LA21-BIO-GK-C-AUFG
Abitur-Prüfung in Hessen aus 2021 in Biologie
Hessisches Kultusministerium Landesabitur 2021 Biologie Thema und Aufgabenstellung Grundkurs Vorschlag C Seite 1 von 7Hinweise für den Prüfling Bearbeitungszeit (insgesamt): 255 Minuten Auswahlverfahren Wählen Sie von den zwei vorliegenden Vorschlägen einen zur Bearbeitung aus. Der nicht ausgewählte Vorschlag wird 60 Minuten nach Beginn der Bearbeitungszeit von der Aufsicht führenden Lehrkraft eingesammelt. Erlaubte Hilfsmittel 1. ein Wörterbuch der deutschen Rechtschreibung 2. ein eingeführter Taschenrechner (Bei grafikfähigen Rechnern und Computeralgebrasystemen ist ein Reset durchzuführen.) 3. eine Liste der fachspezifischen Operatoren In jedem Fall vom Prüfling auszufüllen Name: Vorname: Prüferin/Prüfer: Datum:
Hessisches Kultusministerium Landesabitur 2021 Biologie Thema und Aufgabenstellung Grundkurs Vorschlag C Seite 2 von 7Bekämpfung der eingeschleppten Tigermücke (Genetik und Gentechnik, ökologische und stoffwechselphysiologische Zusammenhänge) Die Asiatische Tigermücke (Aedes albopictus) stammt ursprünglich aus Südostasien. Durch den glo- balisierten Waren- und Reiseverkehr wird sie seit Jahrzehnten weltweit verschleppt. 2007 erfolgte der erste Nachweis in Deutschland, im Sommer 2018 wurde sie in Frankfurt am Main aufgespürt. Als Überträger von Virus-Erkrankungen wie dem Gelbfieber entwickelt sich die Asiatische Tigermücke zu einer ernsten Bedrohung für die Menschen in Deutschland. Kenntnisse genetischer und ökologischer Aspekte des Organismus sind für die Entwicklung geeigneter Bekämpfungsmethoden notwendig. Aufgaben Die Ökologie der Asiatischen Tigermücke 1 Geben Sie jeweils eine Definition der Begriffe ökologische Nische, Symbiose und Parasitismus an. Nennen Sie jeweils ein Beispiel für eine symbiotische und eine parasitische Beziehung. (8 BE) 2 Beschreiben Sie die Toleranzkurve (Abbildung 2.1). Beschreiben und erklären Sie die Abhän- gigkeit der Entwicklungsgeschwindigkeit der Tigermückenpuppe von der Wassertemperatur (Abbildung 2.2). (Material 1 und 2) (11 BE) 3 Formulieren Sie zwei Fragestellungen, die dem Experiment in Material 3 zugrunde liegen. Fassen Sie die Versuchsergebnisse zusammen und werten Sie diese aus. (Material 3) (16 BE) 4 Skizzieren Sie ein Nahrungsnetz der im Material 4 genannten Organismen bei Anwesenheit von Ratten und Menschen. Ordnen Sie exemplarisch drei der Organismen unterschiedlichen Trophieebenen zu. (Material 4) (9 BE) 5 Erklären Sie das Vorkommen der beiden Stechmückenarten vor und nach Ausrottung der Ratten. (Material 1 und 4) (7 BE) Gene Drive zur Bekämpfung der Asiatischen Tigermücke? 6 Benennen Sie die durch Nummern gekennzeichneten Bestandteile des lac-Operons in Material 5 und beschreiben Sie dessen Funktionsweise in Abwesenheit von Lactose. Skizzieren Sie das lac-Operon in Anwesenheit von Lactose. (Material 5) (18 BE) 7 Werten Sie das Vererbungsschema in Material 6 aus. Begründen Sie, dass es sich bei der Vererbung des MEDEA-Allels um einen Gene Drive-Mechanismus handelt. (Material 6) (19 BE) 8 Beurteilen Sie, ob Gene Drive als Alternative zur bisherigen Bekämpfungsstrategie gegen die Tigermücke geeignet ist. (Material 1 und 7) (12 BE)
Hessisches Kultusministerium Landesabitur 2021 Biologie Thema und Aufgabenstellung Grundkurs Vorschlag C Seite 3 von 7Material 1 Ökologie der Asiatischen Tigermücke Die Asiatische Tigermücke ist eine relativ kleine Stech- mücke mit 0,5–1 cm Körperlänge. Sie ist sehr anpassungs- fähig, da sie trocken- und kälteresistente Eier bilden kann. Während die Larven und Puppen der Mücken bei Tempe- raturen unter 10°C absterben, überdauern die Eier auch Temperaturen bis zu –10°C. Der voranschreitende Klima- wandel und die damit einhergehenden milder werdenden Winter tragen ebenfalls dazu bei, dass sich die Tiger- mücke in unseren Breiten erfolgreich ausbreitet. Die Tigermücke ist hervorragend an städtische Lebens- räume angepasst. Eier, Puppen und Larven findet man in kleinsten Wasseransammlungen wie Vogel- tränken, alten Autoreifen und verstopften Dachrinnen. Die Larven ernähren sich von Mikroorganis- men und organischem Material, das sie aus dem Wasser filtern. Die erwachsenen, flugfähigen Tiere entfernen sich von den Brutstätten, die Tigermücke fliegt allerdings nur rund 100–200m weit. Wie bei anderen Stechmücken auch, saugen ausschließlich die Weibchen Blut, welches sie für die Bil- dung ihrer Eier benötigen. Die Asiatische Tigermücke ist potenzieller Überträger verschiedener Krankheitserreger. Sie ist in der Lage, Dengue-, Chikungunya-, West-Nil-, Zika- oder Gelbfieber- Viren zu übertragen. In Hessen wurde jedoch bisher keine dieser Infektionen durch eine Tigermücke dokumentiert. Abbildung 1.2: Lebenszyklus der Asiatischen Tigermücke Abbildung 1.1: Asiatische Tigermücke
Hessisches Kultusministerium Landesabitur 2021 Biologie Thema und Aufgabenstellung Grundkurs Vorschlag C Seite 4 von 7Material 2 Untersuchungen zur Temperaturabhängigkeit der Asiatischen Tigermücke Abbildung 2.1: Verpuppungserfolg der Tigermücken- larven in Abhängigkeit von der Wasser- temperatur Abbildung 2.2: Entwicklungsgeschwindigkeit der Tigermückenpuppe in Abhängigkeit von der Wassertemperatur Material 3 Stechmückenarten treten in Konkurrenz Die in Europa häufig vorkommende Gemeine Stechmücke (Culex pipiens) und die jetzt neu auftre- tende Asiatische Tigermücke (Aedes albopictus) teilen sich oft dieselben Eiablagestellen. In Italien wurden in etwa jeder zehnten Fundstelle Gemeine Stechmückenlarven (SML) zusammen mit Asiati- schen Tigermückenlarven (TML) gefunden. Eine Frankfurter Forschergruppe führte Experimente mit TML und SML durch. Unter kontrollierten Bedingungen (16 h Licht pro Tag, 20°C Wassertemperatur und gleichbleibende Wasserqualität) wur- den Versuche mit jeweils 30 Larven angesetzt. Die Versuchsansätze enthielten entweder die Larvenart allein oder jeweils 15 Larven der untersuchten Art zusammen mit 15 Larven der jeweils anderen Art. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3.1 dargestellt. Fortsetzung des Materials auf der folgenden Seite
Hessisches Kultusministerium Landesabitur 2021 Biologie Thema und Aufgabenstellung Grundkurs Vorschlag C Seite 5 von 7Abbildung 3.1: Sterblichkeitsrate von Gemeinen Stechmückenlarven bzw. Asiatischen Tigermückenlarven A Larvensterblichkeit bei viel Futter B Larvensterblichkeit bei wenig Futter Erläuterung: Gemeine Stechmückenlarve Asiatische Tigermückenlarve Material 4 Ausrottung der Asiatischen Tigermücke auf Palmyra Das Palmyra-Atoll, eine Gruppe sehr kleiner Inseln im Pazifik, wird von ca. 50 000 Seevögeln be- wohnt, Menschen leben und lebten hier nie dauerhaft. Ursprünglich waren keine Säugetiere auf der Inselgruppe heimisch. Im zweiten Weltkrieg schleppten Soldaten, die die Insel als Militärbasis nutz- ten, Ratten ein. Diese ernährten sich von den Küken und Eiern der Seevögel und von Krebsen und Krabben. Sie fraßen Kokosnüsse und andere Baumsamen. Diese Kokosnussschalen waren eine der wenigen Möglichkeiten, wo sich Regenwasser sammeln konnte. Im Jahr 2011 führten Ökologen eine erfolgreiche Ausrottungskampagne gegen die damals ca. 40 000 Nager durch. Überraschenderweise verschwand mit den Ratten auch die ebenfalls eingeschleppte Tigermücke von der Insel, deren Weib- chen vor allem Säugetiere stechen, aber nur in Ausnahmefällen Vögel. Hingegen kommt eine zweite Stechmückenart, die Südliche Hausmücke, die sich auf Vögel spezialisiert hat, weiterhin vor. Anteil gestorbener Larven [%] SML(allein)TML(+ SML)SML(+ TML)TML(allein)020406080Anteil gestorbener Larven [%] SML(allein)TML (+ SML)SML(+ TML)TML (allein)020406080
Hessisches Kultusministerium Landesabitur 2021 Biologie Thema und Aufgabenstellung Grundkurs Vorschlag C Seite 6 von 7Material 5 lac-Operon (in Abwesenheit von Lactose) Material 6 Gene Drive mit MEDEA Durch Gene Drive werden bestimmte Allele in einer Population viel effizienter verbreitet als über re- guläre Vererbungsmechanismen. Während bei heterozygoten Organismen die meist in zweifacher Ausfertigung vorliegenden Allele eines Gens zufällig mit gleicher Wahrscheinlichkeit an die Nachfol- gegenerationen vererbt werden, treten durch Gene Drive bestimmte Allele mit (viel) höherer Wahr- scheinlichkeit in der fertig entwickelten Tochtergeneration auf. Der Gene-Drive-Effekt tritt in der Natur u.a. bei Insekten auf. Eine Möglichkeit ist der sogenannte MEDEA-Drive, den man bei Mehlkäfern entdeckt hat. Hierbei wird das Allel eines Gens zum MEDEA-Allel, indem es mit zwei weiteren Gen-Elementen gekoppelt wird, einem Giftgen und einem Immunitätsgen. Im jeweils anderen Allel dieses Gens, dem verbliebenen Wildtyp-Allel, fehlen diese Elemente. In den Eierstöcken von Insekten mit dem MEDEA-Allel ist während der Eireifung das Giftgen aktiv. Das so produzierte Gift wird in die Eier aufgenommen und in ihnen angereichert. Bei heterozygoten Weibchen enthalten daher alle Eier das Gift, auch dann, wenn durch die Meiose nicht in allen Eiern das MEDEA-Allel, sondern z.T. das Wildtyp-Allel vorliegt. Nach der Befruchtung wird in den Eizellen, die das MEDEA-Allel enthalten, das Immunitätsgen akti- viert, sodass nur diese das Gift neutralisieren und sich zu Larven weiterentwickeln können. Das mit den MEDEA-Elementen gekoppelte mutierte Allel eines Gens ist somit in allen lebenden Nachkom- men dieser MEDEA-Weibchen vorhanden. Fortsetzung des Materials auf der folgenden Seite 685 71 34 23’ 5’
Hessisches Kultusministerium Landesabitur 2021 Biologie Thema und Aufgabenstellung Grundkurs Vorschlag C Seite 7 von 7Vererbungsschema des MEDEA-Allels bei Insekten Erläuterung: MEDEA: Keimzelle enthält das MEDEA-Allel; Wt: Keimzelle ohne MEDEA-Allel (Wildtyp). Eizelle mit Gift Eizelle ohne Gift Spermium Normal entwickelter Embryo nach Befruchtung Normal entwickelter Embryo nach Befruchtung trotz Gifteinlagerung in der Eizelle Abgestorbener Embryo nach Befruchtung Material 7 Bekämpfungsstrategien gegen die Asiatische Tigermücke 1. Spezifisch wirkende Bio-Pestizide Aus dem Bacillus thuringiensis serotyp israelensis (bodenlebendes Bakterium) gewinnt man ein Gift (Bti), das nur gegen Fliegen und Mücken gerichtet ist. Nehmen die Larven das Gift auf, so entstehen Löcher in der Darmwand, was unweigerlich zum Tode führt. Trotz jahrzehntelangem Einsatz von Bti sind kaum Resistenzen zu beobachten. Neben Stechmückenlarven werden auch andere Mücken- und Fliegenlarven getötet. Dies wirkt sich ebenfalls negativ auf Amphibien aus, die sich von diesen Insek- tenlarven ernähren. Bti ist für die Bekämpfung von Mückenlarven in großen Überschwemmungsgebie- ten durch Ausbringung mit dem Flugzeug oder Hubschrauber genauso geeignet wie für die Bekämp- fung in Kleinstgewässern in Form von gepressten Tabletten. Da Bti ein Proteingemisch ist, verliert es nach dem Ausbringen durch Zersetzungsprozesse nach drei Wochen deutlich an Wirkung. 2. Gene Drive Als neue Methode bietet sich Gene Drive an. Seit wenigen Jahren wird in gentechnischen Experimen- ten versucht, Gene Drive auch in Stechmücken zu etablieren. Bei Stechmücken gibt es z.B. das nix- Gen, das für die Ausbildung von männlichen Geschlechtsorganen ausschlaggebend ist. Wenn dieses Gen mit einer Gene Drive-Sequenz gekoppelt wäre, würden überproportional viele Männchen gebil- det, so dass die Population mehr und mehr an Weibchen verarmen und in wenigen Generationen zu- sammenbrechen würde. Erste Ergebnisse unter Laborbedingungen waren bereits erfolgreich. Das Aus- setzen von nur wenigen Gene-Drive-Stechmücken würde genügen, um eine gesamte Population auszu- rotten. Mögliche Auswirkungen auf das Ökosystem sind noch nicht geklärt.
