Bitte lesen Sie die folgenden Hinweise sorgfältig durch bevor Sie mit dem Lösen der Aufgaben beginnen.

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1 GYMNASIUM MUTTENZ MATURITÄTSPRÜFUNGEN 2008 FACH: Biologie TITEL EF: Verhalten Bitte lesen Sie die folgenden Hinweise sorgfältig durch bevor Sie mit dem Lösen der Aufgaben beginnen. Die Prüfung umfasst 4 Teilbereiche. Beginnen Sie für jedes Thema mit einem neuen Blatt. Ziehen Sie bitte nach jeder Aufgabe einen Strich. Antworten Sie in kurzen Sätzen und drücken Sie sich unmissverständlich aus. Schreiben Sie nicht mit Bleistift, und streichen Sie Ungültiges vollständig durch. Alle Antworten müssen vollständig, nachvollziehbar und der zugehörigen Aufgabe eindeutig zugeordnet sein. Die Reinschrift ist oben rechts mit Name und R zu bezeichnen. Am Ende der Prüfung sind Aufgabenblatt, Reinschrift und sämtliche Notizen abzugeben. Hilfsmittel: keine Maximale Punktzahl: 66 P Wir wünschen Ihnen viel Erfolg! 1

2 TEIL 1: VERHALTENSBIOLOGIE (34 P) Aufgabe 1: Verhalten ein Überblick (14 P) a. Man hat beobachtet, dass Schmutzgeier Steine zum Aufschlagen von Strausseneiern verwenden. Wie würden Sie als Verhaltensbiologe vorgehen, um herauszufinden, ob es sich dabei um angeborenes oder erlerntes Verhalten handelt? (2 P) b. Im oben geschilderten Fall hat sich herausgestellt, dass es sich um eine Instinkthandlung handelt. Bedeutet dies, dass ein Schmutzgeier die Handlung nach 4 Jahren genau gleich ausübt, wie als Jungvogel? Erläutern Sie. (2 P) c. PCB (polychlorierte Biphenyle) fanden zum Beispiel Verwendung als Weichmacher in Farben, als Additive in Kitten, als Wärmeaustauschflüssigkeit und als Hydraulikmittel. Aufgrund der hohen Toxizität ist deren Verwendung und Ausbreitung heute sehr stark begrenzt. Da dies aber stabile Stoffe sind, gelangen sie noch immer in grosser Menge in die Umwelt und reichern sich in der Nahrungskette an. Sie arbeiten als Verhaltensbiologe in einem Forscher-Team und haben die Aufgabe die Auswirkung der Toxizität von PCB auf das Verhalten von Mensch und Tier zu untersuchen. Schlagen Sie eine geeignete Vorgehensweise vor. Begründen Sie dabei die Wahl der Tierart, der Untersuchungs- und Auswertungsmethode und stellen Sie eine Hypothese auf zu den erwarteten Resultaten, die Sie begründen. (4 P) d. dieselbe Erscheinung betraf einen Weissen Pfauhahn des Schönbrunner Tiergartens. Als ebenfalls letzten Überlebenden einer früh geschlüpften und vom schlechten Wetter vernichteten Pfauenbrut brachte man ihn in den wärmsten Raum, der damals, in der Zeit nach dem ersten Weltkriege, zur Verfügung stand, nämlich zu den Riesenschildkröten. Der unglückliche Vogel balzte später sein ganzes Leben hindurch nur vor Riesenschildkröten und blieb blind und taub für die Reize der schönsten Pfauenhennen! (Konrad Lorenz) Bezeichnen Sie den Lernvorgang und nennen Sie charakteristische Merkmale. (2 P) e. An fünf aufeinander folgenden Tagen klopft es jeweils vor der Fütterung an die Aquarienscheiben. Am sechsten Tag ertönt nur das Klopfen. Der hier lebende Zwergwels verlässt sein Versteck und beginnt sofort mit der Futtersuche. Erklären Sie das Verhalten des Fisches unter Verwendung passender ethologischer Fachbegriffe (2 P) f. Vom britischen Populationsgenetiker Haldane wird berichtet, dass er auf die Frage, ob er sei Leben für seinen Bruder opfern würde, antwortete: Für einen nicht, wohl aber für drei- oder auch für neuen Cousins. Erläutern Sie diese Aussage (auch quantitativ mit Zahlen) aus soziobiologischer Sicht. (2 P) 2

3 Aufgabe 2: Wie Bienen ihr Futter auffinden (6 P) Information: Wenn Bienen auf der Suche nach Nahrung (Pollen und Nektar) ausfliegen, können sie ergiebige Futterquellen wieder finden. Aus Experimenten weiß man, dass sie sich dabei am Sonnenstand und an Geländemarken orientieren können. Zwei Experimente sollen Aufschluss darüber geben, ob verschiedene Bienenrassen unterschiedlich gut lernen und wie groß der Einfluss von auffälligen Merkmalen beim Wiederfinden der Futterquelle ist. Versuch A Zwei verschiedenen Honigbienenrassen (Ligustica-Bienen und Carnica-Bienen) wurde in einiger Entfernung vom Stock ein Schälchen mit Zuckerwasser geboten, einer künstlichen Nahrung, die Bienen gut annehmen. Die Tiere waren so markiert, dass man erkennen konnte, welche Bienen sich wiederholt am Futterplatz einfanden. Da sie bei jedem Verweilen an der Futterschale mit Zuckerwasser belohnt wurden, galt jeder Anflug als Lernakt. Aus den Beobachtungen wurde errechnet, mit welcher durchschnittlichen Wahrscheinlichkeit die Bienen nach einem Besuch bei der Futterquelle dorthin zurückkehrten (Abb. 1a). Der gleiche Versuch wurde wiederholt, nachdem man in der Nähe der Zuckerwasserschale einen farbigen Turm als auffälligstes Merkmal platziert hatte (Abb. 1b). Abb. 1a Lernen ohne Orientierungsmarke Abb. 1b Lernen mit Orientierungsmarke Versuch B Bienen beider Rassen wurden mit Zuckerlösung auf einen Futterplatz dressiert, wobei sich auf einem Tisch ein Schälchen mit Zuckerlösung befand, das auf einer sternförmigen Figur stand. Danach wurde die Figur auf dem Tisch verschoben (Abb. 2), während die Futterschale an ihrem alten Platz blieb. Nun wurde registriert, ob die zurückkehrenden Bienen am Futterschälchen (Dressurort) oder an der Figur (Form) landeten (Abb. 3). Abb. 2 Versuchsanordnung Aufgaben Abb. 3 Wahl der Alternativen a. Leiten Sie aus den Ergebnissen beider Versuche Aussagen über die Lernfähigkeit der beiden Bienenrassen und den Einfluss von Orientierungshilfen ab. (4 P) b. Carnica-Bienen kommen in Regionen mit längeren Schlechtwetterperioden vor, während man Ligustica- Bienen in Italien findet. Erläutern Sie, die biologische Bedeutung der unterschiedlichen Lernfähigkeit? (2 P) 3

4 Aufgabe 3: Schöne Flieger (8 P) Die in Kenia vorkommenden Hahnschweif-Widafinken (Euplectes progne) sind etwa sperlingsgrosse Vögel. Die Männchen sind etwa um ein Drittel grösser als die Weibchen. Männliche Hahnschweif-Widafinken verteidigen zur Brutsaison Brutterritorien, die etwa ein halbes bis zu drei Fussballfeldern gross sind, gegenüber anderen Männchen. Der Revierbesitzer verpaart sich mit mehreren Weibchen (Polygenie), die in seinem Territorium ihre Nester bauen. Männliche Hahnschweif-Widafinken tragen in der Brutsaison ein auffälliges, bis zu 50 cm langes Schwanzgefieder. Die Schwanzfedern der Weibchen sind nur 7 cm lang. Wenn die Männchen mit langsamen Flügelschlägen im Tiefflug über ihr Territorium fliegen, breiten sie das Schwanzgefieder aus, sodass es einen tiefen, V-förmigen Kiel bildet (vgl. Abb. 1). Die balzenden Männchen sind für Weibchen im offenen Grasland fast einen Kilometer weit sichtbar. Bei intrasexuellen Auseinandersetzungen um den Besitz von Territorien entfalten die Männchen ihr Schwanzgefieder nicht. Anfang der 80er Jahre kartierte M. Andersson zu der Brutzeit die Brutterritorien von 36 Widafinken-Männchen. Nach dem Zufallsprinzip wurden die Männchen in vier Gruppen eingeteilt. In allen Brutterritorien wurde die Anzahl der Nester ermittelt, die die Weibchen angelegt hatten. Im Versuch wurden in einer Gruppe die Schwanzfedern der Männchen auf etwa 14 cm gekürzt. Bei den Männchen einer zweiten Gruppe wurde das Schwanzgefieder um cm verlängert. Die Männchen der beiden anderen Gruppen bildeten die Kontrollen: Bei den einen blieben die Federn unversehrt (Kontrolle II), bei den anderen wurden die Schwanzfedern abgeschnitten und anschliessend wieder angefügt (Kontrolle I). Nach einiger Zeit wurde ermittelt, wie viele Nester in den Territorien der unterschiedlich behandelten Männchen dazugekommen waren (Abb. 2b). Männchen mit gekürztem Schwanzgefieder erhöhten die Häufigkeit ihrer Balzflüge durchschnittlich um 10%; offenbar fiel ihnen das Fliegen jetzt leichter. Im Gegensatz dazu verringerten die Männchen mit verlängertem Schwanz ebenso wie die Kontrollen ihre Flugaktivität bei der Balz um 40 50%. Abb. 1: Hahnschweif-Widafinken: Weibchen (a) und Männchen beim Balzflug (b) Abb. 2: a. Durchschnittliche Anzahl an Nester im Brutterritorium von Abb. 2: a. durchschnittliche Anzahl an Nester im Brutterritorium von Widafinken- Männchen (willkürliche Einteilung in Gruppen) b: durchschnittliche zusätzliche Nesterzahl nach Behandlung der Schwanzfeder a. Beschreiben Sie das Phänomen Sexualdimorphismus und erläutern Sie seine evolutive Entstehung. (2 P) b. Analysieren Sie das Material und erklären Sie die evolutive Entstehung des Grössen-Sexualdimorphismus sowie des prächtigen Schwanzgefieders bei Männchen der Hahnschweif-Widafinken. (4 P) c. Diskutieren Sie an diesem Beispiel, ob sich in der Evolution auch Merkmale entwickeln können, die sich für ihren Besitzer als Nachteil erweisen können. (2 P) 4

5 Aufgabe 4: Gegenseitigkeit bei Vampiren (6 P) a. Vergleichen Sie Gewichtszunahme und verlust sowie Zeitgewinn und verlust für die beteiligten Partner und erläutern Sie, welche Vor- bzw. Nachteile für sie entstehen. (2 P) b. Erläutern Sie die Vor- und Nachteile für verwandte und nichtverwandte Individuen mit den Begriffen von Fitnessgewinn bzw. verlust. (2 P) c. Begründen Sie genau, warum es biologisch sinnvoll ist, dass Vampire nur an sehr vertraute Nichtverwandte Futter spenden. (2 P) 5

6 TEIL 2: GENETIK (16 P) Aufgabe 6: Muskeldystrophie eine Erbkrankheit in verschiedener Ausprägung (16 P) Erbkrankheiten entstehen durch Mutationen von Genen. Man unterscheidet zwischen unterschiedlichen Formen von Mutationen. Muskeldystrophie ist eine Erbkrankheit, die je nach Mutation verschieden stark ausgeprägt sein kann. Abb. 1: Stammbaum einer Familie mit Muskeldystrophie. Bem.: Überträger und Überträgerinnen sind nicht gekennzeichnet. ATG GTG AAG GTC GGT GTG AAC GGA TTT GGC CGT ATT GGG CGC CTG GTC Met Val Lys Val Gly Val Asn Gly Phe Gly Arg Ile Gly Arg Leu Val Abb. 2: Teilsequenz des normalen Muskeldystrophie-Gens. Bei einer Genanalyse von Patienten werden mehrere unterschiedliche Sequenzen dieses Gens gefunden: 1. ATG GTG AAG GTC GGT GTG AAC GGA TGT TGG CCG TAT TGG GCG CCT GGT C Met Val Lys Val Gly Val Asn 2. ATG GTG AAG GTC GGT GTG AAC GGA TTC GGC CGT ATT GGG CGC CTG GTC Met Val Lys Val Gly Val Asn Gly Phe Gly Arg Ile Gly Arg Leu Val 3. ATG GTG AAG GTC GGT GTG AAG GGA TTT GGC CGT ATT GGG CGC CTG GTC Met Val Lys Val Gly Val Lys Gly Phe Gly Arg Ile Gly Arg Leu Val 4. ATG GTG AAG GTC GGT GTG AAC TGA TTT GGC CGT ATT GGG CGC CTG GTC Abb. 3: Bei einer Genanalyse von Patienten festgestellte veränderte Sequenzen des oben gezeigten Teilbereichs des Muskeldystrophie-Gens. Abb. 4: Code-Sonne a. Analysieren Sie den Stammbaum (Abb. 1). Geben Sie den wahrscheinlichsten Vererbungsmodus der Muskeldystrophie an und begründen Sie Ihre Angaben. (2 P) 6

7 b. Tragen Sie mögliche Überträger / Überträgerinnen (KonduktorInnen) in den Stammbaum ein. (2 P) c. Für welche der Frauen im Stammbaum besteht die geringste Wahrscheinlichkeit, dass sie eine heterozygote Trägerin (Konduktorin) ist: III-1, III-3, oder III-5? Begründen Sie. (2 P) d. Skizzieren Sie den Vorgang der Proteinbiosynthese und beschriften Sie Ihre Darstellung mit den nötigen Fachbegriffen (4 P) e. Vervollständigen Sie mit Hilfe der Abb. 4 die Aminosäuresequenz für Genabschnitt 1 und geben Sie die Aminosäuresequenz an, für welche Genabschnitt 4 codiert. (2 P) f. Analysieren Sie die Mutationen 1 4. Geben Sie an, wie sich die Mutationen auf das zugehörige Protein auswirken. (2 P) g. Begründen Sie, welche der obigen Mutationen eher für die schwere Duchenne-Form und welche eher für die leichtere Becker Form verantwortlich gemacht werden können. (2 P) TEIL 3: NERVENSYSTEM (10 P) Aufgabe 7: Gifte beeinflussen die Synapse! (10 P) E 605, Atropin, Curare, Botulin und das Gift der Schwarzen Witwe entfalten ihre Giftwirkung alle an der Synapse. Um die Giftwirkung aufzuklären, untersuchte man verschiedene Prozesse. In den folgenden Abbildungen sehen Sie die Wirkung der Gifte auf: A. die Acetylcholinkonzentration im synaptischen Spalt (Acetylcholin: Neurotransmitter, z. B. an der neuromuskulären Endplatte) B. den Na + -Einstrom in die postsynaptische Membran, C. die Konzentration der Spaltprodukte des Acetylcholins im synaptischen Spalt, entstanden durch Einwirkung des Enzyms Acetylcholinesterase. a. Erläutern Sie mit Hilfe einer beschrifteten Skizze den Aufbau einer Synapse. (2 P) b. Vergleichen Sie die Signalweiterleitung im Axon mit der an der Synapse und begründen Sie die unterschiedliche Geschwindigkeit. (2 P) c. Erläutern Sie die Wirkung des Giftes E 605 und des Atropins auf die Synapse. (2 P). d. Welche Auswirkungen haben diese beiden Gifte auf den Organismus? (2 P). e. Warum kann Atropin als Gegenmittel bei einer E 605-Vergiftung gegeben werden, nicht aber umgekehrt? (2 P) 7

8 TEIL 4: HORMONSYSTEM (6 P) Aufgabe 8: Hormone als Ursache für Schilddrüsenerkrankungen (6 P) Schilddrüsenhormone spielen eine wichtige Rolle in der Regelung des Energieumsatzes des Körpers, der Aktivität des Nervensystems sowie hinsichtlich des Wachstums und der Gehirnreifung. Liegt zu wenig oder zu viel Schilddrüsenhormon vor, führt dies zu schwerwiegenden Krankheitsbildern. Schilddrüsenunterfunktion Eine Schilddrüsenunterfunktion ist häufig durch Mangel an Iodsalzen, die zur Synthese der Schilddrüsenhormone notwendig sind, bedingt. Deutschland ist ein Iodmangelgebiet, d. h. dass zu wenig Iod über das Trinkwasser und die Nahrung aufgenommen werden kann (der tägliche Iodbedarf eines Erwachsenen pro Tag (RDA) wird mit 130 µg angegeben). Das aufgenommene Iod wird fast ausschließlich in der Schilddrüse gespeichert. Zur Vorsorge ist es sinnvoll, iodiertes Speisesalz zu verwenden oder stärker iodhaltige Lebensmittel wie Seefisch (z. B. Schellfisch, Seelachs und Scholle), Salat und Milchprodukte zu essen. 1 bis 2 % aller alten Menschen in Deutschland haben eine Schilddrüsenunterfunktion, deren Symptome, wie z. B. Müdigkeit, Antriebslosigkeit und Verstopfung, häufig fälschlicherweise als Altersdepression verkannt werden. Ein anderer Grund für eine Schilddrüsenunterfunktion kann die Zerstörung des Schilddrüsengewebes, z. B. durch Schilddrüsenentzündungen, sein. Schilddrüsenüberfunktion Eine Schilddrüsenüberfunktion wird zu etwa 50 % dadurch verursacht, dass sich einzelne Areale der Schilddrüse dem Regelmechanismus (s. Abb. 1) der Hypophyse entziehen und auch ohne TSH (Schilddrüsen stimulierendes Hormon) Schilddrüsenhormone wie Thyroxin produzieren. Fast genauso häufig ist eine nach dem Merseburger Arzt KARL VON BASEDOW ( ) benannte Basedow sche Schilddrüsenüberfunktion, bei der der Körper Antikörper produziert, die die Schilddrüse stimulieren. Abb. 1 Regelmechanismus der Schilddrüsenhormonproduktion Abb. 2 Szintigramm der Schilddrüse a. Vor Schilddrüsenuntersuchungen wird den Patienten während 10 Tagen eine hohe Dosis Thyroxin verabreicht. Erklären Sie die Folgen dieser Behandlung anhand des Regelkreises. (2 P) b. Eine wichtige funktionelle Untersuchungsmethode der Schilddrüse ist die Szintigraphie. Dabei wird u.a. radioaktives Iod-123-Natriumiodid gegeben (ein radioaktives Isotop von Iod mit einer sehr kurzen Halbwertszeit von 13 Stunden). Nach Gabe von Iod-123-Natriumiodid wird die radioaktive Strahlung mittels eines Strahlendetektors über der Schilddrüse gemessen. Ein Beispiel für das Ergebnis einer Szintigraphie zeigt Abb. 2. Vor der Szintigraphie werden Patienten immer, wie in Aufgabe 1 beschrieben, vorbehandelt. Abb. 2 zeigt die Szintigraphie einer Schilddrüsenerkrankung. Beschreiben Sie, wie ein normales Szintigramm aussehen müsste. Begründen Sie Ihre Antwort. (2 P) c. Um bei einer Schilddrüsenerkrankung feststellen zu können, in welchem Teil des Regelkreises die Funktionsstörung vorliegt, wird der TRH-Bluttest durchgeführt. Dazu werden vor und nach Gabe von TRH die Schilddrüsenhormone und TSH bestimmt. Bei einem Patienten wurde festgestellt, dass sich nach TRH- Gabe nur das TSH erhöht hat. Wo liegt die Funktionsstörung vor? Begründen Sie. (2 P) 8