KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT. Abitur Januar/Februar Biologie (Leistungskurs)

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1 KULTUSMINISTERIUM DES LANDES SACHSEN-ANHALT Abitur Januar/Februar 2003 Biologie (Leistungskurs) Einlesezeit: Bearbeitungszeit: 30 Minuten 300 Minuten Thema 1 Die Kartoffelpflanze und ihre Schädlinge Thema 2 Kohlenstoffverbindungen Grundlagen der molekularen Komplexität alles Lebenden Thema 3 Zellbiologische Prozesse und ihre gentechnische Beeinflussung

2 Thema 1: Die Kartoffelpflanze und ihre Schädlinge 1 Die zu den Nachtschattengewächsen (Solanaceae) gehörende Kartoffelpflanze wurde 1569 von Südamerika nach Europa gebracht. Seit Mitte des 18. Jahrhunderts wird sie als Nutzpflanze angebaut. Seither hat sie an Bedeutung als Grundnahrungsmittel gewonnen. 1.1 Weisen Sie den in der Kartoffel enthaltenen Hauptnährstoff Stärke in einem Experiment nach. Fertigen Sie dazu ein Protokoll an. 1.2 Erläutern Sie das Wesen von Verdauungsprozessen am Beispiel der Kohlenhydratverdauung beim Menschen. Die Aufnahme von Glucose aus dem Darmlumen wurde auch in Tierversuchen untersucht. Interpretieren Sie die im Material 1 dargestellten Untersuchungsergebnisse. 1.3 In dem Diagramm im Material 2 sind einige Messwerte aus Versuchsreihen zur Enzymaktivität eingetragen. Vervollständigen Sie die Kurve auf dem Arbeitsblatt und erklären Sie den gesamten Kurvenverlauf. Fügen Sie das Arbeitsblatt Ihren Aufzeichnungen bei. 2 Für die Gewährleistung einer guten Qualität von Kartoffeln sind auch Kenntnisse über die Vermehrung von Bedeutung. 2.1 Im Material 3 werden verschiedene Möglichkeiten zur Vermehrung einer ausgewählten Kartoffelpflanze beschrieben. Vergleichen Sie diese tabellarisch nach fünf selbst gewählten Kriterien. 2.2 Leiten Sie Ziele ab, welche die Anwender mit den Vermehrungsformen (Beispiele A, B und C) verfolgen können und begründen Sie Ihre Auffassungen. 3 Für die Kartoffelpflanzen sind neben bestimmten Pilzarten, wie dem Kartoffelmehltau, Kartoffelkäfer besonders gefürchtete Schädlinge. 3.1 Die Bekämpfung des Kartoffelkäfers kann über das Insektizid Carbaryl erfolgen. Das Carbaryl hemmt das Enzym Cholinesterase irreversibel. Erläutern Sie Bau und Funktion einer chemischen Synapse mithilfe einer beschrifteten Skizze. Erklären Sie davon ausgehend die Folgen der Wirkung des Carbaryl auf den Kartoffelkäfer bzw. seine Larven. 3.2 Erstellen Sie unter Nutzung von Material 4 eine grafische Darstellung, die eine mögliche Entwicklung der Populationen von Kartoffelkäfer und der angegebenen Raupenfliege zeigt und begründen Sie die Kurvenverläufe.

3 Thema 1: Die Kartoffelpflanze und ihre Schädlinge Material 1 zur Aufgabe 1.2: Glucoseresorption im Dünndarm bei Versuchstieren Abbildung 1: Schematische Darstellung der Glucoseresorption Abbildung 2: Sauerstoffverbrauch von Darmzellen bei reiner Glucosefütterung der Versuchstiere Nach: Jannan, M., Materialien Biologie, Dissimilation, Stark Verlag, B

4 Thema 1: Die Kartoffelpflanze und ihre Schädlinge Material 2 zur Aufgabe 1.3: Arbeitsblatt Abhängigkeit der Enzymaktivität von der Temperatur Aus: Abitur, Prüfungsaufgaben mit Lösungen, Biologie-Leistungskurs, Gymnasium Baden- Württemberg, Stark Verlag 1994, S Name des Prüflings:

5 Thema 1: Die Kartoffelpflanze und ihre Schädlinge Material 3 zur Aufgabe 2.1: Möglichkeiten der Vermehrung von Kartoffelpflanzen A B Die Kartoffelpflanze bildet an unterirdischen Teilen des Sprosses Knollen aus, die Kartoffeln. Aus diesen Knollen werden neue Pflanzen aufgezogen. An derselben Kartoffelpflanze bilden sich aus den Blüten grüne, kugelige Früchte, aus deren Samen Kartoffelpflanzen herangezogen werden. C Aus Staubbeuteln von Blüten der gleichen Kartoffelpflanze werden, wie nachfolgend aufgeführt, ebenfalls neue Kartoffelpflanzen gewonnen. Mit einer besonderen Züchtungstechnik lassen sich bei manchen Pflanzen aus Antherenkulturen haploide Pflanzen erzeugen. Dazu bringt man Staubbeutel (Antheren) diploider Pflanzen mit unreifen Pollen, z. B. von der Kartoffel, auf besondere Nährböden. Die unreifen Pollenkörner in den Staubbeuteln werden innerhalb mehrerer Tage mehrkernig und entwickeln sich zu kleinen undifferenzierten Zellhaufen. Diese durchbrechen nach 6 8 Wochen die Wand des Staubbeutels. Ein Teil der Zellhaufen bildet kleine, schwachwüchsige haploide Pflanzen mit 12 Chromosomen in den Zellkernen. Die sich teilenden Zellen in den Meristemen 1 dieser Pflänzchen werden nun mit Cholchizin behandelt und dadurch diploidisiert. In ihren Zellkernen liegen also alle Allele homozygot vor. So sind auch die rezessiven Allele phänotypisch ausgeprägt. 1 Meristem teilungsfähiges Grundgewebe Aus: Hafner, L. und Hoff, P., Genetik, Materialien für den Sekundarbereich II Biologie, Schroedel Schulbuchverlag Material 4 zur Aufgabe 3.2: Informationen über den Kartoffelkäfer Der Kartoffelkäfer wurde aus Nordamerika über Frankreich nach Europa eingeschleppt und vermehrte sich hier außergewöhnlich stark. Ein Weibchen kann bis zu 800 Eier ablegen und eine Vermehrung bis zu drei Generationen pro Jahr ist bei günstigen Witterungsbedingungen möglich. Die Kartoffelkäferlarven (Raupen) ernähren sich von den grünen Blättern der Kartoffelpflanzen und führen ohne Behandlung (Schädlingsbekämpfung) häufig zum Kahlfraß großer Anbauflächen und damit zu Ernteausfällen. Zur Bekämpfung des Kartoffelkäfers wird von russischen Wissenschaftlern daran gearbeitet, die nordamerikanische Raupenfliege (Doryphorophaga doryphorae) anzusiedeln, die ihre Eier spezifisch nur in Kartoffelkäferlarven legt. Die Larven der Raupenfliege entwickeln sich auf Kosten der Käferlarven und führen zu deren Tod. Dadurch kann die Populationsentwicklung auch des Kartoffelkäfers beeinflusst werden. Nach: Jannan, M., Materialien Biologie, Ökosystem H , Stark Verlag

6 Thema 2: Kohlenstoffverbindungen Grundlagen der molekularen Komplexität alles Lebenden 1 Kohlenstoffatome sind Bausteine vielfältiger Moleküle in Strukturen von Organismen. Entwickeln Sie ein ausführliches Schema zum Kohlenstoffkreislauf, in welchem auch Beispiele für Makromoleküle als stoffliche Grundlagen der Organismen ausgewiesen sind. 2 Der Austausch von Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff zwischen Organismen und Umwelt ist an spezielle biologische Strukturen gebunden. 2.1 Vergleichen Sie die Prozesse des Gasaustausches bei den im Material 1 dargestellten Beispielen. Berücksichtigen Sie dabei die Struktur-Funktions-Zusammenhänge. 2.2 Erläutern Sie den biochemischen Prozess der Zellatmung und die biologische Bedeutung des Prozesses für den Organismus unter Nutzung des Materials Fertigen Sie ein Abzugspräparat der unteren Epidermis von Blättern des Ihnen vorgelegten Pflanzenmaterials an und stellen Sie die Ergebnisse der mikroskopischen Betrachtung eines typischen Bildausschnittes Ihres Präparates in einer beschrifteten Skizze dar. 3 An der Realisierung der genetischen Information sind unterschiedliche Kohlenstoffverbindungen beteiligt. 3.1 Stellen Sie den Verlauf der Proteinbiosynthese dar und kennzeichnen Sie die daran beteiligten unterschiedlichen Kohlenstoffverbindungen. 3.2 Im Material 3 ist ein Molekülausschnitt des Proinsulins dargestellt. Geben Sie für diesen Ausschnitt eine mögliche DNA-Basensequenz an. Beurteilen Sie die Folgen des Basenaustauschs an den Positionen 3 und 6 sowie den Basenverlust an der Position Die Weitergabe genetischer Informationen kann relativ stabil verlaufen, sie kann aber auch zur Variabilität von Merkmalen im Organismus führen. Erstellen Sie für das angegebene Beispiel im Material 4 das Kreuzungsschema für die zu erwartenden Nachkommen. Geben Sie alle möglichen Phänotypen der Nachkommen und deren Zahlenverhältnis an.

7 Thema 2: Kohlenstoffverbindungen Grundlagen der molekularen Komplexität alles Lebenden Material 1 zur Aufgabe 2.1: Beispiele für biologische Strukturen des Gasaustausches bei Organismen Laubblattquerschnitt (Schemazeichnung) Aus: Biologie heute S II, Lehrerhandbuch Sek II, Band 1, Schroedel Verlag GmbH, Hannover 1990, S. 78 Beispiele aus dem Tierreich Aus: Campbell, A., Biologie, Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg-Berlin- Oxford 1998, S. 917

8 Thema 2: Kohlenstoffverbindungen Grundlagen der molekularen Komplexität alles Lebenden Material 2 zur Aufgabe 2.2: Wesentliche Reaktionsschritte der Zellatmung (vereinfachte Darstellung)

9 Thema 2: Kohlenstoffverbindungen Grundlagen der molekularen Komplexität alles Lebenden Fortsetzung Material 2 zu Aufgabe 2.2:

10 Thema 2: Kohlenstoffverbindungen Grundlagen der molekularen Komplexität alles Lebenden Material 3 zur Aufgabe 3.2: Molekülausschnitt der Primärstruktur des Insulins Molekülrest... Gly - Ile - Val - Glu - Gln - Cys - Cys - Thr - Molekülrest des Pro- des Proinsulins insulins Nach: Gotthard, W., Basiswissen Biologie 6, Hormone Chemische Botenstoffe, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart-Jena 1993, S. 47 Der genetische Code mit der m-rna in Tabellenform (Leserichtung ist 5 3 ) Erste Base Zweite Base Dritte Base 5 -Ende U C A G 3 -Ende U Phe Phe Leu Leu Ser Ser Ser Ser Tyr Tyr Stopp Stopp Cys Cys Stopp Trp U C A G C A G Leu Leu Leu Leu Ile Ile Ile Met (Start) Val Val Val Val Pro Pro Pro Pro Thr Thr Thr Thr Ala Ala Ala Ala His His Gln Gln Asn Asn Lys Lys Asp Asp Glu Glu Arg Arg Arg Arg Ser Ser Arg Arg Aus: Miram, W. und Scharf, K.-H. (Hrsg.), Biologie heute S II, Schroedel Verlag GmbH, Hannover 1997, S. 195 Gly Gly Gly Gly U C A G U C A G U C A G Aminosäuren: Ala = Alanin Ile = Isoleucin Arg = Arginin Lys = Lysin Asn = Asparagin Met = Methionin Asp = Asparaginsäure Phe = Phenylalanin Cys = Cystein Pro = Prolin Gln = Glutamin Ser = Serin Glu = Glutaminsäure Thr = Threonin Gly = Glycin Trp = Tryptophan His = Histidin Tyr = Tyrosin Leu = Leucin Val = Valin

11 Thema 2: Kohlenstoffverbindungen Grundlagen der molekularen Komplexität alles Lebenden Material 4 zur Aufgabe 3.3: Beispiel zur Vererbung Die Haarform des Menschen wird intermediär vererbt. Es sind hierfür zwei Allele vorhanden. Ein Allel steuert die Ausbildung glatter Haare, das andere Allel bringt krauses Haar hervor. Gewellte Haare treten bei Mischerbigkeit auf. Eine Frau mit gewelltem Haar und Sommersprossen heiratet einen Mann, der ebenfalls gewellte Haare und Sommersprossen besitzt. Beide Ehepartner sind im Merkmal Sommersprossen mischerbig. Die Gene für die Haarform und die Sommersprossen liegen auf verschiedenen Chromosomen. Aus: Bils, W. und Dürr, G., Übungsaufgaben zum Biologieunterricht in der Sekundarstufe II, Quelle und Meyer, Heidelberg-Wiesbaden 1993, S. 158

12 Thema 3: Zellbiologische Prozesse und ihre gentechnische Beeinflussung Zellen bilden mit ihren Zellbestandteilen und den in ihnen sowie zwischen ihnen ablaufenden biochemischen Prozessen die kleinsten selbstständigen lebensfähigen Einheiten. Zellen gehen nur aus bereits existierenden Zellen hervor und gewährleisten dabei die Weitergabe der Erbinformation. Mit gentechnischen Methoden kann die Erbsubstanz gezielt verändert werden. Erörtern Sie diese Aussagen in einer zusammenhängenden Darstellung. Erläutern Sie dabei auch den Zusammenhang zwischen Bau und Funktion von Zellbestandteilen bei der Proteinbiosynthese und der Zellatmung in Pro- und Euzyten. Beschreiben Sie die in den Materialien dargestellten biotechnischen Verfahren und beziehen Sie in Ihre Darlegungen Aussagen zu Nutzen und Risiken gentechnischer Anwendungen ein. Alle beigefügten Materialien sind von Ihnen auszuwerten und in geeigneten sachlogischen Zusammenhängen einzubeziehen. Entwickeln Sie als Grundlage für Ihre Ausführungen eine gut strukturierte Gliederung.

13 Thema 3: Material 1: Zellbiologische Prozesse und ihre gentechnische Beeinflussung Schematische Zeichnungen von Zellen (nach elektronenmikroskopischen Aufnahmen) Nach: Kollmann, A., Abitur-Wissen Biologie, Genetik, Stark-Verlagsgesellschaft mbh, Freising 2000, S. 5 und S. 90

14 Thema 3: Material 2: Zellbiologische Prozesse und ihre gentechnische Beeinflussung Schematische Darstellung von gentechnischen Arbeitsschritten Nach: Wiese, B., Milde, H., Abiturwissen-Genetik, Klett-Verlag, Stuttgart 1992, S. 134

15 Thema 3: Material 3: Zellbiologische Prozesse und ihre gentechnische Beeinflussung Gentransfer bei Pflanzen Aus: Kollmann, A., Abitur-Wissen Biologie, Genetik, Stark-Verlagsgesellschaft mbh, Freising 2000, S. 147

16 Thema 3: Material 4: Zellbiologische Prozesse und ihre gentechnische Beeinflussung Rapssorten mit spezieller Fettsäurezusammensetzung A Rapssorten mit spezieller Fettsäurezusammensetzung Rapsöl wurde aufgrund seines hohen Anteils an Erucasäure seit alters her als Schmiermittel verwendet, weil dieses selbst an feuchten Metalloberflächen noch gut haften bleibt. Als wertvolles Speiseöl war es lange Zeit nicht zu gebrauchen. Erst als man im Jahre 1975 die Erucasäure herausgezüchtet hatte, eignete es sich auch für die Ernährung des Menschen. Weil das Erucasäure reiche Rapsöl für die Herstellung von Schmiermitteln und Schaumbremsern immer noch gut geeignet ist, baut man z. T. noch die alten Rapssorten an, die bis zu 60% Erucasäure in ihren Samen bilden. Gentechnisch wurde nun die Produktion von Erucasäure zu 67% von allen Fettsäuren in Rapssamen erreicht. Das Gen stammt aus der Kiefer Limmanthes douglasii. Zur Herstellung von Waschmitteln, Kosmetika und Schokolade werden vornehmlich mittel- und kurzkettige Fettsäuren (C 8 -C 14 ) gebraucht. Diese können aus tropischen Ölfrüchten wie Kokosnüssen und Palmkernen gewonnen werden. Rapsöl herkömmlicher Sorten musste bislang hierfür technisch aufwendig bearbeitet werden, weil Rapssamen zumeist ungesättigte C 16 - oder C 18 -Fettsäuren enthielten. Kurzkettige Fettsäuren wie z. B. Laurinsäure werden von Pflanzen mithilfe eines speziellen Enzyms hergestellt. Forscher fanden es in den Früchten des kalifornischen Lorbeers und konnten sogar das dazugehörige Gen lokalisieren. Da der Raps das Enzym für die Laurinsäuresynthese bisher nicht besaß, wurde das entsprechende Gen in das Genom der Rapspflanze eingesetzt und zudem dafür gesorgt, dass es nur in der Zeit, in der sich die Rapsölfrucht bildet, angeschaltet ist. So wird in den USA seit 1994 eine gentechnische Rapssorte angebaut, deren Öl bis zu 60% Laurinsäure enthält. Damit kann das Rapsöl nun auch für die Waschmittel- und Schokoladenproduktion verwendet werden. Aus einer anderen Rapssorte gewinnt man ein Öl, das zu 90% Ölsäure enthält. (Ölsäure wird bei der Herstellung von Schmiermitteln und Farbstoffen verwendet und ist ein gesundes Speiseöl.) Auch diese Rapssorte wurde gentechnisch entwickelt. Dazu wurde das Enzym blockiert, das die Ölsäure für die Synthese mehrfach ungesättigter Fettsäuren als Substrat benötigt. Die Blockierung geschah durch die Antisense-Methode, d. h. Produktion von Anti-mRNA durch Umdrehen eines Gens. Der Anbau bestimmter Rapssorten erwies sich als gefährlich für Wildtiere: Bei den so genannten Doppel-Null-Sorten, die nicht nur frei von der ernährungsphysiologisch schädlichen Erucasäure sind, sondern auch nur noch weniger als 1% der bitteren Glucosinolate im Rapsschrot aufweisen, fällt die fraßhemmende Wirkung der Bitterstoffe weg und es kommt bei zu großer Nahrungsaufnahme gelegentlich zu Vergiftungen durch andere Rapsinhaltsstoffe insbesondere bei Rehwild und Hasen. Aus: Feldemann, D. (Hrsg.), Linder Biologie Lehrermaterialien, Schroedel Verlag GmbH, Hannover 2000, S. 370

17 Thema 3: Zellbiologische Prozesse und ihre gentechnische Beeinflussung Material 5: B Kein Platz für verirrte Mikroben Dreieinhalb Jahre haben die Forscher des Verbundprojektes die Überlebenschancen von zwei transgenen Bakterien- und zwei Hefestämmen in Böden, Leitungswasser, Seewasser, Meerwasser, Kläranlage und Teich untersucht. (...) Die Ergebnisse der Forschergruppen stimmen in allen wesentlichen Punkten überein: Gelangen Bakterien oder Hefen in ein Ökosystem, in dem sie natürlicherweise nicht zu Hause sind, sind ihre Überlebenschancen äußerst gering. Die Zahl der eingebrachten Organismen sank in allen Fällen laufend ab. (...) Die Wissenschaftler haben festgestellt, dass kleine Bodentiere die Fähigkeit besitzen, einen Genaustausch zwischen Bakterien zu vermitteln. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Sicherheitsförderung in Sachen Gentechnik kein abgeschlossenes Kapitel ist. Das Wechselspiel zwischen transgenen Mikroorganismen und ihren Erbmolekülen mit ortsansässigen Bewohnern in Böden und Gewässern weiter zu ergründen, bleibt eine Herausforderung. (Ergebnisse des Verbundprojektes Sicherheitsforschung Gentechnik 1995) Aus: Ebenda, S. 376 Material 6: C Chance Gentechnik Kleinbauern in Asien erzeugen 90 Prozent der globalen Reisproduktion. Mehr als die Hälfte verbrauchen sie selbst gleich wieder. Für etwa 60 Prozent der Armen dieser Welt ist es das Grundnahrungsmittel Nummer Eins. Je billiger es produziert werden kann, um so eher sind die Armen auf dem Land und in der Stadt in der Lage, ihren Bedarf zu decken haben die Reisbauern aber weltweit fast 2,5 Milliarden Dollar für Pflanzenbehandlungsmittel ausgegeben. Ein wesentliches Zuchtziel neben Umweltfreundlichkeit, Nachhaltigkeit, Ertragstreue und Flächenertragssteigerung ist vor allem die Senkung der Produktionskosten. Der billigste Weg hierzu ist verbessertes Saatgut. Nach bisherigen Erkenntnissen hat die gentechnische Manipulation des Reises vor mehr als 7000 Jahren begonnen. Damals waren Ähren- und Körnerselektion die wesentlichen Zuchtinstrumente. Die Methoden heute unterscheiden sich im Endergebnis nicht von denen der ersten Körnerauslese. Der Prozess geschieht nur im Zeitrafferverfahren und auf gezieltere Weise. Die Reiszüchter von heute sind in der Lage, Einzelgene oder Genkombinationen zu isolieren und gezielt auf andere Lebewesen zu übertragen. Auf diese Weise entstehen Züchtungen, die gegen Krankheiten und Schädlinge resistent sind. Sie werden vor allem finanzschwachen Bauern den Kauf von Pflanzenbehandlungsmitteln weitgehend ersparen. Aus: Ebenda, S. 374