Der von ihr produzierte Wirkstoff Nikotin ist für pflanzenfressende Insekten wie Schmetterlingsraupen giftig. Fressen diese die Blätter der Tabakpflanze an, reagieren Inhaltsstoffe aus dem Speichel der Insekten mit Stoffen des zerstörten Blattgewebes. Dadurch wird über das zwischenzeitlich gebildete Pflanzenhormon Jasmonsäure die Produktion von Nikotin ausgelöst, das sich in den Blättern der Pflanze anreichert.
In einem Experiment wurden die Wurzeln von Tabakpflanzen mit einer Lösung eines chemischen Ersatzstoffs für Jasmonsäure, dem Methyljasmonat, behandelt. Als Kontrolle wurde den Wurzeln anderer Tabakpflanzen reines Wasser bei gleichen Bedingungen verabreicht. Im Anschluss wurden u. a. die Masse auf der Pflanze befindlicher Schmetterlingsraupen, die Nikotinkonzentration innerhalb der Pflanze sowie die Anzahl der gebildeten Samenkapseln pro Pflanze untersucht. Die Ergebnisse sind in Abbildung 1 und Tabelle 1 zusammengefasst:

Tab. 1: Auswirkungen der Behandlung mit Methyljasmonat auf Tabakpflanzen

entnommen aus: I. T. Baldwin: Jasmonate-induced responses are costly but benefit plants under attack in native populations. In: Proceedings ofthe National Academy of Sciences, (14) (1998), s.8113-8 118

Erläutere die Untersuchungsergebnisse auf der Grundlage einer Kosten-Nutzen-Analyse.

Nikotin ist eines der stärksten Pflanzengifte. Die tödliche Dosis für den Menschen liegt bei etwa 1 mg/kg Körpermasse. Nikotin-Moleküle binden reversibel an die sogenannten nikotinischen Neurotransmitter-Rezeptoren an chemischen Synapsen, wobei Natrium-Ionen-Kanäle geöffnet werden.

Fertige eine beschriftete Skizze einer chemischen Synapse im menschlichen Nervensystem an.

Die folgenden Diagramme in Abbildung 2 sollen die Abläufe im synaptischen Spalt einer chemischen Synapse ohne bzw. unter Einfluss von Nikotin darstellen: Zeichne jeweils einen möglichen Kurvenverlauf unter Nikotineinfluss ein und begründe diesen jeweils.

Besonders im ersten Lebensjahr ist die Zunge von Kleinkindern noch verhältnismäßig groß. Erschlafft sie im Schlaf, kann sie zurücksinken und den Luftweg teilweise oder sogar ganz blockieren. Chemorezeptoren im Körper registrieren den dadurch bedingten Anstieg der Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Blut, was in der Folge eine Kontraktion der Zungenmuskulatur und damit eine Öffnung der oberen Atemwege bewirkt.

Stelle die beschriebenen Abläufe in einem Reflexbogen dar.

In einer Studie wurde der Einfluss von Tabakrauch auf die Zeit untersucht, nach der eine Kontraktion der Zungenmuskulatur auf eine künstliche Reizung hin erfolgt.
Bei Ratten wurden hierbei folgende individuelle Werte in Sekunden gemessen:

Tab. 2: Studienergebnisse

Daten entnommen aus: Lila Buls Wollman, Jordan Clarke, Claire M. DeLucia, Richard B. Levine and Ralph F. Fregosi, eNeuro 11 November 2019, 6 (6) ENEURO.0299-19.2019; DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0299-19.2019, CC BY 4.0

Beschreibe die Ergebnisse der Studie in Tabelle 2 und leite daraus eine Handlungsempfehlung für Eltern von Kleinkindern ab.

Das Nikotin in Zigaretten kann bereits in geringen Mengen zur Entstehung einer Sucht führen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sehen die Ursache in einer gesteigerten Ausschüttung des Neurotransmitters Dopamin im sogenannten Belohnungszentrum des Gehirns. Als Resultat empfindet der Mensch ein Glücksgefühl. Erkläre die Entstehung einer Nikotinabhängigkeit aus verhaltensbiologischer Sicht.

In Laborstudien wurden Tabakpflanzen unter verschiedenen Lichtverhältnissen (Starklicht bzw. Schwachlicht) kultiviert. Dabei zeigte sich, dass die verschiedenen Bedingungen auch Auswirkungen auf die Struktur der Chloroplasten in den Zellen der Tabakblätter hatten. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben z.B., dass unter Schwachlicht eine Erhöhung der Thylakoidanzahl und des Thylakoidvolumens sowie eine größere Granabreite und Granahöhe beobachtet werden können.
Fertige beschriftete Skizzen des elektronenoptisch erkennbaren Aufbaus eines Chloroplasten unter Starklicht- bzw. Schwachlichtbedingungen an und stelle eine begründete Hypothese auf, die die beschriebenen Unterschiede in der Chloroplastenstruktur erklärt.

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Kosten-Nutzen-Analyse der Untersuchungsergebnisse Tabakpflanzen, deren Wurzeln mit Methyljasmonat behandelt wurden, zeigten im Vergleich zu der Kontrollgruppe eine geringere Masse der Schmetterlingsraupen, eine erhöhte durchschnittliche Nikotinkonzentration und eine verringerte durchschnittliche Zahl der Samenkapseln pro Pflanze. Eine geringere Zahl an Samenkapseln geht mit einer niedrigeren reproduktiven Fitness einher. Hier liegen die Kosten für die Pflanze. Von Vorteil ist allerdings, dass die Nikotinkonzentration in den Blättern durch die Zugabe von Methyljasmonat steigt. Nikotin ist für die Schmetterlingsraupen giftig, und die Schädlinge fressen weniger Blätter. Dementsprechend geht auch die Masse der Schmetterlingsraupen zurück. Der Nutzen für die Pflanze ist eine erhöhte Überlebenschance durch einen geringeren Fraßverlust bei Zugabe von Methyljasmonat.

Skizze einer chemischen Synapse

Kurvenverlauf unter Nikotineinfluss Nikotin bewirkt im Synaptischen Spalt das Öffnen von Natrium-Ionenkanälen, in dem es an nikotinische Neurotransmitter-Rezeptoren bindet. Damit wirkt es analog zu einem Neurotransmitter. Somit hat Nikotin keinen Einfluss auf die Konzentration des Neurotransmitters im synaptischen Spalt, beeinflusst jedoch den Einstrom von Natrium-Ionen in die postsynaptische Zelle. Wird Nikotin zum Zeitpunkt t₁ zugegeben, so löst das einen Einstrom von Natrium-Ionen aus. Mit dem Eintreffen des Aktionspotenzials zum Zeitpunkt t₂ werden weitere, transmittergesteuerte Natrium-Ionenkanäle geöffnet. Daher strömen weitere Natrium-Ionen in die Zelle ein. Insgesamt kommt es zu einem gesteigerten Einstrom von Natrium-Ionen.

Reflexbogen

Ergebnisse der Studie In der Studie wurden der Einfluss von Tabakrauch auf die Zeit bis zur Kontraktion der Zungenmuskulatur untersucht. Dabei wurden individuelle Werte mit und ohne Tabakrauch aufgezeichnet. Im Allgemeinen unterscheiden sich diese individuellen Werte sehr. Es ist jedoch eine klare Tendenz zu erkennen, dass Tabakrauch die Zeit bis zur Kontraktion der Zungenmuskulatur verlängert. Die Reaktionszeit ist erhöht. Das spätere Einsetzen des Reflexes bringt eine Erhöhung der Erstickungsgefahr mit sich. Handlungsempfehlung für Eltern von Kleinkindern Nikotin wird auch dann aufgenommen, wenn man nicht selbst raucht, sondern nur den Tabakrauch einatmet. Eltern von Kleinkindern sollten es daher vermeiden, in deren Nähe Tabak zu rauchen, und das Schlafzimmer des Kindes stets gut belüften.

Entstehung einer Nikotinabhängigkeit Es handelt sich um eine operante Konditionierung. Raucht eine Person, so wird im Gehirn vermehrt Dopamin ausgeschüttet. Dopamin wirkt auf das Belohnungssystem. Dieser Prozess wirkt positiv verstärkend auf das Verhalten, sodass der Drang zu rauchen in Zukunft öfter ausgelöst wird. Für die Verknüpfung des Reizes mit der Belohnung (und damit den Lernprozess) ist es entscheidend, dass ein enger zeitlicher Zusammenhang (Kontiguität) zwischen Reiz und Reaktion besteht. Voraussetzung für das Lernen dieses Verhaltens ist es, dass eine innere Handlungsbereitschaft zum Rauchen besteht.

Chloroplast bei unterschiedlichen Lichtbedingungen Unterschiede in der Chloroplastenstruktur Wenig Licht führt zu einer Vergrößerung des Thylakoidvolumens, sowie zu einer Zunahme der Breite, Höhe und Anzahl der Thylakoidstapel. Diese Anpassung in der Struktur der Chloroplasten ermöglicht es der Pflanze, möglichst viel Energie aus dem verfügbaren Licht zu gewinnen, da dadurch die Anzahl der Fotosysteme steigt.