Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK HT 2 (GG) Seite 1 von 8 Unterlagen für die Lehrkraft Abiturprüfung 2019 Biologie, Leistungskurs 1. Aufgabenart Bearbeitung einer Aufgabe, die fachspezifisches Material enthält 2. Aufgabenstellung 1 Thema: Kältesensitivität bei Nagetieren 1. Stellen Sie eine Methode zur Untersuchung von Ionenströmen an Ionenkanälen dar. Vergleichen Sie die Temperaturempfindlichkeit der untersuchten Ionenkanäle der Maus (Abbildung 1). Begründen Sie das Vorhandensein von TRPA1-Ionenkanälen in Schmerzrezeptoren (Material A). (16 Punkte) 2. Fassen Sie die in Abbildung 2 dargestellten Ergebnisse zusammen und werten Sie diese aus (Material B). Erläutern Sie vor diesem Hintergrund die mögliche Bedeutung der Kältesensitivität für Winterschläfer (Material B). (16 Punkte) 3. Fassen Sie die Ergebnisse der Untersuchungen aus Material C zusammen. Skizzieren Sie die Rezeptorpotenziale, die bei gleichem Kältereiz bei den temperatursensiblen Neuronen von Maus, Knockout-Maus und Dreizehnstreifen-Hörnchen zu erwarten sind (Materialien B und C). Erläutern Sie die molekularen Ursachen der Kältesensitivität bei den hier betrachteten Winterschläfern (Materialien A bis C). (20 Punkte) 4. Entwickeln Sie eine Hypothese zu den molekularen Veränderungen des TRPM8- Ionenkanals beim Dreizehnstreifen-Hörnchen (Material D). Erläutern Sie auf Basis der synthetischen Theorie der Evolution den möglichen Prozess der Entwicklung geringerer Kältesensitivität beim Dreizehnstreifen-Hörnchen (Materialien A bis D). (14 Punkte) 3. Materialgrundlage Material A Abbildung 1: verändert nach Story et al., 2003, Abb. 5B, S. 824 ● Material B Abbildung 2: verändert nach Matos-Cruz et al., 2017, Abb. 1B und 1C, S. 3330 ● 1 Die Aufgabenstellung deckt inhaltlich alle drei Anforderungsbereiche ab. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK HT 2 (GG) Seite 2 von 8 ● Material C Abbildung 3: verändert nach Matos-Cruz et al., 2017, Abb. 1D, S. 3330 Abbildung 4: verändert nach Matos-Cruz et al., 2017, Abb. 3E und 3F, S. 3332 ● Bautista, D. M., Siemens, J., Glazer, J. M., Tsuruda, P. R., Basbaum, A. I., … Julius, D. (2007). The menthol receptor TRPM8 is the principal detector of environmental cold. Nature, 448(7150), 204–208. https://doi.org/10.1038/nature05910 Madrid, R. & Pertusa, M. (2014). Intimacies and Physiological Role of the Polymodal Cold-Sensitive Ion Channel TRPM8. In L. D. Islas & F. Qin (Hrsg.), Current Topics in Membranes (Bd. 74, S. 293–324). Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12- 800181-3.00011-7 Matos-Cruz, V., Schneider, E. R., Mastrotto, M., Merriman, D. K., Bagriantsev, S. N. & Gracheva, E. O. (2017). Molecular Prerequisites for Diminished Cold Sensitivity in Ground Squirrels and Hamsters. Cell Reports, 21(12), 3329–3337. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2017.11.083 Pertusa, M., Rivera, B., González, A., Ugarte, G. & Madrid, R. (2018). Critical role of the pore domain in the cold response of TRPM8 channels identified by ortholog functional comparison. Journal of Biological Chemistry, jbc.RA118.002256. https://doi.org/10.1074/jbc.RA118.002256 Story, G. M., Peier, A. M., Reeve, A. J., Eid, S. R., Mosbacher, J., … Patapoutian, A. (2003). ANKTM1, a TRP-like Channel Expressed in Nociceptive Neurons, Is Activated by Cold Temperatures. Cell, 112(6), 819–829. https://doi.org/10.1016/S0092- 8674(03)00158-2 ● ● ● ● 4. 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 ● Neuronale Informationsverarbeitung und Grundlagen der Wahrnehmung Ökologie ● Umweltfaktoren und ökologische Potenz Evolution ● Grundlagen evolutiver Veränderung 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 HT 2 (GG) Seite 3 von 8 6. Vorgaben für die Bewertung der Schülerleistungen Teilleistungen – Kriterien a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe 1 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl 1 stellt eine Methode zur Untersuchung von Ionenströmen an Ionenkanälen dar, z. B.: ● Die Patch-Clamp-Technik erlaubt es, den Ionenfluss durch einen Ionenkanal zu messen. Dazu wird eine sehr feine Saugkapillare mit einer Messelektrode so auf die Membran eines Neurons gesetzt, dass idealerweise nur ein Ionenkanal enthalten ist. ● Die Membran wird leicht angesaugt, sodass der Rand dicht abgeschlossen ist. Wird das Neuron einem Reiz ausgesetzt, kann der Ionenfluss durch den Kanal über die Änderung der Stromstärke ermittelt werden. (Falls die Voltage-Clamp-Technik dargestellt wird, ist das entsprechend zu bewerten.) 4 2 vergleicht die Temperaturempfindlichkeit der untersuchten Ionenkanäle der Maus (Abbildung 1), z. B.: ● Der TRPM8-Ionenkanal erreicht bei 20 °C einen Stromfluss von 0,4 relativen Ein- heiten und bei 17 °C von 0,7 relativen Einheiten, bei 15 °C ist der Stromfluss am höchsten mit 0,9 relativen Einheiten. ● Der TRPA1-Ionenkanal erreicht bei 20 °C einen Stromfluss von 0,1 relativen Ein- heiten und bei 17 °C von 0,2 relativen Einheiten, bei 15 °C ist der Stromfluss am höchsten mit etwa 0,95 relativen Einheiten. 4 3 vergleicht die Temperaturempfindlichkeit der untersuchten Ionenkanäle der Maus (Abbildung 1), z. B.: ● Beide Ionenkanäle reagieren auf die Abkühlung mit einer Erhöhung ihrer Ionenleit- fähigkeit, da der messbare Stromfluss zunimmt. ● Der TRPM8-Ionenkanal der Maus reagiert bereits auf leichte Abkühlung mit einer Erhöhung der Leitfähigkeit, während der TRPA1-Ionenkanal erst in niedrigeren Temperaturbereichen, aber dann stark, aktiviert wird. 4 4 begründet das Vorhandensein von TRPA1-Ionenkanälen in Schmerzrezeptoren (Ma- terial A), z. B.: ● Für gleichwarme Lebewesen wie die Maus ist eine Regulation der Körpertempera- tur entscheidend für das Überleben und daher muss bei möglicher Schädigung durch extrem kalte Temperaturen eine schnelle Reaktion ermöglicht werden. ● TRPA1-Ionenkanäle werden bei schädigender Kälte aktiviert. Daher muss eine schnelle Schutzreaktion des Körpers erfolgen, sodass kein dauerhafter Schaden ent- steht. Schmerz ist eine unspezifische Wahrnehmung von gefährlichen Reizen wie schädigender Kälte, Hitze oder Verletzungen und bewirkt eine sofortige Reaktion des Organismus. 4 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Der Prüfling Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK HT 2 (GG) Seite 4 von 8 Teilaufgabe 2 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 fasst die in Abbildung 2 dargestellten Ergebnisse zusammen (Material B), z. B.: ● Bei einer Temperatur von 30 °C lässt sich bei den drei Nagetierarten keine Präfe- renz der beiden Platten erkennen, die Verweildauer liegt jeweils bei 50 %. ● Schon bei einer Abkühlung der Testplatte auf 20 °C meidet die Maus diese Platte und betritt sie bei 5 °C gar nicht mehr. ● Der Goldhamster zeigt eine geringere Kälteempfindlichkeit als die Maus. Seine Verweildauer auf der Testplatte nimmt von 40 % bei 20 °C auf 10 % bei 0 °C ab. ● Das Dreizehnstreifen-Hörnchen zeigt eine geringe Kältesensitivität. Bei Tempera- turen zwischen 10 °C und 20 °C hält es sich zu etwa 35 % auf der Testplatte auf, bei 5 °C oder 0 °C bleibt es zu 25 % der Zeit auf der Testplatte. 8 2 wertet diese aus (Material B), z. B.: ● Das Experiment zur Temperaturpräferenz bei Nagetieren zeigt, dass Dreizehnstrei- fen-Hörnchen und Goldhamster, beide Winterschläfer, eine deutlich geringere Käl- tesensitivität im Vergleich zur winteraktiven Maus besitzen. 2 3 erläutert vor diesem Hintergrund die mögliche Bedeutung der Kältesensitivität für Winterschläfer (Material B), z. B.: ● Die Tiere befanden sich alle im wachen, also aktiven Zustand. Daher sind keine Aussagen über die Kältesensitivität der Winterschläfer während ihres Winterschla- fes möglich. ● Eine ausgeprägte Kältesensitivität bei ungefährlichen Temperaturen könnte für Winterschläfer wie Dreizehnstreifen-Hörnchen und Goldhamster ein Nachteil sein: Durch das Wahrnehmen einer geringen Temperatur würden die Tiere möglicher- weise in ihrem Winterschlaf gestört werden. Das Aufwachen und der damit verbun- dene Anstieg der Körpertemperatur würde sehr viel Energie kosten. ● Ein Überwintern mithilfe eines Winterschlafs könnte auf diese Weise bei den hier untersuchten Arten besser ermöglicht werden. 6 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK HT 2 (GG) Seite 5 von 8 Teilaufgabe 3 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl 1 fasst die Ergebnisse der Untersuchungen aus Material C zusammen, z. B.: ● Knockout-Mäuse verhalten sich im Temperaturpräferenztest viel weniger kältesen- sitiv als Mäuse mit intaktem TRPM8-Ionenkanälen, daher ähnlich wie Goldhamster oder Dreizehnstreifen-Hörnchen. ● Die Stromstärke nimmt bei TRPM8-Ionenkanälen der Ratte während des Kälterei- zes auf 6 µA zu und ist damit etwa vier Mal groß wie die Stromstärke bei den ent- sprechenden Ionenkanälen des Dreizehnstreifen-Hörnchens (1,5 µA). 4 2 skizziert die Rezeptorpotenziale, die bei gleichem Kältereiz bei den temperatursensib- len Neuronen von Maus, Knockout-Maus und Dreizehnstreifen-Hörnchen zu erwarten sind (Materialien B und C), z. B.: 8 Der Prüfling (Alternative, fachlich korrekte Skizzen, wie zum Beispiel eine geringe Depolarisation als Rezeptorpotenzial bei der Knockout-Maus, sind entsprechend zu werten.) 3 erläutert die molekularen Ursachen der Kältesensitivität bei den hier betrachteten Winterschläfern (Materialien A bis C), z. B.: ● Der Temperaturpräferenztest mit Wildtyp-Mäusen und Knock-out-Mäusen (Abbil- dung 3) zeigt, dass der TRPM8-Kanal für die Verringerung der Kältesensitivität entscheidend ist. ● Abbildung 4 belegt, dass der TRPM8-Kanal des Dreizehnstreifen-Hörnchens tat- sächlich auf einen Kältereiz mit einem deutlich geringeren Durchfluss von Ionen als der TRPM8-Kanal der Ratte reagiert. Bei den TRPM8-Ionenkanälen von Ratte und Maus können, aufgrund des gleichartigen Verhaltens, gleiche Messergebnisse erwartet werden. Dies erklärt die geringere Kältesensitivität des Dreizehnstreifen- Hörnchens im Temperaturpräferenztest im Vergleich zur Maus. 6 4 erläutert die molekularen Ursachen der Kältesensitivität bei den hier betrachteten Winterschläfern (Materialien A bis C), z. B.: ● Dennoch hat das Dreizehnstreifen-Hörnchen, genauso wie der Goldhamster, ein Kälteempfinden, da es sich auf der Testplatte bei 0 °C nur noch zu 25 % der Zeit aufhält. Dies könnte durch die Aktivität des TRPA1-Ionenkanals vermittelt werden, der auf schädigende Kälte reagiert. Zusätzlich könnte die noch vorhandene, geringe Aktivität des TRPM8-Ionenkanals bei sehr niedrigen Temperaturen auch eine Re- aktion des Dreizehnstreifen-Hörnchens bewirken. (Andere fachlich korrekte Erläuterungen sind entsprechend zu bewerten.) 2 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

Ministerium für Schule und Bildung NRW BI LK HT 2 (GG) Seite 6 von 8 Teilaufgabe 4 Anforderungen Der Prüfling maximal erreichbare Punktzahl 1 entwickelt eine Hypothese zu den molekularen Veränderungen des TRPM8-Ionenka- nals beim Dreizehnstreifen-Hörnchen (Material D), z. B.: ● Vermutlich werden im Bereich der Kanalpore Aminosäureaustausche im TRPM8- Kanalprotein des Dreizehnstreifen-Hörnchens vorkommen, die eine geringere Käl- tesensitivität im Vergleich zum entsprechenden Ionenkanal der Maus verursachen. 2 2 erläutert auf Basis der synthetischen Theorie der Evolution den möglichen Prozess der Entwicklung geringerer Kältesensitivität beim Dreizehnstreifen-Hörnchen (Materia- lien A bis D), z. B.: ● TRPM8-Ionenkanäle sind neben TRPA1-Ionenkanälen wesentlich für die Wahr- nehmung von Kältereizen, wobei sie vorwiegend auf nicht-schädigende Abkühlung reagieren. ● Mutationen, die zu Aminosäureaustauschen insbesondere im Bereich der Kanalpore führen, können die Temperaturempfindlichkeit des TRPM8-Ionenkanals verändern. In einer Population des Dreizehnstreifen-Hörnchens könnten verschiedene Varian- ten des TRPM8-Allels vorkommen, die eine unterschiedliche Kältesensitivität be- wirken. ● Dreizehnstreifen-Hörnchen, die aufgrund einer geringeren Kältesensitivität mög- licherweise Selektionsvorteile bei der Überwinterung durch Winterschlaf erhalten, könnten vermehrt ihre Allele in den Genpool der folgenden Generation einbringen. Sie hätten eine höhere reproduktive Fitness. So könnte sich das Allel des geringer kältesensiblen TRPM8-Ionenkanals bei den Dreizehnstreifen-Hörnchen verbreiten. 8 3 erläutert auf Basis der synthetischen Theorie der Evolution den möglichen Prozess der Entwicklung geringerer Kältesensitivität beim Dreizehnstreifen-Hörnchen (Materia- lien A bis D), z. B.: ● Bei schädigenden Außentemperaturen müsste allerdings das Aufwachen der Drei- zehnstreifen-Hörnchen ermöglicht werden. ● TRPA1-Kanal reagiert zum Beispiel bei der Maus auf schädigende Kältereize. Beim Dreizehnstreifen-Hörnchen könnte dieser Ionenkanal bei extremen Kälterei- zen aktiviert werden und eine Schmerzempfindung verursachen. So könnte das Hörnchen bei der Gefahr des Erfrierens aufwachen und dem Tod durch Erfrieren entkommen. 4 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium. (2) 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

BI LK HT 2 (GG) Ministerium für Schule und Bildung NRW Seite 7 von 8 7. Bewertungsbogen zur Prüfungsarbeit Name des Prüflings: Kursbezeichnung: Schule: a) inhaltliche Leistung Teilaufgabe 1 Anforderungen Lösungsqualität maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling 1 stellt dar … 4 2 vergleicht … 4 3 vergleicht … 4 4 begründet … 4 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Summe 1. Teilaufgabe EK 2 ZK DK 16 Teilaufgabe 2 Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling 1 fasst zusammen … 8 2 wertet aus … 2 3 erläutert … 6 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Summe 2. Teilaufgabe 2 Lösungsqualität 16 EK = Erstkorrektur; ZK = Zweitkorrektur; DK = Drittkorrektur Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch! EK ZK DK

BI LK HT 2 (GG) Ministerium für Schule und Bildung NRW Seite 8 von 8 Teilaufgabe 3 Anforderungen Lösungsqualität maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling 1 fasst zusammen … 4 2 skizziert … 8 3 erläutert … 6 4 erläutert … 2 5 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Summe 3. Teilaufgabe EK ZK DK 20 Teilaufgabe 4 Anforderungen Lösungsqualität maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling 1 entwickelt eine Hypothese … 2 2 erläutert … 8 3 erläutert … 4 4 erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: (2) ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Summe 4. Teilaufgabe 14 Summe der 1., 2., 3. und 4. Teilaufgabe 66 EK ZK DK b) Darstellungsleistung Anforderungen maximal erreichbare Punktzahl Der Prüfling ● ● ● ● Lösungsqualität führt seine Gedanken … strukturiert seine Darstellung … verwendet eine differenzierte … gestaltet seine Arbeit … EK ZK 9 Summe Darstellungsleistung 9 Summe insgesamt (inhaltliche und Darstellungsleistung) 75 Die Festlegung der Gesamtnote erfolgt auf dem Auswertungsbogen in LK HT 1. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch! DK

BI LK HT 3 (GG) Seite 1 von 5 Name: _______________________ Abiturprüfung 2019 Biologie, Leistungskurs Aufgabenstellung: Thema: Die Ägyptische Tigermücke – Überträgerin tropischer Krankheitserreger 1. Stellen Sie kurz die ökologischen Beziehungen zwischen Ägyptischen Tigermücken, Menschen, Zika-Viren und Pflanzen dar (Material A). Erklären Sie die Möglichkeiten und Probleme bei der bisherigen klassischen Bekämpfung der Tigermückenpopulation (Material A). (12 Punkte) 2. Erläutern Sie den Mechanismus der Tetracyclin-abhängigen Genregulation bei resistenten Bakterien unter Bezug auf Abbildung 1 (Material B). (14 Punkte) 3. Beschreiben Sie die Konstruktion der transgenen Region, die im Laborstamm LA513A enthalten ist, und nennen Sie die Funktion des Aktivatorbereiches im TTAV-Protein (Abbildung 2, Material C). Erläutern Sie die Mechanismen der Genregulation in LA513A (Abbildung 3) und erklären Sie die Auswirkungen für die transgenen Tigermücken (Material C). (22 Punkte) 4. Beurteilen Sie den Erfolg der Freisetzungsversuche und die möglichen Risiken auch unter Bezug auf Abbildung 4 (Materialien A bis D). (18 Punkte) Zugelassene Hilfsmittel: ● ● GTR (Grafikfähiger Taschenrechner) oder CAS (Computer-Algebra-System) Wörterbuch zur deutschen Rechtschreibung Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!

BI LK HT 3 (GG) Seite 2 von 5 Name: _______________________ Material A: Lebensweise der Ägyptischen Tigermücke Die Ägyptische Tigermücke (Aedes aegypti) ist eine vorwiegend in den Tropen und Subtropen verbreitete Stechmücke und die hauptsächliche Überträgerin von verschiedenen viralen Krank- heitserregern wie zum Beispiel Zika-Viren. Bei A. aegypti ernähren sich Männchen und Weibchen von Nektar und anderen nährstoffreichen Pflanzensäften. Die Weibchen saugen nach der Befruchtung Blut beim Menschen und erhalten so die notwendigen Nährstoffe für die Eireifung. Beherbergen die Mückenweibchen Viren, so können diese beim Stich in das menschliche Blutgefäßsystem übertragen werden. Zur Eiablage bevorzugen die weiblichen Tigermücken Pfützen und andere Kleinstgewässer in der Nähe menschlicher Siedlungen. Trockenzeiten, die trotz der häufigen Regenfälle in Tropen und Sub- tropen vorkommen, können die Mückeneier sehr gut überstehen. Die Mückenlarven entwickeln sich im Wasser über mehrere Larvenstadien und ein Puppenstadium, aus der Puppe schlüpft die adulte Form. Klassische Methoden der Schädlingsbekämpfung wie Austrocknung der Kleinst- gewässer, Insektensprays und Moskitonetze führten bislang bei A. aegypti nicht zum dauerhaf- ten Erfolg. Flächendeckend ausgebrachte Insektizide verursachen hohe Kosten, schädigen an- dere Insekten und bergen eventuell Risiken für den Menschen. Daher wird zurzeit die Freiset- zung genetisch veränderter, transgener Tigermücken-Männchen erforscht, um die Populationen der Tigermücken dauerhaft einzudämmen. Abiturprüfung 2019 – Nur für den Dienstgebrauch!