BI GK NT 1 (GG) Seite 1 von 3 Name: _______________________ Abiturprüfung 2019 Biologie, Grundkurs Aufgabenstellung: Thema: Springspinnen hören mit den Haaren 1. Fassen Sie die in Abbildung 1 gezeigten Ergebnisse zusammen und werten Sie diese kurz aus (Material A). Erläutern Sie, inwiefern das Hörvermögen bei Phidippus audax zum Schutz vor Fressfeinden beitragen kann (Material A). (14 Punkte) 2. Erläutern Sie die molekularen Prozesse der Signaltransduktion am Trichobothrium der Springspinne und skizzieren Sie ein typisches Rezeptorpotenzial (Material B). Fassen Sie die in Abbildung 3 dargestellten Ergebnisse zusammen und deuten Sie diese unter Berücksichtigung der Verschaltung von Neuronen und der Verrechnung von Potenzialen (Materialien B und C). (28 Punkte) 3. Erläutern Sie auf der Basis aller Materialien die Bedeutung der verbesserten akustischen Wahrnehmung bei P. audax aus evolutionsbiologischer Sicht (Materialien A bis C). (12 Punkte) Zugelassene Hilfsmittel: ● ● GTR (Grafikfähiger Taschenrechner) oder CAS (Computer-Algebra-System) Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

BI GK NT 1 (GG) Seite 2 von 3 Name: _______________________ Material A: Phidippus audax reagiert auf verschiedene Reize Die Springspinne Phidippus audax gehört zu einer Gruppe von Spinnen, die ihre Beute aktiv jagen, indem sie dazu ihre ausgezeichnete optische Wahrnehmung nutzen. Diese Spinnen kön- nen ihre Umwelt in einem Umkreis von etwa 30 Zentimetern in scharfen Formen sehen. Durch gezieltes Anspringen werden zum Beispiel Fliegen aus der Luft gefangen. Vibrationen des Un- tergrundes können Springspinnen wie viele andere Spinnen sehr gut mithilfe von Tasthaaren be- merken. Luftbewegungen, zu denen auch Schallwellen gehören, werden mithilfe spezialisierter Tasthaare (Trichobothrien) wahrgenommen. Um das Hörvermögen genauer zu untersuchen, wurde die Springspinne P. audax wiederholt mit Tönen verschiedener Frequenzen beschallt und ihre Verhaltensweisen wie Ducken, Erstarren, Laufen und Drehen wurden beobachtet (Abb. 1). Die Frequenz von Tönen ist ein Maß für die Tonhöhe und wird in Hertz (Hz) angegeben. Das Erstarren, die Schreckstarre, ist eine häufige Reaktion von Spinnen bei Anwesenheit von Fressfeinden und täuscht den Angreifer. Populationen von P. audax werden zum Beispiel durch räuberische Wespen dezimiert. Deren Fluggeräusche liegen im Frequenzbereich von etwa 80 Hertz. Auch potenzielle Beutetiere von Springspinnen – wie zum Beispiel Fliegen – erzeugen abhän- gig von ihrer Körpergröße und der Rate ihres Flügelschlags Fluggeräusche in Frequenzberei- chen um 80 Hertz. Das Paarungsverhalten bei Springspinnen umfasst einen komplexen Ablauf ritualisierter Kom- munikation zwischen Männchen und Weibchen. Hier spielen Bewegungsabläufe, Winken mit den Beinen, Trommeln auf den Untergrund und die Erzeugung artspezifischer akustischer Sig- nale eine wichtige Rolle. Abbildung 1 Ergebnisse der Beschallung von Phidippus audax. A Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeit einer Reaktion von der Frequenz; B Häufigkeit der jeweils beobachteten Verhaltensweise; C Reaktionszeit nach Reizbeginn Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

BI GK NT 1 (GG) Seite 3 von 3 Name: _______________________ Material B: Trichobothrien bei Springspinnen Trichobothrien dienen als spezialisierte Tast- haare bei Springspinnen der Wahrnehmung von Luftbewegungen. Wird das Haar bewegt, führt dies zu einer Aktivierung mechanosen- sitiver Natriumionen-Kanäle in der Spitze der Dendriten. Jeder einzelne Dendrit der zwei bis vier Dendriten gehört zu je einer primären Sinneszelle. Die primären Sinneszellen können Aktions- potenziale erzeugen und leiten die Erregun- gen über synaptische Verschaltungen mit ver- schiedenen Zwischenneuronen zum Zentral- nervensystem (Gehirn) der Spinne. Abhängig vom Feinbau und der Länge der Tricho- bothrien sind diese für unterschiedliche Fre- quenzen besonders empfindlich. Abbildung 2 Trichobothrium bei Springspinnen. –6 1 µm (Mikrometer) sind 1·10 m (Meter) Material C: Neurophysiologische Experimente bei Phidippus audax Intrazelluläre Ableitungen an mehreren Neuronen aus dem Gehirn der Springspinne P. audax wurden bei akustischer Reizung mit Tönen einer Frequenz von 80 Hertz bei verschiedenen Schalldruckpegeln durchgeführt. Der Schalldruckpegel ist ein Maß für die Lautstärke und wird in Dezibel (dB) angegeben. Eine neuronale Reaktion konnte auch bei einem Abstand von drei Metern zwischen Schallquelle und Springspinne noch gemessen werden. Bislang war bei Spin- nen nur eine akustische Wahrnehmung im Umkreis von rund 70 Zentimetern beschrieben wor- den. Abbildung 3 Intrazelluläre Ableitungen von Potenzialen im Gehirn von Phidippus audax. Mittlere Häufigkeit der Aktionspotenziale bei ei- ner Reizfrequenz von 80 Hertz und unterschiedli- chen Schalldruckpegeln. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI GK NT 1 (GG) Seite 1 von 8 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung 2019 Biologie, Grundkurs 1. Aufgabenart Bearbeitung einer Aufgabe, die fachspezifisches Material enthält 2. Aufgabenstellung 1 Thema: Springspinnen hören mit den Haaren 1. Fassen Sie die in Abbildung 1 gezeigten Ergebnisse zusammen und werten Sie diese kurz aus (Material A). Erläutern Sie, inwiefern das Hörvermögen bei Phidippus audax zum Schutz vor Fressfeinden beitragen kann (Material A). (14 Punkte) 2. Erläutern Sie die molekularen Prozesse der Signaltransduktion am Trichobothrium der Springspinne und skizzieren Sie ein typisches Rezeptorpotenzial (Material B). Fassen Sie die in Abbildung 3 dargestellten Ergebnisse zusammen und deuten Sie diese unter Berücksichtigung der Verschaltung von Neuronen und der Verrechnung von Potenzialen (Materialien B und C). (28 Punkte) 3. Erläutern Sie auf der Basis aller Materialien die Bedeutung der verbesserten akusti- schen Wahrnehmung bei P. audax aus evolutionsbiologischer Sicht (Materialien A bis C). (12 Punkte) 3. Materialgrundlage Material A Abbildung 1: verändert nach Shamble et al., 2016, Abb. 1, S. 2 ● Material B Abbildung 2: eigene Darstellung nach Reissland & Görner, 1985, Abb. 2c und 3, S. 142 und S. 143 ● Material C Abbildung 3: verändert nach Shamble et al., 2016, Abb. 2C (4), S. 3 ● Barth, F. G. (2004). Spider mechanoreceptors. Current Opinion in Neurobiology, 14(4), 415–422. https://doi.org/10.1016/j.conb.2004.07.005 ● Barth, F. G. (2016). A Spider’s Tactile Hairs. In Scholarpedia of Touch (S. 65–81). Atlantis Press, Paris. https://doi.org/10.2991/978-94-6239-133-8_4 ● Phidippus audax. (2016). In Wikipedia. Abgerufen von https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Phidippus_audax&oldid=159544428 ● 1 Die Aufgabenstellung deckt inhaltlich alle drei Anforderungsbereiche ab. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI GK NT 1 (GG) Seite 2 von 8 Reissland, A. & Görner, P. (1985). Trichobothria. In Neurobiology of Arachnids (S. 138–161). Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-70348-5_8 ● Shamble, P. S., Menda, G., Golden, J. R., Nitzany, E. I., Walden, K., … Hoy, R. R. (2016). Airborne Acoustic Perception by a Jumping Spider. Current Biology, 26(0), 1–8. https://doi.org/10.1016/j.cub.2016.08.041 ● 4. Bezüge zum Kernlehrplan und zu den Vorgaben 2019 Die Aufgaben weisen vielfältige Bezüge zu den Kompetenzerwartungen und Inhaltsfeldern des Kernlehrplans bzw. zu den in den Vorgaben ausgewiesenen Fokussierungen auf. Im Folgenden wird auf Bezüge von zentraler Bedeutung hingewiesen. 1. Inhaltsfelder und inhaltliche Schwerpunkte Neurobiologie ● Aufbau und Funktion von Neuronen ● Neuronale Informationsverarbeitung und Grundlagen der Wahrnehmung Evolution ● Grundlagen evolutiver Veränderung ● Evolution und Verhalten 2. Medien/Materialien ● entfällt 5. ● ● Zugelassene Hilfsmittel GTR (Grafikfähiger Taschenrechner) oder CAS (Computer-Algebra-System) Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI GK NT 1 (GG) Seite 3 von 8 6. Vorgaben für die Bewertung der Schülerleistungen Teilleistungen – Kriterien a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe 1 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl 1 fasst die in Abbildung 1 gezeigten Ergebnisse zusammen (Material A), z. B.: ● 80 Hertz sind eine wirksame Frequenz im Vergleich zu 0 Hertz oder 2000 Hertz, da eine Reaktionswahrscheinlichkeit von 60 % auftritt. ● Erstarren erweist sich bei 80 Hertz als häufigste Reaktion im Vergleich zu den an- deren Verhaltensweisen. ● Erstarren hat die kürzeste Reaktionszeit mit etwa 100 Millisekunden im Vergleich zu den anderen beobachteten Verhaltensweisen nach einem akustischen Reiz von 80 Hertz. 8 2 wertet diese kurz aus (Material A), z. B.: ● Ein akustischer Reiz einer Frequenz von 80 Hertz führt zur Schreckstarre bei Phidippus audax, was aufgrund der ermittelten Reaktionszeit eine spezifische Re- aktion auf den Reiz darstellt. 2 3 erläutert, inwiefern das Hörvermögen bei Phidippus audax zum Schutz vor Fressfein- den beitragen kann (Material A), z. B.: ● Die Fluggeräusche räuberischer Wespen liegen bei einer Frequenz von etwa 80 Hertz. Sie können von der Springspinne gehört werden und zur Schreckstarre füh- ren. ● Die Schreckstarre dient der Täuschung der Wespen und könnte eine erfolgreiche Strategie zur Verringerung des Feinddrucks sein. 4 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Der Prüfling Teilaufgabe 2 Anforderungen Der Prüfling 1 erläutert die molekularen Prozesse der Signaltransduktion am Trichobothrium der Springspinne (Material B), z. B.: ● Bei Auslenkung des Tasthaares werden die Natriumionen-Kanäle der Dendriten- spitzen durchlässig für Natriumionen. Diese strömen entlang ihres Konzentrations- gefälles in die Dendritenspitze und erzeugen ein Rezeptorpotenzial (Depolarisa- tion). ● Spannungsabhängige Natriumionen-Kanäle werden durch die Depolarisation akti- viert und öffnen sich, weitere Natriumionen strömen ein. ● Erreicht das Rezeptorpotenzial den Schwellenwert, werden Aktionspotenziale er- zeugt und über die Membran der primären Sinneszelle weitergeleitet. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch! maximal erreichbare Punktzahl 6

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI GK NT 1 (GG) Seite 4 von 8 2 skizziert ein typisches Rezeptorpotenzial (Material B), z. B.: 6 (Alternative fachlich korrekte Darstellungen sind entsprechend zu bewerten.) 3 fasst die in Abbildung 3 dargestellten Ergebnisse zusammen, z. B.: ● Die Hintergrundaktivität der untersuchten Neuronen liegt bei etwa 15 Aktionspo- tenzialen pro Sekunde. ● Bei einer Frequenz von 80 Hertz sind bei 61 Dezibel Schalldruckpegel etwa 30 Ak- tionspotenziale pro Sekunde in Neuronen im Gehirn von P. audax messbar. ● Die Anzahl der Aktionspotenziale pro Sekunde nimmt mit zunehmendem Schall- druckpegel (annähernd linear) zu und erreicht bei etwa 77 Dezibel einen Wert von 60 Potenzialen pro Sekunde. 6 4 deutet diese unter Berücksichtigung der Verschaltung von Neuronen und der Verrech- nung von Potenzialen (Materialien B und C), z. B.: ● Eine Erhöhung der Reizstärke, hier des Schalldruckpegels, bewirkt ein stärkeres Rezeptorpotenzial in der Sinneszelle. Daher wird der Schwellenwert zur Erzeugung von Aktionspotenzialen länger überschritten, sodass eine höhere Frequenz von Ak- tionspotenzialen die Folge ist. ● Die von den primären Sinneszellen erzeugten Aktionspotenziale werden über sy- naptische Verbindungen an Zwischenneuronen und schließlich zum Gehirn weiter- geleitet. (Die Erklärung der analogen und digitalen Codierung stellt ggf. ein zusätzliches auf- gabenbezogenes Kriterium dar.) 4 5 deutet diese unter Berücksichtigung der Verschaltung von Neuronen und der Verrech- nung von Potenzialen (Materialien B und C), z. B.: ● Durch räumliche und zeitliche Summation bei der Verschaltung auf Zwischenneu- ronen kann eine Verstärkung der empfangenen Signale erfolgen, sodass auch weit entfernte Schallquellen wahrgenommen werden können. ● Die besonders hohe Empfindlichkeit der akustischen Wahrnehmung bei P. audax kann durch die Summation der Rezeptorpotenziale der Dendriten einer Sinneszelle sowie die Konvergenz bei der Verschaltung von Sinneszellen und Zwischenneuro- nen erreicht werden. ● Der Feinbau und die Länge der Trichobothrien bei P. audax muss so gestaltet sein, dass eine erhöhte Empfindlichkeit im Frequenzbereich von etwa 80 Hertz ermög- licht wird. 6 6 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI GK NT 1 (GG) Seite 5 von 8 Teilaufgabe 3 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl 1 erläutert auf der Basis aller Materialien die Bedeutung der verbesserten akustischen Wahrnehmung bei P. audax aus evolutionsbiologischer Sicht (Materialien A bis C), z. B.: ● Die verbesserte akustische Wahrnehmung bedeutet Selektionsvorteile für die Springspinne, wenn sie vor Fressfeinden gewarnt wird und diese durch die Schreckstarre täuschen kann. ● Auch eine verbesserte Wahrnehmung von anfliegender Beute, die in einem größe- ren Umkreis von bis zu drei Metern akustisch geortet werden kann, bedeutet Selek- tionsvorteile bei der Jagd. Falls die Beute zunächst akustisch wahrgenommen wird, könnte anschließend die optische Wahrnehmung im Umkreis von 30 Zentimetern erfolgen. ● Im Bereich der intraspezifischen Kommunikation im Zusammenhang mit dem Balzritual könnte die verbesserte, artspezifische akustische Kommunikation dazu führen, dass die Paarungspartner erfolgreicher sind. 8 2 erläutert auf der Basis aller Materialien die Bedeutung der verbesserten akustischen Wahrnehmung bei P. audax aus evolutionsbiologischer Sicht (Materialien A bis C), z. B.: ● Aufgrund der Selektionsvorteile können Springspinnen mit verbesserter akustischer Wahrnehmung vermehrt ihre Allele in den Genpool der Folgegeneration einbringen und so ihre reproduktive Fitness erhöhen. ● Aufgrund sexueller Selektion könnte die Evolution der akustischen Wahrnehmung bei P. audax beschleunigt werden. 4 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Der Prüfling b) Darstellungsleistung Anforderungen Der Prüfling ● ● ● ● führt seine Gedanken schlüssig, stringent und klar aus. strukturiert seine Darstellung sachgerecht. verwendet eine differenzierte und präzise Sprache. gestaltet seine Arbeit formal ansprechend. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch! maximal erreichbare Punktzahl 6

BI GK NT 1 (GG) Ministerium für Schule und Bildung NRW Seite 6 von 8 7. Bewertungsbogen zur Prüfungsarbeit Name des Prüflings: Kursbezeichnung: Schule: a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe 1 Anforderungen Lösungsqualität maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling 1 fasst zusammen … 8 2 wertet kurz aus … 2 3 erläutert … 4 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Summe 1. Teilaufgabe EK 2 ZK DK 14 Teilaufgabe 2 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling 1 erläutert … 6 2 skizziert … 6 3 fasst zusammen … 6 4 deutet … 4 5 deutet … 6 6 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Summe 2. Teilaufgabe 2 Lösungsqualität 28 EK = Erstkorrektur; ZK = Zweitkorrektur; DK = Drittkorrektur Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch! EK ZK DK

BI GK NT 1 (GG) Ministerium für Schule und Bildung NRW Seite 7 von 8 Teilaufgabe 3 Anforderungen Lösungsqualität maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling 1 erläutert … 8 2 erläutert … 4 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Summe 3. Teilaufgabe 12 Summe der 1., 2. und 3. Teilaufgabe 54 EK ZK DK b) Darstellungsleistung Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling ● ● ● ● Lösungsqualität führt seine Gedanken … strukturiert seine Darstellung … verwendet eine differenzierte … gestaltet seine Arbeit … EK ZK DK 6 Summe Darstellungsleistung 6 Summe insgesamt (inhaltliche und Darstellungsleistung) 60 Festlegung der Gesamtnote (Bitte nach der letzten bearbeiteten Aufgabe ausfüllen.) Lösungsqualität maximal erreichbare Punktzahl Übertrag der Punktsumme aus der ersten bearbeiteten Aufgabe 60 Übertrag der Punktsumme aus der zweiten bearbeiteten Aufgabe 60 Punktzahl der gesamten Prüfungsleistung 120 aus der Punktsumme resultierende Note gemäß nachfolgender Tabelle Note ggf. unter Absenkung um bis zu zwei Notenpunkte gemäß § 13 Abs. 2 APO-GOSt Paraphe Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch! EK ZK DK