Das Herz des Menschen ist ein faustgroßer Hohlmuskel.

Abbildung: Bau des Herzens (schematisch)

• Benenne vier der in der Abbildung gekennzeichneten Teile des Herzens.

• Gib eine Funktion des Herzens an.

Die Herzfrequenz erhöht sich bei sportlicher Betätigung, z. B. bei einem 800-Meter-Lauf.

• Erkläre diesen Sachverhalt.

Nach Angaben des Robert-Koch-Institutes verursachen Herz-Kreislauf-Erkrankungen etwa 40 % aller Todesfälle in Deutschland.

• Begründe an einem Sachverhalt, warum eine ungesunde Ernährung das Risiko einer Herz-Kreislauf-Erkrankung erhöht.

• Notiere zwei weitere Ursachen für das Auftreten von Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Im Laufe der Evolution verändern sich Lebewesen.

• Definiere den Begriff rudimentäre Organe.

• Beschreibe die ursprüngliche Funktion eines rudimentären Organs an einem Lebewesen.

Die Vordergliedmaßen von Fledermaus und Delfin sind Organe mit gleichem stammesgeschichtlichen Ursprung, die durch Veränderungen in Bau und Funktion an den Lebensraum angepasst sind.

Abbildung: Vordergliedmaßen von Fledermaus und Delfin (schematisch)

• Vergleiche den Bau der Vordergliedmaßen von Fledermaus und Delfin.

• Erkläre die Angepasstheit von Fledermaus oder Delfin.

Im 19. Jahrhundert führte Johann Gregor Mendel verschiedene Kreuzungen mit Erbsenpflanzen durch. Diese Kreuzungsexperimente wertete er aus und leitete drei Vererbungsregeln ab, die später nach ihm benannt wurden.

Abbildung: Gregor Johann Mendel

• Notiere den Inhalt der 1. Mendelschen Regel.

• Beschreibe an einem Beispiel eine Anwendung der Mendelschen Regeln.

Eine reinerbige Schnecke mit einem ungebänderten Schneckenhaus und eine reinerbige Schnecke mit einem gebänderten Schneckenhaus werden miteinander gekreuzt. Die Tiere der 1. Tochtergeneration (F1-Generation) sind alle ungebändert.

Abbildung: Schneckengehäuse (schematisch)

• Erstelle ein Kreuzungsschema für den dargestellten Erbgang. Lege dazu eine geeignete Symbolik der Genpaare fest.

• Begründe das Aussehen der Schnecken in der 1. Tochtergeneration.

• 1: Rechter Vorhof

• 2: Rechte Herzkammer

• 3: Linker Vorhof

• 4: Herzklappe

• 5: Linke Herzkammer

• 6: Herzscheidewand (Septum)

Funktion des Herzens

Für die Angabe einer Funktion eignen sich folgende Formulierungen:

• Das Herz fungiert als Druck- und Saugpumpe, die den Transport des Blutes durch den Körper- und Lungenkreislauf gewährleistet.

• Es sorgt für die Versorgung aller Organe und Zellen mit Sauerstoff und lebensnotwendigen Nährstoffen.

• Es ermöglicht den Abtransport von Stoffwechselendprodukten wie Kohlenstoffdioxid aus dem Gewebe.

Erklärung des Sachverhalts

• Erhöhter Energiebedarf: Bei sportlicher Betätigung, wie einem 800-Meter-Lauf, verbraucht die arbeitende Muskulatur deutlich mehr Energie.

• Stoffwechselaktivität: Um diese Energie durch Zellatmung bereitstellen zu können, benötigen die Muskelzellen vermehrt Sauerstoff und Nährstoffe.

• Abtransport von Abfallstoffen: Gleichzeitig entsteht vermehrt Kohlenstoffdioxid, das schnell aus den Zellen abtransportiert werden muss.

• Steuerungsreaktion: Um diesen gesteigerten Transportbedarf zu decken, schlägt das Herz schneller (Erhöhung der Herzfrequenz). Dadurch zirkuliert das Blut in kürzerer Zeit häufiger durch den Körper und die Lunge, wodurch die Muskeln ausreichend versorgt werden.

Begründung: Ungesunde Ernährung und Krankheitsrisiko

Eine ungesunde Ernährung (insbesondere ein hoher Anteil an gesättigten Fettsäuren und Cholesterin) erhöht das Risiko wie folgt:

• Plaquebildung: Die Aufnahme von zu viel Fett kann zu Ablagerungen an den inneren Gefäßwänden der Arterien führen (Arteriosklerose).

• Gefäßverengung: Diese Ablagerungen verengen den Querschnitt der Blutgefäße, wodurch der Widerstand für den Blutfluss steigt.

• Folgen: Das Herz muss einen höheren Druck aufbauen, was zu Bluthochdruck führt. Reißen diese Ablagerungen auf oder verstopfen sie ein Gefäß komplett, kann dies einen Herzinfarkt oder Schlaganfall auslösen.

Weitere Ursachen für Herz-Kreislauf-Erkrankungen

• Rauchen (Nikotinkonsum): Nikotin verengt die Blutgefäße unmittelbar und schädigt die Gefäßwände, was die Entstehung von Arteriosklerose massiv beschleunigt.

• Bewegungsmangel: Ohne körperliche Aktivität wird der Herzmuskel nicht ausreichend trainiert, und der Stoffwechsel verlangsamt sich, was oft zu Übergewicht (Adipositas) und damit zu einer Dauerbelastung des Herzens führt.

Definition: Rudimentäre Organe

Unter rudimentären Organen (oder Rudimenten) versteht man Organe oder Strukturen, die im Laufe der Stammesentwicklung (Evolution) einer Art zurückgebildet wurden. Sie haben ihre ursprüngliche Funktion entweder vollständig oder zu einem großen Teil verloren, da sie für das Überleben unter veränderten Umweltbedingungen nicht mehr notwendig waren.

Beispiel und ursprüngliche Funktion: Der Wurmfortsatz (Appendix) beim Menschen

• Ursprüngliche Funktion: Bei unseren weit entfernten, rein pflanzenfressenden Vorfahren diente dieser Teil des Blinddarms als wichtiger Gärkammer-Ersatz zur Verdauung von schwer aufschließbarer, cellulosehaltiger Nahrung.

• Heutiger Zustand: Da sich die Ernährung des Menschen gewandelt hat, ist das Organ verkümmert und übernimmt heute primär Aufgaben im Immunsystem, statt der Verdauung.

Hinweis: Zur Erreichung der vollen Punktzahl kann auch ein anderes, passendes Beispiel gewählt werden.

Vergleich des Bauplans

Beide Tiere folgen dem Grundbauplan der fünfstrahligen Säugetierextremität. In der Skelettstruktur lassen sich bei beiden folgende Gemeinsamkeiten finden:

• Oberarmknochen (Humerus)

• Unterarmknochen (Speiche/Radius und Elle/Ulna)

• Handwurzelknochen

• Mittelhandknochen

• Fingerknochen (Phalangen)

Unterschiede in der Ausformung:

• Fledermaus: Die Mittelhand- und Fingerknochen sind extrem verlängert, um die dünne Flughaut aufzuspannen.

• Delfin: Die Knochen sind insgesamt verkürzt und verbreitert. Die Anzahl der Fingerknochen ist oft erhöht, um eine stabile, paddelartige Flosse zu bilden.

Erklärung der Angepasstheit (Beispiel: Fledermaus)

Die Fledermaus ist an den Lebensraum Luft angepasst:

• Merkmal: Die extremen Verlängerungen der Fingerknochen dienen als stabiler, aber flexibler Rahmen für die Flughaut.

• Funktion: Dadurch entsteht eine große Tragfläche, die es der Fledermaus ermöglicht, aktiv zu fliegen, Auftrieb zu erzeugen und wendige Flugmanöver zur Insektenjagd durchzuführen.

• Zusammenhang: Der leichte Bau des Skeletts reduziert das Gewicht, was eine energetisch effiziente Fortbewegung im Luftraum ermöglicht.

Erklärung der Angepasstheit (Beispiel: Delfin)

Der Delfin ist an das Leben im Wasser angepasst. Seine Vordergliedmaßen haben sich im Laufe der Evolution zu paddelförmigen Brustflossen (Flippern) entwickelt.

• Kompakter Bau: Im Vergleich zur Fledermaus sind die Knochen von Oberarm, Unterarm und Handwurzel beim Delfin deutlich verkürzt und verbreitert.

• Stabilität: Die Fingerknochen sind oft in ihrer Anzahl vermehrt (Hyperphalangie) und eng aneinanderliegend, was die Flosse stabil und steif macht.

• Steuerung: Diese flache, feste Paddelform ermöglicht es dem Delfin, im Wasser präzise zu steuern, das Gleichgewicht zu halten und Bremsmanöver durchzuführen.

• Hydrodynamik: Die Flossenform fügt sich ideal in die stromlinienförmige Körpergestalt ein, wodurch der Wasserwiderstand verringert und eine energieeffiziente Fortbewegung ermöglicht wird.

Hinweis: Zur Erreichung der vollen Punktzahl muss nur eine der beiden Angepasstheiten erklärt werden.

Inhalt der 1. Mendelschen Regel (Uniformitätsregel)

Die erste Regel besagt:

• Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal unterscheiden, für das sie beide reinerbig (homozygot) sind, so sind die Nachkommen der ersten Tochtergeneration () in diesem Merkmal alle gleich (uniform).

• Dies gilt auch, wenn das Geschlecht der Eltern bei der Kreuzung vertauscht wird (Reziprozitätsregel).

Anwendung der Mendelschen Regeln an einem Beispiel

Die Mendelschen Regeln finden in der Tier- und Pflanzenzucht eine praktische Anwendung:

• Beispiel: Pflanzenzucht (z. B. Erbsen)

  • Möchte ein Gärtner gezielt Pflanzen mit einer bestimmten Blütenfarbe züchten, nutzt er die Kenntnis über dominante und rezessive Erbanlagen.

    • Kreuzt er eine reinerbige rotblühende Erbse (dominantes Merkmal) mit einer reinerbigen weißblühenden Erbse (rezessives Merkmal), weiß er dank der 1. Regel bereits vor der Keimung, dass alle Nachkommen der -Generation rote Blüten tragen werden.

    • Dies ermöglicht eine gezielte Voraussage von Merkmalskombinationen bei Züchtungen, um gewünschte Eigenschaften stabil hervorzubringen.

Festlegung der Symbolik

Um das Kreuzungsschema übersichtlich zu gestalten, definieren wir zunächst die Allele:

• U: Allel für ungebändertes Schneckenhaus (dominant)

• u: Allel für gebändertes Schneckenhaus (rezessiv)

	Parentalgeneration (P)
Phänotyp	ungebändert	gebändert
Genotyp
Keimzellen

Kreuzungsschema 1. Tochtergeneration (F1​)

Begründung des Aussehens der -Generation

Das einheitliche Aussehen der Schnecken in der ersten Tochtergeneration lässt sich wie folgt begründen:

• Dominanz: Das Allel für „ungebändert“ () ist gegenüber dem Allel für „gebändert“ () dominant.

• Merkmalsausprägung: Bei mischerbigen Individuen () setzt sich im Phänotyp immer das dominante Merkmal durch. Das rezessive Allel für „gebändert“ bleibt im Erbgut vorhanden, wird aber äußerlich nicht sichtbar.

• Regelkonformität: Dies entspricht der 1. Mendelschen Regel (Uniformitätsregel), nach der alle Individuen der gleich aussehen, wenn die Eltern für das betrachtete Merkmal reinerbig sind.