Aufgabe 2 – Chytridiomykose – eine neurologische Erkrankung bei Fröschen
Bei Fröschen ist die Haut besonders wichtig für den Stoffaustausch. Gleichzeitig ist sie jedoch eine Eintrittspforte für Krankheitserreger wie den Chytridpilz (Batrachochytrium dendrobatidis). Dieser Pilz löst bei Fröschen die neurologische Erkrankung Chytridiomykose aus, die schwere Folgen für die Tiere hat. Es konnte jedoch auch beobachtet werden, dass im Verlauf der Zeit Tiere eine veränderte Reaktion auf den Pilz zeigten.
Beschreibe die Entstehung und Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials an der Membran eines Neurons.
Fasse die in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten Untersuchungsergebnisse zusammen (Material 1).
Erkläre die veränderten Ionenkonzentrationen im Blut erkrankter Frösche und darauf aufbauend das in Abbildung 2B gezeigte Messergebnis (Material 1).
Leite je eine Folge der Chytridiomykose für die Muskelaktivität sowie die Wahrnehmung bei erkrankten Fröschen ab (Material 1).
Stelle die beobachtete Zunahme der Populationsgröße bei Dinkfröschen mithilfe der synthetischen Evolutionstheorie dar (Material 2).
Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!
monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 1: Untersuchung von Fröschen mit Chytridiomykose
Die Haut von Fröschen ist an der Aufnahme von Wasser und Ionen wie Natrium-, Kalium- und Chlorid-Ionen beteiligt. Die über die Haut aufgenommenen Ionen gelangen sowohl ins Blut der Tiere als auch außerhalb des Blutes in die extrazelluläre Flüssigkeit und liegen dort in etwa gleicher Konzentration wie im Blut vor.
Der Chytridpilz (Batrachochytrium dendrobatidis) befällt die Haut von Fröschen und anderen Amphibien. Er verursacht eine schwere Erkrankung der Tiere, die Chytridiomykose. Diese Erkrankung hat schwerwiegende neurophysiologische und motorische Auswirkungen auf die Tiere, die bis zum Tod führen können.
Um die Folgen der Chytridiomykose zu untersuchen, wurden die Natrium- und Kalium-Ionen-Konzentrationen im Blut von gesunden und erkrankten Fröschen bestimmt (Abb. 1). Außerdem wurden die Membranpotenziale an Axonen gesunder und erkrankter Frösche nach künstlicher Reizung gemessen (Abb. 2).
Abbildung 1: Ionen-Konzentrationen im Blut von gesunden und erkrankten Fröschen. A Natrium-Ionen-Konzentration B Kalium-Ionen-Konzentration
Abbildung 2: Membranpotenziale am Axon eines Neurons bei A gesunden Fröschen und B erkrankten Fröschen nach gleich starker Reizung (Pfeile)
Hinweis: Die gestrichelten Linien kennzeichnen das jeweilige Schwellenpotenzial.
Material 2: Auswirkungen der Chytridiomykose auf Froschbestände in Panama
In Panama hat sich die Chytridiomykose bei Fröschen verbreitet. Als Folge wurde die Populationsgröße verschiedener Froscharten seit 2004 stark dezimiert. Bei dem Dinkfrosch (Diasporus diastema) wurde im Jahr 2018 beobachtet, dass die Populationsgröße wieder stark angestiegen ist, obwohl der Chytridpilz im untersuchten Gebiet immer noch vorhanden und unverändert infektiös war.
Die Haut von Fröschen sondert ein Sekret ab, das die Tiere vor dem Vertrocknen an Land, aber auch vor Krankheitserregern schützen kann. Es wurde vermutet, dass die Zunahme der Populationsgröße mit einer veränderten Zusammensetzung der Hautsekrete der Tiere zusammenhängt. Zur Überprüfung dieser Vermutung wurden die proteinhaltigen Hautsekrete von Dinkfröschen in Laborexperimenten hinsichtlich ihrer hemmenden Wirkung gegen den Chytridpilz untersucht (Abb. 3). Dazu wurden Hautsekretproben verwendet, die einige Jahre vor dem Auftreten des Chytridpilzes gesammelt worden waren (Zeitraum 1) und mit Hautsekretproben verglichen, die nach einem Wiederanstieg der Populationsgröße der Dinkfrösche nach dem Auftreten des Chytridpilzes gesammelt wurden (Zeitraum 2). Die Hautsekretproben enthielten dabei Hautsekrete mehrerer Dinkfrösche, die in dem jeweiligen Zeitraum gesammelt und zu einer Probe vereint wurden. Anschließend wurde das Wachstum des Chytridpilzes jeweils in Anwesenheit von Hautsekretproben der Zeiträume 1 und 2 bestimmt.
Abbildung 3: Hemmende Wirkung von Hautsekreten gegen den Chytridpilz
Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!
monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Die Entstehung und Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials an der Membran eines Neurons werden strukturiert und unter Verwendung der Fachsprache formuliert:
-
Ionenverteilung: extrazellulär mehr Natrium- und Chlorid-Ionen, intrazellulär mehr Kalium-Ionen und organische Anionen
-
Membran für Kalium-Ionen über ständig geöffnete Kalium-Ionen-Kanäle permeabel
-
Kalium-Ionen diffundieren entlang des Konzentrations- und Ladungsgradienten, bis sich ein Gleichgewichtszustand zwischen Kalium-Ionenausstrom und -einstrom eingestellt hat: Entstehung eines Ruhepotenzials von ca.
-
permanent geringer
-Leckstrom durch die Zellmembran von außen nach innen -
Aufrechterhaltung der Konzentrationsgradienten durch die Natrium-Kalium-Ionenpumpe unter ATP-Verbrauch
Die Untersuchungsergebnisse zu Ionen-Konzentrationen im Blut von gesunden und erkrankten Fröschen werden sich auf das Wesentliche konzentrierend herausgestellt:
Veränderungen Ionenkonzentrationen (Abbildung 1):
-
Die extrazellulären
- und 
-Konzentrationen sind bei gesunden Fröschen etwa doppelt so hoch wie bei erkrankten Fröschen.
Potenzialveränderungen bei erkrankten im Vergleich zu gesunden Fröschen (Abbildung 2):
-
Ausgehend von einem Ruhepotenzial von
wird bei gesunden Fröschen nach einer Reizung ein Aktionspotenzial mit den typischen Phasen ausgebildet. -
Das Ruhepotenzial beträgt bei erkrankten Fröschen
anstatt bei gesunden Fröschen. -
Bei erkrankten Fröschen ist nach Reizung nur eine Depolarisation unterhalb des Schwellenpotenzials erkennbar. Es wird kein Aktionspotenzial ausgebildet.
Die neurologischen Folgen einer Chytridiomykose werden auf ihre Ursachen zurückgeführt:
-
Bei erkrankten Fröschen ist die Haut stark geschädigt und dadurch die Ionenaufnahme durch die Haut beeinträchtigt. Durch die verringerte Ionenaufnahme ist die Ionenkonzentration im Blut erkrankter Frösche im Vergleich zu gesunden Fröschen deutlich verringert.
-
Die geringere extrazelluläre
-Konzentration bei erkrankten Tieren führt zu einem höheren Konzentrationsgradienten für Kalium-Ionen zwischen dem Cytoplasma und dem Extrazellularraum. Es diffundieren verstärkt Kalium-Ionen nach außen, wodurch das Ruhepotenzial negativer wird. -
Durch den Ruhepotenzialwert von
wird der Schwellenwert zur Auslösung des Aktionspotenzials nur durch stärkere Depolarisation erreicht. -
-Mangel in der extrazellulären Flüssigkeit führt zu einem geringeren Konzentrationsgradienten und somit zu einem geringeren -Einstrom bei Depolarisation. Daher wird das Membranpotenzial nur geringfügig positiver und somit das Erreichen des Schwellenwertes erschwert.
Die Folge der Chytridiomykose für die Muskelaktivität sowie die Wahrnehmung bei erkrankten Fröschen wird auf Grundlage der krankheitsbedingt veränderten Ionenverhältnisse hergeleitet:
-
veränderte Ionenverhältnisse → eingeschränkte Auslösung von Aktionspotenzialen → eingeschränkte Muskelkontraktion: Lähmung
-
reduzierte Weiterleitung von Informationen von Sinneszellen zum Gehirn → verminderte Wahrnehmung von Reizen
Die Ursachen der Populationsveränderung bei Dinkfröschen werden mithilfe der synthetischen Evolutionstheorie strukturiert und unter Verwendung korrekter Fachsprache formuliert:
-
Bei einigen Dinkfröschen erfolgten zufällige Mutationen und Rekombinationen, die zu einem Hautsekret führten, das das Wachstum des Chytridpilzes hemmte.
-
Bei Infektion mit dem Pilz hatten diese Tiere eine höhere Überlebenswahrscheinlichkeit und damit einen Selektionsvorteil gegenüber ihren Artgenossen.
-
Dies führte zu einer höheren Fortpflanzungswahrscheinlichkeit dieser Frösche, die ihr genetisches Material verstärkt in den Genpool einbringen konnten und somit eine höhere reproduktive Fitness aufwiesen.
-
Die Allele mit den Informationen für die hemmenden Hautsekrete wurden somit an die nächsten Generationen weitergegeben, sodass die Populationsgröße wieder anstieg.