Inhalt
Smarter Learning!
Inhalt
Bundesland, Schulart & Klasse
Bundesland, Schulart & Klasse
BW, Gymnasium (G9)
Baden-Württemberg
Berufl. Gymnasium (AG)
Berufl. Gymnasium (BTG)
Berufl. Gymnasium (EG)
Berufl. Gymnasium (SGG)
Berufl. Gymnasium (TG)
Berufl. Gymnasium (WG)
Berufskolleg - FH
Gemeinschaftsschule
Gymnasium (G8)
Gymnasium (G9)
Hauptschule
Realschule
Werkrealschule
Bayern
Fachoberschule
Gymnasium
Mittelschule
Realschule
Berlin
Gymnasium
Integrierte Sekundarschule
Brandenburg
Gesamtschule
Gymnasium
Oberschule
Bremen
Gymnasium (G8)
Oberschule (G9)
Hamburg
Gymnasium
Stadtteilschule
Hessen
Berufl. Gymnasium
Gesamtschule
Gymnasium (G8)
Gymnasium (G9)
Haupt- und Realschule
Hauptschule
Realschule
Mecklenburg-Vorpommern
Gesamtschule
Gymnasium
Niedersachsen
Gymnasium (G8)
Gymnasium (G9)
Integrierte Gesamtschule
Kooperative Gesamtschule
Oberschule
Realschule
NRW
Gesamtschule
Gymnasium
Hauptschule
Realschule
Sekundarschule
Rheinland-Pfalz
Gesamtschule
Gymnasium
Saarland
Gemeinschaftsschule
Gesamtschule
Gymnasium
Realschule
Sachsen
Gymnasium
Oberschule
Sachsen-Anhalt
Fachgymnasium
Gesamtschule
Gymnasium
Sekundarschule
Schleswig-Holstein
Gemeinschaftsschule
Gymnasium (G8)
Gymnasium (G9)
Thüringen
Berufl. Gymnasium
Gemeinschaftsschule
Gesamtschule
Gymnasium
Regelschule
Klasse 13
Klasse 13
Klasse 12
Klasse 11
Klasse 10
Klasse 9
Klasse 8
Klasse 7
Klasse 6
Klasse 5
Fach & Lernbereich
Fachauswahl: Bio
Mathe
Deutsch
Englisch
Bio
Chemie
Physik
Geschichte
Geo
Lernbereich
Digitales Schulbuch
Experimente
Abitur
Abitur
Abitur
Smarter Learning!
Schneller lernen mit deinem SchulLV-Zugang
  • Zugang zu über 1.000 Original-Prüfungsaufgaben mit Lösungen von 2004-2019
  • Alle Bundesländer und Schularten, empfohlen von über 2.300 Schulen in Deutschland
  • Digitales Schulbuch: Über 1.700 Themen mit Aufgaben und Lösungen
  • Monatlich kündbar, lerne solange du möchtest
Jetzt Zugang freischalten!

Aufgabe 3

Aufgaben
Download als Dokument:PDFWord
Der Streifenleguan und der Taubleguan kommen in New Mexicojeweils in einer hellen und einer dunklen Farbvariante vor. ln den Hautzellen der dunklen Farbvarianten wird mehr vom dunklen Farbstoff Melanin gebildet als bei der helleren Farbvariante.
Die Bildung von Melanin wird durch das Melanocyten-stimulierende Hormon (MSH) ausgelöst. MSH setzt an einem Membranprotein, dem Melanocortin-Rezeptor (MCR) an. Dieser verändert daraufhin seine Konformation, wodurch im Zellinneren ATP in cyclisches AMP (cAMP) umgewandelt wird. Die erhöhte cAMP-Konzentration setzt die mehrstufige Melanin-Synthese in Gang. Melanin wird letztendlich durch ein Enzym aus einer farblosen Vorstufe gebildet.
Aufgabe 3
Abbildung 1: Farbvarianten von Leguanen
Aufgabe 3 Abbildung 1: Farbvarianten von Leguanen
1.1) Fertige unter Berücksichtigung der lnformationen des Textes eine beschriftete Skizze(Größe mind. halbe Seite) einer Biomembran auf der Basis des Flüssig-Mosaik-Modells an, in der Melanocortin-Rezeptoren ohne und mit gebundenem MSH dargestellt sind.
(3P)
1.2) Beschreibe zwei prinzipiell unterschiedliche Möglichkeiten, wie eine erhöhte cAMP-Konzentration in einer Zelle die Melaninbildung in Gang bringen kann.
(3P)
Die Melanocortin-Rezeptorproteine (MCR-Proteine) des Streifenleguans und Taubleguans bestehen aus 314 Aminosäuren. Das für die dunkle Färbung verantwortliche MCR ist bei beiden Arten identisch. Die MCR-Proteine der hellen Varianten der Leguane unterscheiden sich in den Positionen 168 bzw. 170 (Tabelle 1). Diese Positionen liegen nicht an der MSH-Bindungsstelle.
Rezeptorvariante MCR 1 MCR 2 MCR 3
Vorkommen Streifen- und Taubleguan Streifenleguan Taubleguan
Aminosäure an Position 168 Val Val lle
Aminosäure an Position 170 Thr lle Thr
lntrazellulär erzeugte cAMP-Konzentration 100 % 36 % 72%
Färbung dunkel hell hell
Rezeptor-variante MCR 1 MCR 2 MCR 3
Vorkommen Streifen- und Taubleguan Streifen-leguan Taubl-eguan
Amino-säure an Position 168 Val Val lle
Amino-säure an Position 170 Thr lle Thr
lntra-zellulär erzeugte cAMP-Konzentration 100 % 36 % 72%
Färbung dunkel hell hell
Tabelle 1: Vergleich der drei MCR-Varianten
2) Beschreibe und erkläre die unterschiedlichen cAMP-Konzentrationen in den Zellenmit den Rezeptorvarianten (MCR 1, 2, und 3) mithilfe der Angaben in Tabelle 1 und Abbildung 2.
(3P)
ln einem Nationalpark in New Mexico gibt es eine Wüstenlandschaft aus weißen Gipsdünen, die sogenannten White Sands, sowie Buschlandbereiche mit dunklerem Boden. lndiesem Nationalpark wurde die Häufigkeit heller und dunkler Farbvarianten des Streifenleguans untersucht (Tabelle 2).
White Sands Buschland
Häufigkeit heller Tiere 89 % 1 %
Häufigkeit dunkler Tiere 11 % 99 %
Tabelle 2: Häufigkeit heller und dunkler Streifenleguane an verschiedenen Standorten
3) Erkläre, weshalb an beiden Standorten jeweils eine Farbvariante wesentlich häufigervorkommt.
Gib eine mögliche Erklärung, warum die seltene Variante nicht vollständigverschwindet.
(3P)
lm Nationalpark wurde untersucht, ob ein genetischer Austausch zwischen Taubleguanen unterschiedlicher Standorte stattfindet. Dazu wurden lndividuen an fünf Standorten $\text{A}$ bis $\text{E}$ gefangen. Sieben lndividuen stammen von Standorten in den White Sands (Standorte $\text{A}$ und $\text{B}$ mit den lndividuen $\text{A}_1$ bis $\text{A}_3$, $\text{B}_1$ bis $\text{B}_4$) und acht aus dem Buschland (Standorte $\text{C}$, $\text{D}$, $\text{E}$; lndividuen $\text{C}_1$, $\text{C}_2$; $\text{D}_1$, $\text{D}_2$; $\text{E}_1$ bis $\text{E}_4$). Mithilfe von DNA-Sequenzen wurde ein Verwandtschaftsdiagramm erstellt (Abbildung 3).
Aufgabe 3
Karte des Untersuchungsgebiets mit den Standorten A bis E und Ergebnis der Verwandtschaftsanalyse von 15 Individuen dieser Standorte
[Abb. 3] Hier zum Bildnachweis:
Aufgabe 3
Karte des Untersuchungsgebiets mit den Standorten A bis E und Ergebnis der Verwandtschaftsanalyse von 15 Individuen dieser Standorte
[Abb.3] Hier zum Bildnachweis:
4.1) Begründe, warum mithilfe von DNA-Sequenzen ein Verwandtschaftsdiagramm erstellt werden kann.
(2P)
Wie das Verwandtschaftsdiagramm zeigt, sind lndividuen von Standort $\text{A}$ mit lndividuen von Standort $\text{B}$ näher verwandt als mit solchen des eigenen Standorts. $\text{A}_1$ ist z. B. enger verwandt mit $\text{B}_2$ als mit $\text{A}_3$. lm Gegensatz dazu sind die lndividuen der anderen Standorte $\text{C}$, $\text{D}$ und $\text{E}$ untereinander immer enger verwandt.
4.2) Erläutere mögliche Ursachen für den unterschiedlichen Verwandtschaftsgrad derlndividuen an den Standorten A bis E.
(3P)
4.3) Leite aus dem Ergebnis der Verwandtschaftsanalyse und der Verbreitung der Populationen (Abbildung 3) eine begründete Vorhersage zu möglichen zukünftigen Artbildungsprozessen beim Taubleguan ab.
(3P)

(20P)
Bildnachweise [nach oben]
[1]
(Quelle: SchuLV)
[2]
(Quelle: SchuLV)
[3]
(Quelle: SchuLV)
Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!
Jetzt freischalten
Infos zu SchulLV PLUS
Ich habe bereits einen Zugang
Zugangscode einlösen
Login
Tipps
Download als Dokument:PDF

Aufgabe 3

1.1)
Hier wird verlangt, dass du, anhand der Informationen des Textes und dem Flüssig-Mosaik-Modell, eine beschriftete Skizze einer Biomembran anfertigst und dabei besonders auf den Melanocortin-Rezeptor und das Melanocyten-stimulierende Hormon (MHS) eingehst.
In dieser Aufgabe geht es um den grundlegenden Aufbau einer Zelle bzw. ihrer Membran und um die Signalweiterleitung innerhalb der Zelle. Wie bereits in der Aufgabenstellung steht, wird für die Membran das Flüssig-Mosaik-Modell verwendet. Dieses Modell stellt eine Membran als Lipid-Doppelschicht mit eingelagerten Proteinen dar. Wichtig für deine Skizze ist auch die Überlegung, zu welchen Seiten der Melanocortin-Rezeptor über die Membran hinaus ragt.
1.2)

Der Operator beschreiben verlangt hier, dass du die beiden Möglichkeiten, der Beeinflussung der Melaninproduktion durch cAMP, mit eigenen Worten wiedergibst. Achte hierbei auf Fachsprache und Struktur.

Zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) ist ein sekundärer Botenstoff, d.h. ein Botenstoff, der als Reaktion auf einen ersten Botenstoff gebildet wird. In diesem Beispiel wäre das MSH, der primäre Botenstoff. Da MSH die Zellmembran nicht überwinden kann, übermittelt cAMP das Signal weiter. Dabei kann es im Zellplasma selbst bleiben und dort eine Zellantwort hevorrufen oder in den Zellkern eindringen, um dort eine Zellantwort zu verursachen.

Vielleicht hilft es dir auch zu überlegen, wie cAMP wirken würde, wenn das Melanin-bildende Enzym schon vorhanden ist bzw. nicht vorhanden ist. Wenn es schon vorhanden ist, warum bildet es nicht schon vorher Melanin aus seiner Vorstufe?
2)

Die Operatoren beschreiben und erklären verlangen von dir, dass du die in der Tabelle und Abbildung gegebenen Informationen zuerst in eigenen Worten widergibst und anschließend, mithilfe deines eigenen Wissens, die Situation verständlich in einen Zusammenhang einordnest.

Proteine bestehen aus Aminosäuren. Es gibt 21 verschiedene Aminosäuren, die sich jeweils in ihrer Seitenkette unterscheiden. Es gibt Aminosäuren mit polaren, unpolaren, geladenen oder aromatischen Seitenketten. Die Struktur eines Proteins wird über das Zusammenspiel der Seitenketten bestimmt. Bei Mutationen kann es passieren, dass der Bauplan eines Proteins geändert wird, indem eine Aminosäure duch eine Andere ersetzt wird. Je nachdem wie stark sich die Seitenketten unterscheiden, kann das Protein normal weiter arbeiten oder fällt sogar komplett aus.
3)

Der Operator erklären verlangt von dir, dass du das Vorkommen der verschiedenen Leguanvarianten mithilfe deines eigenen Wissens in einen Zusammenhang einordnest und ihn nachvollziehbar verständlich machst.

Das Überleben eines Individuums und seiner Spezies in der Natur hängt davon ab, wie gut es an seine Umwelt angepasst ist („Survival of the fittest“). Dabei kann die Anpassung verschiedene Faktoren umfassen. Beispiele wären:

  • Wie gut kann sich das Tier gegen Fressfeinde wehren oder sich vor ihnen verstecken?
  • Wie erfolgreich ist das Tier bei der Nahrungsbeschaffung?
All diese Faktoren führen dazu, dass sich besser angepasste Individuen häufiger und erfolgreicher Vermehren und damit ihre Merkmale weiter verbreiten, während schlechter angepasste Individuen z.B. gefressen werden, bevor sie sich vermehren können.

In dieser Aufgabe musst du dir nun überlegen, welche Vor- und Nachteile die Färbung eines Leguans in der jeweiligen Umgebung bieten kann und damit die Verbreitung der jeweiligen Farbvarianten erklären.
4.1)

Der Operator begründe verlangt von dir, dass du die in der Aufgabenstellung gegebene These, dass mit DNA-Sequenzen ein Verwandschaftsdiagramm erstellt werden kann, belegen sollst und erklären sollst, weshalb dies möglich ist.

Bei Verwandschaftsuntersuchungen über DNA-Sequenzen wird das Genom oder einzelne DNA-Bereiche von unterschiedlichen Individuen miteinander verglichen und ein Verwandschaftsgrad anhand der Übereinstimmung der Sequenzen hergeleitet. Der Verwandschaftsgrad ist relativ und ein Vergleichswert. Es können also Aussagen getroffen werden, welche der Individuen mehr verwandt miteinander sind als andere oder ob unterschiedliche Arten enger miteinander verwandt sind als mit anderen Arten. Daraus kann jedoch keine absolute Aussage getroffen werden, in welchem Verwandschaftsverhältnis die einzelnen Individuen zueinander stehen.

Du musst dir nun überlegen, wie die DNA-Sequenz eines Genoms mit der Verwandschaft zusammen hängen könnte. Einen Hinweis können dir deine Ergebnisse aus Aufgabenteil 2) liefern.
4.2)

Der Operator erläutern verlangt von dir, dass du die Ursachen für den unterschiedlichen Verwandschaftsgrad der Individuen an den Standorten A bis E verständlich machst und sie mithilfe zusätzlicher Informationen veranschaulichst.

Jedes Individuum ist durchgehend von Veränderungen seines Genoms in Form von Mutationen betroffen. Wenn sich nun zwei dieser Individuen paaren, dann wird das daraus hervorgehende Tier eine Mischung aus beiden Erbgütern enthalten. Es wird also sowohl einen Teil der Mutationen seines Vaters, als auch einen Teil der Mutationen seiner Mutter in sich tragen.

Deine Aufgabe besteht nun also darin, dir zu überlegen, wie es dazu kommen kann, dass ein Individuum mit einem Anderen nun weniger verwand ist, als mit einem Dritten.
4.3)

In dieser Aufgabe wird von dir verlangt, dass du ausgehend von den Ergebnissen von Aufgabe 4.2 und der Abbildung 3 Hypothesen aufstellst, wie sich zukünftig aus dem Taubleguan neue Arten bilden könnten und diese begründen.

In dieser Aufgabe solltest du dir überlegen, welche Formen der Artbildung du kennst und aus welchen Gründen diese Artbildungsprozesse stattfinden. Die Begriffe der sympatrischen Artbildung und der allopatrsichen Artbildung sollten dir ein Begriff sein. Bei der allopatrischen Artbildung bilden sich neue Arten, nachdem eine Population in zwei Gruppen gespalten wurde, durch Ursachen wie z.B. Kontinentaldrift oder Gebirgsbildung. Bei der sympatrischen Artbildung bilden sich neue Arten aufgrund der Verteilung einer Population über ein so großes Gebiet, dass die Individuen am einen Rand des Verbreitungsgebietes quasi keinen Kontakt mehr zu Individuen haben, die am anderen Rand des Verbreitungsgebiets leben.
Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!
Jetzt freischalten
Infos zu SchulLV PLUS
Ich habe bereits einen Zugang
Zugangscode einlösen
Login
Lösungen
Download als Dokument:PDF
1.1)
Tipp
Hier wird verlangt, dass du, anhand der Informationen des Textes und dem Flüssig-Mosaik-Modell, eine beschriftete Skizze einer Biomembran anfertigst und dabei besonders auf den Melanocortin-Rezeptor und das Melanocyten-stimulierende Hormon (MHS) eingehst.
In dieser Aufgabe geht es um den grundlegenden Aufbau einer Zelle bzw. ihrer Membran und um die Signalweiterleitung innerhalb der Zelle. Wie bereits in der Aufgabenstellung steht, wird für die Membran das Flüssig-Mosaik-Modell verwendet. Dieses Modell stellt eine Membran als Lipid-Doppelschicht mit eingelagerten Proteinen dar. Wichtig für deine Skizze ist auch die Überlegung, zu welchen Seiten der Melanocortin-Rezeptor über die Membran hinausragt.
$\blacktriangleright$ Biomembran mit Melanocortin-Rezeptor mit und ohne MSH
Aufgabe 3
Aufgabe 3
Abb. 1:Flüssig-Mosaik-Modell einer Membran mit Melanocortin-Rezeptor
$\blacktriangleright$ Beschriftung der Skizze
In Abbildung 1 ist der Aufbau einer Biomembran schematisch dargestellt. Die wichtigsten Elemente sind mit den Zahlen 1-5 beschriftet:
1 Melanocortin-Rezeptor ohne gebundenes MSH:

Das Protein ist ein Rezeptor, d.h. er steht zu beiden Seiten über die Membran hinaus. Damit ist er in der Lage ein Signal auf der Außenseite zu empfangen und es auf der Innenseite weiterzuleiten.

Das Protein ist in dieser Skizze relativ komplex gezeichnet. Es kann auch vereinfacht dargestellt werden, wie das Beispielprotein (2). Wichtig ist jedoch, dass deine Zeichnung zu beiden Seiten über die Membran hinaus geht und kein Botenstoff gebunden ist.
2 Beispiel eines anderen Proteins:
In die Membran eingelagert sind viele verschiedene Proteine, die unterschiedliche Funktionen übernehmen. Zur Darstellung wurde deshalb dieses Protein hinzugefügt.
3 Melanocortin-Rezeptor mit gebundenem MSH:

Das Protein ist diesmal, nach Bindung von MSH (4), in aktivem Zustand. Es gab eine Konformationsänderung (= Strukturänderung), wodurch das Ende, welches auf die Innenseite ragt, nun aktiv ist und das Signal weiterleiten kann.

Das Protein kann wieder, wie in (1) erwähnt, vereinfacht gezeichnet werden. Wichtig ist hier nun, dass bei der Zeichnung ein Botenstoff gebunden ist (4), das Protein eine sichtbare Konformationsänderung unterlaufen hat und nun aktiv ist.
4 Melanocyten-stimulierendes Hormon (MSH):
Der Botenstoff kann nicht duch die Membran diffundieren, weshalb er außerhalb der Zelle an den Rezeptor bindet.
5 Lipid-Doppelschicht:

Das Grundgerüst einer Membran besteht aus einer doppelten Schicht aus Lipiden. Die Lipide ordnen sich so an, dass das hydrophile Ende von hydrophilen Stoffen und das hydrophobe Ende von hydrophoben Stoffen umgeben ist. Da ein großer Teil der Zelle und der Umgebung außerhalb der Zelle aus Wasser besteht, zeigen die hydrophoben Enden der Lipide zueinander, während die hydrophilen Enden ins Innere der Zelle und nach Außen zeigen.

Bei der Darstellung der Lipide solltest du darauf achten, dass der hydrophile Kopf deutlich vom lipophilen (= hydrophoben) Schwanz zu unterscheiden ist. In der Zeichnung ist extra gekennzeichnet, welches der hydrophile Kopf und welches der hydrophobe Schwanz ist. Das soll dir zur Orientierung dienen und ist für deine Skizze nicht nötig.
1.2)
Tipp

Der Operator beschreiben verlangt hier, dass du die beiden Möglichkeiten, der Beeinflussung der Melaninproduktion durch cAMP, mit eigenen Worten wiedergibst. Achte hierbei auf Fachsprache und Struktur.

Zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) ist ein sekundärer Botenstoff, d.h. ein Botenstoff, der als Reaktion auf einen ersten Botenstoff gebildet wird. In diesem Beispiel wäre das MSH, der primäre Botenstoff. Da MSH die Zellmembran nicht überwinden kann, übermittelt cAMP das Signal weiter. Dabei kann es im Zellplasma selbst bleiben und dort eine Zellantwort hevorrufen oder in den Zellkern eindringen, um dort eine Zellantwort zu verursachen.

Vielleicht hilft es dir auch zu überlegen, wie cAMP wirken würde, wenn das Melanin-bildende Enzym schon vorhanden ist bzw. nicht vorhanden ist. Wenn es schon vorhanden ist, warum bildet es nicht schon vorher Melanin aus seiner Vorstufe?
$\blacktriangleright$ Verschiedene Möglichkeiten die Melaninbildung in Gang zu bringen
Durch das MSH wird über den Rezeptor die cAMP-Konzentration in der Zelle erhöht. Diese Erhöhung führt zur Bildung von Melanin aus seiner farblosen Vorstufe. Es gibt zwei Möglichkeiten, wie cAMP die Melaninproduktion anregen kann: Es kann auf genetischer Ebene und auf Stoffwechselebene wirken.
$\blacktriangleright\blacktriangleright$ Genetische Ebene

cAMP aktiviert eine Proteinkinase (= ein Enzym), die andere Proteine phosphoryliert (= reversible Anbringung einer Phosphatgruppe), also aktiviert. Diese Proteine können nun wiederum weitere Proteine aktivieren und es kommt zu einer Signalkaskade. Am Ende der Signalkaskade steht hier ein inaktiver Transkriptionsfaktor (= ein Protein, das an einen bestimmten Bereich der DNA bindet und die Transkription dieses Bereiches hervorruft). Dieser wird aktiviert und führt zum Ablesen eines Gens und somit zur Produktion eines Proteins, in diesem Falle zur Produktion des Proteins, welches die Vorstufe von Melanin in Melanin umsetzt.

Das Melanin-umsetzende Protein ist in diesem Falle also nicht vorhanden und seine Produktion muss erst durch einen Transkriptionsfaktor angeregt werden.

$\blacktriangleright\blacktriangleright$ Stoffwechselebene

Ähnlich, wie bei der Beeinflussung auf genetischer Ebene, kommt es hier zuerst über Aktivierung von Proteinen zu einer Signalkaskade. Am Ende steht diesmal jedoch nicht ein Transkriptionsfaktor, sondern das Melanin-umsetzende Protein. Dieses wird aktiviert und beginnt die Vorstufe in Melanin umzusetzen.

In diesem Falle ist das Protein also schon vorhanden und nur inaktiv. Erst durch das ankommende Signal und die Signalkaskade wird es aktiviert.

Die zwei Signalwege werden in den nachfolgenden Abbildungen 2 und 3 noch einmal dargestellt. Diese Bilder dienen zu deinem Verständnis und sind für die Beantwortung der Frage nicht nötig.
Aufgabe 3
Abb. 2 und 3: Zellantwort auf genetischer Ebene und Zellantwort und Stoffwechselebene
Aufgabe 3
Abb. 2: Zellantwort auf genetischer EbeneAufgabe 3
Abb. 3: Zellantwort auf Stoffwechselebene
2)
Tipp

Die Operatoren beschreiben und erklären verlangen von dir, dass du die in der Tabelle und Abbildung gegebenen Informationen zuerst in eigenen Worten widergibst und anschließend, mithilfe deines eigenen Wissens, die Situation verständlich in einen Zusammenhang einordnest.

Proteine bestehen aus Aminosäuren. Es gibt 21 verschiedene Aminosäuren, die sich jeweils in ihrer Seitenkette unterscheiden. Es gibt Aminosäuren mit polaren, unpolaren, geladenen oder aromatischen Seitenketten. Die Struktur eines Proteins wird über das Zusammenspiel der Seitenketten bestimmt. Bei Mutationen kann es passieren, dass der Bauplan eines Proteins geändert wird, indem eine Aminosäure duch eine Andere ersetzt wird. Je nachdem wie stark sich die Seitenketten unterscheiden, kann das Protein normal weiter arbeiten oder fällt sogar komplett aus.
$\blacktriangleright$ Färbung auf genetischer Ebene beschreiben
Es gibt 3 verschiedene Arten von MCR:
  • MCR 1: Vorhanden in den dunklen Varianten beider Leguanarten
  • MCR 2: Vorhanden in der hellen Variante des Streifenleguans.
  • MCR 3: Vorhanden in der hellen Variante des Taubleguans.
Nun betrachten wir den Unterschied zwischen dem Melanocortin-Rezeptorprotein innerhalb einer Art:
$\blacktriangleright\blacktriangleright$ Streifenleguan

Für die beiden Streifenleguane sind MCR 1 und MCR 2 von Interesse. Sie unterscheiden sich darin, dass an der Position 170 bei der hellen Variante die Aminosäure Threonin (Thr) durch die Aminosäure Isoleucin (Ile) ersetzt wurde, was dazu führt, dass die intrazellulär erzeugte Konzentration an cAMP bei der hellen Variante um 64% geringer ist als bei der dunklen Variante.

Isoleucin unterscheidet sich durch zwei zusätzliche Methylgruppen (-CH3) von Threonin. Die Eine ersetzt die Hydroxylgruppe (-OH) von Threonin und die Andere verlängert die bereits vorhandene Seitenkette. Threonin ist eine polare Aminosäure, während Isoleucin eine unpolare Aminosäure ist.
Aufgabe 3
Aufgabe 3
Abb. 4: Unterschied der Seitenketten zwischen Threonin und Isoleucin
$\blacktriangleright\blacktriangleright$ Taubleguan

Für die beiden Taubleguane sind MCR 1 und MCR 3 von Interesse. Sie unterscheiden sich darin, dass an Position 168 bei der hellen Variante die Aminosäure Valin (Val) durch die Aminosäure Isoleucin (Ile) ersetzt wurde, was dazu führt, dass die intrazellulär erzeugte Konzentration an cAMP bei der hellen Variante um 28% geringer ist als bei der dunklen Variante.

Isoleucin unterscheidet sich durch eine zusätzliche Methylgruppe (CH3) von Valin. Sie verlängert eine der Kohlenstoffketten. Sowohl Valin, als auch Isoleucin sind unpolare Aminosäuren.
Aufgabe 3
Aufgabe 3
Abb. 5: Unterschied der Seitenketten zwischen Valin und Isoleucin
Die veränderten Aminosäuren nehmen jeweils Einfluss auf die intrazellulär erzeugte Konzentration an cAMP. Das Auswechseln einer polaren Aminosäure durch eine unpolare Aminosäure hat größeren Einfluss auf die Konzentration als der Wechsel einer unpolaren Aminosäure zu einer anderen unpolaren Aminosäure. Obwohl die helle Taubleguanvariante doppelt so viel cAMP produziert wie die helle Streifenleguanvariante, sind beide gleich hell.
$\blacktriangleright$ Erklären, wieso die Veränderungen die cAMP-Konzentration beeinflussen
Die Funktion eines Proteins wird durch seine Tertiärstruktur bestimmt. Diese entsteht durch Wechselwirkungen der Seitenketten der Aminosäuren miteinander:
  • Polare Seitenketten bilden Wasserstoffbrücken miteinander.
  • Unpolare Seitenketten halten über Van-der-Waals-Kräfte und hydrophobe Wechselwirkungen zusammen.
  • Geladene Seitenketten ziehen sich über ionische Wechselwirkungen an.
  • Cysteine bilden über ihre Thiolgruppen (-SH) Disulfidbrücken.
$\blacktriangleright\blacktriangleright$ Streifenleguan
Beim Streifenleguan wurde eine polare Aminosäure durch eine unpolare Aminosäure ersetzt. Dies hat zur Folge, dass die bisher vorhandenen Wechselwirkungen anderer polarer Aminosäuren mit der Aminosäure an der Position 170 nicht mehr möglich ist. Das führt zur Fehlfaltung und damit zur Abnahme der Aktivität von MCR. Der Streifenleguan ist nur noch in der Lage 36% der eigentlichen intrazellulären cAMP-Konzentration zu erzeugen, die für die Melaninproduktion benötigt wird.
$\blacktriangleright\blacktriangleright$ Taubleguan
Beim Taubleguan wurde eine unpolare Aminosäure durch eine andere unpolare Aminosäure ersetzt. Das führt zwar nicht dazu das, für die Faltung benötigte, Wechselwirkungen nicht mehr möglich sind (wie beim Streifenleguan), jedoch ist Isoleucin größer als Valin. Dadurch wird die Faltung von MCR sterisch (= räumlich) gehindert und das Protein faltet sich nicht mehr perfekt, was einen Abfall der Aktivität verursacht. Der Taubleguan ist nur noch in der Lage 72% der eigentlichen intrazellulären cAMP-Konzentration zu erzeugen, die für die Melaninproduktion benötigt wird.
Eine Veränderung der Wechselwirkungen innerhalb des Proteins hat einen größeren Einfluss auf die Faltung eines Proteins als die räumliche Hinderung durch größere Aminosäuren, jedoch sind beide Leguanarten gleich hell. Es ist also keine Abstufung der Färbung zu beobachten. Das kommt dadurch, dass eine bestimmte Menge des Melanin-produzierenden Proteins benötigt wird, um eine Färbung hervorzurufen. Das legt nahe, dass es sich bei der Färbung um einen dominant-rezessiv vererbtes Merkmal handelt.
3)
Tipp

Der Operator erklären verlangt von dir, dass du das Vorkommen der verschiedenen Leguanvarianten mithilfe deines eigenen Wissens in einen Zusammenhang einordnest und ihn nachvollziehbar verständlich machst.

Das Überleben eines Individuums und seiner Spezies in der Natur hängt davon ab, wie gut es an seine Umwelt angepasst ist (Survival of the fittest). Dabei kann die Anpassung verschiedene Faktoren umfassen. Beispiele wären:

  • Wie gut kann sich das Tier gegen Fressfeinde wehren oder sich vor ihnen verstecken?
  • Wie erfolgreich ist das Tier bei der Nahrungsbeschaffung?
All diese Faktoren führen dazu, dass sich besser angepasste Individuen häufiger und erfolgreicher Vermehren und damit ihre Merkmale weiterverbreiten, während schlechter angepasste Individuen z.B. gefressen werden, bevor sie sich vermehren können.

In dieser Aufgabe musst du dir nun überlegen, welche Vor- und Nachteile die Färbung eines Leguans in der jeweiligen Umgebung bieten kann und damit die Verbreitung der jeweiligen Farbvarianten erklären.
$\blacktriangleright$ Erklärung des Zusammenhangs zwischen Umwelt und häufig auftretender Färbung
Ein besser an seine Umgebung angepasstes Individuum ist erfolgreicher darin sich fortzupflanzen als schlechter angepassten Individuen. Durch die häufigere Fortpflanzung werden seine Gene weitervererbt und seine Merkmale, wie z.B. die Färbung, treten häufiger innerhalb der Population auf. Es gilt also zu bestimmen, welche Vorteile die häufig auftretende Färbung gegenüber der seltener auftretenden Färbung hat, um zu erklären, wieso die Farben so verteilt sind.
$\blacktriangleright\blacktriangleright$ White Sands
Die White Sands sind im Text beschrieben, als Wüste aus weißen Gipsdünen, also einem sehr hellen Terrain. Dies kann verschiedene Vor- und Nachteile für die verschiedenen Farbvarianten des Streifenleguans bieten:
Helle Färbung Dunkle Färbung
Fressfeinde
Hellere Leguane können sich in der ebenso hellen Umgebung sehr gut tarnen und sind dafür für Fressfeinde schwieriger zu erkennen.
Dunklere Leguane sind in der hellen Umgebung leichter zu erkennen und somit schlechter getarnt. Lediglich gelegentliche Felsen könnten den dunklen Leguanen Tarnung bieten.
Nahrungsbeschaffung
Hellere Leguane sind nicht nur vor den Blicken der Fressfeinde besser geschützt, sondern auch vor den Blicken ihrer Beute. Somit fällt es ihnen leicht, erfolgreich zu jagen.
Dunkleren Leguanen fällt es schwerer, sich vor ihrer Beute zu tarnen, wodurch es für sie schwieriger wird, erfolgreich zu jagen.
Helle Färbung Dunkle Färbung
Fress-
feinde
Hellere Leguane können sich in der ebenso hellen Umgebung sehr gut tarnen und sind dafür für Fressfeinde schwieriger zu erkennen.
Dunklere Leguane sind in der hellen Umgebung leichter zu erkennen und somit schlechter getarnt. Lediglich gelegentliche Felsen könnten den dunklen Leguanen Tarnung bieten.
Nahrungs-
beschaffung
Hellere Leguane sind nicht nur vor den Blicken der Fressfeinde besser geschützt, sondern auch vor den Blicken ihrer Beute. Somit fällt es ihnen leicht, erfolgreich zu jagen.
Dunkleren Leguanen fällt es schwerer, sich vor ihrer Beute zu tarnen, wodurch es für sie schwieriger wird, erfolgreich zu jagen.
$\blacktriangleright\blacktriangleright$ Buschland
Das Buschland hat laut Text dunkleren Boden. Dies kann verschiedene Vor- und Nachteile für die verschiedenen Farbvarianten des Streifenleguans bieten:
Helle Färbung Dunkle Färbung
Fress-feinde
Hellere Leguane fallen aufgrund ihrer Färbung vor dem dunklen Boden und der grünen Vegetation sehr gut auf und können sich dadurch schwerer vor Fressfeinden tarnen.
Dunklere Leguane sind aufgrund ihrer Farbe perfekt auf dem dunklen Boden bzw. durch den Schatten, den die Vegetation wirft, getarnt und für Fressfeinde viel schwieriger zu erkennen.
Nahrungs-beschaffung
Hellere Leguane sind schlecht in ihrer Umgebung getarnt und für ihre Beute leicht zu erkennen. Somit fällt ihnen das Jagen schwerer.
Dunkleren Leguanen fällt die Jagd sehr leicht, da sie aufgrund ihrer Färbung ideal getarnt sind, um Beute zu jagen
Die genannten Vor- und Nachteile erklären gut, weshalb die verschiedenen Färbungen in den beiden Gebieten unterschiedlich häufig auftreten. Was bleibt, ist die Frage, weshalb die dunkleren Tiere in der Wüstenregion häufiger sind als die hellen Tiere in der Buschlandschaft. Dies kann mehrere Gründe haben:
  • Die Wüste ist unwirtliches Gelände: Es ist heiß und trocken, weshalb sie einen schlechteren Lebensraum für z.B. Fressfeinde des Streifenleguans bietet als die Buschlandschaft.
  • Trotz seiner schlechten Tarnung, ist der dunklere Streifenleguan bei den wenigen auftretenden Felsen in der Wüste besser getarnt als ein heller Leguan in der Buschlandschaft. Diese bietet ihm keinerlei Tarnung.
  • Sowohl Beute, Leguane, als auch Fressfeinde können durch die wenige Vegetation in einer Wüste aus großer Entfernung leichter gesehen werden als z.B. in der dichteren Vegetation der Buschlandschaft. Somit können die dunkleren Leguane Fressfeine aus größerer Entfernung sehen und entkommen als es ein heller Leguan in der Buschlandschaft könnte. Die dichte Vegetation bietet seinen Fressfeinden einen größeren Vorteil.
$\blacktriangleright$ Erklärungen geben, weshalb seltene Varianten nicht vollständig verschwinden
  • Sowohl die White Sands, als auch die Buschlandschaft liegen in ein und dem selben Nationalpark, also in räumlicher Nähe. Somit kann es immer wieder passieren, dass einzelne Individuen von den White Sands in die Buschlandschaft auswandern und anders herum.
  • In Aufgabenteil 2) wurde bereits erarbeitet, dass der Verlust der Farbe durch eine Mutation im Genom hervorgerufen wird und bereits einzelne Mutation zu einer hellen Färbung führen können. Demnach werden immer wieder durch Mutation aus dunklen Eltern helle Tiere hervorgehen.
4.1)
Tipp

Der Operator begründe verlangt von dir, dass du die in der Aufgabenstellung gegebene These, dass mit DNA-Sequenzen ein Verwandschaftsdiagramm erstellt werden kann, belegen sollst und erklären sollst, weshalb dies möglich ist.

Bei Verwandschaftsuntersuchungen über DNA-Sequenzen werden das Genom oder einzelne DNA-Bereiche von unterschiedlichen Individuen miteinander verglichen und ein Verwandschaftsgrad anhand der Übereinstimmung der Sequenzen hergeleitet. Der Verwandschaftsgrad ist relativ und ein Vergleichswert. Es können also Aussagen getroffen werden, welche der Individuen mehr verwandt miteinander sind als andere oder ob unterschiedliche Arten enger miteinander verwandt sind als mit anderen Arten. Daraus kann jedoch keine absolute Aussage getroffen werden, in welchem Verwandschaftsverhältnis die einzelnen Individuen zueinander stehen.

Du musst dir nun überlegen, wie die DNA-Sequenz eines Genoms mit der Verwandschaft zusammenhängen könnte. Einen Hinweis können dir deine Ergebnisse aus Aufgabenteil 2) liefern.
$\blacktriangleright$ Begründen, weshalb Verwandschaftsanalyse anhand von DNA-Sequenzen möglich ist

Individuen einer Art besitzen bestimmte Merkmale, die bei jedem Individuum gleich oder ähnlich sind, wie z.B. die Körperform oder Organe. Auch im Inneren und auf molekularer Ebene sind sich die Individuen sehr ähnlich. Man findet die gleichen Proteine und Abläufe in Individuen der selben Art. Selbst bei unterschiedlichen Proteinen, wie dem Melanocortin-Rezeptorprotein aus Aufgabenteil 2), das durch geringe Mutationen Farbveränderungen hervorruft, ist die genetische Grundlage beinahe identisch.

All diese Merkmale sind im Genom in Form einer DNA-Sequenz verschlüsselt, d.h., das Grundgerüst bleibt trotz gelegentlicher Unterschiede gleich. Genau dieses Grundgerüst wird nun bei der Erstellung eines Verwandschaftsdiagramms durch Sequenzanalyse miteinander verglichen. Durch Mutationen verändert sich das Genom eines Individuums durchgehend. Sind nun zwei Individuen miteinander verwandt wird auch ihr Genom zu großen Teilen übereinstimmen. Je weniger Mutationen ihr Genom unterscheidet, desto kürzer ist die Zeit seit ihrer genetischen Trennung, also sind sie enger miteinander verwandt.
4.2)
Tipp

Der Operator erläutern verlangt von dir, dass du die Ursachen für den unterschiedlichen Verwandschaftsgrad der Individuen an den Standorten A bis E verständlich machst und sie mithilfe zusätzlicher Informationen veranschaulichst.

Jedes Individuum ist durchgehend von Veränderungen seines Genoms in Form von Mutationen betroffen. Wenn sich nun zwei dieser Individuen paaren, dann wird das daraus hervorgehende Tier eine Mischung aus beiden Erbgütern enthalten. Es wird also sowohl einen Teil der Mutationen seines Vaters, als auch einen Teil der Mutationen seiner Mutter in sich tragen.

Deine Aufgabe besteht nun also darin, dir zu überlegen, wie es dazu kommen kann, dass ein Individuum mit einem anderen nun weniger verwand ist, als mit einem dritten.
$\blacktriangleright$ Unterschiedlichen Verwandschaftsgrad zwischen Individuen verschiedener Standorte erläutern
Bei dieser Analyse können nun zwei Fälle gesondert betrachtet werden:
  1. Den unterschiedlichen Verwandschaftsgrad zwischen den Standorten, wie z.B. A mit E und A mit B.
  2. Den unterschiedlichen Verwandschaftsgrad einzelner Individuen, z.B. warum A1 mit B2 enger verwandt ist als mit A2.
Ein Individuum ist einer ständigen Veränderung seiner Genstruktur durch Mutationen unterworfen. Paaren sich nun zwei Individuen, dann vermischen sich deren genetische Informationen. Die daraus entstehenden Nachkommen sind mit beiden Elternteilen verwandt und bilden ein Bindeglied in der Verwandschaft zwischen den beiden Tieren. Die Möglichkeit sich zusammen fortzupflanzen kann als Indikator für den Verwandschaftsgrad genommen werden.
$\blacktriangleright\blacktriangleright$ Unterschied zwischen den Standorten

Werfen wir einen Blick auf die Karte in Abbildung 3, so sehen wir die geographische Lage der Standorte, an denen die jeweiligen Individuen gefangen wurden. Betrachten wir nun die Nähe der Verwandschaft in Abhängigkeit von der Distanz zwischen den jeweiligen Standorten, so sehen wir, dass die Tiere weniger verwandt sind, je größer der Abstand ist. Dabei solltest du beachten, dass das San-Andre-Gebirge und das Sacramento-Gebirge nicht überwindbare Hindernisse darstellen. Deshalb sind die Individuen von Standort E weniger mit denen von Standort D und kaum noch mit denen von Standort A verwandt. Die große Distanz zwischen Standort E und den anderen Standorten verhindert, dass die Tiere der jeweiligen Standorte sich treffen und fortpflanzen können. Zwar sind Abwanderungen einzelner Tiere in andere Standorte möglich, aber unwahrscheinlicher je größer die Distanz ist.

Die Färbung der Tiere kann ebenfalls einen Einfluss auf die unterschiedliche Verwandschaft haben. Dunkle Tiere aus Standorten im Buschland nehmen hellere Tiere aus den Standorten in den Gipsdünen weniger als Fortpflanzungspartner wahr.
$\blacktriangleright\blacktriangleright$ Unterschied einzelner Individuen
Das Tiere innerhalb eines Standortes enger miteinander Verwandt sind, als Tiere von verschiedenen Standorten, lässt sich über die Distanz erklären. Die Wahrscheinlichkeit, dass Tiere des selben Standortes aufeinander treffen und sich fortpflanzen ist wesentlich größer, als dass ein Tier von einem anderen Standort abwandern und zufällig auf Tiere eines anderen Standortes treffen. Eine Ausnahme hierbei bildet die Verwandschaft zwischen den Individuen von Standort A und B. Das Tier A1 ist mit den Tieren B2 und B3 näher Verwandt, als mit den Tieren A2 und A3 von seinem eigenen Standort. Werfen wir nun einen Blick auf die Karte, so sehen wir, dass die Standorte A und B sehr nahe beieinander liegen. Demnach wäre die Möglichkeit, dass Tiere von einem zum anderen Standort wechseln nicht unwahrscheinlich. So kann es z.B. sein, dass das Tier A1 eigentlich eher aus dem Bereich um Standort B stammt und nur zufällig bei Standort A gefangen wurde. Die große Nähe ist also der Grund, weshalb sich die Verwandtschaften zwischen den Standorten vermischen.
4.3)
Tipp

In dieser Aufgabe wird von dir verlangt, dass du ausgehend von den Ergebnissen von Aufgabe 4.2 und der Abbildung 3 Hypothesen aufstellst, wie sich zukünftig aus dem Taubleguan neue Arten bilden könnten und diese Hypothesen begründen.

In dieser Aufgabe solltest du dir überlegen, welche Formen der Artbildung du kennst und aus welchen Gründen diese Artbildungsprozesse stattfinden. Die Begriffe der sympatrischen Artbildung und der allopatrsichen Artbildung sollten dir ein Begriff sein. Bei der allopatrischen Artbildung bilden sich neue Arten, nachdem eine Population in zwei Gruppen gespalten wurde, durch Ursachen wie z.B. Kontinentaldrift oder Gebirgsbildung. Bei der sympatrischen Artbildung bilden sich neue Arten aufgrund der Verteilung einer Population über ein so großes Gebiet, dass die Individuen am einen Rand des Verbreitungsgebietes quasi keinen Kontakt mehr zu Individuen haben, die am anderen Rand des Verbreitungsgebiets leben.
$\blacktriangleright$ Hypothesen für Artbildungen
Aus den gegebenen Informationen lassen sich zwei verschiedene Hypothesen zu möglichen Artbildungen in der Zukunft aufstellen.
$\blacktriangleright\blacktriangleright$ Standort E bildet eine neue Art

Betrachten wir die Karte, so sehen wir, dass die Population an Standort E sehr weit von den anderen Populationen an anderen Standorten entfernt ist. Betrachtet man nun das Verwandschaftsdiagramm, so sieht man, dass die Tiere von Standort E weniger mit den Tieren an anderen Standorten verwandt sind. Die nächsten Verwandten sind die Tiere von Standort D, welche über 25 km entfernt leben.

Durch diese große Distanz kann es dazu kommen, dass durch sympatrische Artbildung aus der Population von Standort E eine neue Art des Taubleguans hervorgeht, da diese Tiere aufgrund der großen Distanz genetisch von ihren Verwandten an den anderen Standorten isoliert werden. Betrachtet man das Verwandschaftsdiagramm, so sieht man, dass die Verwandschaft zwischen den Tieren von Standort E und ihren nächsten Verwandten an Standort D nicht eng ist, was die Hypothese der Abspaltung von Standort E als neue Art unterstützen würde.
$\blacktriangleright\blacktriangleright$ Helle und dunkel Tiere bilden jeweils eine eigene Art

Betrachtet man das Verwandschaftsdiagramm, so sieht man, dass die Tiere von Standort A und B sehr nahe miteinander verwandt sind und die Verwandschaft zu ihren nächsten Verwandten an Standort C weniger groß ist. Eine Möglichkeit wäre also, dass die vorwiegend helleren Tiere der Gipsdünen eine eigene Art bilden, sowie die vorwiegend dunkleren Tiere des Buschlands.

Die einzelnen Populationen sind sich zwar räumlich näher als z.B. zu der Population von Standort E, jedoch wurde in Aufgabe 3 schon diskutiert, warum dunklere Tiere im Buschland einen Vorteil haben, während hellere Tiere in den Gipsdünen einen größeren Fortpflanzungserfolg haben werden. Somit erhalten die einzelnen Färbungen einen Vorteil durch ihren Lebensraum, den die andere Färbung nicht genießt. Auch kann es sein, dass hellere Tiere und dunklere Tiere einander potentiell weniger als Fortpflanzungspartner ansehen, als Tiere mit gleicher Färbung. Die Färbung bildet also ein Hindernis für die Fortpflanzung. Somit würden sich die Erscheinungsform und die unterschiedlichen Lebensräume hemmend auf den genetischen Austausch auswirken, was potentiell dazu führen könnte, dass sich in den Gipsdünen und im Buschland getrennt voneinander zwei neue Arten des Taubleguans bilden.
Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!
Jetzt freischalten
Infos zu SchulLV PLUS
Ich habe bereits einen Zugang
Zugangscode einlösen
Login
Folge uns auf
SchulLV als App