Niveaubestimmende Aufgabe zum Fachlehrplan Biologie Gymnasium

Transkript

1 Niveaubestimmende Aufgabe zum Fachlehrplan Biologie Gymnasium Die Evolution von Endothermie hypothetisch fundiert beurteilen (Schuljahrgänge 11/12) (Arbeitsstand: 11. August 2016) Niveaubestimmende Aufgaben sind Bestandteil des Lehrplankonzeptes für das Gymnasium und das Fachgymnasium. Die nachfolgende Aufgabe soll Grundlage unterrichtlicher Erprobung sein. Rückmeldungen, Hinweise, Anregungen und Vorschläge zur Weiterentwicklung der Aufgabe senden Sie bitte über die Eingabemaske (Bildungsserver) oder direkt an An der Erarbeitung der niveaubestimmenden Aufgabe haben mitgewirkt: Both, Annette Halle (Leitung der Fachgruppe) Dr. Kreutzmann, Bodo Köthen Schülert, Babette Halle Wolff, Volker Halberstadt Herausgeber im Auftrag des Ministeriums für Bildung des Landes Sachsen-Anhalt: Landesinstitut für Schulqualität und Lehrerbildung Sachsen-Anhalt Riebeckplatz Halle Die vorliegende Publikation, mit Ausnahme der Quellen Dritter, ist unter der Creative Commons -Lizenz veröffentlicht. CC BY-SA 3.0 DE Sie dürfen das Material weiterverbreiten, bearbeiten, verändern und erweitern. Wenn Sie das Material oder Teile davon veröffentlichen, müssen Sie den Urheber nennen und kennzeichnen, welche Veränderungen Sie vorgenommen haben. Sie müssen das Material und Veränderungen unter den gleichen Lizenzbedingungen weitergeben. Die Rechte für Fotos, Abbildungen und Zitate für Quellen Dritter bleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern, diese Angaben können Sie den Quellen entnehmen. Der Herausgeber hat sich intensiv bemüht, alle Inhaber von Rechten zu benennen. Falls Sie uns weitere Urheber und Rechteinhaber benennen können, würden wir uns über Ihren Hinweis freuen. 1

2 Aufgaben Unter allen Organismen der Erde hat sich nur bei zwei Wirbeltierklassen, den Vögeln und Säugetieren, vollständig die Fähigkeit zur dauerhaften Regulation ihrer Körpertemperatur entwickelt. Sie werden daher auch als homöotherm bezeichnet. Dank ihres intensiven Stoffwechsels gelingt es ihnen, ihre Körpertemperatur durch die Produktion von Wärme dauerhaft relativ hoch zu halten (Endothermie). Andere Wirbeltiere, wie etwa Reptilien, müssen ihren Körper z. B. durch Sonnenbaden von außen aufwärmen (Ektothermie), wobei die Sonneneinstrahlung auch für die notwendige Bruttemperatur sorgt, was zur Entwicklung der abgelegten, weichschaligen Eier führt. Die evolutionäre Entstehung der Endothermie wird unter Evolutionsbiologen intensiv diskutiert. 1 Werten Sie die in den Materialien 2 und 3 dargestellten Untersuchungsergebnisse im Hinblick auf die stoffwechselphysiologischen Grundlagen der Körpertemperatur des Schwarzweißen Tejus unter Berücksichtigung der Lebensweise (Material 1) aus. 2 Veranschaulichen Sie Beziehungen zwischen den gemessenen Größen im Stoffwechsel der Tiere in geeigneter Form. Erläutern Sie Ihre Abbildung. 3 Erläutern Sie Kosten und Nutzen der Homöothermie und erklären Sie die biologische Bedeutung der Befunde zum Schwarzweißen Teju auf ultimater Ebene. 4 Stellen Sie den möglichen Evolutionsverlauf nach einer der in Material 4 beschriebenen Hypothesen schematisch dar. Nehmen Sie auf der Grundlage der Befunde über den Schwarzweißen Teju Stellung zu den drei Hypothesen. 2

3 Materialien Material 1: Lebensweise des Schwarzweißen Tejus Der Schwarzweiße Teju (Salvator merianae) erreicht bei einer Körpergröße von ca. 1,50 m ein Körpergewicht von etwa sieben Kilogramm. In ihrer südamerikanischen Heimat zeigen die Echsen einen ausgeprägten Jahresrhythmus der Aktivität. Während der Frühjahrs- und Sommermonate (von Ende September bis März) legen sie auf der Futtersuche täglich Strecken von mehreren Kilometern zurück. Die Tiere nutzen ein breites Nahrungsspektrum, das von Früchten über Insekten bis hin zu kleineren Wirbeltieren reicht. Nachts ziehen sie sich in Wohn- und Schlafhöhlen zurück, die sie mit ihren kräftigen Krallen gegraben haben. In diesen verbringen sie auch gruppenweise die Herbst- und Wintermonate (April bis September) in Winterstarre. Gegen Ende dieser Periode verlassen zunächst die Männchen ihre Höhle, um auf die Suche nach Territorien und Paarungspartnerinnen zu gehen. Weibchen sammeln in dieser Zeit Nestmaterial. Nach erfolgter Begattung und Befruchtung beginnen sie im Oktober/November mit der Eiablage in der Höhle. Ein Gelege entspricht etwa 40 % ihrer Körpermasse. Das Gelege besteht aus bis zu 65 Eiern und wird von den Tejus gewärmt. Nach rund 130 Tagen schlüpfen die Jungtiere. Beobachtungen während dieser Zeit lassen vermuten, dass Tejus eine primitive Form der Brutfürsorge betreiben. Nach: Tattersall, G. J. u. a.: Seasonal reproductive endothermy in tegu lizards. In: ( ) Material 2: Durchschnittliche Körpertemperatur und äußere Bedingungen Nach: Tattersall, G. J. u. a.: Seasonal reproductive endothermy in tegu lizards. In: ( ) 3

4 Material 3: Untersuchungsergebnisse zum Stoffwechsel des Schwarzweißen Tejus Nach: Tattersall, G. J. u. a.: Seasonal reproductive endothermy in tegu lizards. In: ( ) Material 4: Hypothesen zur evolutiven Entstehung der Endothermie Die T h e r m o r e g u l a t i o n s - H y p o t h e s e geht davon aus, dass die Endothermie bei Vögeln und Säugetieren als Thermoregulationsmechanismus an sich entstanden ist und dass die natürliche Auslese direkt zu einer erhöhten und stabilen Körpertemperatur durch Intensivierung des Grundstoffwechsels geführt hat. Der Selektionsvorteil hätte damit beispielsweise in einer Ausweitung der ökologischen Nische hinsichtlich des Temperaturfaktors bestanden. Dagegen betrachtet die S a u e r s t o f f k a p a z i t ä t s - H y p o t h e s e die gleichwarme Körpertemperatur als Nebenprodukt einer Verbesserung der Sauerstoffaufnahme und des Sauerstofftransports im Organismus. Demzufolge hätten sich diese Merkmale im Zusammenhang mit der Selektion in Richtung einer gestiegenen Fortbewegungsfähigkeit und -aktivität herausgebildet. Schließlich beruht die B r u t p f l e g e - H y p o t h e s e auf der Annahme, dass sich Endothermie über einen Anstieg der Körpertemperatur während der Brutzeit durchgesetzt hat, der dann über den Zeitpunkt des Schlüpfens hinaus verlängert und beibehalten wurde. Nach: Koteja, P.: Energy assimilation, parental care, and the evolution of entdothermie, ProcRSocB 267: In: ( ) 4

5 Einordnung in den Fachlehrplan Gymnasium Kompetenzschwerpunkt: Von der Entstehung des Lebens bis zur Biodiversität Geschichte und Verwandtschaft der Organismen erläutern zu entwickelnde bzw. zu überprüfende Kompetenzen: Basiskonzept Geschichte und Verwandtschaft auf die stammesgeschichtliche Entstehung der Homöothermie anwenden die Gesamtfitness der Individuen im Zusammenhang mit der Individualselektion und Verwandtenselektion erläutern (ultimate Betrachtungsebene) Umweltfaktoren als Selektionsfaktoren deuten biologische Phänomene auf ultimater und proximater Ebene betrachten Stoff- und Energiewechselprozesse im Kontext zur Evolution darstellen Bezug zu grundlegenden Wissensbeständen: Fitnesskonzept: direkte und indirekte Fitness, Kosten-Nutzen-Betrachtung Stoff- und Energiewechselprozesse Zellatmung: stoffliche und energetische Gesamtbilanz synthetische Evolutionstheorie Anregungen und Hinweise zum unterrichtlichen Einsatz Die Aufgabe ist als Lernaufgabe zur exemplarischen Erarbeitung eines Evolutionsvorganges geeignet, aber auch als Testaufgabe im Sinne der Abiturvorbereitung. In der Aufgabe 1 wird zunächst die Kompetenz zur Auswertung grafischer Darstellungen weiterentwickelt bzw. geprüft. Damit leistet sie einen allgemeinen Beitrag zur Abiturvorbereitung. Die gilt auch für die folgende Aufgabe, in der, nun in einem neuen, evolutionsbiologischen Kontext, Fachkenntnisse zur Stoffwechselphysiologie systematisiert und angewendet werden. Um fachliche Kommunikation anzuregen, kann das Erstellen eines Schemas in Gruppenarbeit erfolgen und, je nach Lerngruppe, um weitere Aspekte erweitert werden. Eine Diskussion der Ergebnisse im Plenum dient der Ergebnissicherung. Auch Aufgabe 3 schafft eine Möglichkeit zur Vernetzung, indem stoffwechselphysiologische Zusammenhänge vor dem Hintergrund des Fitnesskonzeptes analysiert werden. Das Abwägen von Kosten und Nutzen liefert Erklärungsansätze dafür, dass sowohl gleichmäßige als auch wechselnde Körpertemperaturen evolutionär erfolgreich waren. Abschließend wird zunächst das Zusammenwirken von Evolutionsfaktoren auf der Grundlage der synthetischen Evolutionstheorie thematisiert. Die Auseinandersetzung mit den verschiedenen 5

6 Hypothesen bietet im Sinne eines wissenschaftspropädeutischen Arbeitens Gelegenheit, Wege der Erkenntnisgewinnung in den Naturwissenschaften bewusst zu machen. Für die Bearbeitung sollten ca. 90 Minuten eingeplant werden. Variationsmöglichkeiten Ordnen Sie weitere stoffwechselphysiologische Größen und Prozesse in Ihre schematische Abbildung ein. Recherchieren Sie zum Wärmehaushalt verschiedener Reptilien und Säugetiere. Diskutieren Sie die Eignung der Fachbegriffe poikilotherm/homöotherm bzw. ektotherm/endotherm zur Charakterisierung der jeweiligen Sachverhalte. Beschreiben Sie anhand eines Stammbaumschemas die verwandtschaftlichen Beziehungen von Reptilien und Säugetieren. Vergleichen Sie unter Nutzung der vorliegenden Materialien die Atemorgane und Blutkreisläufe von Reptilien und Säugern. Leiten Sie Struktur-Funktionszusammenhänge sowie Schlussfolgerungen für den Wärmehaushalt ab. Als Materialien können schematische Darstellungen der entsprechenden Organsysteme eingesetzt werden. Die Betrachtung kann mittels geeigneter Materialien auf weitere Aspekte wie Körperbedeckung, Bau der Erythrocyten u. a. ausgedehnt werden. 6

7 Erwarteter Stand der Kompetenzentwicklung Aufgabe erwartete Schülerleistung AFB 1 Die Schülerinnen und Schüler können die in den Materialien 2 und 3 dargestellten Untersuchungsergebnisse sachlogisch strukturiert und fachsprachlich richtig wiedergeben sowie untereinander und mit der Lebensweise des Schwarzweißen Tejus in einen Zusammenhang stellen. 2 Die Schülerinnen und Schüler können Zusammenhänge zwischen den gemessenen Größen im Stoffwechsel des Schwarzweißen Tejus schematisch wiedergeben und veranschaulichen. 3 Die Schülerinnen und Schüler können Kosten und Nutzen der Homöothermie veranschaulichen; die biologische Bedeutung der Befunde auf die Beeinflussung der Fitness des Schwarzweißen Tejus zurückführen. 4 Die Schülerinnen und Schüler können den möglichen Evolutionsverlauf nach einer der im Material 4 angegebenen Hypothesen schematisch wiedergeben; nach gründlicher Prüfung ein Urteil zu den Hypothesen formulieren und auf die Befunde zum Schwarzweißen Teju zurückführen. I, II I, II II II, III 7