BI LK NT 1 (GG) Seite 1 von 4 Name: _______________________ Abiturprüfung 2019 Biologie, Leistungskurs Aufgabenstellung: Thema: Die Deutsche Schabe – Evolution in der Küche 1. Beschreiben Sie die Angepasstheiten von Blattella germanica an ihren Lebensraum und leiten Sie begründend ihre Fortpflanzungsstrategie ab (Material A). Erläutern Sie die neurobiologische Wirkungsweise von Indoxacarb auf B. germanica (Abbildung 1, Material A). (20 Punkte) 2. Stellen Sie kurz die in Abbildung 2 gezeigten Zusammenhänge dar (Material B). Erläutern Sie den möglichen Prozess der Resistenzentwicklung bei B. germanica PR-712 mithilfe der synthetischen Evolutionstheorie (Materialien A und B). Entwickeln Sie eine mögliche Hypothese, welche Veränderungen zu einer Resistenz gegen Indoxacarb bei PR-712 geführt haben können (Materialien A und B). (18 Punkte) 3. Fassen Sie die Ergebnisse der Untersuchungen aus Material C mithilfe einer Ableitung von Entwicklungstrends zusammen. Analysieren Sie ausführlich die Entwicklungstrends vor dem Hintergrund des Konzeptes der reproduktiven Fitness (Materialien A bis C). (20 Punkte) 4. Diskutieren Sie das in Material D aufgeführte Zitat von Jensen et al., 2016, unter Berücksichtigung aller Materialien (Materialien A bis D). (8 Punkte) Zugelassene Hilfsmittel: ● ● GTR (Grafikfähiger Taschenrechner) oder CAS (Computer-Algebra-System) Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

BI LK NT 1 (GG) Seite 2 von 4 Name: _______________________ Material A: Lebensweise und Bekämpfung der Deutschen Schabe Die ursprünglich aus den Tropen stammende Deutsche Schabe (Blattella germanica) kommt als Vorratsschädling und Kulturfolger weltweit unter anderem in Wohnungen, Gaststätten, Großkü- chen und Krankenhäusern vor. Die nachtaktiven Tiere können im Freien nur bei günstigen, war- men Temperaturen überleben. Sie bevorzugen Habitate mit Temperaturen über 20 °C, in der Nähe einer Feuchtigkeitsquelle sowie einer Nahrungsquelle. Durch den flachen Körperbau der etwa 15 Millimeter großen B. germanica reichen Spalten von fünf Millimeter Breite als Ver- steck aus. Als Nahrung dienen diesem Allesfresser alle organischen Reste menschlicher Nah- rungsmittel wie Brotkrümel, Gemüsereste und Ähnliches, die zufällig in die Nähe der Verstecke gelangen. Ein ausgewachsenes Weibchen kann in seinem Leben rund 200 Eier ablegen. Die Entwicklung vom Ei über Larvenstadien bis zum adulten Insekt benötigt bei guter Versorgung mit Nahrung und Wasser etwa zwei Monate. Die adulten Insekten sind bereits wenige Tage nach der Häu- tung geschlechtsreif. Daher können in einem Jahr ausgehend von einem geschlechtsreifen Weibchen Hunderttausende Nachkommen erzeugt werden. Der Aktionsradius der Larven und auch der Weibchen ist gering. Meist erfolgt die Verbreitung in andere Habitate über die Eipa- kete der Weibchen, die bei der Ablage an verschiedene Oberflächen angeheftet werden. Die Verunreinigung von Nahrungsmitteln sowie die Übertragung von Krankheitserregern durch Kot und andere Ausscheidungen der Schaben bewirken gesundheitliche Risiken für den Men- schen. Daher werden Populationen von B. germanica mit Insektiziden bekämpft. Meist erfolgt die Bekämpfung mithilfe von Fraßködern, die in der direkten Nähe der Verstecke ausgelegt werden. Indoxacarb ist ein Pro-Insektizid, das erst nach enzymatischer Umsetzung in Insekten wie zum Beispiel B. germanica selektiv die spannungsgesteuerten Natriumionen-Kanäle am Axon blo- ckiert (Abbildung 1). Abbildung 1 Pro-Insektizid Indoxacarb Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

BI LK NT 1 (GG) Seite 3 von 4 Name: _______________________ Material B: Resistenzentwicklung bei B. germanica Wie bei vielen anderen Insekten kom- men auch bei Deutschen Schaben Re- sistenzen gegen häufig eingesetzte In- sektizide vor. Der Laborstamm „Orlando Normal“ ist ein seit 60 Jahren im Labor kultivierter Stamm, der unter optimalen Bedingun- gen ohne Einwirkung von Giften ge- halten wird. Der Stamm PR-712 wurde in Puerto Rico gesammelt und besitzt Resisten- zen gegen viele der handelsüblichen Insektizide, die zur Bekämpfung von B. germanica eingesetzt werden. Die weitere Behandlung der B. germanica- Stämme zeigt Abbildung 2A. Die drei Stämme wurden hinsichtlich ihrer Resistenz gegen Indoxacarb un- tersucht (Abbildung 2B). Man ermit- telte die Dosis des Fraßgiftes, bei der 50 % der Tiere getötet wurden (LD50). Abbildung 2 Stämme von B. germanica. A Kulturbedin- gungen; B Empfindlichkeit gegen Indoxacarb Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

BI LK NT 1 (GG) Seite 4 von 4 Name: _______________________ Material C: Einflüsse von Nahrung und Insektiziden auf die Entwicklung von B. germanica Um die Auswirkungen der Resistenzentwicklung auf die Entwicklung von B. germanica ge- nauer zu untersuchen, wurden die in Material C beschriebenen, unterschiedlichen Stämme von B. germanica in einer Versuchsreihe mit nährstoffreichem Futter, in der anderen Versuchsreihe mit nährstoffarmem Futter versorgt (Abbildung 3). Die Breite des Halsschildes wird bei B. ger- manica als Maß für die erreichte Körpergröße genutzt. B. germanica-Weibchen bevorzugen bei der Partnerwahl solche Männchen als Paarungspartner, die eine höhere Körpergröße aufweisen. Abbildung 3 Versuchsergebnisse. A Überlebensrate ausgehend vom ersten Larvenstadium; B Entwicklungs- dauer vom ersten Larvenstadium bis zum adulten Insekt; C Breite des Halsschildes bei adulten Insekten Material D: Insektizid-Resistenz als Modellsystem für Evolution? Insecticide resistance, a heritable adaptation to insecticide pressure, provides a valua- ble system to study the evolutionary ecology of adaptation to severe environmental hazards and the consequences to fitness-related life-history parameters within the adapted population. (Jensen et al., 2016, S. 1) Die Insektizid-Resistenz, eine vererbbare Anpassung aufgrund von Insektizid-Druck, bietet ein wertvolles System zur Erforschung der evolutionären Ökologie der Anpas- sung an schwere Umweltgefahren und der Folgen für Fitness-bezogene Parameter der Lebenszyklusstrategie innerhalb der angepassten Population. Jensen, K., Ko, A. E., Schal, C. & Silverman, J. (2016). Insecticide resistance and nutrition interactively shape life-history parameters in German cockroaches. Scientific Reports, 6, 28731. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK NT 1 (GG) Seite 1 von 9 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung 2019 Biologie, Leistungskurs 1. Aufgabenart Bearbeitung einer Aufgabe, die fachspezifisches Material enthält 2. Aufgabenstellung 1 Thema: Die Deutsche Schabe – Evolution in der Küche 1. Beschreiben Sie die Angepasstheiten von Blattella germanica an ihren Lebensraum und leiten Sie begründend ihre Fortpflanzungsstrategie ab (Material A). Erläutern Sie die neurobiologische Wirkungsweise von Indoxacarb auf B. germanica (Abbildung 1, Material A). (20 Punkte) 2. Stellen Sie kurz die in Abbildung 2 gezeigten Zusammenhänge dar (Material B). Erläutern Sie den möglichen Prozess der Resistenzentwicklung bei B. germanica PR-712 mithilfe der synthetischen Evolutionstheorie (Materialien A und B). Entwickeln Sie eine mögliche Hypothese, welche Veränderungen zu einer Resistenz gegen Indoxacarb bei PR-712 geführt haben können (Materialien A und B). (18 Punkte) 3. Fassen Sie die Ergebnisse der Untersuchungen aus Material C mithilfe einer Ableitung von Entwicklungstrends zusammen. Analysieren Sie ausführlich die Entwicklungstrends vor dem Hintergrund des Konzeptes der reproduktiven Fitness (Materialien A bis C). (20 Punkte) 4. Diskutieren Sie das in Material D aufgeführte Zitat von Jensen et al., 2016, unter Berücksichtigung aller Materialien (Materialien A bis D). (8 Punkte) 3. Materialgrundlage Material A Abbildung 1: eigene Abbildung ● Material B Abbildung 2A nach: Jensen et al., 2016, S. 2 Abbildung 2B verändert nach: Ko et al., 2016, Tab. 1, S. 1780 ● Material C Abbildung 3A verändert nach: Jensen et al., 2016, Abb. 1, S. 3 Abbildung 3B und C verändert nach: Jensen et al., 2016, Abb. 2, S. 4 ● 1 Die Aufgabenstellung deckt inhaltlich alle drei Anforderungsbereiche ab. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK NT 1 (GG) Seite 2 von 9 ● ● ● ● ● ● 4. Material D: Jensen et al., 2016, S. 1; eigene Übersetzung Biehler, D. (2013). Pests in the City: Flies, Bedbugs, Cockroaches, and Rats. Seattle: University of Washington Press. Deutsche Schabe. (2018). In Wikipedia. Abgerufen von https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Deutsche_Schabe&oldid=181806997 Jensen, K., Ko, A. E., Schal, C. & Silverman, J. (2016). Insecticide resistance and nutrition interactively shape life-history parameters in German cockroaches. Scientific Reports, 6, 28731. https://doi.org/10.1038/srep28731 Ko, A. E., Bieman, D. N., Schal, C. & Silverman, J. (2016). Insecticide resistance and diminished secondary kill performance of bait formulations against German cockroaches (Dictyoptera: Blattellidae). Pest Management Science, 72(9), 1778–1784. https://doi.org/10.1002/ps.4211 Naqqash, M. N., Gökçe, A., Bakhsh, A. & Salim, M. (2016). Insecticide resistance and its molecular basis in urban insect pests. Parasitology Research, 115(4), 1363–1373. https://doi.org/10.1007/s00436-015-4898-9 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 Ökologie ● Umweltfaktoren und ökologische Potenz ● Dynamik von Populationen 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 LK NT 1 (GG) Seite 3 von 9 6. Vorgaben für die Bewertung der Schülerleistungen Teilleistungen – Kriterien a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe 1 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl 1 beschreibt die Angepasstheiten von Blattella germanica an ihren Lebensraum (Mate- rial A), z. B.: ● Der flache Körperbau ermöglicht das Verstecken in schmalen Spalten, die etwa in menschlichen Wohnungen häufig zu finden sind. Geeignete Nahrung gelangt häu- fig versehentlich durch den Menschen in die Verstecke der Schaben. ● Aufgrund der Nachtaktivität und des geringen Aktionsradius der Tiere bleiben sie tagsüber meist unbemerkt. ● Die Angepasstheiten bieten Selektionsvorteile für B. germanica, da der Befall durch diesen Vorratsschädling oft erst bemerkt wird, wenn schon größere Populati- onen auftreten. 6 2 leitet begründend ihre Fortpflanzungsstrategie ab (Material A), z. B.: ● Die schnelle Generationenfolge von rund zwei Monaten ermöglicht einem ausge- wachsenen Weibchen, in einem Jahr Hunderttausende Nachkommen zu haben. Es findet keine besondere Brutfürsorge statt. Diese Fortpflanzungsstrategie findet sich bei r-Strategen. ● Trotz des geringen Aktionsradius der Larven und Weibchen werden neue Habitate über die Ausbreitung von Eipaketen besiedelt, sodass bei geeigneten Bedingungen schnell eine Ausbreitung der Population erfolgen kann. Auch dies trifft bei r-Strate- gen zu. 6 3 erläutert die neurobiologische Wirkungsweise von Indoxacarb auf B. germanica (Ab- bildung 1, Material A), z. B.: ● Indoxacarb wird von insekteneigenen Enzymen zu aktiviertem Indoxacarb umge- setzt, das selektiv die spannungsgesteuerten Natriumionen-Kanäle am Axon blo- ckiert. ● Die spannungsgesteuerten Natriumionen-Kanäle sind während der Depolarisation des Axons im Verlauf des Aktionspotenzials essentiell, um den Natriumionen-Ein- strom zu ermöglichen. ● Werden diese Ionenkanäle am Axon blockiert, so kann keine Depolarisation und damit keine Weiterleitung von Aktionspotenzialen mehr erfolgen. Die Erregungs- leitung wird unterbunden. Damit wird B. germanica durch die Giftwirkung gelähmt und stirbt. 8 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Der Prüfling Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK NT 1 (GG) Seite 4 von 9 Teilaufgabe 2 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 stellt kurz die in Abbildung 2 gezeigten Zusammenhänge dar (Material B), z. B.: ● Der Laborstamm „Orlando Normal“ ist empfindlich gegenüber Indoxacarb, da LD50 3,8 µg/g beträgt. ● Wird der Stamm PR-712 ohne Zugabe von Indoxacarb über 2,5 Jahre vermehrt, so beträgt LD50 88,2 µg/g. Dieser Wert ist rund 20fach höher als bei „Orlando Nor- mal“, daher liegt eine Resistenz vor. ● Wird der Stamm PR-712 mit regelmäßiger Zugabe von Indoxacarb über 2,5 Jahre vermehrt, so beträgt LD50 50 839 µg/g. Dieser Wert ist etwa 13 000fach höher als bei „Orlando Normal“. 6 2 stellt kurz die in Abbildung 2 gezeigten Zusammenhänge dar (Material B), z. B.: ● Die Resistenz gegen Indoxacarb steigt bei PR-712-Indoxacarb in einem Zeitraum von 2,5 Jahren bei regelmäßiger Zugabe des Giftes extrem stark an, da sich in der Population die Resistenz-vermittelnden Allele durchsetzen. Die künstliche Selek- tion durch Zugabe des Insektizids führt hier zu einer schnellen Verschiebung der Allelfrequenzen. 2 3 erläutert den möglichen Prozess der Resistenzentwicklung bei B. germanica PR-712 mithilfe der synthetischen Evolutionstheorie (Materialien A und B), z. B.: ● In der Population von B. germanica PR-712 in Puerto Rico müssen vor Anwen- dung der Insektizide bereits mutierte Allele vorhanden gewesen sein, die eine Re- sistenz gegen das betreffende Insektizid vermitteln können. ● Bei Zugabe von Indoxacarb besteht eine künstliche Selektion, bei der vorwiegend die resistenten Individuen ihre Allele in den Genpool der folgenden Generation ein- bringen können. Sie haben eine deutlich größere reproduktive Fitness als die nicht- resistenten Individuen. ● Daher wird ein rasches Populationswachstum resistenter Schaben einsetzen und die zur Resistenz führenden Allele breiten sich schnell in der Population aus. Die künstliche Selektion erzeugt immer wieder einen Flaschenhalseffekt in der Popula- tion von PR-712-Indoxacarb, sodass der Genpool bei PR-712-Indoxacarb insge- samt sehr eingeschränkt wird. 8 4 entwickelt eine mögliche Hypothese, welche Veränderungen zu einer Resistenz gegen Indoxacarb bei PR-712 geführt haben können (Materialien A und B), z. B.: ● Veränderungen in der Aminosäuresequenz des spannungsgesteuerten Natriumio- nen-Kanals könnten zu einer veränderten Raumstruktur und daher zu einer verrin- gerten Empfindlichkeit gegenüber Indoxacarb führen. Daher könnten Punktmutati- onen im Gen, das für den spannungsgesteuerten Natriumionen-Kanal codiert, ver- antwortlich für die Resistenz sein. ● Die Aktivierung des Pro-Insektizids Indoxacarb erfolgt mithilfe einer enzymati- schen Umsetzung in der Schabe. Entweder könnte diese Umsetzung gestört sein und so eine Resistenz bewirken, oder ein enzymatischer Abbau des Pro-Insektizids wird durch bestimmte Enzyme der resistenten Schaben erreicht. (Die Entwicklung lediglich einer fachlich korrekten Hypothese ist gefordert.) 2 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK NT 1 (GG) Seite 5 von 9 Teilaufgabe 3 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl 1 fasst die Ergebnisse der Untersuchungen aus Material C mithilfe einer Ableitung von Entwicklungstrends zusammen, z. B.: ● Die Gabe von nährstoffreichem Futter oder nähstoffarmem Futter wirkt sich bei dem Stamm PR-712-Indoxacarb auf die Überlebensrate der Larven aus. Hier entwi- ckeln sich immer noch mehr als die Hälfte aller Larven zu ausgewachsenen Insek- ten, wobei die Überlebensrate bei nährstoffarmem Futter geringer ausfällt als bei nährstoffreichem Futter. ● Die Entwicklungsdauer von Larven bis zum ausgewachsenen Insekt nimmt bei nährstoffreichem Futter mit zunehmender Resistenz gegen Indoxacarb zu. Dieser Effekt ist stärker ausgeprägt, wenn nährstoffarmes Futter verwendet wird. Bei Männchen und Weibchen zeigen sich ähnliche Entwicklungszeiten und die glei- chen Trends in Bezug auf die Entwicklungsdauer. ● Mit zunehmender Resistenz gegen Indoxacarb nimmt die Breite des Halsschildes, hier ein Maß für die Körpergröße der ausgewachsenen Tiere, bei nährstoffreichem Futter leicht ab. Wird nährstoffarmes Futter verwendet, erreichen sowohl Männ- chen als auch Weibchen des Stammes PR-712-Indoxacarb eine geringere Körper- größe. 8 2 analysiert ausführlich die Entwicklungstrends vor dem Hintergrund des Konzeptes der reproduktiven Fitness (Materialien A bis C), z. B.: ● Die reproduktive Fitness ist ein Maß für den Anteil an Genen, die ein Individuum in den Genpool der folgenden Generationen einbringen kann. ● Die Erhöhung der Resistenz gegen Indoxacarb wirkt sich insbesondere bei ungüns- tigen Nahrungsbedingungen auf die Überlebensrate der Larven aus. Daher haben die Individuen des Stammes PR-712-Indoxacarb bei Nahrungsmangel eine gerin- gere reproduktive Fitness als die beiden anderen Stämme. ● Der Fortpflanzungserfolg von B. germanica ist bei Männchen abhängig von der Partnerwahl durch das Weibchen und diese bevorzugen größere Männchen. Daher haben die oft kleineren Männchen des Stammes PR-712-Indoxacarb insbesondere bei schlechten Nahrungsbedingungen eine geringere reproduktive Fitness. ● Die Entwicklungsdauer von der Larve zum ausgewachsenen und geschlechtsreifen Insekt ist unter Mangelbedingungen bei PR-712-Indoxacarb deutlich länger als bei den anderen beiden Stämmen, sodass auch hier eine geringere reproduktive Fitness auftritt. ● Kleinere Weibchen können weniger Energiereserven speichern als größere Weib- chen und daher könnte die Gesamtzahl der Eier, die kleinere Weibchen produzie- ren, geringer sein als bei größeren Weibchen. Auch dieser Faktor führt zu einer Re- duktion der reproduktiven Fitness der Weibchen insbesondere bei schlechten Nah- rungsbedingungen. (Andere fachlich korrekte Begründungen sind entsprechend zu bewerten, müssen aber das Konzept der reproduktiven Fitness berücksichtigen.) 10 3 analysiert ausführlich die Entwicklungstrends vor dem Hintergrund des Konzeptes der reproduktiven Fitness (Materialien A bis C), z. B.: ● Die erhöhte Resistenz gegen Indoxacarb bedingt vermutlich einen erhöhten Stoff- wechselaufwand auch ohne direkte Einwirkung des Giftes. Diese energetischen Kosten vermindern insbesondere bei Mangelbedingungen die reproduktive Fitness. (Die Begründung, dass die mögliche Veränderung des spannungsgesteuerten Natri- umionen-Kanals die Vitalität der Insekten beeinträchtigen und so insbesondere bei 2 Der Prüfling Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK NT 1 (GG) Seite 6 von 9 Nahrungsmangel eine geringere reproduktive Fitness bewirken könnte, kann ggf. ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium darstellen.) 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Teilaufgabe 4 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl 1 diskutiert das in Material D aufgeführte Zitat von Jensen et al., 2016, unter Berück- sichtigung aller Materialien (Materialien A bis D), z. B.: ● Bei künstlicher Selektion durch Indoxacarb findet eine schnelle Evolution unter de- finierten Bedingungen im Labor statt, die zur Anpassung in Form einer erhöhten Insektizid-Resistenz zum Beispiel bei PR-712-Indoxacarb führt. ● Aufgrund der kurzen Generationsdauer, der Vererbbarkeit der Anpassung und der extremen Selektion sind in kurzen Zeiträumen evolutionäre Prozesse bei B. germa- nica festzustellen. In diesem künstlichen System sind messbare Veränderungen be- züglich der Überlebensrate und der Entwicklungsdauer der Larven sowie der Größe der adulten Insekten bei B. germanica zu beobachten, die vermutlich Auswirkun- gen auf die reproduktive Fitness haben. In diesem System kann daher der aktuelle evolutionäre Wandel von Organismen in Bezug auf Fitness-bezogene Parameter er- forscht werden. ● Es handelt sich allerdings um künstliche Bedingungen, daher ist aus diesem Mo- dellsystem keine uneingeschränkte Übertragung in ein natürliches System möglich. Erst bei Nahrungsmangel als weiterem Selektionsfaktor werden die möglichen Auswirkungen auf die Veränderungen der reproduktiven Fitness deutlicher. (Zur Vergabe der vollen Punktzahl müssen begründete Pro- und Kontra-Argumente auf der Basis der Materialien genannt werden.) 8 2 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 9