SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS)

KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT

Abitur April/Mai 2004

Biologie (Leistungskurs)

Einlesezeit: 30 Minuten Bearbeitungszeit: 300 Minuten

Thema 1

Bewegung – Merkmal des Lebens

Thema 2

Die Haut als lebenswichtiges Organ

Thema 3

Bakterien – Lebewesen mit vielfältigem Wirkungsspektrum

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 1: Bewegung – Merkmal des Lebens 1 Muskelbewegungen beim Menschen 1.1 Nennen Sie drei Beispiele für Bewegungen im menschlichen Organismus und geben

Sie deren jeweilige Bedeutung an. 1.2 Die Bewegung der Muskeln wird durch das Nervensystem koordiniert. An den Kon-

taktstellen zwischen Nerv und Muskel, den neuromuskulären Synapsen, wurde sowohl die ungestörte als auch die durch Giftstoffe beeinflusste Erregungsübertragung unter-sucht. Ergebnisse der Wirkung dreier Giftstoffe sind im Material 1 dargestellt.

Beschreiben Sie den Vorgang der ungestörten Erregungsübertragung an einer neuro-muskulären Synapse.

Werten Sie die Diagramme im Material 1 aus und leiten Sie daraus begründete Ver-mutungen zum Wirkmechanismus der drei Gifte ab.

1.3 Die für die Bewegung notwendige Energie kann im Muskel je nach vorliegenden

Bedingungen durch zwei verschiedene biochemische Prozesse gewonnen werden. Vergleichen Sie die beiden Prozesse nach vier selbst gewählten Kriterien. 2 Spaltöffnungsbewegungen 2.1 Mikroskopieren Sie das Dauerpräparat des vorgelegten Blattquerschnittes und fertigen

Sie eine beschriftete Skizze eines Ausschnittes an. 2.2 Stellen Sie die Wasseraufnahme in den Wurzelhaarzellen und den Gasaustausch an

Spaltöffnungen im Hinblick auf die Schaffung von Voraussetzungen für die Fotosyn-these in Blattzellen dar.

2.3 Schließzellen können ihre Gestalt verändern und beeinflussen dadurch die Weite der

Spaltöffnungen. Im Material 2 sind Untersuchungsergebnisse zu Spaltöffnungsbe-wegungen bei Pflanzen dargestellt.

Entwickeln Sie eine schematische Darstellung, in der die Wirkung der beeinflussenden Faktoren auf die Weite der Spaltöffnungen wiedergegeben wird.

Erläutern Sie mit Hilfe Ihres Schemas die Veränderungen der Spaltöffnungsweite im Tagesverlauf.

3 Jahreszeitliche Veränderungen sind auch bei der Aktivität von Wirbeltieren festzu-

stellen. Während die meisten Säugetiere auch im Winter aktiv bleiben, verbringen Amphibien

in unseren Breiten diese Jahreszeit bewegungslos in einer Kältestarre. Erklären Sie ausgehend von den anatomischen und physiologischen Voraus-

setzungen die unterschiedliche jahreszeitliche Aktivität der Individuen der beiden genannten Tierklassen. Nutzen Sie dazu die Materialien 3 und 4 sowie weitere selbst gewählte Fakten.

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 1: Bewegung – Merkmal des Lebens Material 1 Untersuchungsergebnisse zur Wirkung von Giften an neuro- zur Aufgabe 1.2: muskulären Synapsen

In den Diagrammen sind die Membranpotenziale der postsynaptischen Muskelzelle nach überschwelliger Reizung der präsynaptischen Nervenzelle dargestellt. Vor der Reizung wurden die Gifte A, B bzw. C zugesetzt.

Nach: Biologie Unterrichtsmaterialien für Lehrkräfte, Stark Verlag Freising C 1.4

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 1: Bewegung – Merkmal des Lebens Material 2 Spaltöffnungsbewegungen bei Pflanzen zur Aufgabe 2.3: Untersuchungsergebnisse zur Regulation der Spaltöffnungsweite Es lag auf der Hand, den Mechanismus der Schließbewegung auf Turgoränderungen zurückzuführen und sie als Turgorbewegungen einzustufen. Die pflanzenanatomische Unter-suchung der Stomata (vor allem die Betrachtung der Querschnitte) verifizierte diese An-nahme. Bei vielen Arten sind die Außen- und Innenwand im Vergleich zu den Seitenwänden stark verdickt. Sie setzten daher jeglicher Deformation einen merklichen Widerstand ent-gegen. Die Wand zwischen Schließ- und Nebenzelle und die den Spalt formende Wand relativ dünn und daher leicht dehnbar. Diese Asymmetrie im Zellbau und der Wandstärken erklärt die gerichtete, durch Turgor bedingte Bewegung. Probleme ergaben sich jedoch bei der Auf-klärung der Auslösung und der Regulation dieses Vorgangs: Wasser erwies sich zwar als bedeutender, doch nicht alleiniger Kontrollfaktor der Schließzellbewegung. Als nicht minder wichtige Regelgrößen haben sich die Kohlenstoffdioxidkonzentration und Licht erwiesen: Eine niedrige Kohlendioxid-Konzentration (in der Atemhöhle) führt zu einer Spaltenöffnung, eine hohe zu Spaltenverschlussstoff. Licht fördert das Öffnen.

Kaliumgehalt in verschiedenen Zellen eines Spaltöffnungsapparats Abbildung A:

Hinweis: Die Aufnahme von Kaliumionen in die Schließzellen erfolgt durch aktiven Transport. Der Gehalt an Kaliumionen ist in relativen Einheiten angegeben. Nach: www.mrotherly.co.uk/transport/transportq3.htm

Spaltöffnungsweite einer Versuchspflanze im Tagesverlauf Abbildung B:

Nach: v. Sengbusch, P.: Botanik online – The Internet Hypertextbook, CD-ROM

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 1: Bewegung – Merkmal des Lebens Material 3 Organe von Amphibien und Säugetieren im Vergleich zur Aufgabe 3:

schematische Darstellung der Lungen Abbildung A:

Aus: Kunze, H., Evolution, Stark Verlagsgesellschaft mbH, Freising 1999, S. 60

Herzkreislaufsysteme (schematische Darstellung) Abbildung B:

Nach: Starke, A., Biologie heute S II Arbeitsheft Neurophysiologie, Verhaltensbiologie, Evolutions-

biologie, Schroedel Verlag GmbH, Hannover 1998, S. 50

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 1: Bewegung – Merkmal des Lebens Material 4 Organe von Amphibien und Säugetieren im Vergleich zur Aufgabe 3: Angaben zu Roten Blutkörperchen

Art Anzahl in Mio/mm3Durchmesser in µm

Ziege 18 bis 19 3,2 bis 5,4

Frosch 0,4 15 bis 22

Aus: Fels, G.: Der Organismus, Ernst Klett Schulbuchverlag GmbH, Stuttgart 1988, S. 71

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 2: Die Haut als lebenswichtiges Organ 1 Die menschliche Haut ist ein lebenswichtiges Organ. Sie bildet die äußere Ober-

fläche des Körpers und damit eine Barriere zwischen Umwelt und innerem Milieu. Nennen Sie unter Nutzung des Materials 1 fünf Funktionen der Haut.

2 Sowohl in der Haut als auch im Hypothalamus befinden sich Temperaturrezeptoren.

Lange Zeit war unklar, welche dieser Rezeptoren übergeordnet für die Temperatur-regulation des menschlichen Organismus verantwortlich sind. Zur Klärung dieser Frage wurde ein Versuch durchgeführt. Interpretieren Sie die im Material 2 dargestellten Kurvenverläufe im Hinblick auf die dem Versuch zugrunde liegende Fragestellung. Begründen Sie die Empfehlung, bei hohen Umgebungstemperaturen heiße Getränke zu sich zu nehmen.

3 Die Reizung einer Hautstelle führt zu vielfältigen reiz- und stoffwechselphysiolo-

gischen Veränderungen. 3.1 Nach dem Stich mit einer Nadel in die Fußsohle folgt das rasche Anheben des

Beines. Skizzieren Sie den Reflexbogen für diese Reaktion.

3.2 Erläutern Sie die reizphysiologischen Vorgänge bei der Entstehung eines Aktions-

potenzials an der Membran einer Nervenzelle und beziehen Sie in Ihre Erläute-rungen die jeweils zutreffende Abbildung aus dem Material 3 ein.

3.3 In Nervenzellen befindet sich im Vergleich zu anderen Körperzellen des Menschen

eine sehr hohe Anzahl Mitochondrien. 3.3.1 Beschreiben Sie die Bildung von ATP unter Nutzung des Materials 4. 3.3.2 Erläutern Sie auf der Grundlage der Auswertung der Diagramme im Material 5 die

Auswirkungen des Entzugs von Sauerstoff und Glucose auf die Funktion der Nerven-zellen. Begründen Sie in diesem Zusammenhang die hohe Mitochondrienzahl in Nerven-zellen.

4 Die Haut des Menschen erhält ihre Farbe durch Variationen der Pigmentierung der

fünf übereinander liegenden Schichten der Epidermis. Stellen Sie den Erbgang zwischen dem dunkelsten und hellsten möglichen Phänotyp bis zur F2-Generation unter Verwendung von Material 6 auf und leiten Sie aus den jeweiligen Genotypen die entsprechenden Pigmentierungsstufen der Haut ab. Überprüfen Sie die Gültigkeit der Mendel’schen Regeln und begründen Sie Ihre Entscheidung.

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 2: Die Haut als lebenswichtiges Organ Material 1 Bau der äußeren Haut des Menschen zur Aufgabe 1:

Aus: Brehme, S. und Meincke, I. (Hrsg.), Wissensspeicher Biologie, Volk und Wissen Verlag

GmbH, Berlin 1995, S. 112

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 2: Die Haut als lebenswichtiges Organ Material 2 Versuch zur Temperaturregulation zur Aufgabe 2: Eine in Ruhe befindliche, unbekleidete Versuchsperson wurde in einer Klimakammer einer Umgebungstemperatur von konstant 45 °C ausgesetzt. Sie nahm in regelmäßigen Ab-ständen einige Eiswürfel zu sich. Während der 80-minütigen Versuchsdauer wurden mit einer Mikrosonde die Hypothalamustemperatur, die Hauttemperatur sowie die Schweiß-abgabe gemessen. Die Abbildung (s. u.) zeigt die Versuchsergebnisse.

Aus: Weis, M., Materialien Biologie, Stark Verlag, C 1.5, S. 13, 14

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 2: Die Haut als lebenswichtiges Organ Material 3 zur Aufgabe 3.2:

Reizphysiologische Vorgänge an einer Nervenzellmembran (Modell) (schematische Darstellung, ungeordnete Reihenfolge)

Aus: Jaenicke, J. und Jungbauer, W., Biologie heute S II, Lehrerband Teil 2, Schroedel Verlag

GmbH, Hannover 1998, s. 138 (C) und S. 145 (A und B) Material 4 zur Aufgabe 3.3.1:

Schema der Atmungskette

Aus: Starke, A. (Hrsg.), Biologie heute S II, Arbeitsheft Cytologie, Entwicklungsbiologie, Stoff-

wechselphysiologie, Schroedel Verlag GmbH, Hannover 1998, S. 62

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 2: Die Haut als lebenswichtiges Organ Material 5 zur Aufgabe 3.3.2:

Ein Experiment am Axon einer Nervenzelle

In den ersten 5 Minuten werden am Axon einer Nervenzelle Messwerte unter natürlichen Bedingungen registriert. Danach werden Sauerstoff und Glucose entfernt. Nach 35 Minuten wird der Stoffwechsel durch Sauerstoff- und Glucosezufuhr wieder normalisiert.

Aus: Bickel, H., Eckebrecht, D. und Krull, H.-P., Natura, Lehrerband Neurobiologie und Verhalten,

Ernst Klett Verlag, Stuttgart 1997, S. 9 Material 6 zur Aufgabe 4:

Die Hautfarbe von Mischlingskindern (Mulatten)

Das Merkmal Hautfarbe wird durch mehrere Gene bestimmt. Diese Gene tragen alle eine spezifische Art an genetischer Information, nämlich die für die Bildung einer bestimmten Pigmentmenge. Bei der Ausbildung des Merkmals addieren sich die Wirkungen der Gene. Je mehr verdunkelnde Gene vorhanden sind, desto farbtiefer ist die Pigmentierung der Haut. Für ein Modell der Vererbung der Hautfarbe kann man von 2 Genpaaren ausgehen. Hierbei codieren die Gene A und B jeweils eine Pigmentmenge, die farbvertiefend wirkt. Die allelen Gene a und b dagegen wirken aufhellend, da sie nur eine geringe Pigmentmenge codieren. AABB stellt somit den Genotpy für den dunkelsten möglichen Phänotyp dar, aabb den des hellsten. Nach: Miram, W. und Scharf, K.-H. (Hrsg.), Biologie heute S II, Schroedel Verlag GmbH, Hannover

1997, S. 214

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 3: Bakterien – Lebewesen mit vielfältigem Wirkungsspektrum Das unscheinbare Darmbakterium Escherichia coli gehört zu den am besten untersuchten Bakterien. Unter optimalen Bedingungen teilt sich eine Escherichia coli-Zelle alle 20 Minuten, so dass die Verdopplung der genetischen Information mit atemberaubender Geschwindigkeit erfolgt: etwa 1 000 DNA-Nukleotide können in einer Sekunde kopiert, d. h. verdoppelt werden. Das Genom von Escherichia coli ist entschlüsselt. Daraus ergibt sich u. a. seine Eignung als Forschungsobjekt in der modernen Biologie. Das vielfältige Wirken verschiedener Bakteriengruppen kann unter stoffwechsel-physiologischen, genetischen, ökologischen und gentechnischen Aspekten betrachtet werden. Erläutern Sie das Leistungsvermögen von Bakterien unter den genannten Aspekten auf der Grundlage der beigefügten Materialien. Stellen Sie die Entwicklung zweier Bakterienarten in Reinkultur anhand der Daten im Material 5 auf Millimeterpapier graphisch dar. Beziehen Sie in die Auswertung Ihrer graphischen Darstellungen auch den Vergleich mit den im Material 6 dargestellten Ergebnissen ein. Legen Sie Ihren Ausführungen eine gut strukturierte Gliederung zugrunde.

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 3: Bakterien – Lebewesen mit vielfältigem Wirkungsspektrum Material 1: Genmanipulierter Reis

Genmanipulierter Reis kann dazu beitragen, dass nicht mehr jährlich 500 000 Kinder erblinden und Millionen sterben, weil ihnen Vitamin A fehlt. Dieser Reis enthält Provitamin A, das nach dem Verzehr im Körper zu Vitamin A umgebaut wird. Vitamin A ist die Grundlage für die Bildung des Sehfarbstoffes in den Sinneszellen der Netzhaut. Aus: Zeitschrift: Natur und Kosmos, Natur und Media GmbH, München November 2001, S. 62 Material 2: Kreislauf des Stickstoffes

Aus: Wissensspeicher Biologie, Cornelsen Scriptor, Berlin 1996, S. 209

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 3: Bakterien – Lebewesen mit vielfältigem Wirkungsspektrum Material 3: Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten Abbildung 1: Modell der Regulation der Proteinbiosynthese bei Bakterien

Nach: Jaenicke, J. und Miram, W., Biologie heute S II, Lehrerband, Teil 1, Schroedel Schulbuch-

verlag, Hannover 1998, S. 315 Abbildung 2: Sauerstoffverbrauch in Abhängigkeit von der Zeit von gleichen

Mengen E. coli in Lösungen gleicher Zuckerkonzentration, aber unterschiedlicher Mischungsverhältnisse von Glucose und Sorbit

Bakterien des Stammes E. coli können sowohl Glucose als auch Sorbit veratmen.

Aus: Materialien Biologie, Stark Verlag, G 1.1, S. 1

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 3: Bakterien – Lebewesen mit vielfältigem Wirkungsspektrum Material 4: Zusammenhang zwischen Stoffwechsel und Bakterienanzahl Escherichia coli ist ein Beispiel für ein Bakterium, das sowohl aerob als auch anaerob leben kann. Folgende Versuche wurden mit E. coli durchgeführt. In zwei 50 ml-Erlenmeyerkolben wurden jeweils 0, 1 ml E. coli-Suspension gegeben. Kolben 1 enthielt 10 ml Nährlösung, Kolben 2 enthielt 50 ml Nährlösung. Kolben 1 wurde kräftig geschüttelt und danach verschlossen. Kolben 2 wurde sofort ver-schlossen. Während der Bebrütung der Kulturen wurde laufend die Anzahl der Bakterien bestimmt. Kolben 1 wurde während der Dauer der Bebrütung ab und zu geschüttelt Das Ergebnis dieser Versuche ist in der Abbildung dargestellt.

Nach: Jaenicke, J., Materialien –Handbuch, Kursunterricht Biologie, Band 2, Stoffwechselbiologie,

Aulis Verlag Deubner und Co. KG, Köln 1992, S. 196

SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2004 BIOLOGIE (LEISTUNGSKURS) Thema 3: Bakterien – Lebewesen mit vielfältigem Wirkungsspektrum Material 5: Wachstumszahlen zweier Bakterienarten in flüssiger Umwelt Material 5.1: Populationsentwicklung zweier Bakterienarten in Reinkultur

Zeit in Stunden Log Zahl Zellen ⋅ m/-1

Art 1 Log Zahl Zellen ⋅ m/-1

Art 2

0 0 0

3 7,8 5,4

6 9,2 6,6

9 9,8 7,8

12 10,0 9,0

15 9,9 9,8

Material 5.2: Graphische Darstellung der Populationsentwicklung der zwei

Bakterienarten in Mischkultur

Aus: Unterrichts-Materialien Biologie, Stark Verlag, H 2.12, S. 47