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Ernst Klett VerlagStuttgart Leipzig

Claus Reinhardt

Lösungen

FachhochschulreifeNATURA

1. Auflage 15 4 3 2 1

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AlleDruckedieserAuflagesindunverändertundkönnenimUnterrichtnebeneinanderverwendetwerden.DieletzteZahlbezeichnetdasJahrdesDruckes.DasWerkundseineTeilesindurheberrechtlichgeschützt.JedeNutzunginanderenalsdengesetzlichzugelassenenFällenbedarfdervorherigenschriftlichenEinwilligungdesVerlages.Hinweis§52aUrhG:WederdasWerknochseineTeiledürfenohneeinesolcheEinwilligungeingescanntundineinNetzwerkeingestelltwerden.DiesgiltauchfürIntranetsvonSchulenundsonstigenBildungseinrichtungen.FotomechanischeoderandereWiedergabeverfahrennurmitGenehmigungdesVerlages.

©ErnstKlettVerlagGmbH,Stuttgart2018.AlleRechtevorbehalten.www.klett.de

Autor:Dr.ClausReinhardtUnter Mitarbeit von:KatharinaBaack,AndreaBecker,Dr.DetlefEckebrecht,Dr.JustineKießling,MarcoKoch,AlexanderMaier,Dr.GünterRoßnagel

Redaktion:YolandaBraunMediengestaltung:MarleneKlenk-Boock

Illustrationen:WolfgangHerzig,Essen;JörgMair,München

A15163-04900101

© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2018 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Natura Fachhochschulreife Lösungen

Methoden Methode: Umgang mit wissenschaftlichen Daten (Seite 8/9)

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) Es bietet sich ein Säulendiagramm an, da Daten verglichen werden, die nicht voneinander abhängig sind. b) Es bietet sich ein Kurvendiagramm an, da der zeitliche Verlauf einer Messgröße untersucht wurde.

2 Bewerten Sie die Abhängigkeit einer Gesetzmäßigkeit von der Anzahl der Messungen. Genauigkeit und Aussagekraft hängen stark von der Anzahl der Messwerte ab. Stichproben-Messungen sind sehr fehleranfällig und können Fehlinterpretationen verursachen. Umfangreiche Messungen mit Wiederholungen sind genauer und weniger fehler-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- oder Balkendiagramm sind zur Darstellung der exakten Häufigkeit, Kreis- oder Stapeldiagramm zur Darstellung der pro-zentualen Häufigkeit geeignet. Außerdem können Kriterien wie Achsenbeschriftung, Zuteilung von unabhängiger und abhängiger Variabler auf x- bzw. y-Achse, Überschrift etc. betrachtet werden.

Methode: Aufgabenstellungen mit Operatoren (Seite 10/11)

1 Formulieren Sie die Aufgabenstellungen mit passenden Operatoren für die Antworten in Abb. 1. „Beschreiben Sie die Verdauung der Nährstoffe im Dünndarm.“ „Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen des Versuchs und erläutern Sie die Ergebnisse.“ „Bewerten Sie das Vorgehen in der Forstwirtschaft, die gefällten Bäume vollständig aus dem Wald zu entfernen.“ oder „Leiten Sie die Folgen der Entfernung gefällter Bäume für das Ökosystem ab.“

2 Ordnen Sie den Aufgaben die Anforderungsbereiche zu. „Beschreiben Sie die Verdauung der Nährstoffe im Dünndarm.“ (AFB I) „Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen des Versuchs und erläutern Sie die Ergebnisse.“ (AFB II) „Bewerten Sie das Vorgehen in der Forstwirtschaft, die gefällten Bäume vollständig aus dem Wald zu entfernen.“ oder „Leiten Sie die Folgen der Entfernung gefällter Bäume für das Ökosystem ab.“ (AFB III)

Methode: Klausurvorbereitung (Seite 12/13)

1 Beschreiben Sie die Vorbereitung auf Ihre letzte Klausur. individuelle Lösung. Mögliche Aspekte sind: Verschaffen eines thematischen Überblicks, Erstellen eines realistischen Zeitplans, Beschaffung von Lernmaterialien, Anwendung von Lerntechniken bzw. Lernmedien (Mind-Map, Lernsoftware, Übungsklausuren, Lernkartensystem etc.), Lernen in einer Lerngruppe.

2 Erläutern Sie Optimierungsmöglichkeiten für Ihre kommenden Klausurvorbereitungen. individuelle Lösung

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

Methode: Klausuren bearbeiten (Seite 14/15)

1 Vergleichen Sie Ihr bisheriges Vorgehen bei schrift lichen Leistungskontrollen mit den Vorschlägen zum Vorgehen bei Klausuren. individuelle Lösung

2 Nennen Sie Verbesserungsmöglichkeiten beim Bearbeiten Ihrer nächsten Klausuren. individuelle Lösung

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

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1 Die Zelle

1. 1 Cytologie

Vergrößerungstechniken (Seite 20/21)

1 NennenSiefürjedederVergrößerungstechnikendiespezifischenVorteile.Lupe: Aufsicht auf das Objekt ohne weitere Präparationsschritte möglich. Mikroskop: Deutlich stärkere Vergrößerungsmöglichkeit als Lupe, eher geringer Präparations- und Materialaufwand, gute Mög-lichkeit zum Verschaffen eines Überblicks über das Präparat. Kontrasttechniken: Maßnahmen mit relativ geringem Aufwand um Zellstrukturen sichtbar zu machen, die geringen Kontrast bieten, da sie sich nur wenig vom Cytoplasma abheben. Fluoreszenzmikroskopie: Möglichkeit, spezifische Anteile der Zelle mittels fluoreszierender Marker sichtbar zu machen. Superauflösende Mikroskopie: Lichtmikroskopische Untersuchung mit hohem Material- und Zeitaufwand, mit der Auflösungen unter 50 nm erreicht werden können.

Praktikum: Lichtmikroskopische Untersuchug von Zellen (Seite 22/23)

1 ProbierenSieausundbeschreibenSie,welchenEffekteshat,obdasDeckglaswiebeschriebenaufgelegtwirdoderobeseinfachnuraufdenWassertropfengelegtwird.Bei flachem Auflegen ist die Gefahr größer, dass Luftblasen im Wassertropfen eingeschlossen werden.

2 RecherchierenSie,warumesnichtgünstigist,dieKondensorblendeganzoffenoderganzgeschlossenzuhalten.Durch den Kondensor kann das Licht für das jeweilige Objektiv optimal eingestellt werden. Öffnet man die Blende, so steigt die Auflösung bei abnehmendem Kontrast; beim Schließen ist das umgekehrt. D. h. durch den Kondensor wird für das jeweilige Präparat der optimale Kompromiss zwischen Auflösung und Kontrast eingestellt. Nach jedem Wechseln des Objektivs muss die Aperturblende neu eingestellt werden.

3 ErklärenSie,welcheProblemebeizudickgeschnittenenPräparatenauftretenkönnen.Bei sehr dicken Präparaten kann das Licht von unten das Präparat nicht mehr durchdringen. Man sieht nur einen schwarzen Umriss.

4 BeschreibenSie,wasunterdemMikroskopzuerkennenist,wennSieungefärbteMundschleimhautzellenmikroskopieren.Die Mundschleimhautzellen sind kontrastarm. Wenn der Kondensor nicht optimal eingestellt ist, sind diese schwer zu erkennen. Je nachdem, ob man vorher gegessen hat, können auch Essensreste, manchmal auch Protozoen und Bakterien zu finden sein.

5 ZeichnenSieeinepflanzlicheundeinetierischeZellenebeneinanderundvergleichenSie.individuelle Lösung Bei pflanzlichen und tierischen Zellen findet man mit dem Schülermikroskop als Gemeinsamkeit Zellkern, Zellmembran und Zell-plasma. In der pflanzlichen Zelle kann man zusätzlich die Zellwand und die Vakuole sowie je nach Präparat Chloroplasten mit der typischen Zellplasmaströmung finden.

Das lichtmikroskopische Bild der Zelle (Seite 24/25)

1 MikroskopierenSieeinetierischeundeinepflanzlicheZelleundskizzierenSiedasmikroskopischeBild.BeschriftenSieIhreSkizzemithilfevonAbbildung1.individuelle Lösung

2 EinzellerkönneninKolonienhochkomplexkooperieren,trotzdemhabenVielzellergegenüberdenEinzellerkolonienVorteile.ErklärenSiediesenUmstand.Vielzeller können die differenzierten Zellen in Geweben nutzen, um in Aufgabenteilung Stoffwechsel zu betreiben.

Elektronenmikroskopie (Seite 26/27)

1 VergleichenSiedieLichtmikroskopieunddieTransmissionselektronenmikroskopie.NennenSieGemeinsamkeitenundUnter-schiede.Lichtmikroskope verwenden Glaslinsen und Lichtstrahlen, Elektronenmikroskope elektromagnetische Felder und Elektronenstrah-len. Elektronenmikroskopische Präparate müssen sehr viel aufwendiger vorbereitet werden (entwässern, fixieren, ultradünn-schneiden). Die Auflösungsgrenze eines TEM liegt mit 0,1 nm unter der eines Lichtmikroskops (100 nm) und auch der eines STEDs mit unter 50 nm.

2 BegründenSie,warumbeiderElektronenmikroskopiehäufigerArtefaktevorkommenalsbeiderLichtmikroskopie.Lebende Zelle laufen Gefahr, den Entwässerungs- und Fixierungsprozess sowie den Ultramikrotomschnitt nicht zu überleben.

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Methode: Gefrierbruchtechnik (Seite 27)

BeschreibenSiedieGefrierbruchtechnikmithilfederAbb.4.Das gefrorene Objekt wird nach dem Einfrieren mit einem Messer gebrochen. An der Bruchfläche lässt man dann das Eis sublimieren. Danach wird das Objekt seitlich mit Platin bedampft und mit Kohlenstoff beschichtet.

Eukaryotische Zellen (Seite 28/29)

1 VergleichenSieTier-undPflanzenzelle.NennenSietypischeGemeinsamkeitenundUnterschiede.Gemeinsamkeiten: Zellkern, ER, Golgi-Apparat, Ribosomen, Zellmembran, Cytoplasma, Mitochondrien Unterschiede: Pflanzenzellen besitzen zusätzlich eine Zellwand, i. d. R. eine Vakuole und Chloroplasten im fotosynthetisch aktiven Gewebe; Tierzellen verfügen über Lysosomen.

2 ErklärenSie,wieintierischenZellen,diekeineZellwandbesitzen,dieZellstabilitäterreichtwird.In tierischen Zellen wird Zellstabilität vor allem durch das Cytosklett und die darin häufiger enthaltenden Intermediär filamenten erreicht.

3 NennenSiediewichtigstenUnterschiedezwischenprokaryotischenundeukaryotischenZellen.Den Prokaryoten fehlt der Zellkern sowie membranumschlossene Organellen. Prokaryoten haben 70-S-Ribosomen, Eukaryoten hingegen 80-S-Ribosomen. Bakterien haben außerdem Murein als Baustoff in der Zellwand im Vergleich zu Chitin bei Pilzen und Cellulose oder Pektin bei Pflanzen.

Der Zellkern (Seite 30/31)

1 BeschreibenSiedieVersuchemitAcetabulariaundnennenSieSchlussfolgerungen,diemanausdiesenVersuchenziehenkann.Versuch oben: Einer entkernten Alge der Art Acetabularia mediterranea wird der arttypische Hut abgetrennt. Anschließend wird der entkernten Alge ein Zellkern der Art Acetabularia crenulata ins Rhizoid übertragen. Die Alge regeneriert einen neuen Hut, der nun typisch für die Art Acetabularia crenulata ist. Versuch unten: Einer Alge der Art Acetabularia crenulata und einer der Art Acetabularia mediterranea wird jeweils der Hut abge-trennt. Anschließend werden die beiden Rhizoide mit Zellkernen vereinigt. Die beiden Rhizoide regenerieren zusammen einen Hut, der einer Mischform der beiden arttypischen Hutformen entspricht. Aus beiden Versuchen kann man schließen, dass die Form des Hutes und damit Wachstumsprozesse durch den Zellkern gesteuert werden.

2 EntgegenfrühererAnnahmenistdasgenetischeMaterialauchaußerhalbderZellteilungineinemgeordnetenZustand(Abb.4).DieserkannjedochzwischenZelltypeninnerhalbeinesOrganismusvariieren.ErläuternSiedies.Auch außerhalb der Zellteilung nehmen Chromosomen bestimmte Positionen im Zellkern ein. Chromosomen im Zentrum des Kerns sind weniger dicht gepackt und ihr genetisches Material ist folglich aktiver als in Chromosomen des Randbereichs. In den unterschiedlichen Zelltypen eines Lebewesens (z. B. Muskel-, Nerven-, Knorpelzellen etc.) befinden sich jeweils v. a. diejenigen Chro-mosomen weniger dicht gepackt im Zentrum des Zellkerns, deren genetisches Material für den jeweiligen Zelltypus erforderlich ist. Dadurch ist es unter anderem möglich, dass in den unterschiedlichen Zellen desselben Organismus das jeweils für den Zelltyp erforderliche genetische Material aktiv ist.

Mitochondrien und Chloroplasten (Seite 32)

1 VergleichenSieChloroplastenundMitochondrienineinerTabelle.Gemeinsamkeiten: von zwei Membranen begrenzt, eigenes genetisches Material in Form ringförmiger DNA, eigene Ribosomen, starke Faltungen der inneren Membran Unterschiede: Mitochondrien — Kraftwerke der Zelle; Orte der Zellatmung; kleiner und i. d. R. häufiger in der Zelle als Chloro-plasten Chloroplasten: Orte der Fotosynthese; größer als Mitochondrien; in Algen z. T. nur ein Chloroplast pro Zelle

Material: Plastiden (Seite 33)

1 VergleichenSieintabellarischerFormdieunterschiedlichenPlastidentypen.Chloroplasten: Fotosynthese; Chromoplasten: Anlocken der Bestäuber oder Samenverbreiter; Leukoplasten: Speicherort (z. B. Amyloplasten: Speicherung von Stärke)

2 OrdnenSiedenunterschiedlichenOrganeneinerKartoffelpflanzediezugehörigenPlastidentypenzu.Knolle: Amyloplasten, Blütenblätter: Chromoplasten, Laubblätter: Chloroplasten

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3 ZurBildungderChloroplastenausProplastidenwirdLichtbenötigt.ErläuternSie,inwieferndiesvonVorteilist.Die Umwandlung erfolgt erst, wenn das für die Fotosynthese notwendige Licht auch vorhanden ist. Bei Lichtmangel können aus den Proplastiden andere Plastidentypen gebildet werden.

4 BenennenSiedieinAbb.3dargestelltenPlastidentypenunderläuternSiederenunterschiedlicheFunktion.Chloroplasten: Fotosynthese; Chromoplasten: Anlocken von Tieren für die Ausbreitung der Samen

5 OrdnenSiediemikroskopischenAufnahmeneinerPhasederFruchtreifeinAbb.3zu.links: reife Tomate (rote Färbung durch Chromoplasten); rechts: unreife Tomate (grüne Färbung durch Chloroplasten)

6 StellenSieeineHypotheseauf,warumdieschnelleVerfärbungderFruchterstamEndederFruchtreifeerfolgt.Erst mit der Reifung der Samen erfolgt die Umwandlung der Chloroplasten in Chromoplasten. Dadurch wird gewährleistet, dass ein Verzehr der Früchte und deren Verbreitung nicht zu früh stattfindet.

Zelldifferenzierung (Seite 34/35)

1 BenennenSiedieinAbb.3dargestelltenGewebetypen.Ganz außen befindet sich das Abschlussgewebe (Epidermis) des Kürbisstiels. Eingebettet im Grund- und Stützgewebe (Parenchym) befindet sich das Leitgewebe (Leitbündel) für den Stofftransport.

2 ErläuternSiedieunterschiedlicheZusammensetzungeinerjungenundeinerausdifferenziertenBlattzelle(Abb.4).In jungen Pflanzenzellen nehmen v. a. der Zellkern und das Zellplasma einen großen Raum ein, weil sich die Zelle noch in einem Wachstumsprozess befindet, in dem das genetische Material sehr aktiv ist. Es sind auch relativ viele Mitochondrien vorhanden, die Energie für Wachstumsprozesse bereitstellen. In ausdifferenzierten Blattzellen verleiht meist eine sehr große Vakuole der Zelle Festigkeit und dient als Speicherort von Stoffen. Hingegen sind nun weniger Mitochondrien vorhanden, weil für das Zellwachstum keine Energie mehr benötigt wird. Auch das Volumen des Zellkerns und des ER sind geringer, weil die Wachstumsphase mit hoher Stoffwechselaktivität beendet ist. Die Zelle verfügt nun über mehr Chloroplasten, um eine maximale Fotosyntheseleistung im Blatt zu erzielen.

Vom Einzeller zum Vielzeller (Seite 36)

1 BeschreibenSieanhandvonAbb.1b,wiedieEvolutionderSchwämmestattgefundenhabenkönnte.Aus einzelligen Kragengeißelflagellaten könnten sich Kolonien bildende Formen entwickelt haben. Große Kolonien könnten Hohl-körper gebildet haben, die in der weiteren Entwicklung Gewebe entstehen ließen und mit den Kragengeißelzellen durch Koordinati-on einen kontinuierlichen Wasserstrom erzeugten.

2 StellenSiedar,warumGoniumkeinechterVielzellerist.Kolonie aus gleichartigen Zellen, keine Arbeitsteilung bzw. Differenzierung (alle Zellen erfüllen die gleiche Funktion: Ernährung, Fortbewegung, Fortpflanzung, …)

Praktikum: Heuaufguss (Seite 37)

1 VergleichenSiedieKleinstlebewesenausIhrenPräparatenmitAbb.1undbestimmenSiedieLebewesen,wennmöglich.individuelle Lösung

2 ErklärenSiedenbevorzugtenAufenthaltsortdergefundenenLebewesen.Direkt an der Oberfläche befinden sich viele Bakterien, die den Sauerstoff für ihren Stoffwechsel aus der umgebenden Luft bezie-hen. Je nach Trübung des Aufgusses sind die fotosynthetisch aktiven Grünalgen und Geißelträger an der Oberfläche und inmitten des Gefäßes zu finden, um an genügend Licht für die Fotosynthese zu gelangen. Im freien Wasser befinden sich auch viele Wimper-tierchen und tierische Geißelträger, die sich v. a. von den Bakterien an der Oberfläche ernähren. Amöben und Bakterien sind v. a. im Bodensatz zu finden, in dem sie sich von abgestorbenen Kleinstlebewesen ernähren können.

3 VergleichenSieIhreErgebnissezurSukzessionmitdenAngabeninAbb.2.individuelle Lösung

4 DiskutierenSie,inwiefernsichdieUmweltbedingungenimHeuaufgussmitderZeitverändern.Zu Beginn vermehren sich im sauerstoffreichen Aufguss v. a. Bakterien, die hohe Vermehrungsraten aufweisen. Bakterien und deren Abfälle sind die Nahrungsgrundlage von anderen Kleinstlebewesen, die sich nun auch stark vermehren können. Durch fotosynthetisch aktive Kleinstlebewesen wird im Heuaufguss zusätzlich Biomasse aufgebaut. Diese kann von anderen Lebewesen wiederum als Nahrung genutzt werden. Durch diese Zunahme an Biomasse im Aufguss kann sich die anfangs gute Sauerstoffver-sorgung jedoch schnell durch den Abbau von abgestorbenen Lebewesen in eine schlechte Sauerstoffversorgung im Aufguss ändern.

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Material: Zellforschung (Seite 38)

1 NennenSiedieAnwendungsgebietevonZellkulturen.Mögliche Anwendungsgebiete sind Untersuchungen in der biologischen und medizinischen Forschung, z. B. bei der Herstellung von Medikamenten etc. Außerdem können Zellkulturen als Testsysteme für Toxizitätsstudien eingesetzt werden.

2 InKulturenmenschlicherZellenwerdenMedikamentebezüglichderWirksamkeitundderToxizitätuntersucht.DiskutierenSiedieVor-undNachteiledieserTestmethode.Vorteile: schnell, billig, Tierversuche können verhindert werden; Nachteile: Die Ergebnisse können nur begrenzt auf die Wirksam-keit und Toxizität in Lebewesen übertragen werden.

3 ErläuternSiedieToxizitätskurveninAbb.1.GehenSiedabeiaufdieunterschiedlicheGiftigkeitderbeidenStoffeein.Stoff 1 hat eine höhere Toxizität als Stoff 2 (geringerer LD50-Wert). Bei Stoff 2 erkennt man einen weiteren Bereich, in dem dieser Stoff bis zu einer LD100 führt.

4 BeieinerDichtegradienten-ZentrifugationvonPflanzenzellenohneZellwandergibtsicheineweitereZellfraktion.StellenSieeineHypotheseauf,umwelcheZellfraktionessichhandelnmuss.Die grüne Bande entsteht durch Chloroplasten.

5 ErklärenSiedieFunktionsweisenderbeidenArtenderZellfraktionierung.Differenzielle Zentrifugation: Auftrennung in mehreren Zentrifugationsschritten aufgrund unterschiedlicher Sedimentationsge-schwindigkeiten der einzelnen Zellbestandteile; Dichtegradienten-Zentrifugation: Auftrennung in einem Dichtegradienten (Zellbe-standteile reichern sich im Gradienten an Stellen mit ähnlicher Dichte an.)

Material: Endosymbiontentheorie (Seite 39)

1 BeschreibenSiemithilfevonAbb.1dieEntstehungderUr-TierzelleundderUr-Pflanzenzelle.Ur-Tierzelle: Bildung eines Zellkerns durch Einstülpungen der Zellmembran, die das genetische Material umschließen/Aufnahme eines aeroben Prokaryoten durch Einstülpung der Zellmembran (Endocytose) und dessen stabile Integration in die Zelle — Evolu-tion eines aeroben Eukaryoten; Ur-Pflanzenzelle: zusätzliche Aufnahme eines fotosynthetisch aktiven Prokaryoten durch Einstül-pung der Zellmembran und dessen stabile Integration

2 ErläuternSiedasZustandekommenvonzweiMembranen,dieChloroplastenundMitochondrienbegrenzen.Die innere Membran stammt vom ursprünglichen Prokaryoten ab/äußere Membran stammt von der Urzelle ab, die durch eine Einstülpung den Prokaryoten aufgenommen hat.

3 DereinzelligeErregerderMalaria(Plasmodium)besitzteinOrganell(Apicoplast),dasvonvierMembranenumgebenist.StellenSieeineHypothesezurEntstehungdesApicoplastenauf.Er ist durch Aufnahme einer eukaryotischen Zelle entstanden, die einen einzigen Chloroplasten enthielt (sekundäre Endosymbio-se).

4 BegründenSiemithilfevonAbb.2dieRichtigkeitderEndosymbiontentheorie.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.

5 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.

Zellzyklus — Mitose und Interphase (Seite 40/41)

1 OrdnenSiedieinAbb.1dargestelltenZellzyklus-StadiendenzugehörigenPhaseninAbb.2zu.A Metaphase, B Telophase, C Prophase, D Interphase, E frühe Metaphase, F Anaphase

2 StellenSieeineHypotheseauf,welcherTeilschrittderMitoseamM-Kontrollpunktüberprüftwird.Am M-Kontrollpunkt wird überprüft, ob die Einzelchromosomen mit dem Spindelapparat verbunden sind.

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Stammzellen (Seite 42/43)

1 ErläuternSiedieUnterschiedeinderEntwicklungsfähigkeitverschiedenerStammzellen.Zellen, aus denen ein vollständiges Lebewesen entstehen kann, werden als totipotent bezeichnet. Zellen, die zwar nicht zu einem vollständigen Lebewesen werden können, aus denen sich jedoch alle Zelltypen des Organismus bilden können, werden als pluri-potent bezeichnet. Die den pluripotenten Zellen nachfolgenden Zellgenerationen, die sich nur noch zu Zelltypen innerhalb eines Gewebes differenzieren können, nennt man 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 VergleichenSiediePotenzialeundGefahrenderArbeitmitembryonalenStammzellenundiPS-Zellen.Beide geben Anlass zur Hoffnung, dass auf diese Art und Weise Gewebe und Organe hergestellt werden können, die nach einer Transplantation nicht vom Empfänger abgestoßen werden. Beide Verfahren fördern grundsätzlich die Möglichkeit, dass repro-duktives Klonen beim Menschen in Zukunft stattfinden könnte. Allerdings ist diese Gefahr bei embryonalen Zellen höher, da sie totipotent sind. Bei der Arbeit mit embryonalen Stammzellen steht das ethische Problem der Stammzellengewinnung im Vordergrund, einmal die Ausbeutung der Eizellenspenderinnen, andererseits das Vernichten von potenziellem Leben. Da die Methode bereits länger erforscht ist und bei Tieren schon erfolgreich eingesetzt wird, ist der Forschungsstand zurzeit weiter. Bei iPS-Zellen bestehen die ethischen Bedenken nur in der potenziellen Förderung des reproduktiven Klonens. Der zurzeit geringe-re Forschungsstand, die geringe Effizienz der Rückprogrammierung und die Frage, ob sich die epigentische Programmierung der Ausgangszelle vollständig löschen lässt, stellt die Forschung noch vor große Probleme.

Klonen — Fluch oder Chance? (Seite 44/45)

1 ErläuternSie,welcheGefahrendurcheineweitereForschungamtherapeutischenKlonenentstehenkönnen.Die Schritte bis zu den embryonalen veränderten Eizellen sind bei beiden Verfahren identisch. Der höchste Eizellverlust beim reproduktiven Klonen findet bis zu diesem Punkt statt. D. h. Forschung, die therapeutisches Klonen fördert, könnte damit in der Tat reproduktives Klonen indirekt unterstützen.

2 FormulierenSiePro-undContra-ArgumenteundnehmenSieStellungzudenbeschriebenenKlonierungstechnikenunterEinbeziehungdesaktuellenAbtreibungsrechts.Hinweise für die Diskussion: Der Schwangerschaftsabbruch ist in Paragraph 218 StGB geregelt. Der Schwangerschaftsabbruch auf Verlangen bzw. nach einer Vergewaltigung ist bis zur 12. Schwangerschaftswoche zulässig. Für Abbrüche aufgrund schwerwiegen-der Gefahren für die körperliche oder seelische Gesundheit der Schwangeren besteht keine Frist. Diskussionspunkte könnten sein: Ausbeutung der Eizellen spendenden Frauen; Embryos als Ersatzteillager; Probleme festzulegen, welche Krankheiten durch therapeutisches Klonen behandelt werden dürfen und welche nicht; ethische Aspekte hinsichtlich des Beginns des Lebens; Notwendigkeit weltweiter Regelungen, um Behandlungstourismus zu vermeiden, u. a.

3 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 entstehen-de 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.

4 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.

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1. 2 Transportprozesse

Diffusion und Osmose (Seite 48/49)

1 VergleichenSiedieDiffusionmitderOsmoseundstellenSiefürbeideProzesseeinenBezugzumAlltagher.Eine Gemeinsamkeit dieser beiden Prozesse ist die Gleichverteilung von Teilchen durch deren Eigenbewegung. Im Unterschied zur Diffusion ist die Osmose an Lebewesen gebunden. Bei der Osmose erfolgt die Diffusion von Molekülen außerdem über eine selektiv permeable Membran, die nur bestimmte Stoffe hindurchlässt. Ein Beispiel aus dem Alltag zur Diffusion ist die Verteilung eines Parfüms in einem Raum. Ein Beispiel zur Osmose sind die Zellen von Salatblättern, die in einer hypertonischen Salatsoße Wasser verlieren.

2 ErläuternSiedieBedingungen,diezueinerPlasmolysebeiZwiebelzellenführenkönnen(Abb.3).Sowohl Wassermangel als auch eine hypertonische Umgebung führen zu Plasmolyse.

3 ImOsmometerwerdenhochundniedrigkonzentrierteZuckerlösungengetestet(Abb.2).ErläuternSiediezuerwartendenErgebnisse.Bei niedrig konzentrierten Zuckerlösungen (geringerer osmotischer Druck) ergibt sich eine niedrigere Wassersäule im Steigrohr verglichen zu höher konzentrierten Zuckerlösungen (höherer osmotischer Druck).

4 ReifeKirschenplatzenimRegen.LeitenSiediezugrundeliegendenUrsachenunterVerwendungvonFachbegriffenab.Das Regenwasser ist im Vergleich zum hypertonischen Inneren der Kirschzellen hypotonisch: Wasser strömt ins Kirschengewebe ein, bis dies zum Platzen der Kirschen führen kann.

Praktikum: Diffusion (Seite 50)

1 ErstellenSieeinBeobachtungsprotokollzumVersuchmitKaliumpermanganat.Das Kaliumpermanganatkörnchen sinkt an den Boden der Petrischale und färbt das Wasser an dieser Stelle violett. Von dort aus beginnt die Ausbreitung der Färbung zum Rand der Petrischale hin. Hinweis: Beobachtet man genau, kann man auch hier schon feststellen, dass die Geschwindigkeit der Farbausbreitung zum Rand der Petrischale hin geringer wird.

2 ErklärenSiedieAusbreitungdesKaliumpermanganatsinderPetrischale.Aufgrund der Brown‘schen Molekularbewegung verteilen sich die Kaliumpermanganatteilchen vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration, also zum Rand der Petrischale.

3 ProtokollierenSieIhreBeobachtungenzumVersuchmitEisen(III)-nitratundBlutlaugensalz.Das Wasser färbt sich um die Eisen(III)-nitratkristalle gelb. Etwas später breitet sich die gelbe Färbung weiter aus. In der Mitte der Petrischale bildet sich dann eine blaue Linie.

4 ErklärenSieIhreBeobachtungenzuderReaktionderbeidenChemikalien,beidersichdassogenannte„BerlinerBlau“bildet.Sowohl die Eisen(III)-nitratkristalle als auch das Blutlaugensalz lösen sich und diffundieren jeweils vom Rand der Petrischale zum Ort der geringeren Konzentration, also zur gegenüberliegenden Seite. Etwa in der Mitte treffen die Teilchen aufeinander und es läuft eine Reaktion ab, bei der sich das Berliner Blau bildet. Zusatzinformation: Das Berliner Blau bildet anschließend eine Barriere und behindert so die weitere Diffusion der Chemikalien.

5 BeschreibenSieIhreBeobachtungen.Mit steigender Temperatur steigt die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Farbstoffs in der Petrischale. Bei allen drei Ansätzen kann man außerdem beobachten, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit zum Rand der Petrischale hin abnimmt.

6 ErklärenSieIhreBeobachtungen.Die schnellere Ausbreitungsgeschwindigkeit bei steigenden Temperaturen ergibt sich durch die erhöhte Brown‘sche Molekularbe-wegung bei höheren Temperaturen. Das Abnehmen der Diffusionsgeschwindigkeit zum Rand der Petrischale hin ergibt sich aus dem abnehmenden Konzentrationsgradienten.

7 NebenderTemperaturkannauchdieKonzentrationdesKaliumpermanganatsvariiertwerden,indemman1molareund0,1mo-lareKaliumpermanganat-LösungeninKapillarröhrchenstattKaliumpermanganatkörnchenindasWassergibt.StellenSieeineHypotheseauf,washierzuerwartenwäre.Die höher konzentrierte Kaliumpermanganat-Lösung breitet sich schneller aus, da das Konzentrationsgefälle hier größer ist.

Praktikum: Osmose (Seite 51)

1 BeobachtenSiedieZellenfüreinigeMinutenbeimittlererVergrößerung.ZeichnenSiedieZellenvorundnachderBehandlungmitderZuckerlösung.Vor der Behandlung ist die Zentralvakuole prall gefüllt. Nach der Behandlung mit Zuckerlösung schrumpft die Vakuole (Plasmo lyse).

2 ErläuternSieIhreBeobachtungen.Die Zuckerlösung (hypertonisch) in der Umgebung der Zellen bewirkt einen Netto-Wasserausstrom aus der hypotonischen Zelle/Vakuole (Plasmolyse).

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3 ErsetzenSieanschließenddieZuckerlösungimPräparat,indemSiemehrmalsmitdemFilterpapierdestilliertesWasserdurchdasPräparathindurchsaugen.ErläuternSiedennunbeobachtbarenVorgang.Aufgrund der hypotonischen Umgebung (destilliertes Wasser) findet ein Netto-Wassereinstrom in die hypertonische Zelle/Vakuole statt (Deplasmolyse), bis die Zelle/Vakuole wieder prall mit Wasser gefüllt ist.

4 ÜbertragenSieIhreErkenntnisseaufdieVorgängebeimGießeneinerwelkenPflanze.Bei einer welken Pflanze besteht ein geringer Turgor aufgrund von Wassermangel (entspricht dem Zustand der Plasmolyse). Durch Wasseraufnahme wird die Zelle/Vakuole wieder gefüllt (entspricht dem Zustand der Deplasmolyse).

5 ProtokollierenSiedieÄnderungeninderLängederKartoffelstreifennach30MinutenInkubationszeitundvergleichenSiedieErgebnisse.individuelle Lösung (Anmerkung: Die ungekochten Streifen vergrößern sich im destillierten Wasser und schrumpfen im Salzwasser. Die gekochten Streifen verändern nur geringfügig ihre Größe.)

6 ErklärenSiedieVersuchsergebnissemithilfeIhrerKenntnissevonderOsmose.GehenSiedabeiaufdieAuswirkungendesKochensein.Das destillierte Wasser ist hypotonisch verglichen zum Zellinhalt. Dies bewirkt einen Netto-Wassereinstrom in die Kartoffelzel-len: Die Streifen vergrößern sich. Die NaCl-Lösung ist ein hypertonisches Medium und bewirkt einen Netto-Wasserausstrom aus den Zellen: Die Streifen verkleinern sich. Das Kochen bewirkt eine Denaturierung/Zerstörung der Membran- und Kanalproteine. Dadurch ist der Ein- und Ausstrom von Wasser durch Kanalproteine nicht mehr möglich: Die Streifen ändern nur geringfügig ihre Länge.

Lipide (Seite 52/53)

1 ÖlesindwieWasserbeiRaumtemperaturflüssig.ErklärenSie,warumdieÖledickflüssigersind.Zwischen den Kohlenwasserstoffresten der Fettsäuren bestehen Van-der-Waals-Kräfte. Je länger die Kohlenwasserstoffreste, desto mehr geringe Wechselwirkungen addieren sich. Daher sind Öle dickflüssiger als Wasser. Aufgrund der gesättigten Fettsäuren bei Fetten sind die Wechselwirkungen sogar so stark, dass Fett bei Raumtemperatur fest ist.

2 ZerteiltmaneineaufdemWasserschwimmendeÖlschichtinkleineTropfen,fließendiesenachkurzerZeitwiederzueinerFlächeoderzugroßenTropfenzusammen.GibtmanzuvorPhospholipidehinzu,bleibendieÖltropfenklein.ErklärenSiebeideBeobachtungen.Phospholipide sind amphiphil, d. h. sie haben sowohl hydrophile wie auch hydrophobe Anteile. Wenn sich die Phospholipide an den Kohlenwasserstoffrest der Fettsäuren mit ihrem hydrophoben Anteil anlagern, behindert der hydrophile Teil des Phospho-lipids die Ausbildung von nicht polaren Wechselwirkungen (Van-der-Waals-Kräfte). Aufgrund dieser geringeren Anziehung zwi-schen den Kohlenwasserstoffresten der Fettsäuren können diese keine zusammenhängende Ölschicht mehr bilden.

Extra: Phospholipidgehalt Roter Blutzellen (Seite 53)

ErmittelnSiemitdenAngabenausAbb.4diebedeckteWasseroberflächeproErythrocyt.VergleichenSieIhrErgebnismitderbekanntendurchschnittlichenOberflächeeinesErythrocyten(ca.0,98×10–6cm2).LeitenSieausIhrenErgebnissendieSchlussfolgerungenGortersundGrendelszumBauderBiomembranab.Die bedeckte Wasseroberfläche pro Erythrocyt beträgt 2,0 × 10–6 cm2/Zelle. Dabei handelt es sich um ca. die doppelte Fläche vergli-chen zur durchschnittlichen Oberfläche eines Erythrocyten (ca. 0,98 × 10–6 cm2). Daraus konnten Gorter und Grendel schließen, dass die Zellmembran der Erythrocyten aus einer doppelten Schicht von Phospholipiden besteht.

Bau und Funktion der Biomembran (Seite 54/55)

1 ErläuternSie,warumdurchdasFlüssig-Mosaik-ModellderStoffdurchtrittvongrößerengeladenenMolekülenbessererklärtwerdenkannalsdurchdasSandwich-Modell.Der Stoffdurchtritt von größeren polaren Molekülen durch die hydrophoben Anteile der Biomembran lässt sich durch die Ka-nalproteine gut erklären. Im Sandwich-Modell liegen diese der Membran allerdings nur auf und ein Transport würde nur sehr eingeschränkt funktionieren.

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©ErnstKlettVerlagGmbH,Stuttgart2018|www.klett.de|AlleRechtevorbehalten Natura Oberstufe Biologie LösungenGrafik: Wolfgang Herzig, Essen

Stoffdurchtritt durch Biomembranen (Seite 56/57)

1 VergleichenSieeinfacheunderleichterteDiffusion.Gemeinsamkeit: Bei beiden Diffusionsprozessen erfolgt der Transport durch Diffusion in Abhängigkeit vom Konzentrationsunter-schied. Unterschiede: Die einfache Diffusion erfolgt unspezifisch durch die Lipid-Doppelschicht und ist abhängig von der Mole-külgröße und vom lipophilen Charakter des Stoffs. Die erleichterte Diffusion ist hingegen spezifisch: Membranproteine, die nur bestimmte Stoffe hindurchlassen, ermöglichen den Diffusionsprozess.

2 ImDarmbakteriumE. coliistLactose2000-malhöherkonzentriertalsinderUmgebung.ErläuternSiedieAnreicherungvonLactoseinE. colimithilfevonAbb.3.Mithilfe einer Wasserstoff-Ionenpumpe werden H+-Ionen unter Energiezufuhr nach außen gepumpt. Der dadurch entstehende Konzentrationsunterschied der H+-Ionen zwischen innen und außen dient dazu, beim Rückstrom der Wasserstoff-Ionen Lactose-moleküle im Symport entgegen des Konzentrationsgefälles ins Innere der Bakterienzelle zu befördern.

3 StellenSieinallgemeinerFormdieTransportgeschwindigkeitbeieinfacherDiffusionundbeimaktivenTransportbeisteigen-derKonzentrationgrafischdar.Einfache Diffusion: linearer Verlauf; aktiver Transport: Sättigungskurve

Arsenvergiftung (Seite 58/59)

1 BeschreibenSiemitIhrembisherigenWissen,warumesdurcheineArsenvergiftungzuschwerenDurchfällenkommt.GehenSiedavonaus,dassDarminhaltehypertonischsind.Arsen hemmt die ATP-Produktion der Zelle, wodurch der aktive Transport der Zelle gestört wird. Geht man davon aus, dass der Darminhalt hyperosmolar im Vergleich zum Zellplasma ist, führt dies zu einem Wasserausstrom aus der Zelle entlang des Konzen-trationsgradienten.

2 ErklärenSie,warumArsenbeieinerVergiftungingeringerKonzentrationimBlutundinhoherKonzentrationindenGewebengefundenwerdenkann.Arsen wird mittels des Anionentransporters schnell aus dem Blut in die Zellen der unterschiedlichen Gewebe aufgenommen. Ent-sprechend nimmt die Konzentration von Arsen im Blut rasch ab und im Gewebe rasch zu.

3 StellenSieeineHypotheseauf,wiesichdasArsenimGrundwasserverteilenkonnte.Beim Bohren der Brunnen durch arsenhaltige Schichten oxidierte dies, gelangte ins Grundwasser und verteilte sich dort durch Diffusion.

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Stoffkonzentration

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einfache Diffusion



Struktur und Funktion von Enzymen (Seite 62/63)

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. Außerdem wird er von Lebewesen hergestellt.

2 ErläuternSiedieBedeutungvonEnzymenfürdenStoffwechselvonOrganismen.Durch Enzyme wird die Aktivierungsenergie chemischer Reaktionen gesenkt; so laufen Stoffwechselreaktionen bei Körpertempe-ratur schneller 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 oder eine andere Reaktion erfolgt.

Eigenschaften von Enzymen (Seite 64/65)

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 EntscheidenSiebegründet,welchesderSubstratmoleküleinAbb.1vomEnzymmolekülgebundenwerdenkann.Substrat C und E können aufgrund der Ladungen bzw. chemischen Struktur mit dem aktiven Zentrum binden, obwohl Strukturen des Substrats variieren (Gruppenspezifität). Diese liegen im nicht-katalytischen Bereich.

3 ImmenschlichenKörpergibtesmehrereTausendverschiedeneEnzyme.LeitenSiedieNotwendigkeitsovielerEnzymeab.Durch die Substrat- und Wirkungsspezifität benötigt ein Organismus viele verschiedene Enzyme; nur so ist kontrollierter Stoff-wechsel möglich.

Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 66/67)

1 BeantwortenSiedieeingangsgestellteFragezurUrsacheunterschiedlicherAlkoholverträglichkeit.Durch die unterschiedlichen Wechselzahlen der Isoenzyme der Alkoholdehydrogenase wird Alkohol unterschiedlich schnell abge-baut 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 68/69)

1 VergleichenunderläuternSiedieKurvenverläufeinAbb.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 Reaktionsgeschwin-digkeit 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 Schwermetall-Ionen des Bleis reagieren mit SH-Grup-pen von Enzymmolekülen und inaktivieren sie — teils irreversibel durch hohe Bindungsaffinität der Schwermetalle. Zusatzinformtion: 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.

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1. 3 Enzyme



Praktikum: Geschwindigkeit enzymkatalysierter Reaktionen (Seite 70)

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

2 ErläuternSiedenZusammenhangzwischenderEnzymkonzentrationundderReaktionsgeschwindigkeitanhandIhrerVer-suchsergebnisse.Je höher die Enzymkonzentration ist, desto höher ist auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Übersteigt die Enzym- die Substratkon-zentration, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit nicht mehr zu.

3 StellenSiedieMittelwertederErgebnisseineinemDiagrammdar.individuelle Lösung. Das Diagramm zeigt die lineare Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Substratkonzen-tration bei geringen Substratkonzentrationen. Bei höheren Substratkonzentrationen nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit langsa-mer 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.

Praktikum: Experimente mit Urease (Seite 71)

1 StellenSieIhreErgebnisseineinemLiniendiagrammgrafischdar.Die Leitfähigkeit bei der reinen Urease-Lösung steigt bis zu einem Maximalwert an. Mit der Zugabe der Kupfersulfat-Lösung springt die Leitfähigkeit schlagartig auf den Maximalwert. Bei der Zugabe der Methylharnstoff-Lösung verläuft die Reaktion deutlich langsamer.

2 WertenSiedieErgebnisseaus.Die Zunahme der Leitfähigkeit bestätigt die Bildung von Ionen durch die enzymkatalysierte Reaktion. Da immer mehr Urease um-gesetzt wird, nimmt die Leitfähigkeit ab einem bestimmten Wert nicht mehr zu. Die Zugabe der Kupfersulfat-Lösung erhöht die Ionenkonzentration der Lösung und damit die Leitfähigkeit. Der Maximalwert verändert sich jedoch nicht mehr, da alle Enzyme durch irreversible Hemmung inhibiert sind. Die Zugabe der Methylharnstoff-Lösung verlangsamt die Reaktion durch kompetitive Hemmung. Methylharnstoff besetzt aufgrund der ähnlichen chemischen Struktur das aktive Zentrum der Urease.

3 PlanenSiejeeinExperimentzurAbhängigkeitderEnzymaktivitätvonderTemperaturbzw.vompH-Wert.Das Experiment muss so aufgebaut sein, dass Enzym- und Substratkonzentration in einer Versuchsreiche gleich bleiben und nur die Temperatur oder der pH-Wert variiert wird.

4 FührenSiedieExperimentedurch.BefolgenSiedafürdieHinweisezurPlanungundDurchführung.ErstellenSieeinProtokoll.Mögliche Fragestellung: „Hängt die Enzymreaktion der Urease von der Temperatur/dem pH-Wert ab?“; mögliche Hypothesen: „Da Urease ein Protein ist, ist eine Abhängigkeit zu erwarten.“ „Da Urease in bodenlebenden Bakterien vorkommt, ist ein Optimum bei einer bestimmten Temperatur zu erwarten.“ Es sollten drei Versuchsansätze sowie ein Kontrollansatz berücksichtigt werden.

5 StellenSieIhreErgebnissegrafischdar.WertenSieIhreVersuchsergebnisseaus.BewertenSiedabeiIhreHypothesen.Urease zeigt ein pH-Optimum von etwa pH 7. Die katalytische Aktivität liegt zwischen pH 2 und pH 12. Darüber und darunter ist die räumliche Struktur (Sekundär- und Tertiärstruktur) des Enzymmoleküls zerstört und das Enzym dauerhaft inaktiviert. Bis etwa 60 °C nimmt die Enzymaktivität zu, da — entsprechend der RGT-Regel — die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Tempera-tur zunimmt. Darüber nimmt die Enzymaktivität ab, da die räumliche Struktur des Enzymmoleküls zerstört wird.

6 DiskutierenSiemöglicheFehlerquellenderMessmethodeundleitenSiedarausVerbesserungsmöglichkeitenab.Diskutierbare Fehlerquellen können Ungenauigkeiten aufgrund der Untersuchungsobjekte, Messgeräte, Messmethoden oder des Ablesens sein.

Enzyme und Alkohol (Seite 72/73)

1 BeschreibenSie,warumein40%starkerSchnapsschnellerinsBlutübergehtalsBiermit4%Alkoholgehalt.Die Aufnahme des Alkohols geschieht mittels Diffusion. Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt unter anderem vom Grad des Konzentrationsgefälles ab. Die Diffusion bei hochprozentigem Alkohol verläuft dann also schneller.

2 ErläuternSie,warumAlkoholiker,diedasMEOSnutzen,schnellereinen„Kater“bekommenalsMenschen,dienichtaufdiesesSystemzurückgreifenkönnen.Unter (zusätzlichem) Einsatz des MEOS wird Alkohol schneller in Acetaldehyd abgebaut. Acetaldehyd bedingt die katerähnlichen Symptome. Wird also bei Trinkern, die zusätzlich das MEOS rekrutieren können, der Alkohol schneller in Azetaldehyd umgewan-delt, haben diese schneller unter katerähnlichen Symptomen zu leiden.

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3 StellenSieeineHypotheseauf,warumMenschen,dievielAlkoholvertragen,besondersgefährdetfürdurchAlkoholverur-sachteOrganschädensind.„Trinkfeste“ Menschen nehmen trotz hohen Alkoholspiegels weniger Symptome des Rausches wahr. Dadurch konsumieren solche Leute tendenziell mehr Alkohol und die schädigende Wirkung des Ethanols auf den Körper und seine Organe ist somit erhöht.

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Zellaufbau und Kompartimentierung (Seite 76)

1 VergleichenSiepro-undeukaryotischeZellenundordnenSiedieZelleinAbb.1begründeteinerGruppezu.(Punkte: 8/100)Prokaryotische Zellen haben keinen Zellkern und keine von Membranen begrenzten Organellen. Das genetische Material liegt frei im Zellplasma meist als sogenanntes Bakterienchromosom vor. Sie sind haploid. Zudem besitzen sie meist kleine DNA-Ringe (Plasmide). Eukaryotische Zellen hingegen besitzen neben dem Zellkern diverse Kompartimente, die von Biomembranen umgrenzt sind. Da in Abb. 1 ein Zellkern erkennbar ist, muss es sich um eine eukaryotische Zelle handeln. Da Chloroplasten, Vakuole und Zellwand fehlen, allerdings ER und Mitochondrien vorhanden sind, handelt es sich um eine tierische Zelle.

2 ListenSieOrganellenmiteineroderzweiMembranentabellarischaufundnennenSiejeweilsderenFunktionen.(Punkte: 9/100) siehe Tabelle

Zellorganell mit Einfachmembran Funktion

EndoplasmatischesReticulum(ER) Stofftransport

GlattesER:SynthesevonMembran-lipiden,SpeicherungRibosomendesrauenER:SynthesevonProteinen;Golgi-Apparat

VesikelbildungfürStofftransport,VeränderungundSpeicherungvonProteinen

Vakuole SpeicherungvonStoffen,Stabilisierung

Lysosomen interzelluläreVerdauung

Zellorganell mit zwei Membranen Funktion

Zellkern DNA-Replikation,Steuerung

Mitochondrien Zellatmung(Energiebereitstellung)

Chloroplasten Fotosynthese

3 ErläuternSiedieStrukturunddieFunktionendesEndomembransystemsanhandvonAbb.2.(Punkte: 14/100)Am Endomembransystem sind u. a. das Endoplasmatische Reticulum (ER) und der Golgi-Apparat beteiligt. An den Ribosomen des rauen ER findet die Proteinbiosynthese statt. Die Aminosäurekette gelangt in den Innenraum des rauen ER. Dort faltet sich das Protein entsprechend seiner Aminosäuresequenz. Über Vesikel gelangen die Proteine in den Golgi-Apparat und werden dort chemisch verändert, z. B. durch das Anhängen von Zucker oder Fettsäuren. Verpackt in Golgi-Vesikel finden sie entsprechend ihrer individuellen Markierung ihren Zielort, wie z. B. die Zellmembran oder die Vakuole.

4 LeitenSieausAbb.2diebiologischeBedeutungderKompartimentierungeinerEucyteab.(Punkte: 9/100)Die Trennung der Reaktionsräume durch Biomembranen ermöglicht ein effektiveres, störungsfreies und regulierbares Ablaufen vieler verschiedener Stoffwechselreaktionen.

5 BegründenSieanhandvonAbb.1und3dieEndosymbiontentheorie.(Punkte: 10/100)Laut der Endosymbiontentheorie stammen Mitochondrien und Chloroplasten von prokaryotischen Zellen ab, die im Laufe der Evolution in die eukaryotische Zelle durch Edocytose aufgenommen und dort integriert wurden. Der Vergleich der beiden Bio-membranen bei Mitochondrien unterstützt diese Hypothese, da die Zusammensetzung der inneren Mitochondrienmembran der Zellmemb ran von Bakterien ähnelt. Hingegen gleicht die Zusammensetzung der äußeren Mitochondrienmembran weitgehend der Zellmembran eukaryotischer Zellen.

Transportprozesse und Enzyme — die Dünndarm-APP (Seite 77)

6 NutzenSieAbb.4,umdenBauunddiedarausresultierendenEigenschaftenvonBiomembranenzuerläutern.(Punkte: 10/100)Biomembranen bestehen aus einer Lipid-Doppelschicht aus Phospholipiden mit Kohlenhydraten (extrazellulär), peripheren und integralen Proteinen, die z. B. enzymatische oder Transportfunktionen haben können. Biomembranen ermöglichen den Stofftrans-port (passiver, aktiver Transport) sowie die Kompartimentierung innerhalb der Zelle und nach außen. Sie bilden eine Diffusions-barriere für viele Stoffe und dienen der osmotischen Regulation.

7 BeschreibenSieanhandvonAbb.4und5dieAufnahmevonProlinimDünndarm.(Punkte: 7/100)Die membrangebundene Aminopeptidase P (APP) katalysiert die Hydrolyse eines Tripeptids. Die Aminosäure Prolin wird über den Aminosäuretransporter in die Dünndarmzelle transportiert. Es handelt sich um eine sekundär aktive Aufnahme, gegen das Konzentrationsgefälle, mittels eines Na+-Symporters (ähnlich der Aufnahme von Glucose).

8 BeschreibenSiedieStrukturvonProteinenamBeispieldesAPP-Moleküls(Abb.6).(Punkte: 8/100)Die Primärstruktur der Proteine (Aminosäuresequenz) kann sich durch Wasserstoffbrücken räumlich zu Faltblatt- oder Helix-Struk-turen anordnen (Sekundärstruktur). Weitere räumliche Auffaltungen durch Wechselwirkungen der Seitengruppen der Aminosäu-ren ergeben die Tertiärstruktur. Beim Molekül des APP-Enzyms stabilisiert ein Zink-Ion als Cofaktor die Tertiärstruktur bzw. dessen aktives Zentrum. Bei einigen Proteinen lagern sich mehrere Tertiärstrukturen zur Quartärstruktur zusammen.

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Klausur-Training: Die Zelle



9 WertenSiedieVersuchsergebnisseinAbb.6und7imHinblickaufEigenschaftendesAminopeptidasemolekülsaus.(Punkte: 16/100)Ohne Zugabe von Metall-Ionen zeigt das Enzym APP eine geringe Enzymaktivität (Abb. 6). Bei der Zugabe von Ni2+- und Cu2+-Io-nen erliegt die Enzymaktivität weitgehend. Es handelt sich um Inhibitoren, die Einfluss auf die Struktur des Enzymmoleküls haben bzw. auf dessen aktives Zentrum. Bei Zugabe von Mg2+-Ionen zeigt sich keine Veränderung der Enzymaktivität. Sie haben keinen Einfluss auf das Enzymmolekül. Bei Zn2+-Ionen erhöht sich die Enzymaktivität stark. Sie dienen als Cofaktor für das APP-Molekül. Bei etwa 37 °C zeigt das Enzym die höchste Enzymaktivität (Abb. 7). Unterhalb dieser Temperatur nimmt sie ab, da die Reaktions-geschwindigkeit aufgrund geringerer Teilchenbewegung und eines geringen Anteils an Teilchen mit genügend Aktivierungsenergie (RGT-Regel) abnimmt. Darüber nimmt sie ebenfalls ab, da durch Denaturierung Enzymmoleküle inaktiviert werden.

10ErläuternSiediebiologischeBedeutungderMembranbindungderAminopeptidaseimVergleichzudenimDarminhaltfreivorliegendenVerdauungsenzymenPepsin,TrypsinundChymotrypsin.(Punkte: 9/100)Durch die Membranbindung des APP-Moleküls ist die sofortige (lokale) Aufnahme der Aminosäure in die Zelle/den Organismus erleichtert. Die anderen Verdauungsenzyme hingegen müssen im Lumen mit dem kompletten Nahrungsbrei durchmischt werden, um eine effektive Verdauung zu erreichen.

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2 Stoffwechsel

2. 1 Energieversorgung beim Menschen

Energiebereitstellung und Leistung (Seite 82/83)

1 DasHormonundDopingmittelErythropoitinEPOerhöhtstarkdieErythrocytenzahlimBlut.NennenSieWirkungenundNebenwirkungen.Durch die Erhöhung der Erythrocytenzahl kann mehr Sauerstoff transportiert werden, was positiv ist. Gleichzeitig wird jedoch durch die vielen roten Blutzellen der Blutfluss erschwert und die Blutgerinnung gefördert. Im schlimmsten Fall kann das zu Organ- und Herzinfarkten führen.

2 LeitenSiemithilfevonAbb.2ab,obeine100%igeSauerstoffgabevorsportlicherBetätigungsinnvollist.Eine 100%ige Sauerstoffgabe führt zu keiner zusätzlichen Leistungssteigerung, da die Kurven von Myoglobin und Hämoglobin asymptotisch verlaufen.

Energiebereitstellung und Nutzung (Seite 84/85)

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

2 AnalysierenSie,obderAbbauderGlucosefreiwilligabläuftoderAktivierungsenergiebenötigt.Beim Abbau der Glucose werden Elektronen auf den stark elektronegativen Sauerstoff übertragen. So nimmt die Entropie zu, da als Reaktionsprodukte mehr Moleküle entstehen. Betrachtet man die Gibbs-Helmholtz-Gleichung, ist demnach anzunehmen, dass die Reaktion freiwillig abläuft, d. h. dass es sich um eine exergonische Reaktion handelt.

3 ErklärenSie,warumunsbeiArbeitwarmwird.Trotz des Einsatzes von Zwischenschritten wird auch bei der Energieumwandlung beim Menschen der Großteil der Energie (62 %) als Wärme freigesetzt. Diese spüren wir dann entsprechend, wenn wir uns körperlich betätigen.

Die Glykolyse — der erste Schritt der Zellatmung (Seite 86/87)

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

2 ErläuternSie,wiedieBildungvonGlucose-6-phosphateineSteigerungderGlucose-Aufnahmebewirkt.Durch die Reaktion von Glucose mit ATP zu Glucose-6-phosphat wird der weitere Glucoseabbau eingeleitet. Dadurch sinkt die Glucosekonzentration. Dies begünstigt die weitere Glucoseaufnahme.

3 DasEnzymPhosphofructokinasekatalysiertdieReaktionvonFructose-6-phosphatmitATP(Abb.2).EswirddurchvielATPimZellplasmagehemmt,einehoheADP-KonzentrationfördertseineAktivität.FormulierenSieeineHypothesezurbiologischenBedeutungdieserBefunde.Die Hemmung bzw. Förderung der Enzymwirkung in Abhängigkeit von der ATP- bzw. ADP-Konzentration beeinflusst die Ge-schwindigkeit der Glykolyse so, dass sie bei ATP-Mangel schneller abläuft bzw. bei Vorhandensein von viel ATP langsamer abläuft. Dadurch ist es möglich, dass die Abbaurate der Glucose an den ATP-Bedarf angepasst wird.

Der Abbau der Brenztraubensäure (Seite 88/89)

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

2 ErstellenSiefürdenAbbauvonBrenztraubensäureinAktivierungundCitronensäurezyklusdieReaktionsgleichung.CH3-CO-COOH + 2 H2O + 3 NAD+ + FAD + ADP + Phosphat → 3 CO2 + 3 NADH + H+ + FADH2 + ATP

3 ErklärenSiemithilfevonAbb.2,wieausAcetyl-CoAohnedieAufnahmevonSauerstoffausderLuftKohlenstoffdioxidentste-henkann.Der Sauerstoff für die CO2-Bildung stammt aus dem Wasser, wobei der Wasserstoff zur Bildung von Reduktionsäquivalenten führt.

Die Atmungskette — der letzte Schritt der Zellatmung (Seite 90/91)

1 ErläuternSiedasPrinzip„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 ATP-Synthese bereit.

2 ErklärenSiedieBedeutungderOberflächenvergrößerunganderinnerenMembranderMitochondrien.Die Auffaltung der inneren Mitochondrienmembran erlaubt die Platzierung von mehr Wasserstoff-Ionen transportierenden Prote-inkomplexen und ATP-Synthasen. Dadurch steigt die Leistungsfähigkeit des Mitochondriums.

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3 IneinemExperimentwurdenisolierteMitochondrienineineLösungmitdempH-Wert8gegeben(Abb.4).EsfandkeineATP-Synthesestatt.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 ATP-Synthese vor. Bei einem pH-Wert von 4 im Intermembranraum reicht der Konzentrationsunterschied zur ATP-Synthese aus.

Material: Energieversorgung beim Menschen (Seite 92/93)

1 BeschreibenSiedieVersuchsergebnisse(Abb.4).Je höher die Substratkonzentration ist, desto schneller läuft die Reaktion ab. Insbesondere bei mittleren Enzymkonzentrationen steigert ADP die Enzymwirkung, bei ATP-Zugabe sinkt sie.

2 ErklärenSiedieVersuchsergebnissemithilfedesinAbb.5dargestelltenModells.ADP bzw. ATP bewirken als Hemmstoff bzw. Aktivator eine Veränderung der Enzymform und damit der katalytischen Wirkung.

3 ErläuternSiediebiologischeBedeutungdeserkanntenPhänomens.Das Endprodukt ATP des Glucoseabbaus wirkt in negativer Rückkopplung auf den Anfangsbereich der Glykolyse, sodass die Ge-schwindigkeit des Glucoseabbaus an den ATP-Bedarf angepasst ist.

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

5 ErklärenSiemithilfevonAbb.4dieAuswirkungenvonThermogenininderMitochondrienmembraninZellendesbraunenFettgewebesaufdieVerteilungvonH+-IonenundaufdieATP-Bildung.Thermogenin senkt den Wasserstoff-Ionenkonzentrationsunterschied ohne ATP-Bildung und senkt dadurch die ATP-Produktion.

6 ErklärenSiedieintensiveWärmefreisetzungdurchdasbrauneFettgewebemitBezugzurgutenDurchblutungdiesesGewe-besundseinerLageimKörper.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 BeschreibenSieanhandvonAbb.5dieEnergiebereitstellunginderBeinmuskulaturbeim800-m-Lauf.In wenigen Sekunden sinkt der ATP-Vorrat, dann der von Kreatinphosphat. Dabei steigt die Milchsäurekonzentration zuerst, sinkt dann aber bei zunehmender Zellatmung.

8 LeitenSieausAbb.5ab,welcheenergetischnutzbarenStoffebzw.StoffkombinationenimMuskelvorhandensind.Es handelt sich um ATP/ADP, Kreatinphosphat/ADP, Glucose, Glucose/Sauerstoff.

9 ErläuternSiedieRolledesKreatinphosphatsbeiderEnergiebereitstellung.Diese Möglichkeit zur ATP-Bereitstellung ohne Sauerstoffbedarf verzögert das Einsetzen der energetisch wenig ergiebigen Milch-säuregärung.

10FormulierenSieeineHypothesezurUrsachederMilchsäuregärungundbegründenSiediese.Dieser anaerobe Abbauweg der Glucose tritt bei Sauerstoffmangel auf, der vermutlich dadurch entsteht, dass der Sauerstoff-wtransport durch das Blut nicht zum oxidativen Glucose-Abbau ausreicht.

11GebenSiedieReaktionsschematafürdiebeidenAbbauwegederGlucose(Abb.6)an.aerob: C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 → 6 CO2 + 12 H2O anaerob: C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2

12ErklärenSiedieinAbb.7dargestelltenVersuchsergebnisseunterVerwendungdesinAbb.8dargestelltenModells.NADH + H+ wirkt allosterisch hemmend auf die BTS-Dehydrogenase.

Professionelles Training (Seite 94/95)

1 UmHöchstleistungenzuvollbringen,greiftderKörperfastausschließlichaufKohlenhydratezurück.ErklärenSie,warumdasderFallist.Beim Abbau von Kohlenhydraten kann etwa doppelt so viel ATP generiert werden wie bei der Fettverbrennung. Da der Muskel für die Höchstleistung viel ATP benötigt, eignen sich Kohlenhydrate in diesem Fall besser als Energiequelle.

2 WerdieAusdauertrainiert,trainiertdoppelteffektiv.ErläuternSie,inwelchenSystemenAusdauertraininggreift.Ausdauertraining verbessert die Versorgung der Muskulatur mit Sauerstoff und Nährstoffen und fördert gleichzeitig die effektive-re Nutzung dieser im Muskel. Somit kann man einen „doppelt positiven Effekt“ beobachten.

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2. 2 Stoffwechsel und Verdauung

Energiebereitstellung und Aktivität (Seite 98)

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. Die Koppelung der Körpertemperatur des poikilother-men Tiers an die Umgebungstemperatur deutet auf einen sehr viel geringeren Nährstoffbedarf hin.

Messung des Energieumsatzes (Seite 99)

1 ErläuternSiedieBezeichnungendirektebzw.indirekteKalorimetrie.Die Zu- bzw. Abnahme der gemessenen Wärmemenge bei der direkten Kalometrie lässt einen direkten Schluss auf den Stoffwech-sel 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 scheinen auch einen hohen Sauerstoffbedarf bei der energetischen Nutzung zu haben, sodass das kalorische Äquivalent mit dem der anderen Nährstoffe vergleichbar ist.

Ausgewogene Ernährung (Seite 100/101)

1 RecherchierenSieLebensmittel,dievieleversteckteZuckerundFetteenthalten.Zucker und Fette sind wichtige und gleichzeitig billige Geschmacksträger, die in vielen Fertigprodukten eingesetzt werden, auch wenn man es vielleicht nicht direkt vermutet. Typische Beispiele sind Pastasoßen oder Salatdressings, Fruchtjoghurts, Fertigmüslis oder auch löslicher Instant-Cappuccino.

2 StellenSieeineVermutungan,wasesbedeutet,wennsichLebensmittelinderSpitzederErnährungspyramidebefinden.Zum einen stehen Lebensmittel in der Spitze der Ernährungspyramide, da sie einen sehr hohen Energiegehalt haben. Außerdem haben diese Produkte wenig bis keine für die Ernährung wichtigen Inhaltsstoffe, wie ungesättigte Fettsäuren, Ballaststoffe, Vita-mine und Mineralstoffe.

Verdauung und Verfügbarkeit der Nährstoffe (Seite 102/103)

1 DerMagenkanneinsehrunterschiedlichesVolumenaufweisen.EsbeträgtimentleertenZustand0,05l,kannaberwährendeinerMahlzeitauf2—3lansteigen.ErläuternSiedieBedeutungdieserTatsachefürdieVerdauung.Durch die Dehnungsfähigkeit des Magens kann trotz diskontinuierlicher Nahrungsaufnahme eine kontinuierliche Verdauung statt-finden mit genügend Zeit für die Reaktionen.

2 ErläuternSieanhandvonAbb.1,dassdasDarmlumenaußerhalbdesKörpersliegt.Über Mund und After ist der Verdauungstrakt ohne zelluläre Barrieren mit der Umgebung verbunden. Stoffe und Mikroorganis-men im Darm befinden sich außerhalb des Körpergewebes.

3 BeiderVerdauungeinersehrballaststoffreichen,abernährstoffarmenMahlzeitkannderEnergiegewinnfürdenKörpernahe-zunullsein.ErklärenSie.Da die Verdauung für Muskelkontraktionen und die Bereitstellung von Verdauungsenzymen Energie benötigt, erbringt Nahrung mit wenig energetisch nutzbaren Stoffen einen geringen Nettogewinn.

Resorption und Transport der Nährstoffe (Seite 104/105)

1 ErläuternSiedenBegrifferleichterteDiffusion.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 Abtrans-port der Nährstoffe wird der Konzentrationsunterschied Blut – Darmepithelzelle erhalten und damit auch der Konzentrations-unterschied Zelle – Darmlumen.

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Energie- und Baustoffwechsel (Seite 106/107)

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

2 DerCitronensäurezykluswirdals„DrehscheibedesStoffwechsels“bezeichnet.ErläuternSiediesenAusdruck.Im Citronensäurezyklus können aus allen Nährstoffgruppen Moleküle zur Energiebereitstellung oder zum Aufbau von Nährstoffen genutzt werden.

Extra: Einseitige Diäten (Seite 107)

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

Körpergewicht und Regulation (Seite 108)

1 ErklärenSiewarumlangkettigeKohlenhydrateeinewichtigeGrundlageunsererErnährungdarstellensollten.Langkettige Kohlenhydrate sättigen länger, weil sie langsamer vom Körper aufgenommen werden. Sie liefern dem Körper so über einen längeren Zeitraum Energie. Außerdem wird der Insulin-Peak, der zu einem starken Fallen der Glucosekonzentration im Blut führt, vermieden. Dies bewirkt, dass das Sättigungszentrum im Hypothalamus länger aktiviert ist.

2 AnalysierenSieAbb.1undnennenSiegenetischeVeränderungenvonRezeptoren,dienachdemSchemazuFettleibigkeitführenkönnten.Man nimmt an, dass die Rezeptoren für Leptin bei Fettleibigkeit genetisch verändert sind. Das führt dazu, dass nur ein sehr hoher Leptinspiegel zur Sättigung führt. Dadurch tritt das Sättigungsgefühl erst verspätet auf, was eine vermehrte Nahrungsaufnahme bewirkt.

Material: Steuerung und Regelung im Stoffwechsel (Seite 109)

1 StellenSiedieMessergebnisseausAbb.1grafischdar.

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.

Ernährung aus den Fugen? (Seite 110/111)

1 NehmenSiezurfolgendenAussageStellung:„Über-oderUntergewichtbeiKindernundJugendlichenverwächstsich“.Sowohl Über- als auch Untergewicht kann lebensbedrohliche akute Folgen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Langzeitfolgen bei Jugendlichen haben, die nicht mehr vollständig rückgängig zu machen sind. Beispiele sind die Wachstumsstörungen beim Unter-gewicht und die Schädigung der Gefäße beim Übergewicht. Über längere Zeit etablierte Verhaltensweisen sind besonders schwer wieder zu ändern, daher sollte besser früh interveniert werden.

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normalernährt

40 StundenHunger

7 TageHunger

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GlucoseFettsäurenKetonkörper



2 ErklärenSie,warumbestimmteNahrungsmittelnachderobengenanntenFaustregelwenigeraufgenommenwerdensollenalsandere.Die beiden wichtigsten hochkalorischen Nahrungsmittel sind in der Faustregel des Prof. Katz deutlich reduziert, da im Vergleich zu industriell hergestellten Gerichten in Obst, Gemüse und Vollkornprodukten nur ein Bruchteil des Fetts und des Zuckers enthalten sind.

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Ernährung von Tieren und Pflanzen (Seite 114/115)

1 ErläuternSiedieBegriffeheterotrophundautotrophamBeispielvonzweiselbstgewähltenOrganismen.NutzenSiedazuauchAbb.1.Z.B.:Ein Apfelbaum stellt die benötigten Nährstoffe mithilfe von Licht selbst her. Von außen nimmt er dazu Wasser, Kohlenstoff-dioxid 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.

2 DerForscherJoseph PriestleyführteverschiedeneExperimentezurFotosynthesedurch.WennmaneineMausmitFutterineinenabgeschlossenenGlasbehältergibt,stirbtdiesenacheinigerZeit.AucheinePflanzeimabgeschlossenenBehältergehtein.WennmanabereineMausmitFutterunddiePflanzeindenabgeschlossenenGlasbehältergibt,überlebenbeide.Erklä-renSiedieVersuchenachPriestley.Heterotrophe Organismen wie die Maus benötigen für ihren Stoffwechsel Sauerstoff. Im abgeschlossenen Behälter ist dieser nach einiger Zeit verbraucht, die Maus stirbt. Um Fotosynthese betreiben zu können, benötigt die Pflanze Kohlenstoffdioxid. Dieses ist nach einiger Zeit im Behälter verbraucht, sodass die Pflanze eingeht. Im dritten Versuch produziert die Maus aufgrund ihres dissimilativen Stoffwechsels Kohlenstoffdioxid, das die Pflanze für die Fo-tosynthese benötigt. Da bei der Fotosynthese Sauerstoff entsteht, steht dieser der Maus wiederum für ihre Atmung zur Verfügung.

Extra: Parasitierende Pflanzen (Seite 115)

StellenSieGemeinsamkeitenundUnterschiedevonVoll-undHalbparasitenineinerTabelledar.Gemeinsamkeiten: Voll- und Halbparasitenpflanzen benötigen eine Wirtspflanze; ein Teil der benötigten Stoffe wird der Wirts-pflanze 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 116/117)

1 StellenSieeineHypotheseauf,weshalbeinBuchenblattnuraufderBlattunterseiteStomatabesitzt,nichtaberaufderBlatt-oberseite.Aufgrund höherer Sonneneinstrahlung und Temperatur auf der Blattoberseite wäre der Wasserverlust durch Transpiration bei geöffneten Stomata auf der Blattoberseite wesentlich höher.

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

3 SonnenbeschieneneBlätterunterscheidensichvonSchattenblättern.SonnenblätterhabeneindickeresPalisaden-undSchwammgewebe.GleichzeitigsinddieSonnenblätterkleiner.BeiSchattenblätternistdasPalisaden-undSchwammgewebevergleichsweisedünn,gleichzeitigsinddieBlättergrößer.ErklärenSiedieunterschiedlichenBaumerkmale.Da die Sonnenblätter intensiv beschienen werden, können auch tiefer im Blatt liegende Schichten Fotosynthese betreiben. Die geringere Größe des Blatts dient der Minimierung des Wasserverlusts über die Transpiration. Bei den Schattenblättern ist die Lichtintensität, die aufgenommen wird, geringer. Daher können nur blattoberflächennahe Schichten Fotosynthese betreiben, weshalb die Blätter dünner sind. Der Wasserverlust über Schattenblätter ist geringer, da diese nicht direkt beschienen werden. Daher ist es vorteilhaft, wenn Schattenblätter größer sind, um möglichst viel Licht absorbieren zu können.

Licht — Energiequelle für die Fotosynthese (Seite 118)

1 Theodor W. Engelmann(1843—1909)führte1882deninAbb.2dargestelltenVersuchmiteinerFadenalgeundsauerstofflie-bendenBakteriendurch.WertenSiedieVersuchsergebnisseaus.Die sauerstoffliebenden Bakterien sammeln sich hauptsächlich in den Bereichen des blauen und roten Lichts. Die Fadenalge pro-duziert 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,inwieferndieAbsorptions-undWirkungsspektrenbelegen,dassdieverschiedenenBlattfarbstoffeanderFoto-synthesebeteiligtsind.

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2. 3 Fotosynthese und Stoffaufbau

jemehrLicht

desto höherFS-Rate CO2-Ver-

sorgungÖffnungsweiteStomata

Wasser

desto höher muss sein

dann sinkt

desto größer

desto geringer

desto höher Transpiration

desto kleiner Transpiration



Die Maxima des Wirkungsspektrums liegen dort, wo die Absorptionsmaxima von Chlorophyll b liegen. Gleichzeitig tragen auch Chlorophyll a und die Carotinoide zur Wirkung bei, die hier alle Peaks in der Absorption aufweisen. Die Wirkung im Bereich 630 nm bis 650 nm wird hauptsächlich durch die Absorption von Chlorophyll a verursacht, Chlorophyll b absorbiert hier immer noch, aber weniger.

Material: Modellexperiment zur Anregung von Chlorophyll (Seite 119)

1 ErläuternSieanhanddesRedoxschemasinAbb.2,obAscorbinsäurebzw.Methylrotoxidiertoderreduziertwird.Ascorbinsäure gibt e– ab, wird also oxidiert. Methylrot nimmt e– auf, wird also reduziert.

2 ErklärenSiemithilfevonAbb.2,weshalbAscorbinsäuremoleküleElektronennichtdirektaufMethylrotmoleküleübertragenkönnen(Ansatz1).Methylrot hat eine geringere Affinität zu e–, es kann die e– von Ascorbinsäure nicht direkt aufnehmen.

3 ErläuternSie,weshalbnurinAnsatz3(Abb.1)dieinAbb.2dargestelltenReaktionenablaufen.GehenSieauchaufdieFarb-veränderungein.Chlorophyll wird durch das Licht angeregt, die Neigung zur Elektronenabgabe steigt. In den Ansätzen 1 und 4 sind diese Bedin-gungen nicht gegeben. In Ansatz 2 können die e– zwar an die Methylrotmoleküle abgegeben werden, es fehlt aber der Elektronen-lieferant Ascorbinsäure. Nur dann können die Chlorophyllmoleküle, die zuvor Elektronen an Methylrotmoleküle abgegeben haben, erneut durch Licht angeregt werden. Diese Bedingungen sind nur in Ansatz 3 erfüllt. Wird Methylrot reduziert, entfärbt sich die Lösung. Die zuvor braune Lösung wird grün (grüne Färbung durch Chlorophyll).

4 StellenSiedar,welcheFolgerungensichausderVersuchsreihefürdieFotosyntheseergeben.In den Fotosynthesereaktionen wird ein Elektronenlieferant (hier Ascorbinsäure) und ein Elektronenakzeptor (hier Methylrot) benötigt.

Praktikum: Fotosynthese (Seite 120)

1 FormulierenSiejeeineFragestellungfürdieVersuchemitGeranienblätternundBuntnesselblättern,diemitdemVersuchüberprüftwerdenkann.Geranienblätter: Ist die Stärkebildung nur mithilfe von Licht möglich? Buntnesselblätter: Ist die Stärkebildung nur in chlorophyll-haltigen Blattteilen möglich?

2 BegründenSiedasVorgehen,beidePflanzenzunächstzweiTageinsDunklezustellen.Dadurch wird gewährleistet, dass in den Versuchen nachgewiesene Stärke fast nur aus den zwei Tagen intensiver Beleuchtung stammt und nicht vorher vorhanden war.

3 WertenSiedieVersuchsergebnissehinsichtlichIhrerFragestellungenaus.GehenSiedabeiaufdieunterschiedlichenErkennt-nisseein,diedieVersuchemitGeranienblätternbzw.panaschiertenBlätternzeigen.Bei den Geranienblättern ist nur in den Blattteilen ohne Aluminiumfolie Stärke nachweisbar. Ohne Licht ist also keine Fotosynthe-se und damit Stärkebildung möglich. Bei den Buntnesselblättern ist nur in den farbigen Blattteilen ohne Aluminiumfolie Stärke nachweisbar, in weißen Blattteilen nicht. Neben Licht ist auch Chlorophyll für die Fotosynthese eine Voraussetzung.

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

5 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.

Praktikum: Trennung von Blattfarbstoffen (Seite 121)

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 2 wird langsamer mit dem Laufmittel transportiert.

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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 zuzu-ordnen.

4 PrüfenSieanhandderVersuchsergebnisse,welcheBlätterChlorophyllenthalten,undstellenSieeineHypotheseauf,wiedieHerbstfärbungentsteht.Die grünen und roten Blätter enthalten Chlorophylle, die gelben Herbstblätter nicht. Die Chlorophylle werden im Herbst vermut-lich 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.

Die Fotoreaktion — der erste Teil der Fotosynthese (Seite 122/123)

1 ErläuternSie,anwelcherStellederFotoreaktiondieLichtenergiefürdiePflanzechemischnutzbarwird.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,weshalbwederdasFotosystemInochdasFotosystemIIalleinfürdieFotoreaktionderFotosynthesevonPflanzenausreicht.Die ATP-Bildung 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:„OhneLichtkeineATP-Bildung“.Nur mithilfe des Lichts kann der Protonengradient entstehen, durch den wiederum ATP gebildet wird. Deshalb findet ohne Licht keine ATP-Bildung statt.

Synthesereaktion — der zweite Teil der Fotosynthese (Seite 124)

1 BeschreibenSiedieTeilschrittedesCalvinzyklus,beginnendbeiderKohlenstoffdioxidfixierung.GehenSiedabeiaufdieFunk-tionenvonATPundNADPH+H+indenReaktionenein.Beschreibung der einzelnen Schritte, z. B. Zerfall C6-Körper in je zwei C3-Körper, Addition Phosphatgruppe, ATP überträgt Phos-phatgruppen, NADPH + H+ überträgt Elektronen, Folgeprodukte setzen in Reaktionen mehr Energie frei

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

Fotosynthese im Überblick (Seite 125)

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,inwelchenProduktenderFotosynthesedieschwerenSauer-stoffatomenachweisbarsindundinwelchennicht.In Wasser sind keine markierten O-Atome nachweisbar, O2 stammt ausschließlich aus Wasser, in Glucose und Wasser wären nach dem Verlauf des Calvin-Zyklus markierte O-Atome denkbar.

3 ErläuternSiedieBegriffe"Stoff-undEnergieumwandlung"amBeispielderFotosynthese.Pflanzen bilden mithilfe der Lichtenergie in den Fotosynthesereaktionen den energetisch nutzbaren Stoff Glucose.

Fotosynthese und Umweltfaktoren (Seite 126)

1 NachtsstellenhoheTemperaturenineinemRaummitgeschlossenenFensternundvielenPflanzeneinenStressfaktorfürdiePflanzendar.ErklärenSie.Bei geringer bis nicht vorhandener Beleuchtung, wie es nachts der Fall ist, überwiegt die Zellatmung. D. h. die Pflanze verbraucht O2. Bei höherer Nachttemperatur im geheizten Zimmer steigt die Zellatmungsrate noch einmal. Sind die Fenster verschlossen und es befinden sich viele Pflanzen im kleinen Schlafzimmer, kann die Sauerstoffkonzentration durch den gemeinsamen Verbrauch des Schlafenden und der Pflanzen stärker sinken, was zu Stress führen kann.

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2 MitderGlucoseausderFotosynthesevonAlgensollinZukunftTreibstoffgewonnenwerden.ErklärenSie,warumdieAlgen-farmennebenKohlekraftwerkengebautwerdensollen.Bei Pflanzen in der freien Natur ist meist der Kohlenstoffdioxidgehalt der limitierende Faktor für die Fotosyntheseleistung. Bei der Verbrennung von Kohle entsteht Kohlenstoffdioxid, das so genutzt werden könnte, um die Syntheseleistung der Algen zu steigern. Außerdem würden mindestens Teile der Kohlenstoffdioxidproduktion des Kraftwerkes so fixiert.

Fotosynthesespezialisten C4-Pflanzen und CAM-Pflanzen (Seite 127)

1 ErklärenSiedenVorteilunddenNachteilderKohlenstoffdioxidfixierungbeiC4-undCAM-PflanzenverglichenmitC3-Pflanzen.C4- und CAM-Pflanzen reduzieren die Wasserabgabe über die Spaltöffnungen, während sie Kohlenstoffdioxid aufnehmen. Dies wird zum einen durch die höhere Kohlenstoffdioxidaffinität der PEP-Carboxylase erreicht, zum anderen durch die räumliche bzw. zeitliche Trennung der Kohlenstofffixierung vom Calvinzyklus. Dadurch können diese auch an trockenen Standorten wachsen. Nachteil ist, dass für die Regeneration der Benztraubensäure zusätzlich ATP verbraucht wird, was bei C3-Pflanzen nicht der Fall ist.

2 VerhungernoderVerdursten?ErläuternSie,wieC4-Pflanzenanwarm-trockenenStandortenandieseDilemmasituationange-passtsind.Die erste Kohlenstoffdioxidfixierung durch die PEP-Carboxylase erfolgt effektiv auch bei geringeren Kohlenstoffdioxidkonzentrati-onen, also auch bei geringerer Spaltöffnungsweite. Der Wasserverlust der Pflanze wird so gering gehalten, sie kann aber dennoch effektiv Fotosynthese betreiben.

3 IsstmanDickblattgewächspflanzenwieKakteen,schmeckendiesetagsüberandersalsnachts.ErklärenSie.Nachts wird Kohlenstoffdioxid an PEP fixiert und in Form von Äpfelsäure zwischengespeichert. D. h. nachts fällt der pH-Wert, die Pflanzen schmecken saurer. Tagsüber gibt die Äpfelsäure das Kohlenstoffdioxid an den Calvinzyklus ab. Dadurch steigt der pH-Spiegel, die Pflanze schmeckt also weniger sauer.

Biomasseproduktion durch Pflanzenwachstum (Seite 128/129)

1 BeschreibenSieanhandvonBeispielen,wiediePflanzeaufungünstigeEinflüssemittelssekundärerPflanzenstoffereagierenkann.Sekundäre Pflanzenstoffe können z. B. vor UV-Strahlung schützen wie beim Alpenenzian, sie können aber auch fraßhemmend auf Tiere und abwehrend auf Schadinsekten wirken.

2 ErklärenSie,warumdurchDüngungderErnteertragauchsinkenkann.Nach dem Gesetz des Minimums von Liebig bewirkt eine Düngung dann eine Ertragssteigerung, wenn der im Dünger enthaltene Stoff der limitierende Faktor ist. Ist dieser im Boden aber bereits in ausreichender Menge vorhanden, führt die weitere Zufuhr durch den Dünger zu einer Überdüngung, die der Pflanze schadet.

3 BeiungünstigerWitterungproduziertdiePflanzewenigerGlucose.BeschreibenSie,welcheAuswirkungendiesaufdieFort-pflanzungvonBlütenpflanzenhabenkann.Produziert die Pflanze weniger Glucose, können auch nur wenige sekundäre Pflanzenstoffe wie z. B. Blütenfarbstoffe hergestellt werden. Damit ist die Pflanze für bestäubende Insekten weniger attraktiv und wird weniger bestäubt, wodurch die Fortpflanzung der Pflanze gefährdet sein kann.

Extra: Bildung von Speicherstoffen (Seite 129)

BeschreibenSiedieStärkebildunginPalisaden-undSpeicherzelleninAbb.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.

Chemosynthese (Seite 130)

1 VergleichenSieFotosyntheseundChemosyntheseanhandvonAbb.1.In beiden Prozessen werden Kohlenhydrate aus Kohlenstoffdioxid aufgebaut. Dafür werden Substanzen benötigt, die in Reaktio-nen 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.

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Material: Chemosynthese und anoxygene Fotosynthese (Seite 131)

1 LeitenSieausdenErgebnisseninAbb.1einenStoffwechselwegderBakterienanBlackSmokernab.ErstellenSiedazuaucheinSchemaentsprechendderAbb.1aufSeite130.Die Bakterien an Black Smokern oxidieren Schwefelwasserstoff (H2S) zu Sulfat-Ionen (SO4

2–). Dazu benötigen sie Sauerstoff. Des-halb 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 zugege-ben, ist ebenfalls Bakterienwachstum zu beobachten (Ansatz 3), Sauerstoff wird für den Calvin-Zyklus nicht benötigt (Ansatz 2). Schema wie Abb. 1 rechts auf Seite 130, als anorganischen Stoff Schwefelwasserstoff, als Oxidationsprodukt Sulfat-Ionen 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 NennenSieGemeinsamkeitenundUnterschiedederChemosynthesevonSchwefelbakterienundderanoxygenenFotosynthe-sevonGrünenSchwefelbakterien.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 verschiede-ne Fotosysteme (P680 und P700), in der Fotoreaktion der Grünen Schwefelbakterien nur die Fotosysteme P840. Die Elektronen-lücken werden jeweils durch Fotolyse eines Stoffes (Wasser, Schwefelwasserstoff) geschlossen. Die ATP-Bildung erfolgt in beiden Reaktionen durch Aufbau eines Wasserstoff-Ionenkonzentrationsunterschieds, indem Protonen über Redoxketten transportiert werden. Dabei erfolgt auch die NADH + H+ bzw. NADPH + H+-Bildung. Während bei grünen Pflanzen NADPH + H+ und ATP gleich-zeitig gebildet werden, laufen diese Prozesse in der Fotoreaktion der Grünen Schwefelbakterien alternativ ab.

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Bau- und Energiestoffwechsel des Gartenschläfers (Seite 134)

1 BeschreibenSieunterVerwendungvonAbb.1dieEnergiebereitstellungdurchdenoxidativenAbbauvonGlucose.(Punkte: 8/100)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 Wasserstoff-Ionen auf NAD+ und FAD. Die Elektronen und Wasserstoff-Ionen reagieren in der Atmungskette zu Wasser. Dabei werden NAD+ und FAD wieder frei für Glykolyse und Citronensäurezyklus. Der in den Mitochondrien erzeugte Wasserstoff-Ionenkonzentrationsunterschied zwischen Intermembranraum und Mitochondrienmatrix führt pro Glucosemolekül zur Bildung von 34 ATP-Molekülen.

2 LeitenSieausdemTextundAbb.1eineErklärungdafürab,dassderNahrungsbedarfdesGartenschläfersinderWachphasevonderUmgebungstemperaturabhängigist.(Punkte: 9/100) 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,dassderGartenschläferauchbeiunterschiedlichenAnteilenderdreiNährstoffgruppensei-nenEnergie-undBaustoffwechselaufrechterhaltenkann.(Punkte: 14/100) Aus Kohlenhydraten, Fettsäuren und Aminosäuren können im Zellstoffwechsel Moleküle mit einem Kohlenstoffgerüst erzeugt werden, die durch Citronensäurezyklus und Atmungskette zur ATP-Bildung 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: 9/100) Die Geschwindigkeit von Stoffwechselreaktionen ist temperaturabhängig (RGT-Regel). Die Wärmefreisetzung und die ATP-Bildung 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.3dargestelltenDatenbezüglichderStoffwechselumstellungeninderAufwachphasedesGarten-schläfersimFrühjahr.(Punkte: 10/100) In den ersten 20 min wird primär Glucose abgebaut. Gleichzeitig werden Fette zu Fettsäuren und Glycerin abgebaut. In den folgen-den 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 Energie-stoffwechsel mit dem Glycerin- und Fettsäureabbau betrieben, deren Konzentrationen im Blut sinken.

Die Fotosynthese (Seite 135)

6 BeschreibenSiedenAblaufderFotosynthese.NehmenSiedabeiBezugaufAbb.4.(Punkte: 10/100) In der Fotoreaktion werden mithilfe von Energie aus absorbiertem Licht Wassermoleküle gespalten. Dabei entsteht molekularer Sauerstoff. Elektronen und Wasserstoff-Ionen 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,dassanderFotoreaktionzweiFotosyste-mebeteiligtsind.ErbestrahlteGrünalgenmitLichtbestimmterWellenlängenundmaßdieÄnderungderSauerstoffkonzent-rationinderLösung.ErklärenSiedieinAbb.5dargestelltenErgebnisse.(Punkte: 14/100) 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 Fotosyn-theserate.

8 IneinemExperimentwurdenChloroplastenzertrümmertunddann30minlangunterAusschlussvonKohlenstoffdioxidbe-lichtet.AnschließendtrenntemandurchZentrifugationalleThylakoidmembranenab.DasStromaversetztemananschließendmitverschiedenenZusätzenundleiteteradioaktivmarkiertes14C-Kohlenstoffdioxidhindurch(Abb.6).Nachweiteren30minbestimmtemandieRadioaktivitätderLösung.ErklärenSiedieErgebnisse.(Punkte: 16/100) 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 Glucose-synthese verwendet. Wenn beide Stoffe zugegeben werden, kann viel Glucose produziert werden (C).

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Klausur-Training: Stoffwechsel



9 VerschiedenePflanzenartensindandieinihremLebensraumvorhandeneFeuchtigkeitangepasst.ErläuternSiedasDilemmavonPflanzenantrockenenStandortenunderklärenSieanhandvonAbb.7einenmöglichenAusweg.(Punkte: 10/100) 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 ermög-licht einen intensiven Gasaustausch, also auch die Kohlenstoffdioxidaufnahme in den Morgen- und Nachmittagsstunden. Mittags müssen die Spaltöffnungen geschlossen sein.

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3 Genetik

3. 1 Klassische Genetik

Chromosomenanalyse beim Menschen (Seite 140/141)

1 ErklärenSie,warumMenschenmiteinemTurner-Syndromlebensfähigsind,diemiteinemfehlendenAutosomabernicht.Bei Frauen wird eines der beiden X-Chromosomen in jeder Zelle inaktiviert. Männer verfügen über ein X-Chromosom. Dies zeigt, dass ein Leben mit einem X-Chromosom möglich ist. Die Gonosomen sind die kleinsten Chromosomen. Dies ist ein Hinweis darauf, dass nur wenige Gene auf diesen Chromosomen liegen und ein Verlust verkraftet werden kann.

2 BegründenSie,obnumerischeChromosomenanomaliengrundsätzlichschwerereAuswirkungenalsstrukturelleChromo-somenanomalienhaben.Numerische Chromosomenaberrationen der Autosomen mit einer verminderten Zahl der Autosomen sind grundsätzlich nicht mit dem Leben vereinbar. Mit Ausnahme des nicht lebensfähigen Typs Y0 haben numerische Chromosomenaberrationen der Gono-somen, wie z. B. das Turner-Syndrom, weniger schlimme Folgen als größere strukturelle Chromosomenanomalien (Katzenschrei-syndrom). Auch numerische Chromosomenaberrationen mit einer Überzahl der Chromosomen, wie z. B. die Trisomie 21, können vergleichsweise weniger negative Auswirkungen haben. Welche Veränderung nachteiliger für das Lebewesen ist, muss also differenziert betrachtet werden.

Meiose und die Bildung der Keimzellen (Seite 142/143)

1 VergleichenSiedieMitose(s.Seite40/41)jeweilsmitderMeioseIundderMeioseII.NennenSiejeweilseinengrundlegendenUnterschied.Meiose I: Bei der Mitose werden die zwei Chromatiden voneinander getrennt, bei der Meiose I die homologen Chromosomen. Meiose II: Bei der Mitose werden die Chromatiden der beiden (diploiden) homologen Chromosomen (2 n, 4 C) getrennt, bei der Meiose die Chromatiden der haploiden Chromosomen (1 n, 2 C).

2 ErklärenSie,warumsichdurchdasCrossingoverdieNeukombinationsmöglichkeitenderChromosomenvonüber8,4Millio-nennochweitervervielfachen.Nach dem Crossingover sind im Schnitt ein bis drei Teile der Chromosomen durch Teile der homologen Chromosomen ersetzt. D. h. es liegt nicht ein mütterliches und ein väterliches Chromosom vor, sondern ein überwiegend väterliches (mit variablem mütterli-chem Anteil) und ein überwiegend mütterliches (mit variablem väterlichen Anteil). Dadurch erhöhen sich die Neukombinations-möglichkeiten um ein Vielfaches.

Assistierte Reproduktion (Seite 144/145)

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 ErklärenSieunterZuhilfenahmederSeiten142/143,warumvieleKrankenkassendieIVF,wennüberhaupt,nurbiszum40.LebensjahrderFraubezahlen. Bei der Frau treten die Eizellen vor der Geburt in die Meiose ein und verharren dann bis zum Eisprung in der Prophase I. Daher sind die Eizellen einem Alterungsprozess unterworfen, sodass nach dem 40. Lebensjahr eine erfolgreiche IVF unwahrscheinlicher wird. Außerdem nehmen die Risiken der IVF für die Frau mit zunehmendem Alter zu. Zusatzinformation: Auch bei Männern nimmt die Spermienqualität ab, daher darf der Mann für eine IVF, die von den Krankenkas-sen bezahlt wird, in der Regel maximal 50 Jahre alt sein.

Expression von Merkmalen (Seite 146/147)

1 ErstellenSieeineTabellefürallemöglichenGeno-undPhänotypenfürdenRhesusfaktor.siehe Tabelle

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0 PhänotypGenotyp

DD

Dd

dd



2 ErstellenSieeinKreuzungsschemaanalogdemKreuzungsschemainAbb.2undeinweiteresfürElternmitdenGenotypen(DD)und(dd).Genotypen der Eltern: DD und dd Mögliche Keimzellen: D und d Genotypen der Kinder: Dd

3 BeimHumangenomprojektwurdedasgesamteGenomdesMenschenentschlüsselt.DieHoffnung,dassnunMerkmaleundKrankheitenbestimmtenGenenzugeordnetwerdenkönnen,erfülltesichnurteilweise.GebenSieeinemöglicheErklärungfürdiesesPhänomen.Die Zuordnung von Genen zu Merkmalen bzw. Krankheiten ist insbesondere dann schwierig, wenn es sich um Polygenien handelt, d. h. wenn mehrere Gene an der Ausprägung eines Merkmals beteiligt sind. Erst wenn diese mehreren beteiligten Gene identi-fiziert wurden und ihre Interaktion (additiv oder komplementär) erforscht ist, kann eine eindeutige Zuordnung der Gene zu den Merkmalen erfolgen.

Down-Syndrom (Seite 148)

1 StellenSieanalogzuAbb.2dar,welchemöglichenZygotenentstehen,wennzweiKeimzellenverschmelzen,vondeneneineeinFusionschromosom14+21enthält(s.Randspalte).Bei Personen, die ein Fusionschromosom 14 + 21 haben, fehlt ein Chromosom. Sie habe nur ein intaktes Chromosom 14 und ein intaktes Chromosom 21. Bei der Meiose sind 6 verschiedene Verteilungen bzgl. dieser Chromosomen in den Keimzellen möglich: 1. 14 und 21 intakt 2. Fusionschromosom 14 + 21 3. Fusionschromosom 14 + 21 und ein intaktes Chromosom 21 4. Chromosom 14, 21 fehlt 5. Fusionschromosom 14 + 21 und intaktes Chromosom 14 6. Chromosom 21 und 14 fehlen Durch die Befruchtung mit einer Keimzelle, die jeweils ein intaktes Chromosom 14 und ein intaktes Chromosom 21 enthält, sind 6 verschiedene Möglichkeiten denkbar: 1. 2-mal Chromosom 14 und 2-mal Chromosom 21 2. 1-mal Chromosom 14, Fusionschromosom 14 + 21, 1-mal Chromosom 21 3. 1-mal Chromosom 14, Fusionschromosom 14 + 21, 2-mal Chromosom 21 4. 2-mal Chromosom 14, 1-mal Chromosom 21 5. 2-mal Chromosom 14, Fusionschromosom 14 + 21, 1-mal Chromosom 21 6. 1-mal Chromosom 14, 2-mal Chromosom 21

Material: Umstrittene Reproduktionsmethoden (Seite 149)

1 ErklärenSie,waseineFrau,dieSocialFreezingfürsichnutzenmöchte,hinsichtlichdesVerfahrenswissensollte.Um eine hohe Erfolgswahrscheinlichkeit gewährleisten zu können, müssten bei einer Frau möglichst vor dem 30. Lebensjahr meh-rere Hormonstimulationen durchgeführt werden, sodass insgesamt mindestens 10, besser 15 Eizellen eingefroren werden können.

2 Umfragenzeigen,dassjungeMenschendemSocialFreezingüberwiegendaufgeschlossengegenüberstehen.KönnenSiesichvorstellen,dassSocialFreezinginZukunftvermehrtgenutztwird?BegründenSieIhreAntwort.individuelle Lösung. Sinnvolle Antworten könnten den sozialen Druck auf die Frau durch solche Maßnahmen beleuchten und auch, dass sich nicht alle Frauen solch kostspielige Methoden leisten können. Die möglichen Probleme einer sehr späten Elternschaft könnten ebenfalls zur Sprache kommen. Aber auch die Vorteile der Methode durch einen veränderten Arbeitsmarkt und langwieri-ge Studiengänge könnten thematisiert werden.

3 BeurteilenSiedieProblematikderPIDnachdeutschemundausländischemRecht.individuelle Lösung. Beleuchtet werden könnten bezüglich des deutschen Rechts, dass Verbände, die Menschen mit Einschrän-kungen vertreten, die PID häufig als Infragestellung des Lebensrechts sehen. Sozialer Druck könnte dazu führen, die PID häufiger durchzuführen und Embryonen mit genetischen Veränderungen systematisch zu verwerfen. Weltweit könnte die Verwerflichkeit des Selektierens gesunder Embryonen lediglich aufgrund ihres Geschlechts in bestimmten Ländern erörtert werden.

4 NehmenSieStellungzuderpotenziellenSituation,dassfüreinKindmitLeukämie,fürdaskeinpassenderKnochenmark-spenderzurVerfügungsteht,mittelsPIDein„Retterkind“mitderpassendengenetischenAusstattungselektiertundaus-getragenwürde.individuelle Lösung. Mögliche Erörterungspunkte könnten die Fragen sein, ob das „Retterkind“ nur aus diesem Grund gezeugt wird oder ob eine PID auch ohne die Leukämieerkrankung des Geschwisters zulässig wäre. Auch die schwierige moralische Dilemma-Situation der Eltern kann diskutiert werden.

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Gregor Mendel — Entdecker der Vererbungsregeln (Seite 150/151)

1 StellenSiedieKreuzungeinerhomozygotrotblühendenErbsenpflanze[AA]miteinerheterozygotrotblühendenErbsenpflan-ze[Aa]inFormeinesKreuzungsschemasdar.Genotypen: AA und Aa Keimzellen: A, A und A, a

2 ErläuternSie,unterwelcherVoraussetzungdieUnabhängigkeitsregelGültigkeithat.Zwei Gene können nur dann unabhängig voneinander vererbt werden, wenn ihre Genorte auf unterschiedlichen Chromosomen lokalisiert sind.

3 IneinemKreuzungsexperimentanalogzudeminAbb.3tratenfolgendeAnzahlenvonPhänotypenauf:4318gelb/rund,1621grün/kantig,1484rund/grün,602grün/kantig.PrüfenSie,inwieweitdasErgebnismitder3.Mendel’schenRegelüberein-stimmt.Das Ergebnis der Kreuzung entspricht in etwa einem Zahlenverhältnis von 9:3:3:1. Die Abweichungen kommen deshalb zustande, weil es sich bei den vorgegebenen Zahlenverhältnissen von 9:3:3:1 um einen statistischen Wert handelt. Insofern bestätigt das Ergebnis die 3. Mendel‘sche Regel.

Klassische Verfahren der Humangenetik (Seite 152/153)

1 ErklärenSie,dassFamilienstammbäume,indeneneinegenetischbedingteKrankheitauftritt,meistnurAussagenüberdieWahrscheinlichkeitdesAuftretensinderFolgegenerationermöglichen.Statistische Aussagen haben nur dann eine hinlängliche Genauigkeit, wenn eine genügende Anzahl von Fällen betrachtet wird. Da Eltern aber in der Regel nur ein Kind bekommen, können Stammbäume nur eine Aussage über die Wahrscheinlichkeit machen.

2 ErklärenSie,unterwelchenBedingungenesmöglichist,dassbeieinemX-chromosomal-dominantenErbganginderF1-Gene-rationnurFrauenerkranken.Väter übertragen auf ihre Söhne das Y-Chromosom auf die Töchter das X-Chromosom. Ist der Vater erkrankt, überträgt er auf die Söhne das gesunde Y-Chromosom auf die Töchter das dominante erkrankte X-Chromosom

3 AnalysierenSiedenStammbauminAbb.1undfindenSiediePerson,diedassichereIndizliefert,dassessichumeinendomi-nantenErbganghandelDie Schlüsselperson ist die gesunde Person 12. Dies ist bei beiden erkrankten Eltern nur möglich, wenn es sich um einen dominan-ten Erbgang handelt.

Material: Erbgänge (Seite 154/155)

1 AnalysierenSiedenvorliegendenStammbaum.GebenSiebegründetan,umwelchenErbgangessichhandelt.Es handelt sich um einen X-chromosomal-rezessiven Erbgang. Dass nur männliche Nachkommen betroffen sind, ist ein erster Hinweis darauf. Gesunde Eltern bekommen erkrankte Kinder (Viktoria und Albert v. Sachsen), was auf einen rezessiven Erbgang schließen lässt. Alice v. England heiratet Alexander von Teck-Athione, der nicht zur Fürstenfamilie gehört und deshalb wahrschein-lich kein Merkmalsträger ist. Trotzdem bekommen die beiden einen Sohn, der an Hämophilie erkrankt ist. Dies ist nur möglich, wenn das allele Gen auf dem X-Chromosom lokalisiert ist.

2 StellenSieeinebegründeteHypothesedazuauf,weshalbHämophiliebesondershäufigindeneuropäischenFürstenhäusernauftrat.In den europäischen Fürstenhäusern haben häufig nahe Verwandte geheiratet, sodass die Wahrscheinlichkeit, dass einer der beiden Partner Träger des allelen Gens ist, größer ist als in anderen Familien.

3 ErstellenSieanalogzuAbb.3einVererbungsschemafüreinrezessivesAllel,daszurBlaufärbungführt.VergleichenSiedieVererbungswahrscheinlichkeitmitderdesGeneDrive. Bei der konventionellen Kreuzung spielt das Allel „blau“ spätestens in der 3. Generation keine entscheidende Rolle mehr (1 zu 7) im Gegensatz zu der Situation mit Gene-Drive, wo alle Nachkommen das Allel „blau“ tragen.

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A A

A AA AA

a Aa Aa

rezessives Allel Blaufärbung dominantes Allel Graufärbung

© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2018 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Natura Fachhochschulreife LösungenGrafik: Wolfgang Herzig, Essen

4 VergleichenSieGeneDrivemitdergängigenMethode,dieAnzahlderNachkommendurchbestrahlte,sterileInsektenzuverringern.Bei Insekten, die durch Bestrahlung unfruchtbar gemacht werden, findet sich der Effekt nur in der verminderten F1-Generation (wenn sich ein unfruchtbares mit einem fruchtbaren Insekt paart). Alle anderen Paarungen mit nicht behandelten Insekten sind nicht betroffen. Bei Gene Drive breitet sich die Unfruchtbarkeit von Generation zu Generation zunehmend aus, sodass eine Insek-tenart unwiederbringlich ausgerottet werden könnte (mit allen eventuellen Folgen für das Ökosystem).

. 5AnalysierenSiedenStammbauminAbb.4.GebenSiedenvorliegendenErbgangan.Genotypen: Aa: 1, 2, 4, 13, 14; aa: 5, 20; AA: 3, 6, 9 (nach Konvention übliche Annahme); Aa oder AA: 8, 10, 11, 12, 15, 16, 17, 18, 19, 21. Es handelt sich um einen autosomal-rezessiven Erbgang. Beide Geschlechter sind betroffen. Gesunde Eltern können kranke Kinder bekommen.

6 ZumNachweisvonPKUbeiälternenPersonenwirdihneneinebestimmteMengePhenylalaninverabreicht.InAbständenvonzweiStundenmisstmandieKonzentrationvonTyrosinimBlut.Abb.5zeigtdasErgebniseinessolchenTestsmitdenPerso-nen1,3und5ausAbb.4.OrdnenSiebegründetdieKurvenausAbb.5denPersonenzu.Person 1 hat den Genotyp Aa. Ihr ist die Kurve B zuzuordnen. Aufgrund des Genotyps lässt sich schließen, dass das PKU-Gen nur auf einem der beiden homologen Chromosomen in funktionsfähiger Form vorhanden ist. Phenylalanin kann zwar abgebaut werden, aber langsamer als bei Personen, die über zwei funktionsfähige PKU-Gene verfügen. Person 3 hat den Genotyp AA. Auf beiden homologen Chromosomen liegt ein intaktes PKU-Gen vor. Dieser Person ist Kurve A zuzuordnen. Phenylalanin kann rasch abgebaut werden. Person 5 (Genotyp aa) verfügt über kein funktionsfähiges PKU-Gen. Phenylalanin kann nicht abgebaut werden (Kurve C).

7 DerinAufgabe6beschriebeneTestwirdauchals„Heterozygotentest“verwendet.ErklärenSie.Personen, die bzgl. des PKU-Gens heterozygot sind, verfügen über nur ein funktionsfähiges PKU-Gen. Dies lässt sich im Test nach-weisen. Phenylalanin wird langsamer abgebaut als bei homozygot-gesunden Personen.

8 ErstellenSiemithilfederInformationenausdemTexteinenhypothetischenFamilienstammbaumüberdreiGenerationen.OrdnenSieallenPersonendieentsprechendenGenotypenundPhänotypenzu.

9 FormulierenSieeineHypothese,warumbeimMarfan-SyndrombereitseinmutiertesallelesGengenügt,umdasKrankheits-bildhervorzurufen.Das mutierte Marfan-Gen bewirkt die Herstellung eines veränderten Strukturproteins. Es reicht aus, wenn auf einem der beiden homologen Chromosomen das mutierte Gen vorliegt, denn schon geringe Mengen des veränderten Strukturproteins führen zu einer Veränderung des Bindegewebes.

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[Aa]

1

3 4

11 12 13 14 15 16 17 18 19

5 6 7 8 9 10

2I

II

III

[Aa]

[Aa]

[Aa]

[aa] [aa] [aa] [aa] [aa] [aa]

[Aa]

[Aa] [Aa]

[Aa]

[aa]

[aa] [aa] [aa][aa]


Pränatale Diagnostik (Seite 156/157)

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-Ar-gumenteausderSichtvonBehindertenverbänden,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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Alter der Mutter (Jahre)30 40 50100 20

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Natura Fachhochschulreife LösungenGrafik: Wolfgang Herzig, Essen



Die chemische Natur des genetischen Materials (Seite 160)

1 BeschreibenSiedieAuswirkungenderEnzymzugabenzudenAnsätzenmitFragmentenderS-Zellen.Desoxyribonuclease katalysiert den Abbau von DNA, Ribonuclease den von RNA und Protease den von Proteinen.

2 ErklärenSie,obAveryProteinealsgenetischesMaterialausschließenkonnte.Die Behandlung aufgebrochener S-Zellen mit Proteasen verhinderte nicht die Entstehung von infektiösen Zellen bei der Vermi-schung mit R-Zellen. Also schieden Proteine als genetisches Material der S-Zellen aus.

3 ErklärenSie,welcheBedeutungdervierteAnsatzinAverysExperimenthat(Abb.1).Der vierte Ansatz diente als Kontrollexperiment. Damit wurde nachgewiesen, dass nicht nur intakte S-Zellen zur tödlichen Infek-tion bei den Mäusen führen, sondern auch ein Gemisch aus R-Zellen und einem Stoff aus S-Zellen.

Praktikum: DNA-Isolierung (Seite 161)

1 OrdnenSiediefolgendenFunktionendeneinzelnenSchrittenderDNA-Isolierungzu:–DNAvonProteinenbefreien–Zellwändezerstören–Zellmembranenauflösen–DNAausderLösungfällenDurch das Zerreiben im Mörser werden die Zellwände zerstört. Das Auflösen der Zellmembranen erfolgt durch die Zugabe von Spülmittel. Das Feinwaschpulver enthält Proteasen, die die DNA von den Proteinen befreien. Da sich die DNA in Alkohol schlecht löst, lässt sie sich mit Brennspiritus ausfällen. Anmerkung: Die Zugabe von Kochsalz dient zur Hemmung von DNAsen.

2 MithilfedesobenbeschriebenenVerfahrenserhältmankeine„reine“DNA.ErläuternSiedieGründe.Mithilfe der dargestellten Methode lässt sich die DNA nicht von allen anderen Zellbestandteilen befreien. Insbesondere die Protei-ne lassen sich nicht vollständig abbauen.

3 ErläuternSie,weshalbsichDNAaustierischenZellenleichterisolierenlässtalsauspflanzlichenZellen.Pflanzliche Zellen sind von einer Zellwand umgeben, die mechanisch durch das Zerreiben im Mörser entfernt wird. Bei tierischen Zellen entfällt dieser Schritt.

Die Nucleinsäuren DNA und RNA (Seite 162/163)

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.BerechnenSiedieAnzahlderanderenBasenmoleküledesStrangs.In der DNA treten immer ebenso viele Adenin-Reste wie Thymin-Reste auf und die Anzahl der Cytosin-Reste stimmt mit der Anzahl der Guanin-Reste überein. Daraus kann man schließen, dass die Analyse des betrachteten 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 Cytosinmole-küle ergeben.

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3. 2 Molekulargenetik



Die Verdopplung der DNA bei Eukaryoten (Seite 164/165)

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 Ga-beln aber in entgegengesetzte Richtungen verläuft, müssen die Folgestränge, die ausgehend von den beiden Replikationsgabeln gebildet werden, jeweils Okazaki-Fragmente enthalten (s. Abb. 1 oben im Schülerbuch).

Material: Replikation der DNA (Seite 166)

1 BeschreibenSiediedreiunterschiedlichen,hypothetischmöglichenReplikationsmechanismenmithilfevonAbb.1.Konservativer Mechanismus: Das Original bleibt komplett erhalten; die Kopie wird neu erstellt / Dispersiver Mechanismus: Origi-nal und Kopie bestehen stückweise aus neuen und alten Teilen / Semikonservativer Mechanismus: Ein Teil der DNA-Doppelhelix dient als Matrize, an der eine Kopie aufgebaut wird.

2 DiskutierenSie,welcherMechanismusfüreineschnelleundfehlerfreieWeitergabedesgenetischenMaterialsambestengeeignetist.Schnelligkeit: konservativer oder semikonservativer Mechanismus; er ist durch den Bau der DNA festgelegt; die beiden komple-mentären Einzelstränge der DNA-Doppelhelix sind über Wasserstoffbrücken an den komplementären Basen verbunden. Da eine Wasserstoffbrückenbindung vergleichsweise einfach gelöst werden kann, stellen sie die „Sollbruchstellen“ bei der DNA-Verdopp-lung dar: An ihnen wird der Doppelstrang in zwei Einzelstränge aufgelöst. An den Einzelsträngen kann durch komplementäre Basenpaarung ein neuer, komplementärer Einzelstrang aufgebaut werden. Fehlervermeidung: semikonservativer Mechanismus: Eine fehlerfreie Weitergabe der DNA an die Tochterzellen ist wichtig; beim semikonservativen Mechanismus bleibt die Hälfte im Original erhalten. Dadurch können Fehler in der Kopie anhand des fehler-freien Originals besser erkannt und entfernt werden.

3 BeschreibenSieanhanddesMeselson-Stahl-ExperimentsdieMethodederIsotopenmarkierung.Mit schweren Isotopen (z. B. 15N) können Bestandteile der Zelle (z. B. DNA mit 15N, Kohlenhydrate mit 14C oder Wasser mit 18O) z. B. mithilfe eines bestimmten Nährmediums markiert werden. Weil die leichteren Isotope in der Natur dominieren, kann der Einbau der schweren Isotope in bestimmte Zellbestandteile z. B. mit der Dichtegradienten-Zentrifugation oder durch radioaktiven Zerfall nachgewiesen werden. Auch viele Stoffwechselwege wurden mit dieser Methode aufgeklärt.

4 ErläuternSiemithilfeeinesdafürgeeignetenReplikationsmechanismus(Abb.1)dasZustandekommenderunterschiedlichenBandenbeidendreiZentrifugationen(Abb.2).Semikonservativer Mechanismus: Schwere Bande: Die Doppelstränge der DNA enthalten nur den schweren Stickstoff 15N. Mittelschwere Bande: Bei der semikonservativen Replikation (an einem alten, 15N-Einzelstrang) wurde im 14N-Medium ein kom-plementärer, leichter 14N-Einzelstrang aufgebaut. Die DNA besteht nach einer Replikation aus einem schweren 15N- und einem leichten 14N-Strang. Leichte Bande: Nach einer weiteren Replikation enthalten 50 % der Einzelstränge nur 14N und bilden eine Bande bei der Dichte von 14N aus. 50 % der DNA enthalten eine Mischung aus 14N und 15N (siehe Abb. 1 im Schülerbuch).

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5 LeitenSiemithilfevonAbb.1ab,zuwelchenErgebnissendieDichtegradienten-Zentrifugationbeidenbeidenanderenhypo-thetischmöglichenReplikationsmechanismenführenwürde.Bei einem konservativen Mechanismus würden sich eine schwere und eine besonders leichte Bande nach einer Replikation ergeben. Nach einer 2. Replikation würde sich das gleiche Bandenmuster ergeben (die leichte Bande wäre aber dicker, weil die DNA mit leichtem 14N dann überwiegt (siehe Abb. 1). Bei einem dispersiven Mechanismus würden sich nach beiden Replikationen mittelschwere Banden ergeben, weil der schwere und leichte Stickstoff in allen Einzelsträngen gleichmäßig verteilt wäre (Abb. 1).

PCR — DNA-Replikation im Reagenzglas (Seite 167)

1 VergleichenSiediePCRmitderDNA-ReplikationinZellen.Die Auftrennung der DNA-Stränge erfolgt bei der PCR durch Temperaturerhöhung. Bei der DNA-Replikation übernehmen dies En-zyme (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 zu-sammengefügt werden müssen. Bei PCR und DNA-Replikation sind zum Start der Synthese Primer erforderlich. Bei der Replikation sind dies RNA-Stücke, bei der PCR handelt es sich um DNA-Stücke. Während die RNA-Stücke herausgeschnitten werden müssen 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.

2 ErklärenSiewarumbeiderPCRbeideSträngekontinuierlichverlängertwerden.Durch das Erhitzen werden die DNA-Doppelstränge vollständig getrennt. So können sich beide Primer jeweils am 3‘-Ende des Ur-sprungseinzelstrangs anlagern. An die so freiliegenden 3‘-Enden der Primer können sich neue Nucleotide mithilfe der Polymerase mit ihrem energiereichen 5‘-Ende verbinden.

Transkription — der erste Teil der Proteinbiosynthese (Seite 168/169)

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 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.

Genetischer Code (Seite 170)

1 ÜbersetzenSiefolgendem-RNAineineAminosäuresequenz:5’AUGCAUACCGGCAGGUCA3’Met His Thr Gly Arg Ser

2 SEIAUFDERHUTEntfernenSiedenerstenBuchstabendesSatzesundbehaltenSieden„Triplettcode“bei.VerfahrenSiemitderSequenzausAufgabe1genauso.ErläuternSiedieKonsequenzen.Konsequenzen: Das Leseraster wird verschoben — aus der veränderten m-RNA geht ein völlig anderes Protein hervor mit anderen Aminosäuren.

Translation — die Funktion der t-RNA (Seite 171)

1 StellenSiedar,beiwelchenfürdieTranslationwichtigenProzessendasSchlüssel-Schloss-PrinzipeineRollespielt.Bei der Bindung der Aminosäure und der t-RNA in der Synthetase und beim Beladen der t-RNA/Paarung von Codon und Antico-don bei der Translation.

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Translation — ein Protein entsteht (Seite 172/173)

1 BeschreibenSiedieVorgängebeiderTranslationinFormeinesVerlaufsschemas.Ribosom lagert sich an RNA-Molekül an. → Mit einer spezifischen Aminosäure beladenes t-RNA-Molekül lagert sich an der A-Stel-le an ein komplementäres Triplett an. → Die Aminosäure an der P-Stelle verbindet sich enzymkatalysiert mit der Aminosäure an der A-Stelle. → Das Ribosom bewegt sich ein Triplett auf dem m-TRNA-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 mehrere Proteine gebildet werden (z. B. ein Protein ohne Signalsequenz und ein Protein mit Signalsequenz für den Import in Chloroplasten) — also z. B. Proteine mit ähnlichen Funktionen, die aber in unter-schiedlichen Kompartimenten ihre Funktion erfüllen.

Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten (Seite 174/175)

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, …

Proteine (Seite 176/177)

1 BerechnenSiedietheoretischmöglicheAnzahlderPeptidemiteinerKettenlängevon7Aminosäuren.207 = 1 280 000 000

2 NennenSiedieAuswirkungenaufdieStruktureinesProteins,wennmehreresaureAminosäurengegenhydrophobeausge-tauschtwerden.Werden geladene Aminosäuren wie z. B. saure Aminosäuren gegen ungeladene ausgetauscht, ist die Ausbildung von Wasserstoff-brückenbindungen erschwert. Dadurch können sich Änderungen sowohl in der Sekundär- wie auch der Tertiär- und ggf. auch der Quartärstruktur ergeben.

Genregulation bei Prokaryoten (Seite 178/179)

1 ErläuternSiedieRegulationdeslac-OperonsunterVerwendungvonAbb.1.Wird der Operator durch einen Repressor blockiert, ist das Operon „abgeschaltet“. Ist der Operator frei (ohne Repressor), ist das Operon „angeschaltet“. Operator — Schalter für Transkription.

2 VergleichenSiedieRegulationdeslac-Operonsunddestrp-Operonsmiteinander.Gemeinsamkeiten: Strukturgene, Promotor und Operator als Kontrollregion, Bindung eines Repressors an den Operator und dar-aus resultierende Blockade der Transkription des Operons Unterschiede: lac-Operon — Substrat-Induktion: Das Substrat bewirkt die Expression der Enzyme, die zu seinem Abbau nötig sind/fehlt das Substrat, ist das Operon durch den Repressor blockiert. Trp-Operon — Endproduktrepression: Das Endprodukt verhindert seine eigene Synthese, indem es den Repressor aktiviert.

3 ÜbertragenSieAbb.2inIhrHeftundzeichnenSiedieKurvederKonzentrationderamLactoseabbaubeteiligtenEnzymeein.Nach der Lactosezugabe steigt die Kurve der Enzymkonzentration von null beginnend an.

Regulation der Proteinbiosynthese (Seite 180)

1 NennenSiemöglicheGründefürdieVielfaltanTranskriptionsfaktorenbeiEukaryoten.Bessere Feinregulation der Transkription ist möglich; komplexeres Leben ist dadurch möglich. Unterschiedliche endogene und exogene Faktoren wie z. B. die Lichtintensität, Wellenlänge des Lichts, … können über jeweilige Transkriptionsfaktoren einen unterschiedlichen Einfluss auf die Transkription eines Gens nehmen.

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Erweiterter Genbegriff (Seite 181)

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 Ami-nosäuren 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.

Genom, Proteom und Epigenom in der Forschung (Seite 182/183)

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.

2 BeschreibenSiedieinAbb.3dargestelltenModifikationendesAgouti-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.

3 ErläuternSiedasinAbb.3wiedergegebeneVersuchsergebnis.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.

DNA — Schäden und Reparatur (Seite 184/185)

1 ErklärenSiemithilfederCodesonneaufS.171,warumeinePunktmutationzueinerstillenMutationführenkann.Beim genetischen Code handelt es sich um einen sogenannten redundanten Code. D.h. für eine Aminosäure liegen mehrere Tripletts vor. Insbesondere bei Punktmutationen der dritten Base des Tripletts ist es daher möglich, dass das mutierte Triplett für dieselbe Base codiert.

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 RecherchierenSie,warumdasBräunenimSolariumauchdasRisikofürSchädenanderDNAerhöht.In Solarien wird die Bräunung in kurzer Zeit durch sehr energiereiche UV-Strahlung erzeugt, deren Intensität ein Mehrfaches der Mittagssonne am Äquator entspricht. Daher kann es zu verstärkter Radikalbildung kommen, die die DNA schädigt.

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Material: Veränderungen der DNA (Seite 186/187)

1 TranskribierenundtranslatierenSiemithilfederCodesonne(s.Seite171)diebeidenDNA-SequenzeninAbb.2.unveränderte DNA-Sequenz G G A C T C C T C unveränderte mRNA-Sequenz C C U G A G G A G unverändertes Protein Pro Glu Glu veränderte DNA-Sequenz G G A C A C C T C veränderte mRNA-Sequenz C C U G U G G A G verändertes Protein Pro Val Glu

2 ErklärenSiemithilfederEigenschaftenderProteine(s.Seite.176/177),warumdiePunktmutationimBeispielsolchegravieren-denAuswirkungenhat.Aufgrund der Punktmutation von T zu A kommt es zum Austausch der sauren Aminosäure Glutamin und der hyrophoben unpola-ren Aminosäure Valin. Damit ändern sich die Proteinstrukturen (Primär-, Sekundär-, Tertitär- und Quartärstruktur), was zu einem Protein mit veränderten Eigenschaften (Sichelzellprotein) führt.

3 RecherchierenSie,unterwelchenUmständendieSichelzellanämieeinvorteilhaftesneuesMerkmalseinkann.Die Sichelzellenanämie tritt vor allem bei Menschen in Afrika auf und wird autosomal-rezessiv vererbt. Sie kann in Malariage-bieten von Vorteil sein. Der Malariaerreger, das Plasmodium, kann sich in Sichelzell-Erythrocyten schlechter vermehren und wird schneller abgebaut. Dadurch verläuft die Krankheit bei Menschen mit Sichelzellanämie milder. Dieser Vorteil zeigt sich allerdings nur bei heterozygoten Trägern des Merkmals, bei homozygoten sind die Verklumpungen in den Blutgefäßen so schwerwiegend, dass diese Menschen meist früh an der Krankheit sterben.

4 ErklärenSie,warumsichaufdemNährbodenohneHistidinKolonienbilden(Abb.3).Die Bakterien des verwendeten Stamms haben aufgrund einer Mutation die Fähigkeit zur Histidin-Synthese verloren (Histidin-Mangel-Mutante). Die Besonderheit des Stammes liegt darin, dass durch eine Rückmutation der ursprüngliche Zustand des Gens wieder hergestellt werden kann. Die auf dem Nährboden aufgebrachte Testsubstanz hat bei den Bakterienzellen, die Kolonien bilden, eine solche Rückmutation verursacht.

5 StellenSieeineHypotheseauf,warumsowohlindirekterNähealsauchingrößererEntfernungzurmutagenenSubstanzamwenigstenBakterienkolonienentstehen(Abb.3).Die Substanz diffundiert auf dem Nährboden von der Mitte nach außen. Es entsteht ein Konzentrationsgefälle mit sehr hoher Konzentration in unmittelbarer Nähe zum Papierblättchen und geringer Konzentration am äußeren Rand der Schale. Man kann vermuten, dass die hohe Konzentration des chemischen Mutagens zu so umfangreichen Mutationen führt, dass die Bakterien nicht überleben oder eventuell bei sehr großen Konzentrationen andere Giftwirkungen auftreten. In größerer Entfernung und damit geringerer Konzentration des Mutagens nimmt einerseits die Wahrscheinlichkeit zu, dass die Bakterien überleben und andererseits auch Mutationen verursacht werden, die unter anderem auch zu Bakterien mit Rückmutationen führen. Diese haben dann wieder die Fähigkeit zur Histidin-Synthese und bilden Kolonien.

6 ManverwendetverschiedeneBakterienstämme,diesichimDNA-ReparatursystemundinderDurchlässigkeitderZellmemb-ranvoneinanderunterscheiden.ErläuternSie,welcheFehlinterpretationendesAmes-TestsmithilfedieserBakterienstämmevermiedenwerdensollen.Der Ames-Test wird dazu benutzt, die mutagene Potenz verschiedener Substanzen miteinander zu vergleichen und das Mutage-nitäts-Risiko der Substanzen für den Menschen abzuschätzen. Damit eine Substanz eine mutagene Wirkung haben kann, muss sie in die Zelle eindringen und die von ihr veränderte DNA darf möglichst nicht vom Reparatursystem der Zelle repariert werden. Fehlinterpretationen des Ames-Tests, die mit den verschiedenen Stämmen vermieden werden sollen, sind: Eine Substanz, die kaum oder gar nicht in die Zelle aufgenommen wird, wird fälschlicherweise für nicht-mutagen gehalten. Eine Substanz wird fälschlicherweise für nicht-mutagen gehalten, weil die von ihr verursachten DNA-Schäden repariert werden.

7 ErklärenSie,warumsichdieZellen,beidenenalleMechanismen,dieZellteilungregulieren,mutiertsind,ständigteilen.Das Tumorsuppressorgen hemmt die Zellteilung aufgrund des mutierten Rezeptors nicht mehr. Deswegen und wegen des mutier-ten Onkogens wird ständig die Zellteilung angeregt. Folge ist eine ständige, unkontrollierte Zellteilung.

8 ErklärenSie,warumältereMenschenhäufigeranbösartigenTumorerkrankungenleidenalsjungeMenschen.Bis ein bösartiger Tumor entsteht, müssen mehrere Tumorsuppressorgene und mindestens ein Onkogen mutieren. Die Wahrschein-lichkeit für ein solches Ereignis steigt, je länger ein Mensch lebt.

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Sequenzierung der DNA (Seite 188/189)

1 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

2 BestimmenSiedievollständigeBasensequenzinderAbb.1fürdasklassischeVerfahren.GATGTAATTCGAT

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 190/191)

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 BewertenSie,inwieweitdieDNA-PhänotypisierungimHinblickaufdiePersönlichkeitsrechteproblematischist.Inwiefern das Aussehen Teil des Persönlichkeitsrechts ist, ist umstritten, da dieses auch bei einem gewöhnlichen Fahndungsfoto verwendet würde. Allerdings ist die Zuordnung der Merkmale nicht 100 % sicher, d. h. bei einer öffentlichen Fahndung könnten Unschuldige ins Visier geraten. Vorliegende Krankheiten oder Risiken gelten hingegen als ureigene Persönlichkeitsmerkmale, über die jeder Mensch nur selbst verfügen kann.

Alterung von Zellen (Seite 192/193)

1 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.

2 ErörternSiediemöglichenFolgenderaktuellenErgebnissederAltersforschungaufdieGesellschaft.individuelle Lösung. Die neuere Altersforschung legt nahe, dass das Altern in Zukunft gestoppt oder gar rückgängig gemacht werden könnte. Dabei würden sich gesellschaftliche Probleme ergeben, da die (vormals) ältere Generation dann vermutlich ihren Platz in der Gesellschaft behalten wollen würde, und die jüngere Generation nicht nachrücken könnte. Wahrscheinlich könnten sich nur reichere Menschen eine solche Therapie leisten, was die Ungerechtigkeit in der Gesellschaft vergrößern würde. Langfristig würden sich darüber hinaus die Probleme der Überbevölkerung der Erde weiter verschärfen.

Anwendungsgebiete der Gentechnik (Seite 194/195)

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,diedieMenschenmitderGentechnikverbindenkönnten.HebenSieIhreAnt-wortaufundüberprüfenSiediese,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.

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© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2018 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Natura Oberstufe Biologie LösungenGrafik: Wolfgang Herzig; Essen

Grundprinzipien der Gentechnik (Seite 196/197)

1 GentechnikernutzenhäufigTechniken,dieinderNaturschonvorkommen.StellenSieinFormeinerTabelledieseTechniken,ihreBedeutunginderNaturundihreVerwendunginderGentechnikzusammen. siehe Tabelle

2 ErläuternSiemithilfederAbb.2dieFunktionsweiseeinesRestriktionsenzym. 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.

Material: Gentechnische Verfahren (Seite 198/199)

1 BeschreibenSiemithilfevonAbb.1,wiesichGenemithilfedesCRISPR/Cas-Systemsgezieltausschneidenbzw.einbauenlassen. Das CRISPR/CAS-System besteht 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 ErörternSie,obLebensmittel,beidenenGenomeEditinggenutztwurde,demGentechnikgesetzunterliegensollten. individuelle Lösung. Mögliche Argumentationspunkte: – Bei Lebensmitteln gibt es enormes Potenzial, diese zu optimieren und so Lebensmittel für eine wachsende Weltbevölkerung zur Verfügung stellen zu können. – Auf der anderen Seite gibt es bei dieser Technik denkbare negative Auswirkungen. Möglicherweise könnte ein neuer Artikel des Gentechnikgesetzes für dieses Verfahren an Lebensmitteln vorgeschlagen werden. Die komplette Sequenzierung der Genoms könnte vorgeschrieben sein.

3 GenomeEditingkönnteinZukunftauchzurGentherapiebeimMenschengenutztwerden.GebenSiemöglicheChancenundRisikenan.Was für Lebensmittel hinsichtlich der Sicherheit gilt, muss in noch stärkerem Maße für den Menschen gelten. Daher ist die Anwendung von Genome-Editing-Verfahren beim Menschen im Moment für die meisten Wissenschaftler keine therapeutische Option. Darüber hinaus müsste bei dieser Technik genau festgelegt werden, welche Krankheiten für eine Therapie infrage kämen, denn grundsätzlich wäre mittels Genome Editing ein „Designer-Baby“ möglich.

4 BeschreibenSiedieSelektionvontransformiertenBakterien,indieerfolgreicheinInsulin-Geneingebautwurde,mithilfedesTextesundderAbb.2.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 Am-picillin 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. Bakte-rien mit Plasmid und Fremdgen wachsen auf dem Medium mit Ampicillin, können aber kein X-Gal abbauen und erscheinen weiß.

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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



6 BeschreibenSie,wiesichmithilfegentechnischerMethodentransgeneTiereherstellenlassen,dieAntithrombinproduzieren(Abb.3).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 könn-te mit normaler Ziegenmilch verwechselt werden.

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

Gentherapie (Seite 200/201)

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.

Gentechnik in der Lebensmittelproduktion (Seite 202/203)

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 RecherchierenSie,welcheBedeutungdesSiegel„OhneGentechnik“hat.Das Siegel „Ohne Gentechnik“ gibt an, dass Tiere in einem bestimmten Zeitraum vor der Schlachtung keine gentechnisch erzeug-ten Futtermittel erhalten haben. In Lebensmitteln mit dem Siegel dürfen keine Zusatzstoffe, die gentechnisch hergestellt wurden (wie Aromastoffe oder Vitamine) verwendet werden. Ausnahmen sind jedoch Stoffe, die von der Öko-Verordnung zugelassen sind. Verunreinigungen bis 0,9 % sind so gering, dass sie toleriert werden. Das Siegel gibt damit also lediglich an, dass der Verbraucher über die gekennzeichneten Produkte keine oder nur geringe Mengen an gentechnisch hergestelltem Material aufnimmt. Dies gilt bis auf die Karenzzeiten vor dem Verzehr durch den Konsumenten, bei den Tieren nicht.

3 ErörternSie,warumdasRisikopotenzialdergrünenGentechnikanderseingeschätztwerdenmussalsdasderweißen. In der grünen Gentechnik können gentechnisch modifizierte Organismen grundsätzlich in Kontakt mit der Umwelt treten. Daher ist die Gefahr einer gentechnischen Kontamination der Umwelt um ein Vielfaches höher als in den geschlossenen Kreisläufen der weißen Gentechnik.

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Klassische Tier- und Pflanzenzüchtung (Seite 204/205)

1 ErklärenSie,warummoderneHybridzüchtungendenLandwirtabhängigvonderSaatgutindustriemachenkönnen. Früher behielten Landwirte einen Teil der Ernte zurück, den sie im nächsten Frühjahr dann wieder aussäten. Würde der Landwirt dies bei Hybrid-Pflanzen tun, müsste er deutliche Ernteeinbußen in Kauf nehmen, da beim Wiederaussäen der Anteil homozygoter Allele zunehmen würde.

2 ErläuternSie,warumderVerlustalterNutztierarteneineRückkehrzueinermehrdemTierwohlverpflichtetenFleischproduk-tionzunehmendschwierigermacht. Die ganzjährige Haltung von z. B. Schweinen im Stall entspricht nicht den tiergerechten Haltungsbedingungen. Da heutige Zuchttiere aber an eine überwiegende Freilandhaltung gar nicht mehr angepasst sind, sind alte Tierrassen notwendig, um neue Zuchtrassen züchten zu können.

3 ImUnterschiedzurGentechnikwerdenbeiderMutationszüchtungkeineFremdgeneinLebewesenübertragen.DeshalbsindentsprechendeLebewesenoderProduktedarausnachdemGentechnikgesetznichtkennzeichnungspflichtig.NennenSiemöglicheArgumente,warumKritikerdiesesVerfahrendennochnichtfürrisikofreihalten. Bei der Mutationszüchtung kommt es zu zufälligen Veränderungen sehr vieler Gene. Dabei können Varianten entstehen, die negative Eigenschaften aufweisen, die nicht offensichtlich sind. So könnten die Pflanzen z. B. Proteine bilden, die den Ertrag nicht mindern, aber allergen wirken könnten.

Synthetische Biologie (Seite 206/207)

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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Faktor-V-Leiden (Seite 210)

1 Abb.2zeigteinenTeilbereichdesFaktor-V-Gens.ErläuternSiemithilfedesgezeigtenTeilbereichs(nichtmutiert)denWegvonderDNAzumPolypeptid.NutzenSiedazudieCodesonneaufSeite156.(Punkte: 12/100) Zum DNA-Abschnitt wird ein komplementärer m-RNA Strang gebildet. Die m-RNA-Basensequenz lautet: 5‘ UCA CUG UAC CGG AGU CCC GAU UAU 3‘. Die m-RNA wandert aus dem Zellkern hinaus. An den Ribosomen im Zellplasma dient die m-RNA als Vorlage zur Herstellung eines Polypeptids. Die Aminosäureabfolge des Polypeptids lautet: Serin — Leucin — Tyrosin — Arginin — Serin — Pro-lin — Asparaginsäure — Tyrosin.

2 a)BenennenSiedenbeiFaktor-V-LeidenzugrundeliegendenMutationstyp.(Punkte: 4/100)b)BeschreibenSiedieVeränderungenaufProteinebene,diedurchdasmutierteGenhervorgerufenwerden.(Punkte: 8/50) Es liegt eine Punktmutation vor. Im Basentriplett GCC wurde die mittlere Base Cytosin gegen Thymin ausgetauscht. Dadurch wird im Protein statt der Aminosäure Arginin die Aminosäure Glutamin eingebaut. Es führt zu einer anderen Konformation des Prote-ins, was wiederum zu seiner teilweisen oder vollständigen Funktionslosigkeit führt.

3 AnalysierenSiedeninAbb.3dargestelltenFamilienstammbaum.(Punkte: 16/100) Zuordnung der Genotypen: Generation I: 1 (aa), 2 (Aa); Generation II: 2 und 4 (aa), 1 und 3 (Aa); Generation III: 1, 3, 5, 6 und 8 (aa), 2, 4 und 7 (Aa); Generation IV: 2, 4, 5, 6, 7, 9 (aa), 1, 3, 8 (Aa). Der Erbgang ist autosomal dominant: autosomal, da beide Ge-schlechter gleichermaßen betroffen sind; dominant, da nur Kinder von Eltern, bei denen ein Elternteil erkrankt ist, betroffen sind.

4 EinmutiertesFaktor-V-GenlässtsichdurchDNA-Sequenzierungnachweisen.DadieseMethodejedochsehrteuerist,greiftmanaufeinenindirektenNachweiszurück.Dabeiwirddas267BpgroßeGenmithilfeeinerPCRvervielfältigtunddanachmiteinemRestriktionsenzymgeschnitten.LiegteinmutiertesGenvor,sowirddieBasenabfolgesoverändert,dasseineSchnitt-stellefürdasRestriktionsenzymwegfällt.DasErgebniseinersolchenBlutanalysezeigtAbb.4.VondenbeidenuntersuchtenPatientenisteinerhomozygotbezüglichdesmutiertenFaktor-V-Gensundeinerheterozygot.OrdnenSiediePatienten1und2begründeteinemGenotypzu.(Punkte: 14/100) 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 211)

5 BeschreibenSieunterVerwendungvonAbb.5inFormeinesVerlaufsschemas,wiesicheinzusätzlichesGeninPappelnein-bringenlässt.(Punkte: 10/100)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

6StellenSiePro-undContra-ArgumentefürdieBodenentgiftungmithilfevongentechnischverändertenPappelnzusammen.NutzenSiedazuAbb.6und7.(Punkte: 18/100)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: 10/100)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: 12/100)individuelle Lösung. Anmerkung: Die Lösung sollte Argumente mit persönlicher Gewichtung enthalten.

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Klausur-Training Genetik



4 Immunbiologie

4. 1 Funktionen des Immunsystems

Bakterien (Seite 216/217)

1 DurchAntibiotikaoderdiechirurgischeHanddesinfektionwerdenpathogeneundapathogeneBakterienabgetötet.ErklärenSie,warumesdanachhäufigerzuPilzerkrankungenderHautundderSchleimhautoderzuDurchfällenkommt.Apathogene Bakterien haben eine wichtige Schutzfunktion für die Haut und die Schleimhaut, indem sie die Besiedelung durch pathogene Bakterien oder andere Mikroorganismen erschweren. Nach der Antibiotikatherapie oder der chirurgischen Handdes-infektion fällt die pH-Verschiebung der Haut weg, so können pathogene Bakterien diese besiedeln und dann direkt oder durch gebildete Toxine zu Hauterkrankungen und Durchfall führen.

2 BewertenSiedieAussage„HygienemaßnahmensindsowohlgegeneineKrankheitsübertragungalsauchgegenLebensmit-telvergiftungeneinernachträglichenAntibiotikatherapievorzuziehen“.Durch Hygienemaßnahmen können die apathogenen Bakterien der Standortflora geschützt werden und ein Kontrakt mit pathogenen Bakterien kann vermieden werden. Eine Antibiotikatherapie wird somit unnötig, es treten keine ihrer Nachteile auf. Schließlich ist insbesondere bei Lebensmittelvergiftungen zu beachten, dass die Toxine die zur Krankheit führen, nicht direkt durch Antibiotika beeinflusst werden können. Zusatzinformation: Durch einen weit verbreiteten übermäßigen Antibiotikaeinsatz und die folgende Resistenzbildung von Bakteri-en steht nicht immer ein wirksames Antibiotikum zur Verfügung.

3 ErklärenSie,warumPenicillin,einAntibiotikum,dasdieMureinsynthesehemmt,nichtübermäßigundbeiviralenInfektengarnichteingesetztwerdensollte.Je häufiger Penicillin eingesetzt wird, desto eher steigt die Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Bakterien durch verschiedene Rekom-binationsmechanismen resistent werden. Besonders durch die Konjugation kann das Resistenzgen auf andere Bakterien übertra-gen werden. Soll bei dem Patienten später noch einmal Penicillin eingesetzt werden, können die Bakterien mittels Transposition sehr schnell Resistenzen bilden. Penicillin wirkt auf Murein ein, das in der Bakterienwand, aber nicht bei Viren zu finden ist. D. h. Penicillin (bzw. Antibiotika im Allgemeinen) ist bei viralen Infektionen nicht therapeutisch wirksam. Nebenwirkungen können aber trotzdem auftreten.

Viren (Seite 218)

1 ErklärenSie,warumzwischenderHIV-InfektionunddemAusbruchderKrankheitJahreliegenkönnen.Bei HIV handelt es sich zuerst um den lysogenen Zyklus. D. h. die Viruserbsubstanz wird bei den Zellteilungen mit repliziert, es werden aber noch keine neuen Viren gebildet. Erst wenn der lysogene in den lytischen Zyklus übergeht (häufig nach Jahren) und die Wirtszellen zugrunde gehen, bricht die Krankheit Aids aus.

2 InformierenSiesich,warumdieGrippeimpfungnichtimmerwirksamist.Man kennt drei Grippe-Subtypen (Influenza A, B und C). Diese haben jeweils Segmente, die rekombiniert werden können. Für die Impfung besonders relevant sind die Oberflächenproteine H und N, die in 16 bzw. 9 Typen vorliegen können. D. h. neben der immer möglichen Mutation und Rekombination der Virenerbsubstanz mit anderen Viren können bei drei Subtypen bis zu 16 x 9 Oberflä-chenproteine kombiniert werden. Da Viren nur langsam in Wirtszellen vermehrt werden können, muss die Impfstoffproduktion früh vor der Grippesaison beginnen. Dafür machen Impfexperten der WHO eine Vorhersage, welcher Grippetyp vorherrschen wird. Bei der enormen Kombinationsviel-falt sind diese Vorhersagen nicht immer ganz richtig. Vierfachimpfstoffesollen dieses Problem in Zukunft verringern.

Protozoen und Pilze (Seite 219)

1 NennenSieMöglichkeiten,wiePilzerkrankungengrundsätzlichübertragenwerdenkönnen.Pilze, die Sporen bilden, können mit diesen über die Luft übertragen werden. Alle Pilze können aber auch durch direkten Kontakt übertragen werden.

2 BeschreibenundbewertenSieMaßnahmenzurMalariaprophylaxe.Ziel der Prophylaxe im eigentlichen Sinne ist die Erkrankung zu vermeiden. Eine Möglichkeit ist es, den Stich der Anopheles-Mücke zu verhindern, z. B. durch Mückensprays oder Moskitonetze. Helle Kleidung und das Meiden der Abendstunden draußen vermindert zudem die Wahrscheinlichkeit gestochen zu werden. Außerdem kann der Endwirt, die Anopheles-Mücke, bekämpft werden. Schließlich könnte eine effektive Impfung den Krankheitsausbruch verhindern, an dieser wird allerdings noch intensiv geforscht.

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Mechanismen des Immunsystems (Seite 220/221)

1 StellenSiemithilfedesTextesundAbb.2diefünfAnzeicheneinerEntzündungsreaktionzusammen.Rötung, Schwellung, Erwärmung, Schmerz, eingeschränkte Funktion

2 AnalysierenSiedieBestandteilederdreiBarrierendesImmunsystemsundordnenSiedieAnteileentwederderGruppe„zellulär“oder„humoral“(nichtzelluläre,inFlüssigkeitengelösteStoffe)zu.humoral: Lysozym (unspezifisch), Antikörper (spezifisch) zellulär: Fresszellen (unspezifisch), T-Zellen (spezifisch)

3 ErklärenSiedieEffizienzdesSystemsderdreiBarrieren.Am effizientesten ist es den Kontakt mit dem Erreger von vorne herein auszuschließen, indem sein Eindringen durch die Haut- oder die Schleimhäute verhindert wird. Anschließend wird der Erreger von Zellen des angeborenen Immunsystems attackiert. Dabei werden zur Erkennung universelle Antigene der Erreger genutzt. Nur wenn die Attacke der Zellen des angeborenen Immun-systems erfolglos war, werden Immunzellen mit spezifischen Antigenrezeptoren für den spezifischen Erreger hergestellt.

Erworbene Immunreaktion (Seite 222/223)

1 ErklärenSie,warumandersalsbeiderangeborenenImmunreaktiondieReaktionbeidererworbenenImmunreaktionlängerdauert.Im Unterschied zum angeborenen Immunsystem müssen die spezifischen Immunzellen erst aktiviert und durch Zellteilung ver-mehrt werden. Dafür wird Zeit benötigt.

2 FüreinigeKrankheitenwirddasVerhältnisderCD4-zudenCD8-Rezeptorenbestimmt.ErklärenSie,warumeinniedrigerWertungünstigist.Die Helferzellen tragen CD4-Rezeptoren. Da diese eine zentrale Rolle bei der Aktivierung sowohl der B- als auch der T-Lymphocy-ten spielen, werden sie in ausreichender Anzahl gebraucht.

3 NehmenSieStellungzuderAussage„WürdemansichdauerhaftCytokinespritzen,würdemanniemehrkrank“.Grundsätzlich ist die Idee hinter der Cytokingabe nachvollziehbar, da so die B- und T-Lymphocyten aktiviert werden. Es ist aber zu beachten, dass es außer zu möglichen Nebenwirkungen auch zu einer gestörten Balance zwischen Angriff und Selbsttoleranz kommen könnte und so auch ungefährliche Antigene zu Immunreaktionen führen können. Zusatzinformation: Erwiesenermaßen positiv ist allerdings eine allgemeine Stimulierung des Immunsystems z. B. durch Sport. Bestimmte Cytokine werden tatsächlich in der Krebstherapie eingesetzt.

Maßnahmen gegen Infektionen (Seite 224/225)

1 VieleMenschengehentrotzbestehenderInfektionskrankheitzurArbeit.ErklärenSie,obdiesesVerhaltenimSinnedesInfek-tionsschutzessinnvollist.Insbesondere während der Krankheitsphase besteht ein hohes Ansteckungsrisiko für die anderen Mitarbeiter. Außerdem würde die Heilung schneller verlaufen, wenn der Mitarbeiter sich schonen würde. Beide Gründe sprechen dafür, in diesem Falle besser zu Hause zu bleiben.

2 NehmenSieStellungzuderAussage„IchhabezuwenigZeit,umfürImpfungenzumArztzugehen.Binichinfiziert,lasseichmireinePostexpositionsprophylaxegeben.“Eine Postexpositionsprophylaxe wird eingesetzt, wenn ein begründeter Ansteckungsverdacht besteht, wie z. B. die Verletzung mit einem HIV-infizierten Gegenstand. Da bei Krankheiten dem Krankheitsausbruch die Inkubationszeit vorangeht, würde die Post expositionsprophylaxe zudem erst im Krankheitsstadium erfolgen, wenn die Symptome schon voll ausgebildet sind. Die Postexpositionsprophylaxe existiert nicht für alle Krankheiten, für die aktive Impfungen bestehen. Schließlich hält der Schutz einer Postexpositionsprophylaxe nur wenige Wochen. All diese Gründe (siehe auch Aufgabe 1) sprechen dafür sich besser gleich aktiv impfen zu lassen.

3 InformierenSiesich,warumMasernweltweitrückläufigsind,aberesinmanchenLändernwieDeutschlandimmerwiederzugrößerenMasernausbrüchenkommt.Um ein sporadisches Auftreten von Masern zu verhindern, muss eine Durchimpfungsrate von mindestens 95 % erreicht sein. Laut Daten der Kassenärztlichen Vereinigungen sind im Durchschnitt in Deutschland nur rund 87 % der 15 Monate alten Kinder einmal und rund 71 % der Zweijährigen zweimal gegen Masern geimpft. So kommt es immer wieder zu Ausbrüchen der Krankheit.

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Aids (Seite 226/227)

1 BeschreibenSiemithilfevonAbb.3denUnterschiedzwischeneinerHIV-InfektionundderKrankheitAids.Eine HIV-Infektion liegt vor, wenn sich im Körper HI-Viren befinden. Zunächst zeigen sich dabei oft über Jahre keine deutlichen Symptome. Von dem Krankheitsbild Aids spricht man erst, wenn durch die Schwächung des Immunsystems verschiedene opportu-nistische Infektionskrankheiten ausbrechen und deren Symptome auftreten.

2 ErklärenSiedieSchwächungdesImmunsystemsdurchHIV.Durch die Vermehrung von HI-Viren in den T-Helferzellen gehen diese zugrunde. Die T-Helferzellen spielen jedoch eine zentrale Rolle bei der Immunreaktion, da sie sowohl bei der Aktivierung der B-Zellen als auch bei der Aktivierung der T-Killerzellen beteiligt sind. Eine geringe Konzentration von T-Helferzellen hat also sowohl eine Schwächung der humoralen als auch eine Schwächung der zellulären Immunreaktion zur Folge.

Allergien (Seite 228/229)

1 MancheErwachsenevertragenkeineLactose,dasiedasabbauendeEnzymLactasenichtinausreichenderMengebilden.Teilweisewirdvon„Milchallergie“gesprochen.ErklärenSie,dassdieskeineAllergieist.Die Lactose führt zwar zu Symptomen, allerdings handelt es sich dabei um Verdauungsprobleme. Das Immunsystem ist nicht beteiligt und daher kann man auch nicht von einer Allergie sprechen. Die Lactose wirkt nicht als Allergen.

2 ErläuternSie,warumbeimPricktestaucheineisotonischeKochsalzlösungundeineHistamin-Lösunggetestetwerden.Es handelt sich dabei um Kontrollansätze, mit denen einerseits mit der Kochsalzlösung die Reaktion auf eine kleine Verletzung getestet wird (Negativkontrolle) und andererseits die allergische Reaktion auf den Botenstoff Histamin geprüft wird (Positiv- kon trolle).

Autoimmunerkrankungen (Seite 230/231)

1 ErklärenSie,warumgeradedieGenedesHLA-SystemsfürdieAusbildungvonDiabetesTypIbedeutsamsind.Voraussetzung für eine Autoimmunerkrankung ist, dass die Antikörper und T-Zellen auf körpereigene MHC-Proteine passen und so körpereigene Zellen angreifen. Dies hängt von den HLA-Genen ab, weil die Erkennung über die MHC-Proteine erfolgt. Da Diabe-tes I eine Autoimmunerkrankung darstellt, hängt das Risiko für die Erkrankung von den HLA-Genen ab.

2 ErläuternSiedieSymptomebeiMultiplerSklerosevordemHintergrund,dassdieMyelinscheidenzerstörtwerden.Durch die Zerstörung von Myelinscheiden wird die Erregungsleitung der betroffenen Nervenzellen beeinträchtigt. Durch unter-schiedliche Leitungsgeschwindigkeiten kommt es zu Koordinationsstörungen. Je nachdem welche Nervenzellen betroffen sind, zeigen sich in unterschiedlichen Organen entsprechende Beeinträchtigungen.

3 DieKrankheitZöliakiezeigtsowohlMerkmaleeinerAllergiealsaucheinerAutoimmunerkrankung.NehmenSieStellungzudieserBehauptung.Zöliakie wird durch einen normalerweise harmlosen Stoff, das Gluten, ausgelöst. Da im Körper der Betroffenen Antikörper gebildet werden, kann Gluten als Allergen betrachtet werden. Da die gebildeten Antikörper im Darm entzündliche Prozesse hervorrufen, in deren Verlauf körpereigene Zellen zugrunde gehen, lässt sich auch von einer Autoimmunerkrankung sprechen. Zöliakie zeigt also Merkmale einer Allergie und einer Autoimmunerkrankung.

Extra: Transplantationserfolg (Seite 231)

1 BeschreibenSieanhandvonAbb.3dieAbhängigkeitdesTransplantationserfolgsvonderÄhnlichkeitderHLA-Gene.Während bei vollständiger Übereinstimmung der HLA-Gene etwa 70 % der Transplantate mehr als 24 Monate überleben, sind bei 1 bis 2 Differenzen nach 24 Monaten nur noch 50 % übrig und bei 3 bis 4 Differenzen weniger als 40 %.

2 ErklärenSiedenzeitlichenVerlaufdesTransplantationserfolgs.Zunächst ist die Transplantation erfolgreich, weil das transplantierte Gewebe noch nicht als fremd erkannt worden ist und noch keine Abstoßungsreaktion entstanden ist. Wenn das transplantierte Gewebe abgestoßen wird, erfolgt dies meist innerhalb der ersten Monate. Daher sinkt in diesem Zeitraum die Erfolgsquote sehr stark. Nach einigen Monaten wird es immer unwahrscheinli-cher, dass noch eine Abstoßung erfolgen wird. Die Quote sinkt langsamer.

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Influenza-Viren (Seite 233)

1 ErklärenSie,warumnurbestimmteTypenvonInfluenza-VirenmenschlicheZelleninfizierenkönnen.(Punkte: 10/50) Nur wenn das Hämagglutinin des Viren-Typs an den Komplex aus Sialinsäure und Kohlenhydratketten von menschlichen Zellen binden kann, ist ein Infizieren der Zelle möglich.

2 BeschreibenSiedieVermehrungvonInfluenza-VirenineinerWirtszelle(Abb.2)undnennenSieUnterschiedezurVermehrungvonHI-Viren.(Punkte: 16/50)Influenza-Viren binden an die Zellmembran der Wirtszelle und werden anschließend durch Endocytose aufgenommen. Im Zellplas-ma entweicht die virale RNA aus dem Vesikel. Durch Translation von viraler RNA entstehen Virus-RNA-Polymerasen, die zunächst komplementäre virale RNA bilden und daraus schließlich Kopien der viralen RNA herstellen. Durch Translation der viralen RNA entstehen zudem die Proteine der Virushülle, die in die Zellmembran eingebaut werden. Schließlich entstehen durch Exocytose neue Viren. Während Influenza-Viren durch Endocytose vollständig in die Zelle gelangen, wird bei HI-Viren nur das Capsid (Innen-körper) in die Zelle geschleust.

3 ErläuternSiemithilfevonAbb.3dieEntstehungvonneuartigenundstarkverändertenInfluenza-VirendurchMehrfachinfekti-onen.(Punkte: 11/50) Im Falle einer Mehrfachinfektion einer Zelle können die RNA-Stränge von verschiedenen Viren in neuer Kombination zu neuen Viren zusammenfinden. Durch diese Neukombination entstehen neue Typen von Viren.

4 ImWinter2014/2015wurdenPatientenmitgrippeähnlichenSymptomenaufeineInfektionmitbestimmtenInfluenza-Virenuntersucht.ErläuternSiedenVerlaufderinAbb.4dargestelltenInfluenza-Epidemie.(Punkte: 13/50) Von KW 48 2014 bis KW 7 2015 lassen sich zunehmend Influenza-Viren in den Proben nachweisen, danach nimmt die Zahl der Influenza-positiven Proben allmählich ab. Vermutlich beruht der Anstieg vor allem auf der Übertragung von Viren durch Tröpf-cheninfektion, während der Rückgang der Infektionen auf eine zunehmende Immunität der Bevölkerung zurückzuführen ist. Die Influenza-Epidemie beruht zunächst auf Infektionen mit dem Subtyp H3N2 und ab Januar kommen Infektionen mit einem weite-ren Influenza-A-Typ (H1N1) und Influenza B hinzu. Während die Influenza-A-Epidemien in der KW 7 ihren Höhepunkt erreichen, las-sen sich die meisten Infektionen mit Influenza B erst in der KW 12 feststellen. Vermutlich läuft die zweite Epidemie mit Influenza A abgeschwächt ab, da schon eine gewisse Immunität gegen Influenza A in der Bevölkerung besteht, während die Epidemie mit Influenza B noch länger andauert.

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Klausur-Training Immunbiologie



Das Hormonsystem des Menschen (Seite 238/239)

1 VergleichenSiedieaufdieserSeiteerläutertenAufgabendesHormon-undNervensystemundstellenSieGemeinsamkeitenundUnterschiedeinFormeinerTabellegegenüber.Lösungsvorschlag:

Unterschiede Nervensystem Hormonsystem

Informationsweg eigenesLeitungsnetz(Nervenbahnen) Blutbahn

Geschwindigkeit schnell langsam

Wirkungsdauer kurz längeranhaltend

Gemeinsamkeit SowohlNeurotransmitteralsauchHormonebindenandenZielzellenanspezifischeRezeptoren.

2 ErklärenSie,warummanStoffewieNoradrenalinoderDopaminsowohlalsNeurotransmitteralsauchalsNeurohormonbezeichnet.Noradrenalin und Dopamin werden von Nervenzellen direkt in die Blutbahn oder das umgebende Gewebe abgegeben. Im Nerven-system werden sie an manchen Synapsen an der präsynaptischen Membran in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Boten-stoffe, 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 RecherchierenSie,warumJugendliche,diemitmännlichenGeschlechtshormonendopen,häufignichtmehrweiterwachsen.Zielzellen des männlichen Geschlechtshormons sind auch die Knorpelzellen in den Wachstumsfugen der Röhrenknochen. Die hohe Konzentration des männlichen Geschlechtshormons bewirkt eine vorzeitige Verknöcherung der Wachstumsfuge.

Hormonklassen und ihre Wirkungsmechanismen (Seite 240/241)

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, wäh-rend 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 c-AMP katalysiert: Jedes c-AMP-Molekül 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 weite-rer Enzymmoleküle verändern.

3 DieGeschwindigkeit,mitderSteroidhormoneeinenEffektindenZielzellenhervorrufen,istmeistgeringeralsbeiPeptidhor-monen.BegründenSiedieseBeobachtung.Steroidhormonmoleküle werden als Hormon-Rezeptor-Komplexe in den Zellkern transportiert. Dort beeinflussen sie die Gentran-skription. 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.

Typische Erkrankungen der Hormondrüsen (Seite 242/243)

1 ErklärenSie,warumbeiTyp-I-DiabetikerntrotzhohenBlutglucosespiegelsFettreservenabgebautwerden.Ohne Insulin kann Glucose nur aus dem Blut in die Zellen aufgenommen werden, wenn ein sehr hoher Blutglucosespiegel vorliegt. Folglich müssen für die intrazelluläre Energiebereitstellung Fette genutzt werden. Zudem fällt der katabole Effekt des Insulins, der einen Fettabbau hemmt, weg.

2 BeschreibenSiedasPrinzipdernegativenRückkopplungamBeispielderSchilddrüsenhormone(Abb.2).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 T3-Konzentrationen 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 T3-Konzentrationen im Blut sind, desto mehr TRH gibt der Hypothalamus ab und desto mehr TSH gibt die Hypophyse ins Blut ab.

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5 Neurobiologie und Hormone

5. 1 Hormone



Hormonelle Steuerung des Zyklus der Frau (Seite 244)

1 DieAntibabypilleenthältÖstrogeneundProgesteron.ErklärenSie,wiedieHormonederAntibabypilleindenZykluseingrei-fenundeineSchwangerschaftverhindern.Hormonelle Kontrazeptiva („Antibabypille“) wirken unter anderem über die negative Rückkopplung des Progesterons und Östro-gens auf den Hypothalamus und die Hypophyse. Die negative Rückkopplung bewirkt, dass FSH und LH nicht gebildet werden. So kann kein befruchtungsfähiger Follikel heranreifen und es kommt zu keinem Eisprung.

2 DieProduktionderSpermiendesMannesunterliegteinemähnlichenRegulationsmechanismuswiebeiderFrau.LHführtzurBildungvonTestosteron,FSHstimuliertdieSertoli-Zellen,indenendieSpermienreifen.ErörternSie,warumvielemännlichemitTestosterongedopteSportlerimpotentsind.BenutzenSiedazudieanalogennegativenRückkopplungsmechanismenbeiderFrau.Beim Mann bewirkt eine hohe Testosteronkonzentration ebenfalls eine negative Rückkopplung auf den Hypothalamus und die Hypophyse. Daher wird auch beim Mann daraufhin FSH und LH nicht gebildet. Da kein FSH gebildet wird, können die Spermien nicht in den Sertoli-Zellen heranreifen. Aus diesem Grund sind mit Testosteron gedopte Männer häufig impotent. Zusatzinformation: Dieser Mechanismus wird auch bei der Pille für den Mann genutzt. Da Testosteron aber gespritzt werden muss, hat sich diese Methode noch wenig durchgesetzt.

Material: Hormone und Biorhythmus (Seite 245)

1 WertenSiedieVersuchsergebnisseinAbb.1bezüglichderBedeutungfolgenderNetzhautkomponentenfürdieHelligkeits-informationaus:StäbchenundZapfen,Ganglienzelle,Melanopsin.Da der Ausfall von Stäbchen und Zapfen zwar zum Verlust der Sehfähigkeit führt, die Anpassung an den Tag-Nacht-Rhythmus aber erhalten bleibt, muss es entweder weitere Zellen auf der Netzhaut geben, aus deren Erregungen das Gehirn die Wahrneh-mung Helligkeit ableitet (Versuch 2) oder der Körper muss über andere Sinnesorgane verfügen, die eine Hell-Dunkel-Wahrneh-mung ermöglichen. Aus Versuch 3 kann man jedoch schließen, dass die Hell-Dunkel-Wahrnehmung mithilfe von Zellen der Netz-haut 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 Helligkeitswahrneh-mung 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 Helligkeitswahr-nehmung zu vermitteln, die für die Anpassung der Aktivität an den Tag-Nacht-Rhythmus 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 Hellig-keitsinformation 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.DieInjekti-onvonMelatoninumdiegleicheZeitverursachthingegenbeiderRatteeinefrühereAktivität.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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Stress (Seite 246/247)

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 Hormon-Rezeptor-Komplexes 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 Hormon-Rezeptor-Komplex eine bestimmte Reaktion in der jeweiligen Zelle aus.

2 ErklärenSie,warumvieleKünstlerundSportlersagen,dasssieohneetwasLampenfieberkeinevolleLeistungbringenkönnen. Wichtig ist zunächst die Unterscheidung zwischen schwachem und sehr starkem Lampenfieber, denn z. B. Schauspieler mit ausgeprägtem Lampenfieber können häufig ihre Rolle nicht richtig spielen. Leichtes Lampenfieber führt dazu, dass durch das periphere Nervensystem (Sympathicus) und die Stresshormone (Adrenalin und Noradrenalin) die Energiebereitstellung im Körper ausgeprägter ist und die Durchblutung in den Muskeln und im Gehirn gesteigert ist. Dadurch fühlt man sich fitter und wacher für anstehende Aufgaben.

3 EntspannungstechnikenmüssenübereinenlängerenZeitraumeingeübtwerden,damitdiesewirksamsind.VergleichenSiedieUrsachenundWirkungenvonEustressmitDistressunderklärenSiedieSinnhaftigkeitvonEntspannungstechniken. Langfristiger Stress kann Erkrankungen wie Diabestes mellitus Typ II und Infarkte begünstigen. Die selektive Durchblutung des Gehirns (mit der verminderten Durchblutung der Areale für kognitiv anspruchsvolle Denkaufgaben) ist kontraproduktiv in den Situationen, bei denen Kampf oder Flucht nicht die angemessene Reaktion ist. D. h. neben den gesundheitlichen Vorteilen können Entspannungstechniken zu einer besseren Leistung in Stresssituationen beitragen. Zusatzinformation: Aus diesen Gründen erstatten viele Krankenkassen solche Kurse auch.

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5. 2 Das Nervensystem

Nervenzellen (Seite 250/251)

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.

Das Ruhepotenzial (Seite 252/253)

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 KCl-Lösung verringert sich der K+-Konzentrationsunterschied. Dadurch sinkt auch das K+-Gleichgewichtspo-tenzial und daher auch das Membranpotenzial. Da die Membran für Cl–-Ionen kaum durchlässig ist, wirkt sich die Änderung der Chlorid-Konzentration nicht aus.

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

Potenzialänderungen (Seite 254/255)

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.

Erregungsweiterleitung (Seite 256/257)

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 Natrium-Kalium-Ionenpumpe 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 er-regbaren Stelle. Allerdings suggeriert der Trinkhalm eine falsche Weiterleitung (mechanisch). Im Axon bewegt sich keine Myelin-scheide.

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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.

Codierung (Seite 258)

1 BeschreibenSieamBeispieldessensorischenNeurons(Abb.1)dieCodierungvonReizstärkeundReizdauer.Im Bereich der Muskelspindel wird im sensorischen Neuron ein Rezeptorpotenzial erzeugt. Dieses dauert so lange wie der Reiz und ist umso höher, je stärker der Reiz ist. Die Reizstärke wird also analog codiert. Im Axon des sensorischen Neurons entstehen Aktionspotenziale in schneller Folge. Die Aktionspotenziale entstehen so lange wie der Reiz dauert. Die Frequenz der Aktionspo-tenziale ist umso höher, je stärker der Reiz ist. Die Reizstärke wird also digital codiert.

Synapse (Seite 259)

1 ErstellenSieeinVerlaufsschema,dasdieErregungsübertragunganderchemischenSynapsedarstellt.Depolarisation durch Aktionspotenziale am Endknöpfchen → spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle öffnen sich → Vesikel verschmel-zen 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 Depola-risation der postsynaptischen Membran

2 ErklärenSie,warumSynapseneineGleichrichterfunktionhaben,dieeineErregungsweiterleitungnurvonderpräsynaptischenZelleaufdiepostsynaptischeerlaubt.Nur in der präsynaptischen Membran finden sich die Calcium-Ionen-gesteuerten Transmitter-Vesikel und nur in der postsynapti-schen Membran die spezifischen Rezeptoren für die Transmitter. So ist sichergestellt, dass ein Aktionspotenzial nur von der prä-synaptischen zur postsynaptischen Membran weitergeleitet werden kann.

3 RecherchierenSiejeeinSynapsengiftfürjedenSchrittA—EderÜbertragunganderchemischenSynapse(Abb.1)undskizzie-renSiedieFolgensiehe Tabelle

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Verrechnung an Synapsen (Seite 260/261)

1 ErklärenSie,weshalbeinChlorid-IoneneinstromzueinerHyperpolarisationderpostsynaptischenMembranführt.Durch einen Chlorid-Ioneneinstrom 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.

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Schritt Synapsengift Folge

ADepolarisationderprä-synaptischenMembran

Lokalanästhetika keineDepolarisationderpräsynaptischenMembran¥keinAusschüttendesTransmitters¥keineErregungsweiterleitung

BÖffnenderspannungs-gesteuertenCalcium-Ionen-kanäle

Alpha-Latrotoxin dauerhafteÖffnungderCalcium-Ionenkanäle¥dauerhaftesVerschmelzenundEntleerenderTransmittervesikel¥dauerhafteErregung

CAusschüttenderTrans-mitter

Botulinumtoxin hemmtdasVerschmelzenderVesikelmitderpräsynaptischenMembran¥fehlendeTransmitterfreisetzung¥keineErregungsweiterleitung

DAndockenderTransmit-termoleküleandenpost-synaptischenRezeptor

Curare,Atropin

Muskarin,Nikotin

konkurriertmitAcetylcholinumdiepostsynaptischenRezeptoren¥blockiertdieNatrium-IonenkanälederpostsynaptischenMembran¥keineErregungsweiterleitung

konkurriertmitAcetylcholinumdiepostsynaptischenRezeptoren,wirdnichtvonderAcetylcholinesteraseabgebaut¥dauerhafteÖffnungderNatrium-IonenkanälederpostsynaptischenMembran¥dauerhafteErregung

ESpaltungdesTransmitters OrganischePhosphorsäure-ester(Alkylphosphate)–Insektizide(Parathion[E605])–chemischeKampfstoffe(Sarin,Tabun)Carbaminsäureester(Physostigmin,Neostigmin)

HemmungderAcetylcholinesterase¥keinAbbauvonAcetylcholin¥dauerhafteErregung

FWiederaufnahmeundRe-synthesedesTransmitters

Hemicholinium

Cholin-verwandteVerbindun-gen(Trethylcholin,Diethyl-aminoethanol)

Kokain

hemmtdieWiederaufnahmevonCholinaufderpräsynaptischenSeite¥keineResynthesevonAcetylcholin¥nachEntleerungderVesikelkeineErregungsweiterung

hemmendieNeubildungvonAcetylcholin¥keineResynthesevonAcetylcholin¥nachEntleerungderVesikelkeineErregungsweiterung

hemmtdieWiederaufnahmeder(nichtgespaltenen)NeurotransmitterDopaminundNoradrenalinindiepräsynaptischeZelle¥dauerhafteErregung



Reflexe (Seite 262/263)

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 Beuger-Strecker-Reflex

Sinne des Menschen (Seite 264/265)

1 BegründenSie,warumeineHabituationanSchmerzreizeschädlichfürdenMenschenwäre.Habituation bei Schmerzen würde dazu führen, dass lang andauernde Schädigungen weiter auf den Körper wirken könnten, da sie nicht mehr wahrgenommen würden. So würde ein Splitter im Fuß nach einiger Zeit nicht mehr als schmerzend empfunden werden und die Auswirkung der Verletzung würde bei weiterem Gehen zunehmen. Zusatzinformation: Patienten mit lang andauernden (chronischen) Schmerzen leiden besonders unter dem Phänomen der nichtvor-handenen Schmerz-Habituation.

2 EntwickelnSieeineHypothese,warumdiewahrgenommenenReizeerstimGehirninSinneseindrückeumgewandeltwerden.Eine schnelle Reaktion auf einen Reiz ist häufig überlebenswichtig. Wird z. B. ein Mensch von einem Raubtier angegriffen, ist es bei einem zweiten Kontakt sinnvoll, nicht erst zu analysieren, ob das Tier dieses Mal friedfertig ist. Stattdessen sollte unmittelbar die Flucht, ein Gegenangriff oder ein Todstellreflex eingeleitet werden. Die Erfahrung des ersten Angriffs fließt somit in den Sinnesein-druck ein und erleichtert eine schnelle Reaktion.

Nervensystem des Menschen (Seite 266/267)

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 268/269)

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

2 BeieinemJungenmussteaufgrundeinerErkrankungimAltervon11JahrendielinkeGehirnhälftevollständigentferntwerden.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.

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Drogen und Sucht (Seite 270/271)

1 AmphetaminewerdenauchzurLeistungssteigerungwährendPrüfungeneingesetzt(„Gehirndoping“).BewertenSiediesenEinsatz.Amphetamine wirken leistungssteigernd und stimmungsaufhellend. Beides kann zum kurzfristigen stundenlangen Lernen vor einer Klausur hilfreich sein. Da Amphetamine aber schnell zu Toleranz und erheblicher körperlicher Abhängigkeit führen, sind sie nicht zur Leistungssteigerung zu empfehlen.

2 Häufigwirdbehauptet,dassCannabisgeradeimVergleichzuAlkoholharmlossei.NehmenSiezudieserBehauptungStel-lung.Grundsätzlich gilt, dass Drogenkonsum generell und auch vor allem bei Jugendlichen gefährlich ist, da in diesem Alter das Gehirn umgebaut wird und Drogenkonsum währenddessen zu irrreparablen Schäden führen kann. Hinsichtlich der Toleranz- und Ab-hängigkeitsentwicklung und der Entstehung von körperlichen Schäden durch Alkohol ist es richtig, dass diese in der Gesellschaft verharmlost werden. Beide Drogen haben aber definitiv eine deutliche Wirkung und sollten nicht bagatellisiert werden.

3 ErklärenSiemithilfevonAbb.2,warumN-Methylamphetamin(CrystalMeth)ähnlichschnellzuAbhängigkeitführtwieKokain.Crystal Meth führt wie Kokain im synaptischen Spalt zu einer erhöhten Ausschüttung der Transmitter Noradrenalin und Serotonin. In Folge sind ähnliche Effekte wie Leistungssteigerung, Wahrnehmungsveränderung und Glücksgefühle zu beobachten. Beide Dro-gen haben aufgrund der hohen Transmitterfreisetzung schnell Toleranz und psychische Abhängigkeit sowie körperliche Schäden zur Folge.

Lernen (Seite 272/273)

1 FassenSiedielernförderlichenAspektezusammenunderstellenSiedenPlanfüreinenoptimalenLernnachmittag.Gut ausgeruht in den Tag zu starten fördert die Langzeitplastizität. Der Arbeitsplatz sollte ergonomisch gestaltet sein (Sitzposi-tion, Licht, keine Störquellen). Der Lernstoff ist interessant gestaltet, sodass die Neugier des Lernenden gleich geweckt wird. Das Material wird auf unterschiedliche Art und Weise aufgenommen (z. B. schriftlich, mündlich, durch Zeichnungen). Die Lerneinheiten (20 bis 50 min) sind durch Pausen (am besten mit kurzer sportlicher Betätigung) unterbrochen. Zusatzinformation: Ungünstig sind in Pausen Fernsehen, Beschäftigung mit sozialen Netzwerken oder Computerspiele, da diese häufig einen höheren Aufforderungscharakter als der Lernstoff haben und so das Gelernte aus dem Kurzzeitspeicher löschen, bevor es im Langzeitgedächtnis gespeichert werden kann.

2 ErklärenSie,warumdieWiederholungdesGelerntendasLernenfördert,währendAblenkung,monotonesLesen,fehlendeMotivationundfehlenderSchlafvorallemdemsemantischenGedächtnisabträglichsind.Die Speicherung im Langzeitgedächtnis hat als physiologisches Korrelat die Langzeitpotenzierung zur Folge. Für die Ausbildung der Langzeitpotenzierung benötigt es sowohl die Ausschüttung des Transmitters Glutamat als auch eine starke postsynaptische Depolarisation. Diese Depolarisation kann durch eine hohe, wiederholte Aktionspotenzialfrequenz (wiederholendendes Lernen) gefördert werden. Diese Frequenz kann auch durch mehrfache Aufnahme des zu Lernenden durch unterschiedliche Kanäle erhöht werden.

3 ErklärenSie,warumUnterbrechungendesLernensdurchAblenkungendasLernergebniserheblichverschlechtern.Ablenkungen beim Lernen stören das Behalten von Lernstoff, durch Löschen des Unterrichtsstoffs aus dem Kurzzeitspeicher und vergleichsweise höheren Motivationscharakter der Ablenkungen im Vergleich zum Lernstoff. Monotones Lesen kann die Motiva-tion mindern und bei kommunikativen Lerntypen wenig produktiv sein. Durch fehlende Motivation werden weniger Neuromodu-latoren freigesetzt, die die Ausbildung der Langzeitpotenzierung fördern. Außerdem kann die Aufmerksamkeit beim „stumpfen Auswendiglernen“ leicht abschweifen. Reizüberflutung aufgrund von Schlafmangel behindert durch ständige Aufnahme neuer Informationen die für die Ausbildung des Langzeitgedächtnisses notwendigen prä- und postsynaptischen Veränderungen.

Neurodegenerative Erkrankungen (Seite 274/275)

1 ErklärenSie,warumeineTherapiederParkinson-ErkrankungmitdemMedikamentLevodopa(L-DOPA)nurzuKrankheits-beginndieSymptomemindert.Dopamin ist der Transmitter der Basalkerne des Großhirns. Bei der Parkinson-Erkrankung wird das fehlende Dopamin der Sub-stantia nigra durch L-DOPA teilweise ersetzt. Da die Basalkerne im Krankheitsverlauf zugrunde gehen, nimmt die Wirkung des L-DOPA aber zunehmend ab.

2 SowohldieAlzheimer-alsauchdieParkinson-ErkrankungzählenzudenneurodegenerativenErkrankungen,trotzdemhabenbeidesehrunterschiedlicheSymptome.ErläuternSiedieZusammenhänge.Bei der Alzheimer-Erkrankung sterben durch Proteinablagerungen Nervenzellen im Hippocampus ab, die entscheidend am Ge-dächtnisvorgang beteiligt sind. Ein Hauptsymptom der Krankheit ist also die schwindende Gedächtnisleistung. Bei der Parkinson-Erkrankung werden die Basalkerne, die entscheidend an der Bewegungssteuerung beteiligt sind, nicht mehr mit dem Transmitter versorgt, sodass sie zugrunde gehen. Entsprechend sind Hauptsymptome der Parkinson-Erkrankung Bewe-gungsstörungen.

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3 NehmenSieStellungzuderAussageeinesMitschülers:„WennNervenzellentrotzgesundemLebenswandelzugrunde-gehen,istPräventionnichtmöglich.“Zunächst muss unterschieden werden, welche Krankheit betrachtet wird. Beim Schlaganfall gehört ein ungesunder Lebenswan-del zu den größten Risikofaktoren, bei der Alzheimer- und Parkinson-Erkrankung ist der Lebenswandel nur ein Risikofaktor von vielen. Ein Faktor, auf den wir keinen Einfluss haben, ist für alle Erkrankungen des Nervensystems das Alter. Da die Menschen in Industrienationen zunehmend älter werden, spielen Präventionsmöglichkeiten durch eine gesunde Lebensweise aber eine immer wichtigere Rolle.

Material: Methoden der Hirnforschung (Seite 276/277)

1 ErklärenSie,warumsichPatientenwährendeinerCTnichtbewegendürfen.Die Bilder müssen zueinander passen.

2 EineFrauklagtinderNotaufnahmeüberLähmungeninderlinkenKörperhälfteundstarkeKopfschmerzen.InderCT-Aufnah-meistinderrechtenGroßhirnrindeeindunklerFleckzusehen(Abb.2).StellenSieeineHypotheseüberdieUrsacheauf.Schlaganfall in rechter Hirnhälfte

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

4 ErläuternSie,warumähnlicheKurvenbeiderselbenElektrodenichtzwangsläufigaufeineexaktgleicheAktivitätdesGe-hirnsschließenlassen.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.

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Nervengifte der Kegelschnecken (Seite 280)

1 ErklärenSiedenAblaufeinesAktionspotenzialsaufGrundlagederbeteiligtenIonenkanäleinderAxonmembran.(Punkte: 10/100) 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: 7/100)Da sich die Schnecke nur relativ langsam fortbewegen kann und nicht über einen Fangapparat verfügt, würde die Beute entkom-men, würde das Gift nicht so schnell wirken.

3 VergleichenSiedieinAbb.3dargestelltenWirkungenderNervengiftevonKugelfischundKegelschneckeaufAxone.(Punkte: 12/100) Das Gift des Kugelfischs verhindert eine normale Repolarisation. Daher ist anzunehmen, dass das Öffnen der spannungsgesteuer-ten 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 spannungsgesteuer-ten 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: 12/100) 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 abgeschwäch-tes 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 Ace-tylcholinesterase 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: 9/100)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 281)

6 BeschreibenSiedenKiemenrückziehreflexanhandderinAbb.6gezeigtenVerschaltungvonNervenzellenundvergleichenSiedieVerschaltungmitdemKniesehnenreflexbeimMenschen.(Punkte: 17/100)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 motori-schen 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 Transmit-ter 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 hemmen-des 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: 10/100)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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Klausur-Training Neurobiologie



8 BerührtmanbeimKalifornischenSeehasendenSchwanz,werdendieKiemennichtzurückgezogen.AberdanachkannderKiemenrückziehreflexvielleichterausgelöstwerden.DieerhöhteEmpfindlichkeitberuhtaufmehrerenEffektenindenpräsy-naptischenEndknöpfchendesmotorischenNeurons(Abb.7).StellenSieeineHypotheseüberdenablaufendenProzessauf.(Punkte: 10/100)Durch das wiederholte Berühren lässt sich der Rückziehreflex leichter auslösen. Eine Berührung am Schwanz führt dazu, dass sich das Tier gewissermaßen in „Hab-Acht-Stellung“ 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: 13/100)Das Öffnen von Ca2+-Kanälen im Endknöpfchen sorgt für erhöhte Transmitterausschüttung, da durch den Ca2+-Einstrom die Ver-schmelzung 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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6 Verhaltensbiologie

6. 1 Verhalten

Grundlagen der Verhaltensforschung (Seite 286/287)

1 OrdnenSiedieinAbb.1genanntenForschungsgebietenachdenBereichenderUntersuchungproximaterundultimaterVer-haltensursachen.Mit der Erforschung ultimater Ursachen befassen sich die Verhaltensökologie, die Soziobiologie und teilweise die Orientierungsforschung. Die übrigen Forschungsbereiche widmen sich der Erforschung proximater Verhaltensursachen.

2 ErklärenSie,waruminvielenFällendiestarreTrennung„angeboren“versus„erlernt“nichtmehrzeitgemäßist.Bis auf einfache Reflexe können auch angeborene Verhaltensweisen in Grenzen abgewandelt werden. Dies kann durch Lernvorgänge geschehen, aber auch durch weitere Faktoren wie das Auftreten von Gefahren oder Nahrungsmangel.

3 ErläuternSie,warumderBlickwinkeldesBetrachters,alsoobdieserz.B.derbehavioristischenoderderkognitivenLerntheo-riefolgt,dasBeobachtungsergebnisdeutlichbeeinflussenkann.Im Behaviorismus werden die Motivation des Objekts, seine Vorerfahrung und seine Einstellungen nicht beachtet. Diese können aber sehr wohl Ursachen von Verhalten sein. D. h. trotz der genauen Beobachtung desselben Verhaltens können die Schlüsse, die daraus gezogen werden, je nach Lerntheorie unterschiedlich sein.

Genetisch bedingte und erlernte Verhaltenskomponenten (Seite 288/289)

1 LeitenSieausAbb.3ab,wiemanbeidemzugrundeliegendenVersuchvorgegangenist.Zuerst hat man paarweise Mäuse gehalten und bestimmt, wie viel Material die Paare zum Nestbau verwenden. Dann hat man Paare aus den Nachkommen zusammengestellt, die viel bzw. wenig Nistmaterial verwendeten und dies über Generationen wiederholt. Für die Kontrollgruppe hat man Paarungspartner zufällig ausgewählt.

2 BeivielengenetischbedingtenkörperlichenMerkmalenkannmanentsprechendeGenproduktenachweisen.BeimVerhaltenwirdmeistindirekterschlossen,dassesgenetischbedingtist.ErläuternSiedenUnterschied.In der Kette Gen ¥ Genprodukt ¥ Merkmal kann man die genetische Bedingtheit direkt nachweisen. Bei Verhaltensweisen, die genetisch bedingt sind, erreicht man den Beleg durch innerartlichen Vergleich, Kreuzungsexperimente (wenn Varianten vorhanden sind) und Verhinderung von Lernen.

Extra: Kaspar-Hauser-Experimente (Seite 289)

KritikervonKaspar-Hauser-Experimentenweisendaraufhin,dasssichisolierteTierenichtnaturgemäßentwickelnundsoihrVerhaltennichtmitdemnormalaufgewachsenerTierevergleichbarist.SchlagenSieeineUntersuchungsmethodevor,mitdermandiesimEinzelfallüberprüfenkann.Man kann Isolierungsexperimente so verändern, dass möglichst viele Elemente der Umgebung den natürlichen Bedingungen entsprechen. So kann man z. B. Artgenossen mit unterschiedlichen Eigenschaften einbeziehen, die ebenfalls nicht über Erfahrungen mit dem untersuchten Verhalten verfügen.

Typisches Verhalten und Schlüsselreize (Seite 290/291)

1 ErläuternsiemöglicheinterneundexterneFaktoren,diebeimFroschdieHandlungsbereitschaftfürBeutefang-verhaltenerhöhen.Externe Faktoren: Direkte Sonneneinstrahlung, die zur Austrocknung der Haut des Frosches führen könnte, bzw. ihn für Fressfeinde gut sichtbar machen könnte. Ausreichende Außentemperaturen. Das grundsätzliche Vorhandensein von Nahrung. Fehlen von Fressfeinden. Interner Faktor: Hunger

2 DurchdieGabevonSexualhormonenkannmandieHäufigkeitvonBalzhandlungenbeiAmselnerhöhen.ErklärenSiediesenBefundmithilfederInstinkttheorie.Die Hormone erhöhen die Handlungsbereitschaft, sodass bei gleicher Reizsituation das Verhalten stärker oder häufiger ausgeführt wird.

3 ErläuternSie,welcheVorversuchenötigwaren,umdieinAbb.3dargestelltenErgebnissezumVerhaltenderSpinnenzuerzielen.Verschiedene Varianten der Attrappe mussten darauf getestet werden, in welchem Verhältnis sie Beutefang oder Balz auslösen. Dadurch konnte die Attrappe ermittelt werden, die beide Verhaltensweisen mit gleicher Häufigkeit auslöst.

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Material: Attrappenversuche bei Silbermöwen (Seite 292)

1 WertenSieTinbergens Versuchsergebnisseaus.Die Schnabelfarbe Rot löst etwa doppelt so häufig Pickreaktionen aus wie alle anderen Farben. Dunkle Schnabelflecken lösen mehr Pickreaktionen aus als helle. Ein gelber Fleck auf gelbem Grund löst die wenigsten Reaktionen aus. Die natürliche Schnabelfarbe und Fleckfarbe sind nicht die stärksten Auslöser.

2 InneuerenUntersuchungenwerdenbeiderAuswertungdieUnterschiedederEinzelergebnisseberücksichtigt.VergleichenSieinAbb.3diePickreaktionaufgelbeundblaueAttrappen.Die Einzelergebnisse für die Farben variieren von Tier zu Tier sehr stark. Gelb kann z. B. neben der Standardattrappe die stärkste Wirkung haben, aber auch keine Reaktion auslösen.

3 DiskutierenSiedieVor-undNachteilederMethodeninderspäterenUntersuchungvonEypasch(Abb.4und5).VergleichenSiedieErgebnisse.Mit der Versuchsanordnung können Präferenzen im direkten Vergleich ermittelt werden. Allerdings ist die Annäherung nicht das gleiche wie die Pickreaktion.

4 „DerroteFleckistderSchlüsselreizfürdasPickverhaltenderKüken.“NehmenSieStellungzudieserAussage.Die Küken picken gegen schnabelähnliche Attrappen, und zwar gegen solche, die einen roten Fleck aufweisen, und gegen Attrappen mit anders gefärbten Flecken bzw. Attrappen ohne Fleck. Der rote Fleck ist in diesem Sinne kein Schlüsselreiz, er kann jedoch die Auslösewirkung der Attrappe erhöhen.

Prägung (Seite 293)

1 ErläuternSiedieinAbb.2dargestelltenVersuchsergebnissezurGesangsprägungbeiBuchfinken.Isoliert aufgewachsene Buchfinken zeigen ein ähnliches Gesangsmuster wie Tiere, die bei ihren Eltern aufgewachsen sind, es ist jedoch nicht so vielfältig. Mit Wiesenpiepern aufgezogene Tiere zeigen Elemente beider Arten gemischt. Das Verhalten beruht also auf genetisch bedingten Komponenten, die durch Lernen modifiziert werden.

Anpassung von Verhaltensweisen (Seite 294/295)

1 NotierenSieeineVermutung,warumbeiPaarungsverhaltenundUmgangmitGefahrenselteneineOptimierungversuchtwird.Die Folgekosten, die entstehen würden, wenn diese Verhaltensweisen in Hinsicht auf ihre Eignung getestet werden, wären besonders hoch. Entweder würde dies nämlich zum Ausbleiben des Nachwuchses führen oder es könnten Verletzungen oder der Tod die Folge sein. Aus diesem Grund sind hier wenige Variationen zu beobachten.

2 SollenstörendeKrähenkolonienentferntwerden,habensichabgespielteWarnschreievonKräheneherbewährtalsindenBäumenaufgehängteKatzenattrappen.StellenSieeineHypotheseauf,diediesesVerhaltenerklärenkönnte.Sowohl bei der Katzenattrappe als auch bei den Warnrufen handelt es sich um Gefahren, bei denen grundsätzlich eine geringere Adaptation zu erwarten ist (siehe Aufgabe 1). Möglicherweise lernen die Krähen die Harmlosigkeit der Feindattrappe schneller kennen als die Bedeutungslosigkeit der arteigenen Warnrufe. Die starke Wirkung der Warnrufe, könnte darüberhinaus auch genetisch bedingt sein.

3 ErläuternSiedieinAbb.5dargestelltenVersuchsergebnissezumErkundungsverhaltenvonRhesusaffen.In Freiheit aufgewachsene Rhesusaffen zeigen bei komplex strukturierten Objekten ein besonders intensives Erkundungsverhalten. In Gefangenschaft aufgewachsene Tiere zeigen bei einfachen Mustern Erkundungsverhalten etwa im gleichen Ausmaß wie in Freiheit aufgewachsene Tiere. Komplexe Muster meiden sie eher. Das könnte darauf hindeuten, dass sie ängstlicher sind.

Konditionierung (Seite 296/297)

1 VergleichenSiediebeidenFormenderKonditionierung.Bei der klassischen Konditionierung wird ein Reiz gelernt, auf den ein genetisch bedingtes Verhalten erfolgt. Bei der operanten Konditionierung lernt das Tier, auf einen Reiz mit einer bestimmten Verhaltensweise zu reagieren.

2 AttraktiveFrauenwerdenfürWerbezweckehäufigvorSportwagenoderAutozubehörabgebildet.ErstellenSieinAnlehnunganAbb.2einSchema,wiedieseWerbungaufmännlicheKundenwirkenkönnte.Vor der Konditionierung – Attraktive Frau wird als begehrenswert empfunden. – Auto oder Zubehörteil wird als neutral empfunden. Konditionierung – Assoziation von Auto oder Zubehörteil mit der attraktiven Frau nach der Konditionierung – Auto oder Zubehörteil löst Begehren aus.

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3ErklärenSie,warumErziehung,dievorallemmitBelohnungenfürgewünschtesVerhaltenarbeitet,ProblemesowohlfürElternalsauchfürdieKinderdarstellt.Problematisch für die Eltern ist, dass eine solche Erziehung teuer werden könnte, wenn erwünschtes Verhalten zunehmend nur gegen Belohnung gezeigt wird. Problematisch für die Kinder ist, dass ein solches Verfahren zur Unselbstständigkeit führt. D. h. Dinge werden nicht um ihrer selbst willen getan, sondern nur um eine Belohnung dafür zu erhalten.

Lernen und Selbsterkennen bei Tieren (Seite 298/299)

1 JungtierebeiArten,dieWerkzeugegebrauchen,zeigenhäufigausgeprägtesSpielverhalten.ErläuternSieeinenmöglichenZusammenhang.Hier kann eine Kombination aus Lernen durch Nachahmung und Lernen durch Versuch und Irrtum vorliegen. Lenkt das Beobachten von Artgenossen die Aufmerksamkeit auf Objekte, die als Werkzeug geeignet sind, so kann spielerisches Umgehen mit dem Objekt die Geschicklichkeit bei der Verwendung als Werkzeug steigern.

2 RabenkrähenversteckenmanchmalNahrungsvorräte.BemerkensiedabeieinenArtgenossen,brechensiedenVorgangabundfliegenmitderNahrungdavon.InterpretierenSiediesesVerhalten.Das Verhalten legt nahe, dass sich die Tiere vorstellen können, was die Wahrnehmung bei den Artgenossen auslöst. Das versteckende Tier erkennt, dass das beobachtende Tier das Versteck nun auch kennt und damit das Verstecken zwecklos ist.

3 BeiSchimpansenistnachgewiesen,dasssieArtgenossentäuschenkönnen.ErläuternSie,inwiefernSelbsterkenneneineVoraussetzungdafürist.Zum bewussten Täuschen müssen die Tiere eine Vorstellung dazu haben, mit welchen Motiven die Artgenossen etwas tun. Außerdem müssen sie ein Verhalten planen und durchführen, das nicht direkt zum Ziel führt, sondern dadurch, dass die Artgenossen eine falsche Information erhalten. Dazu müssen die Tiere sowohl ihre eigenen Motive kennen (Selbsterkennen) als auch die Wirkung auf die Artgenossen (Erkennen der „Gedanken“ der Artgenossen).

Lernen und Intelligenz beim Menschen (Seite 300/301)

1 ErläuternSiedieBedeutungdesSpielensbeiKindern.Spielen ermöglicht das Ausprobieren von Verhaltensweisen und deren Wirkung auf andere, ohne dass gravierende Folgen zu befürchten sind. Motorische und geistige Fähigkeiten können durch spielerisches Probieren trainiert und gesteigert werden

2 GewaltverherrlichendeSpiele,FilmeundMusikwerdenoftunterBezugnahmeaufdasModelllernenalspotenziellgefährlicheingestuft.NehmenSiedazubegründetStellung.Einerseits können Menschen durch kognitive Fähigkeiten ihre Tätigkeiten steuern und zwischen Film und Realität unterscheiden. Andererseits haben die Gewalttäter in den Medien manchmal ein hohes soziales Prestige bei der Zielgruppe. Wenn Nachahmer dann z. B. für eine Gewalttat auch noch Bestätigung von scheinbaren Freunden erhalten, ist eine Gefährdung nicht auszuschließen.

Extra: Information und Kommunikation (Seite 301)

ErläuternSiedieTatsache,dassdieLautevonSäuglingenerstabeinemAltervonetwaachtMonatenkulturellunterschiedlichsind.Nach der Geburt sind die Wahrnehmung und kognitive Auswertung von Reizen noch nicht so stark ausgebildet, dass konkrete Muster bei den Erwachsenen wahrgenommen werden. Mit zunehmendem Alter steigt auch die Fähigkeit, die Wirkung abgegebener Laute mit danach eintretenden Reaktionen zu verbinden.

Sozialsysteme (Seite 302/303)

1 HäufigsindBrutreviereknapp.NachdemToddesbrütendenMännchensübernimmteindeswegeneinBruthelfer-SohndasRevier.BeschreibenSieVorteilediesesVerhaltens.Junge Helfer können die Brutpflege beim Helfen lernen, bevor sie eigene Nachkommen haben. Weiter profitiert das gestorbene Männchen immer noch von der indirekten Fitness, durch die Übernahme des Reviers durch einen Verwandten.

2 NennenSiedieVoraussetzungenfüreinenSelektionsvorteildurchHelfenbeiNichtverwandten.Die Kosten für das Helfen dürfen nicht zu hoch sein und es muss hinreichend sicher sein, dass dem Individuum im umgekehrten Fall auch geholfen wird.

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3 RecherchierenSiedie„Tit-for-Tat“-StrategiefürKooperationundvergleichenSiediesemitdemVerhaltenvonnichtverwandtenHelfern.Tit for Tat wird in der Spieltheorie verwendet und kann mit „Wie du mir, so ich dir“ zusammengefasst werden. Wenn keine negativen Vorerfahrungen vorliegen, wird zunächst eine Kooperation begonnen. Dabei wird der Kooperationspartner aber sehr genau beobachtet. Stellt man unkooperatives Verhalten beim Partner fest, wird dies vergolten (Tit for Tat) und die Kooperation zunächst eingestellt. Dabei wird der unmittelbaren Vergangenheit mehr Gewicht beigemessen, als der länger zurückliegenden. Diese Strategie soll sicherstellen, dass der Geber von der Kooperation profitieren kann, ohne die Gefahr von zu großen Verlusten. Reziproker Altruismus bei nichtverwandten Helfern folgt einem vergleichbaren Prinzip.

Geschlechterrollen und Paarungserfolg (Seite 304/305)

1 VergleichenSieintrasexuelleundintersexuelleSelektionunddasPaarungsverhalten,dasinKombinationdamitoftauftritt.Intrasexuelle Selektion Diese wirkt innerhalb einer Art und eines Geschlechts und führt zu Merkmalen, mit denen Konkurrenten übertrumpft werden sollen (Beispiel: Hirschgeweih). Vor allem das stärkste Männchen kann sich mit den paarungsbereiten Weibchen in einer eng zeitlich begrenzten Paarungszeit paaren. Die Aufzucht der Jungen erfolgt durch das Weibchen. Intersexuelle Selektion Das Weibchen wählt das Männchen aus. Die Selektion wirkt somit auf sekundäre Merkmale für die Fitness, wie z. B. Pracht des Federkleids, Größe oder Gesangsfähigkeit. Beide Partner sind an der Aufzucht der Jungen beteiligt. Die Paarungszeit ist ein längerer Zeitraum.

2 ErklärenSiewarumbeiderintrasexuellenSelektiondasWeibchengroßenAufwandbeiderAuswahleinesMännchensbetreibt.Fitnessmaximierung bei Männchen und Weibchen sind unterschiedlich. Da die Anzahl der Nachkommen auf das Weibchen selbst begrenzt ist, versuchen diese durch Auswahl von Männchen mit Hinweisen für gute genetische Ausstattung die Wahrscheinlichkeit für das Überleben der Nachkommen zu erhöhen.

3 ErläuternSie,warumauchbeiderintrasexuellenSelektiondieStärkederAusprägungdesGeschlechtsdimorphismusbegrenztist.Auch bei der intrasexuellen Selektion gilt die KostenNutzenAnalyse. Wenn ein Hirsch mit einem großen Geweih Vorteile im Paarungskampf hat, sind die Kosten für das Tragen der zusätzlichen Last und erschwerte Flucht im Gehölz abzuwägen, die die Überlebenswahrscheinlichkeit vermindern. Durch natürliche Selektion nähert sich die Art zunehmend an das optimale Verhältnis zwischen Kosten und Nutzen an.

Extra: Infantizid (Seite 305)

ErklärenSieanhandderUntersuchungsergebnisse,dassdieBrüllaffenmännchendurchdenInfantizidihrereproduktiveFitnesserhöhen.Durch das Töten der sehr jungen Brüllaffenjungen werden die Weibchen früher paarungsbereit. Dadurch erhöht sich die reproduktive Fitness der Männchen.

Aggressives Verhalten (Seite 306/307)

1 BegründenSie,warumintraspezifischeBeschädigungskämpfeseltenersindalsinterspezifische.Werden viele Beschädigungskämpfe geführt, erhöht dies das Risiko des Todes. Dadurch sinkt auch die reproduktive Fitness entsprechend. Durch die Ritualisierung der Paarungskämpfe bei intraspezifischer Aggression kann sichergestellt werden, dass ein schwächeres Jungtier in den Folgejahren noch Chancen auf Fortpflanzung hat, was positiv für die Erhaltung der eigenen Art ist. Bei interspezifischer Aggression ist dieser Faktor nicht bedeutend.

2 ErklärenSie,wiegewaltverherrlichendeComputerspielenachdemlerntheoretischenModell(s.Seite296/297bzw.300/301)zuAggressionführenkönnen.Bei gewaltverherrlichenden Computerspielen wird gewalttätiges Verhalten durch Punktgewinn belohnt (operante Konditionierung). Der Spieler assoziiert den Spaß am Spielen mit der Gewalt (klassische Konditionierung). Weiterhin können die gewalttätigen Figuren im Computerspiel als Vorbild für den Spieler missverstanden werden (Lernen am Modell). Deshalb wird aus Sicht der Lerntheorie (insbesondere bei instabilen Menschen) das Spielen von gewaltverherrlichenden Computerspielen als potenziell gefährlich angesehen.

3 StellenSieeineHypotheseauf,warumdas„RauslassenvonAggression“,dasiminstinkttheoretischenAnsatz(s.Seite290/291)gefordertwird,nachdemneuerenGeneralAggressionModelalsproblematischeinzustufenist.Nach der Instinkttheorie muss für eine Triebabfuhr gesorgt werden, da sich Aggressionen durch die weiter bestehenden inneren und äußeren Faktoren sonst in unpassenden Situationen bzw. gegen die eigene Person entladen können. Das aktuellere General Aggression Model geht davon aus, dass die Durchführung einer Handlung nicht vom Trieb oder Instinkt sondern von den subjektiven Erfolgsaussichten abhängt. Die wiederholte Durchführung von gewalttätigem Verhalten kann sich nach dem Modell automatisieren. Eine geplante „Triebabfuhr“ ist daher nach dem General Aggression Model nicht sinnvoll.

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Mobbing (Seite 308/309)

1 VergleichenSieMobbingundCybermobbing.Beide MobbingFormen sind eine schwere Belastung für das Opfer. Beim Cybermobbing kommt erschwerend hinzu, dass das Opfer auch zu Hause dem Mobbing nicht entkommen kann, dass mehr Menschen auch außerhalb der Schule vom Mobbing erfahren und dass Cybermobbing häufig in der Anonymität des Netzes boshafter ist.

2 NehmenSieStellungzuderAussage„Gehänseltwurdeimmer,jetztheißteshaltMobbing,istdochalleshalbsoschlimm“.Im Unterschied zum Hänseln, geschieht Mobbing über längere Zeit mit dem Ziel der sozialen Ausgrenzung. Außerdem sind die gesundheitlichen Folgen körperlich und seelisch beim Mobbing gravierender.

3 InformierenSiesich,welcheMaßnahmenvonPersonen,dievoneinemMobbing-Fallerfahren,abernichtselbstbetroffensind,ergriffenwerdensollten.UnterscheidenSiedabeidieMaßnahmen,diemanbeiMobbingtreffensollte,vondenendiebeiCybermobbingnötigsind.Das MobbingOpfer braucht Unterstützung, um die eigene Isolation zu beenden. Hilfe und Gespräche anzubieten, kann dem MobbingOpfer schon eine große Hilfe sein. Hilfe von erwachsenen Personen, insbesondere von Lehrern und Eltern, zu suchen kann helfen, eine umfassendere Strategie für den Umgang mit dem Mobbing zu erarbeiten. Häufig ist es sinnvoll sich mit anderen Freunden als Unterstützergruppe zusammenzutun, um das Risiko zu minimieren, dass die Unterstützer selbst Opfer eines FolgeMobbings werden. Im Fall des Cybermobbings ist zusätzlich zu beachten, dass das Weiterleiten von strafrechtlich relevantem Material (wie Bilder, Beleidigungen etc.) selbst eine Straftat darstellt. Schon aus diesem Grund sollte es unterlassen werden. Daten über das Mobbing können beim Cybermobbing aber besonders einfach gespeichert und nachgewiesen werden. Diese Möglichkeit sollte unbedingt genutzt werden. Administratoren sollten Mobbing in ihrer Gruppe unmittelbar unterbinden, da diese ebenfalls strafrechtlich haftbar sind.

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Zum Verhalten von Hummeln (Seite 311)

1 FormulierenSieeineHypothesezumVerhaltenderHummeln,diesichmitdeninAbb.1dargestelltenUntersuchungsergeb-nissenprüfenlässt.(Punkte: 10/50) Eine mögliche Hypothese lautet: Hummeln lernen durch Erfahrungen bei Blütenbesuchen, effektiver Nektar aus den Blüten zu entnehmen.

2 ZeigenSieunterVerwendungvonAbb.2und3,wiebeidenBlütenbesuchengenetischbedingtesVerhaltenundLernenzu-sammenwirken.(Punkte: 14/50)Die in Abb. 2 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die Hummeln unterschiedlich geformte Blüten aufsuchen. Blüten mit leicht zugänglichem Nektar werden am häufigsten aufgesucht. Die Ergebnisse in Abb. 3 zeigen, dass einzelne Hummeln eine der Blütenformen deutlich bevorzugen. Das Anfliegen von Blüten lernen Hummeln nicht, es ist genetisch bedingt. Die Hummeln machen mit unterschiedlichen Blüten positive Erfahrungen und lernen, diese jeweils zu bevorzugen.

3 EntwickelnSieausdeninAbb.4dargestelltenMaterialieneineVersuchsreihe,mitdersichnachweisenlässt,dassHummelnFarbensehenkönnen.(Punkte: 16/50) Man kann z. B. den roten Stein mit Honig füllen und die anderen nicht. Dann beobachtet man die Hummeln mehrere Tage beim Anflug und wechselt dabei die Position des roten Steins unter den anderen. Nach mehreren Besuchen sollten Hummeln direkt den roten Stein anfliegen, würden sie hingegen keine Farben sehen, würden sie verschiedene Steine nach Nahrung absuchen.

4 NennenSiediebiologischeBedeutungvonBlütenpräferenzfürdieHummelnundfürdievonihnenbesuchtenPflanzen.(Punkte: 10/50)Die Hummeln minimieren durch Lernen ihren Aufwand für die Nahrungssuche und maximieren den Erfolg. Für die Pflanzenarten steigt durch die Bevorzugung einer Blütenform durch die Hummeln die Wahrscheinlichkeit, dass arteigener Pollen zur Bestäubung der Blüte herangetragen wird.

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Klausur-Training Verhaltensbiologie



7 Ökologie

7. 1 Beziehungen von Lebewesen zu ihrer Umwelt

Grundbegriffe der Ökologie (Seite 316/317)

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 ange-pflanzt 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? Biosphärenfor-schung: Welche Auswirkungen hat der Treibhauseffekt auf die Biosphäre?

Einfluss der Temperatur auf Lebewesen (Seite 318/319)

1 VergleichenSiedieAngepasstheitenpoikilothermerundhomoiothermerTiereanschädlicheTemperatureinflüsse.Poikilotherme Tiere haben keine aktiven Mechanismen zur Regulation der Temperatur. Daher müssen sie sich bei schädlichen Temperatureinflüssen an Orte mit gemäßigter Temperatur zurückziehen. Homoitherme Tiere können sich natürlich auch an Orte mit gemäßigter Temperatur zurückziehen, darüber hinaus haben sie aber Angepasstheiten, die sie vor den schädlichen Einflüssen von sehr hoher oder niedriger Temperatur schützen können. Dazu zählen Isolationsmechanismen, Stoffwechselumstellungen oder auch spezielle anatomische Angepasstheiten, z. B. der Bau verschiedener Körperteile nach dem Gegenstromprinzip.

2 AnalysierenSiedieBergmann’scheunddieAllen’scheRegelundmachenSiedarausfolgendeineVorhersage,wiedieKörpermasseunddieLängederKörperanhängejeweilsbeiUnterarteninwarmenundkaltenKlimazonenausgebildetsind.Nach der Bergmann’schen Regel haben Arten in kühleren Regionen eine größere Körpermasse und nach der Allen’schen Regel kleinere Körperanhänge. In warmen Regionen verhält es sich umgekehrt.

3 RecherchierenSieAnpassungsmechanismenvonPflanzenundhomoiothermenTieren,umWasserverlustinheißenKlimaregionenzuvermindern.Sowohl Tiere als auch Pflanzen nutzen Gewebe-Isolationsschichten als Schutz vor übermäßiger Erwärmung und damit verbun-denem Flüssigkeitsverlust. Gegenstromprinzipien können helfen, Wasser rückzuresorbieren. Pflanzen können durch zweimalige Kohlenstofffixierung oder die räumliche (C4-Pflanzen) und zeitliche (CAM-Pflanzen) Trennung einen Wasserverlust vermindern.

Abiotische Umweltfaktoren (Seite 320)

1 DerApfelwicklergiltalsObstschädling.NennenSieSchlüsse,dieObstbauernausdenUntersuchungsergebnissenderAbb.1ziehenkönnten.Die Ergebnisse der Untersuchungen können genutzt werden, um Vorhersagen über die Entwicklung des Apfelwicklers zu machen. So können präventive Maßnahmen ergriffen werden, wenn die Bedingungen eine starke Vermehrung vermuten lassen.

2 StellenSieeineVermutungdarüberan,wannsichaneinemStandortdieZeigerpflanzenändern.Zeigerpflanzen sind typische Pflanzen, die bei bestimmten abiotischen Bedingungen besonders gut wachsen. Wachsen auf sonst stickstoffarmen Waldboden dann Brennnesseln, bedeutet dies, dass der Stickstoffgehalt zugenommen hat. Ein hoher Stickstoff-gehalt verändert z. B. die Wachstumsbedingungen der Pflanzen.

3 ErklärenSie,wiedasLiebig’scheGesetzdesMinimumsaufandereabiotischeFaktorenübertragenwerdenkann.Ebenso wie bei Mineralstoffen gilt auch für andere abiotische Faktoren, dass der Faktor in der niedrigsten Konzentration das Wachstum bestimmt. Wenn alle abiotischen Faktoren für eine Pflanze im Optimum liegen, aber sehr wenig Licht zur Verfügung steht, ist das Wachstum der Pflanze durch die Lichtmenge limitiert.

Praktikum: Modellexperiment zum Wärmehaushalt von Tieren (Seite 321)

1 BerechnenSieVolumen(V=4/3πr3)undOberfläche(O=4πr2)sowiedierelativeOberfläche(O/V)derverwendetenKolben.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 100-ml-Kolben 1 cm–1, für den 1000-ml-Kolben 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 Tempera-tur im kleinen Kolben um einige °C niedriger.)

3 ErläuternSieanhandderBerechnungenausAufgabe1undIhrerGrafikausAufgabe2denWärmehaushaltvongrößerenundkleinerenTieren.

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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 abge-ben, 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.

10WertenSieAbb.2mitBlickaufdieniedrigenTemperaturenimLebensraumdesPinguinsaus.StellenSieeinenBezugzurAllen‘schenRegelher.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 Körper-temperatur 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 geringe-ren Nahrungsbedarf des Tieres. Trotz einer größeren Körperoberfläche durch Körperanhänge (Allen´sche Regel) kann die Wärme-abgabe so reduziert werden.

Nahrungsbeziehungen (Seite 322/323)

1 InderrechtenRandspaltesindParasitismusundRäuberBeuteBeziehunggleichdargestellt.ErläuternSiedieUnterschiedezwischendiesenNahrungsbeziehungen.Wirt und Beute werden jeweils geschädigt, allerdings wird das Beutetier vom Räuber meistens sofort getötet und gefressen. Der Wirt wird vom Parasit zwar geschädigt, aber nicht sofort oder nicht getötet.

2 BallaststoffarmeErnährungundAntibiotikagabenkönnendieDarmfloraschädigen.ErklärenSiedieAuswirkungen.Der Mensch lebt mit den Bakterien der Darmflora in Symbiose. Werden die Bakterien geschädigt, schädigt das auch den Men-schen, z. B. durch eine geringere Versorgung mit B-Vitaminen und dem Vitamin K, verminderter Verdauungsleistung und höherer Anfälligkeit für die Besiedlung des Darms mit schädlichen Bakterien.

3 ErklärenSieVorteiledesWirtswechselsfürdenFortbestandderSaugwurmartLeucochloridium paradoxum.Die Wahrscheinlichkeit in unterschiedlichen Phasen der Entwicklung auf verschiedene Wirte zu treffen ist höher, als immer auf den gleichen Wirt zu treffen. Der Wirtswechsel ermöglicht zudem eine getrennte ungeschlechtliche und geschlechtliche Vermeh-rung. Die Vermehrungsrate durch erstere ist sehr hoch. Damit ist auch die Wahrscheinlichkeit erhöht, auf einen Wirt zu treffen.

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Die ökologische Nische und Konkurrenz (Seite 324/325)

1 ErläuternSie,warumabeinerbestimmtenIndividuendichtedieIndividuengrößeabnimmt.Da die Ressource Nahrung begrenzt ist, kommt es zur intraspezifischen Konkurrenz, die ein vermindertes Wachstum bedingt.

2 ErklärenSiedieVorteilederEinnischung.Durch die Einnischung, also die Unterschiedlichkeit der Ansprüche von Arten bezüglich wichtiger Ressourcen wie Nahrung, ist es möglich, dass Arten, deren Nischen sonst sehr ähnlich sind, koexistieren können.

3 ErörternSiedieGründefürdieGrößenabnahmederNapfschneckeimVergleichzuderAbnahmederIndividuenzahlbeiderAsterionellaKieselalgeineinerKonkurrenzsituation.Bei der Napfschnecke handelt es sich um eine intraspezifische Konkurrenz, die die Abnahme der Körpermasse auslöst (siehe auch Aufg. 1). Die Abnahme der Individuenzahl von Asterionella ergibt sich dadurch, dass Synedra in der interspezifischen Konkurrenz konkurrenzstärker ist, da diese die begrenzte Ressource Silicat besser verwerten kann. Nach dem Konkurrenzauschschlussprinzip führt dies über längere Zeit zur Abnahme der Asterionella-Individuen.

Material: Wechselbeziehungen zwischen Lebewesen (Seite 326)

1 ErläuternSiedieVorundNachteilefürdieLebewesenderBeziehungenNadelbaum—MykorrhizaPilze,MykorrhizaPilze—Wühlmaus undWühlmaus—Nadelbaum unterVerwendungvonAbb.1.Nadelbaum — Mykorrhiza-Pilze: Der Nadelbaum erhält Mineralstoffe, wodurch die Widerstandsfähigkeit erhöht wird. Er gibt einen Teil der selbst produzierten Nährstoffe an die Pilze ab. Mykorrhiza-Pilze — Wühlmaus: Pilze werden von Wühlmäusen gefressen, sind für diese also Nahrung. Die Pilze werden durch sporenhaltigen Kot von den Wühlmäusen verbreitet. Wühlmaus — Nadelbaum: Wühlmäuse breiten Mykorrhiza-Pilze an neuen Stellen aus, ein größerer Teil der Nadelbäume hat durch die Pilze so Vorteile. Sie dienen den Mäusen wiederum als Nahrung.

2 OrdnenSiejeweilsdenTypderBeziehungzuundbegründenSie.Nadelbaum — Mykorrhiza-Pilze: Es liegt eine Symbiose vor, der Nadelbaum erhält Mineralstoffe, die Pilze Nährstoffe. Mykorrhiza-Pilze — Wühlmaus: Zunächst frisst die Wühlmaus Fruchtkörper der Pilze, es liegt eine Räuber-Beute-Beziehung vor. Da aber die Wühlmaus zur Verbreitung der Pilze beiträgt, könnte man auch von einer Symbiose sprechen. Wühlmaus — Nadelbaum: Am Nadelbaum wachsen durch durch den sporenhaltigen Kot der Wühlmäuse mit erhöhter Wahr-scheinlichkeit Mykorrhiza-Pilze, sie erlangen dadurch Vorteile. Die Wühlmaus hat durch die Nadelbäume direkt weder Vor- noch Nachteile, hier liegt eine Parabiose vor.

3 BeschreibenSieanhandvonAbb.2unddemTextdenLebenszyklusderZecke.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 Überwinte-rung 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.

Material: Wechselwirkungen zwischen Lebewesen und Umwelt (Seite 327)

1 BeschreibenSiedieVersuchsergebnisse.P. aurelia vermehrt sich unter gleichen Bedingungen schneller als P. caudatum. P. aurelia erreicht nach ca. 7 Tagen ein Maximum von 100 Individuen pro ml, P. caudatum ein Maximum von 60 Individuen pro ml (Abb. oben). Werden beide Arten zusammen gehal-ten, erreicht P. aurelia nach 18 Tagen das Maximum, die Individuenzahl von P. caudatum sinkt nach 6 Tagen. Nach 16 Tagen ist P. caudatum im Versuch ausgestorben (Abb. Mitte). Hält man die Arten P. busaria und P. aurelia in einem Versuchsgefäß, vermehrt sich P. aurelia zunächst schneller, die Indivduendichte sinkt aber ab dem 5. Tag und steigt ab dem 17. Tag wieder leicht. P. bursaria vermehrt sich relativ konstant bis zu einem Maximum von 100 Individuen pro ml nach 24 Tagen.

2 WertenSiedieVersuchsergebnisseaus.ErläuternSiedabeidasKonkurrenzausschlussprinzipbzw.dieKoexistenzvonArten.In getrennter Haltung zeigen P. aurelia und P. caudatum jeweils ein Maximum der Individuendichte. Dieses ist durch intraspezifi-sche Konkurrenz um Nahrung und Platz zu erklären. Möglicherweise ist P. aurelia kleiner und benötigt weniger Nahrung, sodass die Individuendichte höher ist. Bei gemeinsamer Haltung von P. aurelia und P. caudatum kommt es zur interspezifischen Konkur-renz um Nahrung, beide Arten fressen Bakterien an der Wasseroberfläche, sie haben also die gleiche Nahrungsnische. P. aurelia

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und P. caudatum können nicht nebeneinander koexistieren, es kommt zum Konkurrenzausschluss, die konkurrenzstärkere Art P. aurelia verdrängt P. caudatum. Bei gemeinsamer Haltung von P. bursaria und P. aurelia überleben beide Arten. Sie ernähren sich in unterschiedlichen Bereichen. Die interspezifische Konkurrenz zwischen den Arten ist geringer, sie können nebeneinander koexis-tieren. Dass trotzdem deutlich weniger Individuen von P. aurelia vorkommen, könnte z. B. an einer Konkurrenz um den Platz liegen.

3 BeschreibenSiedieVersuchsergebnissederEinzelsaatenundderMischsaatinAbb.2.Werden die drei Arten einzeln ausgesät, ist das Wachstum der Arten bezüglich der Bodenfeuchte nahezu identisch. Werden die drei Arten gemischt ausgesät, wächst der Wiesenfuchsschwanz am besten auf feuchtem Boden, der Glatthafer in einem breiten Bereich mittlerer Bodenfeuchte und die Aufrechte Trespe auf trockenen Böden.

4 ErklärenSiedieVersuchsergebnissedesHohenheimerGrundwasserversuchsmitderphysiologischenbzw.ökologischenPotenzderdreiGrasarten.Die Einzelsaat zeigt die physiologische Potenz der drei Arten. Die physiologische Potenz der drei Arten ist nahezu identisch, alle drei Arten sind bezüglich der Bodenfeuchte euryök. In Mischsaat ändern sich die Wachstumsoptima. Die ökologischen Potenzen, also die Potenz in Konkurrenz zu anderen Arten, entsprechen beim Wiesenfuchsschwanz und der Aufrechten Trespe nicht den physiologi-schen Potenzen. Der Wiesenfuchsschwanz ist auf feuchten Böden konkurrenzstärker, die Aufrechte Trespe auf trockenen Böden. In Konkurrenz erweist sich der Glatthafer als euryök, Wiesenfuchsschwanz und Aufrechte Trespe als stenök.

Populationsentwicklung (Seite 328/329)

1 BeschreibenSieunterVerwendungvonAbb.3denEinflussdichteabhängigerunddichteunabhängigerFaktorenaufdiePopulationsgröße.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 Ressourcen-Verbrauch. Der Rückgang der Ressourcen führt zu einer Erhöhung der Sterberate und damit ebenfalls zu einer Verringerung der Populationsgröße. Dies wiederum senkt also auch den Ressourcen-Verbrauch.

2 ErklärenSieanhandvonAbb.4und5,warumaufeinehoheGeburtenratekurzeZeitspäterimmereinehoheAnzahlvonTodesfällenfolgt.Erreicht die Populationsdichte die begrenzende Umweltkapazität, kann die hohe Geburtenrate zu einer Überschreitung führen, die dann zu einer hohen Sterberate führt.

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

Fortpflanzungsstrategien (Seite 330/331)

1 NennenSiejezweiBeispielefürrundKStrategen,dieinunserenWäldernvorkommen.BegründenSiedieZuordnung.individuelle Lösung; z. B.: K-Stratege: Wolf; r-Stratege: Ratte

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

Nahrungsbeziehungen (Seite 332/333)

1 ErklärenSiediedargestelltenAuswirkungenderBeziehungenzwischendeninderAbb.derRandspalte(s.Seite332)gezeigtenFaktoren.Die Abbildung gibt proportionale und umgekehrt proportionale Beziehungen zwischen Größen in einer Räuber-Beute-Beziehung wieder. Beispiele: Je größer die Dichte der Räuberpopulation, desto mehr Räuber-Beute-Kontakte finden statt. Je größer die Sterbe-rate der Beute, desto kleiner wird die Beutepopulation.

2 ErklärenSie,warumderlandwirtschaftlicheSchadenvonSchadinsektenaneinemnaturbelassenenRaumlangfristiggeringeristalsderdurchUmweltverschmutzung.In einem naturbelassenen Raum schwankt die Populationsgröße einer Beute (z. B. von Schadinsekten), abhängig von dem Nah-rungsangebot, der Witterung und der Individuendichte. Manchmal spielt auch die Räuberpopulation eine gewisse Rolle bei diesen Schwankungen. Die Umweltverschmutzung als dauerhafter biotischer Faktor wirkt im Vergleich viel langfristiger.

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3 VorallemindennordöstlichenBundesländernDeutschlandsfindensichwiederWölfe.DiesejagenWild,aberauchWeidetiere.ArgumentierenSiemithilfedesLotkaVolterraModells,wiesichdieWolfspopulationinZukunftändernwird.Die Populationsgröße der Räuber ist nach dem Lotka-Volterra-Modell abhängig von der Populationsgröße der Beute. Da Weide-tiere in der Landwirtschaft in hoher Zahl gehalten werden und leicht zugänglich sind, ist nach dem Modell anzunehmen, dass sich die Wolfspopulation weiter vermehren wird. Allerdings wird die Populationsgröße nicht nur durch den biotischen Faktor Beute sondern auch durch weitere dichteabhängige und dichteunabhängige Faktoren bestimmt.

Population und Metapopulation (Seite 334)

1 VergleichenSiedieWirksamkeitderBrückenfürTierebezüglichderStabilitätvonPopulationenvonrundKStrategen.Die Maßnahme kann prinzipiell bei r- und K-Strategen wirken, allerdings bewirkt sie bei r-Strategen sehr viel schneller eine Erho-lung einer stark dezimierten Population aufgrund der hohen Geburtenrate und frühen Geschlechtsreife.

Material: Neophyten- und Neozoenpopulationen (Seite 335)

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 ErläuternSiedieFortpflanzungsundVerbreitungsstrategienderVarroamilbe.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 ErklärenSiediePopulationsgrößeimBienenstockunterVerwendungvonAbb.4mitundohneMilbenbefall.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 und ganz stark die Jahreszeit erhöhen die Sterberate bei den Bienen, sodass deren Anzahl abnimmt.

Trophiestufen und ökologische Pyramiden (Seite 336/337)

1 ErläuternSieanBeispielenausAbb.1dieBegriffeNahrungsketteundNahrungsnetz.Die Nahrungskette Hafer → Feldhamster → Wiesel → Habicht ist linear. Durch die Einbeziehung von Nacktschnecke und Fuchs und alternativer Nahrungspflanzen für den Feldhamster entsteht ein vernetztes Geflecht (Nahrungsnetz) aus alternativen Nah-rungsquellen und Feinden.

2 InderVeredelungswirtschaftwerdenpflanzlicheProdukteinhöherpreisigeTierprodukteumgewandelt.ErläuternSiemithilfevonAbb.3,warumdieVeredelungausökologischerSichtkritischgesehenwird.Um veredelte Lebensmittel herzustellen, also aus pflanzlichen tierische Produkte zu produzieren, muss wesentlich mehr Biomasse und Fläche zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere im Hinblick auf die wachsende Menschheit ist dies ökologisch gesehen ein großes Problem.

3 ÜberdieTrophiestufenkannmannachobenhineinezunehmendeAnreicherungvonSchadstoffen(Bioakkumulation)beobachten.ErklärenSiediesesPhänomenauchimHinblickaufdenMenschen.Ein Schadstoff, der auf der Produzentenebene aufgenommen wird, reichert sich zunächst in den Konsumenten 1. Ordnung an und wird dann bis zu den Konsumenten 3. Ordnung weitergegeben. Für den Menschen als Endverbraucher bedeutet das, dass er aufgrund der Bioakkumulation gefährdet ist, relevante Schadstoffmengen aufzunehmen.

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Stabilität und Sukzession im naturnahen Wald (Seite 338/339)

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.

3 StellenSieeinebegründeteVermutungan,wiesichdieanthropogenenEinflüsseaufStabilitätundSukzessionimWaldauswirken.Durch forstwirtschaftliche Nutzung, d. h. Holzgewinnung, nimmt wie in Aufgabe 2 erläutert die Biomasse ab. Als Folge der forstwirtschaftlichen Nutzung in Monokulturen kommt es häufiger zu Windbruch und Schädlingsbefall und damit häufiger zu großflächigeren Sukzessionen. Aufgrund der Umwelteinträge, der invasiven Arten und des Klimawandels nimmt die Artenanzahl insgesamt ab.

Lokale Stoffkreisläufe im Wald (Seite 340/341)

1 ImLaufeeinesTageskannmanzyklischeVeränderungendesKohlenstoffflussesbeobachten.ErklärenSie.Im Laufe des Tages ändern sich u. a. die Lichtintensität und die Temperatur, die die beiden bestimmenden Faktoren für die zykli-sche Veränderung des Kohlenstoffflusses sind.

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

Ökosystem See (Seite 342/343)

1 StellenSieineinerTabelledieLebensbedingungeninderUferzone,derFreiwasserzoneunddertiefenBodenzoneimSommerzusammen.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 AnStadtseengibteshäufigSchilder,diedaraufhinweisen,dassdasFütternvonEntenausökologischenGründenuntersagtist.ErklärenSie,warum.Werden Enten mit reichlich Brot gefüttert, fressen sie nicht die gesamte Brotmenge, die ihnen angeboten wird. Der Rest sinkt zu Boden und wird von Mikroorganismen abgebaut. Dieser Detritus führt zu einem Absinken des Sauerstoffgehalts im See insbeson-dere im Sommer, was Organismen im See schädigen kann. Zusatzinformation: Brot ist zudem für Enten kein natürliches Futter und kann zu sehr unangenehmen Verdauungsstörungen bis hin zu Krankheiten führen.

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Uferzone Freiwasserzone tiefe Bodenzone

hohesLichtangebotfürPflanzenwachstum

jenachWassertiefeverschiedenhohesLichtangebot Dunkelheit

starkejahreszeitlicheTemperaturschwankungen

inZirkulationsundStagnationsphasenundjenachHöhesehrunterschiedlicheTemperaturen

gleichbleibendniedrigeTemperaturvonca.4°C

kaumschwankendesSauerstoffangebot

inZirkulationsundStagnationsphasenundjenachHöhesehrunterschiedlicherSauerstoffgehalt

sichinZirkulationsundStagnationsphasenänderndesSauerstoffangebot



Eutrophierung und Regeneration eines Sees (Seite 344/345)

1 VergleichenSiedieStoffkonzentrationenimoligotrophenundimhypertrophenSee(Abb.2).ErläuternSiedieZusammenhänge. Aus der Perspektive des hypertrophen 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 Mine-ralstoffe aus dem See entfernt.

Selbstreinigung im Fließgewässer (Seite 346)

1 ErklärenSie,warumnachBiomasseneintragzunächstdieSauerstoffkonzentrationimGewässerfälltunddieAlgenproduktionsteigt. Die zugeführte Biomasse wird durch Destruenten oxidativ abgebaut, wodurch der Sauerstoffgehalt sinkt. Dabei werden Mineral-stoffe frei. Die Mineralstoffe regen anschließend das Algenwachstum an. Die Algen entnehmen dann aber dem Wasser Mineral-stoffe und geben Sauerstoff an das Wasser ab.

Material: Abwasserreinigung (Seite 347)

1 ErläuternSiedieFunktionsweiseundBedeutungdereinzelnenStufeneinerkommunalenKläranlage(Abb.1). Mit Rechen werden mechanisch Gegenstände im Wasser aufgefangen. In den folgenden Becken setzen sich aufgrund einer geringen Fließgeschwindigkeit Sand und Schwebstoffe ab. In der biologischen Reinigungsstufe bauen Mikroorganismen wei-tere 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.

Der globale Kohlenstoffkreislauf (Seite 348/349)

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.2dieAuswirkungenderAbholzungvonWäldernbzw.derAufforstung. 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,kanneinTeilderKalkschalenvonMuschelnundMeeresschneckensichunterFreisetzungvonKohlenstoffdioxidauflösen.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.

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Bevölkerung und Welternährung (Seite 350/351)

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 Bevölke-rung.

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 Wirtschafts-kraft zum Kauf von Nahrungsmitteln.

3 RecherchierenSiedieUrsachenderAusbreitungderWüsteninAfrikaunterdemStichwortDesertifikationundleitenSieausAbb.6dieFolgenab.Ursachen für die Desertifikation sind neben dem Klimawandel die Überbeanspruchung der Bodenfruchtbarkeit mit anschließen-der 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 Getreide-ernten zu erwarten ist. Dadurch ist in diesen Gebieten ein Anstieg der Menschen mit prekärer Ernährungssituation zu erwarten.

Ressource Wasser (Seite 352/353)

1 VergleichenSiedieNutzungsmöglichkeitenvonGrundwasserausderGrundwasserströmungundfossilemGrundwasserwieunterderSahara.Die Wasserentnahme aus der Grundwasserströmung kann bei Versickerung von gereinigten Abwässern als Kreislauf geführt wer-den. Das aus Speichern unter der Sahara entnommene und dann genutzte Grundwasser verdunstet und regnet größtenteils nicht über der Sahara ab. Die Nutzung dieses Wassers kann also nur einmal erfolgen. Die Speicher können nicht regenerieren.

2 StellenSiemithilfevonAbb.5einenZusammenhangzwischendenErnährungsgewohnheitenunddemvirtuellenWasserverbrauchher.Für verschiedene Nahrungsmittel wird bei der Produktion unterschiedlich viel Wasser verbraucht. Wenn Tiere z. B. mit Getreide gefüttert werden, ist der Wasserverbrauch besonders hoch, weil zu dem Wasserverbrauch für die Getreideproduktion der Wasser-bedarf der Tiere hinzukommt.

3 BewertenSiedieNutzungvonWasserausLagerstättenunterderSaharafürdenKartoffelanbau.individuelle Lösung

Der Klimawandel (Seite 354/355)

1 NennenSiemöglicheFolgenfürLebewesendurchdierelativschnelleVerschiebungvonKlimazonen.Klimaveränderungen in ökologisch kurzen Zeiträumen können dazu führen, dass eine Reihe von Pflanzenarten ausstirbt. Die Neu-besiedlung 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 reduzier-ter 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,trifftjedochbesondersstarkMenscheninwirtschaftlichwenigerentwickeltenRegionen“.individuelle Lösung

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Ökologischer Fußabdruck und Biokapazität (Seite 356)

1 ErklärenSiedenunterschiedlichgroßenÖkologischenFußabdruckfürdiebeidenimTextgenanntenMahlzeiten.Der Ressourcenverbrauch ist bei Rindfleisch besonders hoch im Vergleich zu den in beiden Mahlzeiten vorkommenden Getrei-deprodukten. Hinzu kommt, dass der Hamburger mit Salatblatt und Soßen mehr verschiedene Produkte mit unterschiedlichen Transportwegen enthält.

2 ErläuternSiedieWerteinAbb.2ausderPerspektivederNachhaltigkeit.Das Verhältnis aus Bevölkerungsdichte, Ressourcenverbrauch und Biokapazität kommt in unterschiedlichen Kombinationen vor. So ist z. B. zu erklären, dass Finnen zwar einen großen Ökologischen Fußabdruck haben, aufgrund der dünnen Besiedlung dieses Land aber in Summe die Ressourcen unterdurchschnittlich verbraucht. Anders ausgedrückt: Wäre die Situation weltweit wie in Finnland, könnte auf der Erde eine doppelt so große Bevölkerung wie die dann vorhandene langfristig existieren. Zur Nachhal-tigkeit gehört, dass der weltweit durchschnittliche Fußabdruck so klein werden muss, dass die eine Erde ausreicht und dass der Ressourcenverbrauch sozial gerecht verteilt wird.

Praktikum: Der persönliche Ökologische Fußabdruck (Seite 357)

1 ErmittelnSieIhrenpersönlichenÖkologischenFußabdruckmitzweiunterschiedlichenFootprintRechnern.individuelle Lösung

2 VergleichenSiedieErgebnisseunderklärenSie,wennmöglich,dieUnterschiede.DazukönnenSieauchdiePunktezuordnungdurchverschiedeneAngabenprüfen.individuelle Lösung

3 StellenSieBereichezusammen,indenenSiesicheineVerhaltensänderungvorstellenkönnen,undprüfenSiederenEffektdurchentsprechendeAngabenimFootprintRechner.individuelle Lösung

4 DiskutierenSie,inwieweitIhnendieinAbb.1erkennbarePunktezuordnungverständlicherscheint.individuelle Lösung

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Felsenkrabben auf Jamaika (Seite 360)

1 BeschreibenSieamBeispielvonSesarma rectumunterVerwendungvonAbb.1dieBedeutungderBegriffeökologischePotenzundToleranzbereich.(Punkte: 8/100) 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.1dieBedeutungdesUmweltfaktorsSalzgehaltfürdiedreiFelsenkrabbenarten.(Punkte: 12/100)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.1und2dieToleranzderBrackwasserkrabbebezüglichdesUmweltfaktorsSalzgehaltdesWassers.(Punkte: 10/100) 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: 8/100) 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 redu-zieren 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: 12/100)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 r-Strategen auf, während S. jarvise eher zu den K-Strategen gehört.

Waldrodung und Klimafolgen (Seite 361)

6 BeschreibenSiedieökologischenundwirtschaftlichenFolgeneinerFlächenrodunganhandvonAbb.5.(Punkte: 10/100)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: 13/100)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,welcheAuswirkungdasvonderRodungsflächeabfließendeWasseraufeinendortfließendenBachhabenkönnte.(Punkte: 7/100)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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Klausur-Training Ökologie



9 DieglobaleAbholzungvonWäldernhatzudenaktuellfeststellbarenKlimaveränderungenbeigetragen.ErläuternSieandiesemBeispieldieAuswirkungenmenschlichenHandelnsaufdenglobalenKohlenstoffkreislauf.(Punkte: 12/100)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 Kohlen-stoffdioxid 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 Abhol-zung 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 Verbren-nung von Kohle, Erdöl und Erdgas zu verstärkten Kohlenstoffflüssen in Form von Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre.

10InAbb.8sinddieAbweichungenderSommertemperaturenvomlangjährigenMittelunddasDickenwachstumvonWeißfichteninAlaskadargestellt.InterpretierenSiedasDiagrammbezüglichderFolgenvonKlimaveränderungenfürdieWälderinAlaska.(Punkte: 8/100)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 Kohlenstoff- dioxid für die Fotosynthese.

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8 Evolution

8. 1 Evolution und Verwandtschaft

Die Entstehung der Evolutionstheorie (Seite 366/367)

1 ErstellenSiejeweilseinVerlaufsschemafürdieEntstehungderlangenHälsebeiGiraffennachLamarckundDarwin.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 Darwinschreibtin„OntheOriginofSpecies“auch,dasseskeinebefriedigendeDefinitiondavongibt,wasunterVervollkomm-nungzuverstehensei.ErläuternSie,warumAnpassungdurchSelektionnichtzwangsläufigzu„höheren”Lebewesenführt.Die Anpassung an bestimmte Umweltfaktoren bewirkt nicht unbedingt möglichst große und komplexe Organismen. Teilweise sind Reduktionen und Rückbildungen vorteilhaft, da sie sparsamer sind und somit einen Evolutionsvorteil darstellen.

Variabilität und Selektion (Seite 368/369)

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 ErläuternSiedieBedeutungderRekombinationbeidersexuellenFortpflanzungfürdiegenetischeVariabilität.Durch die zufällige Kombination alleler Gene bei der Befruchtung entsteht eine Vielzahl von Allelkombinationen bei den Nachkom-men eines Elternpaars. Dies erhöht die Variabilität.

3 DerEinsatzvonHerbiziden(Unkrautvernichtungsmitteln)aufeinerlandwirtschaftlichgenutztenFlächewirktalsSelektions-faktor.ErklärenSie,wieaufdieseWeiseSuperweeds(herbizidresistenteUnkräuter)entstehenkönnen.Das Herbizid wirkt als Selektionsfaktor, da es das Wachstum der Unkäuter stark eingrenzt. Somit wäre eine zufällige Mutation, die zu einer Resistenz führt, vorteilhaft. Pflanzen mit einer Resistenz hätten eine längere Überdauerungszeit oder überhaupt die Möglichkeit zu wachsen und mehr Möglichkeiten Nachkommen zu erzeugen. Somit würde es nach einer gewissen Zeit zu einer vermehrten Anzahl von Unkräutern kommen, die die Resistenz aufweisen, und das Herbizid hätte seine Wirkung verloren.

Die Synthetische Evolutionstheorie (Seite 370)

1 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.

Material: Koevolution (Seite 371)

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 Spornlän-ge selektierend auf die Saugrüssellänge beim Falter und die Rüssellänge auf die Spornlänge.

Artbegriff und Artbildung (Seite 372/373)

1 NennenSiedreimöglicheUrsachenfürdieunterschiedlicheEntwicklunggeografischisolierterTeilpopulationeneinerArt.individuelle Lösung. Mögliche Ursachen sind z. B. die Entstehung unterschiedlicher neuer alleler Gene, unterschiedliche Selek-tionsbedingungen durch verschiedene klimatische Bedingungen, unterschiedliche Konkurrenten oder Feinde oder ein anderes Nahrungsangebot.

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2 ErläuternSie,obmaneinwirtschaftlichesUnternehmenmitseinenMitarbeiternevolutivbetrachtetmiteinerPopulationvergleichenkannundwelcheBereichedesUnternehmenswelchenTeilenderPopulationentsprechen.Man kann ein wirtschaftliches Unternehmen mit einer Population vergleichen. Die verschiedenen Charakteristika der Mitarbeiter würden dann dem Genpool der Population entsprechen. Eine hohe Variabilität kann sich bei beidem positiv auswirken.

3 BeschreibenSiediesympatrischeArtbildunganhandvonAbb.3.Der Genfluss zwischen einer Teilpopulation und der Ursprungspopulation wird durch eine nicht geografische Fortpflanzungsbarrie-re verhindert. Die darauf folgende getrennte Entwicklung der Genpools führt zu einer Zunahme der Unterschiede.

Adaptive Radiation (Seite 374)

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

Gendrift (Seite 375)

1 VergleichenSiedieAllelhäufigkeitenderModellpopulationinAbb.1inderUrsprungspopulationundinderTeilpopulationA.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.

Verwandtschaft erkennen (Seite 376/377)

1 SowohlMaulwurfalsauchMaulwurfsgrillehabeneinenzylinderförmigenKörper.ErklärenSiedieseÄhnlichkeit.Der längliche Körperbau ist vorteilhaft beim Laufen durch die Erdgänge. Er ist ein Ergebnis einer konvergenten Entwicklung und findet sich auch bei vielen anderen Tieren, die im Boden leben (z. B. Regenwurm).

2 NennenSieeinursprünglichesundeinabgeleitetesMerkmalderSäugetiere.Ursprüngliche Merkmale: Wirbelsäule, vier Beine, Lungen; abgeleitete Merkmale: Fell, Milchdrüsen

3 DieFlügelvonFledermausundVogelbestehenjeweilsausKnochenundeinerFlügelfläche(Abb.2).ErläuternSie,welchederbeidenStrukturenhomologundwelcheanalogsind.Das Skelett der Vorderextremitäten von Vogel und Fledermaus sind homolog. Die Flügelfläche ist jedoch das Ergebnis einer kon-vergenten Entwicklung. Die Flügelflächen sind analoge Organe.

Methoden der Altersbestimmung von Fossilien (Seite 378)

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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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



Material: Lebende Fossilien und Brückentiere (Seite 379)

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 „FossiliensindÜberresteausgestorbenerLebewesen.DerBegrifflebendesFossilistalsoeinWiderspruch.“NehmenSiebe-gründetStellungzudieserAussage.Die Bezeichnung Fossil schließt die Lebendigkeit eines Organismus aus. Die Bezeichnung lebendes Fossil ist demnach ein Wider-spruch. Außerdem könnte man meinen, dass bei den lebenden Fossilien gar keine Evolution stattgefunden hat. Dies ist jedoch nicht der Fall.

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.

Evolution des Menschen (Seite 380/381)

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

2 DasgroßeGehirnentstandspäteralsderaufrechteGang.ErläuternSieVoraussetzungenfürdieGehirnentwicklung.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.

Fossilfunde des Menschen (Seite 382/383)

1 NennenSieeinMerkmal,dasdieZuordnungeinesFundeszudenHomininiermöglicht.Ein wichtiges Merkmal für die Zuordnung zu den Hominini ist der aufrechte Gang.

2 FrüheVertreterderGattungHomowarenaufandereWeisealsParanthropus boiseiandastrockenereKlimaangepasst.For-mulierenSieeineHypothese.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.

Neandertaler und moderner Mensch (Seite 384)

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 Zeu-gung von fruchtbaren Nachkommen, was vermutlich in Einzelfällen vorkam. Ein Gegenargument stellen die deutlichen Unterschie-de der Genpools dar.

2 FormulierenSieeineHypothese,warumdermoderneMenschsichamEndedurchsetzte.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.

Verwandtschaft heutiger Menschen (Seite 385)

1 RassensindeinsozialesKonstruktundberuhennichtaufbiologischenUnterschieden.NehmenSieStellungzudieserEin-schätzung.Die genetischen Unterschiede innerhalb einer Population sind deutlich größer als zwischen zwei Generationen. So lassen sich biologisch keine Rassen feststellen. Zwischen den Populationen bestehen vor allem kulturelle und soziale Unterschiede.

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Kulturelle Evolution (Seite 386/387)

1 BeschreibenSieanhandvonAbb.2,wieinderSteinzeitimmersparsamermitdemMaterialumgegangenwurde. Zunächst wurde aus einem Stein ein (großes) Werkzeug hergestellt. Später wurden von einem geeigneten Stein verschiedene Klingen und andere Werkzeuge abgeschlagen. So konnten aus einem Stein viele verschiedene Werkzeuge hergestellt werden. Schließlich wurden die Werkzeuge immer kleiner und teilweise zusammengesetzt. Beispielsweise wurden statt einer langen Steinklinge viele kleine Steinklingen auf einem Knochen zu einer funktionellen Klinge zusammengefügt. Durch die Erfindung der Schleiftechnik konnten große Werkzeuge wie Beile über lange Zeiträume genutzt werden.

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.3denZusammenhangzwischenbiologischenVoraussetzungenundkulturellenErrungen-schaften.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.

Entstehung des Lebens (Seite 388)

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

Die Evolution der Lebewesen auf der Erde (Seite 390/391)

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

2 DerEinschlaggroßerMeteoritenführteinderErdgeschichtemehrfachzummassenhaftenAussterbenvonArten.ErläuternSiemitIhremWissenzurEvolutiondieEntwicklungderArtenvielfaltinderFolgezeitnachsolchenEreignissen.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 391)

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

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Die Evolution der Fledertiere (Seite 394

1 DefinierenSiedieBegriffeHomologieundAnalogieundwendenSiedieseaufdieFlügelinAbb.1an.(Punkte: 8/100) Die Ähnlichkeit homologer Organe beruht auf stammesgeschichtlicher Verwandtschaft. Dies trifft auf die beiden Flügelskelette 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: 14/100)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: 8/100) 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: 6/100) 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: 7/100)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: 7/100)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 395)

7 BeschreibenSiedieFormendeshorizontalenGentransfersundderenBedeutungfürdieEvolutionderProkaryotenunterVerwendungvonAbb.5.(Punkte: 12/100)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: 22/100)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: 16/100)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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Klausur-Training Evolution

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