gründeteHypothesezurEntwicklungdesMerkmalsinderPopulationauf.Die Vielfalt der Schnabelformen nimmt zu, da durch Mutation veränderte Formen die reproduktive Fitness nicht senken. Durch diesen Effekt und durch Rekombination wird die Verteilungskurve flacher und breiter.

Material: Industriemelanismus (Seite 256/257)

1 StellenSieeineHypotheseauf,dieeineErklärungfürdieunterschiedlicheZusammensetzungderBirkenspanner-Populati-oneninEnglandliefert.Hypothese: Die Übereinstimmung mit der Untergrundfarbe stellt einen Selektionsvorteil der Birkenspanner dar.

2 NennenSiezweiMöglichkeiten,wiemanIhreHypotheseausAufgabe1überprüfenkönnte.individuelle Lösung, mögliche Antworten sind: Man kann z. B. die Fänge durch Vögel beobachten und auszählen oder Vögel ver-grämen und die Auswirkungen bestimmen oder ein Kontrollexperiment durchführen (wie kettLeweLL).

3 WertenSiedenzweitenVersuchKettlewellsaus.In Industriegebieten werden mehr dunkle Tiere zurückgefangen, in anderen Gebieten mehr helle. Das passt zu Abb. 1 und zur Hypothese zu Aufgabe 1.

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4 FormulierenSieAnnahmen,dievermutlichderPlanungdeserstenVersuchszugrundelagen.Die Motten werden tagsüber von Vögeln gefressen, die sich optisch orientieren. Die Motten sitzen am Stamm und an dicken Ästen der Bäume.

5 DeutenSiedieErgebnissederbeidenVersucheimZusammenhang.Die Ergebnisse von Versuch 1 passen im zweiten Teil zu denen von Versuch 2. Danach stellt die Übereinstimmung mit der Unter-grundfarbe einen Selektionsvorteil der Birkenspanner dar, da ihre Überlebenswahrscheinlichkeit bei Anwesenheit von Fressfein-den höher ist.

6 Kritikergabenzubedenken,dassvieleBirkenspannernachtsvonFledermäusenerbeutetwerden.ErklärenSiedieAuswirkun-gendieserAussageaufdieAussagekraftderExperimente.Bei der nächtlichen Dezimierung der Birkenspanner durch Fledermäuse ist die Färbung wahrscheinlich nicht von Bedeutung. Deshalb sollten sich die Häufigkeiten der beiden Formen durch die Fänge nicht verändern. Der Effekt der nächtlichen Dezimierung ist demnach neutral zum Ergebnis für die Dezimierung tagsüber, verfälscht also die Ergebnisse nicht.

7 VergleichenSiedieinAbb.3dargestelltenErgebnissederbeidenUntersuchungen.Die Ergebnisse zeigen Unterschiede, in der oben dargestellten Untersuchung werden Blätter nicht berücksichtigt. Nur ein Bruchteil der Tiere sitzt exponiert am Stamm.

8 ErläuternSiedenEinflussdesAufenthaltsortsderBirkenspanneramTagaufdieAussagekraftvonKettlewellsExperimenten.Wenn die Tiere tagsüber versteckt oder unter Blättern sitzen, weichen die Versuchsbedingungen von der natürlichen Situation ab.

9 BeschreibenSiedieProblemebeiderUntersuchungderFrage,obsichBirkenspannertagsüberimWesentlichenimBlätter-dachderBaumkronenaufhalten.Die Blätter in den Baumkronen sind schwer zu erreichen, ohne die Tiere zu verscheuchen. Die Tiere sind dort schwer zu finden.

10WertenSieAbb.4und5ausundsetzenSiedabeidieWerteinBeziehung.Nach Rückgang der Schwefeldioxid-Belastung der Luft sinkt mit Verzögerung der Anteil der dunklen Tiere. Das passt zur Hypothe-se, dass die Übereinstimmung mit der Untergrundfarbe einen Selektionsvorteil der Birkenspanner darstellt, und zu kettLeweLLs Versuchsergebnissen.

11PrüfenSiedieÜbereinstimmungderErgebnissemitdeninAbb.1dargestelltenBefunden.Die Ergebnisse passen zu den in Abb. 1 dargestellten Häufigkeiten der beiden Formen in den verschiedenen Regionen.

Die Synthetische Evolutionstheorie (Seite 258/259)

1 BeschreibenSiedieEntstehungeinerfortschreitendenAngepasstheitineinerPopulationunterVerwendungvonAbb.1.Durch Selektion haben Individuen mit einer besseren Angepasstheit als andere eine höhere reproduktive Fitness. Dadurch erhöht sich der Anteil entsprechender alleler Gene im Genpool. In der nächsten Generation erhöht sich der Anteil der besser angepassten Individuen. Durch Rekombination können sich diese Effekte für mehrere Merkmale gegenseitig verstärken.

2 ErläuternSiedieevolutivenFolgen,wennineinerBuntspechtpopulationdurchMutationeinAllelfüreinenhärterenSchnabelentsteht.Phänotypen mit härterem Schnabel können leichter Bruthöhlen schlagen und vielleicht besser an Nahrung unter der Rinde gelan-gen. Dadurch erhöht sich ihre reproduktive Fitness. Dadurch breitet sich das allele Gen über Generationen im Genpool aus.

Extra: Neodarwinismus (Seite 259)

BeschreibenSie,inwelcherHinsichtDarwinsEvolutionstheoriedurchWeismannerweitertwurde.weismann widerlegte durch seine Experimente die Annahme, dass erworbene Eigenschaften vererbt würden. (Hinweis: Erkenntnisse der Epigenetik werden hier nicht berücksichtigt.)

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Was ist eine Art? (Seite 260/261)

1 ErläuternSie,nachwelchemKonzepteinWissenschaftler,derausgestorbeneOrganismenstudiert(Paläobiologe),seineFundeklassifiziert.Ein Paläobiologe würde Funde von ausgestorbenen Organismen morphologisch klassifizieren, da der biologische Artbegriff, insbe-sondere die Kreuzungsfähigkeit, bei ausgestorbenen Organismen nicht mehr überprüft werden kann.

2 BegründenSiedieEinordnungvonZilpzalpundFitisalseigenständigeArtenimVergleichzuNebel-undRabenkrähe.Zilpzalp und Fitis zeigen kaum morphologische Unterschiede, können sich aber aufgrund ihres unterschiedlichen Balzgesangs nicht untereinander fortpflanzen. Daher handelt es sich um zwei verschiedene Arten. Nebel- und Rabenkrähe unterscheiden sich zwar morphologisch in der Farbe des Gefieders, trotzdem findet in der Hybridisierungszone eine Verpaarung zwischen ihnen statt, aus der fruchtbare Nachkommen hervorgehen. Aufgrund dieses Umstands spricht man hier von Unterarten.

3 ErläuternSie,warumimLabor(erfolgreich)durchgeführteVerpaarungsversuchezweiernichteindeutigeinerArtzugeordne-terIndividuenkeinBelegdafürsind,dassdieseIndividueneinerArtzugeordnetwerdenkönnen.Laut biologischem Artbegriff besteht eine Art aus Populationen, deren Individuen sich untereinander fortpflanzen können und von anderen Populationen reproduktiv isoliert sind. Eine reproduktive Isolierung kann jedoch z. B. auch eine physische oder zeitliche Barriere sein, die verhindert, dass die Individuen in der Natur aufeinandertreffen. Individuen, die sich in der Natur nie begegnen, kreuzen sich normalerweise auch nicht. Unter Laborbedingungen kann diese Barriere aufgehoben werden, sodass fruchtbare Nachkommen entstehen könnten. Trotzdem darf man an dieser Stelle nicht davon ausgehen, dass es sich bei den beiden Individuen um Angehörige derselben Art handelt.

Formen der Artbildung (Seite 262/263)

1 NennenSiedreimöglicheUrsachenfürdieunterschiedlicheEntwicklunggeografischisolierterTeilpopulationeneinerArt.individuelle Lösung, mögliche Ursachen sind z. B. die Entstehung unterschiedlicher neuer alleler Gene, unterschiedliche Selektions-bedingungen durch verschiedene klimatische Bedingungen, unterschiedliche Konkurrenten oder Feinde oder ein anderes Nah-rungsangebot.

2 BeschreibenSiediesympatrischeArtbildunganhandvonAbb.4Der Genfluss zwischen einer Teilpopulation und der Ursprungspopulation wird durch eine nicht geografische Fortpflanzungsbarriere verhindert. Die darauf folgende getrennte Entwicklung der Genpools führt zu einer Zunahme der Unterschiede.

3 ErläuternSiedieFolgenvonPolyploidisierungbeiPflanzen.Drei Doppelchromosomen können keine homologen Paare bilden. Dadurch ist die tetraploide Form von der diploiden isoliert.

Isolationsmechanismen (Seite 264)

1 OrdnenSiedasMaultierunddieBefruchtungderSeeigel-EizelledemjeweiligenIsolationsmechanismuszu.Maultier: Hierbei handelt es sich um den postzygoten Isolationsmechanismus, dass Hybride unfruchtbar sind. Zwar entstehen aus Eselhengst und Pferdestute lebensfähige Nachkommen, diese können sich jedoch nicht weiter fortpflanzen. Befruchtung einer Seeigel-Eizelle: Proteine auf der Membranoberfläche sind arttypisch, sodass eine Verschmelzung von Spermium und Eizelle nur innerartlich nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip erfolgen kann. Es handelt sich hierbei um den präzygoten Isolati-onsmechanismen der gametischen Isolation.

2 BeivielenArtenhatsicheinpräzygoterIsolationsmechanismusausgebildet,nachdembereitseinpostzygoterbestand.Erklä-renSiedenpositivenEinflussdieserTatsacheaufdiereproduktiveFitness.Durch die präzygote Isolierung werden nicht zielführende Begattungen vermieden. Diese könnten bei entsprechender Häufigkeit die reproduktive Fitness von Individuen ohne präzygote Isolation senken.

Material: Artbildung und Hybride (Seite 265)

1 ErklärenSie,welcheFormderArtbildungaufdieElternartendesvorliegendenBeispielsangewandtwerdenkann.Bei der Blaubeer- und Schneebeer-Fruchtfliege handelt es sich um sympatrische Artbildung. Beide Arten kommen in gleichen Gebieten vor, sodass keine geografische Isolation vorliegt. Beide bevorzugen jedoch unterschiedliche Früchte für ihre Eiablage.

2 OrdnenSiemithilfederTabelledieFruchtfliegen-Art,dieanHeckenkirschenentdecktwurde,ein.Die neue Fruchtfliegen-Art lässt sich keiner der drei dargestellten Fruchtfliegen-Arten zuordnen. Sie zeigt eine neue, einzigartige Mischung der getesteten Allele. Jedoch weisen die Allele der neuen Fliegen-Art darauf hin, dass es sich hierbei um eine Vermi-schung von Blaubeer-Fruchtfliege und Schneebeer-Fruchtfliege handelt.

3 ErklärenSie,warumHybridemeistkaumkonkurrenzfähigsind.Hybride müssen ausreichend fit sein und sich relativ schnell von der Elternpopulation isolieren können. Sie gelten als weniger optimal angepasst. Daher gehen sie oftmals im Selektionswettbewerb unter und werden aussortiert. Besonders vorteilhafte Allele der Eltern können durch Rückkreuzungen mit der viel größeren Elternpopulation schnell wieder verloren gehen.

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4 StellenSieeinebegründeteHypotheseauf,unterwelchenBedingungenausHybrideneineeigenständigeArtentstehenkann.Damit aus Hybriden eine eigenständige Art entstehen kann, muss es die Möglichkeit einer schnellen Isolation von der Elternpopu-lation geben. Im vorgegebenen Beispiel ist dies aufgrund des Imports der Tartaren-Heckenkirsche möglich. Es darf also weder zu einer Konkurrenzsituation noch zu Kontakt zwischen Hybrid und Elternpopulation kommen.

Adaptive Radiation (Seite 266/267)

1 ErstellenSiezumAblaufderadaptivenRadiationderBuntbarscheeinVerlaufsschema.Vermehrung einer Ursprungsform → innerartliche Konkurrenz → erhöhte reproduktive Fitness von Phänotypen mit abweichenden Eigenschaften → Entstehung von Isolationsmechanismen → getrennte Weiterentwicklung der Genpools mit Zunahme der Unter-schiede zur Ursprungsform

2 ErläuternSiedieBedeutungderintensivenFärbungderinAbb.1gezeigtenFischarten.Die deutlichen Farbunterschiede stellen eine wirksame Isolation durch die sexuelle Selektion dar.

3 LeitenSieausAbb.3Aussagendazuab,wiebeidenDarwinfinken-ArtenKonkurrenzvermiedenwird.Die Unterschiede in Schnabelform, bevorzugter Nahrung und Lebensraum tragen zur Konkurrenzvermeidung bei.

Gendrift (Seite 268)

1 VergleichenSiedieHäufigkeitenderallelenGenederModellpopulationinAbb.1inderUrsprungspopulationundinderTeil-populationA.GebenSiean,welchePhänotypenindenTeilpopulationenundderenNachkommenauftretenkönnen.Die Häufigkeiten von rot und gelb sind vergleichbar, grün kommt in der Teilpopulation häufiger vor, blau gar nicht. Bis auf Indivi-duen mit „blau“ sind alle Kombinationen der Ursprungspopulation möglich.

2 ErläuternSiedieFolgenderTrennungvonTeilpopulationendurchdieAnlageneuerVerkehrswegeundSiedlungen.Durch die Teilung der Population können kleine Populationen entstehen, die z. B. nicht mehr die Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse aufweisen, die für die Ausgangspopulation galt, oder in denen andere Eigenschaften nicht mehr auftreten.

Praktikum: Simulationsexperiment zur Gendrift (Seite 269)

1 VergleichenSiedieErgebnisseausdemVersuchuntereinanderundmitderAllelhäufigkeitderAusgangspopulation.individuelle Lösung

2 ErläuternSieunterEinbeziehungIhrerVersuchsergebnissedieUnterschiedezwischenderFestlands-undderFelsenpopulationderRuineneidechsen.Der Genpool der Felsenpopulation hatte bei der Trennung des Genpools von der der Festlandpopulation zufällig einen hohen Anteil der Allele für die Blau-schwarz-Färbung. (Der etwas höhere Anteil bei den Männchen kann ein Hinweis auf eine sexuelle Selektion durch die Weibchen sein. Möglicherweise bevorzugen sie blau-schwarze Männchen.)

3 VergleichenSieIhreinVersuchsteila)erzieltenErgebnissemitdenenausVersuchsteilb).LeitenSiedarauseineallgemeineAussageüberdenGründereffektab.individuelle Lösung. Hinweis: Je größer die Gründerpopulation, desto ähnlicher sind wahrscheinlich die Allelhäufigkeiten in der Gründer- und der Ausgangspopulation.

4 EntwickelnSieeinebegründeteHypothesezurweiterenEntwicklungderRuineneidechsenfürdenFall,dassdiebeidenGen-poolswiederdurcheineLandbrückeverbundenwerden.Es entsteht ein gemeinsamer Genpool. Die Allelhäufigkeiten ergeben sich aus den Anteilen der beiden verschmelzenden Genpools. Die weitere Entwicklung hängt wesentlich davon ab, ob Selektion durch Feinddruck oder sexuelle Selektion stattfindet.

5 InZooswerdenvondenmeistenArtensehrkleinePopulationengehalten.BeiNachzuchtenwerdenregelmäßigTierezwi-schenverschiedenenZoosausgetauscht.ErläuternSiedenSinndieserMaßnahme.Die Zoopopulation bildet einen Genpool nach dem Gründereffekt. Neben Inzuchtnachteilen kann sich die Population untypisch für die Art entwickeln. Durch den Austausch von Zuchttieren wird künstlich ein größerer Genpool geschaffen, der diesen Effekt verringert.

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Farbe Allelhäufigkeiten im Ursprungsgenpool

Allelhäufigkeiten im Genpool A

rot 0,36 0,33

gelb 0,50 0,50

grün 0,07 0,17

blau 0,07 0,00


Das Hardy-Weinberg-Modell (Seite 270/271)

1 ErklärenSie,warumimLeopardenbeispielindenfolgendenGenerationenkeineVeränderungderPhänotypenhäufigkeitenzuerwartenist.In einer idealen Population kann keine Änderung der Häufigkeiten auftreten, da Evolution ausgeschlossen ist.

2 ErmittelnSiemithilfevonAbb.3dieHäufigkeitallerGenotypenineinerPopulationmitdemmaximalenAnteilheterozygoterIndividuen.Maximum der grünen Kurve: 50 % heterozygote Individuen bei p = q = 0,5. Die Genotypen [AA] und [aa] haben eine Häufigkeit von 0,25 (25 %).

3 ErrechnenSiemithilfedesHardy-Weinberg-Modells,inwelchemAusmaßJägerdieHäufigkeitdesAuftretensvonMelanismusbeiRehensenken,wennsiedunkleRehevorderGeschlechtsreifeerlegen.GehenSiedabeivoneineridealenPopulationaus,indereinesvonhundertTiereneindunklesFellhat.q2 = 0,01; q = 0,1; p = 0,9; 2pq = 0,18. Pro 100 Tiere sind 18 heterozygote Tiere und ein homozygotes, dunkles zu erwarten. Von den 200 Allelen waren vor dem Abschuss 20 Allele (a) vorhanden, danach noch 18. 18/198 = 0,091. Quadriert ergibt sich eine Genoty-penhäufigkeit von 0,0083 statt 0,01 vorher.

Material: Genpool und Evolution (Seite 272/273)

1 BeschreibenSiedieErgebnissederSimulation(Abb.1).Die Häufigkeit von (a) nimmt ab, und zwar zunehmend langsamer. Der Genotyp [aa] tritt ab ca. 30 Generationen nur noch selten auf. Auch nach 100 Generationen kommt das Allel (a) noch vor.

2 ErklärenSiedieTatsache,dassnach100GenerationendasAllelaimmernochinderPopulationvorhandenist.Die Häufigkeit des Genotyps [aa] nimmt stark ab. Da gegen den dazu gehörenden Phänotyp die Selektion wirkt, nimmt der Einfluss auf die Zusammensetzung des Genpools ab. Das Allel (a) kommt überwiegend in heterozygoten Lebewesen vor, deren reproduktive Fitness nicht gemindert ist.

3 StellenSieeineHypothesezurweiterenEntwicklungderPopulationfürdenFallauf,dasssichdieLebensbedingungensoverändern,dassderPhänotypmitdemGenotypaaeinenSelektionsvorteilhat.Wenn die Selektion gegen Phänotypen mit den Genotypen [AA] und [Aa] wirkt, wird der Anteil des Allels (A) abnehmen, und zwar schneller als im vorigen Fall, da die Selektion auch gegen die heterozygoten Träger wirkt.

4 ErklärenSiedieErgebnissederAuszählungeninFrühjahrundHerbst(Abb.3)mitpopulationsgenetischenUrsachen.Da die Häufigkeiten der Phänotypen abwechselnd steigen und sinken, müssen die Selektionsbedingungen für die beiden Genera-tionen unterschiedlich sein. Sie wirken im Winter gegen schwarz und im Sommer gegen rot.

5 MessungenderKörpertemperaturvonTierenderbeidenFormenergabenbeigleicherUmgebungstemperatureinenhöherenWertfürdieschwarzenTiere.LeitenSiedarauseinemöglicheErklärungfürdieHäufigkeitderPhänotypenindenJahreszeitenab.Die höhere Temperatur bei der schwarzen Form wirkt beschleunigend auf den Stoffwechsel der poikilothermen Tiere. Das kann zum vorzeitigen Verbrauch der Nährstoffreserven bei der Wintergeneration führen. Im Herbst kann die höhere Körpertemperatur ein Vorteil bei den Aktivitäten zur Nahrungssuche sein.

6 ErläuternSie,welcheHäufigkeitfürdasSichelzellallelineinerBevölkerungohnemedizinischeBetreuungaußerhalbvonMala-riagebietenvorgelegenhat.Bei starker Selektionswirkung gegen Sichler und ohne Heterozygotenvorteil sollte die Allelhäufigkeit gering sein (im Bereich der Mutationsrate).

7 VergleichenSiedieErgebnissederbeidenSimulationen(Abb.6)undziehenSieSchlussfolgerungendaraus.Sehr unterschiedliche Häufigkeiten der Allele zu Beginn führen in der Simulation nach ca. 15 Generationen zu den gleichen Häu-figkeiten der Allele und Genotypen. Das bedeutet, die Zusammensetzung des Genpools wird langfristig nicht durch die Anfangs-häufigkeiten von Allelen, sondern ausschließlich durch die Größe der Selektionsvorteile bzw. -nachteile bestimmt.

8 UntermedizinischerBetreuungerreichenetwa85%derhomozygotenTrägerdesSichelzellallelsdasErwachsenenalter.Erläu-ternSiedieAuswirkungenaufdenGenpool.Wenn sich auch die homozygoten Träger des Sichelzellallels fortpflanzen, steigt langfristig die Allelfrequenz im Genpool.

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Präadaptation (Seite 274/275)

1 ErläuternSiemithilfederembryonalenEntwicklungvonZähnen,HaarenundFedern(Abb.2)denBegriffPräadaptation.Zähne, Haare und Federn sind Bildungen des Hautgewebes. Haare und Federn bilden sich in Einsenkungen des oberen Haut-gewebes. An der Bildung der Haare und Federn ist die untere Hautschicht beteiligt. Zähne sind das Produkt eines vom unteren Hautgewebe abgeschnürten Bläschens. Sie durchbrechen dann die obere Hautschicht. Die Grundstruktur ermöglicht die Erfüllung unterschiedlicher Funktionen (Mehrfacheignung).

2 ErklärenSieanhandvonAbb.4,umwelcheFormderPräadaptationessichbeiderSchwimmblasehandelt.Die Schwimmblase geht aus der Fischlunge hervor. Es findet ein Funktionswechsel von der Atmung zur Auftriebsregulierung statt.

Extra: Antibiotikaresistenz (Seite 275)

ErläuternSiediebiologischeBedeutungderResistenzbildungbeiBakterienunternatürlichenBedingungen.Die Fähigkeit zur Bildung von Resistenzen gegen Antibiotika um Nahrung konkurrierender Bakterien und Pilze stellt einen Selekti-onsvorteil dar.

Material: Koevolution (Seite 276/277)

1 NennenSiedieVorteile,dieOrchideeundFalterdurchihrenungewöhnlichenBauhaben.Vorteil für die Pflanze: Durch exklusive Bestäuber wird nur arteigener Pollen übertragen. Vorteil für den Schmetterling: Er hat eine exklusive Nahrungsquelle, die er ohne Konkurrenz durch andere Arten nutzen kann.

2 NehmenSieStellungzuderAussage,dasswederdiePflanzenochderFalterohnedieandereArtinderEvolutiondaslangeOrganentwickelthätte.Ein langer Sporn hätte alle potenziellen Bestäuber ausgeschlossen. Ein langer, zerbrechlicher Rüssel hätte ohne die exklusive Nahrungsquelle einen Selektionsnachteil bedeutet. Die Aussage stimmt also.

3 ErläuternSieandiesemBeispieldasPrinzipderKoevolution.Zwei Arten wirken jeweils bezüglich mindestens eines Merkmals als Selektionsfaktor aufeinander. Im Beispiel wirkt die Spornlänge selektierend auf die Saugrüssellänge beim Falter und die Rüssellänge auf die Spornlänge.

4 WertenSiedasMaterialzuStandortundWuchsaus.Durch die Verwebung mit der anderen Pflanze entsteht ein Tarneffekt, der die Schädigungsgefahr durch den Falter senkt.

5 WertenSiedasMaterialzurBedeutungderNektarienaus.Die Falter zögern bei der Eiablage auf „besetzten“ Blättern. Die Bevorzugung freier Blätter erhöht das Nahrungsangebot der Fal-ternachkommen. Die gelben Nektarien haben im Vergleich mit Eiern denselben Effekt. Die Nektarien wirken als Eiattrappen und senken die Gefahr der Schädigung durch Fraß.

6 ErstellenSieeineÜbersichtzurKoevolutionvonPassionsblumeundHeliconiusfalternachfolgendemMuster.

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Bildung von Giftstoffen

Passionsblume

Nektarien als Eiattrappen

Heliconiusfalter

Eiablage auf Blättern

Resistenz gegen das Gift


Homologie und Analogie (Seite 278/279)

1 ErklärenSieunterVerwendungvonAbb.1und5,obderstromlinienförmigeKörperderPinguineimVergleichzuHaiundDelfineinhomologesodereinanalogesMerkmalist.Es ist eine Analogie, die sich nicht kontinuierlich entwickelt hat, sondern analog aufgrund des Selektionsvorteils bei der Fortbewe-gung im Wasser.

2 ErläuternSiedieEntwicklungderZehenbeidenVorfahrenderPferdeanhandvonAbb.3.Das Beinskelett entspricht dem Bau bei anderen Wirbeltieren. Die Anzahl der Zehen ist maximal reduziert auf einen Zeh. Der letzte Fingerknochen ist an die Hufbildung angepasst.

3 BeimVergleichderFlügelvonVogelundFledermaus(S.320,Abb,1)kannmanhomologeundanalogeStrukturenerkennen.NennenSieBeispiele.Es handelt sich um eine homologe Tetrapodenextremität, aber Bildung der Flügelfläche durch Federn bzw. Haut sind analoge Entwicklungen.

Darstellung stammesgeschichtlicher Verwandtschaft (Seite 280)

1 ErläuternSieanhandvonAbb.1denUnterschiedzwischenursprünglichemundabgeleitetemMerkmal.Das ursprüngliche Merkmal eignet sich nicht für die phylogenetische Systematik bezüglich der Arten A, B und C, da es alle Arten aufweisen und es auch außerhalb vorkommt. Das abgeleitete Merkmal tritt nur bei B und C auf. Es ist ein Hinweis auf den ge-meinsamen Vorfahren von B und C. Dieser Vorfahr hat einen gemeinsamen Vorfahren mit A.

2 ErklärenSie,warumdiebeidenKladogrammeinAbb.2identischeAussagenüberdiedreiArtenenthalten.Unabhängig von der Form des Kladogramms liefern sie die Aussage, dass A und B näher miteinander verwandt sind als mit C (spätere Aufspaltung).

Material: Kladogramme (Seite 281)

1 NennenSiedietypischenEigenschafteneinesKladogramms.Es kommen nur rezente Arten vor (bzw. ausgestorbene werden parallel zu ihnen angeordnet). Es findet immer eine Aufspaltung in zwei Linien an einem Knotenpunkt statt. Es werden homologe Merkmale zur Erstellung herangezogen.

2 ErklärenSiedieBedeutungderAußengruppeinKladogrammen,indemSieAbb.2und3vergleichen.ErklärenSieauch,warumHaareinAbb.2alsabgeleitet,inAbb.3alsursprünglichbezeichnetwerden.Durch den Außengruppenvergleich können ursprüngliche Merkmale erkannt werden, die innerhalb einer systematischen Gruppe alle Arten aufweisen und die auch außerhalb vorkommen. Abgeleitete Merkmale kommen hingegen nur innerhalb einer systema-tischen Gruppe vor und nicht außerhalb. Sie eignen sich für das systematische Ordnen innerhalb der Gruppe. Haare kommen nur innerhalb der Mammalia vor, aber nicht nur innerhalb der Theria, denn auch Kloakentiere haben Haare.

3 ErklärenSiemithilfevonAbb.3dieBedeutungderMerkmaleGiftdrüsen,BeutelundPlazentafürdieAnnahme,dassdiedreiGruppenjeweilsmonophyletischsind.Alle Kloakentiere und nur diese weisen gleich gebaute Giftdrüsen auf. Der Beutel ist bei allen Beuteltieren vorhanden und kommt nur bei ihnen vor. Entsprechendes gilt für die Plazenta bei den Plazentatieren. Das weist jeweils auf einen gemeinsamen Vorfah-ren hin, die Gruppen sind also monophyletisch.

Methoden der Altersbestimmung von Fossilien (Seite 282)

1 IneinemfossilenMammutwurdederAnteilvon12,5%anKohlenstoff-14(14C)gefunden.ErmittelnSieunterVerwendungvonAbb.2dasAlterdesFossils.PrüfenSieIhrErgebnisrechnerisch.12,5 % auf der y-Achse in Abb. 2 führt zu einem Punkt mit dem x-Wert von etwa 17 000 Jahren. Rechnerisch führen die Stufen 50 %, 25 % und 12,5 % zum Ablauf von drei Halbwertszeiten. Das sind 3 x 5730 Jahre, also 17 190 Jahre.

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4. 2 Evolution und Verwandtschaft


Material: Lebende Fossilien und Brückentiere (Seite 283)

1 NennenSiemöglicheFragestellungen,diemanmithilfelebenderFossilienbeantwortenkann.individuelle Lösung. Mögliche Fragestellungen sind: Unter welchen Bedingungen verändern sich Arten, unter welchen nicht? Welche Umweltbedingungen waren so konstant, dass sich bestimmte Arten über lange evolutionäre Zeiträume nicht verändert haben?

2 ErklärenSieunterVerwendungvonAbb.3dieinselartigeVerbreitungderbeidenLatimeria-Arten.An den küstennahen Orten mit wenig Meeresströmung herrschen ähnliche Umweltbedingungen, die über lange Zeit konstant geblieben sind.

3 ZeigenSieanhandderinAbb.4dargestelltenSkeletteEntwicklungstendenzenauf.Die Beinskelette haben sich zu einem immer kräftigeren Gerüst für die Extremitäten entwickelt. Außerdem sind die Extremitäten zunehmend durch Becken- bzw. Schultergürtel an die Wirbelsäule angebunden.

4 DieinAbb.4gezeigtenFormengeltenalsBrückentierezwischenwasserlebendenFleischflossern(Fischen)undlandlebendenTetrapoden.ErklärenSie.Die zu Aufgabe 3 genannten Merkmale sind geeignet, die Körpermasse zu tragen, auch wenn der Auftrieb durch umgebendes Wasser nicht vorhanden ist.

Molekulare Hinweise auf Verwandtschaft (Seite 284/285)

1 VergleichenSiedieinAbb.1dargestelltenAminosäuresequenzenundwertenSiedieseaus.ErstellenSiedazuaucheinenStammbaum.Die Aminosäuresequenz ist bei Mensch und Rhesusaffe an allen gezeigten Positionen gleich. Zu den beiden Fischarten gibt es eine Reihe von Unterschieden, wobei der Vergleich innerhalb der Fische viele Übereinstimmungen zeigt. Die beiden Pflanzenarten weisen Unterschiede zu Mensch und Affe und zu den Fischen auf, wobei auch hier die Unterschiede bei den beiden Pflanzenarten geringer sind. Insgesamt korreliert die Anzahl der Übereinstimmungen mit der Nähe der stammesgeschichtlichen Verwandtschaft. Der Stammbaum kann in Anlehnung an Abb. 2 im Schülerbuch auf Seite 284 erstellt werden.

2 ErläuternSie,inwieweitdieHomologiekriterienfürdieCytochrom-c-undDNA-Variantengelten.Das Kriterium der Lage kann man auf die Aminosäuren bzw. Basen im Molekül beziehen. Das Kriterium der Kontinuität ist gege-ben, wenn man zwischen weit auseinanderliegenden Formen Zwischenformen kennt.

3 BeiderVerwendungvonmt-DNAfürdieStammbaumerstellungistdieVermischungderelterlichenGenomeausgeschlossen,daSpermien(fast)nieMitochondrienindieZygoteeinbringen.ErklärenSiedieseAussage.Bei den Mitochondrien findet keine Meiose, also auch keine Rekombination statt. Sie sind nur in den Eizellen enthalten. Es ergibt sich eine rein mütterliche (maternale) Reihe.

Material: Stammesgeschichtliche Verwandtschaft (Seite 286/287)

1 BeschreibenSie,wieausdenermitteltenDNA-SequenzenverschiedenerArteneinDendrogrammerzeugtwird.Je geringer die Unterschiede in der DNA-Sequenz sind, desto näher sind die Arten miteinander verwandt. Neben der Anzahl der Unterschiede werden auch weitere Aspekte berücksichtigt: – Liegt ein Unterschied an derselben Position vor? – Liegt an einer Position die gleiche abweichende Base vor oder eine andere? Aus der Anzahl und Art der Unterschiede kann mit einem Computerprogramm ein Dendrogramm erzeugt werden, das die wahr-scheinlichste evolutive Entwicklung wiedergibt.

2 BeschreibenSiedieEntwicklungderKontinenteimVerlaufderErdgeschichte(Abb.3).Das heutige Eurasien und Nordamerika waren lange Zeit durch Landmassen verbunden, während sich Afrika und Südamerika schon vor ca. 120 Mio. Jahren getrennt haben. Auch das heutige Australien und die Antarktis trennten sich vor über 120 Mio. Jah-ren von Gondwana, bis sie sich vor 60 Mio. Jahren zu eigenen Kontinenten auftrennten.

3 BeziehenSiedieEvolutionderviermolekulargenetischermitteltengroßenGruppenderPlazentatiere(Abb.2)aufdieEnt-wicklungderKontinente(Abb.3).Die Bewegung des afrikanischen Kontinents nach der Trennung von Südamerika bis zur eurasischen Platte war mit einer langen Periode der Isolation verbunden. Dies kann verbunden mit einer adaptiven Radiation zur Formenvielfalt geführt haben.

4 ErläuternSiedieBiogenetischeGrundregelanhandvonAbb.4.Die Biogenetische Grundregel besagt, dass Lebewesen in ihrer Individualentwicklung ihre stammesgeschichtliche Entwicklung nachvollziehen. Bei frühen Wirbeltierembryonen erkennt man einen fast gleichen Bau. Die Unterschiede werden mit zunehmen-dem Alter deutlicher.

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5 InterpretierenSieAbb.5unddieinAbb.6dargestelltenVersuchsergebnissemitBezugaufdieBiogenetischeGrundregel.Der Vogel durchläuft in seiner Embryonalentwicklung die für Fische und Amphibien charakteristischen Stickstoff-Exkretionsfor-men. Das entspricht der Biogenetischen Grundregel.

6 BakterienvermehrensichdurchZellteilung.ErläuternSiedieProblemebeiderAnwendungvonArtdefinitionenaufBakterien.Die biologische Artdefinition ist nicht anwendbar, da keine Paarungen stattfinden. Die morphologische Artdefinition ist wegen der Vielzahl der Formen und der teilweise großen Ähnlichkeit problematisch.

7 EineArtdefinitionfürBakterienlautet:BakteriengehörenzueinerArt,wenn98%ihrer16-S-r-RNA-Sequenzenübereinstim-men.VergleichenSiediesenAnsatzmitdenanderengebräuchlichenArtdefinitionen.Parallel zur morphologischen Artdefinition wird etwas verglichen und auf Übereinstimmung geprüft. Der Faktor Variabilität inner-halb einer Art drückt sich in den 2 % Toleranz aus.

8 ErklärenSie,welcheMöglichkeitenr-RNA-DatenbankenimRahmenderForschungenzurEndosymbiontentheorieeröffnen.Die r-RNA in Chloroplasten und Mitochondrien kann miteinander und mit der von Prokaryoten verglichen werden. Dadurch be-kommt man Hinweise auf die Vorfahren der Organellen und darauf, ob sich die Endosymbiose mehrfach entwickelt hat.

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Verhalten und reproduktive Fitness (Seite 288)

1 ErklärenSiedieLebenslaufstrategienvonElefantundGazelleunterVerwendungvonAbb.2.Elefanten investieren viel in die Erhaltung des eigenen Lebens, wenig in die nicht sehr häufigen Schwangerschaften, aber viel in die Verteidigung des Nachwuchses. Gazellen erzeugen wesentlich mehr Nachkommen, bei denen die Sterblichkeit höher ist, weil kaum Fürsorge für die Nachkommen stattfindet.

Material: Kosten-Nutzen-Analyse (Seite 289)

1 BeschreibenSiedasVerhaltendermännlichenMeisenbeiderVerteidigungihresReviersunterVerwendungentsprechenderFachbegriffe(Text,Abb.1).Lässt sich das eingedrungene Männchen nicht durch Imponieren oder Drohen vertreiben, beginnt ein Kommentkampf, der in einen Beschädigungskampf übergehen kann.

2 ErläuternSiedieinAbb.2beschriebenenVersuchsergebnissealsElementeeinesTrade-offs.Ein schnelles Zurückkehren wirkt sich positiv auf die Temperaturerhaltung bei den Eiern aus, kann aber auch den Tod des Eltern-tieres durch einen lauernden Fressfeind bedeuten (elterliches Investment – Selbsterhaltung).

3 InterpretierenSieAbb.3und5bezüglichderFaktorenfürdieÜberlebenswahrscheinlichkeitderJungtiere.Kleine Gelege führen zu größeren Jungtieren mit einer höheren Überlebenswahrscheinlichkeit.

4 DiskutierenSieanhandderAbb.3,4,5unterKosten-Nutzen-AspektendieoptimaleGelegegrößebeiKohlmeisen.Männchen brauchen ein Revier, Weibchen einen Revierinhaber, beide eine Nisthöhle. Da ein großes Gelege ihre Lebenserwartung reduziert, während ein kleines zu wenigen, aber kräftigen Nachkommen führt, ist eine mittlere Gelegegröße optimal.

Geschlechter und Fortpflanzungserfolg (Seite 290/291)

1 InAbb.3awirddieZeitspannezwischenAnkunftundVerpaarungalsMaßfürdiesexuelleAttraktivitätderMännchenangege-ben.ErklärenSiedenZusammenhang.Die Zeitspanne kann ein Maß für die Anzahl der Fehlversuche bei der Balz sein.

2 BeidenExperimentenzuAbb.3wurdenzweiKontrollgruppeneingerichtet:Männchennurgefangenundwiederfreige-lassen(Kontrolle1)undSchwanzfedernabgeschnittenundunverändertwiederangeklebt(Kontrolle2).ErläuternSiedieBedeutungdieserbeidenKontrollgruppen.Sowohl das Fangen und Freilassen als auch die Veränderung durch Abschneiden und Ankleben der Federn können als Ursache für das Versuchsergebnis ausgeschlossen werden.

3 EntwickelnSieeinExperiment,mitdemmanermittelnkönnte,obdergeringeMilbenbefallbeimanchenSchwalbenmänn-chenganzoderteilweisegenetischbedingtist.individuelle Lösung. Man könnte z. B. die männlichen Nachkommen jeweils von kurz- und langschwänzigen Männchen über meh-rere Generationen hinweg auf Parasitenbefall untersuchen.

Material: Einflüsse auf den Fortpflanzungserfolg (Seite 292/293)

1 InterpretierenSiedieMessergebnisseinAbb.1.Die Raubfische im Bereich A bevorzugen selektiv große Guppys. Dadurch haben kleine Guppys eine größere reproduktive Fitness. In der Population sind die adulten Tiere durchschnittlich kleiner als in Population B. In Population B stellt schnelles Heranwachsen einen Selektionsvorteil dar. Die Embryonen sind groß und wachsen zu großen adulten Tieren heran.

2 ErläuternSiedieBedeutungdesLaborexperiments.Die Laborexperimente zeigen, dass die Größenunterschiede genetisch bedingt sind und nicht durch andere Faktoren, wie z. B. Nahrung.

3 WertenSiedieErgebnissedesUmsetzungsexperiments(Abb.2)unterevolutionsbiologischenGesichtspunktenaus.Aufgrund der veränderten Selektionsbedingungen verändert sich die Guppygröße entsprechend den neuen Bedingungen. Die Räu-ber wirken als Selektionsfaktor. Die frühe Geschlechtsreife unter den Bedingungen A erhöht die Wahrscheinlichkeit der Fortpflan-zung. In Population B besteht ein entsprechender Selektionsdruck nicht.

4 FormulierenSieeineHypothesezumNahrungsangebotaufdenbeidenInseln.Dass beide Geschlechter auf Genoveva kleiner sind, könnte ein Hinweis auf ein geringeres Nahrungsangebot sein.

5 ErklärenSiedenhohenAnteilvonsehrgroßenMännchenmitgeringerLebenserwartung.Nur große Männchen mit Territorium haben eine Chance zur Fortpflanzung. Trotz der geringeren Lebenserwartung ist ihr Lebens-fortpflanzungserfolg höher als der kleiner Männchen.

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4. 3 Evolution und Verhalten


6 InterpretierenSiedieMessergebnisseinAbb.4und5.Die Weibchen bevorzugen Männchen mit intensiv rot gefärbtem Bauch. Diese Eigenschaft korreliert mit der Resistenz gegen Bandwürmer. Weibchen, die ein solchen Männchens wählen, haben eine höhere reproduktive Fitness als andere.

7 ErläuternSiedieBedeutungdesLaborexperiments.Für die Paarungsbereitschaft des Weibchens muss das Männchen keinen roten Bauch haben. Dieses Merkmal erhöht aber die reproduktive Fitness des Männchens.

8 StellenSieimZusammenhangdar,welcheSelektionsbedingungenbezüglichderRotfärbungvorliegen.Ein deutlich roter Bauch fördert die Paarungsbereitschaft bei den Weibchen, senkt aber bei entsprechendem Feinddruck die Lebenserwartung und auf diesem Weg die reproduktive Fitness.

9 ErläuternSiedenmöglichenWegderArtentstehungbeidenDreistachligenStichlingenunterBezugnahmeaufdiedargestell-tenBefunde.Bei den vom Fluss in den See eingewanderten Exemplaren herrschten andere Selektionsbedingungen (andere Feinde, keine Flachwasserzonen für Reviere, andere sexuelle Präferenzen der Weibchen); dies begünstigte andere durch Mutation entstandene Formen; Verringerung des Genflusses zwischen den Teilpopulationen, Zunahme manifester Unterschiede.

10SkizzierenSieeinenmöglichenVersuch,mitdemmandieHypotheseprüfenkönnte,dasssexuelleSelektionindiesemFalleinentscheidenderFaktorbeiderArtaufspaltungist.Man bietet z. B. einem Weibchen zwei unterschiedliche Männchen an und beobachtet die Häufigkeit des Aufenthalts in der Nähe oder die Häufigkeit von Balzhandlungen (siehe Abb.). Der gleiche Versuch kann auch mit umgekehrten Geschlechterverhältnissen durchgeführt werden.

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Menschenaffen (Seite 294/295)

1 NennenSiegemeinsameMerkmaleallerPrimatenundMerkmale,diedenMenschenvonanderenPrimatenabgrenzen.Gemeinsame Merkmale sind flache Fingernägel, Greifhand, opponierbarer Daumen (Präzisionsgriff); großes Gehirn, nach vorne orientierte Augen, wenige Nachkommen und intensive Brutpflege. Abgrenzende Merkmale sind aufrechter Gang, kleine Eckzähne, Gebrauch von Werkzeugen und Feuer.

2 LeitenSiemithilfevonAbb.2ausdemVergleichvonSchimpansenundMenschAngepasstheitenbezüglichfolgenderMerk-maleab:Hinterhauptsloch,Stirn,Becken,Oberschenkel,Knie,Backenzähne,Eckzähne,Daumen.Durch den Vergleich von Schimpanse und Mensch lassen sich mehrere Entwicklungen ableiten: Hinterhauptsloch liegt zuneh-mend zentral, Stirn wird steil, Becken wird schüsselförmig, Oberschenkel verlaufen schräg, Knie liegen mittig, Zahnreihe der Backenzähne parabelförmig, Eckzähne werden kleiner, Daumen wird länger. Dies gilt allerdings nur unter der Voraussetzung, dass die Schimpansen in Hinblick auf die betrachteten Strukturen ursprüngliche Merkmale aufweisen.

3 ErläuternSie,welcheMerkmaleinAbb.2mitdempermanentaufrechtenGanginVerbindungstehen.Angepasstheiten an den aufrechten Gang: zentrales Hinterhauptsloch ermöglicht bessere Balance des Kopfes, schüsselförmiges Becken stützt die Eingeweide, schräge Oberschenkel und Knie unter dem Körperschwerpunkt ermöglichen, dass beim Gehen beide Knie nah unter dem Körperschwerpunkt liegen.

Entwicklungsschritte zum Menschen (Seite 296/297)

1 ErklärenSie,inwieferndasKletternimGeästeinewichtigeVoraussetzungfürdieEntwicklungdesaufrechtenGangsdarstellt.Beim Klettern im Geäst ist auf größeren Ästen eine zweibeinige Fortbewegung vorteilhaft. Die Greifhände erleichtern das Festhal-ten an Ästen. Beide Angepasstheiten sind gute Voraussetzungen für einen permanent aufrechten Gang auf dem Boden, bei dem die Hände zum Tragen und zur Verwendung von Werkzeugen frei sind.

2 DasgroßeGehirndesMenschenentstandvielspäteralsderaufrechteGang.ErläuternSieVoraussetzungenfürdieGehirn-entwicklung.Das extrem große Gehirn der Gattung Homo war erst möglich, nachdem die Kaumuskulatur reduziert war. Der Gehirnschädel musste dann nicht mehr unter der Kaumuskulatur Platz finden und konnte sich vergrößern. Die Reduktion der Kaumuskulatur wurde durch die Aufbereitung der Nahrung durch Werkzeuge und Feuer ermöglicht. Dies wiederum setzte freie Hände voraus.

Extra: Aufrechter Gang und Oberschenkelhals (Seite 297)

ZiehenSieausderVerteilungderKnochenbälkchenRückschlüsseaufdieFortbewegungvonAustralopithecus.Der Oberschenkelhals von Australopithecus zeigt Ähnlichkeiten zum Bau des entsprechenden Knochens beim Menschen, die dar-auf hinweisen, das Australopithecus zumindest teilweise aufrecht gegangen ist.

Fossilfunde des Menschen (Seite 298/299)

1 NennenSieMerkmale,diedieZuordnungeinesFundeszudenHomininiermöglichen.Wichtige Merkmale für die Zuordnung zu den Hominini sind ein aufrechter Gang, kleine Eckzähne und ein großes Gehirn.

2 FrüheVertreterderGattungHomowarenaufandereWeisealsAustralopithecus boiseiandastrockenereKlimaangepasst.FormulierenSieeineHypothese.Vermutlich waren die frühen Vertreter der Gattung Homo nicht durch ein kräftigeres Gebiss an die trockene Nahrung angepasst, sondern nutzten Werkzeuge und Feuer, um die Nahrung aufzubereiten. Die biologische Evolution wurde durch die kulturelle Evolu-tion ergänzt.

3 BeiFundenvonAustralopithecus garhiwurdenTierknochenmittiefenKratzerngefunden.ErläuternSie,inwieweitdiesdieZuordnungzurGattungAustralopithecusinfragestellt.Die Kratzer könnten von Steinwerkzeugen stammen, mit denen das Fleisch von den Knochen gelöst wurde. Da der systematische Gebrauch von Werkzeugen aber ein Merkmal der Gattung Homo darstellt, wäre dann eine Zuordnung zur Gattung Homo denkbar.

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4. 4 Evolution des Menschen


Neandertaler und moderner Mensch (Seite 300/301)

1 MancheWissenschaftlerverwendendieBezeichnungenHomo sapiens neanderthalensis undHomo sapiens sapiens.ErläuternSiediezugrundeliegendeEinschätzung.Die Einteilung in Homo sapiens sapiens und Homo sapiens neanderthalensis geht davon aus, dass der heutige Mensch und der Neandertaler zur selben Art gehören und nur als Unterarten zu betrachten sind. Ein Argument für diese Hypothese wäre die Zeugung von fruchtbaren Nachkommen, was vermutlich in Einzelfällen vorkam. Ein Gegenargument stellen die deutlichen Unterschiede der Genpools dar.

2 BeschreibenSie,wiedasDiagramminAbb.3aussehenmüsste,wennNeandertalerundmodernerMenschdergleichenArtangehörenwürden.Die Unterschiede in der mitochondrialen DNA müssten geringer sein, wenn der moderne Mensch und der Neandertaler eine Art darstellen würden. Im Diagramm müssten dann die beiden linken „Optimumskurven“ miteinander verschmelzen.

3 Homo sapienswardurchseinenKörperbauwenigergutandaskalteEiszeitklimainEuropaangepasstalsderNeandertaler.FormulierenSieeineHypothese,warumerdennochüberlebte.Vermutlich kam der moderne Mensch aufgrund seiner Intelligenz gut mit dem Eiszeitklima zurecht und nutzte Werkzeuge und Feuer, um sich Kleidung und Behausungen herzustellen und sich erfolgreich Nahrung zu beschaffen.

Material: Hypothesen zum aufrechten Gang (Seite 302)

1 BenennenSiedendurchdiefünfHypothesenjeweilsbetontenVorteildesaufrechtenGangs.Die genannten Hypothesen betonen folgende Vorteile des aufrechten Gangs: Nahrungstransport-Hypothese: Transportieren von Nahrung (Beute) über weite Strecken, Werkzeug-Hypothese: Herstellen und Verwenden von Werkzeugen (z. B. Faustkeile) Savannen-Hypothese: besserer Überblick in der Savanne Kühler-Hypothese: Kühlung durch Wind und geringere Sonneneinstrahlung Wasserwat-Hypothese: Gehen im flachen Wasser möglich

2 BewertenSiediehierbeschriebenenHypothesen,indemSieprüfen,obdieHypotheseeinensofortigenSelektionsvorteilbietetundeinenpermanentaufrechtenGangerklärt. Nahrungstransport-Hypothese: Ein permanent aufrechter Gang ist nur vorteilhaft, wenn sehr häufig und über lange Strecken auf diese Weise Nahrung transportiert wird. Werkzeug-Hypothese: Zum Herstellen und Verwenden von Werkzeugen ist nicht unbedingt ein permanent aufrechter Gang nötig. Dazu könnte sich ein Primat auch kurzzeitig setzen. Savannen-Hypothese: Zwar sind Raubtiere früher erkennbar, aber die Raubtiere sehen auch die aufrecht gehende Beute besser. Kühler-Hypothese: Der kühlende Effekt besteht sofort und auch nur bei einem permanent aufrechten Gang. Allerdings suchen viele Tiere in der Mittagshitze einfach Schatten auf. Wasserwat-Hypothese: Das Gehen im flachen Wasser ist auch kurzzeitig möglich und erklärt kaum einen permanent aufrechten Gang.

Material: Forschungsmethoden (Seite 303)

1 BeschreibenSieamBeispielderGrabungstechnikdenEinflussderMethodeaufdieForschungsergebnisse. Durch die Grabungstechnik wird bestimmt, welche Funde möglich sind. Je mehr Funde erhoben werden, desto detaillierter kann die Anatomie und Lebensweise nachvollzogen werden. Allerdings steigt dann auch der Grabungsaufwand.

2 BeiGrabungeninungestörtenSchichtenwirdaufdiegenaueVermessungderFundstellenvielWertgelegt.ErläuternSiedieBedeutungdieserMethode.Eine genaue Vermessung der Funde ermöglicht später eine Zuordnung der Fundstücke. Beispielsweise kann durch die genaue Vermessung von Steinabschlägen ermittelt werden, wo der Stein bearbeitet wurde und mit welcher Technik er behauen wurde.

3 BegründenSie,inwiefernderSequenzvergleichzunächstderVerwandtschaftderdreiArtenzuwidersprechenscheint. Bei flüchtiger Betrachtung des Sequenzvergleichs könnte man folgern, dass Huhn und Schimpanse eng verwandt sind. Dies lässt aber außer Acht, dass es sich um ein Regulationsgen handelt und dass Hühner ein kleineres Gehirn als Schimpansen haben. Die-ses kann durchaus in ähnlicher Weise gefurcht werden, ohne dass daraus eine enge Verwandtschaft folgt.

4 InterpretierenSiedasErgebnisdesSequenzvergleichsimHinblickaufdieGehirnentwicklungdesMenschen. Die deutlichen Unterschiede zwischen Mensch und Schimpanse zeigen, dass das Gehirn des Menschen in anderer Weise gefurcht wird. Vermutlich bewirken die Mutationen eine bessere Furchung der Großhirnrinde und damit eine größere Oberfläche und höhere Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns.

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Verwandtschaft heutiger Menschen (Seite 304/305)

1 NennenSieArgumente,diefürdieOut-of-Africa-HypothesederAusbreitungdesMenschensprechen.Für die Out-of-Africa-Hypothese sprechen die Funddaten der weltweiten Ausbreitung und die enge Verwandtschaft der heutigen Menschen mit einer besonders hohen Variabilität in Afrika.

2 Rassensind„einsozialesKonstrukt—mehrAusdrucksozialerZuordnungenalseinSpiegelbildbiologischerUnterschiede“.NehmenSieStellungzudiesemZitatdesamerikanischenGenetikersCraig Venter.Die genetischen Unterschiede innerhalb einer Population sind deutlich größer als zwischen einer Generation. So lassen sich biolo-gisch keine Rassen feststellen. Zwischen den Populationen bestehen vor allem kulturelle und soziale Unterschiede.

3 VergleichenSiedasDiagramminAbb.5mitderAusbreitungdesMenscheninAbb.1.StellenSieeineHypotheseauf,wiesichdiegenetischenUnterschiedeerklärenlassen.Das Diagramm legt nahe, dass es eine Auswanderung aus Afrika gab, die sich früh in Richtung Südasien/Australien (Australasier) und Nordasien/Europa (Eurasier) trennte. Die engere Verwandtschaft der Nordasiaten und Indianer deutet an, dass Amerika von Nordostasien aus besiedelt wurde.

Kulturelle Evolution (Seite 306/307)

1 VergleichenSietabellarischbiologischeundkulturelleEvolution.BerücksichtigenSiedabeifolgendeAspekte:Geschwindig-keit,Mechanismen,technischeEntwicklung.siehe Tabelle

2 InEuropaundNordamerikaistderAnteilanErwachsenen,dieLactosevertragen,besondershoch.ErklärenSiedieseBeob-achtungmitBezugzudensesshaftenKulturenmitMilchviehhaltung.Die Mutation, die dafür verantwortlich ist, dass auch Erwachsene Lactose abbauen können, ist in Kulturen mit Milchviehhaltung vorteilhaft. Diese Mutation setzte sich nach der neolithischen Revolution in Mitteleuropa durch und gelangte durch Auswanderun-gen nach Nordamerika.

3 ErläuternSieanhandvonAbb.3denZusammenhangzwischenbiologischenVoraussetzungenundkulturellenErrungenschaf-ten.Es bestehen viele gegenseitige Beziehungen zwischen der biologischen und der kulturellen Evolution. Voraussetzung für die Ent-wicklung eines großen Gehirns waren freie Hände und der Gebrauch von Werkzeug. Dies ermöglichte eine gute Nahrungsversor-gung. Insbesondere eine gute Eiweißversorgung begünstigte wiederum die Ausbildung von größeren Gehirnen. Die zunehmende Intelligenz ermöglichte Fortschritte in der Werkzeugnutzung und im Sozialleben, also verschiedene kulturelle Errungenschaften.

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biologische Evolution kulturelle Evolution

Geschwindigkeit sehrviellängereZeiträume,TausendebishinzuMillionenJahre

wesentlichschneller,vonGenerationzuGeneration

Mechanismen zufälligeMutationenundSelektionführenhinundwiederzuvorteilhaftenEigenschaften

Lernen,meistzielgerichteteErweiterungundWeitergabevonWissen,ÜbernahmevonWertvorstellungen,Verhal-tensweisenundTechniken,durchInformationsflussständigweiterbegünstigt


Entstehung des Lebens (Seite 308/309)

1 OrdnenSiedenKomponentendesUrey-Miller-ExperimentsdieentsprechendenBedingungenderUratmosphärezu.Funkenstrecke — Blitze, UV-Strahlung; siedendes Wasser — vulkanische Hitze, Abscheider — Pfützen etc., Kühler — Regen

2 InformierenSiesichüberrezenteArchaeaundderenLebensbedingungen.VergleichenSiediesemitdeneninderfrühenErdgeschichte. Manche Archaea leben an Extremstandorten mit hohen Temperaturen bzw. hohem Säuregehalt. Das entspricht teilweise den Bedingungen der frühen Erdgeschichte.

Material: Die Entstehung des Lebens (Seite 310)

1 ErläuternSiediemöglicheEntstehungvonHyperzyklenanhandvonAbb.1. Aus einem Zyklus können konkurrierende Zyklen entstehen oder ein Hyperzyklus aus mehreren kooperierenden, also jeweils Kata-lysatoren bereitstellenden Zyklen.

2 NennenSiediemöglichenEntwicklungsschrittevomHyperzykluszurProcyte.Dazu gehören die Fähigkeit zum Wachstum durch Stoffanreicherung und Stoffwechselreaktionen. Dazu bedarf es für die Entwick-lung einer Zelle eines Abschlusses durch eine Membran. Einfache Fortpflanzung kann durch Knospung und Teilung erfolgen.

3 FormulierenSiedieerweiterteFotosynthesegleichungmitSchwefelwasserstoffalsReaktionspartneranstellevonWasser.6 CO2 + 12 H2S ¥ C6H12O6 + 12 S

4 ErörternSiedieAuswirkungenderFotosynthesemitSchwefelwasserstoffaufdieAtmosphäre. Es wird kein Sauerstoff frei, die Atmosphäre bleibt reduzierend. Dadurch ist kein Sauerstoff für die Zellatmung vorhanden.

Kreationismus (Seite 311)

1 StellenSiediedreiPositionenindenZitaten(Abb.1)gegenüber. Während im ersten Text die Bibel als Quelle für die Beschreibung der Entstehung der Erde angesehen wird, enthält der zweite Text die Position, dass es nicht sinnvoll ist, die mehrere Tausend Jahre alten Texte wörtlich zu nehmen. Darwin geht in seinem Text davon aus, dass nach der Schöpfung einer oder weniger Arten die heutigen durch Evolution entstanden sind.

Die Entstehung eukaryotischer Zellen (Seite 312)

1 ErläuternSiedieAussage,dassdieUnterschiedlichkeitderbeidenMembranenvonMitochondrienundChloroplastendieEndosymbiontentheoriestützt. Nach der Endosymbiontentheorie ist zu erwarten, dass die innere Membran für Prokaryoten typische Mermale aufweist (Zell-membran des ursprünglichen Prokaryoten), die äußere Membran jedoch eukaryotische Merkmale, da sie aus der Umschließung des aufgenommenen Prokaryoten durch die Membran der eukaryotischen Zelle stammt.

Material: Endosymbiontentheorie (Seite 313)

1 BegründenSiemithilfevonAbb.1dieRichtigkeitderEndosymbiontentheorie.Diese beiden Organellen gehen auf Prokaryoten zurück, weil sie ein ähnliches genetisches Material aufweisen, über eine eigene Proteinbiosynthese mit 70-S-Ribosomen verfügen, sich wie Prokaryoten mithilfe von mikrotubuliähnlichen Strukturen teilen und ihre innere Membran einen ähnlichen Bau wie prokaryotische Membranen aufweist.

2 ImLaufederEvolutionwurdenvieleursprünglichprokaryotischeGeneausdenOrganellenindenZellkernübertragen.StellenSieeineHypotheseauf,wiediesdieIntegrationderProkaryotenindieZellebegünstigte.Durch den Transfer von Genen in den Zellkern wurde eine Abhängigkeit der ursprünglich frei lebenden Prokaryoten von der sie umgebenden Zelle geschaffen. Eine Koordination und Feinabstimmung zwischen der Zelle und den ursprünglichen Prokaryoten wurde dadurch möglich.

3 InterpretierenSiediegenanntenBefundeausderPerspektivederEndosymbiontentheorie.Die Cyanellen weisen teilweise gleiche Eigenschaften wie Chloroplasten auf: prokaryotisch erscheinende Membran, wahrschein-lich in den Zellkern migrierte Gene, begrenzt frei lebensfähig.

4 Cyanellenwerdenmanchmalals„lebendeFossilien“bezeichnet.NehmenSieStellungzudieserAussage.Cyanellen könnten ein weitgehend unverändertes Relikt der Entstehung der Chloroplasten sein und damit ein lebendes Fossil.

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4. 5 Die Entwicklung des Lebens auf der Erde


Die Evolution der Lebewesen auf der Erde (Seite 314/315)

1 NennenSieAngepasstheitenandasLebenanLandbeiSamenpflanzen.Zu den Angepasstheiten gehören: stützende Gewebe, Verdunstungsschutz und regelbare Wasserabgabe (Kutikula, Spaltöffnun-gen), Gewebe zur Wasseraufnahme (Wurzelhaare) sowie Leitgewebe.

2 DerEinschlaggroßerMeteoritenführteinderErdgeschichtemehrfachzummassenhaftenAussterbenvonArten.ErläuternSiedieEntwicklungderArtenvielfaltinderFolgezeitnachsolchenEreignissen.Durch Klimaveränderungen infolge von Meteoriteneinschlägen sind viele Arten ausgestorben. Bezüglich der entsprechenden Um-weltfaktoren tolerante Arten haben überlebt. Durch die geringe zwischenartliche Konkurrenz fanden Massenvermehrungen statt, die durch adaptive Radiation zu einer erneuten Artenvielfalt führten.

Extra: Eine moderne Endosymbiose (Seite 315)

VergleichenSiedasZusammenlebenvonHatenaundNephroselmismitderEndosymbioseausPflanzenzelleundChloroplast.Bei Pflanzen obligatorische Endosymbiose; Prokaryot in eukaryotischer Zelle (allerdings nur in bestimmten Geweben), Hatera und Nephroselmis sind beide eukaryotisch und getrennt lebensfähig.

Die Systematik der Lebewesen (Seite 316/317)

1 NennenSieHinweiseaufdenAblaufvonEvolution,diederVergleichderDateninAbb.2ergibt.Prokaryoten, Mitochondrien und Plastiden weisen untereinander einige Übereinstimmungen auf, die sie von Eukaryoten un-terscheiden. Dies stützt die Endosymbiontentheorie, nach der die Plastiden und Mitochondrien von prokaryotischen Vorfahren abstammen.

2 ErläuternSiedieBedeutungderbeidenPfeileinAbb.3.Die Pfeile zeigen die Abstammung der späteren Endosymbionten Mitochondrium und Chloroplast von Proteobakterien bzw. Cyanobakterien.

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Die Evolution der Fledertiere (Seite 320)

1 DefinierenSiedieBegriffeHomologieundAnalogieundwendenSiedieseaufdieFlügelinAbb.1an.(Punkte: 8/50) Die Ähnlichkeit homologer Organe beruht auf stammesgeschichtlicher Verwandtschaft. Kriterien für die Erkennung von Homolo-gie sind gleiche Lage, stetige Übergänge und die spezifische Qualität. Für die beiden Flügelskelette treffen diese Merkmale zu. Federn und Flughaut sind unterschiedlich gebaut. Es gibt keine Übergänge zwischen ihnen. Sie sind das Ergebnis unabhängiger, analoger, konvergenter Entwicklungen. Insofern sind die Flügel analoge Organe, die konvergent als Angepasstheit an das Fliegen entstanden sind.

2 DerVergleichvonDNA-SequenzenbeiFledertierenführtezurAufstellungdesinAbb.2gezeigtenKladogramms.ErläuternSie,wasdasKladogrammdarstellt,undgebensiedieaufgrundderErgebnissevorgenommeneÄnderungderSystematikan(s.Einleitung).(Punkte: 14/50)Das Kladogramm in Abb. 2 stellt die stammesgeschichtliche Verwandtschaft von Gruppen der Fledertiere dar. Es wurde aus den Unterschieden in DNA-Sequenzen ermittelt. Danach bilden die Flughunde gemeinsam mit den Hufeisennasenartigen und den Mausschwanzartigen eine Gruppe, die sich getrennt von den Trichterohrartigen, den Hasenmaulartigen und den Bulldoggenfle-dermäusen entwickelt hat. Das widerspricht der Einteilung in Flughunde und Fledermäuse.

3 Fledermäusesindüberwiegenddämmerungs-bzw.nachtaktiv.DiemeistenArtenjagenInsektenoderandereKleintiere,diesiedurchEchoortungaufspüren.DazustoßensieUltraschalllauteausundregistrierenmitihremGehördasvonderBeutezurückgeworfeneEcho.LeitenSieausAbb.4eineAngepasstheitandieArtdesNahrungserwerbsab.(Punkte: 8/50) Die Hörschnecke ist im Verhältnis zur Schädelbreite bei echoortenden Arten breiter. In der Hörschnecke lösen Schallreize Erregun-gen aus. Eine größere Hörschnecke erhöht die Leistungsfähigkeit des Gehörs.

4 InPanama(Mittelamerika)lebteinegroßeAnzahlvonFledermausarten.BeschreibenundbenennenSiedeninAbb.3darge-stelltenBefund.(Punkte: 6/50) Aus einer insektenfressenden Urfledermaus haben sich unterschiedliche Formen mit verschiedenen Nahrungsquellen entwickelt. Dies ist ein Beispiel für adaptive Radiation.

5 DasSkelettderfossilenFledermausOnychonycterislässtaufgrunddesGebissesdenSchlusszu,dasssietierischeNahrungaufnahm.DiefossileFledermaushattejedocheinekleinereHörschneckealsallerezentenFledermäuse(Abb.4).StellenSieeinebegründeteHypothesezumNahrungserwerbvonOnychonycterisauf.(Punkte: 7/50)Onychonycteris hat eine relative Hörschneckengröße wie heutige Flughunde. Dies kann ein Hinweis darauf sein, dass Onychonyc-teris sich von Früchten ernährt hat.

6 ErläuternSiemitBezugzuAbb.2und4dieAnnahmen,dassdieFähigkeitzurEchoortungbeidenFledertierenzweimalent-standenistoderbeidenFlughundenspäterverlorenging.(Punkte: 7/50)Wenn ursprüngliche Fledermäuse sich von Früchten ernährt haben, wäre dieses Merkmal für Flughunde ursprünglich. Die Fähig-keit zur Echoortung müsste einmal bei dem gemeinsamen Vorfahren von Hufeisennasenartigen und Mausschwanzartigen und unabhängig davon bei dem gemeinsamen Vorfahren der Trichterohrartigen, Hasenmaulartigen und Bulldoggenfledermäusen entstanden sein. Alternativ kann man annehmen, dass der gemeinsame Vorfahr aller Fledertiere die Echoortung entwickelte und diese Fähigkeit später bei dem gemeinsamen Vorfahren der Flughunde verlorenging. Diese Hypothese steht im Einklang mit der nach Auswertung von Abb. 4 angenommenen Ernährungsweise bei Onychonycteris.

Frühe Evolution (Seite 321)

7 BeschreibenSiedieFormendeshorizontalenGentransfersundderenBedeutungfürdieEvolutionderProkaryotenunterVerwendungvonAbb.5.(Punkte: 12/50)Zellen können genetisches Material an die Umgebung abgeben und aus ihr aufnehmen (Transformation). Phagen können aus der Zelle, in der sie produziert wurden, genetisches Material mitnehmen und es beim Befall anderer Bakterien auf diese übertragen (Transduktion). Außerdem können prokaryotische Zellen sich durch Plasmabrücken miteinander verbinden und darüber Plasmide austauschen (Konjugation).

8 AnderEntstehungderersteneukaryotischenZellensindvermutlichsowohlBakterienalsauchArchaeen(gr.uralt,ursprüng-lich)beteiligt.AnalysierenSieunterdiesemAspektAbb.6und7.(Punkte: 22/50)Bezüglich der linearen DNA und des Aufbaus der RNA-Polymerasen ähneln eukaryotische Zellen den Archaea, während die Membranlipide mit den Bacteria übereinstimmen. Nach dem Stammbaum hat sich die eukaryotische Urzelle aus den Archaea entwickelt, in die später die endosymbiontischen Mitochondrien als Abkömmlinge der Bacteria integriert wurden, ebenso wie die Chloroplasten bei Pflanzenzellen.

9 ErklärenSiemitBezugzuAbb.6,dassEsterlipideundEtherlipideBiomembranenbildenkönnenunddamiteinenwesentli-chenSchrittbeiderEntstehungvonLebewesenermöglichten.(Punkte: 16/50)Esterlipid- und Etherlipidmoleküle weisen beide lange, unpolare Enden und einen polaren Kopf auf. Umgeben von polaren Wasser-molekülen können sie sich zu Doppel-Lipidschichten zusammenlagern, dem Grundgerüst von Biomembranen. Dadurch können von der Umgebung abgegrenzte Reaktionsräume entstehen, die Stoffe aus der Umgebung aufnehmen und an sie abgeben können. Sie können dann Stoffwechsel betreiben und wachsen. Bei einer Teilung können Membranenden so verschmelzen, dass zwei abge-schlossene Zellen entstehen. So kann Vermehrung stattfinden.

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Abi-Training Evolution


5 Neurobiologie

5. 1 Nervenzellen

Vom Reiz zur Reaktion (Seite 324/325)

1 BeschreibenSieineinemVerlaufsschemadieVorgängevomeintreffendenReizbiszurReaktioneinesMuskels.Reize aus der Umwelt werden in Sinnesorganen in elektrische Signale umgewandelt, über afferente Nerven zum ZNS geleitet und dort verrechnet. Vom ZNS gehen dann über efferente Nerven Signale an Muskeln und führen dort zu Kontraktionen, also Reaktionen.

2 StellenSiefüreinigeSinneineinerTabellediejeweiligenSinneszellenundadäquatenReizezusammen.siehe Tabelle

3 NichtalleLebewesenverfügenübereinNervensystem.ErläuternSie,unterwelchenBedingungeneineschnelleInformations-verarbeitunglebenswichtigist.Sowohl für Raubtiere als auch für Beutetiere ist eine schnelle Informationsübertragung lebenswichtig. Für Raubtiere ist Schnelligkeit entscheidend, um genug Beute zu machen. Beutetiere müssen schnell sein, um Gefahren zu entkommen.

Nervenzellen (Seite 326/327)

1 VergleichenSiedasNervensystemmitdemTelefonnetz.Das Soma ist mit einem Telefonschaltkasten vergleichbar, in dem mehrere Leitungen angeschlossen sind. Das Axon ist mit einem isolierten Telefonkabel zu vergleichen. Das Endknöpfchen ist mit einer Verbindung zum nächsten Schaltkasten vergleichbar. Wie im Telefonnetz werden elektrische Signale gezielt zu einzelnen Empfängern gesendet.

2 ImNervensystemgibtesNervenzellen,dienurErregungenzwischenzweiNervenzellenübertragen,undsolche,dieErregun-genvonvielenNervenzellenverrechnenundeineErregungweiterleiten.ZeichnenSie,wiediesebeidenTypenvonNervenzel-lenaussehenkönnten.Eine Nervenzelle, die nur zwei andere Zellen verbindet, kommt mit zwei Ausläufern aus und benötigt keine Verzweigungen. Eine Nervenzelle, die Erregungen von vielen anderen Zellen erhält und verarbeitet, benötigt viele verzweigte Dendriten und ein Axon, wenn die Erregung nur an eine Zelle weitergeleitet wird.

Basiskonzept: Struktur und Funktion (Seite 327)

VergleichenSiedieverzweigteStrukturvonDendritenundAxonenmitBeispielenausderTechnik.Entwässerungssysteme und Verkehrsnetze funktionieren nach demselben Verzweigungsprinzip. Kleine Rohre oder Straßen sammeln sich zu immer größeren und leistungsfähigeren Rohren oder Straßen. Für die Leitung über weite Strecken sind große Rohre oder mehrspurige Straßen ohne Verzweigung effektiv.

Reflexe (Seite 328/329)

1 DerKniesehnenreflexerfolgtstetsmitdergleichenzeitlichenVerzögerungundistnichtwillentlichbeeinflussbar.ErklärenSiedieseBeobachtungen.Der Kniesehnenreflex erfolgt durch wenige Neurone im Rückenmark. Da die Erregung immer in gleicher Weise über diese Neurone weitergeleitet wird, ist die geringe zeitliche Verzögerung auch immer gleich. Da das Gehirn beim Reflexbogen nicht beteiligt ist, kann der Reflex auch nicht willentlich beeinflusst werden.

2 BegründenSie,dassesbeiReflexensinnvollist,dassnurwenigeNervenzellenbeteiligtsind.Die Verschaltung über wenige Nervenzellen ermöglicht eine schnelle Reaktion und die ist hier sinnvoll.

3 OrdnenSiediehierbeschriebenenReflexedenKategorienEigen-undFremdreflexzu.Eigenreflex: Kniesehnenreflex; Fremdreflex: gekreuzter BeugerStreckerReflex

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Sinn Sinneszelle Reiz

Auge ZapfenundStäbchen Licht

Ohr Haarsinneszellen Schall

Nase Riechsinneszellen Duftstoffe

Haut Drucksinneszellen Druck


Bioelektrizität (Seite 330)

1 ErklärenSie,inwieferndasGewitter-ExperimentvonGalvaniseineHypotheseeiner„tierischenElektrizität“bestätigte.Bei einem Gewitter treten hohe Spannungen und Ströme auf. Diese führen offensichtlich zu Kontraktionen der Muskulatur.

2 HodgkinundHuxleyerhielten1963denNobelpreis.SchreibenSieeineRedezurBegründung.individuelle Lösung. Die Begründung des NobelpreisKomitees lautet: „for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane“.

Extra: Potenzial (Seite 331)

1 VergleichenSiemechanischesundelektrischesPotenzial.In den beiden Seen liegt Wasser auf unterschiedlichem (mechanischem) Potenzial vor. In den beiden Polen der Batterie liegen elektrische Ladungen auf unterschiedlichem elektrischem Potenzial. Jeweils ist darin Energie gespeichert.

2 BeschreibenSie,wiedurcheineelektrischeSpannungEnergieumgewandeltwerdenkann.Lässt man elektrische Ladungen vom einen zum anderen Pol fließen, könnte mit einem Glühlämpchen elektrische Energie der Batterie in Lichtenergie und thermische Energie umgewandelt werden.

Modellexperiment zum Gleichgewichtspotenzial (Seite 332)

1 ErläuternSiedeninAbb.2dargestelltenSpannungsverlaufimModellexperiment.Die Spannung sinkt zunächst schnell, da nur der Konzentrationsunterschied wirkt. Allmählich kommt jedoch der Ladungsunterschied hinzu und bewirkt, dass die Spannung immer langsamer sinkt. Irgendwann gleichen sich die beiden Wirkungen aus und die Spannung bleibt unverändert.

2 BeschreibenSie,wiesichdieSpannungverändert,wenninderrechtenKammeretwasKaliumchlorid-Lösungzugegebenwird.Bei Zugabe von Kaliumchlorid in die rechte Kammer wird der Konzentrationsunterschied geringer. Dies hat eine höhere Spannung zur Folge (weniger negativ). Die Spannung wird also erst schnell und dann immer langsamer zu einem höheren Wert ansteigen (Sättigungskurve).

Praktikum: Membranpotenzial (Seite 333)

1 BeschreibenSiedieSpannungsänderungnachZugabederKaliumchlorid-Lösung.Ausgehend von der Spannung 0 Volt verändert sich die Spannung zunächst schnell und dann immer langsamer. Es ergibt sich eine Sättigungskurve.

2 FormulierenSieeineHypotheseüberdieSpannungsänderungbeierneuterZugabevonKaliumchlorid-LösunginderlinkenKammer.PrüfenSiediese,indemSiedasExperimentdurchführen.Durch eine erneute Zugabe von Kaliumchlorid in die linke Kammer wird der Konzentrationsunterschied größer. Die Spannung wird ansteigen, bis das Gleichgewicht wieder bei einem größeren Ladungsunterschied erreicht wird.

3 ErklärenSie,wiedurchZugabevonKaliumchlorid-LösungwiederdieSpannungwiezuBeginndesExperimentsentstehenkönnte.Wenn so viel Kaliumchlorid in die rechte Kammer zugegeben wird, wie in der linken Kammer vorliegt, müsste die Spannung wieder auf 0 Volt sinken, da dann kein Konzentrationsunterschied mehr besteht.

4 FührenSiefünfRundenunterBeachtungvonRegel1undRegel2durchundnotierenSiedenLadungsunterschiedindenbeidenKammern.siehe Tabelle

5 ErklärenSiemitdemModell,dasssichschließlicheinekonstantePotenzialdifferenz,einGleichgewichtspotenzial,einstellenwird.Die Modellrechnung zeigt, dass ab einem bestimmten Ladungsunterschied in einem bestimmten Zeitschritt immer gleich viele Ionen von der linken und rechten Kammer durch die Membran gelangen. Ab der dritten Runde stellt sich ein Fließgleichgewicht ein.

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linke Kammer rechte Kammer Ladungsüberschuss (rechte Kammer)

Runde K+ Cl– K+ Cl–

0 12 12 0 0 0

1 10 12 2 0 2

2 9 12 3 0 3

3 8 12 4 0 4

4 8 12 4 0 4

5 8 12 4 0 4


Das Ruhepotenzial (Seite 334/335)

1 ErklärenSie,warumdieNervenzelleineinerphysiologischenKochsalzlösungliegenmuss,damitdasRuhepotenzialgemes-senwerdenkann.Nur wenn die Konzentrationsunterschiede den natürlichen Verhältnissen entsprechen, kann auch ein natürliches Ruhepotenzial gemessen werden. Das Membranpotenzial hängt von den Konzentrationsunterschieden ab.

2 ErläuternSie,wiesichdasMembranpotenzialverändernwird,wenninAbb.1indiephysiologischeSalzlösungeineKCl-Lösungzugegebenwird.Durch die Zugabe der KClLösung verringert sich der K+Konzentrationsunterschied. Dadurch sinkt auch das K+Gleichgewichtspotenzial und daher auch das Membranpotenzial. Da die Membran für Cl–Ionen kaum durchlässig ist, wirkt sich die Änderung der ChloridKonzentration nicht aus.

3 DerFingerhutisteinegiftigePflanze,dessenGiftdieNatrium-Kalium-Pumpeblockiert.BeschreibenSiedieFolgenfürdasRuhepotenzial.Allmählich müsste durch den Na+Leckstrom das Ruhepotenzial zusammenbrechen.

Potenzialänderungen (Seite 336)

1 ErklärenSiedieZusammenhängezwischendenReizenunddenMembranspannungenaufallenOszilloskopeninAbb.1.Je länger der Reiz andauert bzw. je stärker er ist, desto länger bzw. desto höher ist auch die folgende Änderung des Membranpotentials. Mit zunehmender Entfernung vom Ort der Reizung sind die Erregungspotenziale schwächer, am Axon sind keine festzustellen.

Material: Erforschung des Aktionspotenzials (Seite 337)

1 ErläuternSiedieinAbb.1dargestelltenMessergebnisse.An der Membran ist zunächst ein Einstrom messbar, der allmählich ansteigt und wieder auf null sinkt. Anschließend ist ein Ausstrom messbar, der im dargestellten Zeitraum bis zu einem Maximalwert ansteigt. Misst man nur die Na+Ionen, ist nur ein Einstrom messbar. Misst man allein die K+Ionen, ist nur ein Ausstrom feststellbar. Je höher die Konzentration von TTX ist, desto mehr ähnelt der Verlauf des Gesamtstroms dem der K+Ionen. Die Messergebnisse legen nahe, dass TTX die Na+Kanäle blockiert.

2 ErklärenSie dietödlicheWirkungvonTTX.Unter Einfluss von TTX ist der Na+Einstrom verringert und dadurch die Depolarisation verhindert. Es können sich keine normalen Aktionspotenziale ausbilden. Dadurch kommt es zu schlaffen Lähmungen und beispielsweise zum Tod durch Atemstillstand.

3 DasGiftderSkorpione,dasCharybdotoxin,blockiertspannungsgesteuerteKalium-Ionenkanäle.ZeichnenSieeinDiagrammmitdemzuerwartendenIonenstromunterEinflussvonCharybdotoxin.Der Ionenstrom unter Einfluss von Charybdotoxin müsste dem der Na+Ionen ähneln.

4 LeitenSieausdeninAbb.3dargestelltenMessergebnissenErkenntnisseüberdasÖffnungsverhaltendesKanalsab.Das Diagramm zeigt in etwa nur zwei mögliche Stromstärken. Die Stromstärke 0 pA entspricht einem geschlossenen Ionenkanal, die Stromstärke –3 pA einem offenen Ionenkanal. Da die Stromstärke sehr schnell zwischen den beiden Werten wechselt, ist anzunehmen, dass sich der Ionenkanal sehr schnell öffnet und schließt.

5 BeschreibenSie,wiemanansolcheinemDiagrammerkennenkönnte,dasssichzweiIonenkanäleinderangesaugtenMemb-ranflächebefinden.Wenn zwei Ionenkanäle in der erfassten Membran liegen, wäre zu erwarten, dass die Stromstärke die Werte 0 pA, –3 pA und –6 pA annehmen würde. Es könnten keiner, einer oder zwei Ionenkanäle geöffnet sein.

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Aktionspotenziale (Seite 338/339)

1 ErklärenSiemithilfevonAbb.3denAblaufeinesAktionspotenzials.A) Ruhepotenzial: K+Kanäle geöffnet, Ruhepotenzial; B) Depolarisation: nach überschwelliger Erregung öffnen Na+Kanäle, Na+Einstrom bewirkt schnelle Depolarisation; C) Repolarisation: Na+Kanäle refraktär und zusätzliche K+Kanäle offen, starker K+Ausstrom bewirkt Repolarisation; D) Hyperpolarisation: erhöhte Permeabilität für K+ hat zur Folge, dass Gleichgewichtspotenzial bei –90 mV liegt.

2 DiespannungsgesteuertenNatrium-IonenkanäleöffnensichschnelleralsdieKalium-Ionenkanäle.ErklärenSiedieBedeutungfürdasAktionspotenzial.Würden beide Kanäle gleichzeitig öffnen, käme es zu einem Ausgleich von Na+Einstrom und K+Ausstrom und damit kaum zu einer Änderung des Membranpotenzials. So sorgt erst der Na+Einstrom für die Depolarisation und dann der K+Ausstrom für die Repolarisation.

3 ErläuternSie,dasszweiverschiedeneCodierungsformenamAxonundamZellkörpervorliegen.Am Axon gilt das AllesoderNichtsGesetz für Aktionspotenziale. Erregungsstärken werden durch die Frequenz gleicher Potenzialänderungen codiert. Dagegen führen am Zellkörper Erregungen unterschiedlicher Stärken zu graduell unterschiedlich starken Potenzialänderungen.

Erregungsweiterleitung (Seite 340/341)

1 ImLaborwirdeinRiesenaxoninderMitteüberschwelligerregt.BeschreibenSie,wodannAktionspotenzialeerfolgen.Erst erfolgt in der Mitte ein Aktionspotenzial, dann werden in beide Richtungen Aktionspotenziale ausgelöst, da sich keine Kanäle in der Refraktärphase befinden. Im Labor ist also eine Erregungsweiterleitung in beide Richtungen möglich.

2 NennenSiezweiwesentlicheVorteiledersaltatorischenErregungsweiterleitung.Die Erregungsweiterleitung erfolgt mit myelinisierten Axonen deutlich schneller als mit nicht myelinisierten Axonen. Darüber hinaus werden nur an den Schnürringen Aktionspotenziale ausgelöst. Nur dort müssen die Konzentrationsunterschiede durch die NatriumKaliumIonenpumpe aufrechterhalten werden. Die Erregungsweiterleitung benötigt in myelinisierten Axonen also weniger Energie.

3 ErläuternSiedieinAbb.4dargestelltenModellefürbeideArtenderErregungsweiterleitung.Die Funktionsmodelle veranschaulichen die unterschiedliche Leitungsgeschwindigkeit gut. Jeder Dominostein entspricht einer erregbaren Stelle. Allerdings suggeriert der Trinkhalm eine falsche Weiterleitung (mechanisch). Im Axon bewegt sich keine Myelinscheide.

4 ErklärenSiedieinAbb.2angeführtenLeitungsgeschwindigkeitenverschiedenerAxone.Die Tabelle zeigt, dass die Erregungsweiterleitung umso schneller erfolgt, je dicker das Axon ist. Dies wird bei den Werten der nicht myelinisierten Axone deutlich. Im Vergleich mit der dritten Spalte lässt sich ableiten, dass myelinisierte Axone deutlich schneller leiten, obwohl diese dünner sind. Der Vergleich der myelinisierten Axone zeigt, dass die Leitungsgeschwindigkeit bei einer höheren Körpertemperatur deutlich verbessert wird.

Synapse (Seite 342/343)

1 StellenSiedieErregungsübertragunganderchemischenSynapseineinemVerlaufsschemadar.Depolarisation durch Aktionspotenziale am Endknöpfchen → spannungsgesteuerte Ca2+Kanäle öffnen sich → Vesikel verschmelzen mit der präsynaptischen Membran und geben Transmitter in den synaptischen Spalt ab → Transmitter diffundiert über den synaptischen Spalt → Transmittermoleküle binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran → Ioneneinstrom und Depolarisation der postsynaptischen Membran

2 HerzmuskelzellensindüberelektrischeSynapsenverbunden.ErläuternSiedenVorteilfürdieHerzaktivität.Dadurch werden alle Herzmuskelzellen gleichzeitig erregt und kontrahieren synchron. Diese Koordination der Herzmuskelzellen ist sinnvoll im Hinblick auf eine gute Pumpleistung.

3 BeschreibenSiedieFolgeneinerHemmungderAcetylcholinesterase.Wenn die Acetylcholinesterase gehemmt ist, kann der Transmitter im synaptischen Spalt nicht schnell abgebaut werden. Dies bewirkt eine lange andauernde Depolarisation der postsynaptischen Membran. Mögliche Folgen sind Muskelkrämpfe und Tod durch Atemlähmung.

Basiskonzept: Information und Kommunikation (Seite 343)

ErläuternSieamBeispieleinerchemischenSynapsedasBasiskonzeptInformationundKommunikation.An der chemischen Synapse erreichen Aktionspotenziale die präsynaptische Membran und lösen eine Transmitterfreisetzung aus, die wiederum zu einer Bildung von Aktionspotenzialen in der postsynaptischen Zelle führen kann. Damit ist sie ein Beispiel für die interzelluläre Kommunikation. Durch die Verschaltung von Nervenzellen besteht ein Netz kommunizierender Zellen, die komplexe neuronale Verarbeitungen und die Kommunikation zwischen Lebewesen ermöglichen.

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Material: Synapsengifte (Seite 344/345)

1 BeschreibenSiediegegensätzlicheWirkungvonNikotinundCurareaufdieMotorischenEndplattenderSkelettmuskulatur.Nikotin bindet an die nikotinischen Acetylcholinrezeptoren und öffnet die Ionenkanäle. So kommt eine Erregung der postsynaptischen Zelle zustande. Muskelkrämpfe sind möglich. Curare blockiert dagegen die nikotinischen Acetylcholinrezeptoren und hemmt die postsynaptische Zelle. Schlaffe Lähmungen der Muskeln sind möglich.

2 ErklärenSiedieWirkungendesPfeilgiftsCurareimBeutetier.Curare bewirkt im Beutetier schlaffe Lähmungen der Muskulatur. Insbesondere durch eine Lähmung der Atemmuskulatur stirbt das Beutetier.

3 Alexander von HumboldtbeschreibtinseinenReiseberichtenausSüdamerika,wieseinBegleitervomPfeilgiftkostendurfte,umsichvondembitterenGeschmackzuüberzeugen.FormulierenSieeineHypothese,warumerdabeinichtstarb.Curare ist ein Protein und wird vermutlich im Magen durch die Magensäure denaturiert oder verdaut. Jeweils wird das Protein in seiner Form stark verändert und wirkungslos. Das Gift kann nicht in seiner funktionsfähigen Form in den Körper gelangen.

4 BeschreibenSiemithilfevonAbb.2dieWirkungvonBotulinumtoxinaufdieSynapse.Botox bindet an die präsynaptische Membran und wird durch Endocytose in Vesikel aufgenommen. Anschließend zerstört Botox enzymatisch den SNAREKomplex, sodass keine Verschmelzung von Vesikeln mit der präsynaptischen Membran möglich ist. Dadurch ist die Transmitterausschüttung behindert und somit auch die Erregungsübertragung an der Synapse.

5 ErklärenSiedieauftretendenLähmungeninderMuskulatur.Botox blockiert die Transmitterausschüttung an der Synapse. Dadurch kommt es zu schlaffen Lähmungen der Muskulatur.

6 ErläuternSie,dassBotulinumtoxinsowohlanSynapsenmitnikotinischenRezeptorenalsauchanSynapsenmitmuscarini-schenRezeptorenwirkt.Da Botox nicht auf bestimmte Rezeptoren wirkt, sondern auf die SNAREProteine, sind alle Synapsen betroffen.

7 StellenSiemindestenszweimöglicheHypothesenzudenSymptomenauf,diedurchMuscarinauftreten. Es könnte zu erhöhter Darmtätigkeit bzw. Durchfall kommen. Eine weitere Möglichkeit wäre eine erhöhte Schweißbildung.

8 ErläuternSieanhandvonAbb.3dieWirkungsweisevonAtropin.Atropin setzt sich an die Acetylcholinrezeptoren, ohne die entsprechenden Ionenkanäle zu öffnen. Dafür spricht, dass die AcetylcholinKonzentration im synaptischen Spalt sowie deren Abbauprodukte normal sind, allerdings kein NatriumionenEinstrom in die postsynaptische Membran stattfindet.

9 ErläuternSie,inwiefernAtropinalsGegengiftbeiMuscarin-Vergiftungeneingesetztwerdenkann.Da Atropin gegensätzlich zu Muscarin wirkt, ist es als Gegengift (Antidot) geeignet.

10ErklärenSiedieimTextgenanntenSymptomeeinerVergiftungmitSarin.Sarin hemmt die Acetylcholinesterase und wirkt damit verstärkend auf alle Synapsen. Dadurch wird die Drüsentätigkeit angeregt und in verschiedenen Muskeln kommt es zu Kontraktionen bzw. Krämpfen.

11 ErläuternSie,dassdasGiftSarinsowohlanSynapsenmitnikotinischenRezeptorenalsauchanSynapsenmitmuscarini-schenRezeptorenwirkt.Die Acetylcholinesterase spielt in Synapsen mit muscarinischen und mit nikotinischen Acetylcholinrezeptoren eine Rolle. So erklärt sich, dass die Symptome einer Sarinvergiftung sowohl Organe mit glatter Muskulatur (z. B. Haut, Auge, Magen, Darm) als auch Organe mit quergestreifter Muskulatur (z. B. Skelettmuskulatur) betreffen.

12 DieBehandlungeinerSarin-Vergiftungistsehrschwierig.Mankannversuchen,dieWirkungdesGiftsdurchAtropinaufzu-heben.ErläuternSiediesenTherapieansatz.Unter Einfluss von Sarin ist zu viel Acetylcholin im synaptischen Spalt. Mit Atropin lassen sich einige Acetylcholinrezeptoren blockieren. Bei richtiger Dosierung könnte sich die Wirkung der beiden Gifte aufheben. Allerdings wirkt Atropin nur an muscarinischen Acetylcholinrezeptoren.

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Verrechnung an Synapsen (Seite 346/347)

1 ErklärenSie,weshalbeinChlorid-IoneneinstromzueinerHyperpolarisationderpostsynaptischenMembranführt.Durch einen ChloridIoneneinstrom gelangen negative Ionen in das Zellinnere. Damit wird an der Zellmembran die Innenseite stärker negativ im Vergleich zur Außenseite. Das Membranpotenzial wird also negativer, was einer Hyperpolarisation entspricht.

2 BeschreibenSiedenEinflussvonhemmendenSynapsenaufdieräumlicheunddiezeitlicheSummationamSoma.Durch hemmende Synapsen wird das Membranpotenzial am Soma negativer. Dadurch ist ein überschwelliges Potenzial durch räumliche Summation oder durch zeitliche Summation erschwert.

3 ErläuternSie,obaneinerNervenzellegleichzeitigräumlicheundzeitlicheSummationauftretenkann.An einer Zelle kann sowohl räumliche als auch zeitliche Summation auftreten. Die Effekte würden sich dann überlagern. Durch die zeitliche Summation an einem Dendriten könnte schon eine gewisse Depolarisation erreicht sein, die dann durch EPSPs an weiteren Dendriten verstärkt wird.

Motorische Endplatte (Seite 348)

1 StellenSiedenAblaufvondereintreffendenErregungimMotoneuronbiszurMuskelkontraktionineinemVerlaufsschemadar.Transmitterausschüttung erzeugt EPSP. → Am Soma entstehen Aktionspotenziale. → Die Aktionspotenziale werden über das Axon des motorischen Neurons zum Endknöpfchen geleitet. → Transmitterausschüttung erzeugt erregendes Potenzial. → Muskelaktionspotenziale entstehen. → CalciumIonenausschüttung löst Muskelkontraktion aus.

2 DieKrankheitMyastheniagraviszeichnetsichdurchMuskelschwächeausundwirdu.a.durcheinegeringeAnzahlvonAcetylcholin-Rezeptorenverursacht.ErklärenSiedieSymptome.Ein geringerer NatriumIonenEinstrom durch die postsynaptische Membran des Muskels führt zu unterschwelligen Endplattenpotenzialen. Dadurch werden weniger Muskelaktionspotenziale ausgebildet, wodurch wiederum die Muskelschwäche bzw. die Lähmung entsteht.

Material: Neurodegenerative Krankheiten (Seite 349)

1 ErklärenSiedieWirkungderMedikamentezurTherapievonParkinsoninAbb.1.LDopa steigert die Dopaminfreisetzung und mindert so die durch Dopaminmangel auftretenden Symptome. Der Enzyminhibitor verringert den Dopaminabbau, sodass einmal entstandenes Dopamin länger für die Neuronen verfügbar ist. Dopaminagonisten wirken wie Dopamin an der postsynaptischen Membran, also wie eine gesteigerte Dopaminausschüttung durch die Präsynapse.

2 BegründenSie,dassdieMedikamentenurwirkenkönnen,solangeesnochfunktionsfähigeNervenzellengibt,dieTiefenhirn-stimulationhingegenauchbeifortgeschrittenerKrankheit.Die Medikamente wirken nur dann, wenn die postsynatischen Neurone funktionsfähig sind und Erregungen erzeugen. Die Hirnstimulation erzeugt hingegen selbst Potenziale, die Erregungspotenzialen entsprechen.

3 ErläuternSiedieFolgendesMyelinabbausfürdieErregungsweiterleitung(Abb.2).Die elektrische Isolierung nimmt ab, das elektrische Feld nimmt bei der Erregungsleitung schneller ab, sie können nur langsamer oder nicht mehr weitergeleitet werden.

4 StellenSiemindestenszweiHypothesenzudenSymptomenauf,dieFolgenderNervenschädigungenseinkönnen.Mögliche Hypothesen sind: eingeschränkte Muskelfunktionen, z. B. schlaffe Muskeln bzw. Lähmungen oder Muskelzittern, Sehstörungen oder verspätete bzw. eingeschränkte Reaktionen

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Sinne des Menschen (Seite 350/351)

1 ErweiternSiedieTabelleinAbb.2umzweiweitereSinne.mögliche weiter Sinne:

2 BeschreibenSiedenUnterschiedinderTransduktionderinAbb.3dargestelltenSinneszellen.Im ersten Fall bewirkt der Reiz direkt das Öffnen von Ionenkanälen. Im zweiten Fall werden die Ionenkanäle indirekt über eine Signalkaskade geöffnet.

3 VergleichenSiedieFunktionderLichtenergiebeiderTransduktioninderLichtsinneszelleundbeiderFotosyntheseineinergrünenPflanzenzelle.In der Sinneszelle dient die Energie des Lichts nur dazu, eine elektrische Erregung auszulösen. Das Licht ist nur der Auslöser (Schalter). Die Energie für die elektrische Erregung der Sinneszelle wird von der Sinneszelle bereitgestellt. Bei der Fotosynthese dient die Energie des Lichts als Energiequelle, um aus Wasser und Kohlenstoffdioxid Glucose und andere Kohlenhydrate herzustellen.

Riechsinneszellen (Seite 352)

1 ErklärenSie,warumHundebesserriechenkönnenalsMenschen.Hunde haben etwa zehnmal mehr Riechsinneszellen und etwa zweieinhalb mal mehr Typen von Riechsinneszellen. Dadurch ist der Riechsinn von Hunden empfindlicher (Quantität) und differenzierter (Qualität).

2 ErläuternSieamBeispielderCilienvonRiechsinneszellendasPrinzipderOberflächenvergrößerung.Durch die feinen Ausstülpungen wird die Oberfläche der Zelle im Vergleich zu einer glatten Zellmembran stark vergrößert. Die feinen Cilien bieten eine große Oberfläche, an die Duftstoffmoleküle binden können. (In der Zeichnung sind die Duftstoffmoleküle stark vergrößert dargestellt.)

3 ErläuternSiedieKurvenverläufeinAbb.1rechts.An der Dendritenmembran entsteht ein Rezeptorpotenzial, das umso stärker ausfällt, je heftiger die Reizung durch Duftstoffmoleküle erfolgt. Am Axon liegt eine Frequenzcodierung vor. Je stärker die Reizung ist, desto schneller folgen die Aktionspotenziale aufeinander.

Material: Riechen und Schmecken (Seite 353)

1 Obwohlwirnur400TypenvonRiechsinneszellenhaben,könnenwirTausendeDuftstoffeunterscheiden.ErklärenSiediesesPhänomen.Ein Duftstoff bindet nicht nur an einen einzigen Typ von Riechsinneszellen, sondern mehr oder weniger gut an viele verschiedene Typen. So bewirkt jeder Duftstoff ein charakteristisches Erregungsmuster von verschiedenen Riechsinneszelltypen. Die Zahl der möglichen Erregungsmuster übersteigt die Zahl der Sinneszelltypen bei weitem.

2 BeschreibenSiemithilfevonAbb.2,wieeinbestimmterDuftstoffanmehrereTypenvonSinneszellenbindenkann.Ein bestimmtes Duftstoffmolekül kann mit unterschiedlichen Stellen an verschiedene Rezeptoren von Riechsinneszellen binden.

3 StellenSieeineHypotheseauf,warumeinbestimmterDuftstoffinunterschiedlichenRiechsinneszellenunterschiedlichstarkeRezeptorpotenzialeauslösenkann(Abb.1).Je stärker die Bindung, desto mehr wird das Rezeptormolekül verformt. Vermutlich führt eine unterschiedlich starke Bindung zu unterschiedlich hohen Rezeptorpotenzialen in der Sinneszelle.

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5. 2 Sinne

Sinn Sinnesorgan Sinneszelle Reiz Qualität Quantität

Tastsinn Haut Mechanorezeptoren Druck glatt,rau unterschiedlicheStärke

Schmerz — Nozizeptoren verschiedeneSchmerzauslöser

verschiedeneSchmerz-arten

unterschiedlicheStärke

Temperatur-sinn

Haut Wärme-undKälte-rezeptoren

Wärme heiß,kalt Temperatur

Gleichge-wichtssinn

Ohr Haarsinneszellen Beschleunigung Gravitation,Drehung unterschiedlicheStärke

Körper — verschiedeneZellenimKörper

z.B.Muskeltonus z.B.Kontraktion unterschiedlicheStärke


4 BeschreibenSieanhandvonAbb.3zweiprinzipiellunterschiedlicheWirkungeneinerSubstanzaufGeschmacksrezeptoren.Substanzen mit Ionen (z. B. Säuren und Salze) führen zu einem direkten Ioneneinstrom durch Ionenkanäle in der Zellmembran. Dies führt dann zu einem Rezeptorpotenzial. Andere Substanzen binden an ein Rezeptormolekül, das sich dadurch verändert und auf der Innenseite eine Signalkaskade in Gang setzt, die zu einem Rezeptorpotenzial führt.

5 NennenSieSubstanzen,diezumSchließenvonIonenkanälenführen.ErläuternSie,warumdiesdennocheineTransduktiondarstellt.Die Bindung von Zuckerstoffen (z. B. Glucose, Fructose) löst eine Signalkaskade aus, die zum Schließen von K+Kanälen führt. Dadurch wird der Ausstrom von K+Ionen geringer und das Membranpotenzial steigt. Diese Veränderung des Membranpotenzials stellt eine Transduktion dar.

Das Auge des Menschen (Seite 354/355)

1 ErklärenSie,warumwirnurBilderscharfsehen,dieaufdieSehgrubeprojiziertwerden.Die Sehgrube (Fovea) ist kaum durch Bipolarzellen und Ganglienzellen verdeckt, da die Ableitung radial verläuft und dadurch erst die „Grube“ entsteht. Zudem gibt es in der Sehgrube eine direkte Verschaltung von Sinneszellen auf Bipolarzellen und Ganglienzellen und keine rezeptiven Felder. Dadurch ist die Auflösung in der Sehgrube relativ hoch.

2 ImAltergehtdieElastizitätderLinsestarkzurück.ErklärenSie,warumdannbeimLesenderAbstandzumTextgroßseinmussodereineLesebrillenötigist.Wenn die Eigenelastizität der Linse reduziert ist, kann sie sich bei der Nahakkommodation nicht mehr ausreichend krümmen. Somit ist die Akkommodation auf geringe Entfernungen nicht mehr möglich und das Schriftbild unscharf. Größere Buchstaben werden dennoch erkannt. Durch eine Lesebrille lässt sich die Schärfe korrigieren.

3 Abb.1zeigteinenAusschnittderNetzhautnebenderSehgrube.BeschreibenSie,wiesicheinentsprechenderAusschnittausderSehgrubeunterscheidenmüsste.In der Sehgrube würden die Axone der Ganglienzellen radial zur Seite gehen und keine Horizontalzellen und keine Amakrinzellen vorkommen.

Lichtsinneszellen (Seite 356/357)

1 ErklärenSiedieBedeutungdergroßenOberflächederDisksindenStäbchen.Die große Oberfläche der Disks dient nicht dem besseren Stoffaustausch, sondern schafft Platz für die Moleküle, die in der Membran liegen und für die Absorption des Lichts verantwortlich sind (z. B. Rhodopsin). Je mehr dieser Moleküle in der Sinneszelle vorhanden sind, desto wahrscheinlicher ist eine Absorption des Lichts. Somit ist auch die Empfindlichkeit der Sinneszelle sehr hoch.

2 SchoneinschwacherLichtreizbewirktimStäbcheneinedeutlicheÄnderungdesMembranpotenzials.ErläuternSiedieUrsa-chendieserhohenEmpfindlichkeit.Ein einzelner Lichtreiz (Lichtquant) bringt kaum Energie mit. Die Empfindlichkeit der Sinneszelle beruht darauf, dass durch die Signalkaskade eine starke Verstärkung erreicht wird. Mehrere nachgeschaltete Verstärkungen sorgen dafür, dass ein kleiner Auslöser der Signalkaskade einen großen Effekt haben kann.

3 VitaminAisteinewichtigeVorstufevonRhodopsin,dievomKörpernichtselbstsynthetisiertwerdenkann.EineFolgevonVitamin-A-MangelistNachtblindheit.ErklärenSie,warumdieBetroffeneninderDämmerungkaumetwassehen.Für das Sehen in der Dämmerung müssen die Sinneszellen sehr empfindlich sein. Dies ist der Fall, wenn die Rhodopsinkonzentration in der Sinneszelle recht hoch ist. Ein Mangel an Vitamin A führt zu einer geringeren Rhodopsinkonzentration und damit auch zu einer geringeren Empfindlichkeit der Sinneszelle.

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Adaptation (Seite 358)

1 WennplötzlicheinhellesLichtangeht,werdenwirgeblendet.ErklärenSiediesesPhänomen.Im Dunkeln liegt eine hohe Rhodopsinkonzentration vor und damit auch eine hohe Empfindlichkeit der Sinneszellen. Wird nun ein helles Licht angemacht, entstehen starke Änderungen des Membranpotenzials. Im Gehirn wird dies als sehr helles Licht interpretiert. Der Betroffene wird geblendet.

2 FixierenSieetwa30slangdaskleineKreuzinAbb.2.BetrachtenSiedanneinegleichmäßighelleFläche.ErläuternSieIhreWahrnehmung.Es erscheint keine gleichmäßig weiße Fläche, sondern ein „Negativbild“ des vorher betrachteten Bildes. Das Negativbild erinnert an ein JesusPortrait. Diese Täuschung erklärt sich dadurch, dass an den Stellen der Netzhaut, die vorher längere Zeit durch helles Licht belichtet wurden, die Rhodopsinkonzentration und damit auch die Empfindlichkeit gering ist. Gleichzeitig ist die Empfindlichkeit der Stellen, die zuvor kein Licht erhielten, sehr hoch. Die Empfindlichkeit der Netzhaut entspricht also dem Helligkeitsmuster des vorher betrachteten Bildes. Betrachtet man dann eine gleichmäßig helle Fläche, ist die Erregung der Sinneszellen durch die unterschiedliche Empfindlichkeit nicht gleichmäßig und das Gehirn interpretiert ein entsprechendes Muster.

3 BerechnenSiedenProzentanteil,aufdendaseinfallendeLichtdurchdenPupillenreflexreduziertwird.Der Durchmesser sinkt auf ein Viertel (0,25). Damit sinkt die Fläche auf ein Viertel im Quadrat, d. h. ein Sechzehntel (0,252 = 0,0625). Die Fläche (A = πr2) der Pupille beträgt maximal 50,2 mm2 und minimal 3,1 mm2.

Material: Adaptation (Seite 359)

1 ErklärenSieanhandvonAbb.1,warumderPupillenreflexunwillkürlichabläuft.Beim Pupillenreflex sind zwar Bereiche des Gehirns beteiligt, allerdings sind diese Bereiche nicht willentlich beeinflussbar und daher erfolgt der Pupillenreflex unwillkürlich.

2 BeschreibenSiemithilfevonAbb.2dieRegelungderBeleuchtungsstärkeaufderNetzhaut.Auf der Netzhaut befindet sich ein Messfühler, der den Istwert der Beleuchtungsstärke mit dem Sollwert vergleicht. Besteht eine Differenz, ergibt sich ein Stellwert an das Stellglied, die Iris. Diese wird dann je nach Stellwert die Pupille mehr oder weniger verengen. Damit verändert sich dann der Istwert der Beleuchtungsstärke. Besteht immer noch eine Differenz mit dem Sollwert, erfolgt eine erneute Reaktion der Iris.

3 ErläuternSiedieKurvenverläufeinAbb.3.GehenSiedabeiinfolgenderReihenfolgevor:a) rotesLichtinderzentralenSehgrube,b) farbenblindeVersuchsperson,c) weißesLichtaußerhalbderSehgrube.Die Dunkeladaptation gibt an, wie empfindlich die Netzhaut ist, nachdem das Auge sich eine Zeitlang an die Dunkelheit gewöhnen konnte. Da die Sehgrube keine Stäbchen enthält, entspricht diese Kurve der Dunkeladaptation der Stäbchen. Die Kurve der total farbenblinden Versuchsperson beschreibt die Dunkeladaptation der Stäbchen. Die Kurve mit weißem Licht außerhalb der Sehkurve zeigt die Dunkeladaptation durch Zapfen und Stäbchen gemeinsam. Bei einer Adaptationszeit unter 7 Minuten entspricht die Kurve der Dunkeladaptation der Zapfen, bei höherer Adaptationszeit der Dunkeladaptation der Stäbchen.

4 BeschreibenSiedieVorgehensweisebeidemExperiment,indemSieeineArbeitsanweisungfürdieVersuchspersonschreiben.Beschreibung einer geeigneten Messvorrichtung: Die Versuchsperson sitzt in einem hell beleuchteten Raum vor einem Bildschirm. Nachdem der Raum vollständig abgedunkelt wird, erscheinen auf dem Bildschirm nacheinander unterschiedlich helle Punkte. Die Versuchsperson kann per Mausklick angeben, ob ein Lichtpunkt wahrnehmbar war. Das Programm registriert dies und misst gleichzeitig die Zeit der Dunkeladaptation, d. h. die Zeit seitdem der Raum verdunkelt wurde. Arbeitsanweisung für die Versuchsperson: Klicken Sie die Maustaste, sobald Sie einen Lichtpunkt auf dem Bildschirm erkennen können. Auswertung: Für die wahrgenommenen Lichtpunkte wird ein Punkt im Diagramm eingetragen. Die Kurven markieren den unteren Rand der Punkteverteilung.

5 DefinierenSiedenBegriffSehschwelleundschildernSie,wiemandiesenWertexperimentellbestimmenkönnte.Die Sehschwelle beschreibt die Lichtintensität, bei der ein Lichtpunkt bei maximaler Dunkeladaptation (über 30 Minuten) gerade noch wahrnehmbar ist.

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Kontrastverstärkung (Seite 360/361)

1 ErklärenSiedasZustandekommenderinAbb.2dargestelltenErregungsmuster.Bei der OnGanglienzelle steigt die APFrequenz, wenn Licht nur auf das Zentrum fällt. Sie sinkt, wenn Licht nur auf das Umfeld gelangt. Bei der OffGanglienzelle sinkt die APFrequenz, wenn Licht auf das Zentrum fällt und steigt, wenn es auf das Umfeld gelangt.

2 ErläuternSie,warumdieKontrastverstärkungdurchrezeptiveFelderinderNetzhautbeigeradenundwellenförmigenLiniengleichseinmüsste.Mit rezeptiven Feldern ist sowohl beim geraden als auch beim wellenförmigen Gitter zu erwarten, dass die Straßen heller sind als die Kreuzungen, da an den Kreuzungen mehr Licht auf das Umfeld gelangt.

3 ErläuternSiedieoptischeTäuschunginderRandspalte.Es ist die gleiche Erklärung wie beim HermannGitter möglich. Durch Kontrastverstärkung der Kanten erscheinen die Kreuzungspunkte dunkler, nur nicht im Bereich der Fovea. (Diese Täuschung geht übrigens ebenfalls bei wellenförmigen Linien verloren.)

Farbensehen (Seite 362/363)

1 BeschreibenSiemithilfevonAbb.2dasErregungsmusterderZapfen,wennnurLichtmit420nmeintrifft.Licht mit einer Wellenlänge von 420 nm erregt die SZapfen stark und die M und LZapfen sehr schwach.

2 HonigbienenhabendreiZapfentypenmitAbsorptionsmaximabei350nm,450nmund530nm.BeschreibenSie,wiesichdasFarbensehenvonHonigbieneundMenschunterscheidet.Honigbiene und Mensch können jeweils Farben unterscheiden. Allerdings sind die Maxima der Lichtsinneszellen bei der Honigbiene zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben. Vermutlich kann die Honigbiene kein rotes Licht erkennen, aber dafür UVLicht wahrnehmen.

3 EinBildschirmenthältblaue,grüneundroteLeuchtpunkte.Wennalledreihellleuchten,entstehtderFarbeindruckweiß.ErklärenSie.Wenn alle drei Leuchtpunkte leuchten, werden alle drei Zapfentypen stark angeregt. Dies geschieht (normalerweise) nur, wenn weißes Licht mit allen Wellenlängen des sichtbaren Bereichs ins Auge fällt. Im Gehirn entsteht daher der Seheindruck weiß.

Extra: Rot-Grün-Sehschwäche (Seite 363)

BegründenSie,warumMännerhäufigervoneinerFarbsehschwächebetroffensind.Da die RotGrünSehschwäche Xchromosomal rezessiv vererbt wird, tritt das Merkmal bei Männern häufiger auf, denn sie haben kein zweites XChromosom.

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Nervensystem des Menschen (Seite 364/365)

1 BeschreibenSieanhandvonAbb.3diegegensätzlicheWirkungvonParasympathicusundSympathicusimHinblickaufErho-lungundLeistung.Der Parasympathicus reduziert die Aktivität von Lunge, Herz und Skelettmuskulatur. Stattdessen erhöht er die Verdauungsaktivität. Diese Wirkungen stellen den Körper auf Erholung ein. Der Sympathicus wirkt gegensätzlich und stellt den Körper auf körperliche Leistungsfähigkeit ein.

2 IneinerPrüfungistjemandsehraufgeregt,bekommtSchweißausbrücheundkannkeinenklarenGedankenfassen.ErklärenSiediesesBlackout-Phänomen.Durch die Stresssituation ist der Sympathicus aktiv und verhindert kreatives Denken.

Das menschliche Gehirn (Seite 366/367)

1 ErklärenSie,dassVerletzungenimStirnbereichdesGroßhirnsüberlebtwerdenkönnen,währendVerletzungenimNachhirnmeistsoforttödlichsind.Im Frontalhirn sind keine lebenswichtigen Funktionen repräsentiert, sondern eher moralisches Denken und Merkmale der Persönlichkeit. Ein Ausfall des Nachhirns betrifft jedoch lebenswichtige physiologische Funktionen, wie zum Beispiel die Atmung.

2 BeieinemJungenmussteaufgrundeinerErkrankungimAltervon11JahrendielinkeGehirnhälftevollständigentferntwer-den.Danachentwickelteersichsogut,dasserAbiturmachenundPsychologiestudierenkonnte.StellenSieeineHypotheseauf,wiedieseLeistungmiteinerGehirnhälftemöglichwar.Die rechte Gehirnhälfte übernahm offensichtlich die Aufgaben der linken Gehirnhälfte. Offensichtlich ist das Gehirn von Kindern noch sehr plastisch und anpassungsfähig.

Material: Methoden der Hirnforschung (Seite 368/369)

1 ErklärenSie,warumsichPatientenwährendeinerCTnichtbewegendürfen.Die Bilder müssen zueinander passen.

2 EineFrauklagtinderNotaufnahmeüberLähmungeninderlinkenKörperhälfteundstarkeKopfschmerzen.InderCT-AufnahmeistinderrechtenGroßhirnrindeeindunklerFleckzusehen(Abb.2).StellenSieeineHypotheseüberdieUrsacheauf.Blutgerinnsel in rechter Hirnhälfte (neben Ventrikel)

3 ErläuternSiedieMessergebnisseinAbb.3.Diedifferenziertere Reaktion in späterem Test belegt die Lernleistung.

4 ErläuternSie,warumähnlicheKurvenbeiderselbenElektrodenichtzwangsläufigaufeineexaktgleicheAktivitätdesGehirnsschließenlassen.In der betreffenden Region können unterschiedliche Nervenzellen verantwortlich sein.

5 BeurteilenSie,obdieMethodegeeignetist,umbeieinerVersuchspersonGedankenzulesen.Kaum, da wie in 4 dargelegt, die Signale nur Summenpotenziale von verschiedenen Nervenzellen sind.

6 VergleichenSieCTundMRThinsichtlichdergesundheitlichenRisiken.Das CT ist durch die hohe Strahlenbelastung riskanter als ein MRT, das nur starke Magnetfelder verwendet.

7 ErklärenSie,warumdiefMRTnichtgeeignetist,umschnelleAktivitätsänderungenimGehirndarzustellen.Die Durchblutung ändert sich erst nach einigen Sekunden.

8 WertenSiediefMRT-AufnahmeninAbb.6aus.Bestimmte Hirnbereiche sind immer aktiv und vermutlich für das Bilden der Wörter verantwortlich (linkes Kleinhirn). Andere Gehirnbereiche sind nur beim lauten Sprechen aktiv und vermutlich an der Sprachmotorik beteiligt (linker motorischer Cortex).

Gehirndoping (Seite 370)

1 StellenSiedieEntstehungvonMüdigkeitineinemVerlaufsschemadar.Starke Gehirnaktivität → Abbau von ATP → Anstieg der Adenosinkonzentration → Verringerung der Glutamat und DopaminAusschüttung → Verringerung der Gehirnaktivität → Müdigkeit

2 VergleichenSiedieWirkungsweisenvonKoffeinundMethylphenidat.Wirkung ähnlich: mehr Dopamin, Wirkmechanismus unterschiedlich: weniger Hemmung, längere Verweildauer im Spalt

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5. 3 Nervensystem


Material: Gehirndoping (Seite 371)

1 BeschreibenSiedieVersuchsergebnisse(Abb.1).Erstes Experiment: Im ersten Testdurchgang ist kein Unterschied feststellbar und im zweiten Testdurchgang schnitten die Probanden mit Placebo sogar besser ab. Zweites Experiment: Im ersten Durchgang schnitten die Probanden mit MPH deutlich besser ab, im zweiten Durchgang war die Placebogruppe etwas besser. Insgesamt ist keine Leistungssteigerung durch MPH zu belegen.

2 ErläuternSie,warumjeweilseinzweiterTestmitvertauschtenGruppensinnvollist.Durch das Vertauschen wird vermieden, dass sich Unterschiede in der Gruppenzusammensetzung immer gleich auswirken. Aufgrund der geringen Zahl an Probanden würden einzelne Leistungsträger in einer Gruppe das Ergebnis verfälschen.

3 BeurteilenSie,inwieferndieMessmethodedieErgebnissebeeinflusst.Die Ergebnisse zeigen, dass die Messmethode die Ergebnisse deutlich beeinflusst. Es kommt schon sehr darauf an, ob wirklich die bessere Denkleistung oder nur die Schnelligkeit oder erhöhte Wachsamkeit gemessen wird.

4 BeschreibenSiemithilfevonAbb.2dieVeränderungeinerDopaminsynapsedurchDrogenmissbrauch.Die Wirkstoffe bewirken mehr Dopaminvesikel in der Präsynapse und dadurch eine erhöhte Konzentration des Transmitters Dopamin im synaptischen Spalt. Bei häufigem Drogenmissbrauch werden die Dopaminrezeptoren in der postsynaptischen Membran reduziert. So ergibt sich trotz erhöhter Dopaminkonzentration im Spalt eine abgeschwächte Erregung im postsynaptischen Neuron.

5 ErklärenSie,wienachregelmäßigemDrogenkonsumEntzugserscheinungenauftretenunddamiteineSuchtentsteht.Sobald viele DopaminSynapsen weniger Dopaminrezeptoren haben, wird eine normale Dopaminkonzentration nur eine geringe Erregung und damit schlechte Gefühle auslösen. Diese stellen dann Entzugserscheinungen dar.

6 ErläuternSiedieNotwendigkeitderDosissteigerung,umdiegleicheWirkungzuerzielen.Da immer weniger Dopaminrezeptoren vorhanden sind, müssen immer höhere Dosen verabreicht werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Aber die Synapse wird wieder darauf reagieren. Ein Teufelskreis beginnt.

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Das Hormonsystem des Menschen (Seite 372/373)

1 VergleichenSieHormon-undNervensystemundstellenSieGemeinsamkeitenundUnterschiedeinFormeinerTabellegegen-über.Lösungsvorschlag:

2 ErklärenSie,warummanStoffewieNoradrenalinoderDopaminsowohlalsNeurotransmitteralsauchalsNeurohormonbezeichnet.Noradrenalin und Dopamin werden von Nervenzellen direkt in die Blutbahn oder das umgebende Gewebe abgegeben. Im Nervensystem werden sie an manchen Synapsen an der präsynaptischen Membran in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Botenstoffe, die von Nervenzellen synthetisiert, aber wie Hormone direkt in die Blutbahn oder in das umgebende Gewebe abgegeben werden, nennt man Neurohormone. Werden die Stoffe dagegen an der Synapse in den synaptischen Spalt ausgeschüttet und an der postsynaptischen Membran an Rezeptoren gebunden, spricht man von Neurotransmittern.

3 FrauenwieMaria Martínez-PatiñohabennatürlicherweiseTestosteronspiegel,wieerdurchDopingbeiFrauenverursachtwird.BegründenSie,warumderAusschlussvonWettkämpfennachDoping-Nachweisalsgerecht,derAusschlussvonMaría Martínez-Patiñoabervonmanchenalsungerechtempfundenwird.Frauen haben niedrigere Testosteronspiegel als Männer. Die Einnahme von Testosteron bzw. dem Testosteron ähnlichen Dopingmitteln, die an Testosteronrezeptoren binden, verursachen damit Wirkungen, die bei Frauen nicht oder nicht in dieser Stärke auftreten, wie z. B. das Muskelwachstum. Im Körper von María Martínez-Patiño werden zwar so hohe TestosteronMengen wie bei einem Mann synthetisiert und ausgeschüttet, da aber die Testosteronrezeptoren defekt sind, versursacht das Testosteron an den betroffenen Zellen keine Wirkungen und kann der Sportlerin deshalb auch keine Vorteile verschaffen.

Die Schilddrüse und die Wirkungen ihrer Hormone (Seite 374/375)

1 BegründenSie,warumMenschenmiteinerSchilddrüsenunterfunktionoftanKälteempfindlichkeitleiden.Schilddrüsenhormone steigern den Grundumsatz und erhöhen so die Wärmeproduktion. Sie wirken so an der Aufrechterhaltung der Körpertemperatur bei steigendem Wärmebedarf mit, wie er z. B. durch Wärmeverluste in kalter Umgebung auftritt. Bei einer Unterfunktion der Schilddrüse gelingt dies nicht ausreichend, mit der Folge, dass eine Empfindung entsteht, die man als Frieren bezeichnet.

2 BeschreibenSiedasPrinzipdernegativenRückkopplungamBeispielderSchilddrüsenhormone(Abb.4).VerwendenSiedabeidieFormulierungen:„jemehr…destoweniger“und„jeweniger…destomehr“.Je mehr TRH aus dem Hypothalamus zur Hypophyse gelangt, desto mehr TSH schüttet diese in den Blutkreislauf aus. Je mehr TSH von den spezifischen Rezeptoren der Schilddrüse gebunden wird, desto mehr T4 und T3 schüttet die Schilddrüse in die Blutbahn aus. Je höher die T4 und T3Konzentrationen im Blut sind, desto weniger TRH gibt der Hypothalamus ab und desto weniger TSH gibt die Hypophyse ins Blut ab. Je niedriger die T4 und T3Konzentrationen im Blut sind, desto mehr TRH gibt der Hypothalamus ab und desto mehr TSH gibt die Hypophyse ins Blut ab.

3 ErläuternSie,inwieferndieAngabeninAbb.4sowohleinHinweisaufWirkungenundZielorganederSchilddrüsealsauchaufnegativeRückkopplungsind.Die Abnahme der Stoffwechselaktivität eines Organs nach Entfernung der Schilddrüse ist ein Hinweis darauf, dass der Stoffwechsel von Schilddrüsenhormonen gefördert wird, das betroffene Organ also Zielorgan der Schilddrüsenhormone ist. Dies wird umgekehrt dadurch bewiesen, dass die Gabe von Schilddrüsenhormon bei diesen Organen zu einer Erhöhung des Sauerstoffverbrauchs führt, der als Indikator für die Stoffwechselaktivität dient. Die Hypophyse verhält sich umgekehrt wie die Zielorgane. Daraus kann man schließen, dass die Hypophyse auf sinkende T4/T3Konzentrationen selbst mit höherer Stoffwechselaktivität reagiert und umgekehrt. Dies ermöglicht die Interpretation, dass die Hypophyse bei sinkenden T4/T3Konzentrationen selbst ein Hormon in größerer Menge produziert und ausschüttet und die Synthese dieses Hormons bei hohen T4/T3Konzentrationen reduziert bzw. einstellt. In Erweiterung dieser Interpretation kann man annehmen, dass die Hypophyse in Rahmen der negativen Rückkopplung viel TSH produziert, wenn die Schilddrüse entfernt wurde und wenig TSH, wenn durch Gabe von Schilddrüsenhormonen hohe T4/T3Konzentrationen im Blut vorliegen.

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5. 4 Hormone

Unterschiede Nervensystem Hormonsystem

Informationsweg eigenesLeitungsnetz(NervenbahnenmitAxonenundSynapsen)

Blutbahn

Geschwindigkeit schnell(bisca.100m/s) langsam(bis0,5m/s)

Wirkungsdauer kurz längeranhaltend

Gemeinsamkeit SowohlNeurotransmitteralsauchHormonebindenandenZielzellenanspezifischeRezeptoren.


4 EntwickelnSieeinebegründeteHypothese,warummanannehmenkann,dasslangzeitighoheTSH-KonzentrationendasWachstumderSchilddrüsefördern.Da anhaltender Iodmangel zu einer Unterfunktion der Schilddrüse mit der Folge erniedrigter T4/T3Konzentrationen führt, wird dauerhaft viel TSH ausgeschüttet. Möglicherweise hat sich im Lauf der Evolution eine wachstumsfördernde Wirkung von TSH auf die Schilddrüse als Vorteil herausgestellt, weil dadurch eine Unterfunktion der Schilddrüse, die auf zu geringen Mengen an Schilddrüsengewebe beruht, behoben werden kann. Da die negativen Rückkopplungsmechanismen aber unabhängig davon sind, warum die T4/T3Konzentrationen zu niedrig sind, schüttet die Hypophyse auch dann verstärkt TSH aus, wenn wie im Fall eines Iodmangels auf diesem Weg gar keine Erhöhung der T4/T3Konzentrationen erreicht werden kann.

Die hormonelle Regulation des Blutzuckerspiegels (Seite 376/377)

1 VergleichenSiedieWirkungenvonInsulinundGlucagonanhandeinerselbsterstelltenTabelle.siehe Tabelle:

2 ErklärenSie,dassunbehandelteDiabetes-Typ-I-Patientenoftsehrmagersind,Typ-II-Patientendagegenübergewichtig.Die Symptome des Diabetes Typ I ergeben sich aus der fehlenden Wirkung des Insulins mit der Folge eines ungebremsten Abbaus der Fette. Da die Proteinsynthese weniger angeregt wird, überwiegt der Proteinabbau. Dies trägt zur Gewichtsabnahme bei.

Hormonklassen und ihre Wirkungsmechanismen (Seite 378/379)

1 ErklärenSie,wiemanmitelektronenmikroskopischenAufnahmenendokrinerZellenbeurteilenkönnte,obsiePeptidhormoneoderSteroideproduzieren.Peptidhormone werden an den Ribosomen des rauen ER synthetisiert. Die Synthese der Steroide findet im glatten ER statt. Zellen, die Peptidhormone synthetisieren, weisen wie andere Zellen mit intensiver Proteinsynthese ein umfangreiches raues ER auf, während sich Steroidhormone bildende Zellen durch ein glattes ER auszeichnen.

2 ErläuternSie,aufwelcheWeiseeineinzigesHormonmolekülineinerZielzelledieBildungoderVeränderungvonMillionenProteinmolekülenverursachenkann.Viele Hormone lösen ihre Wirkung in der Zielzelle aus, indem sie das Enzym Adenylatcyclase aktivieren, das die Umwandlung von ATP in cAMP katalysiert: Jedes cAMPMolekül aktiviert mehrere Enzymmoleküle, und jedes dieser Enzymmoleküle kann Phosphatgruppen auf viele andere Enzymmoleküle übertragen, die dadurch aktiviert werden. Jedes Einzelne von ihnen kann wiederum die Aktivität zahlreicher weiterer Enzymmoleküle verändern.

3 DieGeschwindigkeit,mitderSteroidhormoneeinenEffektindenZielzellenhervorrufen,istmeistgeringeralsbeiPeptidhor-monen.BegründenSiedieseBeobachtung.Steroidhormonmoleküle werden als HormonRezeptorKomplexe in den Zellkern transportiert. Dort beeinflussen sie die Gentranskription. Der Wirkungseintritt hängt deshalb von der Proteinsynthese ab und kann mehrere Stunden dauern. Peptidhormone können die Membran nicht passieren. Sie wirken über extrazelluläre Rezeptoren und setzen Reaktionskaskaden in Gang, die die Wirkungsgeschwindigkeiten stark erhöhen.

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Insulin Glucagon

Blut senktdenBlutzuckerspiegel erhöhtdenBlutzuckerspiegel

Muskel – bewirktdieVerlagerungvonGlucose- CarriernausdemZellinnerenindie Zellmembran,sodassdieGlucose-Auf- nahmegefördertwird– fördertdieProteinsynthese

Leber – fördertdieSpeicherungderGlucoseals Glykogen– hemmtdieFettspaltungundfördertdie Fettsynthese

– hemmtdieBildungvon Glykogenundstimuliertdie FreisetzungvonGlucose durchAbbauvonGlykogen– fördertdieNeubildungvon GlucoseausAminosäuren


Vernetzung und Regulation im Hormonsystem (Seite 380/381)

1 BegründenSie,warumdieWirkungsstärkeeinesHormonsvonderRezeptordichteandenZielzellenabhängt.Je höher die Rezeptordichte, desto mehr Hormonmoleküle können gleichzeitig an die Rezeptoren der Zellen eines Gewebes binden.

2 ErläuternSieamBeispieldesOxytocinsdieMechanismen,mitdenendieStärkederHormonwirkunggesteuertwerdenkann. – Kontrolle der wirksamen Hormonkonzentration durch ein inaktivierendes Enzym – Erhöhung der Hormonkonzentration durch verstärkte Freisetzung – Erhöhung der Anzahl der Oxytocinrezeptoren im Gebärmuttermuskel vor der Geburt

3 OhneVerbindungzwischenHypothalamusundHypophysenvorderlappensteigtdieProlactinkonzentrationan,dieThyroxin-konzentrationsinkt.FormulierenSieeineHypothesefürUrsachen. Synthese und Ausschüttung der Hormone im Hypophysenvorderlappen hängen von Releasing oder InhibitingHormonen aus dem Hypothalamus ab. Kommen aufgrund der Durchtrennung der Verbindungen zwischen Hypothalamus und Hypophysenvorderlappen keine InhibitingHormone im Hypophysenvorderlappen an, wird die von ihnen abhängende Synthese bestimmter Hormone nicht mehr unterdrückt und ihre Synthese bzw. Ausschüttung wird erhöht. Kommen dagegen keine ReleasingHormone an, wird die von diesen abhängige Synthese bestimmter Hormone nicht gefördert und ihre Synthese bzw. Ausschüttung sinkt. Im vorliegenden Fall wäre denkbar, dass die Ausschüttung des Prolactins von inhibierenden Hormonen, die des Thyroxins dagegen von ReleasingHormonen abhängt.

Stress (Seite 382/383)

1 ErklärenSie,warumAdrenalinnichtbeiallenZielzellendiegleicheWirkunghervorruft. Nicht die Bindung eines Hormonmoleküls an den Rezeptor stellt die Wirkung dar, sondern die Vorgänge, die in der Zielzelle durch Bildung des HormonRezeptorKomplexes angeschaltet werden. Für manche Hormone, wie z. B. das Adrenalin, existieren darüber hinaus verschiedene Rezeptortypen in den unterschiedlichen Geweben. Je nach Zell oder Rezeptortyp löst der HormonRezeptorKomplex eine bestimmte Reaktion in der jeweiligen Zelle aus.

2 VergleichenSiedieUrsachenundWirkungenvonEustressmitdenenvonDistress. Bei beiden Formen von Stress kann die Stressreaktion von Herausforderungen, auf die möglichst schnell mit Kraft und Laufbereitschaft oder mit hohen Anforderungen an Konzentration und Gedächtnis reagiert werden muss, ausgelöst werden. Die entscheidenden Unterschiede in den Ursachen von Eustress bzw. Distress sind im Grunde nicht die Stressreaktionen selbst bzw. allein, sondern vor allem die Auslöser und die dabei vorhandenen individuellen Bedingungen der Person, die dem Stress unterliegt.

3 BegründenSie,warumeinerseitsdieHemmungderInsulinausschüttungdurchAdrenalinbeiderStressreaktionsinnvollist,andererseitsaberhäufigerStressohnemuskuläreAnstrengungenlangfristigdennochdieKapazitätderBauchspeicheldrüsefürdieInsulinausschüttungverringert. Adrenalin bewirkt in Leberzellen den Abbau von Glykogen zu Glucose und trägt so zur raschen Versorgung der Skelettmuskulatur mit Glucose bei, die für die Energieversorgung in der Stressreaktion benötigt wird. Die Ausschüttung von Insulin würde zu einer Senkung des Blutzuckerspiegels führen. Läuft die Stressreaktion ohne Beteiligung der Muskulatur ab, wird die jeweils freigesetzte Glucose nicht zur Energiegewinnung verbraucht. Der nach Ablauf der Stressreaktion erhöhte Blutzuckerspiegel erfordert die Ausschüttung von Insulin mit dem Risiko einer Erschöpfung der Insulin produzierenden Zellen, wenn dies häufig und langfristig der Fall ist.

Material: Auswirkungen von Stress (Seite 384)

1 BeschreibenSiealleVersuchsergebnisse. Die Corticosteronkonzentration im Blut der Ratte steigt geringfügig an, wenn das Tier zusätzlich zum Käfig im Glasgefäß eingesperrt ist. Ist die Katze im Käfig, steigt die Corticosteronkonzentration um ungefähr den 8fachen Wert an. Die Fehlerzahl der Ratte beim Lernexperiment erhöht sich auf das 10Fache, sobald die Katze im Käfig sitzt.

2 BegründenSie,dassdasersteExperimentnurdanneineAussagekrafthat,wennesmitdenVersuchsbedingungen1,2und3durchgeführtwird Ohne die Versuchsbedingungen 1 und 2 wäre keine Aussage möglich, – ob die hohe Corticosteronkonzentration in Versuch 3 tatsächlich von der Anwesenheit der Katze ausgelöst wird, – ob bereits das Einbringen der Ratte in den Käfig oder das Glasgefäß die Corticosteronausschüttung auslösen, – ob die hohe Corticosteronkonzentration den Normalwert bei der Ratte (z. B. in Anwesenheit von Menschen) darstellt.

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3 ErläuternSie,obmanausdenErgebnissenfolgernkann,dasshoheCorticosteronkonzentrationendieFähigkeitverringern,Aufgabenzulösen. Diese Schlussfolgerung ist nicht möglich. Die hohe Corticosteronkonzentration und die verringerte Fähigkeit, Aufgaben zu lösen, können eine gemeinsame Ursache haben, z. B. die Angst des Tieres. Das eine (Corticosteronkonzentration) muss jedoch nicht Ursache des anderen (Fehlerquote bei der Lernaufgabe) sein. So wäre denkbar, dass die durch Angst ausgelöste Stressreaktion sowohl das Hormonsystem mit der Folge Corticosteronausschüttung beeinflusst als auch Zentren des Gehirns stört, die für die Lösung von Lernaufgaben verantwortlich sind. Weiter wäre denkbar, dass andere Hormone, wie z. B. Adrenalin, die ebenfalls an Stressreaktionen beteiligt sind, die Lernstörung verursachen und nicht das Corticosteron.

4 BeschreibenSiedieErgebnissederStudieinAbb.3.Nach vier Wochen sind unter den Personen ohne Langzeitstress bereits ca. dreimal so viele mit ausgeheilten Wunden wie unter den Pflegern. Mehr als 50 % der Kontrollpersonen ohne Langzeitstress haben bereits nach ca. 6 Wochen ausgeheilte Wunden, während der Anteil an Pflegern (Langzeitstress) mit ausgeheilten Wunden immer noch unter 20 % liegt. Erst nach 7 und 8 Wochen nimmt auch bei den Pflegern die Wundheilung stark zu, erreicht aber noch nicht 100 % der Personen, im Gegensatz zu den Personen ohne Langzeitstress, die nach acht Wochen zu 100 % ausgeheilte Wunden haben.

5 BegründenSie,worinausIhrerSichtdieSchwierigkeitliegt,aussagekräftigeStudienwiedieinAbb.3beschriebenezuplanenunddurchzuführen.Es ist vermutlich sehr schwierig, eine ausreichend große Anzahl Testpersonen zu finden, die objektiv vergleichbare Aussagen zulassen. Die tatsächliche Stressbelastung der Pfleger ist schwer objektiv messbar und selbst auf gleich starke Stressbelastung können die Reaktionen der Menschen sehr unterschiedlich sein. Auch bei den Kontrollpersonen ohne den Stress Personen zu pflegen, kann nicht davon ausgegangen werden, dass sie nicht zumindest zeitweise während der Versuchsphase Stresssituationen ausgesetzt sind. Hinzu kommt, dass die Wundheilung von weiteren Faktoren beeinflusst wird, die bei den am Test beteiligten Personen schwer abschätzbar oder unbekannt sind.

6 FürdieWundheilungsstörungwirdvorallemCortisolverantwortlichgemacht,dasauchdasImmunsystembeeinflusst.Infor-mierenSiesichimBuchüberdieUrsachenvonAllergienundbegründenSie,warumCortisolzurTherapieeingesetztwird.BeiAllergien reagiert das Immunsystem auf Stoffe, die in der Umwelt vorhanden und normalerweise harmlos und ungefährlich sind, mit Symptomen, die häufig auch mit entzündlichen Prozessen einhergehen. Cortisol unterdrückt Abwehrreaktionen des körpereigenen Immunsystems und wirkt entzündungshemmend.

Material: Hormone und Biorhythmus (Seite 385)

1 WertenSiedieVersuchsergebnisseinAbb.1bezüglichderBedeutungfolgenderNetzhautkomponentenfürdieHelligkeits-informationaus:StäbchenundZapfen,Ganglienzelle,Melanopsin.Da der Ausfall von Stäbchen und Zapfen zwar zum Verlust der Sehfähigkeit führt, die Anpassung an den TagNachtRhythmus aber erhalten bleibt, muss es entweder weitere Zellen auf der Netzhaut geben, aus deren Erregungen das Gehirn die Wahrnehmung Helligkeit ableitet (Versuch 2) oder der Körper muss über andere Sinnesorgane verfügen, die eine HellDunkelWahrnehmung ermöglichen. Aus Versuch 3 kann man jedoch schließen, dass die HellDunkelWahrnehmung mithilfe von Zellen der Netzhaut ermöglicht wird. Aus dem Vergleich der Versuche 1, 4 und 5 kann man schließen, dass das Melanopsin der Ganglienzellen zur Helligkeitswahrnehmung beiträgt, das Fehlen von Melanopsin aber nicht zu einem vollständigen Verlust der Helligkeitswahrnehmung führt, wenn Stäbchen und Zapfen vorhanden bzw. intakt sind. Der Vergleich der Versuche 1, 4 und 6 lässt den Schluss zu, dass Stäbchen und Zapfen zwar einen Beitrag zur Helligkeitswahrnehmung liefern, wenn die Ganglienzellen vorhanden sind und kein Melanopsin bilden, bei vollständigem Fehlen der Ganglienzellen aber nicht ausreichen, um dem Gehirn die Helligkeitswahrnehmung zu vermitteln, die für die Anpassung der Aktivität an den TagNachtRhythmus notwendig ist.

2 BeimanchenblindenMenschenistderTag-Nacht-Rhythmusgestört,manchehabendagegentrotzfehlenderSehfähigkeiteinEmpfindenfürTagundNacht.ErläuternSiemöglicheGründefürdieseUnterschiedeunterVerwendungvonAbb.1. Beruht die Blindheit auf Defekten der Stäbchen und Zapfen, wäre es denkbar, dass die Menschen mithilfe anderer Netzhautzellen eine unbewusste Wahrnehmung für Tag und Nacht haben, dass das Gehirn Erregungen aus der Netzhaut erhält, die es als Helligkeitsinformation interpretiert. Liegt die Ursache der Blindheit z. B. in einer völligen Zerstörung der Netzhaut oder des Sehnervs, gelangen keine Erregungen aus den Augen zum Gehirn und damit auch keine Helligkeitsinformationen.

3 VerabreichtmanMenschenamspätenNachmittagMelatonin,kanneinefrühereEinschlafphaseerreichtwerden.DieInjektionvonMelatoninumdiegleicheZeitverursachthingegenbeiderRatteeinefrühereAktivität.LeitenSiemithilfevonAbb.2und3eineErklärungabundbegründenSiedenunterschiedlichenVerlaufbeiMenschundRatte.Abb. 2 und 3 lassen erkennen, dass der Mensch als tagaktives und die Ratte als nachtaktives Lebewesen einen zeitlichen Verlauf der Cortisolkonzentrationen haben, der ihnen die Bereitstellung von Glucose in dem Zeitraum ermöglicht, in dem sie aktiv sind. Ein Anstieg der Melatoninkonzentration wird von den Gehirnen beider Lebewesen zwar als Beginn der Dunkelheit interpretiert, für die Ratte ist dies jedoch der Beginn ihres aktiven Zeitraums, für den Menschen der Beginn der Schlafphase in der Nacht. Die künstliche Gabe von Melatonin täuscht somit der Ratte die Nacht und damit den Aktivitätszeitraum, dem Menschen ebenfalls die Nacht, jedoch den beginnenden Zeitraum des Schlafs vor.

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Nervengifte der Kegelschnecken (Seite 388)

1 ErklärenSiedenAblaufeinesAktionspotenzialsaufGrundlagederbeteiligtenIonenkanäleinderAxonmembran.(Punkte: 10/50) Nach einer überschwelligen Depolarisation der Axonmembran öffnen sich einige spannungsgesteuerte Na+Kanäle. Der Einstrom von Na+Ionen bewirkt eine weitere Depolarisation und das Öffnen von weiteren Na+Kanälen (positive Rückkopplung). Etwas verzögert öffnen sich spannungsgesteuerte K+Kanäle, während die Na+Kanäle in einen inaktiven Zustand übergehen. Der Ausstrom von K+Ionen bewirkt eine Repolarisation. Solange spannungsgesteuerte K+Kanäle geöffnet sind, ist die Permeabilität für K+Ionen erhöht und das Membranpotenzial negativer (Hyperpolarisation). Nach dem Schließen der spannungsgesteuerten K+Kanäle liegt wieder das Ruhepotenzial vor.

2 ErklärenSie,warumesfüreinejagendeKegelschneckevorteilhaftist,dassihrGiftsehrschnelltödlichwirkt.(Punkte: 7/50)Da sich die Schnecke nur relativ langsam fortbewegen kann und nicht über einen Fangapparat verfügt, würde die Beute entkommen, bevor das Gift wirkt.

3 VergleichenSiedieinAbb.3dargestelltenWirkungenderNervengiftevonKugelfischundKegelschneckeaufAxone.(Punkte: 12/50) Das Gift des Kugelfischs verhindert eine normale Repolarisation. Daher ist anzunehmen, dass das Öffnen der spannungsgesteuerten K+Kanäle durch das Gift gehemmt wird. Es ist denkbar, dass das Gift an die K+Kanäle bindet und deren Öffnung blockiert. Da das Gift der Kegelschnecke eine normale Depolarisation verhindert, ist anzunehmen, dass es das Öffnen der spannungsgesteuerten Na+Kanäle hemmt. Es ist denkbar, dass das Gift an die Na+Kanäle bindet und deren Öffnung blockiert.

4 ImLaborwurdedieWirkungvondreiGiftstoffenvonKugelfischundKegelschneckeaufSynapsenuntersucht(Abb.2).Formu-lierenSiejeweilseinebegründeteHypothesezumWirkmechanismusderGiftstoffe.(Punkte: 12/50) Gift 1 bewirkt ein konstant hohes postsynaptisches Potenzial, das durch ankommende Aktionspotenziale nicht weiter beeinflusst wird. Vermutlich bewirkt Gift 1 eine maximale Transmitterausschüttung an der Synapse. Gift 2 bewirkt ein deutlich abgeschwächtes postsynaptisches Potenzial. Ein einzelnes Aktionspotenzial löst kein postsynaptisches Potenzial aus und eine Folge von drei Aktionspotenzialen nur ein schwaches postsynaptisches Potenzial. Entweder behindert Gift 2 die Transmitterausschüttung oder es blockiert die Rezeptoren für den Transmitter an den rezeptorgesteuerten Ionenkanälen in der postsynaptischen Membran. Gift 3 bewirkt ein normales Ansteigen des postsynaptischen Potenzials, das dann aber kaum abfällt. Vermutlich hemmt Gift 3 die Acetylcholinesterase und behindert so die Entfernung der Transmittermoleküle aus dem synaptischen Spalt. Die Wirkungen der Gifte 2 und 3 heben sich auf, sodass ein normales postsy naptisches Potenzial ausgebildet wird. Es ist einerseits denkbar, dass durch Gift 2 weniger Transmitter ausgeschüttet wird, aber aufgrund von Gift 3 länger einwirkt. Andererseits ist es denkbar, dass wegen Gift 2 einige rezeptorgesteuerte Ionenkanäle blockiert sind, die restlichen aber durch Gift 3 länger geöffnet bleiben.

5 BegründenSiedieNotwendigkeitdesKontrollansatzesinAbb.2.(Punkte: 9/50)Der Kontrollansatz prüft die Auswirkungen der Aktionspotenziale ohne den Einfluss von Giften. Die Wirkung eines Giftes kann nur abgeschätzt werden, indem die Versuchsergebnisse mit denen des Kontrollansatzes verglichen werden.

Nervensystem des Kalifornischen Seehasen (Seite 389)

6 BeschreibenSiedenKiemenrückziehreflexanhandderinAbb.6gezeigtenVerschaltungvonNervenzellenundvergleichenSiedieVerschaltungmitdemKniesehnenreflexbeimMenschen.(Punkte: 17/50)Ein sensorisches Neuron vom Atemrohr erregt ein motorisches Neuron und zwei Interneurone. Die Wirkungen des hemmenden und des erregenden Interneurons heben sich auf. Eine Erregung des sensorischen Neurons führt daher zu einer Erregung des motorischen Neurons und schließlich zur Kontraktion der Muskeln, die ein Zurückziehen der Kiemen bewirken. Da nur wenige Neurone beteiligt sind, erfolgt der Rückziehreflex sehr schnell nach einer Reizung. Bei wiederholter Reizung wird an der Synapse zwischen sensorischem Neuron und Motoneuron und an der Sy napse zwischen erregendem Interneuron und Motoneuron weniger Transmitter abgegeben. Das motorische Neuron wird nicht mehr erregt und der Rückziehreflex bleibt aus. Wie beim Kniesehnenreflex beim Menschen sind nur wenige Nervenzellen beteiligt. Das erklärt die schnelle Reaktion. Auch beim Kniesehnenreflex ist ein hemmendes Interneuron beteiligt. Dieses ist beim Menschen aber für die Erschlaffung des Beugermuskels verantwortlich, während es bei Aplysia auf dasselbe Motoneuron wie die erregenden Synapsen einwirkt.

7 WertenSiedieinAbb.5dargestelltenMembranpotenzialeaus.(Punkte: 10/50)Bei einmaliger Reizung ist etwa 20 ms nach einer Erregung des sensorischen Neurons eine Erregung im Motoneuron messbar. Nach häufiger Reizung (habituiertes Tier) lässt sich keine Erregung des Motoneurons mehr messen, obwohl das Aktionspotenzial des sensorischen Neurons nahezu unverändert abläuft.

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Abi-Training Neurobiologie


8 BerührtmanbeimKalifornischenSeehasendenSchwanz,werdendieKiemennichtzurückgezogen.AberdanachkannderKiemenrückziehreflexvielleichterausgelöstwerden.DieerhöhteEmpfindlichkeitberuhtaufmehrerenEffektenindenpräsy-naptischenEndknöpfchendesmotorischenNeurons(Abb.7).StellenSieeineHypotheseüberdiebiologischeBedeutungderstattfindendenSensitivierungauf.(Punkte: 10/50)Durch die Sensitivierung lässt sich der Rückziehreflex leichter auslösen. Eine Berührung am Schwanz führt dazu, dass sich das Tier gewissermaßen in „HabAchtStellung“ befindet. Falls die Berührung am Schwanz von einem anderen Tier erfolgte, das eine Gefahr darstellt, ist es vorteilhaft, wenn die Kiemen nun beim geringsten Anlass schnell zurückgezogen werden.

9 ErklärenSie,wodurchdieinAbb.7genanntenEffekteinderPräsynapseeineerhöhteTransmitterausschüttungbewirken.(Punkte: 13/50)Das Öffnen von Ca2+Kanälen im Endknöpfchen sorgt für erhöhte Transmitterausschüttung, da durch den Ca2+Einstrom die Verschmelzung von Vesikeln mit der Membran ausgelöst wird. Ein Schließen von K+Kanälen bewirkt, dass die Depolarisation in der Membran des Endknöpfchens länger erhalten bleibt und so mehr Transmitter ausgeschüttet wird. Indem vermehrt Vesikel an die prä synaptische Membran gelangen, wird ebenfalls mehr Transmitter ausgeschüttet.

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Basiskonzepte

Basiskonzept Struktur und Funktion (Seite 390/391)

1 NennenSieeinweiteresBeispielfüreinMakromolekül,dasnachdemBaukastenprinzipaufgebautist.Mögliche Beispiele sind u. a. Lignin, Stärke, Cellulose und Chitin.

2 ErläuternSieamBeispielderkomplementärenBasenpaarungderDNAeinesderPrinzipiendieserDoppelseite.Immer nur zwei Basen der DNA können miteinander in Wechselwirkung treten: Arginin mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Dies ist ein Beispiel für das Schlüssel-Schloss-Prinzip.

3 BeschreibenSieamBeispielvonWurzeln,Spross,LaubblattundBlütedenZusammenhangzwischenFunktionundStruktur.Mit ihrer großen Oberfläche sind Blätter daran angepasst, möglichst viel Sonnenlicht zu absorbieren. Die Spaltöffnungen sind so-wohl für den Gasaustausch als auch für die Transpiration zuständig. Dadurch, dass die Spaltöffnungen verschließbar sind, können Gasaustausch und Transpiration reguliert werden. Viele Blätter besitzen auf der Oberfläche eine Wachsschicht, die vor Wasser-verlust schützt. Die darunterliegende Epidermis und das Palisadenparenchym enthalten viele Chloroplasten. Im Schwammparen-chym befinden sich Hohlräume, die den Austausch von Gasen erleichtern. Der langestreckte Spross dient dem Stofftransport. Hier befinden sich Leitungsbahnen für Wasser und gelöste Mineralstoffe von den Wurzeln zu den Blättern und solche, die die gelösten Nährstoffe aus den Blättern zu den Wurzeln transportieren. Zusätzlich ist der Spross verstärkt, um die Stabilität der Pflanze zu gewährleisten. Wurzeln sind weit verzweigt und besitzen feine Wurzelhärchen, sodass sie eine sehr große Oberfläche besitzen. Dies ermöglicht eine effiziente Stoffaufnahme. Blüten von Pflanzen, die von Insekten bestäubt werden, sind häufig farbig und enthalten Nektar, mit dem sie Insekten anlocken. Windbestäuber sind so aufgebaut, dass Pollen leicht durch den Wind weggetragen werden können. Die klebrige Narbe sorgt dafür, dass der Pollen haften bleibt.

4 ChloroplastenundMitochondrienweisenAuffaltungenderinnerenMembranauf.StellenSieeinenZusammenhangzueinemBeispielaufdieserDoppelseiteher.Mitochondrien und Chloroplasten weisen eine große Membranoberfläche auf. Die große Oberfläche ermöglicht einen effizienten Stoffaustausch. Dies entspricht dem Oberflächenprinzip wie beim Verzweigungsprinzip.

Basiskonzept Kompartimentierung (Seite 392/393)

1 BeschreibenSiedieBedeutungderKompartimentierunginZellenfürdieLebewesen.Durch Biomembranen entstehen innerhalb der eukaryotischen Zelle Kompartimente als Reaktionsräume, in denen unterschiedli-che Bedingungen herrschen, wie z. B. verschiedene pH-Werte oder andere Konzentrationen. So können viele unterschiedliche Stoff-wechselreaktionen in einer Zelle gleichzeitig ablaufen. Die Kompartimentierung von Zellen ist eine Grundlage für Spezialisierung. Kompartimente ermöglichen aber auch die Speicherung von Stoffen innerhalb einer Zelle.

2 KompartimentierungkannaucheineSchutzfunktionhaben.ErläuternSiedies.VergleichenSieunterdemAspektderKompar-timentierungdieBienenimBienenstaatmitdenOrganenunseresKörpers.Durch die Bildung von Kompartimenten lassen sich bestimmte Bereiche von anderen abgrenzen. So können z. B. Giftstoffe in Zellen gespeichert werden, ohne den Organismus bzw. die Zelle zu schädigen. In einem Organismus erfüllen die Organe jeweils spezifische Funktionen. Diese Arbeitsteilung erhöht die Effizienz. In einem Bienenstaat haben die Königin und verschiedene Stadi-en der Arbeiterinnen unterschiedliche Aufgaben. Auch hier erhöht die Arbeitsteilung die Effizienz.

3 KompartimentierungfindetmanaufmehrerenSystemebenen.NennenSiejeweilseinBeispielaufderEbeneeinesÖkosystems,einesOrganismus,einesOrgansundeinerZelle.Im Ökosystem Wald kann man die verschiedenen Schichten als Kompartimente betrachten. Baumschicht, Strauchschicht, Kraut-schicht, Moosschicht und Wurzelschicht bilden Lebensräume für verschiedene Lebewesen. In den Schichten herrschen unterschied-liche Lebensbedingungen. Biotische und abiotische Faktoren unterscheiden sich in den verschiedenen Bereichen. In einem Organismus bilden die Organe unterschiedliche Kompartimente. Jedes Organ hat eine spezifische Aufgabe, ebenso wie die Organellen in einer Zelle. Organe sind aus unterschiedlichen Geweben aufgebaut. So besteht z. B. die Haut aus unterschiedli-chen Schichten, die jeweils eine bestimmte Funktion haben. Die Organellen innerhalb einer Zelle bilden ebenfalls Kompartimente. Die Organellen haben spezifische Funktionen und ermögli-chen so eine Arbeitsteilung. Außerdem bilden sich verschiedene Reaktionsräume, in denen Stoffwechselreaktionen unter unter-schiedlichen Bedingungen gleichzeitig ablaufen können.


4 ErläuternSieamBeispielderChloroplastenundderGewebeeinesLaubblatts,wiedieseStrukturenandieFunktionderFoto-syntheseangepasstsind.Mit ihrer großen Oberfläche sind Blätter daran angepasst, möglichst viel Sonnenlicht zu absorbieren. Die Spaltöffnungen regu-lieren den Gasaustausch und die Transpiration. Die Lage der Spaltöffnungen auf der Unterseite vermindert die Wasserabgabe, da sie keiner direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Viele Blätter besitzen auf der Oberfläche eine Wachsschicht, die vor Wasserverlust schützt. Die darunterliegende Epidermis und das Palisadenparenchym enthalten viele Chloroplasten. Im Schwamm-parenchym befinden sich Hohlräume, die den Gasaustausch erleichtern. Chloroplasten haben eine stark gefaltete innere Membran. Dies ermöglicht die Platzierung vieler Moleküle der Fotosysteme und der Elektronentransportketten. Zwischen den beiden Membranen befindet sich ein Kompartiment, in dem Wasserstoff-Ionen angereichert werden können.

Basiskonzept Steuerung und Regelung (Seite 394/395)

1 ErklärenSiedenUnterschiedzwischenSteuerungundRegelung.Bei der Regelung wird eine bestimmte Größe immer wieder an einen vorgegebenen Sollwert angeglichen. Typisch für die Regelung ist die negative Rückkopplung. Der Ablauf einer Regelung lässt sich in einem Regelkreis darstellen. Von Steuerung spricht man bei einem Vorgang, bei dem eine bestimmte Größe verändert wird.

2 ErläuternSiediebiologischeBedeutungvonSteuerungundRegelung.Die Regelung dient der Aufrechterhaltung von bestimmten „Zuständen“ innerhalb eines Lebewesens, wie z. B. der Körpertempera-tur. Steuerung ermöglicht die Anpassung an Veränderungen. Ein Beispiel ist die Erhöhung oder Verminderung der Genaktivität bei Entwicklung von Insektenlarven.

3 BeschreibenSieamBeispieldesKniesehnenreflexesdieSteuerungvonBewegungen.Durch eine Dehnung der Kniesehne wird der Muskel ebenfalls gedehnt. Dehnungsrezeptoren im Muskel registrieren die Dehnung und eine Erregung wird ausgelöst, die über Nervenbahnen bis ins Rückenmark weitergeleitet wird. Kommt diese Information im Rückenmark an, so wird eine Erregung an den Muskel weitergeleitet, der sich zusammenzieht.

4 ErläuternSiedieRegulationdesBlutzuckerspiegelsmithilfedesabgebildetenRegelkreises.Die zu regelnde Größe ist die Blutzuckerkonzentration. Diese verändert sich bei Nahrungsaufnahme bzw. wenn der Energieumsatz sich verändert (Störgröße). Der Istwert der Blutzuckerkonzentration wird von Zellen der Bauchspeicheldrüse registriert. Weicht der Istwert vom Sollwert ab, so produzieren die Zellen der Bauchspeicheldrüse Insulin bzw. Glucagon. Insulin bewirkt, dass Glucose von Muskelzellen und Leberzellen aufgenommen wird. Dadurch sinkt der Blutzuckerspiegel. Glucagon führt dazu, dass in der Leber aus Glykogen Glucose freigesetzt wird, die in das Blut gelangt. Dies führt zu einer Erhöhung des Blutzuckerspiegels.

5 ErstellenSieeinenRegelkreisfüreinHeizungsthermostat,dasdafürsorgt,dassdieRaumtemperaturkonstantbei20°Cgehal-tenwird.

Thermostat

Temperaturvorgabe z. B. 20 °C

Stellglied

Ofen

ThermometerZufuhr von BrennstoffRegelgröße

Raum

Temperatur Regelgröße

Messfühler

Messung

Beeinflussung der Temperatur

Störgrößez. B. offenes Fenster


Basiskonzept Geschichte und Verwandtschaft (Seite 396/397)

1 NennenSiedieMerkmalederGruppenderSäugetiere,diezurErstellungdesabgebildetenKladogrammsverwendetwurden.Für das Kladogramm wurden die Merkmale Behaarung, lebendgebärend und eierlegend verwendet.

2 BeschreibenSieaneinemweiterenBeispiel,wiezweiArtendurchKoevolutionwechselseitiganeinanderangepasstwurden.Verschiedene Lösungen sind möglich. Beispiellösung: Ein typisches Beispiel für eine Koevolution liegt bei Korallentieren und Algen vor. Die einzelligen Algen leben in der Außenhaut der Korallen und sind allein nicht mehr lebensfähig. Die Steinkoralle bietet einen sicheren Lebensraum und profitiert von den Fotosyntheseprodukten der Alge. Im Laufe der Evolution haben sich die beiden Lebewesen aneinander angepasst.

3 DieBiologieistdieeinzigeNaturwissenschaft,diedieFrage„Wozu?“,alsonachderFunktionalität,stellt.OhnedieseFragesinddieEigenschafteneinesLebewesensnichtzuverstehen.ErklärenSiedies.Der Bau eines Lebewesens ist immer Ergebnis eines langen Evolutionsprozesses. Dieser bewirkt eine Angepasstheit an den jeweili-gen Lebensraum und die Lebensweise. Insofern ist der Bau eines jeden Organismus bzw. eines Organs, eines Gewebes, einer Zelle oder eines Organells immer in der jeweiligen Funktion begründet.

Basiskonzept Variabilität und Angepasstheit (Seite 398/399)

1 ErläuternSiedenUnterschiedzwischenPolymorphismusundModifikation.Gene können in verschiedenen Ausprägungen vorliegen und dann auch zu verschiedenen Phänotypen führen. Dies bezeichnet man als Polymorphismus. Eine Modifikation liegt vor, wenn Organismen einer Art trotz gleichen Genotyps einen unterschiedlichen Phänotyp ausbilden. Grund dafür sind verschiedene Lebensbedingungen.

2 BeschreibenSieeinweiteresBeispielvonPolymorphismus.Weitere Beispiele für Polymorphismen sind z. B. die Haarfarbe, die Körpergröße des Menschen oder die Blutgruppen (z. B. AB0-System).

3 NennenSieeinweiteresBeispielfürKonvergenz.Verschiedene Lösungen sind möglich. Beispiellösung: Bei Maulwurf und Maulwurfsgrille sind die vollkommen verschieden gebau-ten vorderen Extremitäten so gestaltet, dass sie beide optimal zum Graben geeignet sind.

4 ErklärenSie,wodurchsichdasBeispiel„PlastizitätdesOrganismus“vondenanderenBeispielenunterscheidet.Das Beispiel der Plastizität auf der Ebene des Organismus bezieht sich nur auf ein Individuum. Die anderen Beispiele beziehen sich auf ganze Arten.

Basiskonzept Reproduktion (Seite 400/401)

1 BakterienvermehrensichwiealleZellendurchZellteilung.SieverfügenüberkeinenDNA-Reparaturmechanismus.ErläuternSie,weshalbgeradediesfürdieBakterienvonVorteilist.Da Bakterien sich nur über Zellteilung vermehren können, entstehen genetisch identische Nachkommen, außer wenn Mutationen vorliegen. Durch das Fehlen eines DNA-Reparaturmechanismus ist die Mutationsrate höher, da Fehler bei der DNA-Replikation nicht behoben werden. Diese erhöhte Mutationsrate gewährleistet, dass bei hoher Vermehrungsrate die Wahrscheinlichkeit wächst, dass die Bakterienart bei sich ändernden Umweltbedingungen überleben kann. So gibt es auch ohne sexuelle Fortpflan-zung eine hohe genetische Vielfalt innerhalb einer Bakterienpopulation.

2 Erdbeerpflanzenkönnensichsowohlungeschlechtlichalsauchsexuellfortpflanzen.BeschreibenSiedieVorteile.Durch die vegetative Fortpflanzung kann sich eine einzelne Pflanze vermehren, wobei die Mutterpflanze durch Nährstoffe für die Ausläufer eine „Starthilfe“ liefert. So können Erdbeeren rasch einen Lebensraum erobern. Nachteil ist, dass alle Pflanzen genetisch identisch sind. Bei veränderten Lebensbedingungen, z. B. bei erhöhter Trockenheit, leiden alle Pflanzen gleichermaßen. Durch die Möglichkeit der sexuellen Fortpflanzung wird die genetische Vielfalt erhöht. Es sind jedoch zwei Partner nötig und es muss viel Energie in die Blüten- und Samenbildung investiert werden. Bei veränderten Umweltbedingungen ist jedoch die Wahrscheinlich-keit relativ hoch, dass eine oder einige Pflanzen (z. B. bei erhöhter Trockenheit) trotz dieser Bedingungen überleben können.

3 InPfützenfindetmanhäufigEinzeller.Alsr-Strategenkönnensiehierüberleben.ErläuternSiedies.Pfützen sind nur temporär vorhanden. Hier können nur Arten existieren, die sich schnell vermehren und viele Nachkommen produ-zieren, die die Chance haben, in ein anderes „Gewässer“ weitergetragen zu werden.


Basiskonzept Stoff- und Energieumwandlung (Seite 402/403)

1 BeschreibenSieeinBeispielfürdieSpeicherungenergetischnutzbarerStoffebeiPflanzen.Viele Samenpflanzen speichern Fette bzw. Stärke in ihren Samen. Die Fette im Samen ernähren den Keimling während seines Wachstums, bis er sich selbst durch Fotosynthese ernähren kann.

2 DerWirkungsgradderEnergienutzungbeiLebewesenhängtunteranderemvonderKörpergrößeab.ErklärenSiedies.Bei gleichwarmen Tieren wird viel Energie für die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur benötigt. Die im Inneren des Kör-pers entstehende Wärme wird zum Teil über die Körperoberfläche abgegeben. Die relative Körperoberfläche, also das Verhältnis zwischen Körpervolumen und Körperoberfläche, wird umso günstiger, je größer ein Lebewesen ist. Dies bedeutet, dass bei kleinen Tieren ein relativ kleines Volumen zur Wärmeerzeugung einer relativ großen Oberfläche gegenübersteht.

3 „OhnedieFotosynthesegäbeesaufderErdekeineTiereundPflanzen.“NehmenSieStellungzudieserAussage.Zu Beginn jeder Nahrungskette stehen autotrophe Lebewesen. Durch den Prozess der Fotosynthese (oder Chemosynthese) produ-zieren sie Nährstoffe und Sauerstoff. Sauerstoff wird von Tieren für die Zellatmung benötigt. Pflanzliche Biomasse ist direkt oder indirekt Nahrungsgrundlage für Tiere.

Basiskonzept Information und Kommunikation (Seite 404/405)

1 SiehörendenGesangeinesAmselmännchensimGarten.DasWeibchenantwortet.ErläuternSie,weshalbzwischendenbeidenVögelnKommunikationstattfindet,zwischenIhnenunddemSingvogeljedochnicht.Der Austausch von Signalen, die von den Beteiligten verstanden werden können, wird als Kommunikation bezeichnet. Während Amselmännchen und Amselweibchen den Gesang „verstehen“ können, bleibt die genaue Bedeutung für uns Menschen unklar.

2 BeschreibenSieamBeispieldesMorsealphabets,wasmanuntereinemCodeversteht.Ein Code ist eine eindeutige Vorschrift zur Umwandlung von Zeichen einer „Sprache“ in eine andere. Beim Morsealphabet wird jedem Buchstaben des Alphabets ein bestimmtes Morsesignal zugeordnet. Die Schriftsprache wird also in die Morse-Sprache umgewandelt. Ist der Code bekannt, so kann eine Rückumwandlung erfolgen.

3 DerMenschverfügtüberSinneundeinNervensystemsowieeinHormonsystemalsKommunikationssysteme.ErläuternSiejeweilsdieVor-undNachteilederbeidenSysteme.Beim Nervensystem ist vorteilhaft, dass die Leitung schnell erfolgt und eine kurzfristige Wirkung ermöglicht. Nachteilig ist der hohe Energiebedarf und dass ein eigenes Leitungsnetz benötigt wird. Das Hormonsystem erreicht lang anhaltende Wirkung bei geringem Energieaufwand und nutzt den Blutkreislauf zur Weiterleitung. Allerdings tritt die Wirkung vergleichsweise langsam ein.

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