Fertige eine beschriftete Skizze eines nicht myelinisierten Neurons an.

Ordne die untersuchten Tiere begründet nach steigender Leitungsgeschwindigkeit ihrer Neuronen (Material 1).

Stelle eine Hypothese auf, die die kurze Reaktionszeit der Taufliege erklärt (Material 1).

Vergleiche anhand von vier Aspekten das Aktionspotential des Wildtyps von Drosophila melanogaster mit dem Aktionspotential einer typischen menschlichen Nervenzelle (Material 2).

Erkläre den veränderten Verlauf der Repolarisation der Shaker-Mutante im Vergleich zum Wildtyp unter Berücksichtigung der Ionentheorie (Material 2).

Gib für Männchen sowie für Weibchen je ein Pro- und Contra-Argument zur angegebenen These an (Material 3).

Skizze

Begründet Ordnen

Das Neuron der Taufliege weist im Vergleich zu Mensch und Goldfisch die geringste Leitungsgeschwindigkeit auf. Da es unmyelinisiert ist, erfolgt die Erregungsleitung kontinuierlich, was prinzipbedingt wesentlich langsamer und weniger effizient ist als bei myelinisierten Fasern. Zudem besitzt das Taufliegenneuron einen sehr kleinen Axondurchmesser; dieser geringe Querschnitt erhöht den elektrischen Innenwiderstand und bremst den Ladungsfluss zusätzlich aus.

Das menschliche Neuron liegt bezüglich der Leitungsgeschwindigkeit an zweiter Stelle. Dank der isolierenden Myelinscheiden findet eine saltatorische Erregungsweiterleitung statt, welche die kontinuierliche Weiterleitung der Taufliege an Tempo und Effizienz deutlich übertrifft. Gegenüber dem Goldfisch ist die Geschwindigkeit jedoch geringer, da das menschliche Axon einen kleineren Durchmesser aufweist.

Die höchste Leitungsgeschwindigkeit erreicht das Neuron des Goldfischs. Hier verbindet sich die schnelle, saltatorische Erregungsweiterleitung entlang myelinisierter Abschnitte mit dem größten Axondurchmesser der drei Organismen, was den Innenwiderstand minimiert.

Hypothese:

Die kurze Reaktionszeit der Taufliege lässt sich auf ihre winzigen Körpermaße zurückführen. Die anatomischen Übertragungswege zwischen Sinnesorganen (Rezeptoren), zentralem Nervensystem und Effektor (Erfolgsorgan) sind extrem kurz. Diese minimalen Distanzen kompensieren die physiologisch langsame Reizleitung (bedingt durch fehlende Myelinscheiden und das dünne Axon) vollständig.

• Gemeinsamkeit:

  • Bei beiden Organismen (Mensch und Taufliege) durchläuft das Neuron im Verlauf des Aktionspotenzials eine Depolarisation.

  • Weitere Antwortmöglichkeit: Sowohl bei der Taufliege als auch beim Menschen kommt es zu einer Potenzialumkehr.

• Unterschiede:

  • Gegenüber dem Ruhepotenzial einer typischen menschlichen Nervenzelle () weist das Aktionspotenzial der Taufliege in Abb. 1 ein weniger negatives / höheres Ruhepotenzial () auf.

  • Während auf die Repolarisation beim Menschen eine Hyperpolarisation folgt, ist diese beim Aktionspotenzial der Taufliege in Abb. 1 nicht vorhanden.

  • Im Anschluss an die Hyperpolarisation stellt sich beim Menschen wieder das ursprüngliche Ruhepotenzial ein, wohingegen bei der Taufliege nach der Repolarisation eine weitere, kurze und schwache Depolarisation zu beobachten ist.

  • Weitere Antwortmöglichkeit (Unterschiede): Der Spitzenwert der Depolarisation beträgt beim menschlichen Aktionspotenzial ca. beim Aktionspotenzial der Taufliege hingegen rund

Erklären

Am Anfang der Repolarisationsphase weisen sowohl der Wildtyp als auch die Shaker-Mutante im Intrazellulärraum (an der Membraninnenseite) eine hohe Konzentration an Natrium- sowie an Kalium-Ionen auf.

Beim Wildtyp erfolgt im Anschluss an die Depolarisation eine rasche Repolarisation, da sich spannungsgesteuerte Kalium-Ionenkanäle öffnen und Kalium-Ionen getrieben durch das Konzentrationsgefälle aus dem Axoninneren nach außen strömen.

Bei der Shaker-Mutante verläuft die Repolarisation hingegen deutlich verzögert, da die spannungsabhängigen Kalium-Ionenkanäle funktionell eingeschränkt sind und der Kaliumausstrom entlang des Konzentrationsgradienten dadurch stark verlangsamt abläuft.

These: „Sowohl Weibchen als auch Männchen sollten sich mit möglichst vielen Partnern paaren, um ihre direkte Fitness zu erhöhen.“

Weibchen:

• Pro-Argument: Eine wachsende Anzahl an Geschlechtspartnern steigert die Befruchtungschance der Eizellen, wodurch insgesamt mehr befruchtete Eier abgelegt werden können. Zudem nimmt mit zusätzlichen Partnern die genetische Vielfalt des Nachwuchses zu, was die direkte Fitness erhöht.

• Contra-Argument: Gemäß dem Diagramm (Abb. 2) sinkt die Überlebensrate der Weibchen mit steigender Partnerzahl kontinuierlich. Ein vorzeitiger Tod verkürzt das Zeitfenster für die Eiablage, was die direkte Fitness letztlich mindert.

Männchen:

• Pro-Argument: Je mehr verschiedene Weibchen ein Männchen begattet, desto höher fällt die Gesamtzahl seiner Nachkommen aus und desto größer ist deren genetische Variabilität. Auf diese Weise wird die direkte Fitness des Männchens gesteigert.

• Contra-Argument: Balz und Kopulation erfordern beträchtliche energetische Investitionen, wodurch der Energieaufwand mit jedem weiteren Weibchen wächst. Zudem sinkt während des Balzverhaltens die Aufmerksamkeit gegenüber Fressfeinden und Gefahren, was zu tödlichen Angriffen führen kann; das Ausbleiben künftiger Fortpflanzungsgelegenheiten hat eine verringerte direkte Fitness zur Folge.