Die Tomate (Solanum lycopersicum) ist ein weltweit beliebtes Nahrungsmittel. Um hohe Erträge zu ermöglichen, wurden u. a. wissenschaftliche Studien zur Reifung von Tomatenpflanzen durchgeführt, bei der eine Reihe verschiedener Stoffwechselschritte ablaufen. Außerdem wurde die biologische Schädlingsbekämpfung im Tomatenanbau untersucht. Der exzessive Tomatenanbau hat sowohl ökologische als auch soziale Folgen.

1.1

Begründe, welches der in Abbildung 1 dargestellten Absorptionsspektren einer reifen bzw. unreifen Tomatenfrucht zugeordnet werden kann (M 1).

5 BE

1.2

Gib die Reaktionsgleichung der Zellatmung an und nenne die einzelnen Teilschritte unter Angabe ihrer jeweiligen Energiebilanz.

Fasse die Untersuchungsergebnisse in Abbildung 2 zusammen und erkläre diese (M 1).

13 BE

1.3

Bewerte anhand einer Pro- und Contra-Argumentation mit je einem Argument, das sich auf je einen selbstgewählten Wert bezieht, ob im Monat Mai in der Schweiz regional produzierte oder aus Spanien importierte Gewächshaustomaten gekauft werden sollten (M 2).

8 BE

1.4

Begründe, ob die Fortpflanzung der Tomatenminiermotte eher der r-Strategie oder der K-Strategie zugeordnet werden kann (M 3).

4 BE

1.5

Plane ein Laborexperiment, mit dem die formulierte Fragestellung unter kontrollierten Bedingungen untersucht werden kann (M 3).

10 BE

M 1 Reifung von Tomatenfrüchten

Eine unreife Tomatenfrucht ist zunächst grün. In diesem Stadium kann sie Fotosynthese betreiben. Im Laufe des Reifungsprozesses wird sie rot, da die enthaltenen Chlorophylle abgebaut werden und u. a. der rote Farbstoff Lycopin synthetisiert und angereichert wird. Eines der in Abbildung 1 angegebenen Absorptionsspektren zeigt das Spektrum von Farbstoffen unreifer Tomaten, das andere das Spektrum reifer Tomaten. Tabelle 1 stellt den Zusammenhang zwischen Lichtfarbe und Wellenlänge dar.

Abbildung 1: Absorptionsspektren von Farbstoffen aus Tomatenfrüchten in zwei verschiedenen Reifestadien

Tabelle 1: Zusammenhang zwischen Lichtfarbe und Wellenlänge

Lichtfarbe	violett	blau	grün	gelb	orange	rot
ungefähre Wellenlänge in nm	380 – 435	435 – 480	480 – 570	570 – 590	590 – 610	610 – 700

Forschende hatten sich zum Ziel gesetzt, die Reifung geernteter Tomatenfrüchte zu verlangsamen, um dadurch ihre Lagerfähigkeit zu erhöhen. Für die Reifung sind zahlreiche Enzyme verantwortlich, die durch die Wirkung des Reifehormons Ethen produziert werden, wofür die Zelle Energie bereitstellen muss. Die Forschenden verhinderten durch ein gentechnisches Verfahren die Ethen-Produktion. Die Reifung der veränderten Tomatenfrüchte wurde mit der Reifung unveränderter Tomatenfrüchte (Wildtyp) verglichen (Abbildung 2). Alle Tomatenfrüchte befanden sich bei Beginn der Untersuchung in grünem Zustand.

Abbildung 2: Ethen-Produktion (links) sowie Kohlenstoffdioxid-Freisetzung (rechts) während der Reifung von Tomatenfrüchten

M 2 Tomatenanbau in Europa

Tomatenfrüchte reifen besonders gut in den südlichen europäischen Ländern, aber auch in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Etwa zwei Drittel der europäischen Tomaten werden in Spanien und Italien produziert.

Um Tomaten ganzjährig anbauen zu können, müssen die Gewächshäuser zum Teil beheizt werden, wofür Energie benötigt wird. In verschiedenen Untersuchungen der Technischen Hochschule Zürich wurden Daten für den Energiebedarf der inländischen Tomatenproduktion mit Daten für den Energiebedarf der Produktion von importierten Tomaten aus spanischen Gewächshäusern verglichen. Tabelle 2 zeigt ausgewählte Daten für den Monat Mai.

Tabelle 2: Energiebedarf für das Tomatenangebot im Monat Mai in der Schweiz aus zwei unterschiedlichen Anbaugebieten

Anbaugebiet	Energiebedarf für Gewächshausbeheizung in kg CO₂-Äquivalenten pro kg Produkt	Energiebedarf für Transport in kg CO₂-Äquivalenten pro kg Produkt
Almería (Spanien)	0,0	0,2
Bern (Schweiz)	5,0	0,1

Die Vergütung von Arbeitern in der Landwirtschaft ist in Ländern unterschiedlich hoch. Tabelle 3 zeigt den Lohn eines Feldarbeiters im Vergleich zum durchschnittlichen Einkommen in verschiedenen europäischen Ländern.

Tabelle 3: Lohn eines Feldarbeiters und Durchschnittseinkommen in verschiedenen Ländern

Land	durchschnittlicher Brutto-Monatslohn eines Feldarbeiters	monatliches Durchschnitts-Bruttoeinkommen
Schweiz	4.600 €	7.700 €
Niederlande	1.900 €	4.300 €
Italien	1.300 €	2.600 €
Spanien	630 €	2.400 €

Es wird kontrovers diskutiert, in der Schweiz Tomaten aus z. B. spanischen Gewächshäusern zu kaufen. Um hier zu einer Urteilsfindung zu gelangen, ist es notwendig, fachliche Aussagen mit Werten in Beziehung zu setzen. Folgende Werte werden häufig genannt: Umweltschutz, Gesundheit, Freiheit, Leidverringerung, Wohlstand, Würde des Menschen, Bildung und Fortschritt.

M 3 Tuta absoluta - ein bedeutender Tomatenschädling und seine Bekämpfung

Die Tomatenminiermotte (Tuta absoluta) ist eine ursprünglich aus Lateinamerika stammende Schmetterlingsart, die Anfang der 2000er Jahre nach Europa eingeschleppt wurde. Sie gilt als invasive Art. Ausgewachsene Individuen sind 6 bis 7 mm groß und besitzen eine braunsilbrige Färbung sowie schwarz gefleckte Flügel. Während ihrer Lebensspanne kann eine weibliche Tomatenminiermotte bis zu 250 Eier legen. Diese werden auf der Unterseite der Blätter von Tomatenpflanzen abgelegt. Die Tomatenminiermotte durchläuft in ihrer Entwicklung eine vollständige Verwandlung mit vier Larvenstadien und einem Puppenstadium. Unter günstigen Bedingungen, knapp unter 30 °C, dauert ein vollständiger Entwicklungszyklus weniger als einen Monat. Im Gegensatz zu vielen anderen Insektenarten können so mehrere Generationen pro Jahr entstehen. Die Lebensspanne der ausgewachsenen Tiere beträgt dann zwischen 10 und 20 Tage und ist stark von Futterangebot und Umgebungstemperatur abhängig. Fraßschäden werden vor allem durch die Larven verursacht und können an Blättern, Sprossachse und Früchten der Tomatenpflanzen entstehen. Sie können ohne Bekämpfung Ernteausfälle von bis zu 100 % hervorrufen.

Neben der chemischen Bekämpfung der Tomatenminiermotte durch Pflanzenschutzmittel wird auch der Einsatz natürlicher Fressfeinde wie der räuberisch lebenden Wanzenart Macrolophus pygmaeus zur Beseitigung eines Schädlingsbefalls diskutiert. Diese erbeutet sowohl Eier als auch alle vier Larvenstadien der Tomatenminiermotte. Um die Effektivität eines solchen Einsatzes abschätzen zu können, untersuchten Forschende in Frankreich im Jahr 2013 das Beutefangverhalten von Macrolophus pygmaeus. Als Beute wurden ihr die invasive Tomatenminiermotte im Vergleich zu einer anderen, heimischen Beuteart, der Tabakmottenschildlaus (Bemisia tabaci), angeboten, die ebenfalls ein Tomatenschädling ist. Im Rahmen der Studie wurde die folgende Fragestellung untersucht: Welche Nahrungspräferenzen zeigt die Raubwanze Macrolophus pygmaeus, wenn beide Beutearten in unterschiedlichen Populationsdichten an Tomatenpflanzen verfügbar sind?

1.1

Zuordnung

• A: Farbstoffe aus unreifen Tomaten

• Absorptionsmaxima im blauen und roten Wellenlängenbereich erkennbar, im Bereich zwischen ca. 500 – 600 nm kaum Absorption, sondern Reflexion → grüner Farbeindruck

• B: Farbstoffe aus reifen Tomaten

• Fehlende Lichtabsorption im roten Spektralbereich → roter Farbeindruck

1.2

Reaktionsgleichung der Zellatmung:

C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 6 O₂ → 6 CO₂ + 12 H₂O

Pro Molekül Glucose erfolgt in den einzelnen Teilschritten folgende ATP-Produktion:

Glykolyse: 2 Moleküle ATP

oxidative Decarboxylierung: keine ATP-Produktion

Tricarbonsäurezyklus: 2 Moleküle ATP

Atmungskette: ca. 34 Moleküle ATP

Zusammenfassen:

Bei Wildtyp-Tomaten: Anstieg der Ethen-Produktion bis Tag 6, danach Rückgang der Ethen-Produktion; Anstieg der Kohlenstoffdioxid-Freisetzung bis Tag 6, danach Rückgang der Kohlenstoffdioxid-Freisetzung

Bei veränderten Tomatenfrüchten: im Vergleich zum Wildtyp nahezu keine Ethen-Produktion; Freisetzung von Kohlenstoffdioxid wesentlich geringer als bei Wildtyp-Tomaten

Erklären:

Die gesteigerte Ethen-Produktion setzt energieaufwendige Stoffwechselprozesse in den Zellen in Gang, daher gesteigerte Zellatmung zur Energieversorgung vonnöten, die zu erhöhter Kohlenstoffdioxid-Freisetzung führt.

Bei gentechnisch veränderten Tomaten: nahezu keine Ethen-Produktion; Freisetzung von Kohlenstoffdioxid wesentlich geringer als bei Wildtyp-Tomaten, da geringerer Energiebedarf und daher geringere Zellatmungsaktivität.

1.3

Zwei Argumente, die die Pro- und Contra-Seite berücksichtigen:

– z. B. deutlich geringerer Energieaufwand zur Beheizung der Gewächshäuser in Spanien im Vergleich zur Schweiz (Bezug auf Wert Umweltschutz in der normativen Prämisse)

– z. B. finanzielle Ausbeutung der Arbeiter in Spanien (Bezug auf Wert Würde des Menschen in der normativen Prämisse)

Begründete persönliche Stellungnahme nach transparenter Hierarchisierung der Argumente/Werte.

1.4

Die Fortpflanzungsstrategie der Tomatenminiermotte ist eher der r-Strategie zuzuordnen:

– hohe Nachkommenzahl, Weibchen legt bis zu 250 Eier

– kurze Entwicklungsdauer bis zum erwachsenen Tier von weniger als einem Monat

– kurze Lebensspanne von insgesamt ca. 40 – 50 Tagen

– geringe Körpergröße von 6 – 7 mm

– keine Brutpflege: Eier werden an Tomatenblättern abgelegt und sich selbst überlassen

1.5

Planung eines Experiments

Benötigt werden mehrere vergleichbar große Tomatenpflanzen. Jede Tomatenpflanze wird mit der gleichen Gesamtzahl an Beuteorganismen besetzt, die sich jedoch im Verhältnis der beiden Arten Tuta absoluta und Bemisia tabaci unterscheiden z. B. 30:10, 20:20, 10:30.

Jede Tomatenpflanze wird mit der gleichen Anzahl an Raubmilben besetzt.

Ein Zu- und Abgang von Individuen wird unterbunden.

Nach einer festgelegten Zeitspanne wird jeweils die Anzahl der verbliebenen Individuen beider Beutearten ausgezählt.