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KOMPLEXE ÜBUNG: STOFFWECHSEL IM AQUARIUM

Thema: Stoffwechsel

Notizen/Vokabular:

Material 1: Aquarien

Aquarien sind ein beliebtes und weit verbreitetes Hobby. Je nach Interesse, Erfahrung und gewünschten Zeitaufwand des Aquarianers können diese Süßwasser oder Salzwasser enthalten und verschiedene Organismengruppen beherbergen. Sowohl in Süßwasser- als auch in Salzwasseraquarien können neben Fischen zum Beispiel auch Krebse und Schnecken gehalten werden. Um den Lebensraum dieser Tiere so realistisch wie möglich zu gestalten, ist es angebracht, statt Dekorationselementen aus Plastik echte Pflanzen und Holzelemente zu verwenden.

Süßwasseraquarium mit Zierfischen und Wasserpflanzen

1. In Aquarien finden viele verschiedene Stoffwechselprozesse statt, die unterschiedlichen Kategorien zugeordnet werden können.

1a. Gib für einen der folgenden Begriffe für Stoffwechselkategorien an, was man darunter versteht.

autotrophe Assimilation:

heterotrophe Assimilation:

Dissimilation:

1b. Ordne jeweils ein Beispiel zu, wo in einem Aquarium, wie dem, das im obigen Bild (Mat. 1) dargestellt ist,

autotrophe Assimilation, heterotrophe Assimilation und Dissimilation stattfinden.

autotrophe Assimilation:

heterotrophe Assimilation:

Dissimilation:



Thema: Stoffwechsel

Notizen/Vokabular:

Idealerweise befindet sich ein Aquarium in einem ausbalancierten Gleichgewicht, in welches nur minimal durch Fütterung und Säuberung eingegriffen werden muss. In diesem Zustand ist vor allem das Substrat des Aquariums (Kies oder Sand) von Bakterienkolonien besiedelt, die tote organische Materie (Kot, Pflanzenteile, Futterreste) abbauen. Dazu verwenden sie in ihren Zellen befindliche Enzyme.

2. Beschreibe das folgende Diagramm im Material 2, und erkläre mit dessen Hilfe die Wirkungsweise eines Enzyms.

Material 2: Wirkungsweise von Enzymen



Thema: Stoffwechsel

Notizen/Vokabular:

Die wechselseitigen Einflüsse der verschiedenen Stoff- und Energiewechselprozesse aufeinander lassen sich besonders gut in abgegrenzten Lebensräumen, wie zum Beispiel einem Aquarium, beobachten. Durch gezieltes Verändern einzelner Umweltfaktoren können die Folgen dieser Veränderungen für Vitalität, Wachstum und Entwicklung der Organismen sehr genau erfasst werden. 3. Jedes Aquarium sollte einen automatischen Heizstab beinhalten, welcher die Wassertemperatur konstant hält. Durch

Veränderung der Einstellungen am Heizstab, kann der Soll-Wert der Wassertemperatur herauf- bzw. herabgesetzt werden.

Erläutere an einem selbstgewählten Beispiel, welche Auswirkungen die Veränderung der Temperatur auf diesen Stoffwechselvorgang im Aquarium hat.



Thema: Stoffwechsel

Notizen/Vokabular:

4. Das Aquarium in Material 1 hat ein Volumen von 140 Litern und ist dicht mit Pflanzen bewachsen. Es beherbergt 11 Fische verschiedener Größe. Über einen Zeitraum von zwei Wochen wird der im Wasser gelöste Kohlenstoffdioxidgehalt in diesem Aquarium gemessen. Die Ergebnisse sind im Diagramm in Material 3 dargestellt.

Interpretiere den vorliegenden Graphen bezüglich seines Verlaufs und der sich daraus ergebenden Konsequenzen für das Aquarium.

Material 3: Kohlenstoffdioxidgehalt im Wasser eines Aquariums



Thema: Stoffwechsel

Notizen/Vokabular:

Material 4: Skalare in ihrem Lebensraum und in der Aquaristik Skalare oder Segelflosser (Pterophyllum scalare) sind beliebte Aquarienfische. Sie gehören zu den Buntbarschen und stammen aus dem tropischen Südamerika, wo sie in zahlreichen Flüssen heimisch sind. Sie sind vorrangig in langsam fließenden Flussbereichen zu finden und bevorzugen Lebensräume mit reichlich Pflanzenbestand oder Totholz, in denen die Wassertemperatur ganzjährig zwischen 24 und 28 °C beträgt. Die Flüsse, in denen sie heimisch sind, weisen mit 1 bis 3 °dH (deutsche Härte) sehr weiches Wasser auf. Skalare ernähren sich ausschließlich von tierischer Nahrung, wie Insekten, Insektenlarven und kleine Fische, die sie als geschickte Jäger und vorzügliche Schwimmer leicht erbeuten.

Aktivität des Enzyms Amylase bei verschiedenen pH-Werten bei Skalaren (Pterophyllum scalare)

Temperaturoptima des Enzyms Trypsin bei Skalaren (Pterophyllum scalare) und Barschen (Perca fluviatilis)

5. Leite aus den im Material 4 zur Verfügung stehenden Informationen die optimalen Haltungsbedingungen für Skalare

ab, und erläutere diese unter stoffwechselbiologischen Gesichtspunkten.

(Fortsetzung der Antwort auf separatem Blatt)

Skalare

Barsche



Thema: Stoffwechsel

Notizen/Vokabular:

Aufg. Erwartete Schülerleistung Kompetenzen 1a.

Ich kann verschiedene Formen der Assimilation und Dissimi-lation nennen, vergleichen und mit diesen in Zusammenhang stehende Fachtermini definieren.

autotrophe Assimilation

Umwandlung anorganischer, energiearmer Stoffe in organische, energiereiche Stoffe unter Nutzung von Energie und Baustoffen, die nicht von anderen Lebewesen stammen

heterotrophe Assimilation

Umwandlung organischer, energiearmer Stoffe in organische, energiereiche Stoffe unter Nutzung von Energie und Baustoffen, die von anderen Lebewesen stammen

Dissimilation Umwandlung organischer, energiereicher Stoffe in organische, energiearme Stoffe unter Nutzung der Freisetzung der in den Stoffen gespeicherten Energie

Zeit: 5 min

1b.

Die Lernenden kennen die grundlegenden Kategorien von Stoffwechselreaktionen, können diese gegeneinander abgrenzen, kennen deren biologische Bedeutung und können Beispiele für deren Vorkommen anführen.

autotrophe Assimilation

Fotosynthese der Pflanzen

heterotrophe Assimilation Verdauung der Fische, …

Dissimilation Atmung der Pflanzen/Fische, …

Zeit: 5 min

2.

Das Diagramm „Wirkungsweise eines Enzyms" stellt die Veränderung des Energiegehalts eines Substrates im Verlauf einer Enzymreaktion dar. Dabei ist der Energiegehalt in relativen Einheiten auf der y-Achse dargestellt und die Zeit wird ebenfalls in relativen Einheiten auf der x-Achse abgebildet. Zu Beginn der Enzymreaktion liegt der Energiegehalt des Substrates konstant auf gehobenem Niveau. Nach einer gewissen Zeit beginnt der Graph zu steigen und anschließend zu fallen, bevor er auf einem Niveau, das deutlich unter dem Ausgangsniveau liegt, stagniert. Enzyme sind Biokatalysatoren, die die für den Ablauf von Stoffwechselprozessen notwendige Aktivierungsenergie herabsetzen und die Stoffwechselprozesse dadurch beschleunigen oder überhaupt erst ermöglichen. Dies wird im Diagramm im Anstieg und anschließenden Abfall des Graphen sichtbar. Der Anstieg verdeutlicht, dass zunächst eine Zufuhr von Energie notwendig ist, um die Stoffwechselreaktion ablaufen zu lassen. Das ist die Aktivierungsenergie. Enzyme bewirken eine Verringerung der notwendigen Aktivierungsenergie, indem sie mit dem Substrat einen Enzym-Substrat-Komplex eingehen, wobei die Seitenketten des aktiven Zentrums des Enzyms mit dem Substrat interagieren, und das Substrat so in die optimale räumliche Lage für den Ablauf der Stoffwechselreaktion bringen. Nun wird das Substrat umgesetzt und das Produkt/die Produkte verlassen das aktive Zentrum des Enzyms, wobei das Enzym unverändert aus der Reaktion hervorgeht. Im Diagramm wird deutlich, dass die Produkte ein geringeres Energieniveau aufweisen als das Substrat.

Zeit: 10 min

Allgemeine Kompetenzen:

Ich kann Diagramme formal beschreiben.

Ich kann die in einem Diagramm dargestellten Daten beschreiben. Ich kann den Ablauf von Enzymreaktionen beschreiben und die Wirkung von Enzymen auf die an diesen Reaktionen beteiligten Substrate erklä-ren.



Thema: Stoffwechsel

Notizen/Vokabular:

Aufg. Erwartete Schülerleistung Kompetenzen

3.

Stoffwechselvorgänge sind in ihrem Ablauf von Enzymen abhängig. Hinsichtlich der Temperatur unterliegen Enzyme in ihrer Aktivität der RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel). Diese besagt, dass sich die Geschwindigkeit von Stoffwechselprozessen verzwei- bis vierfacht, wenn sich die Temperatur um 10 Kelvin erhöht. Gleichzeitig steigt mit steigender Temperatur jedoch auch die Anzahl denaturierter und damit funktionsuntüchtiger Enzyme, was der RGT-Regel ab einem gewissen Punkt entgegenwirkt, indem es den Ablauf von Stoffwechselprozessen verlangsamt und schließlich zum Erliegen bringt. Entsprechend der RGT-Regel sollte eine Erhöhung der Temperatur im Aquarium zu einer Beschleunigung der Stoffwechselprozesse, wie z.B, der Zellatmung/Fotosynthese/Verdauung/…, führen. In einem vergleichbaren Zeitintervall wird also mehr Zellatmung/Fotosynthese/… durchgeführt als bei niedrigeren Temperaturen. Wird die Temperatur jedoch weiter erhöht, setzt sich dieser Trend nicht beliebig lange fort, weil mit zunehmender Temperatur immer weniger an der Zellatmung/Fotosynthese/… beteiligte Enzyme zur Verfügung stehen, weshalb in einem vergleichbaren Zeitintervall weniger Zellatmung/Fotosynthese/… durchgeführt wird als bei niedrigeren Temperaturen.

Zeit: 10 min

Ich kann Faktoren angeben, die die Aktivität von Enzymen beeinflussen, und erklären, auf welche Weise diese die Enzymaktivität beeinflussen.

4.

Das Diagramm „Kohlenstoffdioxidgehalt im Wasser eines Aquariums“ zeigt den Gehalt von gelöstem Kohlenstoffdioxid im Wasser eines Aquariums über einen Zeitraum von zwei Wochen (14 Tagen). Dabei wird der Gehalt an gelöstem Kohlenstoffdioxid in relativen Einheiten auf der y-Achse dargestellt und die x-Achse zeigt die Zeit in Tagen. Der Graphenverlauf zeigt starke Schwankungen im Tagesrhythmus, wobei die Extrema (Minimum und Maximum) jedes Tages jeweils leicht unterhalb denen des Vortages liegen. Die tägliche Ab- und Zunahme von Kohlenstoffdioxid im Wasser des Aquariums zeigt, dass Kohlenstoffdioxid-produzierende und –verbrauchende Prozesse ablaufen. Der Prozess, der zur Abnahme des Kohlenstoffdioxidgehalts in der ersten Tageshälfte führt, ist die Fotosynthese, durchgeführt von den grünen Pflanzen im Aquarium. Der Prozess, der zur Zunahme des Kohlenstoffdioxidgehaltes führt, ist die Zellatmung, durchgeführt von den Tieren, Pflanzen und anderen Organismen (Bakterien, …) im Aquarium. Während die Atmung kontinuierlich stattfindet, kann Fotosynthese nur dann geschehen, wenn das Aquarium beleuchtet wird. Genauer betrachtet, kann die lichtunabhängige Reaktion der Fotosynthese, welche für die Fixierung des Kohlenstoffdioxid verantwortlich ist, nach Ende der Beleuchtungszeit für eine kurze Weile weiterlaufen, bis die energiereichen Verbindungen ATP und NADPH+H+ aus der lichtabhängigen Reaktion aufgebraucht sind.

Allgemeine Kompetenzen:

Ich kann Diagramme formal beschreiben.

Ich kann die in einem Diagramm dargestellten Daten analysieren und interpretieren. Ich kann beschreiben, wie Wasser, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff sich in einem vereinfachten Kreislauf aus Fotosynthese und Zellatmung befinden.



Thema: Stoffwechsel

Notizen/Vokabular:

Aufg. Erwartete Schülerleistung Kompetenzen 4. (Fort-setz.)

Wenn beide Prozesse gleichzeitig ablaufen (bei Beleuchtung), überwiegt die Kohlenstoffdioxid-Fixierung der Fotosynthese die Kohlenstoffdioxidfreisetzung der Atmung. Der CO2-Gehalt sinkt. Wenn nur die Zellatmung stattfindet (ohne Beleuchtung), wird Kohlenstoffdioxid freigesetzt und der CO2-Gehalt steigt. Es ist festzustellen, dass der durchschnittliche Kohlenstoffdioxid-Gehalt Tag für Tag abnimmt. Mehr CO2 wird fixiert als freigesetzt. Das fixierte Kohlenstoffdioxid wird in neu produzierte Biomasse der Pflanzen eingebaut. Wenn sich dieser Trend fortsetzt, wird der Kohlenstoffdioxidgehalt im Wasser des Aquariums zum limitierenden Faktor dafür werden, wieviel Fotosynthese von den Pflanzen durchgeführt werden und wieviel Biomasse folglich von ihnen aufgebaut werden kann. Dieser Situation könnte entgegengewirkt werden, indem CO2 künstlich von außen zugeführt wird oder die Anzahl der Fische im Aquarium erhöht wird.

Zeit: 15 min

Ich kann die Funktionen von Assimilations- und Dissimilationsprodukten eines Organismus für den Organismus selbst und für andere Organismen an konkreten Beispielen erläutern.

5.

Wie alle Lebewesen sind Skalare angepasst an die Bedingungen in ihrem natürlichen Lebensraum. Daher sollten die Haltungsbedingungen im Aquarium die Bedingungen des natürlichen Lebensraums nachahmen. Das bedeutet eine Wassertemperatur zwischen 24 und 28 °C, sehr weiches Wasser mit einem Härte- grad zwischen 1 und 3 °dH, ohne übermäßige Wasserbewegung und einem pH-Wert zwischen 5 und 7. Das Aquarium sollte außerdem reichlich Pflanzen-bewuchs aufweisen und gleichzeitig genügend Raum zum Schwimmen lassen. Das Futter sollte aus tierischer Nahrung bestehen. Insbesondere die Wassertemperatur und der pH-Wert des Wassers beeinflussen die Aktivität der Enzyme der Skalare und damit ihre Stoffwechselaktivität. Diese sollten nahe dem Optimum dieser Art gehalten werden, um ein optimales Gedeihen der Fische durch höchstmögliche Stoffwechselaktivität zu erreichen. Wenn zum Beispiel die an der Zellatmung oder der Verdauung beteiligten Enzyme der Skalare nicht optimal arbeiten können, weil äußere Faktoren (Temperatur, pH-Wert, …) dies nicht zulassen, kann die Zellatmung/Verdauung/… nur verlangsamt ablaufen, was die Aktivität der Tiere und ihr Gedeihen negativ beeinflusst. Auch wenn einzelne Enzyme, wie etwa das Trypsin, abweichende Optima hinsichtlich der Temperatur aufweisen, ist anzunehmen, dass die Gesamtheit ihrer Enzyme bei einer Temperatur von 24 bis 28°C am effektivsten arbeiten, da die Fische an die Gesamtbedingungen ihres Lebensraums angepasst sind. Dass das Futter aus tierischer Nahrung besteht, ist wichtig, weil anzunehmen ist, dass Skalare nur solche Verdauungsenzyme besitzen, die für ihre natürliche Ernährung erforderlich sind. Bei einer Umstellung auf pflanzliche Nahrung wären sie folglich nicht im Besitz der notwenigen Enzyme, um dieses Futter zu verdauen. Enzyme sind substratspezifisch. Sie können also nur ganz bestimmte Substrate auf ganz bestimmte Weise (reaktionsspezifisch) umsetzen und sich nicht beliebig an die jeweils zur Verfügung stehenden Substrate anpassen.

Zeit: 15 min

Ich kann Faktoren angeben, die die Aktivität von Enzymen beeinflussen, und erklären, auf welche Weise diese die Enzymaktivität beeinflussen.

Ich kann die Bedeutung des aktiven Zentrums von Enzymen für deren Substrat- und Reaktionsspezifität erklären.

Bearbeitungszeit: 60 min

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