BI BIL E GK ?? 1 BI LK HT 3 (GG) Seite 4 von 4 Name: _______________________ Material D: Freilanduntersuchungen an Dickkopfelritzen Um die Laborergebnisse im Freiland zu überprüfen, wurden Versuche mit EE2 an Dickkopf- elritzen (Pimephales promelas) in Seen in Kanada durchgeführt, deren ökologische Bedingungen vergleichbar waren. Die Dickkopfelritzen ernähren sich z. B. von Algen, Insek- tenlarven, Wasserinsekten, kleinsten Krebstierchen und anderem Zooplankton, das sich sei- nerseits von Phytoplankton ernährt. Ihre Fressfeinde sind Forellen, Hechte und andere Raub- fische. In den untersuchten Seen haben die Elritzen eine Lebensdauer von ca. vier Jahren, aber nur wenige werden älter als zwei Jahre. Sie werden erst im zweiten Lebensjahr geschlechts- reif. Die Laichzeit liegt im frühen Sommer und geht über etwa zwei Monate. Ab Mai 2001 wurde in See 260 während der eisfreien Zeit drei Jahre lang EE2 verteilt, so dass die Konzentration ständig bei 5 bis 6 ng/L lag. Der See 442 diente als Kontrolle. Der Vitellogeningehalt der Weibchen stieg in See 260 nach Zugabe von EE2 auf 1200 bis über 7000 µg/g Körpergewicht an, bei den Männchen auf bis zu 12000 µg/g Körpergewicht. In See 442 lag der Wert während des ganzen Zeitraums bei den Weibchen um 500 µg/g Körper- gewicht und bei den Männchen um 0,5 µg/g Körpergewicht. In den Jahren 1999 bis 2005 wurde auch die Populationsgröße der Dickkopfelritzen in See 442 und See 260 durch den Einsatz von Fangnetzen jeweils im Herbst untersucht (Tabelle 1). Auffallend war, dass in See 442 in allen Jahren sowohl Jungfische (< 1 Jahr) als auch ältere Fische (1 – 4 Jahre) gefangen wurden, während in See 260 nur in den Jahren 1999 bis 2001 sowohl junge als auch ältere Fische gefangen wurden. In den Jahren 2002 und 2003 wurden nur adulte Fische gefunden. Jahr 1999 2000 2001 See 442 490,3 ± 68,1 19,1 ± 10,4 56,1 ± 39,9 2002 9,6 ± 2,2 2003 20,6 ± 3,8 2004 2005 51,9 ± 21,2 355,9 ± 99,6 See 260 180,0 ± 48,0 50,3 ± 43,7 117,7 ± 20,0 0,7 ± 0,2 2,6 ± 0,8 0,1 ± 0,05 Tabelle 1: Tägliche Fangzahlen pro Netz gemessen im Herbst in See 442 und See 260 (grau unterlegt: Zugabe von EE2) Nur für den Dienstgebrauch! 0,1 ± 0,01

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 3 (GG) Seite 1 von 11 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung 2016 Biologie, Leistungskurs 1. Aufgabenart Bearbeitung fachspezifischen Materials mit neuem Informationsgehalt 2. 1 Aufgabenstellung Thema: Die Wirkung von Umweltöstrogenen auf Fische III.1 Beschreiben Sie die Wirkung von Östradiol anhand von Abbildung 1. Zeichnen Sie ein Modell, wie die Expression von Genen bei Prokaryonten reguliert werden kann, erläutern Sie dieses kurz und vergleichen Sie das Modell mit dem in Abbildung 1 dargestellten. (18 Punkte) III.2 Beschreiben Sie die in Abbildung 2 dargestellten Ergebnisse und werten Sie sie im Hinblick auf die Wirkung von EE2 und die Folgen aus (Materialien A und B). (10 Punkte) III.3 Beschreiben Sie die Ergebnisse der Laboruntersuchung zur Wirkung von EE2 (Abbildung 3) und werten Sie sie im Hinblick auf die möglichen Konsequenzen für die Fischpopulation aus (Materialien B und C). (12 Punkte) III.4 Erläutern Sie die Folgen der EE2-Belastung für die Dickkopfelritzen in See 260 (Material D) unter Einbeziehung der Ergebnisse aus Material C. (8 Punkte) III.5 Skizzieren Sie ein mögliches Nahrungsnetz für See 260, benennen Sie die Trophie- ebenen und erläutern Sie die Auswirkungen der EE2-Belastung auf andere Glieder des Nahrungsnetzes (Material D). Erörtern Sie, inwieweit die Ergebnisse dieser Studie auf andere Fischpopulationen übertragbar sind (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 3 (GG) Seite 2 von 11 3. Materialgrundlage  Material B: Abbildung 1 erstellt nach: Segner 2014 und Campbell & Reece 2003 Abbildung 2 verändert nach: Segner 2014  Material C: Abbildung 3 verändert nach: Segner 2014  Material D:  Tabelle 1 erstellt nach: Kidd et al. 2007  Campbell, N. A. & Reece, J. B. (2003). Biologie (6. Aufl.). Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag, 1151  Kidd, K. A., Blanchfield, P. J., Mills, K. H., Vince, P. P., Evans, R. E., Lazorchak, J. M. & Flick, R. W. (2007). Collapse of a fish population after exposure to a synthetic estrogen, PNAS 104, 8897–8901  Segner, H. (2014). Hormone als Schadstoffe? Die Wirkung von Umweltöstrogenen auf Fische, Biologie in unserer Zeit 44, 232–241  http://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/lactose-operon/6800 (Zugriff: 18.01.2016) 4. Bezüge zu den Vorgaben 2016 1. Inhaltliche Schwerpunkte Ökologische Verflechtungen und nachhaltige Nutzung  Wechselbeziehungen, Populationsdynamik – Beziehungen zwischen Populationen: LOTKA-VOLTERRA-Regeln, Konkurrenz, Koexistenz  Verflechtungen in Lebensgemeinschaften – Biomasseproduktion, Trophieebenen, Energiefluss  Nachhaltige Nutzung und Erhaltung von Ökosystemen – Nachhaltige Bewirtschaftung (chemische Schädlingsbekämpfung, biologischer Pflanzenschutz) Genetische und entwicklungsbiologische Grundlagen von Lebensprozessen  Molekulare Grundlagen der Vererbung und Entwicklungssteuerung – Replikation, Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryonten, Mutagene und Mutationen – Regulation der Genaktivität am Beispiel der Prokaryonten (Operonmodell) 2. Medien/Materialien  entfällt 5. Zugelassene Hilfsmittel  Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 3 (GG) Seite 3 von 11 6. Vorgaben für die Bewertung der Schülerleistungen Teilleistungen – Kriterien a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe III.1 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 beschreibt die Wirkung von Östradiol anhand von Abbildung 1, sinngemäß:  E2-Moleküle gelangen über die Blutgefäße in das Cytoplasma von Zielzellen, wo sie an Östrogen-Rezeptoren (R) gebunden werden.  Der Östrogen-Rezeptor-Komplex gelangt in den Zellkern und bindet an spezifische Bereiche der DNA, wodurch die Transkription der entsprechenden mRNA veran- lasst wird, die zur Bildung von Vitellogenin führt. 2 2 zeichnet ein Modell, wie die Expression von Genen bei Prokaryonten reguliert werden kann, z. B.: 6 (http://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/lactose-operon/6800, verändert) (Die Zeichnung anderer fachlich zutreffender Modelle ist zu akzeptieren.) 3 erläutert dieses kurz, z. B.:  In Abwesenheit des Substrats, z. B. Lactose, befindet sich der Repressor in seiner aktiven Form und bindet am Operator, so dass keine Transkription der Struktur- gene stattfindet.  In Anwesenheit des Substrats, z. B. Lactose, wirkt dieses als Induktor und bindet an das Repressorprotein, wodurch der Repressor inaktiviert wird und nicht mehr an den Operator binden kann.  Somit kann die Transkription durch das Enzym RNA-Polymerase beginnen, welches am Promotor, der vor dem Operator liegt, bindet.  Die neu synthetisierte mRNA wird anschließend in die Aminosäurenfolge der Enzyme, die den Substrat-Abbau katalysieren, translatiert. (Bei Bezug auf ein anderes Modell ist entsprechend eine hierauf bezogene Erläuterung zu erwarten.) Nur für den Dienstgebrauch! 6

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 3 (GG) Seite 4 von 11 4 vergleicht das Modell mit dem in Abbildung 1 dargestellten, z. B.:  Der Östrogen-Rezeptor-Komplex (E2-R-Komplex) entspricht der Bindung des Substrates Lactose an den Repressor. Er aktiviert das Ablesen des Vitellogenin- Gens, während z. B. beim Lac-Operon durch das Anlagern des Substrats der vorher aktive Repressor inaktiviert wird.  Bei der Substrat-Induktion (z. B. Lac-Operon) werden Enzyme zum Abbau des Substrats (z. B. Lactose) gebildet, d. h., die Produkte der induzierten Proteinsyn- these führen letztlich zu einer Abnahme der Menge an Induktor, während das gebildete Vitellogenin keinen Einfluss auf die Menge an Induktor hat. 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) 4 Teilaufgabe III.2 maximal erreichbare Punktzahl Anforderungen Der Prüfling 1 beschreibt die in Abbildung 2 dargestellten Ergebnisse, sinngemäß:  Mit zunehmender Konzentration an EE2 sinkt der Anteil an mit E2 besetzten Rezeptoren. 3  Bei einer Konzentration von 3 · 10 ng/L EE2 sind nur noch knapp 50 % der 6 Rezeptoren mit E2 besetzt, bei 3 · 10 ng/L EE2 wird kein E2 mehr an den Rezeptor gebunden. 2 2 wertet sie im Hinblick auf die Wirkung von EE2 und die Folgen aus (Materialien A und B), z. B.:  EE2 kann ebenso wie E2 an den Östrogen-Rezeptor binden und verdrängt mit zunehmender Konzentration E2.  EE2 führt ebenso wie E2 zur Produktion von Vitellogenin.  Die erhöhte Konzentration von EE2 besonders am Ablauf von Kläranlagen bewirkt die gesteigerte Expression des Vitellogenin-Gens, so dass auch bei den männlichen Fischen Vitellogenin gebildet wird (Verweiblichung).  Da EE2 auch stoffwechselphysiologisch langsamer abgebaut wird, ist die Wir- kung langanhaltend und führt zu einer höheren Vitellogeninproduktion als E2. (Ein quantitativer Vergleich der Wirkung von EE2 unter physiologischen Bedingungen und in vitro (Abbildung 2) wird im Rahmen der Auswertung nicht erwartet und stellt ggf. ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium dar.) 8 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (1) Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 3 (GG) Seite 5 von 11 Teilaufgabe III.3 maximal erreichbare Punktzahl Anforderungen Der Prüfling 1 beschreibt die Ergebnisse der Laboruntersuchung zur Wirkung von EE2 (Abbildung 3), z. B.:  Die Anzahl entwicklungsfähiger Eier (Fekundität) steigt bei den Zebrafisch-Weib- chen bei EE2-Konzentrationen bis zu 0,3 ng/L EE2 von etwa 30 auf 40 an.  Bei 1,7 ng/L EE2 sinkt die Fekundität wieder auf den Wert wie bei 0,05 ng/L, bei Konzentrationen ab 3 ng/L werden keine entwicklungsfähigen Eier mehr produziert.  Bei 0 bis 0,3 ng/L EE2 bleibt die Fertilität etwa gleich; es werden ca. 90 – 95 % der Eier erfolgreich befruchtet.  Bei 1,7 ng/L EE2 werden nur noch etwa 60 % der Eier erfolgreich befruchtet und ab 3 ng/L keine mehr. 4 2 wertet sie im Hinblick auf die möglichen Konsequenzen für die Fischpopulation aus (Materialien B und C), sinngemäß:  Die ins Gewässer gelangten Umweltöstrogene führen zu einer Steigerung des Vitellogenin-Gehaltes im Blut von männlichen und weiblichen Fischen, obwohl Vitellogenin normalerweise nur in weiblichen Fischen vorkommt.  Geringe Konzentrationen von EE2 unter 1,7 ng/L steigern die Fekundität der Weibchen, ohne die Fähigkeit der Männchen zur erfolgreichen Befruchtung der Eier (ungestörte Spermienproduktion bzw. -reifung) zu beeinflussen.  Bei Konzentrationen von 1,7 ng/L werden weniger Eier produziert und befruchtet, d. h., Weibchen und Männchen sind durch die EE2-Belastung geschädigt und die Nachkommenzahl sinkt.  Spätestens bei Konzentrationen ab 3 ng/L gibt es keine vitalen Eier mehr, d. h., es ist zu erwarten, dass die Fischpopulation bei einer länger andauernden Belastung durch diese hohen Konzentrationen ausstirbt. 8 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (1) Teilaufgabe III.4 maximal erreichbare Punktzahl Anforderungen Der Prüfling 1 erläutert die Folgen der EE2-Belastung für die Dickkopfelritzen in See 260 (Material D) unter Einbeziehung der Ergebnisse aus Material C, z. B.:  Im Vergleich zu den Werten im unbelasteten See liegt der Vitellogeningehalt im Körper der Weibchen in See 260 mit EE2 bis zu 14-mal höher.  Im Körper der Männchen liegt der Vitellogeningehalt bis zu 24000-mal höher.  Dadurch sinken die Fekundität der Weibchen und die Fähigkeit der Männchen, die Eier erfolgreich zu befruchten.  Die Zahl der Elritzen nimmt dadurch ab 2002 stark ab. Nur für den Dienstgebrauch! 4

BI LK HT 3 (GG) Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW Seite 6 von 11 2 erläutert die Folgen der EE2-Belastung für die Dickkopfelritzen in See 260 (Material D) unter Einbeziehung der Ergebnisse aus Material C, z. B.:  Nach EE2-Zugabe nach dem Winter (2000/2001) gibt es im ersten Jahr (2001) der Belastung noch genügend adulte Fische aus dem Vorjahr, die im frühen Sommer laichen können.  Da die Dickkopfelritzen erst im zweiten Lebensjahr geschlechtsreif werden und selten älter als zwei Jahre werden, laichen die meisten nur einmal ab.  Dadurch bricht die Population schon nach einem Jahr ohne Nachwuchs weit- gehend ein. Dauert die EE2-Belastung länger an, stirbt die Population völlig aus. 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) 4 Teilaufgabe III.5 maximal erreichbare Punktzahl Anforderungen Der Prüfling 1 skizziert ein mögliches Nahrungsnetz für See 260 (Material D), z. B.: Phytoplankton Zooplankton Insektenlarven 4 Forelle ELRITZE andere Raubfische Algen kleinste Krebstierchen Wasserinsekten Hecht wird gefressen von 2 benennt die Trophieebenen (Material D), sinngemäß:  Phytoplankton bildet die Basis der Nahrungskette, die Produzenten.  Davon ernähren sich Primärkonsumenten wie Zooplankton.  Die Elritzen ernähren sich einerseits von Algen und sind somit Konsumenten 1. Ordnung, andererseits ernähren sie sich von Zooplankton, Insektenlarven, Was- serinsekten sowie kleinsten Krebstierchen und sind damit Konsumenten 2. Ord- nung.  Endkonsumenten sind Forelle, Hecht und andere Raubfische. 4 3 erläutert die Auswirkungen der EE2-Belastung auf andere Glieder des Nahrungsnetzes (Material D), z. B.:  Durch das Aussterben der Elritzen verschwindet eine Nahrungsgrundlage der Raubfische, so dass deren Bestand zurückgeht.  Andererseits werden aber auch die Fressfeinde der Elritzen durch die Umwelt- östrogene geschädigt, denen sie ebenso ausgesetzt sind und die sie zudem noch mit der Nahrung aufnehmen (biologische Akkumulation).  Infolgedessen wird die Organismendichte auf den unteren Trophieebenen stark zunehmen. 6 Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW BI LK HT 3 (GG) Seite 7 von 11 4 erörtert, inwieweit die Ergebnisse dieser Studie auf andere Fischpopulationen über- tragbar sind (Materialien A bis D), z. B.:  Ausgehend von diesen Studienergebnissen wird die EE2-Belastung vermutlich generell eine Belastung für Fischpopulationen sein. Die direkte Auswirkung auf die Population ist je nach Lebensdauer der Fische jedoch unterschiedlich: – Bei geringer Lebensdauer wie bei den Dickkopfelritzen bricht die Population schon nach kurzer Zeit der Exposition ein, zumal die Fische in der Regel nur einmal in ihrem Leben ablaichen. Das Überleben der adulten Dickkopfelrit- zen wird durch die EE2-Belastung nicht beeinflusst. – Längerlebige Fischarten, die mehrere Jahre hindurch laichen können, werden von einer zeitlich begrenzten Exposition an Umweltöstrogenen nicht so stark betroffen, wenn auch bei ihnen die adulten Tiere nicht in ihrer Lebensfähig- keit beschränkt werden. (Andere sinnvolle Überlegungen werden entsprechend gewertet.) 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) 4 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 9

BI LK HT 3 (GG) Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW Seite 8 von 11 7. Bewertungsbogen zur Prüfungsarbeit Name des Prüflings:____________________________________ Kursbezeichnung:____________ Schule: _____________________________________________ Teilaufgabe III.1 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 beschreibt die Wirkung … 2 2 zeichnet ein Modell … 6 3 erläutert dieses kurz … 6 4 vergleicht das Modell … 4 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe III.1 Teilaufgabe EK 2 ZK DK 18 Teilaufgabe III.2 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling 1 beschreibt die in … 2 2 wertet sie im … 8 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (1) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe III.2 Teilaufgabe 2 maximal erreichbare Punktzahl 10 EK = Erstkorrektur; ZK = Zweitkorrektur; DK = Drittkorrektur Nur für den Dienstgebrauch! EK ZK DK

BI LK HT 3 (GG) Ministerium für Schule und Weiterbildung NRW Seite 9 von 11 Teilaufgabe III.3 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 beschreibt die Ergebnisse … 4 2 wertet sie im … 8 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (1) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe III.3 Teilaufgabe EK ZK DK 12 Teilaufgabe III.4 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 erläutert die Folgen … 4 2 erläutert die Folgen … 4 3 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe III.4 Teilaufgabe EK ZK DK 8 Teilaufgabe III.5 Anforderungen Lösungsqualität Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 skizziert ein mögliches … 4 2 benennt die Trophieebenen … 4 3 erläutert die Auswirkungen … 6 4 erörtert, inwieweit die … 4 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. Summe III.5 Teilaufgabe 18 Summe der III.1, III.2, III.3, III.4 und III.5 Teilaufgabe 66 Nur für den Dienstgebrauch! EK ZK DK