BI BIL E GK ?? 1 BI LK HT 1 Seite 1 von 4 Name: _______________________ Abiturprüfung 2015 Biologie, Leistungskurs Aufgabenstellung: Thema: Evolution der Großkatzen I.1 Skizzieren Sie auf der Grundlage von Material A einen Stammbaum und begründen Sie Ihr Vorgehen. (10 Punkte) I.2 Nennen und erläutern Sie kurz das Vorgehen beim Erstellen des in Material B gezeigten Stammbaums. (10 Punkte) I.3 Vergleichen Sie den Stammbaum in Material B mit den Angaben in Material A. Erläutern und vergleichen Sie die Aussagekraft eines auf der Basis von Material A erstellten Stammbaums und des in Abbildung 1 gezeigten Stammbaums. (22 Punkte) I.4 Erläutern Sie anhand der Materialien B und C, inwiefern der Fossilfund im Himalaya die bisherige Auffassung von der Evolution der Großkatzen verändert hat. (6 Punkte) I.5 Beschreiben Sie anhand der Materialien B bis D die mögliche globale Ausbreitung der Großkatzen unter Einbeziehung von Artbildungsprozessen und beurteilen Sie, ob das heutige Vorkommen von Tiger, Löwe, Leopard und Jaguar die verwandtschaft- lichen Beziehungen widerspiegelt (Materialien A bis D). (18 Punkte) Zugelassene Hilfsmittel:  Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Nur für den Dienstgebrauch!

BI BIL E GK ?? 1 BI LK HT 1 Seite 2 von 4 Name: _______________________ Material A: Morphologisch-anatomische und ethologische Untersuchungen zur Evolution der Großkatzen Die Katzen (Felidae) sind eine Familie aus der Ordnung der Raubtiere (Carnivora). Tradi- tionell werden sie in Großkatzen (Pantherinae) und Kleinkatzen (Felinae) gegliedert. Die Großkatzen werden unterteilt in die Gattung der eigentlichen Großkatzen (Panthera), zu der Löwe, Tiger, Jaguar, Leopard und Schneeleopard gehören, und die Gattung Neofelis mit dem Nebelparder und dem Borneo-Nebelparder. Zur Klärung des phylogenetischen Zusammenhangs wurden u. a. schon von Hemmer 1966 möglichst komplexe morphologisch-anatomische Merkmale sowie Verhaltensmerkmale re- zenter Arten verglichen. Tabelle 1 zeigt einige Ergebnisse dieser Untersuchungen. Tabelle 1: Vergleich verschiedener Arten der Großkatzen und Kleinkatzen (Puma) nach Hemmer Nr. 1 2 3 Schnee- Nebel- Tiger Jaguar Leopard Puma Art Löwe leopard parder Panthera Panthera Panthera Panthera Panthera Neofelis Puma Merkmal leo tigris onca pardus uncia nebulosa concolor Schwanzhaltung + + + + + + + in Ruhe Zerreißhandlung + + + + + + – (beim Fressen) Lautäußerung – – – + + + + (Brüllen) 4 Fressstellung + + + + – – – 5 Krallenscheiden + + + + ? + – 6 Hyoidbau* + + + + + – – 7 Rhinarium** + + + + + – – 8 Fellzeichnung + – + + – – – 9 Stirnzeichnung + – + + – – – 10 Pupillenform + – + + – – – Bedeutung der Zeichen: + = gleiche Ausprägung des Merkmals wie beim Löwen – = nicht vorhanden bzw. andere Ausprägung des Merkmals ? = nicht bekannt * Hyoid (Zungenbein), ein kleiner gebogener Knochen am Mundboden unterhalb der Zunge ** Rhinarium (Nasenspiegel), ein durch Schleimhaut gebildeter Bereich um die Nasenlöcher von Säugetieren Nur für den Dienstgebrauch!

BI BIL E GK ?? 1 BI LK HT 1 Seite 3 von 4 Name: _______________________ Material B: Verwandtschaftsverhältnisse der Katzen Die Erstellung von Abstammungslinien der Katzen (siehe Abbildung 1) beruht auf Sequenz- vergleichen von 30 Genen der Kern-DNA und auf Sequenzanalysen der mitochondrialen DNA (mtDNA); sichere Fossildatierungen dienen als Gerüst, um die genanalytisch erschlos- senen Gabelungen zeitlich einzuordnen. Abbildung 1: Stammbaum auf der Basis von DNA-Vergleichen (Weitere Abstammungslinien wurden zur Vereinfachung weggelassen.) Material C: Forscher entdecken Großkatzen-Fossil im Himalaya Wie in Abbildung 1 gezeigt, ging man lange Zeit davon aus, dass die Trennung zwischen Panthera und Neofelis vor etwa 6,4 Millionen Jahren stattgefunden hat und die Abspaltung des Tigers und des Schneeleoparden von den anderen Großkatzen vor ca. 3,7 Millionen Jahren. Über die Entstehungsgeschichte der Großkatzen weiß man relativ wenig. Die bisher ältesten fossilen Überreste waren 3,6 Millionen Jahre alte Zahnfragmente aus Tansania (Af- rika), ausgegraben von der britischen Forscherin Mary Leakey in den siebziger Jahren. Die- se Fossilfunde legen nahe, dass Löwen ähnliche Großkatzen, Panthera leo fossilis genannt, im späten Pleistozän (vor 5,0 – 1,8 Millionen Jahren) in Afrika lebten. Deutlich jüngere Fossilfunde stammen vom Höhlenlöwen (P. spelaea) aus Eurasien und Nordamerika (vor 300.000 – 13.000 Jahren) sowie vom Amerikanischen Löwen (P. atrox), der vor 200.000 – 12.000 Jahren in Nordamerika und den nördlichen Teilen Südamerikas gelebt hat. 2010 haben Forscher im tibetischen Himalaya ein noch älteres Großkatzenfossil entdeckt. Das Tier namens Panthera blytheae wurde aufgrund von geologischen Analysen auf ein Alter von 4,1 bis 5,95 Millionen Jahren geschätzt. P. blytheae hatte sehr große Ähnlichkeit mit dem rezenten Schneeleoparden, es wies eine breite Stirn und ein kurzes Gesicht auf, war aber kleiner als der Schneeleopard. Interessant für die Forscher war auch die geografische Lage des Fundortes: Die Lebensräume vieler heutiger Großkatzen überlappen sich im tibetischen Hochland. Nur für den Dienstgebrauch!

Abbildung 2: Biogeografische Entwicklung der Großkatzen (Die aktuellen Hauptverbreitungsgebiete sind schattiert und fossile Fundstellen durch die Symbole ●, gekennzeichnet. Die dunklen Pfeile zeigen die wahrscheinliche Ausbreitung der Tiere.) , , BI BIL E GK ?? 1 BI LK HT 1 Seite 4 von 4 Name: _______________________ Material D: Vorkommen der Großkatzen Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 1 Seite 1 von 12 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung 2015 Biologie, Leistungskurs 1. Aufgabenart Bearbeitung fachspezifischen Materials mit neuem Informationsgehalt 2. 1 Aufgabenstellung Thema: Evolution der Großkatzen I.1 Skizzieren Sie auf der Grundlage von Material A einen Stammbaum und begründen Sie Ihr Vorgehen. (10 Punkte) I.2 Nennen und erläutern Sie kurz das Vorgehen beim Erstellen des in Material B gezeigten Stammbaums. (10 Punkte) I.3 Vergleichen Sie den Stammbaum in Material B mit den Angaben in Material A. Erläutern und vergleichen Sie die Aussagekraft eines auf der Basis von Material A erstellten Stammbaums und des in Abbildung 1 gezeigten Stammbaums. (22 Punkte) I.4 Erläutern Sie anhand der Materialien B und C, inwiefern der Fossilfund im Himalaya die bisherige Auffassung von der Evolution der Großkatzen verändert hat. (6 Punkte) I.5 Beschreiben Sie anhand der Materialien B bis D die mögliche globale Ausbreitung der Großkatzen unter Einbeziehung von Artbildungsprozessen und beurteilen Sie, ob das heutige Vorkommen von Tiger, Löwe, Leopard und Jaguar die verwandtschaft- lichen Beziehungen widerspiegelt (Materialien A bis D). (18 Punkte) 1 Die Aufgabenstellung deckt inhaltlich alle drei Anforderungsbereiche ab. Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 1 Seite 2 von 12 3. Materialgrundlage  Material A: Tabelle 1 selbst erstellt nach: Hemmer 1966, S. 15, 27 – 52  Material B: Abbildung 1 selbst erstellt nach: O’Brian & Johnson 2008, S. 56  Material D: Abbildung 2 verändert nach: Tseng et al. 2013  Anderson, N. (2013). Panthera blytheae: Oldest Big Cat Fossil Found in Tibet.         Sci-News.com verfügbar unter: http://www.sci-news.com/paleontology/science-panthera-blytheae- fossil-tibet-01544.html (Zugriff: 22.02.2015) Antón, M. (2013). Bislang ältestes Großkatzenfossil entdeckt. Spiegel online verfügbar unter: http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/asien-bislang-aeltestes- grosskatzen-fossil-entdeckt-a-933193.html (Zugriff: 22.02.2015) Hemmer, H. (1966). Untersuchungen zur Stammesgeschichte der Pantherkatzen (Pantherinae). Teil I. Veröff. Zool. Staatssammlung München, 11, S. 1 – 121 O’Brian, S. J. & Johnson, W. E. (2008). Der neue Stammbaum der Katzen. Spektrum der Wissenschaft, Juni 2008, S. 54 ff. Tseng, J. Z. et al. (2013). Himalayan fossils of the oldest known pantherine establish ancient origin of big cats. Proceedings of the Royal Society Biological Sciences. verfügbar unter: http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/281/1774/20132686.full (Zugriff: 06.11.2014) Scinexx – Das Wissensmagazin: Forscher entdecken das älteste Großkatzen-Fossil. http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-16877-2013-11-13.html (Zugriff: 06.05.2014) Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Katzen (Zugriff: 06.11.2014) http://de.wikipedia.org/wiki/Höhlenlöwe (Zugriff: 06.11.2014) http://de.wikipedia.org/wiki/Amerikanischer_Löwe (Zugriff: 06.11.2014) http://www.welt-der-katzen.de/wildekatze/wildekatze.html (Zugriff: 24.06.2014) http://lionalert.org/page/panthera-leo (Zugriff: 06.11.2014) Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 1 Seite 3 von 12 4. Bezüge zu den Vorgaben 2015 1. Inhaltliche Schwerpunkte 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, vertiefend: phylogenetische Stellung der Primaten) – 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 – Datierungsmethoden Genetische und entwicklungsbiologische Grundlagen von Lebensprozessen  Molekulare Grundlagen der Vererbung und Entwicklungssteuerung – Replikation, Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryonten, Mutagene und Mutationen  Angewandte Genetik – Werkzeuge und Verfahrensschritte der Gentechnik (PCR und genetischer Fingerabdruck) 2. Medien/Materialien  entfällt 5. Zugelassene Hilfsmittel  Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 1 Seite 4 von 12 6. Vorgaben für die Bewertung der Schülerleistungen Teilleistungen – Kriterien a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe I.1 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 skizziert auf der Grundlage von Material A einen Stammbaum, z. B.: 4 2 begründet sein Vorgehen, z. B.:  Je mehr übereinstimmende Merkmale auftreten, desto näher ist die Verwandtschaft.  Nach der vorliegenden Tabelle stimmen bei Löwe, Leopard und Jaguar gleich viele Merkmale (10) überein. Eine weitere Abstufung im Verwandtschaftsgrad zwischen diesen drei Arten ist also aufgrund dieser Daten nicht möglich.  Die Abstufungen im Verwandtschaftsgrad zu den anderen Katzen ergeben sich aus der Anzahl der Unterschiede zum Löwen (Tiger 3, Schneeleopard 5 – 6, Nebelparder 7, Puma 9) (Der Hinweis darauf, dass es sich um homologe Merkmale handeln muss, wird nicht erwartet und stellt ggf. ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium dar.) 6 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 1 Seite 5 von 12 Teilaufgabe I.2 Anforderungen Der Prüfling 1 nennt und erläutert kurz das Vorgehen beim Erstellen des in Material B gezeigten Stammbaums, z. B.:  Gewinnung von DNA-Sequenzen der zu vergleichenden Arten: – Dazu muss die DNA isoliert, vervielfältigt und sequenziert werden. – Die Vervielfältigung erfolgt über das PCR-Verfahren.  Vergleich von Basensequenzen: – Die ermittelten Basensequenzen werden miteinander verglichen: Je mehr Unterschiede zwischen den Basensequenzen der Organismen auftreten, desto länger liegt die Aufspaltung der jeweiligen Entwicklungslinien zurück.  Umsetzung in eine grafische Darstellung: – Daraus lässt sich eine grafische Darstellung ableiten, die die ermittelte Reihen- folge der Aufspaltungen der Entwicklungslinien abbildet.  Zeitliche Kalibrierung: – Der Abgleich mit dem Alter von sicher datierten Fossilien lässt Rückschlüsse auf den Zeitpunkt der einzelnen Aufspaltungen zu. – Zur Datierung können verschiedene radiometrische Methoden oder die Unter- suchung der geologischen Schichtung angewendet werden. 2 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (1) maximal erreichbare Punktzahl 10 Teilaufgabe I.3 Anforderungen Der Prüfling 1 vergleicht den Stammbaum in Material B mit den Angaben in Material A, sinngemäß:  Der Stammbaum in Abbildung 1 zeigt zwei Haupt-Aufspaltungslinien, die Panther- linie und die Pumalinie; auch Material A unterscheidet zwischen Großkatzen und den übrigen Katzen.  Der Puma ist verwandtschaftlich weiter entfernt und gehört nach Abbildung 1 nicht zu den Großkatzen, sondern zusammen mit Gepard und Wieselkatze zur zweiten Hauptlinie (Pumalinie). Die Katzen aus Material A gehören ebenfalls alle bis auf den Puma zu der ersten Linie.  Nach Material A stimmen Löwe, Jaguar und Leopard in allen angegebenen Merk- malen überein. Nach dem Stammbaum in Abbildung 1 sind Löwe und Leopard näher miteinander verwandt als mit dem Jaguar.  Nach Material A weist der Nebelparder mehr Unterschiede zu den anderen Groß- katzen auf; auch nach Abbildung 1 haben sich Nebelparder und Borneo-Nebel- parder früher als die anderen Großkatzen abgespalten (vor 6,4 Mio. Jahren).  Anders als Abbildung 1 liefert Material A keine Hinweise auf den Zeitpunkt der jeweiligen Aufspaltung. Nur für den Dienstgebrauch! maximal erreichbare Punktzahl 10

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 1 Seite 6 von 12 2 erläutert die Aussagekraft eines auf der Basis von Material A erstellten Stammbaums und des in Abbildung 1 gezeigten Stammbaums, z. B.:  Rein morphologische oder ethologische Vergleiche können nicht per se als ein- deutige Belege einer engeren Verwandtschaft angesehen werden.  Ähnliche morphologische Merkmale könnten auch Folge ähnlicher Selektions- bedingungen sein, ohne dass eine engere Verwandtschaft tatsächlich vorliegt.  Solche Merkmale sind als Analogien dann Folge einer konvergenten Entwicklung.  Nur wenn Ähnlichkeiten auf Homologie beruhen, können sie als Belege für eine gemeinsame Abstammung angesehen werden. 5 3 erläutert die Aussagekraft eines auf der Basis von Material A erstellten Stammbaums und des in Abbildung 1 gezeigten Stammbaums, z. B.:  Mutationen verändern die Basensequenz der DNA. Diese Veränderungen erfolgen spontan und zufällig.  Besonders aussagekräftig sind Vergleiche von Basensequenzen nicht codierender DNA-Abschnitte, da sie selektionsneutral sind.  Geht man von einer gleichbleibenden Mutationsrate aus, spiegelt die Anzahl der Sequenzunterschiede mehr oder weniger direkt wider, wann sich die Entwick- lungslinien der beiden verglichenen Arten getrennt haben („Molekulare Uhr“).  Noch aussagekräftiger sind unter Umständen mtDNA-Vergleiche, da die mtDNA rein maternal vererbt wird. Aus diesem Grund werden die Gene ohne Rekombi- nation weitergegeben und die Veränderungen sind unter Umständen nur auf Mu- tationen zurückzuführen. 5 4 vergleicht die Aussagekraft eines auf der Basis von Material A erstellten Stamm- baums und des in Abbildung 1 gezeigten Stammbaums, z. B.:  Der Vergleich morphologisch-anatomischer Merkmale und von Verhaltens- merkmalen muss hier eindeutig dem Verfahren der DNA-Sequenzanalyse nach- gestellt werden. 2 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Teilaufgabe I.4 maximal erreichbare Punktzahl Anforderungen Der Prüfling 1 erläutert anhand der Materialien B und C, inwiefern der Fossilfund im Himalaya die bisherige Auffassung von der Evolution der Großkatzen verändert hat, sinngemäß:  Nach dem Fossilfund in Afrika musste man davon ausgehen, dass die Vorfahren der Großkatzen in Afrika gelebt haben.  Nach dem Fund des älteren Fossils im Himalaya liegt der Ursprung der Groß- katzen aber offensichtlich nicht in Afrika, sondern in Zentralasien.  Da das neu gefundene Fossil ca. 4 – 6 Millionen Jahre alt ist und dem Schnee- leoparden ähnelt, muss die Abspaltung der Schneeleopardenlinie früher erfolgt sein als bislang angenommen. (Andere sinnvolle Erläuterungen werden entsprechend gewertet.) 2 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (1) Nur für den Dienstgebrauch! 6