BI19_x_L_HT_GG.pdf
Dieses Dokument ist Teil der Anfrage „Abiturklausuren“
BI LK HT 1 (GG) Seite 1 von 5 Name: _______________________ Abiturprüfung 2019 Biologie, Leistungskurs Aufgabenstellung: Thema: Ausbreitung, Artstatus und Entstehung des Marmorkrebses 1. Ermitteln Sie die Fortpflanzungsstrategie des Marmorkrebses und begründen Sie sein invasives Potenzial (Material A). (10 Punkte) 2. Nehmen Sie Stellung zu der Aussage, dass die Angepasstheiten des Marmorkrebses an unterschiedliche Lebensräume nicht auf genetische Variabilität und Selektion zurückzuführen sind (Materialien A und B). Erläutern Sie die Merkmalsvariabilität des Marmorkrebses auf der Basis eines epigenetischen Modells (Materialien A und B). (14 Punkte) 3. Geben Sie jeweils eine Definition für zwei in der Biologie verwendete Artbegriffe an, fassen Sie die Ergebnisse aus den Materialien C und D zusammen und beurteilen Sie auf dieser Grundlage, ob es sich beim Marmorkrebs um eine eigene Art handelt. Deuten Sie die Ergebnisse hinsichtlich möglicher Isolationsbarrieren (Materialien B und D). (22 Punkte) 4. Skizzieren Sie in Material E den regulären Ablauf der Eizellbildung und erläutern Sie, wie es zur Entstehung einer diploiden Eizelle kommen kann (Materialien B und E). Erläutern Sie auf dieser Grundlage und unter Einbezug der Materialien B, D und E die Entstehung sowie die weitere Fortpflanzung des Marmorkrebses. (20 Punkte) Zugelassene Hilfsmittel: ● ● GTR (Grafikfähiger Taschenrechner) oder CAS (Computer-Algebra-System) Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
BI LK HT 1 (GG) Seite 2 von 5 Name: _______________________ Material A: Ökologie des Marmorkrebses Der Marmorkrebs ist ein in der Aquaristik beliebter Flusskrebs. Er wurde erstmals 1995 in einer deutschen Zoohandlung entdeckt. Bislang wurden sowohl in Aquarien als auch in wildlebenden Populationen ausschließlich Weibchen nachgewiesen. Biologen halten es für sehr wahrschein- lich, dass der Marmorkrebs unter Haltungsbedingungen der Aquaristik entstanden ist und wild- lebende Populationen aus Freisetzungen hervorgegangen sind. Tabelle 1 Wichtige Kenndaten des Marmorkrebses Fortpflanzung, Brutpflege und Lebensspanne ● ab einem Alter von 6 bis 7 Monaten werden 2 bis 3 Mal im Jahr bis zu 600 Eier Ernährung ● Allesfresser: unterschiedliche Tiere (z. B. Schnecken, kleine Krebse und Fische) Lebensraum ● besiedelt Habitate mit sehr unterschiedlichen klimatischen Bedingungen ● breitet sich in Teilen Europas, Asiens und Afrikas (Madagaskar) zunehmend aus Phylogenie ● Artstatus lange unbekannt ● enge Verwandtschaft mit dem Everglades-Sumpfkrebs (Procambarus fallax), der gelegt ● innerhalb von 20 bis 30 Tagen entwickeln sich Jungkrebse, die 7 bis 8 Wochen von der Mutter umsorgt werden ● Lebensspanne 3 bis 4 Jahre und Pflanzen (Algen und Wasserpflanzen) im Südosten der USA vorkommt weitere Kenndaten ● verdrängt heimische Krebsarten ● gilt als Überträger der für heimische Krebse oft tödlichen Krebspest, ist selbst aber immun Material B: Genomanalysen Genomanalysen zeigen, dass der Marmorkrebs triploid ist, der Everglades-Sumpfkrebs hinge- gen diploid. Biologen vermuten, dass ein Meiosefehler im Zuge der Eizellbildung bei einem Everglades-Sumpfkrebs-Weibchen zur Bildung einer diploiden Eizelle führte. Der Marmorkrebs pflanzt sich durch die Bildung von Klonen fort (Parthenogenese). In diesem Fall entwickeln sich die Eizellen ohne ein Durchlaufen der Meiose und ohne Befruchtung durch Spermien zu einem mit der Mutter genetisch identischen Embryo (Klon). In einer weiteren Analyse wurden die kompletten mitochondrialen Genome (etwa 16 000 Ba- senpaare) von drei Marmorkrebs-Weibchen (zwei aus Deutschland, eins aus Madagaskar) ver- glichen. Es stellte sich heraus, dass die mtDNA-Sequenzen der Marmorkrebse untereinander komplett identisch waren. 2018 veröffentlichten Biologen zudem Genomuntersuchungen von Marmorkrebsen aus verschiedenen deutschen und madagassischen Populationen. Im gesamten Kern-Genom unterscheiden sich von etwa 3,5 Milliarden Basen nur maximal 416. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
BI LK HT 1 (GG) Seite 3 von 5 Name: _______________________ Aufgrund der Vermehrung durch Klone kann die Anpassung des Marmorkrebses an unter- schiedliche Lebensräume nicht mit einer hohen genetischen Variabilität und Selektion erklärt werden. „Dies etabliert den Marmorkrebs als wichtiges Modellsystem für die Untersuchung epigenetischer Mechanismen in der phänotypi- schen Variation und Adaption“, folgerte der Bi- ologe Frank Lyko. Abbildung 1 Phänotypische Variationsbreite bei drei Monate alten Marmorkrebsen. Alle Krebse stammen aus einem Gelege von derselben Mutter und sind genetisch identisch. Die Mutter ist nicht gezeigt. Material C: Vergleich von Marmorkrebs und Everglades- Sumpfkrebs Abbildung 2 Vergleich von Marmorkrebs und Everglades-Sumpfkrebs. A Variation der Körperlänge; B Anzahl an Eiern pro Gelege; C Körpergewicht Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
BI LK HT 1 (GG) Seite 4 von 5 Name: _______________________ Material D: Paarungsexperimente Biologen führten Paarungsexperimente mit Marmorkrebsen und Männchen des Everglades- Sumpfkrebses bzw. des Blauen Florida-Sumpfkrebses durch. Dabei ermittelten die Wissen- schaftler zunächst, ob zwischen den Tieren Paarungen, das heißt von außen zu beobachtende Kopulationen, stattfanden. Die Ergebnisse zeigt Tabelle 2. Everglades-Sumpfkrebs und Blauer Florida-Sumpfkrebs sind eigenständige Arten, die sich untereinander nicht fortpflanzen. Tabelle 2 Paarungsexperimente zwischen drei Marmorkrebsen und Männchen des Ever- glades-Sumpfkrebses und des Blauen Florida-Sumpfkrebses. Die Paarungsexperimente wurden jeweils mit mehreren Männchen beider Arten durchgeführt und sind exemplarisch für jeweils ein Männchen gezeigt. Marmorkrebs-Weibchen Männchen 1 2 3 Everglades-Sumpfkrebs + + + + mit Paarung Blauer Florida-Sumpfkrebs – – – – ohne Paarung In einem weiteren Experiment wurden die nach erfolgter Paarung (vgl. Tabelle 2) entstandenen Nachkommen der Marmorkrebs-Weibchen genetisch untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Nachkommen ausnahmslos das Erbgut der Marmorkrebs-Weibchen enthielten. Die Männchen gaben hingegen kein Erbgut an die Nachkommen weiter. Sämtliche Nachkommen waren zudem weiblich. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
BI LK HT 1 (GG) Seite 5 von 5 Name: _______________________ Material E: Vorlage zur Skizze der Eizellbildung Abbildung 3 Schematische Darstellung einer diploiden Urkeimzelle. Exemplarisch sind zwei Chromosomen- paare gezeigt. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK HT 1 (GG) Seite 1 von 11 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung 2019 Biologie, Leistungskurs 1. Aufgabenart Bearbeitung einer Aufgabe, die fachspezifisches Material enthält 2. Aufgabenstellung 1 Thema: Ausbreitung, Artstatus und Entstehung des Marmorkrebses 1. Ermitteln Sie die Fortpflanzungsstrategie des Marmorkrebses und begründen Sie sein invasives Potenzial (Material A). (10 Punkte) 2. Nehmen Sie Stellung zu der Aussage, dass die Angepasstheiten des Marmorkrebses an unterschiedliche Lebensräume nicht auf genetische Variabilität und Selektion zurückzuführen sind (Materialien A und B). Erläutern Sie die Merkmalsvariabilität des Marmorkrebses auf der Basis eines epigenetischen Modells (Materialien A und B). (14 Punkte) 3. Geben Sie jeweils eine Definition für zwei in der Biologie verwendete Artbegriffe an, fassen Sie die Ergebnisse aus den Materialien C und D zusammen und beurteilen Sie auf dieser Grundlage, ob es sich beim Marmorkrebs um eine eigene Art handelt. Deuten Sie die Ergebnisse hinsichtlich möglicher Isolationsbarrieren (Materialien B und D). (22 Punkte) 4. Skizzieren Sie in Material E den regulären Ablauf der Eizellbildung und erläutern Sie, wie es zur Entstehung einer diploiden Eizelle kommen kann (Materialien B und E). Erläutern Sie auf dieser Grundlage und unter Einbezug der Materialien B, D und E die Entstehung sowie die weitere Fortpflanzung des Marmorkrebses. (20 Punkte) 3. Materialgrundlage Material A Tabelle 1 zusammengestellt aus: Lyko, 2017a; Vogt & Tolley, 2004 ● Material B Abbildung 1 verändert nach: Gutekunst et al., 2018, Abb. 1a, S. 568 ● Material C Abbildung 2 verändert nach: Vogt, 2017, Abb. 4B, S. 5; Vogt et al., 2015, Abb. 6, S. 1588 ● Material D Tabelle 2 verändert nach: Vogt et al., 2015, Tab. 1, S. 1584 ● 1 Die Aufgabenstellung deckt inhaltlich alle drei Anforderungsbereiche ab. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK HT 1 (GG) Seite 2 von 11 ● Material E Abbildung 3 selbst erstellt ● Chucholl, C., Morawetz, K. & Groß, H. (2012). The clones are coming – strong increase in Marmorkrebs [Procambarus fallax (Hagen, 1870) f. virginalis] records from Europe. Aquatic Invasions, 7(4), 511–519. https://doi.org/10.3391/ai.2012.7.4.008 Gutekunst, J., Andriantsoa, R., Falckenhayn, C., Hanna, K., Stein, W., … Lyko, F. (2018). Clonal genome evolution and rapid invasive spread of the marbled crayfish. Nature Ecology & Evolution, 567–573. https://doi.org/10.1038/s41559-018-0467-9 Jimenez, S. A. & Faulkes, Z. (2010). Establishment and care of a colony of parthenogenetic marbled crayfish, Marmorkrebs. Invertebrate Rearing, 1, 10–18. Lyko, F. (2017a). Ein Krebs für die Krebsforschung. Biologie in unserer Zeit, 47(3), 172–177. https://doi.org/10.1002/biuz.201710620 Lyko, F. (2017b). The marbled crayfish (Decapoda: Cambaridae) represents an independent new species. Zootaxa, 4363(4), 544–552. https://doi.org/10.11646/zootaxa.4363.4.6 Martin, P., Dorn, N. J., Kawai, T., van der Heiden, C. & Scholtz, G. (2010). The enigmatic Marmorkrebs (marbled crayfish) is the parthenogenetic form of Procambarus fallax (Hagen, 1870). Contributions to Zoology, 79(3). Martin, P., Kohlmann, K. & Scholtz, G. (2007). The parthenogenetic Marmorkrebs (marbled crayfish) produces genetically uniform offspring. Naturwissenschaften, 94(10), 843–846. https://doi.org/10.1007/s00114-007-0260-0 Scholtz, G., Braband, A., Tolley, L., Reimann, A., Mittmann, B., … Vogt, G. (2003). Parthenogenesis in an outsider crayfish. Nature, 421(6925), 806. https://doi.org/10.1038/421806a Vogt, G. (2017). Facilitation of environmental adaptation and evolution by epigenetic phenotype variation: insights from clonal, invasive, polyploid, and domesticated animals. Environmental Epigenetics, 3(1). https://doi.org/10.1093/eep/dvx002 Vogt, G., Falckenhayn, C., Schrimpf, A., Schmid, K., Hanna, K., … Lyko, F. (2015). The marbled crayfish as a paradigm for saltational speciation by autopolyploidy and parthenogenesis in animals. BioRxiv, 025254. https://doi.org/10.1101/025254 Vogt, G., Huber, M., Thiemann, M., Boogaart, G. van den, Schmitz, O. J. & Schubart, C. D. (2008). Production of different phenotypes from the same genotype in the same environment by developmental variation. Journal of Experimental Biology, 211(4), 510– 523. https://doi.org/10.1242/jeb.008755 Vogt, G. & Tolley, L. (2004). Brood care in freshwater crayfish and relationship with the offspring’s sensory deficiencies. Journal of Morphology, 262(2), 566–582. https://doi.org/10.1002/jmor.10169 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK HT 1 (GG) Seite 3 von 11 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 Evolutionsbiologie ● Grundlagen evolutiver Veränderung ● Art und Artbildung ● Evolution und Verhalten Genetik ● Meiose und Rekombination ● Genregulation ‒ Epigenetische Modelle zur Regulation des Zellstoffwechsels ‒ DNA-Methylierung und RNA-Interferenz Ökologie ● Umweltfaktoren und ökologische Potenz ● Mensch und Ökosysteme ‒ Neobiota (Neozoen, Neophyten, Neomyceten) 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 LK HT 1 (GG) Seite 4 von 11 6. Vorgaben für die Bewertung der Schülerleistungen Teilleistungen – Kriterien a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe 1 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 ermittelt die Fortpflanzungsstrategie des Marmorkrebses (Material A), z. B.: ● Der Marmorkrebs besitzt eine kurze Lebensspanne (3 bis 4 Jahre), eine kurze Ge- nerationsdauer (Fortpflanzungsfähigkeit ab einem Alter von 6 bis 7 Monaten) und eine hohe Reproduktionsrate (2 bis 3 Mal im Jahr werden bis zu 600 Eier gelegt). Zudem ist die Dauer der Brutpflege relativ kurz. ● Dies lässt auf eine r-Strategie schließen. (Zur Vergabe der vollen Punktzahl müssen bei der Ermittlung der r-Strategie ver- schiedene Aspekte berücksichtigt werden.) 4 2 begründet sein invasives Potenzial (Material A), z. B.: ● Der Marmorkrebs ist in der Lage, unterschiedliche klimatische Bedingungen zu er- tragen. Dies ermöglicht die Besiedlung verschiedener Regionen der Erde. ● Er ernährt sich omnivor und ist ein Nahrungsgeneralist, was die Erschließung neuer Lebensräume erleichtert. ● Durch seine hohe Fortpflanzungsrate, seine hohe Konkurrenzstärke sowie durch die Übertragung der Krebspest verdrängt er heimische Krebsarten. 6 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Teilaufgabe 2 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl 1 nimmt Stellung zu der Aussage, dass die Angepasstheiten des Marmorkrebses an un- terschiedliche Lebensräume nicht auf genetische Variabilität und Selektion zurückzu- führen sind (Materialien A und B), z. B.: ● Marmorkrebse besiedeln Habitate mit sehr unterschiedlichen klimatischen Bedin- gungen. Sie besitzen daher offenbar eine hohe ökologische Potenz. ● Sie zeichnen sich jedoch aufgrund der Fortpflanzung durch Klone (Parthenogenese) durch eine sehr geringe genetische Variabilität aus. ● Dies verdeutlichen auch die genetischen Untersuchungen, nach denen die mito- chondriale DNA bei Populationen aus Deutschland und Madagaskar identisch ist und sich die Kern-DNA an nur maximal 416 von 3,5 Mrd. Nukleotidpositionen un- terscheidet. ● Auch innerhalb des genetisch identischen Nachwuchses einer Mutter sind z. B. hin- sichtlich der Körpergröße (Abbildung 1) deutliche Variationen möglich. ● Es ist daher unwahrscheinlich, dass die große phänotypische Variabilität durch die geringe genetische Variation zu erklären ist. 8 2 erläutert die Merkmalsvariabilität des Marmorkrebses auf der Basis eines epigeneti- schen Modells (Materialien A und B), z. B.: ● Zur Erklärung der Merkmalsvariabilität kommen daher epigenetische Modelle in- frage, z. B. die DNA-Methylierung. 6 Der Prüfling Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK HT 1 (GG) Seite 5 von 11 Durch verschiedenen Methylierungsmuster als Folge einer unterschiedlichen Akti- vität von Methyltransferasen und Demethylasen wird die Transkription von Genen beeinflusst. Ein hoher Methylierungsgrad bewirkt eine kompaktere Chromatin- struktur und führt zu einer Inaktivierung der betreffenden Gene. ● Da diese Methylierungsmuster individuell verschieden sind, könnten so die zum Teil großen phänotypischen Variationen in der Körpergröße erklärt werden. (Alternative sachlogische Erläuterungen sind entsprechend zu werten.) ● 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Teilaufgabe 3 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 gibt jeweils eine Definition für zwei in der Biologie verwendete Artbegriffe an, z. B.: ● Nach dem morphologischen Artbegriff gehören alle Individuen, die in ihren we- sentlichen Merkmalen übereinstimmen, zu einer Art. ● Nach dem biologischen Artbegriff gehören alle Individuen, die sich potenziell fruchtbar fortpflanzen können, zu einer Art. (Die korrekte Definition alternativer Artbegriffe ist zulässig.) 4 2 fasst die Ergebnisse aus den Materialien C und D zusammen, sinngemäß: Material C: ● Der Marmorkrebs ist deutlich länger und schwerer als der Everglades-Sumpfkrebs und legt durchschnittlich wesentlich mehr Eier. ● Die Merkmalsvariationsbreiten bei der Körperlänge und der Anzahl an Eiern sind beim Marmorkrebs sehr groß. Material D: ● Die Marmorkrebs-Weibchen paaren sich mit dem männlichen Everglades-Sumpf- krebs, nicht aber mit dem Männchen des Blauen Florida-Sumpfkrebses. ● Das Everglades-Sumpfkrebs-Männchen gibt jedoch kein Erbgut an die aus den Paarungen mit den Marmorkrebs-Weibchen entstehenden Nachkommen weiter. 4 3 beurteilt auf dieser Grundlage, ob es sich beim Marmorkrebs um eine eigene Art han- delt, z. B.: ● Nach dem morphologischen Artbegriff könnte es sich aufgrund der z. T. deutlichen Unterschiede in Größe und Gewicht beim Marmorkrebs um eine eigene Art han- deln. ● Nach dem biologischen Artbegriff könnten der Marmorkrebs und der Everglades- Sumpfkrebs zu einer Art gezählt werden, da sie kopulieren und Nachkommen ent- stehen. ● Allerdings gibt das Männchen kein Erbgut an diese Nachkommen weiter. Sie sind genetisch identische Klone der Mutter. ● Daher kann man davon ausgehen, dass Everglades-Sumpfkrebs und Marmorkrebs keine Nachkommen miteinander zeugen und somit zwei eigenständige Arten dar- stellen. 8 4 deutet die Ergebnisse hinsichtlich möglicher Isolationsbarrieren (Materialien B und D), z. B.: ● Zwischen dem Marmorkrebs und dem Blauen Florida-Sumpfkrebs liegen offenbar präzygotische Barrieren (z. B. ethologische Isolation) vor, die eine Paarung verhin- dern. ● Da es zwischen dem Marmorkrebs und dem Everglades-Sumpfkrebs zu Paarungen kommt, das Everglades-Sumpfkrebs-Männchen allerdings keinen genetischen 6 Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!