Abiturprüfung 2015 Grundkurs Biologie (Hessen) A1: Ökologie und Stoffwechselphysiologie

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1 Abitupüfung 2015 Gundkus Biologie (Hessen) A1: Ökologie und Stoffwechselphysiologie Veteidigungsstategien von Pflanzen BE 1 Benennen Sie die esten dei Tophieebenen innehalb eines Ökosystems und bescheiben Sie die Gesetzmäßigkeiten de Selbstegulation eines Ökosystems nach den Lotka-Voltea-Regeln I und II Bescheiben und ekläen Sie vegleichend die physiologischen Reaktionen des auf Vewundung ohne und mit Simulation de Faßtätigkeit de Tabakschwämeaupen. (Mateial 2 und 3) 20 3 Stellen Sie die beiden Veteidigungsstategien de Tabakpflanze zusammenfassend gegenübe und diskutieen Sie ihen Einfluss auf die Fitness de Pflanze. (Mateial 1 bis 3) Mateial 1 Pflanzenveteidigung Pflanzen haben viele Feinde. Viele Pflanzenfesse auf de Ede enähen sich diekt ode indiekt von den Podukten de Fotosynthese. Auf Faßschäden duch Insekten ode eine Infektion duch Mikooganismen eagieen viele Pflanzen mit chaakteistischen Abwehmechanismen. Sie veteidigen sich mit Pflanzenstoffen, die nicht an physiologischen Vogängen wie dem Aufbau- und Betiebsstoffwechsel beteiligt sind. Fü die Synthese und Voatshaltung solche Abwehstoffe weden jedoch Nähstoffe und Enegie benötigt. Einige diese chemischen Abwehsubstanzen haben einen diekten Einfluss auf das Vehalten von Insekten, indem sie deen Nahungsaufnahme, Wachstum ode Repoduktion z. B. duch vedauungshemmende Enzyme ode die Poduktion von Giften eduzieen (diekte Abweh). Andee Substanzen wiken als indiekte Abweh, indem sie die natülichen Feinde de Hebivoen zu de befallenen Pflanze locken

2 Mateial 2 Veteidigungsstategien des (Nicotiana attenuata) De Wilde Tabak kommt vo allem nach Feuen voübegehend in goßen Populationen in den Wüsten des Südwestens de USA vo. Als Estbesiedle auf diesen Flächen muss sich die Pflanze gegen Pflanzenfesse, wie z. B. die Raupen des Tabakschwämes, und zahleiche Kankheitseege, wie z. B. Pilze, wehen. Die Pflanze kann Nikotin als Abwehstoff einsetzen. Nikotin ist eines de stäksten von Pflanzen poduzieten Gifte. Die Pflanze ezeugt es in ihen Wuzeln. Von dot gelangt de Stoff in die Blätte. Im Veteidigungsfall vewendet die Tabakpflanze und sechs Pozent ihes gesamten Stickstoffgehaltes fü die Nikotinsynthese. Diese Stickstoff steht somit fü andee Leistungen, wie beispielsweise die Samenpoduktion, nicht meh zu Vefügung. Fü die pflanzenintene Meldung, dass Blätte duch Faß geschädigt weden, setzt die Pflanze einen Botenstoff ein: das Homon Jasmonsäue. Jasmonsäue kann sowohl die Poduktion von Nikotin als auch die Synthese bestimmte Duftstoffe einleiten. Ein weitee Botenstoff de Tabakpflanze ist das gasfömige Ethen. Dieses Homon veinget die Tanskiptionsate wichtige Gene fü die Nikotinbiosynthese. Diese physiologischen Reaktionen des waen Gegenstand de Untesuchungen am Max-Planck-Institut fü chemische Ökologie in Jena. Im Expeiment simulieten die Wissenschaftle einen Befall des duch Raupen des Tabakschwämes, die im Gegensatz zu vielen andeen Pflanzenfessen poblemlos hohe Nikotinkonzentationen toleieen. Das aus den Blätten des Tabaks aufgenommene Nikotin dient den Raupen soga als Abweh gegen Fessfeinde. Das Speichelseket de Tabakschwäme-Raupen enthält eine chaakteistische Substanz: FAC 1. Im Vesuch veletzten die Wissenschaftle Blätte von Tabakpflanzen und tugen zu Simulation de Faßtätigkeit de Tabakschwämeaupe FAC auf die veletzten Stellen de Blätte auf. Anschließend vefolgten sie die physiologischen Reaktionen in den Pflanzen. Nu wenn zu eine Vewundung auch FAC veabeicht wude, poduzieten die Tabakpflanzen einen speziellen Duftstoff. Diese wikt als Lockstoff fü die Raubwanze Geocois pallens, die bevozugt Raupen des Tabakschwämes vezeht. Mateial 2 basiet auf: Max-Planck-Gesellschaft (Hsg.): BIOMAX Ausgabe 17/Fühjah 2005, Max-Planck-Gesellschaft: Jahbuch München: Novembe 2002, S Detailliete Kenntnisse zu chemischen Zusammensetzung von FAC weden fü die Lösung de Aufgabe nicht benötigt

3 Mateial 3 Physiologische Reaktionen des auf Vewundung mit und ohne FAC-Veabeichung Abbildung 3.1: Jasmonsäuepoduktion des Abbildung 3.2: Nikotinpoduktion des Abbildung 3.3: Ethen-Feisetzung des Mateial 3 basiet auf: Bennicke, Axel: Pflanzen hungen ihe Feinde aus. In: Biologie in unsee Zeit, Heft 3/2006 (36), S Baldwin, Ian Thomas: Genfoschung auf de Ebene des Oganismus. Foschungsbeicht Max- Planck-Institut fü chemische Ökologie. Linkwitz, Michael: Die Spache de Pflanzen: Chemische Signalstoffe als Veteidigungsstategie. In: Unteicht Biologie, Heft 331/2008, S. 41 ff

4 Lösungsvoschläge In de Aufgabe thematisiete Unteichtsinhalte sind: Stuktuieung von Ökosystemen, Paasitismus, Selbstegulation, Biotische Faktoen, Räube-Beute-Beziehungen, Tophieebenen, LOTKA-VOLTERRA-Regeln I und II, ökologische Nische Fessfeinde, sekundäe Stoffwechsel von Pflanzen, chem. Auslöse, Auswetung expeimentelle Daten, Analyse von Gafiken, Simulation von Fessfeinden Fitness 1 Beachten Sie, dass hie zwei Teilaufgaben kombiniet sind und jeweils lediglich aus dem Unteicht bekannte Inhalte wiedezugegeben sind. Sie sollen diese zum einen benennen, zum andeen abe bescheiben (in eigenen Woten unte Vewendung von Fachspache). Achten Sie auf die Bedeutung de Opeatoen. In diese Aufgabe müssen Sie Gundbegiffe, die Sie bauchen weden, benennen, das ist eine Hilfe fü die Bewältigung de folgenden Aufgaben, vo allem de Aufgabe 3. Die esten dei Tophieebenen eines Ökosystems sind: 1. Tophieebene: Poduzenten (autotophe Enegiegewinnung) 2. Tophieebene: Konsumenten 1. Odnung (Pimäkonsumenten, Pflanzenfesse, Hebivoen) 3. Tophieebene: Konsumenten 2. Odnung (Sekundäkonsumenten, Fleischfesse, Kanivoen) Gundlage fü die Stabilität eines Ökosystems sind Pinzipien de Regulation de Populationen von Räube und Beute (Selbstegulation des Ökosystems). Seit 1931 sind mathematische Gleichungen bekannt, die diese Pinzipien bescheiben. Sie bescheiben Modelle, die auf konstanten beziehungsweise zu venachlässigenden Umweltbedingungen beuhen, sie also nicht beücksichtigen. In de Realität spielen diese oft eine entscheidende Rolle und müssen beücksichtigt weden, z. B. Wette- und Klimaeeignisse beeintächtigen Populationsgößen. Totzdem weden die LOTKA-VOLTERRA-Regeln in de paktischen Ökologie zu Abschätzung genutzt. Regel I: Die Gößen de Populationen von Beute und den davon abhängigen Räuben schwanken peiodisch übe die Zeit. Die Kuve de Räube folgt phasenveschoben de Kuve de Beute. Länge und Höhe de Peioden sind von den Wachstumsaten de Populationen abhängig. Regel II: Wid übe genügend lange Zeit de Mittelwet fü die jeweiligen Populationen gebildet, ist diese konstant. E ist lediglich von den spezifischen Wachstums- und Stebeaten abhängig

5 2 Zu Beabeitung de Aufgaben 2 und 3 müssen Sie die Mateialien 1 bis 3 genau lesen und analysieen. Dokumentieen Sie die wesentlichen Aussagen aus Mateial 2 mit eigenen Woten, geodnet nach den poduzieten Pflanzenstoffen, die nicht am Aufbau- und Betiebsstoffwechsel beteiligt sind. De Opeato ekläen fodet auf fachliche Gundpinzipien zuückzufühen. Nutzen Sie die in den Texten genannten Fachbegiffe. Die Modellpflanze Wilde Tabak wid vo dem Hintegund de Beobachtungen an de natülichen Population in einem kontollieten Expeiment untesucht. Dabei weden die physiologischen Reaktionen de Pflanzen dokumentiet und ausgewetet. Die natülichen Räube-Beute-Pozesse und die Auswikungen auf weitee Reaktionen in den Tabakpflanzen sind nicht Gegenstand des Expeiments. Die so ehobenen Daten weden in dei Abbildungen dokumentiet. Bescheibung des Expeiments: Blätte des Wilden Tabak weden im Expeiment auf die Poduktion von Stoffen nach Vewundung (ohne Simulation de Faßtätigkeit de Tabakschwämeaupe) und Vewundung mit FAC-Gabe (mit Simulation de Faßtätigkeit de Tabakschwämeaupe) untesucht. Die At und Göße de Vewundung und die Menge bzw. Konzentation de Substanz FAC sind nicht dokumentiet. Abhängigkeit de Jasmonsäuepoduktion das von Vewundungen bzw. simulieten Faßschäden des Tabakschwämes. Wenn keine Veletzung voliegt, zeigt die Gafik eine Konzentation von ca. 75 ng Jasmonsäue po g Fischgewicht (FG). Unmittelba nach de Vewundung steigt die Konzentation von Jasmonsäue von ca. 75 ng / g FG auf ca. 670 ng / g FG (Maximum nach ca. eine Stunde). Nach ca. 3 Stunden ist de uspünglich Wet wiede eeicht und diese bleibt fü 12 Stunden unveändet. Im Expeiment mit zusätzliche Gabe von FAC wid ebenfalls nach 1 Stunde ein Maximum de Konzentation de Jasmonsäue gemessen, alledings mit dem Wet ng / g FG. Ebenfalls nach ca. 3 Stunden ist die Konzentation von Jasmonsäue wiede auf den uspünglichen Wet gefallen und bleibt übe die Daue des Expeiments unveändet. Ekläung: Blätte des eagieen auf mechanische Veletzung mit de Poduktion von Jasmonsäue. Die maximale Jasmonsäuekonzentation, die bei Vewundung und FAC-Gabe voliegt, ist meh als doppelt so goß als das Maximum de Jasmonsäuekonzentation bei Vewundung ohne FAC-Gabe. FAC, ein Stoff im Speichel von Raupen des Tabakschwämes, födet also die Poduktion von Jasmonsäue. Abhängigkeit de Nikotinpoduktion des von Vewundungen bzw. simulieten Faßschäden des Tabakschwämes. Ein Kontollansatz ohne Beeintächtigung de Blätte zeigt eine gleichbleibende Nikotinpoduktion von 3,5 mg / g FG