BI13_x_G_HT_GG.pdf
Dieses Dokument ist Teil der Anfrage „Abiturprüfungen“
BI BIL E GK ?? 1 BI GK HT 1 Seite 1 von 3 Name: _______________________ Abiturprüfung 2013 Biologie, Grundkurs Aufgabenstellung: Thema: Die Evolution der Eisfische in den antarktischen Gewässern I.1 Erläutern Sie die Angepasstheit der Eisfische hinsichtlich der Temperatur und der Sauerstoffversorgung (Material A). (12 Punkte) I.2 Nennen Sie vier Evolutionsfaktoren und geben Sie jeweils eine Definition an. Erläutern Sie mit Hilfe von Material B und unter Berücksichtigung der hier wirksamen Evolutions- faktoren die Entstehung der Artenvielfalt bei den Antarktisfischen (Notothenioidei). (24 Punkte) I.3 Vergleichen Sie das Vorkommen und die Struktur der Globin-Gene von Eisfisch und Felsenbarsch sowie deren DNA-Sequenzen (Material C). Leiten Sie anhand aller Materialien eine mögliche evolutionsbiologische Erklärung für die Veränderungen der Globin-Gene bei den Eisfischen ab. (18 Punkte) Zugelassene Hilfsmittel: Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Nur für den Dienstgebrauch!
BI BIL E GK ?? 1 BI GK HT 1 Seite 2 von 3 Name: _______________________ Material A: Die Biologie der Eisfische Eisfische leben in den polaren Gewässern der Antarktis mit hohem Sauerstoffgehalt bei Temperaturen zwischen –2 und +2 °C. Bei Wassertemperaturen über +8 °C sterben die Eisfische. Ein körpereigenes Frostschutzprotein erniedrigt den Gefrierpunkt des Blutes auf –2,7 °C. Die Stoffwechselprozesse der Eisfische werden zwar bei den niedrigen Temperaturen verlangsamt, können aber aufgrund des Frostschutzproteins dennoch stattfinden. Die meisten Fische transportieren wie wir Menschen den Sauerstoff im Blut an das Protein Hämoglobin gebunden, einen Bestandteil der roten Blutkörperchen (Erythrozyten), der auch für die rote Farbe des Blutes verantwortlich ist. So kann in der Blutflüssigkeit deutlich mehr von diesem Gas transportiert werden, als wenn es nur im Serum gelöst ist. Die Eisfische besitzen jedoch keine Erythrozyten, daher ist ihr Blut dünnflüssig und farblos. Eisfische besitzen ein großes Blutvolumen, ein langsam schlagendes Herz mit dennoch hoher Pump- leistung sowie Blutgefäße mit großem Durchmesser. Ihre schuppenlose und daher für gas- förmige Stoffe gut durchlässige Haut ist stark durchblutet. Material B: Die Evolution der Antarktisfische Die Familie der Eisfische (Channichthyidae) gehört zur Unterordnung der Antarktisfische (Notothenioidei). Alle anderen Familien der Antarktisfische besitzen ebenfalls Frostschutz- proteine, aber im Gegensatz zu den Eisfischen rotes Blut. Die Antarktisfische machen etwa 75 % aller Fischarten der Antarktis aus. Man nimmt an, dass die gemeinsame Ursprungsart aller Antarktisfische im flachen Wasser auf dem Boden lebte und keine Schwimmblase besaß. Aus ihr entwickelten sich über 100 unterschiedliche Arten, von denen einige durch Fetteinlagerungen und reduzierte Verknöcherung die Auf- triebsleistung der fehlenden Schwimmblase kompensieren. Heute findet man die verschiedenen Arten der Antarktisfische in allen Regionen des Südpolarmeeres. Auch das Nah- rungsspektrum ist breit gefächert; so ernähren sich einige Arten von antark- tischem Krill, andere lauern bewe- gungslos am Grund auf Beute. Abbildung 1: Tiefenverteilung der Antarktisfische Die Evolution der Antarktisfische fand während gravierender geographischer und klimatischer Veränderungen auf der Südhalbkugel statt (Abbildung 2). Nur für den Dienstgebrauch!
BI BIL E GK ?? 1 BI GK HT 1 Seite 3 von 3 Name: _______________________ ? ? Vergletscherung der Antarktis durch weiteren Temperaturabfall Vorkommen des Gefrierschutzproteins bei Antarktis- fischen ? ? Trennung der Antarktis von den anderen Kontinenten Zirkumpolare Meeresströmung; trennt das warme Wasser im Norden vom kalten Südpolarmeer Kontinuierlicher Temperaturabfall des Oberflächenwas- sers von im Mittel +10 °C auf 0 °C, z. T. auf –1,9 °C Vorkommen wärmeliebender Fischarten in der Antarktis Intensive Artbildungsprozesse bei den Antarktisfischen 40 30 20 10 0 Millionen Jahre Abbildung 2: Klimatische, geographische und evolutive Prozesse rund um den antarktischen Kontinent in den letzten 40 Millionen Jahren Material C: Die Globin-Gene der Eisfische Hämoglobin besteht aus vier Protein-Untereinheiten, zwei identischen α-Globinen und zwei identischen β-Globinen. Nur in dieser Form kann es Sauerstoff (O2) transportieren. Wissen- schaftler untersuchten die Globin-Gene verschiedener Eisfischarten und verglichen sie mit denen des Felsenbarsches (Notothenia coriiceps), einem Antarktisfisch, welcher rotes Blut besitzt. Dabei stellten sie fest, dass das β-Globin-Gen beim Eisfisch fehlt. Ein α- Globin-Gen ist jedoch vorhanden und wurde genauer untersucht (Abbildungen 3 und 4). Die Ergebnisse sind exemplarisch für die Eisfischart Chaenocephalus aceratus dargestellt. 1120 1110 1100 Abbildung 3: Struktur des α-Globin-Gens bei der Eis- fischart (EF) Chaenocephalus aceratus und dem Felsenbarsch (FB) Notothenia coriiceps; entsprechende Regionen werden durch die Färbung bzw. gleiche Nummerie- rung gekennzeichnet. Introns (I1, I2), Exons (E1, E2, E3). C A G C A C C A T G T T C C C A A G G A C T T Felsenbarsch (Notothenia coriiceps) . . C . . . . . . . . . . . . . C . . . G . . Eisfisch (Chaenocephalus aceratus) Abbildung 4: Ausschnitt aus Exon 3 des α-Globin-Gens des Felsenbarsches und einer Eisfischart; Punkte be- deuten identische Nukleotide, die Zahlen geben die Position der Nukleotide im Gen an. Die Anzahl der Mutationen ist für ein Exon außergewöhnlich hoch. Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI GK HT 1 Seite 1 von 7 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung 2013 Biologie, Grundkurs 1. Aufgabenart Bearbeitung fachspezifischen Materials mit neuem Informationsgehalt 2. 1 Aufgabenstellung Thema: Die Evolution der Eisfische in den antarktischen Gewässern I.1 Erläutern Sie die Angepasstheit der Eisfische hinsichtlich der Temperatur und der Sauerstoffversorgung (Material A). (12 Punkte) I.2 Nennen Sie vier Evolutionsfaktoren und geben Sie jeweils eine Definition an. Erläutern Sie mit Hilfe von Material B und unter Berücksichtigung der hier wirksamen Evolutions- faktoren die Entstehung der Artenvielfalt bei den Antarktisfischen (Notothenioidei). (24 Punkte) I.3 Vergleichen Sie das Vorkommen und die Struktur der Globin-Gene von Eisfisch und Felsenbarsch sowie deren DNA-Sequenzen (Material C). Leiten Sie anhand aller Materialien eine mögliche evolutionsbiologische Erklärung für die Veränderungen der Globin-Gene bei den Eisfischen ab. (18 Punkte) 3. Materialgrundlage Material A: nach Kock (2006) Material B: nach Eastman (1993) und Matschiner (2011) 1 Abbildung 1 nach Clarke (1996) Abbildung 2 kombiniert aus Matschiner (2011), Clarke (1996) und Eastman (1993) Material C: Abbildungen 3 und 4 verändert nach Zhao (1998) Clarke, A.; Johnston, I.A. (1996). Evolution and adaptive radiation of Antarctic fishes; Trends in ecology and evolution vol. 11, pp. 212 – 218 Detrich, H. W.; Amemiya, C.T. (2010). Antarctic Notothenioid Fishes: Genomic Resources and Strategies for Analyzing an Adaptive Radiation, in: Integrative and Comparative Biology, volume 50, number 6, pp. 1009 – 1017 Eastman, J. T. (1993). Antarctic Fish Biology, Academic Press Inc., San Diego Kock, K.H. (2006). Eisfische – Fische ohne Blut? http://literatur.vti.bund.de/digbib_extern/dk040331.pdf (Zugriff 06.02.2012) Die Aufgabenstellung deckt inhaltlich alle drei Anforderungsbereiche ab. Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI GK HT 1 Seite 2 von 7 Matschiner, Michael et. al (2011). On the Origin and Trigger of the Notothenioid Adaptive Radiation; PloS One 6 (4): 18911, doi:10.1371/journal.pone.0018911 Zhao, Y. et. al. (1998). The Major Adult α-Globin Gene of Antarctic Teleosts and Its Remnants in the Hemoglobinless Icefishes; the journal of biological chemistry Vol. 273, pp. 14745 – 14752 4. Bezüge zu den Vorgaben 2013 1. Inhaltliche Schwerpunkte Genetische und entwicklungsbiologische Grundlagen von Lebensprozessen Molekulare Grundlagen der Vererbung und Entwicklungssteuerung – Replikation, Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryonten Ökologische Verflechtungen und nachhaltige Nutzung Umweltfaktoren, ökologische Nische – Untersuchungen in einem Lebensraum – Anpassungen an Temperatur und Feuchtigkeit bei Tieren und Pflanzen Evolution der Vielfalt des Lebens in Struktur und Verhalten Grundlagen evolutiver Veränderung – Genotypische Variabilität von Populationen (keine Modellberechnungen) Art und Artbildung Evolutionshinweise und Evolutionstheorie – Rezente und paläontologische Hinweise (Homologie der Wirbeltiergliedmaßen) – Systematik und phylogenetischer Stammbaum (Grundlegende Zusammenhänge innerhalb des Wirbeltierstammbaumes) – Vergleich und Beurteilung der Ergebnisse unterschiedlicher Analysemethoden; bei der Analyse bzw. Erstellung eines Stammbaumes sind Übereinstimmungen in der DNA-Sequenz und Aminosäure-Sequenz von Proteinen einzubeziehen – Synthetische Evolutionstheorie 2. Medien/Materialien entfällt 5. Zugelassene Hilfsmittel Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Nur für den Dienstgebrauch!
Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI GK HT 1 Seite 3 von 7 6. Vorgaben für die Bewertung der Schülerleistungen Teilleistungen – Kriterien a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe I.1 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 erläutert die Angepasstheit der Eisfische hinsichtlich der Temperatur und der Sauer- stoffversorgung (Material A), z. B.: Das Gefrierschutzprotein verhindert ein Gefrieren der Zellflüssigkeit und damit auch die Zerstörung der Körperzellen durch Eisbildung. Die geringe Wassertemperatur bewirkt eine stark verringerte Stoffwechselrate und damit einen geringeren Sauerstoffbedarf. 5 2 erläutert die Angepasstheit der Eisfische hinsichtlich der Temperatur und der Sauer- stoffversorgung (Material A), z. B.: Das sauerstoffreiche kalte Wasser und die schuppenlose, gut durchblutete Haut ermöglichen eine Sauerstoffaufnahme zusätzlich zu den Kiemen. Das fehlende Hämoglobin erzwingt zwar einen Sauerstofftransport im Blutserum, die fehlenden Enythrozyten machen das Blut aber auch dünnflüssiger. Dadurch und durch die hohe Pumpleistung des Herzens, die Blutgefäße mit großem Durchmesser und das große Blutvolumen ist eine ausreichende Versorgung der Gewebe mit O2 gesichert. 7 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Teilaufgabe I.2 Anforderungen Der Prüfling 1 2 nennt vier Evolutionsfaktoren und gibt jeweils eine Definition an, z. B.: Mutation ist eine spontane und ungerichtete Veränderung der Erbinformation. Rekombination ist eine bei der sexuellen Fortpflanzung auftretende und zufällig bedingte Neukombination der genetischen Information. Selektion ist eine natürliche Auslese vorteilhafter Phänotypen. Gendrift ist eine zufällige Veränderung der Allelfrequenz innerhalb eines Gen- pools. Isolation ist ein Evolutionsfaktor, der zu einer Unterbrechung des Genflusses zwischen Populationen führt. (Es können auch andere als die aufgeführten Evolutionsfaktoren genannt werden, für die richtige Nennung und Definition von 4 Faktoren wird die volle Punktzahl vergeben.) erläutert mit Hilfe von Material B und unter Berücksichtigung der hier wirksamen Evolutionsfaktoren die Entstehung der Artenvielfalt bei den Antarktisfischen, z. B.: Durch den vor ca. 40 Millionen Jahren beginnenden Temperaturabfall in der Antarktis veränderten sich entscheidende Ökofaktoren. Es ist anzunehmen, dass durch Mutation und Rekombination schon früher als vor 25 Millionen Jahren Fischarten entstanden, die niedrigere Temperaturen tolerierten. Die Entstehung des Gefrierschutzproteins durch Mutation vor ca. 25 Millionen Jahren sicherte den Antarktisfischen einen zusätzlichen Selektionsvorteil für das Überleben in kälterem Wasser. Nur für den Dienstgebrauch! maximal erreichbare Punktzahl 8 6
Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI GK HT 1 Seite 4 von 7 3 4 5 erläutert mit Hilfe von Material B und unter Berücksichtigung der hier wirksamen Evolutionsfaktoren die Entstehung der Artenvielfalt bei den Antarktisfischen, z. B.: Durch die Abspaltung der Antarktis und die entstehende Zirkumpolarströmung wurden die Antarktisfische isoliert. Dies verhinderte eine Zuwanderung anderer Fischarten, sodass sich die Antarktisfische ohne Konkurrenz vermehrten. Die durch den Rückgang der wärmeliebenden Arten frei gewordenen Planstellen konnten neu besetzt werden. So nutzen die Antarktisfische heute Tiefen von 50 bis 1400 Metern (vgl. Abbildung 1), verschiedenste Nahrung und alle Regionen des Südpolarmeeres. Diese Einnischung verminderte die intraspezifische (und auch interspezifische) Konkurrenz. erläutert mit Hilfe von Material B und unter Berücksichtigung der hier wirksamen Evolutionsfaktoren die Entstehung der Artenvielfalt bei den Antarktisfischen, z. B.: Es kam zur Aufspaltung in viele Arten, was sich aus der Intensität der Artenbil- dung in diesem Zeitraum ableiten lässt; diesen Vorgang bezeichnet man als adap- tive Radiation. erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) 6 4 Teilaufgabe I.3 Anforderungen Der Prüfling 1 2 3 vergleicht das Vorkommen und die Struktur der Globin-Gene von Eisfisch und Felsenbarsch sowie deren DNA-Sequenzen (Material C), z. B.: Das β-Globin-Gen fehlt bei den untersuchten Eisfischarten. Insgesamt ist das α-Globin-Gen der Eisfische stark verkürzt. Es finden sich Deletionen von Exon 1 und 2 sowie von Intron 1, Intron 2 ist beim Eisfisch deutlich kürzer. Der Eisfisch zeigt Punktmutationen an den Positionen 1101, 1115 und 1119. leitet anhand aller Materialien eine mögliche evolutionsbiologische Erklärung für die Veränderungen der Globin-Gene bei den Eisfischen ab, z. B.: Die Vorfahren der heutigen Eisfische besaßen Hämoglobin, das durch die α- und β-Globin-Gene kodiert wurde. Weil die Eisfische die O2-Versorgung durch andere Anpassungsleistungen sichern konnten (siehe Material A), waren sie nicht auf das Hämoglobin als O2-bindendes Protein angewiesen. Zufällige Mutationen in den Globin-Genen wirkten sich daher nicht nachteilig aus. Auch die Deletion des gesamten β-Globin-Gens stellte keinen Selektions- nachteil dar. Die Vielzahl der Mutationen im verbliebenen Teil des α-Globin- Gens zeigt ebenfalls, dass Mutationen hier selektionsneutral sind. (Andere sinnvolle Lösungen werden entsprechend gewertet.) erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) maximal erreichbare Punktzahl 8 10 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. Nur für den Dienstgebrauch! maximal erreichbare Punktzahl 6
BI GK HT 1 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW Seite 5 von 7 7. Bewertungsbogen zur Prüfungsarbeit Name des Prüflings:____________________________________ Kursbezeichnung:____________ Schule: _____________________________________________ Teilaufgabe I.1 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 erläutert die Angepasstheit … 5 2 erläutert die Angepasstheit … 7 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe I.1 Teilaufgabe EK 2 ZK DK 12 Teilaufgabe I.2 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling 1 nennt vier Evolutionsfaktoren … 8 2 erläutert mit Hilfe … 6 3 erläutert mit Hilfe … 6 4 erläutert mit Hilfe … 4 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe I.2 Teilaufgabe 2 maximal erreichbare Punktzahl 24 EK = Erstkorrektur; ZK = Zweitkorrektur; DK = Drittkorrektur Nur für den Dienstgebrauch! EK ZK DK
BI GK HT 1 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW Seite 6 von 7 Teilaufgabe I.3 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 vergleicht das Vorkommen … 8 2 leitet anhand aller … 10 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe I.3 Teilaufgabe 18 Summe der I.1, I.2 und I.3 Teilaufgabe 54 EK ZK DK Darstellungsleistung Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling führt seine Gedanken … strukturiert seine Darstellung … verwendet eine differenzierte … gestaltet seine Arbeit … maximal erreichbare Punktzahl EK ZK DK 6 Summe Darstellungsleistung 6 Summe insgesamt (inhaltliche und Darstellungsleistung) 60 Festlegung der Gesamtnote (Bitte nur bei 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 Note ggf. unter Absenkung um ein bis zwei Notenpunkte gemäß § 13 Abs. 2 APO-GOSt Paraphe Nur für den Dienstgebrauch! EK ZK DK
BI GK HT 1 Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW Seite 7 von 7 ggf. arithmetisches Mittel der Punktsummen aus EK und ZK: ___________ ggf. arithmetisches Mittel der Notenurteile aus EK und ZK: _____________ Die Klausur wird abschließend mit der Note: ________________________ (____ Punkte) bewertet. Unterschrift, Datum: Grundsätze für die Bewertung (Notenfindung) Für die Zuordnung der Notenstufen zu den Punktzahlen ist folgende Tabelle zu verwenden: Note Punkte Erreichte Punktzahl sehr gut plus 15 120 – 114 sehr gut 14 113 – 108 sehr gut minus 13 107 – 102 gut plus 12 101 – 96 gut 11 95 – 90 gut minus 10 89 – 84 befriedigend plus 9 83 – 78 befriedigend 8 77 – 72 befriedigend minus 7 71 – 66 ausreichend plus 6 65 – 60 ausreichend 5 59 – 54 ausreichend minus 4 53 – 47 mangelhaft plus 3 46 – 39 mangelhaft 2 38 – 32 mangelhaft minus 1 31 – 24 ungenügend 0 23 – 0 Nur für den Dienstgebrauch!