Abitraining Biologie Klausur Grundkurs 6
Thema: Weinbergschnecken im Winter
Orientierungen zur Lösung
Aufgabe 1: Erklären Sie den Begriff der Selektion. Leiten Sie Selektionsvorteile für die Weinbergschnecke ab, die sich durch ihre Lebensweise ergeben (Material A).
Teil 1) den Begriff der Selektion erklären:
● Selektion führt dazu, dass bei unterschiedlicher Merkmalsausprägung Individuen, die an die herrschenden Umweltbedingungen gut angepasst sind, zu höherem Fortpflanzungserfolg kommen als weniger gut angepasste Individuen.
● Die besser angepassten Individuen einer Population können ihre Anlagen vermehrt in den Genpool der Folgegeneration einbringen. Daher führt Selektion zu einer gerichteten Veränderung des Genpools der Population.
Teil 2) Selektionsvorteile für die Weinbergschnecke ableiten, die sich durch ihre Lebensweise ergeben:
● Das Eingraben im Boden sowie der mechanische Schutz durch das Schneckenhaus bieten der Weinbergschnecke im Winter bei niedrigen Umgebungstemperaturen Schutz vor Fressfeinden und damit Selektionsvorteile.
● Das Anfressen von Nährstoffreserven während günstiger Umgebungsbedingungen ermöglicht eine Überwinterung ohne weitere Nahrungsaufnahme. Dieses Verhalten stellt daher einen Selektionsvorteil dar.
● Die Erniedrigung der Stoffwechselrate während der Überwinterung verringert den Verbrauch von Nährstoffen und bietet daher in dieser Phase einen Selektionsvorteil für die Weinbergschnecke.
● Der dichte Verschluss durch den Kalkdeckel vermindert den Wasserverlust im Winter, sodass die Weinbergeschnecke während der Kältestarre nicht austrocknet. Dies stellt einen Selektionsvorteil dar.
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Aufgabe 2: Fassen Sie die in Abbildung 1 gezeigten Informationen zusammen und erläutern Sie die Bedeutung der jeweiligen Natriumionen-Kanäle für den Ablauf eines Aktionspotentials (Material B). Fassen Sie die in den Abbildungen 2 und 3 dargestellten Ergebnisse zusammen und erläutern Sie die Auswirkungen auf die Erregungsleitung bei der Weinbergschnecke während der Kältestarre (Materialien A bis C).
Teil 1) die in Abbildung 1 gezeigten Informationen zusammenfassen:
Nav1.9 ist insbesondere während der beginnenden Depolarisation leitfähig. Nav1.7 ist bei der beginnenden Depolarisation bis zum Erreichen des Schwellenwertes leitfähig. Nav1.8 hat insbesondere während der beginnenden Depolarisation und des steilen Anstiegs der Depolarisation bis zum Peak des Aktionspotentials eine sehr hohe Leitfähigkeit.
Teil 2) die Bedeutung der jeweiligen Natriumionen-Kanäle für den Ablauf eines Aktionspotentials erläutern:
● Nav1.9 trägt insbesondere zur frühen Depolarisation bei.
● Nav1.7 bewirkt den frühen Einstrom von Natriumionen bis zur Überschreitung des Schwellenwertes. Anschließend ist Nav1.7 refraktär.
● Nav1.8 ist für den Natriumionen-Einstrom bei der Ladungsumkehr verantwortlich. Während der Repolarisation ist Nav1.8 refraktär.
● Für die kontinuierliche Erregungsleitung sind daher alle drei spannungsgesteuerten Natriumionen-Kanäle wichtig, da sie in jeweils unterschiedlichen Phasen des Aktionspotentials für den Natriumionen-Strom verantwortlich sind.
● An den Phasen der Repolarisation und der Hyperpolarisation sind diese Kanäle nicht beteiligt, da sie sich dann in der Refraktärzeit befinden.
● Für die schnelle Ausbildung des Aktionspotentials ist insbesondere die Funktionalität von Nav1.8 wichtig, da dieser Ionenkanal für die Ladungsumkehr nach Erreichen des Schwellenwertes essenziell ist.
Teil 3) die in den Abbildungen 2 und 3 dargestellten Ergebnisse zusammenfassen:
● Abbildung 2 zeigt, dass die relative Dichte der Nav1.8-Kanäle im Gehirn von über-winternden Weinbergschnecken etwa um drei Viertel niedriger ist als bei aktiven Weinbergschnecken. Die relative Dichte der Nav1.9-Kanäle ist hingegen etwa gleich.
● Abbildung 3 zeigt den Natriumionen-Strom durch Nav1.9-Kanäle bei aktiven und überwinternden Weinbergschnecken. Der Natriumionen-Strom ist im Gehirn über-winternder Weinbergschnecken etwa um zwei Drittel geringer als bei aktiven Weinbergschnecken.
Teil 4) die Auswirkungen auf die Erregungsleitung bei der Weinbergschnecke während der Kältestarre erläutern:
● Die Ausbildung von Aktionspotentialen hängt auch von der Dichte der spannungs-gesteuerten Natriumionen-Kanäle ab. Aufgrund der geringen Dichte der Nav1.8-Kanäle im Gehirn überwinternder Weinbergschnecken werden Aktionspotentiale vermutlich nur in geringem Umfang ausgebildet.
● Die Dichte der Nav1.9-Kanäle ist im Gehirn überwinternder Weinbergschnecken genauso hoch wie bei aktiven Weinbergschnecken. Allerdings ist der Natriumionen-Strom durch Nav1.9-Kanäle bei Kälte deutlich reduziert.
● Aufgrund des geringen Natriumionen-Stroms durch die Nav1.9-Kanäle und der geringen Dichte der Nav1.8-Kanäle werden bei niedrigen Temperaturen, selbst bei an-kommender Reizung, nur wenige Aktionspotentiale ausgebildet.
● Daher ist die Erregungsleitung bei überwinternden Weinbergschnecken deutlich gehemmt. Das bedeutet, dass die Weinbergschnecke in der Kältestarre eine deutlich verringerte neuronale Aktivität im Gehirn zeigen und daher in Ruhe verharren wird.
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Aufgabe 3: Geben Sie eine Definition für den Begriff Mutation an. Erläutern Sie auf Basis der Synthetischen Evolutionstheorie die Entwicklung der neurophysiologischen Angepasstheiten der Weinbergschnecke (Materialien A bis C).
Teil 1) eine Definition für den Begriff Mutation angeben:
Mutationen sind zufällige Ereignisse, die zu Veränderungen in den Basenabfolgen der DNA eines Individuums führen.
Teil 2) auf Basis der Synthetischen Evolutionstheorie die Entwicklung der neuro-physiologischen Angepasstheiten der Weinbergschnecke erläutern:
● In der Stammesgeschichte der Weinbergschnecke könnten durch Mutationen Varianten der Nav-Gene entstanden sein. Wenn diese Varianten sich als günstig für die Überwinterung erwiesen haben, so hatten die betreffenden Individuen Selektionsvorteile.
● Diese Individuen hatten vermutlich eine geringere neuronale Aktivität im Gehirn während der Überwinterung. Dies könnte bedeuten, dass diese Weinbergschnecken ohne Störungen und Aufwachen in der Kältestarre verblieben und so ihr Verbrauch von Nährstoffen gering blieb.
● Die Weinbergschnecken mit vorteilhaften Allelen hatten vermutlich eine höhere reproduktive Fitness, da sie durch die Kältestarre weniger geschädigt wurden. Die vorteilhaften Allele verbreiteten sich nach und nach immer weiter in der Population.
● Durch die Mutationen könnten Veränderungen bezüglich der Genexpression des für den Nav1.8-Kanal codierenden Gens entstanden sein.
● Auch in Bezug auf die codierenden Nukleotide bei den Nav-Genen, wie dem Nav1.9-Gen, könnten durch Mutationen Veränderungen der Aminosäuresequenzen ausgelöst werden. Diese führen möglicherweise zu verschieden temperaturempfindlichen Nav1.9-Kanälen innerhalb der Population. Günstige Allele verschafften den betreffenden Individuen Selektionsvorteile bei der Überwinterung.
● Die geringere neuronale Aktivität im Gehirn der Weinbergschnecke bedeutet eine Einsparung von Ressourcen wie ATP, da eine hohe neuronale Aktivität für einen hohen Verbrauch etwa von ATP durch die Natrium-Kalium-Ionenpumpe verantwortlich ist.