Zellen, Gewebe, Organe

Transkript

1 Zellen, Gewebe, Organe 1 Die Zelle Praktikum: Herstellung von mikroskopischen Präparaten (Seite 30/31) 8 Mikroskopieren Sie bei mittlerer Vergrößerung das Zwiebelhäutchen. Verschaffen Sie sich einen Überblick über die Gestalt und die Lage der Zellen. Fertigen Sie eine Umrissskizze von 4 bis 5 aneinander liegenden Zellen an. Die Skizze sollte zeigen, wie die Zellwände benachbarter Zellen jeweils aufeinander stoßen. Kreuzungen sollten vermieden werden. 9 Bringen Sie eine in Details gut erkennbare Zelle in die Gesichtsfeldmitte und untersuchen Sie diese mit dem nächstgrößeren Objektiv (40x). Welche Einzelheiten sind zu erkennen? Fertigen Sie von dieser Zelle eine möglichst genaue Skizze an (Größe auf dem Papier mindestens 10 cm). Achten Sie auf die richtigen Größenverhältnisse von Zelle und Zellbestandteilen. Es sollte unbedingt darauf geachtet werden, dass die skizzierte Zelle groß genug angelegt wird, um die Einzelheiten mit hinreichender Genauigkeit darstellen zu können. In der Regel sind die Mittellamellen und Tüpfel recht gut erkennbar, während das Cytoplasma häufig Schwierigkeiten bereitet. Der Hinweis darauf, die Blende etwas zu schließen und die Zellenden genauer zu betrachten, ist oft hilfreich, da der Cytoplasmabelag dort dicker ist. Der Zellkern mit seinen Nucleoli ist meist als etwas kontrastreichere Struktur zu erkennen. Zell- und Tonoplastenmembran sind nicht direkt sichtbar. Sie müssen mithilfe anderer Methoden erarbeitet werden. 10 Mit einem Holzspatel oder einem Teelöffel schabt man vorsichtig aus der Mundhöhle etwas Schleim ab, der Mundschleimhautzellen enthält, und bringt diesen in einen Wassertropfen auf den Objektträger. Bei der mikroskopischen Untersuchung werden die einzelnen Zellen nur schwer zu erkennen sein. Das liegt an der Kontrastarmut des Objekts, d.h. es ist überall fast gleich hell. In solchen Fällen färbt man das Präparat an, um es besser sichtbar zu machen. Dazu wird entsprechend der Abbildung eine Methylenblaulösung unter dem Deckgläschen hindurchgesaugt. Mikroskopieren Sie das ungefärbte und das gefärbte Präparat und vergleichen Sie. Fertigen Sie anschließend vom gefärbten Präparat eine Skizze an. Welche Details sind besonders gut angefärbt? Warum zeigen die Schleimhautzellen eine Art Faltenbildung? Welche Unterschiede bestehen im Vergleich zur Zwiebelzelle? Durch Aufnahme von Methylenblau erscheinen die Zellen insgesamt dichter und kontrastreicher. Die Mundschleimhautzellen sind dann gut zu erkennen, der Zellkern ist deutlich zu identifizieren. Da die Zellen im Unterschied zur Zwiebelhaut einzeln auf dem Objektträger liegen und keine Zellwand besitzen, ist ihre Form unregelmäßig und die Oberfläche erscheint zerknautscht. Das elektronenmikroskopische Bild von Tier- und Pflanzenzelle (Seite 33) 1 Suchen Sie in den Übersichtsaufnahmen nach den in den Zeichnungen dargestellten Zellbestandteilen. TEM-Aufnahme Pflanzenzelle: Zellwand, Cytoplasma, Zellkern mit großem Nucleolus, Chloroplasten, Vakuolen, evtl. Mikrobodies TEM-Aufnahme Tierzelle: Zellkern mit Nucleolus, Kernmembran, Kernporen, Cytoplasma, Endoplasmatisches Retikulum, Mitochondrien 1

2 Bau und Funktion von Zellorganellen (Seite 35) 1 Übertragen Sie die schematischen Abbildungen von ER, Dictyosom, Mitochondrium und Chloroplasten in Ihr Heft. Beschriften Sie Ihre Zeichnung. siehe Abbildung 2 Stellen Sie tabellarisch zusammen, welche Zellorganellen von zwei, einer oder keiner Membran umgeben sind. Welche Organellen enthalten DNA, welche sind teilungsfähig? siehe Tabelle Organellen ohne Membran Organellen mit einer Membran Organellen mit zwei Membranen Ribosomen Dictyosomen Zellkern Mikrotubuli Endoplasmatisches Retikulum Mitochondrien Centriol Lysosomen Chloroplasten Cilie Microbodies Alle Organellen, die von zwei Membranen umgeben sind, enthalten DNA und sind teilungsfähig. 3 Erläutern Sie an ausgewählten Beispielen, welcher Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion bei Zellorganellen besteht. Die Thylakoide der Chloroplasten und die Faltungen der Mitochondrienmembran sind ein Beispiel für die Oberflächenvergrößerung, die zu einer erhöhten Produktivität führt. Vesikel und Zisternen des ER und der Dictyosomen schaffen Reaktionsräume. 2

3 Die Bakterienzelle Procyte (Seite 37) 1 Erstellen Sie mithilfe der Abb. 1 und 2 einen tabellarischen Vergleich von Procyte und Eucyte. siehe Tabelle Merkmal Eucyte Procyte Zellwand vorhanden vorhanden; enthält Murein, auch häufig mit aufgelagerter Schleimhülle Zellmembran vorhanden vorhanden Zellkern vorhanden frei im Plasma liegende, ringförmige DNA (Kernäquivalent und ggf. Plasmid) Chloroplasten, Mitochondrien vorhanden keine Zellorganellen mit doppelter Membran; entsprechende Strukturen sind Einfaltungen der Zellmembran Dictyosomen, ER vorhanden nicht vorhanden Ribosomen 80 S 70 S Zellgröße typ µm typ. 1 5 µm Organisationsform der Organismen Einzeller und Vielzeller nur Einzeller 2 Berechnen Sie überschlägig, wie viele Bakterien etwa in eine Eucyte passen. Ausgehend von den vereinfachten Annahmen, die Zellen seien würfelförmig, die Kantenlänge der Eucyte beträgt 10 µm und die der Procyte 1 µm, so ist das Volumenverhältnis der Zellen 1000 : 1. 2 Transportvorgänge in Zellen Material: Osmoregulation (Seite 43) 1 Ordnen Sie die Erythrocyten in Abb. 2 (a, b, c) den verschiedenen Salzkonzentrationen zu und begründen Sie Ihre Entscheidung unter Verwendung der Fachbegriffe hypotonisch, hypertonisch und isotonisch. Die Abbildung oben zeigt den Normalzustand (rund und in der Mitte leicht abgeflacht). Die Konzentration der gelösten Salze etc. ist innerhalb und außerhalb der Erythrocyten identisch (isotonisch). Die mittlere Abbildung ist die Stechapfelform. Die Erythrocyten sind geschrumpft. Es diffundieren mehr Wassermoleküle aus den Erythrocyten heraus als herein. Die Konzentration der gelösten Salze in den Blutzellen ist hypotonisch gegenüber der umgebenden Flüssigkeit. Die untere Abbildung zeigt geplatzte Erythrocyten. Die Zellen hatten gegenüber dem Außenmedium eine hypertonische Konzentration und Wassermoleküle diffundierten hinein. 2 Beschreiben Sie die Funktion der Blasenhaare und erläutern Sie, inwiefern es sich hierbei um Osmoregulation handelt. Die Blasenhaare bestehen aus gestielten kleinen kugeligen Behältern. In diese außerhalb der lebenden Zellen liegenden Behälter wird das überschüssige Salz abgesondert. Hierdurch ist es in den lebenden Zellen nicht mehr osmotisch wirksam. 3 Beschreiben Sie die Funktion der pulsierenden Vakuole (Abb. 4). Die pulsierende Vakuole sammelt aus dem umgebenden Cytoplasma der Zelle Flüssigkeit und gibt diese in die Umgebung ab. 4 Übertragen Sie die Messwerte (s.o.) in ein Koordinatensystem. siehe Abbildung 3

4 5 Erläutern Sie das Ergebnis und begründen Sie, warum die pulsierende Vakuole eine osmoregulatorische Funktion hat. Da die Tätigkeit der pulsierenden Vakuole mit zunehmender Salzkonzentration im umgebenden Medium abnimmt, deutet dies auf einen Zusammenhang mit den osmotischen Werten hin. Mit zunehmender Salzkonzentration werden immer weniger Wassermoleküle in das Paramecium diffundieren, die Wahrscheinlichkeit der Diffusion aus der Zelle steigt hingegen an. 3 Speicherung und Realisierung der Erbinformation Funktion des Zellkerns (Seite 46) 1 Deuten Sie die dargestellten Pfropfungsexperimente bei der Alge Acetabularia im Hinblick auf die Steuerung von Entwicklungsprozessen. Die Ausbildung des Hutes entspricht bei Acetabularia nicht dem Typ des aufgepfropften Stiels sondern dem des Rhizoids, das den Zellkern enthält. Damit lässt sich die Hypothese begründen, dass der Zellkern für die Speicherung und Realisierung der Erbinformation von Bedeutung ist. Transplantation von Zellkernen (Seite 47) 1 Vergleichen Sie das Klonen aus einer Euterzelle (Methode Dolly) mit dem klassischen Klonen. Beim klassischen Klonen wird ein natürlich aus haploiden Keimzellen entstandener Embryo in einem frühen Mehrzellstadium in gleichwertige, genetisch identische Zellen zerlegt, die sich dann zu genetisch identischen jungen Individuen entwickeln. Bei der Methode Dolly wird eine adulte Zelle mit einem anderen adulten Zellkern bestückt, künstlich zu Embryonalteilungen angeregt und ausgetragen. Der Klon besteht hier aus der alten Zellkernspenderin und einem Jungtier mit identischem Zellkern. Die cytoplasmatischen Faktoren sind bei diesen Klontieren nicht identisch. Außerdem ist das geklonte Tier genetisch nicht jung. 2 Klonen bedeutet die Anfertigung genetischer Doppelgänger, Klonieren die Vervielfältigung eines Gens. Reproduktionsbiologie und Gentechnik werden oft nicht auseinandergehalten. Begründen Sie, weshalb das Klonen des Schafes Dolly nicht als ein gentechnisches Experiment bezeichnet werden kann. Es findet kein Eingriff in das genetische Material selbst statt. Transkription die genetische Information wird beweglich (Seite 50) 1 In welche m-rna wird folgender DNA-Abschnitt transkribiert? 5 AACTCCGATCTATGGCTTGGAAGA3 3 TTGAGGCTAGATACCGAACCTTCT5 Start Startstelle und Transkriptionsrichtung sind markiert. Die m-rna-synthetase baut die m-rna von 5 nach 3 auf. Sie lagert also die RNA-Nucleotide an den unteren Strang an, er ist der codogene. Die Basenfolge der entstehenden m-rna ist komplementär zum unteren codogenen Strang, also gleich der des oberen DNA- Einzelstrangs. Allerdings ist zu beachten, dass RNA kein Thymin, dafür Uracil enthält. Die gesuchte m-rna ist also 5 CUCCGAUCUAUGGCUUGGAAGA3 2 Vergleichen Sie die verschiedenen Formen von RNA-Molekülen (Bau und Funktion). m-rna: gestrecktes, lineares Molekül, das wie die DNA in einer Richtung abgelesen werden kann; t-rna: durch Basenpaarungen gefaltetes Molekül mit Erkennungsregionen für die Aminosäure und die Ribosomenbindungsstelle und das DNA-Codon; r-rna: Baustein der Ribosomen, verbunden mit bei der Proteinbiosynthese enzymatisch wirksamen Enzymen. Der genetische Code Wörterbuch des Lebens (Seite 51) 1 In welches Peptid wird folgende m-rna übersetzt? 5 UUAGAUGAGCGACGAACCCCUAAAAUUUACCUAGUAGUAGCCAU3 Die Übersetzung der m-rna beginnt am Startcodon AUG. Danach wird ein Triplett nach dem anderen entsprechend des genetischen Codes übersetzt. Es ergibt sich: (Start-)Met-Ser-Asp-Glu-Pro-Leu-Lys-Phe-Thr-Stopp-Stopp-Stopp (Dass hier mehrere Stoppcodons hintereinander folgen, entspricht durchaus den Verhältnissen in realen m-rnas.) 2 In welches Peptid wird folgender Abschnitt eines codogenen Strangs der DNA übersetzt? 3 CTGGCTACTGACCCGCTTCTTCTATC5 (Die Übersetzung beginnt natürlich immer am Startcodon.) Die vorliegende DNA-Sequenz muss zuerst in eine m-rna umgeschrieben werden. Sie hat die Basenfolge: 3 -GACCGAUGACUGGGCGAAGAAGAUAG-5 Der Start für das entstehende Peptid ist wieder das Codon AUG. Von da an wird die m-rna triplettweise übersetzt. Damit ergibt sich für das entstehende Peptid: (Start-)Met-Thr-Gly-Arg-Arg-Arg-Stopp 4

5 Bedeutung der Proteine (Seite 55) 1 Legen Sie eine Tabelle an, in der Sie Proteine benennen und ihre Funktion jeweils kurz beschreiben. siehe Tabelle Funktion Beispiel Muskelkontraktion Verdauung Kontrolle des Blutzuckerspiegels Elastizität von Knochen, Haut und Sehnen Stabilität und Form von Zellen Blutgerinnung Abwehr von Krankheitserregern Transport von Sauerstoff löst Signalkaskade aus Aktin und Myosin Pepsin, Trypsin, Amylase Insulin und Glukagon Kollagen Kreatin Fibrinogen Antikörper Hämoglobin Rhodopsin 2 Erklären Sie den Unterschied zwischen globulären und faserartigen Proteinen an einem Beispiel. Aus faserartigen Proteinen sind unsere Organe sowie Muskeln, Nägel und Haare aufgebaut. Sie sind außerordentlich belastbar. Wirkstoffe unseres Körpers, wie Enzyme, Hormone und Antikörper werden aus globulären Proteinen aufgebaut. Sie besitzen ein aktives Zentrum, mit dem sie Prozesse steuern, einleiten und beeinflussen können. 4 Enzyme Katalysatoren des Lebens Praktikum: Enzyme (Seite 58) Eigenschaften von Enzymen 1. Versuch: Braunstein entfaltet die gleiche Wirkung wie das Katalasepräparat aus Kartoffel oder Leber. Dass die Gasentwicklung auf die Gegenwart dieser Substanzen zurückzuführen ist, zeigt das Kontrollexperiment mit Sand. Damit der Sauerstoffnachweis mithilfe der Glimmspanprobe gelingt, sollte nicht gleich nach Beginn der Gasentwicklung die Probe durchgeführt werden, sondern erst ca. 30 Sekunden später. Dann hat sich in der Regel über der Flüssigkeit genügend reiner Sauerstoff angesammelt. 2. Versuch: Dieser Versuch zeigt die ph-abhängigkeit der Enzymaktivität. Katalase wird sowohl bei sehr kleinen als auch bei sehr hohen ph-werten denaturiert, sodass ihre Wirkung verloren geht, d.h. keine Gasentwicklung zu beobachten ist. 3. Versuch: Dieser Versuch zeigt die Denaturierung von Enzymen durch Schwermetalle, die in der Regel irreversibel ist. Sie beruht darauf, dass Schwermetalle sehr schwer lösliche Sulfide bilden, die in Gegenwart von Eiweiß dadurch entstehen, dass den Eiweißen der in ihnen enthaltene Schwefel entzogen wird, sodass ihre Tertiärstruktur zerstört wird. Wichtig für das Gelingen dieses Versuchs ist eine hinreichende Einwirkzeit der Schwermetalllösung auf das Katalasepräparat. 4. Versuch: Die gekochte Kartoffel zeigt infolge der Hitzedenaturierung der Enzyme keine Katalaseaktivität. Versuche mit Urease Versuch 2 zeigt die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration. Versuche mit Amylase Für die Untersuchungen kann auch das preisgünstige Pankreatin verwendet werden, das Amylase enthält. Zur Auswertung des Experiments: Der Kehrwert der Zeit ( 1 / t) bis zur Entfärbung ist ein Maß für die Reaktionsgeschwindigkeit bzw. für den Substratumsatz. Denn bis zur Entfärbung der Stärkelösung wird immer die gleiche Menge Substrat umgesetzt, vorausgesetzt, die Reagenzgläser sind sorgfältig mit den richtigen Mengen befüllt worden. Je kürzer die Zeit bis zur Entfärbung, desto größer der Substratumsatz pro Zeiteinheit, d.h. die Reaktionsgeschwindigkeit. Um den Zeitpunkt der Entfärbung besser zu erkennen, legt man weißes Papier unter oder hinter den Reagenzglasständer. Der Versuch belegt die RGT-Regel. 5

6 Der Einfluss der Temperatur auf die Enzymaktivität (Seite 59) 1 Bei den wechselwarmen Eidechsen kann man beobachten, dass sie sich nach einer kühlen Nacht zunächst längere Zeit an sonnigen Stellen aufhalten, bevor ihre eigentliche Aktivitätsphase beginnt. Erklären Sie diese Beobachtung. Bei wechselwarmen Organismen entspricht die Stoffwechselaktivität der RGT-Regel, da ihre Körpertemperatur weitgehend durch die Außentemperatur bestimmt wird. Bei niedrigen Temperaturen führt das zu einer mangelnden Bewegungsfähigkeit. Es ist deshalb ein Überlebensvorteil, wenn eine Eidechse nach einer kühlen Nacht an relativ sicherer Stelle ihren Körper zunächst der Sonnenwärme aussetzt, bevor sie sich, aufgeheizt und somit zu schnellen Bewegungen fähig, auf die Jagd begibt. 2 Nähert sich die Körpertemperatur bei hohem Fieber dem Wert von 42 C, ist dieses für den Menschen lebensbedrohend. Erklären Sie. Bei Temperaturen über 42 C denaturiert bereits ein Teil der lebenswichtigen Enzyme, die dadurch mehr oder weniger stark ihre Funktion einbüßen. Das hat bei Anhalten dieses Zustandes den Zusammenbruch lebenswichtiger Stoffwechselfunktionen zur Folge. 6

7 Assimilation Dissimilation 1 Autotrophe Assimilation: Voraussetzungen Chloroplasten Orte der Fotosynthese (Seite 65) 1 Erläutern Sie die Einheit von Struktur und Funktion für das Zellorganell Chloroplast. Funktion der Chloroplasten ist die Fotosynthese unter der Voraussetzung der Aufnahme von Lichtenergie. Um dies zu gewährleisten, sind fotosynthetisch aktive Pigmente notwendig. Diese befinden sich auf der inneren Membran. Aufgrund der Einstülpung der inneren Membran entsteht eine vergrößerte Oberfläche (Grana-Stapel). Somit ist der Platz für viele Pigmente vorhanden. 2 Vergleichen Sie den Bau von Mitochondrien und Chloroplasten tabellarisch (s. Seite 35). siehe Tabelle. Beide Zellorganellen sind von einer Doppelmembran umgeben, die inneren Zusammenhänge sowie die inneren Strukturen sind ähnlich aufgebaut. Typische Farbstoffe bedingen die Funktion der Chloroplasten, die nur bei grünen Pflanzenteilen vorkommen. Vergleichspunkte Mitochondrien Chloroplasten Gemeinsamkeit G; Ähnlichkeit Ä, Unterschied U Größe bis 5 Mikrometer ca. 5 Mikrometer Ä Begrenzung Doppelmembran Doppelmembran G innere Membran eingestülpt (Cristae) eingestülpt (Thylaloide) Ä innere Oberfläche vergrößert vergrößert G Grundsubstanz Matrix Matrix (Stroma) G Bestandteile DNA, 70S-Ribosomen DNA, 70S-Ribosomen G Neubildung durch Teilung vorhandener Organellen durch Teilung vorhandener Organellen G Farbstoffe keine Chlorophylle, Carotionoide U Funktion Zellatmung Fotosynthese U Zellen alle grüne Pflanzenzellen U Fotosynthese-Geschichte (Seite 65) 1 Erläutern Sie anhand des Reaktionsschemas der Fotosynthese die Ergebnisse der Experimente. Im Ergebnis der Fotosynthese entsteht Sauerstoff, der für das Brennen einer Kerze notwendig ist. Licht auf Pflanzen: Fotosynthese erfolgt nachweisbar über den entstandenen Sauerstoff, der die Kerze brennen lässt.dunkelheit: Fotosynthese erfolgt nicht, es entsteht kein Sauerstoff, also brennt die Kerze nicht. Kartoffel: Fotosynthese erfolgt nicht, es entsteht kein Sauerstoff, also brennt die Kerze nicht. Da Licht vorhanden ist, muss es dafür einen anderen Grund geben; hier das fehlende Grün in der kurzzeitig belichteten Kartoffel. Pflanzen brauchen rotes und blaues Licht (Seite 67) 1 Um die Fotosynthese anzuregen, kann man in Gewächshäusern und Blumenfenstern unterschiedliche Lichtfarben nutzen. Wählen Sie begründet eine günstige Lichtfarbe zur effektiven Ertragssteigerung aus. Entsprechend der Abbildung 66.1 ist die relative Fotosyntheserate im blauen ( nm) sowie im roten Licht ( nm) am größten. Sollte nur eine Lichtfarbe genutzt werden, ist die höchste Produktivität mit blauem Licht zu erreichen. Da weißes Licht allerdings die Wellenlängen einschließt, sind die fotosynthetisch aktiven Zellen an das Sonnenlicht bestmöglich angepasst. 2 Erklären Sie, warum Blätter grün aussehen. Die Blätter und ebenso auch die Chlorophyll-Lösung erscheinen grün, weil der Farbstoff Chlorophyll rotes und blaues Licht absorbiert und grünes Licht reflektiert bzw. durchlässt. 7

8 Äußere Einflüsse auf die Fotosynthese (Seite 68) 1 Interpretieren Sie die Abbildungen. Leiten Sie praktische Maßnahmen für den Anbau von Kulturpflanzen im Gewächshaus ab. Abb. 68.1: Die Fotosynthese ist von der Beleuchtungsstärke abhängig. Bis ca. 7 klx erfolgt ein Anstieg der Fotosynthese (nachweisbar mit der Abgabe von Sauerstoff), dann tritt eine Lichtsättigung ein. Bei weiterer Erhöhung der Beleuchtungsstärke wird keine erhöhte Fotosyntheseleistung erreicht. Maßnahme im Gewächshaus: Bei genauer Kenntnis der Lichtsättigung der angebauten Kulturpflanzen kann eine maximale Fotosyntheseleistung erreicht werden unter effektivem Energieeinsatz in Bezug auf Beleuchtung. Abb. 68.2: Die Fotosynthese ist von der Temperatur abhängig. Der Temperatureinfluss besitzt ein Optimum und wird von Minimum und Maximum begrenzt. Die Ausnutzung des für die Fotosynthese notwendigen Lichtes ist auch von der Temperatur abhängig, wobei der optimale Bereich im Schwachlicht wesentlich breiter ist (Optimum: bei Schwachlicht ca C, bei Starklicht ca C). Dabei ist die Fotosyntheseleistung bei Starklicht wesentlich höher als bei gleicher Temperatur unter Schwachlicht. Bei ca. 50 C findet keine Fotosynthese mehr statt, weil die Proteine der Enzyme denaturieren. Maßnahme im Gewächshaus: In Abhängigkeit von den angebauten Kulturpflanzen ist das Temperaturoptimum sowie die entsprechende Lichtstärke einzustellen, um effizient maximale Erträge zu erzielen. Abb. 68.3: Die Fotosynthese ist vom CO 2-Gehalt abhängig. Der CO 2-Gehalt der Luft ist mit 0,03 % relativ gering. Eine Zunahme bis zu 0,15 % führt zur erhöhten Fotosyntheseleistung. Dann tritt eine Sättigung ein. Maßnahme im Gewächshaus: Hier kann der CO 2-Gehalt künstlich erhöht werden, um den Ertrag zu steigern. Dies ist einerseits möglich durch CO 2-Begasung sowie andererseits durch Aktivierung der Atmungsprozesse von Organismen im Gewächshaus (z.b. bei den Bodenorganismen durch Ausbringen von Dung). 2 Pflanzen nutzen nur einen geringen Teil des aufgenommenen Wassers zur Fotosynthese. Der überwiegende Teil wird durch Transpiration abgegeben. Begründen Sie, warum eine ausreichende Bewässerung für eine optimale Fotosyntheseleistung dennoch notwendig ist. Ausreichende Bewässerung gewährleistet eine ungehinderte Transpiration über die Spaltöffnungen. Damit ist auch die Diffusion von Gasen wie der Eintritt von CO 2 in das Blatt als Voraussetzung für die Fotosynthese möglich. Gleichzeitig werden mit dem Wasser die gelösten Mineralstoffe in die Blätter transportiert. Material: Fotosynthese beeinflusst durch Struktur und Funktion (Seite 69) 1 Vergleichen Sie die Struktur eines Sonnenblattes mit der eines Schattenblattes. Gemeinsamkeiten: gleicher äußerer Aufbau, prinzipiell gleicher innerer Aufbau mit gleichen Geweben in der gleichen Anordnung; Ähnlichkeiten: Schwammgewebe ist beim Sonnenblatt lockerer angeordnet; Unterschiede: Sonnenblatt besitzt eine geringere äußere Oberfläche als das Schattenblatt, ist aber dicker, besitzt also mehrere Schichten von bestimmten Geweben (Palisaden-, Schwammgewebe) als das Schattenblatt. 2 Benennen Sie die unterschiedlichen Gewebe- und Zellschichten. Erörtern Sie die Bedeutung bzw. den Überlebenswert der unterschiedlichen Blatttypen. Palisaden- und Schwammgewebe sind beim Sonnenblatt mit mehreren Schichten ausgeprägt. Damit sind die Blätter an die unterschiedliche Lichteinstrahlung angepasst. Bei hoher Lichteinstrahlung werden auch tiefere Schichten mit ausreichend Licht für die Fotosynthese versorgt, während die geringe Sonneneinstrahlung bei Schattenblättern nur wenige Zellschichten durchdringt und damit die Blattdicke begrenzt. 8

9 3 Fertigen Sie einen tabellarischen Vergleich zu Aufbau und Funktion von Sonnen- und Schattenblatt an. siehe Tabelle Vergleichspunkte Sonnenblatt Schattenblatt Gemeinsamkeit G; Ähnlichkeit Ä, Unterschied U äußerer Aufbau Blattgrund, Blattstiel, Blattspreite Blattgrund, Blattstiel, Blattspreite G innerer Aufbau obere Epidermis mit Kutikula, Palisadengewebe, Schwammgewebe, untere Epidermis mit Spaltöffnungen obere Epidermis mit Kutikula, Palisadengewebe, Schwammgewebe, untere Epidermis mit Spaltöffnungen G Blattfläche außen innen klein groß groß klein U Blattdicke groß gering U Fotosynthese vorhanden vorhanden G maximale Fotosyntheseleistung bei hoher Lichteinstrahlung bei geringer Lichteinstrahlung U 4 Beschreiben und erklären Sie die in Abbildung 2 dargestellten Messergebnisse. Die Sauerstoffproduktion ist ein Maß für die Fotosyntheserate und ist für Sonnen- und Schattenblatt deutlich verschieden. Beim Schattenblatt beginnt die Fotosynthese bereits bei einer Beleuchtungsstärke von 1 klx, aber schon bei 2 klx tritt eine Lichtsättigung ein. Ein Sonnenblatt benötigt mindestens ca. 2 klx, um apparente Fotosynthese zu betreiben. Die Lichtsättigung tritt wesentlich später ein (ca. 17 klx). Insbesondere kann die Fotosyntheserate bei zunehmender Beleuchtungsstärke wesentlich stärker gesteigert werden als beim Schattenblatt, d.h. ein Sonnenblatt kann erhöhte Beleuchtungsstärke besser nutzen als ein Schattenblatt. 5 Beschreiben und interpretieren Sie die Befunde in Abbildung 3. Im Verlauf des Tages ändert sich der Wert der Transpiration. Unabhängig von der Wasserversorgung ist die Transpiration um die Mittagszeit am höchsten. Die konkreten Werte aber sind auch von der Wasserversorgung abhängig. Bei guter Wasserversorgung steigt die Transpiration bis Tagesmitte steil an. Damit erfolgt einerseits eine erhöhte Abgabe durch die geöffneten Spaltöffnungen, andererseits ist aber damit auch die Versorgung mit CO 2 (bzw. Mineralien) gewährleistet, was Voraussetzung der Fotosynthese ist. Somit ist eine hohe Fotosyntheserate nur bei ausreichender Wasserzufuhr möglich. 6 Stellen Sie eine Beziehung her zwischen Wasserversorgung und CO 2-Aufnahme. Wasser und CO 2 sind die Ausgangsstoffe für die Fotosynthese. Eine ausreichende Wasserversorgung führt zu einer entsprechenden Transpiration durch die geöffneten Spaltöffnungen. Da dabei auch das CO 2 in das Blatt diffundieren kann, sind die Voraussetzungen für eine permanente Fotosynthese gegeben. 7 Entwickeln Sie eine Hypothese zum zu erwartenden Ernteertrag von Pflanzen bei ausreichender und bei mangelhafter Wasserversorgung. Bei ausreichender Wasserversorgung (s. Aufgabe 6), ist also ein hoher Ernteertrag möglich. Mangelhafte Wasserversorgung: Die Spaltöffnungen sind geschlossen, es kann kein CO 2 in das Blatt diffundieren. Damit fehlen die Voraussetzungen für die Fotosynthese und der Ertrag ist geringer. 8 Begründen Sie den Hinweis, Obstbäume im Winter bzw. vor dem Austreiben der Blätter zu verschneiden. Im Winter ist die Stoffwechselaktivität bei sommergrünen Laubbäumen (einheimische Obstsorten) gering. Auch der Stofftransport ist stark eingeschränkt, eine Transpiration erfolgt nicht. Damit werden auch bei geöffneten Leitbündeln (beim Verschneiden) kaum Stoffe abgegeben. (Gegenteilig verhält es sich bei bereits ausgetriebenen Blättern, wobei hier nicht nur die angeschnittenen Leitbündel mehr Flüssigkeit abgeben, sondern auch die Transpiration der Blätter aufgrund des Wurzeldruckes im Vergleich zunimmt.) 9 Diskutieren Sie mögliche Folgen, wenn Bäume im Sommer geschnitten bzw. geköpft werden. Ein Verschneiden von Bäumen bei bereits ausgetriebenen Blättern trifft die Leitbündel mit intensivem Stofftransport. Doch nicht nur die angeschnittenen Leitbündel geben mehr Flüssigkeit ab, auch die Transpiration der Blätter nimmt aufgrund des Wurzeldruckes zu. Ist keine ausreichende Wasserversorgung der Pflanze gewährleistet, kann der Baum den Wasserverlust nicht ausgleichen. Eine Folge der Minderversorgung könnte neben geringem Wachstum auch das Abwerfen der Blüten bzw. Früchte sein bis hin zum Vertrocknen des Baumes. 10 Beim Verpflanzen größerer Freilandgewächse stellt man anfangs trotz Gießen (Beregnung) einen geringen Turgor fest. Begründen Sie diese Tatsache. Der Zellinnendruck ist abhängig vom Wassergehalt. Wasser wird von den Pflanzen über die Wurzelhaare aufgenommen. Da der Wurzelballen beim Verpflanzen oft relativ klein ist bzw. die Wurzelhaare der Pflanze bei der Entnahme aus dem Boden beschädigt werden, müssen diese erst nachwachsen, um eine ausreichende Wasserversorgung der oberen Pflanzenteile zu gewährleisten. 9

10 2 Biochemie der Fotosynthese Die lichtunabhängigen Reaktionen Calvin-Zyklus (Seite 75) 1 Erläutern Sie im Einzelnen, welche Bedeutung die Produkte der lichtabhängigen Reaktion für die lichtunabhängigen Prozesse besitzen. ATP: Energielieferant für die Reduktion NADPH+H + : Reduktionsmittel für die Aufnahme von Sauerstoff aus Phosphoglycerinsäure Sauerstoff: keine Bedeutung 2 Begründen Sie, dass in grünen, belichteten Blättern kaum Glucose, aber viel Stärke nachgewiesen werden kann. Glucose ist das Primärprodukt der Fotosynthese, aber osmotisch wirksam, da sich die Verbindung in Wasser löst. Die nicht lösliche und damit osmotisch unwirksame Stärke kann gespeichert werden. Vor dem Abtransport in andere Organe der Pflanze ist allerdings eine erneute Umwandlung in lösliche Verbindungen (meist Saccharose) notwendig. 3 Interpretieren Sie die Abbildungen 1 und 2 auf Seite 74. Setzen Sie diese mit Abbildung 1 auf dieser Seite in Zusammenhang. Abbildung 74.1: Dargestellt sind Stoffe der lichtunabhängigen Reaktionen bei verschiedener CO 2-Zufuhr. Bei Vorhandensein von viel CO 2 (1 %) ist ein hoher Anteil von PGS und ein niedriger von RubP erkennbar, das Verhältnis kehrt sich ohne CO 2 um. RubP ist der Akzeptor für CO 2, durch Aufnahme eines Moleküls CO 2 entstehen sofort zwei Moleküle PGS, dieser Wert ist demzufolge doppelt so hoch. Wird CO 2 entfernt, sinkt der PGS-Wert, da keine Neubildung erfolgt, RubP steigt in seiner Konzentration zuerst stärker an aufgrund der noch erfolgenden Regeneration, bis sich ein stabiles Verhältnis eingestellt hat. Abbildung 74.2: Dargestellt sind Stoffe der lichtunabhängigen Reaktionen bei Licht und Dunkelheit. Bei Licht entsprechen die Verhältnisse Abb (Menge relativ), der Glucoseanteil nimmt stetig zu. Im Dunkeln stagniert die Umwandlung aufgrund der fehlenden Energie (ATP-Bildung) aus den lichtabhängigen Reaktionen. CO 2 wird anfangs noch gebunden an RubP, solange noch Energie verbrauchende Regenerationsreaktionen ablaufen können, anschließend fällt der Anteil. Zu Beginn der Dunkelheit erfolgt auch noch die Bildung von PGS. Aufgrund des fehlenden Reduktionsmittels aus den lichtabhängigen Reaktionen wird PGS aber nicht mehr reduziert und die Menge steigt demzufolge an. Fehlt die CO 2-Fixierung durch RubP, stagniert letztendlich auch die Bildung von PGS und Glucose. Fazit: Lichtabhängige und lichtunabhängige Reaktionen sind voneinander abhängig. 4 Die Rückgewinnung der 6 RubP-Moleküle erfolgt im Wesentlichen mithilfe von zwei Enzymen: Die Aldolase verbindet zwei kleine Zuckermoleküle zu einem größeren. Die Transketolase überträgt ein C 2-Stück eines Zuckermoleküls auf ein anderes. Die dabei entstehenden Zwischenprodukte sind aber nicht kürzer als C 3 und nicht länger als C 7. Ermitteln Sie die möglichen Schritte zur Rückgewinnung der 6 RubP-Moleküle. Verwenden Sie dabei vereinfachend nur C-Körper. Vernachlässigen Sie die Phosphatgruppen. Erstellen Sie ein Schema für mögliche Regenerationsreaktionen. Der erste Schritt ist eine Verkopplung von zwei C 3 zu einem C 6 (Aldolasereaktion: A). Von dem C 6 wird ein C 2 abgespalten und auf ein weiteres C 3 übertragen (Transketolasereaktion: T). Es entsteht das erste C 5 und ein C 4 Dieses bildet mit einem C 3 ein C 7 (A). Eine weitere Übertragung eines C 2-Stückes auf ein C 3 (T) lässt zwei weitere C 5 entstehen. Aus 5 C 3 sind 3 C 5 geworden; z.b. C 3+C 3 C 6, C 6 C 2+C 4, C 4+C 3 C 7, C 2+C 3 C 5 Glucose wird weiter verarbeitet (Seite 76) 1 Erstellen Sie eine Übersicht zur Bedeutung der Fotosynthese für verschiedene Wirtschaftszweige. Individuelle Lösung, z.b. Landwirtschaft: stärkehaltige Produkte für die Nahrungsmittelproduktion und als Tierfutter Genussmittelproduktion: Zucker als Rohstoff für alkoholische Getränke Energieerzeugung/ Kraftstoffproduktion: Fett (z.b. aus Raps) zur Herstellung von Biodiesel 2 Informieren Sie sich über spezielle sekundäre Pflanzenstoffe und fertigen Sie eine Präsentation an. Individuelle Lösung, z.b. Digitoxin; Gift des Roten Fingerhutes, wirksames Herzglycosid mit der Notwendigkeit bzw. dem Problem einer exakten Dosierung 3 Biodiesel aus Raps besitzt Vor- und Nachteile. Tragen Sie diese zusammen und bewerten Sie diese. Vorteile: Nachhaltigkeit: nachwachsender Rohstoff CO 2-Bilanz: CO 2-Ausstoß bei der Verbrennung entspricht der CO 2-Aufnahme durch die Fotosynthese Umweltfreundlichkeit: nahezu schwefelfreie Verbrennung, geringe Ruß-Emission, frei von Benzol und anderen aromatischen Verbindungen Technologie: Biodiesel besitzt hohe Schmierfähigkeit und schont den Motor Nachteile: Verarbeitung: chemische Verarbeitung von Rapsöl zu Biodiesel notwendig (Umesterung von Rapsöl mit Methanol zu Rapsölmethylester bei C unter Einsatz eines Katalysators, frei werdendes Glycerin kann anderweitig genutzt werden) Maßnahmen zur Ertragssteigerung: unter Energie- und ggf. Düngemitteleinsatz (belastet CO 2-Bilanz) Schaffung einer neuen Infrastruktur: spezifische Tanksäulen notwendig Technologie: Umrüstung des Motors In der Regel weisen Biokraftstoffe positive Energiebilanzen auf, d.h. im Kraftstoff steht für die motorische Nutzung mehr Energie zur Verfügung, als vorher für die Erzeugung aufgewandt wurde. Zu beachten ist, dass der Anbau nachwachsender Rohstoffe für die Kraftstoffproduktion auch in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion geraten kann, was vor allem in Entwicklungsländern problematisch ist. 10

11 3 Abbau der Nährstoffe Dissimilation Praktikum: Auch Pflanzen atmen (Seite 81) 1 Beschreiben Sie die zu erwartenden Veränderungen während des Versuchs. Das Kalkwasser in der nachgeschalteten Waschflasche wird durch die Bildung von Calciumcarbonat getrübt. Dadurch wird bewiesen, dass die Keimlinge Kohlenstoffdioxid abgeben. 2 Erklären Sie die Funktion der verschiedenen Waschflaschen? Die Kalilauge in der ersten Waschflasche bindet in der Luft enthaltenes Kohlenstoffdioxid. Das zeigt die nächste Waschflasche an: Das Kalkwasser darin wird durch die hindurch strömende Luft nicht getrübt. Die Keimlinge in der dritten Waschflasche werden auf ihre Atmungsaktivität geprüft. Zeichen dafür ist die Trübung des Kalkwassers in der nachgeschalteten Waschflasche. 3 Formulieren Sie die chemischen Reaktionsgleichungen für die Waschflaschen 1, 3 und 4. In der Waschflasche 1 wird in der Luft enthaltenes Kohlenstoffdioxid durch Kalilauge gebunden: 2 KOH + CO 2 K 2CO 3 + H 2O In der Waschflasche 3 bilden die Keimlinge aus Glucose und Sauerstoff der Luft Kohlenstoffdioxid und Wasser: C 6H 12O O 2 6 CO H 2O In der Waschflasche 4 bildet dieses Kohlenstoffdioxid mit dem Kalkwasser einen Niederschlag von Calciumcarbonat: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2O 4 Formulieren Sie das erwartete Versuchsergebnis und begründen Sie. Pflanzenkeimlinge veratmen Glucose, die sie aus ihrem Reservestoff Stärke bilden. Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid. Für die Keimung ist Energie notwendig, also müssen die Keimlinge dissimilieren. 5 Begründen Sie die jeweilige Versuchsdurchführung. a) Untersuchung von trockenen ungekeimten und vorgekeimten Erbsen b) Verwendung von Thermosbehälter und Styroporstopfen. a) Trockene Erbsen können nicht keimen, da für die Enzymwirkungen ein wässriges Medium notwendig ist. Bei vorgekeimten Erbsen zeigt sich die volle Stoffwechselaktivität zur weiteren Energiebereitstellung für die Keimung. b) Thermosbehälter und Styroporstopfen sollen isolierend wirken und die Wärmeabgabe an die Umgebung stark einschränken. 6 Stellen Sie Hypothesen auf zu den erwarteten Ergebnissen. a) Temperaturanstieg in den beiden Gefäßen. b) CO 2-Nachweis in den unmittelbar vorher geöffneten Gefäßen. (Hinweis: Für diesen Nachweis wird ein am Glasstab hängender Tropfen Beriumhydroxidlösung unmittelbar über die Erbsen gehalten und die Reaktion beobachtet.) a) Ein Temperaturanstieg ist nur bei den keimenden Erbsen zu beobachten, da nur hier Atmung erfolgt. Ein Teil der Energie wird nicht im ATP gebunden, sondern als Wärme frei. b) CO 2 ist ein Endprodukt der Atmung, also nur bei den keimenden Erbsen erhöht und nachweisbar. Dieses Gas ist schwerer als Luft und entweicht etwas langsamer aus dem geöffneten Gefäß. 7 Getrocknete Getreidekörner können Jahrzehnte lang aufbewahrt werden. Lagert man allerdings frische Körner feucht ein, dann kann es zur Selbstentzündung kommen. Erklären Sie! Trockene Getreidekörner können nicht keimen, da für die Enzymwirkungen ein wässriges Medium notwendig ist. Die Atmung ist stark verzögert, sodass auch nach Jahren noch viel Stärke enthalten und ggf. auch der Lebensprozess der Keimung noch möglich ist (abhängig von Lagerbedingungen). Feuchte Körner dissimilieren und setzen dabei auch Wärme frei. Ist keine Wärmeabgabe an die Umgebung möglich, kann durch einen Wärmestau die Entzündungstemperatur erreicht werden und ein Brand entsteht. 8 Deuten Sie die Laborergebnisse und formulieren Sie möglichst verschiedene Hypothesen zum Ablauf der Zellatmung. Beispiele: Das Cytoplasma allein ist der Ort der Zellatmung, enthält also die dafür notwendigen Enzyme. Die Zellatmung findet in mehreren Schritten statt, teils um Cytoplasma, teils in den Mitochodrien. Die Hypothesen müssten überprüft werden durch einen Versuch, bei dem nur Cytoplasma verwendet wird. Vorgänge in den Mitochondrien (Seite 83) 1 Erstellen Sie die Wortgleichungen der einzelnen Teilprozesse von Glykolyse und Citratzyklus. Glycolyse: Glucose + Wasser + ATP + ADP + P + NAD + BTS + Wasser + ATP + NADH + H + (verkürzt): Glucose + ADP + P + NAD + BTS + H 2O + ATP + NADH + H + oxidative Decarboxylierung: BTS + NAD + + CoenzymA Acetyl-CoenzymA + NADH + H + + Kohlenstoffdioxid Citratzyklus: Acetyl-CoenzymA + NAD + + ADP + P + FAD Kohlenstoffdioxid + CoenzymA + ATP + NADH + H + + FADH 2 11

12 2 Isolierte Mitochondrien können keinen Sauerstoff nutzen. Begründen Sie. Der erste Schritt der Zellatmung erfolgt im Cytoplasma. Nur dort befinden sich die notwendigen Enzyme. Erst das Zwischenprodukt BTS geht in die Mitochondrien und kann weiter abgebaut werden (bis einschließlich Endoxidation). Die Atmungskette (Seite 84) 1 Erläutern Sie Vorteile und Bedeutung einer schrittweisen Energiefreisetzung. Nur die schrittweise freigesetzte Energie kann auch schrittweise gebunden werden (ATP) und ist so für die Zelle verfügbar. Durch diese relativ langsamen, enzymgesteuerten Prozesse wird die Zelle nicht zerstört. Im Konzentrationsgefälle steckt Energie (Seite 85) 1 Modellhaft funktioniert die ATP-Synthase wie ein molekulares Wasserrad. Erläutern Sie dieses Modell. Beiderseits der Membran besteht ein Protonengradient. Zum Konzentrationsausgleich können die Protonen aber nur durch die ATP-Synthase. Diese wird wie ein Wasserrad von dem Protonenfluss angetrieben. Die beim Durchfluss frei werdende Energie wird genutzt zum Aufbau der energiereichen Verbindung ATP. 2 Vergleichen Sie die ATP-Bildung von Mitochondrien mit der in Chloroplasten (s. Seite 73). Die ATP-Bildung verläuft in beiden Organellen infolge der Chemiosmose. Dabei ist jeweils ein Protonengradient die Voraussetzung. Der Konzentrationsausgleich ist nur über einen bestimmten Enzymkomplex möglich (ATP-Synthase). Die frei werdende Energie wird im ATP gebunden. Das Prinzip ist also gleich, lediglich der Raum unterscheidet sich (Mitochondrien: Intermembranraum Matrix; Chloroplasten: Thylakoidinnenraum Matrix/ Stroma). Chemiosmose im Modell (Seite 85) 1 Erläutern Sie das Prinzip der Chemiosmose. Stellen Sie den Bezug zum Modell des Wasserkraftwerks her. Die Staumauer (Membran) trennt die unterschiedlichen Wasserstände (Protonenkonzentrationen). Der hohe Wasserstand (hohe Konzentration an Protonen) besitzt viel Energie. Der Abfluss des Wassers (Protonen) ist nur über die Turbine (ATP-Synthase) möglich. Dabei erfolgt die Energieumwandlung (Bildung von ATP). Um permanent diesen Prozess nutzen zu können, muss das Wasser (Protonen) unter Energieverbrauch wieder auf das hohe Niveau auf der anderen Seite der Staumauer (Membran) gebracht werden. Dies übernimmt eine Pumpe (Elektronentransportkette). Also wird nur bei der gleichzeitigen Tätigkeit der Pumpe (Elektronentransportkette) der Konzentrationsunterschied (Protonengradient) aufrecht erhalten. Bilanz der Zellatmung (Seite 86) 1 Erläutern Sie die Bedeutung von Sauerstoff für die Energiefreisetzung. Der größte Teil der Energie der Glucose ist nach dem Citratzyklus in NADH+H + und FADH 2 gespeichert und muss in ATP überführt werden. Dies erfolgt in der Endoxidation. Dabei reagieren die abgegebenen Protonen enzymgesteuert schrittweise mit dem Sauerstoff aus der Luft und die Energie wird im ATP gespeichert. Erst so kann die Oxidation den Hauptteil der Energieumwandlung erbringen. 2 Fehlender Sauerstoff führt zu einer verminderten Leistungsfähigkeit. Begründen Sie diese Tatsache. Sauerstoff ist notwendig für die Endoxidation und damit für die Nutzbarmachung des größten Teils der Energie aus der Glucose. Zwar können alle Reaktionen bis zum Citratzyklus ohne Sauerstoff verlaufen, die Energiebilanz ist aber gering, sodass die zur Leistung notwendige Energie nicht bereit gestellt werden kann. 3 Die Abgabe von Wärme ist bei technischen Prozessen häufig nicht erwünscht. Erklären Sie die Bedeutung dieser Energieform für biologische Systeme. Die Wärmeabgabe bei verschiedenen technischen Prozessen vermindert den Anteil der gewünschten Energieformen. Biologische Systeme benötigen für enzymatische Prozesse eine bestimmte Reaktionstemperatur, die bei Homoiothermen eng begrenzt ist. Um diesen Zustand zu erhalten, ist Energie in Form von Wärme notwendig. Dies widerspiegelt auch die RGT-Regel. 4 Vergleichen Sie den Wirkungsgrad der Zellatmung mit dem verschiedener technischer Energieumwandlungen. Wirkungsgrad: Quotient aus der abgeführten Energie (Arbeit) und der zugeführten Energie (Arbeit), Wert ist immer ohne Maßeinheit und kleiner 1 (Häufig wird der Wirkungsgrad auch in Prozent angegeben) Zellatmung: ca. 40% technische Geräte, z.b. Tauchsieder (nur bei gut isoliertem Gefäß): fast 100%, Benzinmotor: 35%, Elektromotor: 96%, Auto (gesamt): 16%, Glühlampe: 5%, Leuchtstoffröhre: 15% Der Wirkungsgrad wird stark beeinflusst von der Art der ab- bzw. zugeführten Energie. 12

13 Die Nettoprimärproduktion der Pflanzen bestimmt den Ertrag (Seite 87) 1 Zuckerrüben sollten nach der Ernte möglichst schnell verarbeitet werden, um den maximalen Zuckeranteil zu gewinnen. Erklären Sie diesen Hinweis. Sobald die assimilierenden Teile (Blätter) entfernt sind, müssen die Zellen die gespeicherten organischen Stoffe nutzen für den Grundumsatz. Da aber keine Stoffe durch Fotosynthese nachgebildet werden können, vermindert sich permanent der Zuckeranteil. 2 Obst wird zur besseren Haltbarkeit in Lagerhallen zum Teil unter Stickstoffgas aufbewahrt. Erörtern Sie dieses Vorgehen. Bei der Lagerung sollen die mit der Ernte vorhandenen Stoffe erhalten bleiben. Da die Zellen weiterhin leben, verbrauchen sie die gespeicherten organischen Stoffe zur Energiebereitstellung. Der für die biologische Oxidation notwendige Sauerstoff wird durch Diffusion aus der Luft aufgenommen. Voraussetzung ist dabei ein bestimmter Konzentrationsunterschied, der durch die Zugabe von Stickstoff anteilig vermindert wird (Sauerstoffpartialdruck sinkt). 3 Beschreiben Sie unter Verwendung von Abbildung 1, welche Auswirkungen eine eingeschränkte Fotosynthese auf den pflanzlichen Stoffwechsel hat. Die Fotosynthese führt bei der Pflanze zur Bereitstellung von Monosacchariden in großen Mengen. Die Glucose stellt dabei einerseits den monomeren Baustein zahlreicher pflanzentypischer Polysaccharide dar, andererseits ist sie chemisch abgewandelt in Form anderer Monosaccharide zu finden. Das mit der Glucose in den Stoffwechsel eingebrachte Kohlenstoffgerüst wird für viele andere anabole Stoffwechselwege benötigt (Lipidstoffwechsel, Aminosäurestoffwechsel, pflanzliche Sekundärmetaboliten). Glucose ist auch Atmungssubstrat und dient der Bereitstellung von Energie. Durch seine Zufuhr wird der Citratzyklus als Drehscheibe des Stoffwechsels in Gang gehalten. Eine eingeschränkte Fotosynthese führt zur Erlahmung nahezu aller Stoffwechselsyntheseprozesse. 4 Erläutern Sie, was Sie unter Brutto- und Nettoprimärproduktion verstehen. Die Bruttoprimärproduktion umfasst die gesamte durch Foto- und Chemosynthese gebildete Biomasse. Subtrahiert man von der Bruttoprimärproduktion jenen Anteil, den die Produzenten selbst für die Atmung verbrauchen, so ergibt sich die Nettoprimärproduktion. Anmerkung: Die Nettoprimärproduktion lässt sich für ein Ökosystem einigermaßen gut bestimmen und für die Erde als Ganzes in ungefähr folgender Dimension angeben: 10,5 x kj pro Jahr für Landpflanzen bzw x 10 9 t Trockensubstanz für den Land- und x 10 9 für den Ozeanbereich. Wälder gemäßigter Klimazonen veratmen etwa 50 %, tropische Regenwälder ca. 75 % des Bruttoprimärproduktes. 5 Für Mensch und Tier spielen die Energiegewinnung aus Nahrungsketten und auch der Aufbau körpereigener Proteine eine Rolle. Erläutern Sie mögliche Stoffwechselwege (Abb. 1). z.b. Lipide Abbau in die Bausteine Glycerin und Fettsäuren Fettsäuren werden enzymatisch in C 2-Verbindungen zerlegt und gehen als Acetylrest in den Citratzyklus. Glycerin wird unter Erhalt des Kohlenstoffgerüstes enzymatisch in Glycerinaldehydphosphat umgewandelt und kann so über BTS auch in den Citratzyklus eingeschleust werden. Der größte Energiebetrag wird auch hier erst bei der Endoxidation freigesetzt. 6 Stellen Sie ein einer Übersicht die Bedingungen in Bezug auf die Assimilation dar, die zu einer maximalen Nettoproduktion der Pflanzen führen. Beispiele: CO 2: optimal zur Fotosynthese Wasserversorgung: ausreichende Transpiration und Ausgangsstoff der Fotosynthese Beseitigung von Konkurrenten. ausreichende Lichtzufuhr bzw. Sicherung der Nährstoffe Bodenlockerung: begünstigt die Atmung und damit das Wachstum der Wurzeln/ Wurzelhaare aufgrund des zur Verfügung stehenden Sauerstoffs 4 Energiehaushalt von Mensch und Tier Die Bedeutung der Nährstoffe (Seite 88) 1 Beurteilen Sie selbstkritisch die Zusammensetzung und den Energiegehalt Ihrer Nahrung. individuelle Aufgabe zur eigenen Einschätzung Vitamine und Mineralstoffe (Seite 89) 1 Natriumchlorid ist ein notwendiges Mineralsalz, der Verbrauch sollte aber nicht über 8 g pro Tag liegen. Kontrollieren Sie einen Tag lang Ihren Kochsalzverbrauch. Individuelle Aufgabe zur eigenen Einschätzung: Salz ist in vielen Lebensmitteln enthalten und wirkt geschmacksverstärkend. Da es leicht handhabbar ist, wird es oftmals zusätzlich individuell aufgebracht. Eine verstärkte Kochsalzzufuhr belastet die Funktion der Herz-Kreislauf-Organe. 13

14 2 Vitamin C ist sauerstoff- und hitzeempfindlich sowie wasserlöslich. Beschreiben Sie Möglichkeiten einer Vitamine schonenden Zubereitung von Gemüse. Beispiele: möglichst geringe Zeit zwischen Ernte und Verarbeitung bevorzugt Rohkost herstellen kurze Garzeiten kein wiederholtes Aufwärmen kurz und kräftig abwaschen, nicht im Wasser liegen lassen 3 Erläutern Sie Vitamine schonende Konservierungsmethoden. Viele Vitamine sind licht- und hitzeempfindlich. Anzustreben ist nach der Ernte eine schnellstmögliche Verarbeitung und das Einfrieren, Schockfrosten, Vakuumverpacken oder Bestrahlen als Konservierung. Nährstoffe werden nutzbar gemacht (Seite 90) 1 Erläutern Sie, wovon die Verweildauer des Speisebreis in den Abschnitten des Verdauungstrakts abhängt. Die Verweildauer hängt von der Zusammensetzung der Nahrung ab. Leicht verdauliche eiweißhaltige Milchprodukte bleiben ein bis zwei Stunden im Magen, fetthaltige fünf bis acht Stunden. 2 Interpretieren Sie Abbildung 1. Dargestellt wird die Abhängigkeit der Enzymwirkung vom ph-wert. Während das Optimum für die Amylase im neutralen Bereich liegt, wirkt Trypsin weit bis in den basischen hinein und besitzt einen breiten Toleranzbereich. Pepsin wirkt nur eng begrenzt im stark sauren Milieu. 3 Stellen Sie Bezüge zwischen Abbildung 1 und 2 her. Säure im Magensaft ist die Voraussetzung für die Wirksamkeit des Pepsins. Beim Übergang des Speisebreies in den Zwölffingerdarm ist eine Neutralisation notwendig, um das Reaktionsmilieu des Trypsins zu erreichen. 4 Arzneimittel für im Dünndarm wirksame Enzyme werden oft als säurebeständige Kapseln angeboten. Begründen Sie. Oral aufgenommene Arzneimittel müssen den Magen mit einem niedrigen ph-wert passieren. Dabei kann der saure ph-wert auch die Wirksamkeit der Medikamente beeinflussen. Um den Zielort sicher zu erreichen, werden deshalb säurebeständige Kapseln genutzt, die sich im Allgemeinen im basischen Milieu, also im Dünndarm auflösen. Sauerstoff Power-Stoff (Seite 96) 1 Erläutern Sie anhand der Abbildung 2 die Triebkräfte für den Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxid-Austausch in der Lunge und im Gewebe. Sauerstoffpartialdruck in der Einatemluft ist relativ hoch, bedeutend höher als im Blut der Lungenvene. Dieses Konzentrationsgefälle bewirkt die Diffusion des Sauerstoffs aus den Lungenbläschen ins Blut. Durch schnelle Bindung und Abtransport bleibt das Konzentrationsgefälle dauerhaft hoch. Für das Kohlenstoffdioxid ergeben sich die umgekehrten Verhältnisse. Daraus folgt eine Diffusion aus dem Blut in die Lungenbläschen. Auch im Körpergewebe herrschen Konzentrationsunterschiede, die eine Diffusion des Sauerstoffs aus dem Blut in die Zellen und des Kohlenstoffdioxids in umgekehrter Richtung ermöglichen. 2 Die Zahl der Erythrocyten pro mm 3 Blut ist bei Bewohnern der Anden erheblich höher als bei Bewohnern der Meeresküste. Stellen Sie zu dieser Tatsache eine Hypothese auf. In den Anden sind aufgrund der großen Höhe Gesamtluftdruck und damit auch Sauerstoffpartialdruck erheblich niedriger als auf Meereshöhe. Das Blut muss daher den Sauerstoff in der Lunge schneller binden, um das Konzentrationsgefälle aufrecht zu erhalten. Das wird durch die größere Zahl der Erythrocyten möglich. 3 Erklären Sie die Auswirkung eines Höhentrainings für Ausdauersportler. Als Anpassung an das Training in großer Höhe steigt die Zahl der Erythrocyten pro mm 3 Blut bei den Sportlern deutlich an. Dadurch wird eine höhere Transportkapazität für Sauerstoff und eine bessere Sauerstoffversorgung der Muskeln ermöglicht. 4 Erythropoetin ist ein Wachstumsfaktor der Niere, der die Bildung von Erythrocyten anregt. Warum spielt diese Substanz beim Doping gerade bei Ausdauersportlern eine große Rolle? Auch hier wird für eine höhere Zahl an Erythrocyten pro mm 3 Blut gesorgt und dadurch die Sauerstoffversorgung der Muskeln verbessert. Anmerkung: Allerdings kann es bei solchem Blutdoping zu so hohen Erythrocyten-Werten kommen, dass die Fließfähigkeit des Blutes in den Kapillaren nicht mehr gewährleistet ist. Der Tod der Sportler kann die Folge sein. 14

15 Regulation der Sauerstoffkonzentration im Blut (Seite 97) 1 Wenden Sie das Regelkreisschema auf die Konstanthaltung der Temperatur im Klassenzimmer bzw. in einem Kühlschrank durch einen Thermostaten an. Die Regelstrecke ist das Klassenzimmer bzw. der Kühlschrank, die Regelgröße ist die Temperatur. Sie wird durch Störgrößen von außen Abkühlung durch Wärmeabgabe aus dem Zimmer bzw. Erwärmung von außen im Kühlschrank gesenkt bzw. erhöht. Das wird jeweils durch ein Thermometer gemessen, die Ist-Werte an einen Thermostaten gemeldet. Dieser vergleicht Istund Sollwert und berechnet daraus den Stellwert nach dem Prinzip der negative Rückkopplung, d.h. Intensität und Dauer des nötigen Heiz- bzw. Kühlvorgangs. Diese Werte werden an die Regelglieder Heizung bzw. Kühlaggregat gemeldet, die sich daraufhin einschalten und so lange wirken, bis der Ist- dem Sollwert wieder angeglichen ist. 2 Die Regelung der Sauerstoffkonzentration im Blut durch das Kohlenstoffdioxid als Messgröße birgt Gefahren. Übermäßiges Atmen vor dem Tauchen vermindert den CO 2-Gehalt sehr stark. Es kann in der Folge zur Sauerstoff-Unterversorgung bis hin zur Ohnmacht kommen. Erklären Sie diesen Zusammenhang anhand des Regelkreisschemas. Durch das übermäßige Atmen vor dem Tauchen wird der Kohlenstoffdioxidgehalt im Blut stark vermindert. Während der Sauerstoff zunehmend verbraucht wird und auf kritische Werte sinken kann, steigt der Kohlenstoffdioxidgehalt von seinem niedrigen Wert nicht auf Werte an, die eine Atemnot und damit ein Auftauchen veranlassen. Daher kann ein starker Sauerstoffmangel nicht erkannt werden. 3 Erklären Sie den Begriff positive Rückkopplung? Bei positiver Rückkopplung liegt ein sich selbst verstärkender Prozess vor. Ohne weitere Einflüsse würde sich der Vorgang aufschaukeln. Begrenzende Ressourcen verhindern dies unter natürlichen Umständen. 15

16 Ökologie und Nachhaltigkeit 1 Lebewesen und Umwelt Vom Flaschengarten zur Biosphäre (Seite 101) 1 Stellt auch der Flaschengarten ein offenes Ökosystem dar? Begründen Sie. Auch der Flaschengarten ist ein offenes System, denn das Sonnenlicht und atmosphärische Gase gelangen hinein. Der verschlossene Flaschengarten ist jedoch ein geschlossenes System, da kein Stoffaustausch, aber ein Energieaustausch mit der Umgebung stattfindet. Anmerkung: Alternativ zum Flaschengarten ist auch die Modellvorstellung vom Raumschiff Erde geeignet, die wesentlichen Komponenten eines Ökosystems zu verdeutlichen. 2 Inwieweit sind die Konsumenten in einem Flaschengarten verzichtbar für das Gedeihen der Pflanzen? Die Pflanzen gedeihen, solange ausreichend Licht, Wasser, CO 2 und Mineralstoffe vorhanden sind. Destruenten sorgen für die Bereitstellung von Mineralstoffen und CO 2, die CO 2 -Bildung bei der Atmung von Konsumenten ist daher ersetzbar. 3 Nennen Sie Beispiele für die Umgestaltung eines Lebensraums durch seine Besiedler. Bodenlebewesen wie Regenwürmer, Springschwänze, Asseln usw. lockern den Boden und verbessern die Wachstumsbedingungen der Pflanzen. Biber stauen Fließgewässer. Weidende Huftiere verhindern das Aufkommen von Büschen und erhalten so die Steppenlandschaften. Wattwürmer und andere grabende Tiere ermöglichen die Sauerstoffversorgung tieferer Wattbodenschichten. Die sauerstoffhaltige Atmosphäre ist auf die Fotosynthese der Pflanzen zurückzuführen. Ökosystem Hecke (Seite 102) 1 Werten Sie die Abb. 1, Seite 103 aus. Erläutern Sie die Ursachen für die Veränderungen der Intensitäten der Umweltfaktoren. Das Diagramm zeigt die Abhängigkeit verschiedener Umweltfaktoren von Heckenabstand und Windrichtung. Die Windgeschwindigkeit nimmt an der Hecke stark ab und im Windschatten der Hecke langsam wieder zu. Die Hecke ist ein Hindernis für die Luftbewegung. Die Verdunstung aus dem Boden ist im Bereich der Hecke und in ihrem Windschatten geringer und damit die Bodenfeuchte höher, weil die geringe Windgeschwindigkeit zu einem kleineren Konzentrationsgefälle zwischen Luft und Boden führt. Die Diffusion (hier Verdunstung) des Wassers aus dem Boden in die Luft wird behindert. Die Taubildung ist im Bereich der Hecke stärker. Die Luftfeuchtigkeit ist durch die geringere Windgeschwindigkeit und die eigene Transpiration der Heckenpflanzen erhöht. Die für Nutzpflanzen im Heckenbereich verbesserten abiotischen und biotischen (z.b.: Dezimierung von Fraßschädlingen) Faktoren führen zu einem höheren Ertag im Umfeld der Hecke. 16

17 2 Beschreiben Sie für einige Tiere in Abbildung 103.2, zu welchem Zweck sie die Hecke aufsuchen. Welche Nahrung holen sie aus den Kulturflächen? Die Hecke wird als Wohn-/ Nistplatz (1), als Nahrungsraum (2), als Versteck/Zuflucht (3), als Ansitz (4) oder als Überwinterungsort (5) genutzt. Diese Umweltfaktoren haben jeweils eine unterschiedliche Bedeutung für die einzelne Tierart: + = zutreffend, (+) = teilweise zutreffend. Arten Umweltfaktoren Hermelin Feldspitzmaus + + Goldlaufkäfer Kreuzspinne Neuntöter Goldammer + (+) + + Distelfalter + (+) + Elster + (+) Turmfalke tag- und nachtaktiv: Hermelin Feldspitzmaus Goldlaufkäfer Kreuzspinne Hainschnirkelschnecke kleine Nagetiere Insekten Nacktschnecken, Regenwürmer, Insekten Fluginsekten Pflanzliche Nahrung nur tagaktiv: Neuntöter Goldammer Distelfalter Elster Turmfalke Insekten, kleine Wirbeltiere Sämereien, Kleintiere Nektar aus Blüten Insekten, kleine Wirbeltiere Feldmäuse Material: Präferenz und Toleranz (Seite 107) 1 Vergleichen Sie den Präferenzbereich von Hochmoorameise und Sumpfschrecke (Abb. 1). Inwieweit lassen sich diese Laborergebnisse auf das Freiland übertragen? Die Präferenz der Hochmoorameise liegt bei höheren Temperaturen (um 30 C +/ 5 C) und streut weniger als die der Sumpfschrecke (15 C +/ 10 C). Im Freiland werden weitere Faktoren (Feuchtigkeit, Licht usw.) das Vorkommen beeinflussen. 2 Wie lässt sich der Versuch abwandeln, um zu klären, ob es individuelle Unterschiede in der Präferenz gibt oder ob die Tiere nur einen bestimmten Abstand zueinander einhalten? Man muss die Individuen einzeln auf die Temperaturorgel setzen und ihre Präferenz notieren. Dann kann das Ergebnis nicht durch innerartliche Konkurrenz beeinflusst werden. 17

18 3 Die Larven des Mehlkäfers (umgangssprachlich: Mehlwürmer ) lassen sich in Zoohandlungen als Futtertiere beziehen, treten aber auch als Vorratsschädlinge auf. Stellen Sie ihre Toleranzkurve (Abb. 3) in Bezug zur temperaturabhängigen Enzymaktivität (Abb. 4). In Abbildung 3 ist die Abhängigkeit der Wachstumsrate, in Abbildung 4 die Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur dargestellt. Abb. 4: Die Enzymaktivität (Abb. 4) steigt von 0 bis 40 C an, ist hier maximal und fällt stark ab. Bei 50 C sind die Enzyme inaktiv. Ursache ist der Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur aufgrund der schnelleren Teilchenbewegung. Die Denaturierung der Eiweiße bei höheren Temperaturen verringert diesen Effekt und kehrt ihn schließlich um. Abb. 3: Das Minimum der Temperatur für das Wachstum des Mehlwurms liegt bei 2,5 C, das Optimum bei 32 C, das Maximum bei 41 C. Die Tiere bevorzugen Temperaturen von 15 C bis 36 C (Präferenzbereich). Fazit: Beide Kurven zeigen ein sehr ähnliches Maximum und ähnliche Grenzwerte. Das deutet darauf hin, dass die Temperaturtoleranz des Mehlwurms durch die physiologischen Grenzen seiner Enzymaktivität bestimmt wird. (Hinweis: Der Begriff Maximum hat bei Toleranzkurven eine anderen Bedeutung als bei der mathematischen Kurvenbeschreibung.) 4 Die weiblichen Falter des Kiefernspinners legen im August Eier ab, aus denen zwei bis drei Wochen später junge Raupen schlüpfen. Ermitteln Sie mithilfe von Abb. 2, wie groß der Schlüpferfolg bei einer Luftfeuchtigkeit von 20 % und einer Temperatur von 20 C ist. Der Schlüpferfolg beträgt 25 %. 5 Zeichnen Sie unter Verwendung von Abb. 2 die Luftfeuchte-Toleranzkurve für eine Temperatur von 10 C entsprechend der Vorlage in Abb. 5. Wertetabelle bei 10 C: rel. Luftfeuchte 20 % 34% 75% 86% Schlüpferfolg 0 % 25% 25% 0% Der Einfluss von Feuchtigkeit (Seite 111) 1 Erklären Sie die Bedeutung der beschriebenen Pflanzengestalt für den Wasserhaushalt und ordnen Sie die Pflanzen einem Standorttyp zu: a) Bei der Schwertlilie sind die Blätter so gefaltet, dass die Blattoberseiten verdeckt und die Blattunterseiten mit den Spaltöffnungen nach außen gekehrt sind. b) Der Frauenmantel und einige tropische Pflanzen besitzen Drüsen, über die sie aktiv Wasser in Tropfenform ausscheiden (siehe Randspalte). a) Durch die exponierte Lage der Spaltöffnungen kann die Schwertlilie die Transpiration steigern und so den Wassertransport und damit den Nährstofftransport (Mineralsalze) an einem feuchten Standort sichern. b) Hohe Luftfeuchtigkeit erschwert die Transpiration, durch die aktive Wasserabgabe bleiben der Wassertransport und die Mineralstoffversorgung an derartigen Standorten gesichert. Material: Leben mit wenig Wasser (Seite 112/113) 1 Die Sahara Afrikas ist die größte Wüste der Erde. Nennen Sie Merkmale im Körperbau, Stoffwechsel und Verhalten der Wüstentiere, die sich auf den Wärmehaushalt auswirken. Stellen Sie dabei tabellarisch gleichwarme und wechselwarme Lebewesen gegenüber. Gleichwarme: Körperbau: dichtes Rückenfell, große Ohren; Stoffwechsel: nächtliche Temperatursenkung Verhalten: Nachtaktivität, Sandhöhlen Wechselwarme: Körperbau: dichter Panzer oder Schuppenkleid; Stoffwechsel: Nutzung der Nahrungsfeuchte und des Atmungswassers, Hitzestarre; Verhalten: Eingraben im Sand 2 Nennen Sie Merkmale im Körperbau, Stoffwechsel und Verhalten der Wüstentiere, die die Wasserverdunstung bei Wüstentieren einschränken. Nachtaktivität, Aufsuchen von Sandbauen; Dromedar: Isolationsschicht durch Fell, erhöhte Tagestemperatur 3 Erläutern Sie die Bedeutung von Kleinlebensräumen in der Wüste für die Fauna. Kleinstlebensräume unter Steinen oder in Pflanzennähe sind klimagünstiger. 4 Stellen Sie Merkmale der Wüstentiere dar, welche einen Vorteil für das Leben im Sand bedeuten. Grabfüße, hüpfende oder gleitende Fortbewegung, wenig Bodenkontakt 5 Nennen Sie Trockenlebensräume in unseren Breiten. Heidegebiete, Steppen, Schutt- und Bergehalden 6 Interpretieren Sie die Abbildung unter Verwendung des Textes. Die Kängururatte ist nur nachts an der Oberfläche aktiv. Zu dieser Tageszeit ist die Temperatur mit ca. 20 C mäßig. Während des Tages, an dem die Temperatur an der Oberfläche bis auf 60 C steigt, hält sich die Kängururatte in ihrem Bau auf. Dort herrschen physiologisch unbedenkliche 30 C bis 35 C. 18

19 7 Beschreiben und erklären Sie die Veränderung der Luft beim Ein- und Ausatmen der Kängururatte. Bedenken Sie dabei, dass Wasserverdunstung mit Abkühlung verbunden ist. Streicht die 30 C warme, aber trockene Einatemluft (25 % Luftfeuchtigkeit) an der feuchten Nasenschleimhaut vorbei, nimmt sie Wasser bis zur Sättigung auf (bis 100 % Luftfeuchtigkeit). Gleichzeitig erwärmt sie sich und nimmt dabei noch mehr Wasser auf. Bis zur Lunge hat sie von anfangs knapp 10 mg/l Luft nun ca. 55 mg Wasser/Liter Luft (bei 38 C) aufgenommen. Durch diese Wasserabgabe (Verdunstung) kühlt die Nasenschleimhaut aus. Wegen der mangelnden Durchblutung bleibt dieser Temperaturgradient bestehen. Beim Ausatmen wird die 38 C warme Ausatemluft durch die kühle Nasenschleimhaut abgekühlt. Dabei gibt sie Wasser an diese ab, da die kühle Luft weniger Wasserdampf bindet. Im Endeffekt enthält die Ausatemluft bei 27 C noch ca. 30 mg Wasser/Liter Luft. Sie hat also ca. 25 mg/liter, d. h. ca. 45 % wieder abgegeben. 8 Die Nasenschleimhaut der Wanderratte ist besser durchblutet. Ihre Abkühlung durch die eingeatmete Luft wird rasch durch Wärme aus dem Blut ausgeglichen. Stellen Sie eine Hypothese über die Auswirkung dieser Unterschiede zur Kängururatte auf. Die wärmere Luft im Nasenraum der Wanderratte bindet mehr Feuchtigkeit als die kältere Luft bei der Kängururatte. 9 Erläutern Sie die Konsequenzen, die dieser Unterschied für den Wasserverlust beim Ausatmen hat. Der Wasserverlust der Wanderratte beim Ausatmen ist größer als bei der Kängururatte. 10 Nennen Sie Möglichkeiten, wie ein Säugetier seine Wasserbilanz bei knappen Wasserressourcen verbessern kann. verringerte Wasserabgabe: Bevorzugung schattiger Kleinlebensräume und kühlerer Tageszeiten für die Aktivität, geringer Wassergehalt der Exkremente erhöhte Wasseraufnahme: Bevorzugung von Nahrung mit höherem Wassergehalt 11 Vergleichen Sie die Wasserbilanz von Känguru- und Wanderratte und erklären Sie die Unterschiede mithilfe aller Materialien. Wasserabgabe: Die Kängururatte verliert unter vergleichbaren Bedingungen (100 g Nahrungsaufnahme) 6 g weniger Wasser als die Wanderratte durch Atmung und Verdunstung. Das erklärt sich aus dem Kondensationseffekt der speziell gebauten Nase (s. Aufgabe 2 4). Kot und Harn sind deutlich weniger wasserhaltig als bei der Wanderratte. Das Material erlaubt dazu keine Erklärung. Der Kot der Kängururatte ist offenbar sehr trocken. Insgesamt gibt die Kängururatte pro 100 g Nahrung 23 g weniger Wasser ab als die Wanderratte. Das ist eine Ersparnis von ca. 28 %. Wasseraufnahme: Die Kängururatte nimmt nur indirekt Wasser auf, im Gegensatz zur Wanderratte trinkt sie nicht. Der Wassergehalt der Nahrung ist bei der Kängururatte mit 6 % deutlich geringer als bei der Wanderratte (12 %). Durch den hohen Anteil an Fett (40 %) in der Nahrung spielt das Oxidationswasser mit 54 g eine um ca. 17 % (8 g/100 g Nahrung) größere Rolle als bei der Wanderratte, deren Nahrung überwiegend aus Kohlenhydraten besteht. Bei deren Oxidation entsteht deutlich weniger (fast nur die Hälfte an) Oxidationswasser. Die Ersparnis von 28 % bei der Wasserabgabe erlaubt diese gedrosselte Wasseraufnahme. 12 Listen Sie alle aus den Materialien ersichtlichen Eigenschaften auf, durch die die Kängururatte an das Leben in der Trockenwüste angepasst ist. Insgesamt zeigt die Kängururatte eine ganze Reihe von Angepasstheiten an das Wüstenleben (s. Tabelle). nächtliche Lebensweise fettreiche Nahrung gering durchblutete und Wasser bindende Nasenschleimhaut Nachts sind die Temperaturen geringer. Dadurch erübrigen sich Kühlungsmechanismen wie Schwitzen etc. Ferner ist nachts die Luftfeuchtigkeit höher als am Tage. erlaubt effektive Nutzung von Oxidationswasser vermindert Wasserabgabe mit der Atemluft geringer Wassergehalt im Kot und Harn springende Lebensweise ist energiesparend und ermöglicht den Zugang zu weit verstreuter Nahrung 19

20 Zeigerarten (Seite 114) 1 Erklären Sie, warum nur stenöke Arten als Zeigerarten in Frage kommen. Stenöke Arten leben in einem schmalen Toleranzbereich eines Umweltfaktors. Ihr Vorkommen zeigt eine bestimmte Qualität eines Umweltfaktors an. 2 Erläutern Sie die Auswirkungen unterschiedlicher Toleranzbereiche auf das gemeinsame Vorkommen von Arten (Abbildung 2). Arten mit unterschiedlichen Toleranzbereichen kommen nur in wenigen Lebensräumen nebeneinander vor, konkurrieren also in den größten Teilen ihrer Verbreitungsgebiete nicht. Material: Zeigerwerte (Seite 115) 1 Beschreiben Sie die ökologischen Ansprüche von Silbergras. Silbergras benötigt eine hohe Lichteinstrahlung und mittlere Temperaturen. Es besiedelt nur trockene Biotope mit leicht sauren, sehr stickstoffarmen Böden. 2 Nennen Sie Stickstoffzeiger. Große Brennnessel, Stumpfblättriger Ampfer, Gemeiner Löwenzahn, Gemeine Quecke, Kriechender Hahnenfuß, Wiesenfuchsschwanz 3 Nennen Sie Pflanzen, die bevorzugt auf Magerwiesen gedeihen (s. auch Seite 105). Magerwiesen sind nährstoffarm, der Stickstoffgehalt ist also gering: Arnika, Gemeines Kreuzblümchen, Silberdistel, Silbergras 4 Vergleichen Sie die Zeigerwerte der Pflanzen in der in der Nähe Ihrer Schule häufigen Pflanzenarten aus der Tabelle und ziehen Sie eine Schlussfolgerung. Lösung entsprechend der aufgefundenen Pflanzen. Anmerkung: Übereinstimmend dürften in Wohngebieten häufig Pflanzen gefunden werden, die hohe Stickstoffkonzentrationen anzeigen. Schlussfolgerung: Böden in Siedlungen sind meist nährstoffreich. 5 Setzen Sie die abiotischen Faktoren der Wiesentypen (siehe Zettelkasten Seite 105) in Beziehung zu den Zeigerwerten der in der Tabelle als Beispiel genannten Pflanzenarten. Hochstaudenflur: nährstoffreich, sehr gute Wasserversorgung Echtes Mädesüß: N 5, mäßig stickstoffreich, F 8, feuchter bis nasser Boden Bergwiese: nährstoffarm bis -reich, gute Wasserversorgung Bärwurz: N 3; stickstoffärmerer boden, F 5, mittelfeuchter Boden Borstgrasrasen. nährstoffarm, trocken bis feucht Wiesensalbei: N 4, stickstoffarm, F 3, trockener Boden 6 Auf einer Fettwiese mit intensivem Weidebetrieb wird die Beweidung eingestellt. Zweimal im Jahr erfolgt ein Grasschnitt und das Mähgut wird entnommen. Beurteilen Sie diese Maßnahme aus der Sicht des Nährstoffgehaltes des Bodens. Welche Pflanzenarten werden durch diese Nutzungsänderung gefördert? Mit dem Ende der Beweidung und der Entnahme der gemähten Pflanzen wird dem Stoffkreislauf der Wiese organische Substanz entzogen. Damit sinkt die Menge anorganischer Stoffe, die die Destruenten im Boden erzeugen. Die Wiese wird nährstoffärmer. Es werden also alle Pflanzen gefördert, die auf nährstoffarmen Böden eine hohe Konkurrenz besitzen. 3 Ökosysteme Primärproduktion (Seite 122) 1 In den Ozeanen gibt es küstennahe Zonen, in denen mineralreiches Tiefenwasser aufsteigt. Begründen Sie, warum in derartigen Auftriebszonen die Primärproduktion besonders hoch ist. Der Mineralsalzgehalt ist der Faktor, der im Meer offenbar das Ausmaß der Primärproduktion bestimmt (s. Liebig sches Minimumgesetz). Größerer Mineralreichtum führt in diesen Auftriebszonen zu höherer Primärproduktion und in der Folge zu Fischreichtum. Solche Regionen findet man an den Westküsten der Kontinente: Südamerika (Humboldstrom), Nordamerika (Kalifornischer Strom), Südafrika (Benguelastrom) und Nordafrika (Kanarenstrom). 2 Die Primärproduktion ist in verschiedenen Ökosystemen der Erde sehr unterschiedlich (Abb. 2). Erklären Sie, welcher Faktor im Einzelfall wahrscheinlich begrenzend wirkt. Recherchieren Sie dazu ein reales Beispiel. Bei Ozean, Küstenzone, Mangrove und tropischem Regenwald ist der Nährsalzgehalt begrenzend (bei tropischen Regenwäldern ist er auch stark von der Beschaffenheit des Untergrundes abhängig); die Feuchte und die Temperatur sind weniger begrenzend. Bei kühlfeuchten Wäldern begrenzen die Temperaturen die Produktion; vor allem in gemäßigten Breiten kommen die Jahreszeiten hinzu, die nur periodisches Wachstum ermöglichen. In Fels und Eis begrenzt vorwiegend die niedrige Temperatur; daneben kommt auch Trockenheit durch Frost hinzu. Im Trockenbusch und in der Savanne begrenzt die fehlende oder nur periodische Feuchte die Produktion; die Temperaturen sind weniger begrenzend. In Wüsten ist die Trockenheit begrenzend, in der Tundra zu niedrige Temperaturen und nur kurze Vegetationsperioden, daneben auch Trockenheit durch Frost. 20

21 Stoffkreislauf und Energiefluss (Seite 125) 1 Eine Wassermühle (s. Randspalte) soll als Modellvorstellung für die enge Verbindung zwischen Stoffkreislauf und Energiefluss dienen. Erläutern Sie die Vorzüge und Grenzen der Modellvorstellung. Erklärung des Energieflusses: Energie fließt durch Ökosysteme wie Wasser über ein Wasserrad. Die verschiedenen Energieformen und Energieumwandlungen werden im Modell auf die Umwandlung von potentieller in kinetische Energie reduziert. Erklärung des Stoffkreislaufes: Die Stoffe verbleiben im Ökosystem (Wasserrad), die Stoffumwandlungen berücksichtigt das Modell nicht. Die Kopplung von exothermen und endothermen biochemischer Reaktionen und die Bedeutung der in Stoffen gespeicherten Energie zeigt das Modell ebenfalls nicht entdeckten Geologen bei Tauchfahrten in Meerestiefen von 2600 m am Rand von Lavaspalten mit heißen Quellen ( Black Smoker ) ein unbekanntes Ökosystem. Recherchieren Sie dieses Ökosystem und stellen Sie den Energiefluss wie in Abbildung 1 dar. siehe Abbildung 3 Wiederholen Sie den Kohlenstoffkreislauf. Erläutern Sie diesen Kreislauf mithilfe eines Schemas. Das Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre und in Gewässern wird durch Pflanzen (Produzenten) fotosynthetisch in organische Stoffe umgewandelt. Die organischen Stoffe erreichen über die Konsumenten direkt die Destruenten. Die Destruenten mineralisieren die organische Substanz, wobei wieder Kohlenstoffdioxid entsteht. Durch Zellatmung wird ebenfalls ständig Kohlenstoffdioxid gebildet. Der Kohlenstoffdioxidgehalt der Erdatmosphäre wird durch weitere Prozesse (z.b. Verbrennung fossiler Brennstoffe, Verwitterung und Gesteinsbildung) beeinflusst. 4 Wiederholen Sie die Vorgänge der Nährstoffanreicherung (Eutrophierung) eines Sees. Beschreiben Sie die Situation, welche zum Umkippen des Gewässers führt. Ein See wird nährstoffreicher, wenn Mineralsalze und/oder organische Stoffe von außerhalb in den See gelangen, z.b. durch Abwasser. Die organischen Stoffe werden von den Destruenten in Mineralsalze umgewandelt und fördern das Algen- und Pflanzenwachstum. Die Folge ist die Vermehrung des Planktons (Kleinkrebse u.a.) und damit der Fische. Die Biomasse im See nimmt zu und damit auch die Menge toter organischer Substanzen, die unter Sauerstoffverbrauch zersetzt werden. Der See kippt um, wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht und höhere Lebewesen ersticken. Dies geschieht, wenn die Organismen mehr Sauerstoff verbrauchen als die Pflanzen herstellen können. Die Leichen beschleunigen den Prozess, da bei ihrer mikrobiellen Zersetzung weiterer Sauerstoff verbraucht wird und Gifte, z.b. Schwefelwasserstoff, entstehen. 21

22 Ökologisches Gleichgewicht (Seite 126) 1 Skizzieren Sie das Nahrungsnetz eines Sees im ökologischen Gleichgewicht. Diskutieren Sie die kurzfristigen und langfristigen Auswirkungen einer Vermehrung, einer Bestandsabnahme und des Aussterbens einzelner Arten für das Ökosystem. Beispiel siehe Abbildung z.b.: Phytoplankton: Vermehrung: Kurzfristig steht dem Zooplankton ein größeres Nahrungsangebot zur Verfügung, welches über die Nahrungskette weitergereicht wird. Durch die Vermehrung des Zooplanktons sinkt langfristig die Masse des Phytoplanktons. Abnahme: Kurzfristig steht dem Zooplankton ein geringeres Nahrungsangebot zur Verfügung. Die daraus folgende Abnahme des Zooplanktons bedingt Nahrungsmangel der folgenden Konsumenten. Durch die Dezimierung des Zooplanktons steigt langfristig die Masse des Phytoplanktons, wenn genügend Nährstoffe vorhanden sind. Aussterben: Die Störung des ökologischen Gleichgewichts kann nicht ausgeglichen werden. Das Ökosystem bricht zusammen. z.b.: Rotfeder: Vermehrung: Kurzfristig werden die Bestände der Mückenlarven, Libellenlarven und Kaulquappen durch erhöhten Fraßdruck verringert. Moderlieschen und Karpfen unterliegen einer stärkeren Nahrungskonkurrenz. Die Bestände der Raubfische nehmen zu, was längerfristig zur Regulierung der Rotfederpopulation führt. Abnahme: Der Fraßdruck auf die Insektenlarven und Kaulquappen nimmt ab. Damit werden ihre Populationsstärken zunehmen, bis sich durch die Verringerung der Nahrungskonkurrenz die anderen Friedfische vermehrt haben und sie wieder dezimieren. Der Bestand der Raubfische wird kurzfristig zurückgehen und sich später wieder erholen, wenn sich die anderen Friedfische vermehrt haben. Aussterben: Die ökologische Nische der Rotfeder könnte durch andere Friedfische besetzt werden. Sukzession (Seite 127) 1 Beschreiben Sie die Vorgänge in den Sukzessionsphasen eines Sees. In nähstoffreichen (eutrophen Seen) entsteht mehr Biomasse als die Destruenten mineralisieren können. Der Schlamm lagert sich auf dem Seeboden ab. Die Freiwasserzone wird kleiner, die Pflanzengürtel verschieben sich immer weiter zur Mitte des Sees. Nach dem Verschwinden der Wasserfläche ist ein Flachmoor entstanden. Charakteristische Pflanzen sind Schilf, Seggen und Binsen. Durch die Ansiedlung der auf feuchten Boden konkurrenzstarken Baumarten Erle und Weide entsteht ein Bruchwald. Hochmoore bilden sich in niederschlagsreichen und kälteren Gebieten. Hier besiedeln Torfmoose die verlandeten Flächen. Ihre Bestände wachsen uhrglasschalenähnlich über die Landschaft. Es bildet sich ein Hochmoor. 2 Diskutieren Sie den Zusammenhang zwischen ökologischem Gleichgewicht und Sukzession unter zeitlichem Aspekt. Als Sukzession bezeichnet man die Abfolge von verschiedenen Lebensgemeinschaften, die zur Klimaxgesellschaft führt. In der Klimaxphase existiert ein stabiles dynamisches Gleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch. Kurzfristig betrachtet, ist das ökologische Gleichgewicht in der Initial- und Folgephase der Sukzession noch nicht vollständig ausgebildet (Zunahme der Biomasse, Artenwechsel u.a.). Ökosysteme sind jedoch über sehr lange Zeiträume stabil, weil sie Störungen entgegenwirken und ausgleichen können. Dies geschieht durch Sukzession. Deshalb sind Sukzessionsprozesse langfristig gesehen ein Teil des dynamischen Gleichgewichts im Ökosystemen. 3 Einige Lebensräume, wie Kiesbänke in Flüssen, bleiben in Anfangsstadien der Sukzession stecken. Suchen Sie weitere Beispiele und erläutern Sie diese. Beispiele: Wiesen: Entwicklung zum Wald wird durch Beweidung und Mahd verhindert. Spülsaum und Strand: Anreicherung mit Nährstoffen, Bodenbildung wird durch Wellenschlag und Hochwasser verhindert. Geröllhalden im Gebirge: Materialabgänge verhindern die dauerhafte Besieldung. 4 Werten Sie das Diagramm (Abb. 2) aus. Das Diagramm zeigt das Vorkommen der verschiedenen Klimaxgesellschaften in Abhängigkeit von der mittleren Niederschlagsmenge eines Jahres und der mittleren Temperatur eines Jahres: In kalten und niederschlagsarmen Gebieten entwickelt sich Tundra (Niederschlag: 100 mm 1500 mm, Temperatur: -7 C 8 C). Wüste (Niederschlag: 0 mm 540 mm, Temperatur: 7 C 27 C) und Grasland (Niederschlag: 300 mm 1000 mm, Temperatur: 13 C 32 C) sind Klimaxgesellschaften trockener Gebiete. 22

23 In gemäßigten Klimaten entwickelt sich bei niedrigeren Temperaturen Nadelwald (Niederschlag: 600 mm 2900 mm, Temperatur: 3 C 15 C) und bei höheren Temperaturen Laubwald (Niederschlag: 65 mm 2400 mm, Temperatur: 7 C 27 C). Klimaxgesellschaft der niederschlagsreichen und warmen tropischen Regionen ist der tropische Regenwald (Niederschlag: 1500 mm bis über 4000 mm, Temperatur:27 C 35 C). In einigen klimatischen Bereichen überschneiden sich die möglichen Klimaxstadien. Hier hängt die tatsächliche Klimaxform von den anderen abiotischen und biotischen Faktoren (Wind, Relief, Boden, Beweidung) ab. Mischformen sind möglich. Praktikum: Wiesen und Weiden (Seite 130) 1 Berechnen Sie für jede Art die Mittelwerte der Deckungsgrade aus den 10 Probenquadraten. Stellen Sie nun die Ergebnisse Ihrer Untersuchungen für die beiden Grünlandtypen gegenüber. Stationsprotokoll: Rasenfläche, Zierrasen; Mahd: Frühsommer Herbst; 14tägig; Anzahl der untersuchten Quadrate: 10 Deckungsgrade: 1) unter 5%, 2) 5% bis 25%, 3) 25% bis 50%, 4) 50% bis 75% und 5) 75% bis 100% Flächenanteil Musterlösung: Quadrat Art (Flächenanteil in %) A B C D E Artenanzahlen Art Deckungsgrad (Mittelwert in %) Frequenz (in %) A Löwenzahn 13,5 100 B Breitwegerich 0,9 100 C Hahnenfuß 11,0 80 D Gänseblümchen 0,5 50 E Gräser 61, Beurteilen Sie, ob durch das genannte Verfahren die gesamte Biomasse erfasst wird. Die Biomasse in Wurzeln, Knollen und Zwiebeln blieb unberücksichtigt. Außerdem kann auf diese Weise die durch Fraß und Mahd entnommene Biomasse nicht berücksichtigt werden. 3 Analysieren Sie, inwieweit die Frequenz in den Messquadraten Rückschlüsse auf die räumliche Verteilung der Pflanzen zulässt. Frequenzwerte entstehen bei gleichmäßiger Verteilung. Allerdings hat die Quadratgröße einen erheblichen Einfluss auf diese Schätzwerte. Oft ist eine Angabe der räumlichen Verteilung nach Augenschein sinnvoller. 4 Erörtern Sie, welche Zusammenhänge zwischen der Mahd und Artenzahl, Artenspektrum, Wuchshöhe, Wuchstyp und Biomasse vorhanden sind. Auf Grünflächen gedeihen vor allem lichtliebende, regenerationsfreudige Pflanzen, deren Erneuerungsknospen eng am Boden liegen. In ihrem Blührhythmus sind sie an die Gegebenheiten der Mahd angepasst. So blühen z. B. Sumpfdotterblume und Wiesenkerbel vor der ersten Mahd, Teufelsabbiss und Bärenklau vor der zweiten. Diese sind sonst nur mit bodennahen Rosetten vertreten. Auf Rasenflächen, die häufig gemäht werden, haben nur wenige Gräser, Löwenzahn, Gänseblümchen, Weißklee und Wegerich eine Chance. Da viele Pflanzen vor der Reifezeit gemäht werden, haben Pflanzen mit einer vegetativen Vermehrung durch Ausläufer oder Zwiebeln Vorteile. 5 Vergleichen Sie den Einfluss der Beweidung auf die Pflanzendecke mit dem der Mahd. Das weidende Vieh bevorzugt bestimmte Pflanzen. Die Weidepflanzen werden ungleichmäßig abgetragen und durch Ausscheidungen gedüngt, der Boden wird durch Vertritt gefestigt. 23

24 Praktikum: Hecken (Seite 131) 1 Untersuchen Sie arbeitsteilig einen Abschnitt einer naturnahen Hecke (Abb. 1). Als Ersatz kann der Rand eines Laubwaldes oder eines Feldgehölzes dienen. Protokollieren Sie Ihre Ergebnisse. Protokoll (mit Aufgaben, Beobachtungen und Messwerten, Auswertung) 2 Nähern Sie sich leise und unauffällig der ausgewählten Hecke. Beobachten Sie vorkommende Säugetiere und Vögel. Notieren Sie möglichst die Artnamen. Gehen Sie bei allen Aktivitäten in der Hecke so vorsichtig vor, dass weder Tiere noch Pflanzen Schaden erleiden. Artenliste entsprechend den Beobachtungen (häufige und klar erkennbare Arten (z.b. Amsel, Buchfink, Feldhase, Blindschleiche usw. sollen korrekt benannt sein). 3 Zeichnen Sie einen Lageplan der Hecke in Bezug zu den angrenzenden Flächen mit Angabe der Himmelsrichtungen. Skizze entsprechend der Gegebenheiten vor Ort mit Angabe der Himmelsrichtungen 4 Skizzieren Sie den Querschnitt der Hecke. Erstellen Sie eine Liste der aufgefundenen Pflanzenarten und markieren Sie deren Standort in der Hecke. Skizze entsprechend der Gegebenheiten vor Ort mit Pflanzenliste und Standortmarkierung. Die Genauigkeit der Pflanzenbestimmung (Gruppe Gräser, Gattung, Art) usw. und die Bestimmungsliteratur (Naturführer oder dichotome Bestimmung) sollte vorgegeben werden. 5 Fotografieren Sie Pflanzen und Tiere sowie charakteristische Ausschnitte der Hecke. Anfertigung einer Dokumentation 6 Suchen Sie auf Blüten, an Blättern, unter Holz und Steinen und in der Bodenstreu nach Insekten und anderen Gliederfüßern. Erstellen Sie eine Artenliste mit einigen Fotos der Tierarten. Die Genauigkeit der Bestimmung und die Bestimmungsliteratur sollten vorgegeben werden. Anfertigen einer Dokumentation. 7 Suchen Sie nach Tritt-, Fraß- und Kotspuren. Dokumentieren Sie diese und versuchen Sie deren Verursacher zu bestimmen. Die Genauigkeit der Bestimmung und die Bestimmungsliteratur sollten vorgegeben werden. Anfertigen einer Dokumentation. 8 Wählen Sie einen 10 m langen Heckenabschnitt aus. Legen Sie Messstellen in der Kernzone, in der Mantelzone und in der Saumzone sowie zu beiden Seiten der Hecke fest. individuelle Lösung 9 Bestimmen Sie an den Messstellen Windgeschwindigkeit, Luftfeuchte, Lufttemperatur und Lichtstärke jeweils am Boden, in 1 m Höhe und 2 m Höhe. Erstellen Sie ein Messprotokoll. Anfertigen einer oder mehrerer übersichtlicher Wertetabellen 10 Erstellen Sie eine Liste der ermittelten Pflanzen- und Tierarten. Erstellen einer geordneten Artenliste, getrennt nach Pflanzen und Tieren. 11 Stellen Sie das Vorkommen der Pflanzenarten in einer Skizze dar. Skizze entsprechend der Gegebenheiten 12 Vergleichen Sie den Fundort der Pflanzen mit den in der Bestimmungsliteratur angegebenen Daten. z.b. Große Brennnessel Angaben: feuchte Stellen, Stickstoffzeiger Fundort: trocken, möglicher Stickstoffeintrag durch angrenzendes Feld 13 Vergleichen Sie die abiotischen Faktoren an den Messpunkten und werten Sie sie aus. Welche Faktoren wurden nicht gemessen? Vergleich der Messwerte Auswertung, z.b. Hecken verringern die Windgeschwindigkeit In Hecken ist die Luftfeuchtigkeit höher, durch Verdunstung und Windschutz. In Hecken ist die Temperatur niedriger, durch Beschattung und Windschutz. In der Hecke existiert ein geringeres vertikales Temperaturgefälle als im Umland. In der Hecke gibt es ein vom Umland abweichendes Mikroklima. Nicht gemessen wurden z.b. ph-wert, Niederschlag und Bodenfeuchte. 14 Stellen Sie am Beispiel von drei der erfassten Tierarten die Beziehung zur Hecke dar. Amsel: Hecke als Nahrungs- und Brutplatz Rosenkäfer: Hecke als Nahrungsplatz (Blüten der Heckenrose), Finden von Geschlechtspartnern Kaninchen: Hecke als Versteck 24

25 15 Vergleichen Sie die ökologische Bedeutung der von Ihnen untersuchten Hecke mit der einer Formschnitthecke (Abb. 2). Beide Hecken bieten Lebensraum für Pflanzen und Tiere. Sie haben gegenüber dem Umland ein verändertes Mikroklima. Die ökologische Bedeutung der naturnahen Hecke ist größer als die der Formschnitthecke. Durch die bessere Strukturierung (Kern-, Mantel und Saumzone) bietet sie verschiedene Qualitäten der abiotischen Faktoren. Damit leben hier mehr Organismenarten als in der Formschnitthecke. Es existieren mehr ökologische Nischen im Gegensatz zur Formschnitthecke. 16 Diskutieren Sie die Bedeutung der von Ihnen untersuchten Hecke als Korridor oder Trittstein in einem Biotopverbund. Verbindet die Hecke Wälder, Feldgehölze, naturnahe Wiesen, Bachtäler, Parkanlagen usw. miteinander, hat sie eine Funktion als Korridor im Sinne eines Verbreitungsweges von Pflanzen- und Tierarten. Liegt die Hecke isoliert, übernimmt sie die Trittstein -Funktion, d.h. einige Organismen können hier einige Zeit leben, sich ernähren und evtl. fortpflanzen, um in andere Populationen der Art zu gelangen oder neue Gebiete in unserer Kulturlandschaft zu besiedeln. In beiden Fällen tragen die Hecken zum Genaustausch zwischen verschiedenen Populationen und zur Verbreitung der Art bei. Praktikum: Fließgewässer (Seite 135) 1 Erläutern Sie die Zusammenhänge zwischen abiotischen und biotischen Umweltfaktoren. abiotische Faktoren biotische Faktoren: geringe Lichteinstrahlung durch Beschattung geringes Wachstum von Algen und Wasserpflanzen hohe Strömungsgeschwindigkeit Besiedlung durch sauerstoffbedürftige Arten niedrige Wassertemperaturen Besiedlung durch stenotherme Arten biotische Faktoren abiotische Faktoren: beidseitiger Uferbewuchs mit Bäumen geringerer Lichteinfall beidseitiger Uferbewuchs mit Bäumen Erhöhung der Biomasse im Bach (Falllaub) 2 Vergleichen Sie die abiotischen und biotischen Faktoren Ihrer Station mit den Ergebnissen Ihrer Mitschüler an den anderen Untersuchungsstellen. Erstellen eines Vergleichs entsprechend der Messwerte. 3 Vergleichen Sie die Werte für die Gewässergüte aus den Daten der abiotischen und biotischen Faktoren miteinander. Interpretieren Sie. Erstellen eines Vergleichs entsprechend der Messwerte Musterlösung: abiotische Faktoren: + NH 4 - Gehalt: 0,2 mg/l - NO 3 - Gehalt: 40 mg/l Karbonathärte: 50 mg/l Sauerstoffgehalt: 7,5 mg/l BSB 5 : 2 mg/l biotische Faktoren: Dreiecksstrudelwurm häufig Steinfliegenlarven häufig runde Eintagsfliegenlarven häufig Köcherfliegenlarven häufig flache Eintagsfliegenlarven selten Bachflohkrebse selten Egel Einzelfund Wasserassel Einzelfund Geschätzte Gewässergüte durch Bioindikation: I II (gering belastet), Interpretation: abiotischer Faktor: gemessen nach Tabelle (S.135) + NH 4 -Gehalt 0,2 mg/l um 0,1 gute Übereinstimmung BSB 5 2 mg/l 1-2 mg/l Messwert an der Obergrenze Sauerstoffgehalt: 7,5 mg/l > 8 mg/l Messwert in unterhalb der Güteklasse I II Es handelt sich um ein gering belastetes Fließgewässer mit aktuell niedrigerem Sauerstoffgehalt (Messwerte für BSB 5 und Sauerstoffgehalt). Die Einzelfunde von Wasserassel und Egel weisen auf eine zeitweilige Belastung hin. 4 Recherchieren Sie nach der aktuellen Gewässergütekarte Sachsens im Internet. Vergleichen Sie Ihre Daten. Diese Aufgabe kann nur bearbeitet werden, wenn sich das untersuchte Gewässer im sächsischen Messnetz liegt. Bei Abweichungen ist eine Fehlerbetrachtung sinnvoll. 25

26 4 Mensch und Umwelt Von der Urlandschaft zur Agrarsteppe (Seite 137) 1 Vergleichen Sie den Stoffkreislauf im Buchenwald und in der Agrarlandschaft. Wie verändert sich das Schema, wenn der Landwirt von Weidewirtschaft auf Stallwirtschaft umsteigt? Im Buchenwald kreisen die Stoffe. Pflanzen, die durch die Konsumenten aufgenommen werden, gelangen in die Destruentenkette. Die Mineralstoffe werden den Produzenten wieder zugeführt. Im Roggenfeld ist der Stoffkreislauf unterbrochen, da mit der Ernte organische Stoffe entnommen werden. Diese müssen durch Düngung wieder ersetzt werden, damit die Bodenfruchtbarkeit erhalten bleibt. Auf der Viehweide wird der Boden durch die Ausscheidungen der Rinder gedüngt. Das fehlt bei der Mahdwiese, sodass auch hier eine Düngung erforderlich ist. Stoffkreislauf auf einer Mahdwiese 2 Erläutern Sie die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit durch Dreifelderwirtschaft und Fruchtwechsel. Dreifelderwirtschaft: Überlässt man ehemalige Nutzflächen sich selbst, so bilden Kräuter und Gräser eine neue Humusschicht, Mineralstoffe werden eingeschwemmt, die Fruchtbarkeit steigt. Bei einem Wechsel von Brache Wintergetreide Sommergetreide muss ein jährlicher Ernteausfall von 1/3 in Kauf genommen werden. Die Bodenfruchtbarkeit wird nicht vollständig wiederhergestellt. Fruchtwechsel: Anstelle der Brache wird eine stickstoffbindende Pflanze angebaut. Pflanzen benötigen Mineralstoffe in unterschiedlichen Konzentrationen. Ein jährlicher Wechsel der Fruchtart verhindert eine einseitige Bodenauszehrung. 3 Die meisten Ackerwildkräuter sind samenreiche, einjährige Steppenpflanzen. Erklären Sie. Die Lebensbedingungen von Steppe und Acker gleichen einander. Der Boden zeigt eine mittlere Feuchtigkeit, Bäume und Büsche fehlen. Lichtintensität und Windexposition sind hoch. Da ein Acker gepflügt wird, können sich mehrjährige Kräuter nicht ansiedeln. Samenreichtum ist typisch für Pionierpflanzen. Dadurch wird die schnelle Besiedlung einer Kahlfläche möglich. 4 Begründen Sie, weshalb die Kultivierung der Landschaft meist zu einer Verarmung an Arten führt. Die Kultivierung führte letztlich meist zu großflächigen Monokulturen. Wildkräuter wurden als Konkurrenten der angebauten Pflanzen ausgemerzt. Populationsökologie und Pflanzenschutz (Seite 141) 1 Analysieren Sie die Folgen des Azodrineinsatzes gegen den Baumwollwurm (s. Seite 140, Abb. 1). Die Zahl der Larven ist bei Azodrinanwendung höher als ohne Anwendung. Drastisch reduziert sind dagegen die Feinde. Vermutlich waren die Larven des Eulenfalters in der Pflanze besser gegen das Insektizid geschützt als die Feinde. Durch deren Dezimierung konnte auf den behandelten Flächen die Zahl der Schädlingslarven zunehmen. Ein Beleg für die direkte Wirkung des Giftes auf die Feinde, aber indirekte Wirkung auf die Baumwollwürmer ist der zeitliche Verlauf: Bei den Baumwollwürmern tritt der Effekt zeitlich versetzt, bei den Feinden unmittelbar auf. Die Zahl der geschädigten Kapseln unterscheidet sich nur unwesentlich. Dieser Befund ist schwer zu erklären. Möglicherweise reicht die Larvendichte in beiden Fällen für eine Schädigung (es werden gleich viele Kapseln geschädigt, die Dichte der Larven in den befallenen Kapseln ist dagegen unterschiedlich). 2 Vergleichen Sie den Effekt chemischer und biologischer Bekämpfung bei der Schildlausbekämpfung in einem schweizer Obstanbaugebiet (Abb. 2). Die chemische Bekämpfung erweist sich als wenig effektiv. Vermutlich wurden durch die Spritzung zu wenige der Schildläuse direkt erreicht (versteckt in Astritzen, dichtes Laub etc.). Die Parasiten dagegen suchen ihre Wirte direkt auf und erreichen so auch versteckte Schildläuse. Das Ergebnis zeigt einen mit den Jahren zunehmenden Parasitisierungsgrad. Das liegt zum einen an der Vermehrung des Parasiten, zum anderen an den von Jahr zu Jahr steigenden Aussetzzahlen. Insgesamt kann die biologische Schädlingsbekämpfung mit der Schlupfwespe als erfolgreich angesehen werden. 26

27 Intensivierung und Artenrückgang (Seite 142) 1 Herbizide, die nützliche Bodenlebewesen selbst kaum beeinflussen, können dennoch zum Aussterben führen. Erläutern Sie dies an Abbildung 2. Das untersuchte Pflanzenschutzmittel vernichtet selbst bei der geringsten untersuchten Konzentration nach 48 Stunden die Insekten völlig. Die Eianzahl unter Einfluss des Giftes sinkt auf knapp 80 %, die Schlüpfrate auf knapp 60 %. Bei der Verdopplung der Konzentration auf 1000 ppm sinken die Werte für Eianzahl (55 %) und Schlüpferfolg (5 %). Die Verzehnfachung der Herbizidkonzentration ( ppm) senkt die Eianzahl auf 35 %. Es schlüpfen keine Larven mehr aus. Zur Erhaltung der Springschwanzpopulation sollte das Herbizid möglichst nur in der geringsten Konzentration verwendet werden, um eine Regeneration aus den bereits abgelegten Eiern zu ermöglichen. Wirkt es in dieser Konzentration nicht auf den Zielorganismus, dann kann die nächsthöchste Konzentration ebenfalls noch verwendet werden, da noch Eier vorhanden sind. Ökologische Bewirtschaftung eine Alternative? (Seite 145) 1 Vergleichen Sie die Preise ausgewählter Lebensmittel aus konventionellem und ökologischem Landbau in einem Supermarkt. Begründen Sie die auftretenden Unterschiede. Erläutern Sie die Bedeutung von Produktionsweise und Verbraucherverhalten für die Preisbildung von Nahrungsmitteln. Lebensmittel aus ökologischem Anbau sind teurer. Die Ursachen liegen bei der geringeren Mechanisierung und kleineren Anbauflächen der ökologischen Produktion. Außerdem ist der Ertrag wegen fehlender Mineraldüngung und fehlendem Pestizideinsatz geringer. Durch einen hohen Mechanisierungsgrad, den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln sowie Mineral- und Stickstoffdüngemitteln, wird konventionell ein hoher Ertrag erzielt. Damit gibt es ein großes Angebot so erzeugter Lebensmittel und die Preise sind vergleichsweise niedrig sowie verbraucherfreundlich. Steigt die Nachfrage der Verbraucher nach ökologisch produzierten Lebensmitteln an, so steigt der Preis zunächst weiter. Hält die Nachfrage an, kann die entstandene Marktlücke durch Umstellung der konventionellen Landwirtschaft auf ökologische Bewirtschaftung geschlossen werden. Damit steigt das Angebot an Bioprodukten und der Preis fällt. Globale Biodiversität Schutz der lebendigen Vielfalt (Seite 147) 1 Erklären Sie, warum ein wirkungsvoller Artenschutz untrennbar mit dem Schutz der genetischen Vielfalt innerhalb einer Art und dem Lebensraumschutz verbunden ist. Nur durch Erhalt der genetischen Vielfalt kann sich eine Art auch an wandelnde Umweltbedingungen anpassen. Arten sind an die Umweltbedingungen in ihrem Lebensraum angepasst, sie benötigen zum Überleben die dort herrschenden abiotischen und biotischen Faktoren. 2 Vielseitige Lebensbedingungen ermöglichen hohe Artenzahlen bei geringer Individuenanzahl pro Art, einseitige und extreme Lebensbedingungen führen zu Artenarmut, aber größeren Dichten der einzelnen Arten. Erklären Sie mithilfe dieser biozönotischen Grundprinzipien, inwieweit die moderne Landnutzung den Artenrückgang begünstigt. Die moderne Landnutzung führt zur Monotonisierung der Landschaft: Feuchtflächen werden entwässert, Trockenflächen bewässert usw. Nur wenige verschiedene Pflanzenarten werden kultiviert. Diese einseitigen Lebensbedingungen haben zur Verarmung der Arten geführt. Eingebürgerte Lebewesen (Seite 148) 1 Stellen Sie die Eigenschaften zusammen, die es Tier- und Pflanzenarten ermöglichen, sich in unserer Natur zu etablieren. Die Organismen benötigen eine freie ökologische Nische, d.h. es gibt keine oder schwache Konkurrenten oder die Arten. Neozoen und Neophyten sind euryöke Organismen mit meist großen Vermehrungsraten. 2 Verursacher der weit verbreiteten Kastanienkrankheit ist die Kastanien-Miniermotte (s. Randspalte). Recherchieren Sie wesentliche Fakten und erstellen Sie dazu einen Kurzvortrag. individuelle Lösung: Der Kurzvortrag sollte folgende Punkte enthalten: Beschreibung der Art, Beschreibung der Lebensweise, Klärung des Begriffs Minieren, Herkunft und Ausbreitung der Miniermotte, Gefährdungspotential für die Kastanie, natürliche Feinde, Diskussion von Bekämpfungsmöglichkeiten. 27

28 Naturschutz (Seite 151) 1 Recherchieren Sie Inhalte der Paragraphen 1 und 26 des sächsischen Naturschutzgesetzes. 1 Ziele des Naturschutzes und der Landschaftspflege: Natur und Landschaft sind als Lebensgrundlagen des Menschen sowie aufgrund ihres eigenen Wertes auch in Verantwortung für die künftigen Generationen im besiedelten und unbesiedelten Bereich so zu schützen, zu pflegen, zu entwickeln und soweit erforderlich, wiederherzustellen, dass die Leistungs- und Funktionsfähigkeit des Naturhaushaltes, die Regenerationsfähigkeit und nachhaltige Nutzungsfähigkeit der Naturgüter, die Tier- und Pflanzenwelt einschließlich ihrer Lebensstätten und Lebensräume sowie die biologische Vielfalt, die Vielfalt, Eigenart und Schönheit sowie der Erholungswert von Natur und Landschaft auf Dauer gesichert sind. 26 Schutz bestimmter Biotope 1. Moore, Sümpfe, Röhrichte, seggen- und binsenreiche Nasswiesen, Bruch-, Moor-, Sumpf- und Auwälder, 2. Quellbereiche, natürliche oder naturnahe Bereiche fließender und stehender Binnengewässer einschließlich ihrer Ufer und der dazugehörigen uferbegleitenden natürlichen oder naturnahen Vegetation sowie ihrer natürlichen oder naturnahen Verlandungsbereiche, Altarme und regelmäßig überschwemmten Bereiche, 3. Trocken- und Halbtrockenrasen, magere Frisch- und Bergwiesen, Borstgrasrasen, Schwermetallrasen, Wacholder-, Ginsterund Zwergstrauchheiden, 4. Gebüsche und naturnahe Wälder trockenwarmer Standorte einschließlich ihrer Staudensäume, höhlenreiche Altholzinseln und höhlenreiche Einzelbäume, Schlucht-, Blockhalden- und Hangschuttwälder, 5. offene Felsbildungen, offene natürliche Block-, Schutt- und Geröllhalden, offene Binnendünen, Lehm- und Lösswände, 6. Streuobstwiesen, Stollen früherer Bergwerke sowie in der freien Landschaft befindliche Steinrücken, Hohlwege und Trockenmauern. Zerstörung oder nachhaltige Beeinträchtigungen der besonders geschützten Biotope sind verboten. 2 Informieren Sie sich über Naturschutzgebiete (Lage, Schutzziele) in der Nähe Ihrer Schule. Lösung entsprechend der Gegebenheiten vor Ort. 3 Erarbeiten Sie mithilfe des Internets eine Präsentation über Wolfspopulationen in Sachsen (Lebensweise, aktueller Bestand, Schutzprojekte, öffentliche Meinungen). Aktualisieren Sie die Daten im Zettelkasten. individuelle Lösung Umweltschutz unsere Verantwortung? (Seite 152) 1 Reflektieren Sie Ihren Standpunkt zu einem aktuellen Thema und überlegen Sie, inwiefern persönliche Handlungsweisen hierdurch beeinflusst werden. Bei der Bearbeitung dieser Aufgabe sind nur individuelle Lösungen möglich. Aspekte hierzu: Auffassung von der Stellung des Menschen zur Natur in den verschiedenen Religionen und bei Naturvölkern gegenüber der Bevölkerung in Industrienationen. Wichtig bei diesen Überlegungen ist es, innerhalb des persönlichen Standpunktes die Frage nach der eigenen Verantwortung für die Natur und die Folgen in der Zukunft zu klären. Material: Ökobilanzen (Seite 153) 1 Vergleichen Sie die Emissionsbelastung pro Person bei einer Fahrtstrecke von 1000 km bei Bahn und PKW mit geregeltem Katalysator. Die Belastung durch Bus und Bahn ist geringer als beim Individualverkehr. Der Vorteil der öffentlichen Verkehrsmittel liegt nur dann vor, wenn sie intensiv genutzt werden. Der Katalysator bringt nur bei Stickstoff- und Kohlenwasserstoffemissionen Vorteile, nicht jedoch bei den restlichen Abgasen. Das Flugzeug hat höhere CO 2-Emissionen. 2 Erklären Sie, warum Mehrwegflaschen im Nahbereich, Dosen jedoch im Fernbereich geringere Emissionen verursachen. Flaschen sind gegenüber den Dosen wesentlich schwerer, sowohl im gefüllten als auch im leeren Zustand. Hierdurch wird bei größeren Entfernungen mehr Energie zum Transport benötigt. Im Regionalbereich mit kurzen Strecken fällt dieser Aspekt nicht so ins Gewicht. 3 Entwickeln Sie anhand der Angaben einen Maßnahmenkatalog für umweltbewusstes Verhalten im Straßenverkehr, im Haushalt, beim Einkauf und bei der Ernährung. Bahn und Bus sind die Verkehrsmittel mit geringster Umweltbelastung. Bei Nahrungsmitteln kann man darauf achten, dass sie möglichst wenig verpackt sind, möglichst aus der eigenen Region stammen und nicht mit großem Ressourcenverbrauch produziert werden. Für das persönliche Verhalten beim Einkauf ergibt sich, dass Getränke in Flaschen aus dem regionalen Bereich vorteilhaft sind. Bei Produkten aus weit entfernt liegenden Produktionsorten sind die Dosen vorteilhaft. Zusatzinformation: Der Materialäquivalenzwert für Aluminium liegt ohne Recycling bei 171, mit Recycling bei 16. Der Wert für Weißblech liegt bei 34 und 20. Der Wert für Glas liegt bei 8 und 6. Der Materialäquivalenzwert geht von der Gewinnung der Rohstoffe über deren Transport bis zur Verarbeitung. Die Recyclingwerte beziehen sich auf eine 100%ige Recyclingquote. 28

29 4 Nehmen Sie Stellung zu den Texten zur Nutzung der Moore. Erörtern Sie hierbei die Sichtweise des Biozentrismus und Anthropozentrismus. Die beiden Texte zeigen die unterschiedlichen Aspekte bei der Betrachtung eines Phänomens. In Text 1 steht die Natur im Vordergrund, Text 2 stellt eine anthropozentrische Position dar. Beide Standpunkte sind in unserer Gesellschaft akzeptabel. Wichtig ist es hier, dass die Schülerinnen und Schüler ihren Standpunkt reflektieren. Hier können auch aktuelle Zeitungsartikel mit einbezogen werden. Klimawandel (Seite 154) 1 Erläutern Sie den Treibhauseffekt mithilfe von Abbildung 1. Das einfallende Sonnenlicht erwärmt die Erdoberfläche. Die Lichtstrahlung wird zu Infrarotstrahlung umgewandelt. 70 % der so entstandenen Infrarotstrahlung strahlt die Erde wieder ab. Bestimmte Gase (Treibhausgase) absorbieren ca. 30 % dieser Strahlung und die Temperatur der Atmosphäre steigt. Ozon oben Ozon unten (Seite 155) 1 Beschreiben Sie mithilfe von chemischen Gleichungen die Bildung und den Zerfall von Ozon in der Stratosphäre. Bildung von Ozon unter UV-Einstrahlung: O 2 2 O; O 2 + O O 3 Zerfall von Ozon unter UV-Einstrahlung: CFCl 3 CFCl 2 + Cl ; O 3 + Cl O 2 + ClO ; ClO + O O 2 + Cl ; O 3 + Cl... und so weiter (katalytischer Zyklus) Die Reaktionen sind hier stark vereinfacht dargestellt. 2 CFKW sind sehr stabile Verbindungen mit einer Lebensdauer von über 100 Jahren. Erläutern Sie das sich daraus ergebende Problem für aktuelle Schutzmaßnahmen der Atmosphäre. Das Verbot bzw. die Reduzierung des CFKW-Einsatzes werden sich erst langsam auswirken, da bereits in der Atmosphäre befindliches CFKW eine so lange Lebensdauer hat. 3 Recherchieren Sie aktuelle bodennahe Ozonwerte von Städten in Ihrer Nähe. Informieren Sie sich über Grenzwerte und bewerten Sie die Daten. individuelle Lösung, s. Tabelle O 3 (µg/m 3 ) Basiswert Schwellenwert für die Auslösung von Fahrverboten h-Mittelwert Schwellenwert für den Schutz der menschlichen Gesundheit h-Mittelwert Schwellenwert für die Unterrichtung der Bevölkerung h-Mittelwert Schwellenwert für die Auslösung des Warnsystems h-Mittelwert Schwellenwert für den Schutz der Vegetation h-Mittelwert Schwellenwert für den Schutz der Vegetation h-Mittelwert Richtwert für den Schutz der menschlichen Gesundheit / 2-h-Mittelwert 29

30 Humangenetik 1 Gene und Merkmale Erbgut und Umwelt (Seite 161) 1 Informieren Sie sich zur Gauß schen Verteilungskurve. Geben Sie wichtige Voraussetzungen für das Erstellen einer solchen Kurve an. Zitate aus Wikipedia: Die Normalverteilung (oder Gauß sche Glockenkurve) ist eine bei biologischen, psychologischen und soziologischen Variablen häufig zu beobachtende Idealform einer Häufigkeitsverteilung. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass mittlere Ausprägungen einer Variable am häufigsten vorkommen, während extreme Merkmalsausprägungen sehr selten sind. Grafisch dargestellte Normalverteilungen sind symmetrisch und haben einen glockenförmigen Verlauf. Eine Normalverteilung ist dann zu erwarten, wenn eine Variable von zahlreichen Faktoren beeinflusst wird, die voneinander unabhängig sind und additiv zusammenwirken. Dies gilt beispielsweise für Schulleistungen oder Intelligenz. (Preiser 2003, S. 57) Man hat festgestellt, dass diese glockenförmige Kurve die Häufigkeitsverteilung vieler menschlicher Eigenschaften beschreibt. Mathematisch gesehen tritt eine Normalverteilung immer dort auf, wo die Größe einer Variablen durch viele unabhängige Faktoren von, grob gesagt, gleicher Bedeutung bestimmt wird. (Gage & Gerliner 1986, S. 88f.) 2 Albinokaninchen und Russenkaninchen, die bei Temperaturen über 30 C gehalten werden, sind weiß gefärbt. Diskutieren Sie die unterschiedlichen Ursachen für das gleiche Aussehen. Beim Albinokaninchen beruht der Farbstoffmangel auf einer Mutation, beim Russenkaninchen ist die Aktivität eines dunkle Farbstoffe synthetisierenden Enzyms temperaturabhängig. Es handelt sich also um eine Modifikation. Mutationen beim Menschen Wirkungen, Diagnose und Therapie (Seite 163) 1 PKU-Kranke fallen durch eine besonders helle Haut, helle Haarfarbe und helle Augen auf. Begründen Sie diese Symptome anhand des Phenylalaninstoffwechsels. Die Nahrung enthält zu wenig Tyrosin, um den normalen Bedarf zu decken. Phenylalanin ist aber in so großer Menge enthalten, dass sie auch für den Tyrosin-Bedarf ausreicht. PKU-Kranken fehlt aber das Enzym zur Synthese von Tyrosin aus Phenylalanin. Dadurch entsteht bei PKU-Kranken ein Mangel an Tyrosin und allen daraus gebildeten Stoffen. Zu ihnen gehört auch der Farbstoff Melanin, der für die Färbung der Haut, der Haare und der Iris des Auges verantwortlich ist. 2 Erläutern Sie, was bei der Schwangerschaft einer PKU-kranken Frau zu beachten ist. Erwachsene PKU-Kranke erhalten meist eine vereinfachte Diät. Da ihr Gehirn ausgereift ist, verursacht ein etwas erhöhter Phenylalaninspiegel keine Schäden. Das überschüssige Phenylalanin gelangt über die Plazenta aber auch in den Blutkreislauf von Embryonen und Feten und kann dort unter Umständen nicht mit der nötigen Geschwindigkeit abgebaut werden. (Kinder einer PKU-Kranken sind ja zumindest heterozygot Träger des genetischen Defekts.) So können Schäden an den Nervenzellen der Ungeborenen entstehen. Schwangere PKU-kranke Frauen müssen also ähnlich wie PKU-kranke Kinder eine strengere Diät erhalten und regelmäßig auf einen überhöhten Phenylalaninstoffwechsel im Blut untersucht werden. 3 Galactosämie ist eine genetisch bedingte Störung des Zuckerstoffwechsels. Die Betroffenen können Galactose, einen Bestandteil des Milchzuckers, nicht abbauen. Folge ist unter anderem eine schwerwiegende Entwicklungsstörung des Gehirns. Entwickeln Sie eine Hypothese zur Veränderung der Stoffwechselvorgänge durch diese Mutation. Die Mutation bei Galactosämie betrifft ein Gen für eines der Enzyme des Galactose-Abbaus. Sind beide homologen Gene eines Menschen mutiert, so kann er Galactose nicht mehr abbauen. Es ergeben sich (ähnlich wie bei PKU) giftige Abbauprodukte, die die Entwicklungsstörung des Gehirns hervorrufen. Zur Diagnose wird beim Auftreten der Krankheit in einer der Familien der Eltern ein Heterozygotentest durchgeführt. Außerdem werden die Neugeborenen untersucht, ob sie Galactose abbauen können. Wir die Krankheit festgestellt, so können wieder durch die Gabe einer speziellen Diät die Folgeschäden verhindert werden. Die Kinder dürfen keine milchzuckerhaltigen Lebensmittel erhalten. Herkömmliche Babynahrung muss durch spezielle milchzuckerfreie Produkte ersetzt werden. Auch später sind Milchprodukte für die Kinder tabu. Die Chromosomentheorie der Vererbung (Seite 166) 1 Die Wissenschaftsgeschichte lehrt, dass sich revolutionierende Erkenntnisse oftmals dann ergeben, wenn verschiedene Disziplinen (z. B. Molekularbiologie, Biophysik, Anatomie, Physiologie) gemeinsam an einem Gegenstand forschen und auch ihre Methoden aufeinander abstimmen. Begründen Sie dies am Beispiel der Chromosomentheorie der Vererbung (Abb. 1). MENDEL entwickelte seine Vererbungslehre mit Methoden der Pflanzenzucht und Statistik. Aus seinen Erkenntnissen ließ sich bereits theoretisch auf eine stoffliche Grundlage der Erbanlagen schließen. Aber erst Methoden der Zellbiologie (Bedeutung des Zellkerns), der Medizin (Virulenz von Krankheitserregern), Physik (Röntgenbeugung) und der Chemie (Struktur der DNA) ließen die Identifikation des Erbträgers (DNA) zu. Die Informatik (Datenbank) ermöglichte die detaillierte Sequenzanalyse und den schnellen Informationsaustausch weltweit. 30

31 Material: Mitose und Meiose (Seite 167) 1 Skizzieren Sie nach dem Muster von Abb. 2 die Gesamtzahl aller Kombinationsmöglichkeiten bei 3 Chromosomenpaaren. Bei n Chromosomenpaaren bestehen 2 n unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten der homologen Chromosomen, bei n = 3 also 8 Möglichkeiten: AABBCC (3 homologe Chromosomenpaare) Nach der Meiose können folgende Chromosomenkombinationen in den Keimzellen entstehen: ABC, ABC, ABC; ABC, ABC, ABC, ABC; ABC 2 Ermitteln Sie die genaue Menge der verschiedenen Keimzellen, die ein Mensch produzieren kann. Für den Menschen gilt: Körperzellen haben 2n = 46 Chromosomen. Bei der Meiose entstehen Keimzellen mit n = 23 Chromosomen, Kombinationsmöglichkeiten 2 n = Dabei sind die neuen Kombinationen durch Crossingover noch nicht berücksichtigt. Die Wahrscheinlichkeit, dass 2 Keimzellen eines Menschen absolut identisch sind, ist also verschwindend gering. 3 Die Eltern können allein durch die Kombinationsmöglichkeiten in der Meiose jeweils etwa 8 Millionen verschiedene Keimzellen herstellen. Bestimmen Sie die Zahl der möglichen unterschiedlichen Zygoten mögliche Chromosomenkombinationen in den Keimzellen des Menschen kombiniert mit ebenso vielen in den Keimzellen der Frau ergibt x Möglichkeiten bei der Zygotenbildung (7,04 x ). 4 Beschreiben Sie die Vorgänge während der Meiose und ordnen Sie die Fotos Meiosestadien zu. Abb. a, b und c stellen Schritte der ersten Teilung dar. Dabei werden die homologen Chromosomen getrennt. Abb. d und e geben Phasen der 2. Teilung wieder. Hierbei werden die Zweichromatid-Chromosomen zu Einchromatid-Chromosomen. 5 Einige der abgebildeten Meiosestadien lassen sich eindeutig von Mitosestadien der gleichen Art unterscheiden. Erläutern Sie dieses. Das Resultat der Meiose sind vier (verschiedene) Keimzellen (s. Abb. c). Bei der Mitose entstehen aus einer Zelle zwei identische Zellen. 6 Erklären Sie, inwiefern man sagen kann, dass die Vorgänge bei der zweiten Reifeteilung den Abläufen bei der Mitose entsprechen. In beiden Fällen werden alle Zweichromatid-Chromosomen in der Zelle in Einchromatid-Chromosomen gespalten. 7 Vergleichen Sie Metaphase I und II. In der Metaphase I paaren sich homologe Chromosomen, es entstehen Chromatidentetraden, Crossingover ist möglich. In der Metaphase II besteht jedes Chromosom aus zwei Chromatiden, die anschließend voneinander getrennt werden. 8 Warum spricht man von einem Zellzyklus? Teilungsaktive Zellen durchlaufen immer wieder die gleichen Stadien. 9 Zeichnen Sie ein typisches Chromosom in der Wachstumsphase 1 und in Wachstumsphase 2. Wachstumsphase 1: Einchromatid-Chromosom; Wachstumsphase 2: Zweichromatid-Chromosom 10 Nimmt man die Zwiebeln aus dem Wasser, hören die Zellteilungen auf. In welcher Phase des Zellzyklus bleiben die Zellen stehen? Die Zellen bleiben in der Wachstumsphase 2 stehen. Eine letzte Verdopplung der Chromosomen und eine anschließende Teilung erfolgt noch. Die daran anschließende Wachstumsphase wird aber unterbrochen. Verfahren der Humangenetik (Seite 169) 1 Analysieren Sie die Familienstammbäume für Albinismus, erbliche Kurzfingrigkeit und Rot-Grün-Blindheit. Um welche Erbgänge handelt es sich jeweils? Bestimmen Sie den Genotyp möglichst vieler Individuen. Das Allel für Albinismus ist rezessiv, das Allel für erbliche Kurzfingrigkeit ist dominant. Rot-Grün-Blindheit hat (wahrscheinlich) einen X-chromosomalen Erbgang, da nur Söhne betroffen sind. Das Allel für Rot-Grün-Blindheit muss rezessiv sein, weil nicht merkmalstragende Eltern Kinder bekommen, die das Merkmal tragen. Die in der Randspalte vorgeschlagenen Genotypen sind teilweise spekulativ. Beim X-chromosomal gebundenen Erbgang sind die Genotypen männlicher Träger eindeutig, alle Frauen müssen heterozygot sein, da sie das Merkmal phänotypisch nicht aufweisen, jedoch Söhne mit dem Merkmal haben. 2 Begründen Sie, warum Hämophilie A bei Frauen wesentlich seltener auf als bei Männern auftritt. Sie muss in Bezug auf Hämophilie A homozygot sein (Mutter Überträgerin oder krank und Vater krank). 3 Welche Personen fungieren bei der Hämophilie A (Abb ) als Konduktorinnen? Begründen Sie, indem Sie den Stammbaum der Fürstenhäuser analysieren. Alle Frauen, die nicht an Hämophilie A leiden aber kranke Söhne bekommen, sind Konduktorinnen. 31

32 4 Genetisch bedingte Erkrankungen werden mit verschiedenen Verfahren wissenschaftlich untersucht. Stellen Sie eine Tabelle zur Hämophilie A zusammen, in der die Erkenntnisse aus Klassischer Genetik, Cytogenetik, Molekularbiologie und Biochemie aufgelistet sind. siehe Tabelle Klassische Genetik Cytogenetik Molekularbiologie Biochemie X-chromosomal rezessiver Erbgang Das rezessive Hämophilie-A-Allel ist auf dem X-Chromosom gelegen Das Faktor VIII-Gen besteht aus 2351 Codons, verteilt über 26 Exons. Den schweren Krankheitsausprägungen liegen Deletionen zugrunde. Patienten fehlt Faktor VIII der Blutgerinnungskaskade. Das Protein besitzt 1997 Aminosäuren, es liegt im Blut gesunder in einer Konzentration von 0,5 1,0 mg/mol vor Gonosomale Chromosomenabweichungen (Seite 170) 1 In welcher Reifeteilung muss bei der Entstehung der Spermienzellen eine fehlende Trennung stattfinden, damit bei anschließender Befruchtung das Diplo-Y-Syndrom zustande kommen kann? Die 1. Reifeteilung verläuft normal. Es entsteht eine Zelle mit einem X- und eine Zelle mit einem Y-Chromosom. Wenn die beiden Y-Chromatiden dieser Zelle in der 2. Reifeteilung nicht getrennt werden (Nondisjunction), entsteht ein Spermium mit zwei Y-Chromosomen, das bei Befruchtung einer normalen Eizelle zum Diplo-Y-Syndrom (47, XYY) führt. 2 Informieren Sie sich z.b. bei Selbsthilfegruppen über medizinische und gesellschaftliche Probleme von Menschen, die vom Turner- und Klinefelter-Syndrom betroffen sind. Stellen sie deren Aussagen denen der Tabelle kritisch gegenüber. individuelle Lösung Das Down-Syndrom (Seite 172) 1 Informieren Sie sich, wie Karyogramme angefertigt werden. Weiße Blutzellen werden bei 37 C in einer Nährlösung zur Teilung angeregt. Mit dem Wirkstoff Colchicin lassen sich die Zellteilungen in der Metaphase stoppen. Die Zellen werden so auf einen Objektträger getropft, dass die Zellkerne zerplatzen und die Chromosomen eines Zellkerns jeweils beieinander liegen. Chromosomen werden angefärbt und mikroskopiert. Sie werden je nach Typ und Länge sortiert. So entsteht ein Karyogramm. 2 Eine freie Trisomie 21 kann auch auf eine fehlende Chromosomentrennung (Nondisjunction) in der Meiose I zurückgehen. Entwerfen Sie ein Schema analog zur Randspaltenabbildung. siehe Abbildung 32