Teil A

Begründe, dass die Flechte Sticta fuliginosa auf felsigem Untergrund existieren kann.

Die Flechte Ramalina maciformis kommt in der Negevwüste vor, die große Schwankungen hinsichtlich der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit zwischen Tag und Nacht aufweist.

Messergebnisse zu physiologischen Parametern der Flechte Ramalina maciformis im Tagesverlauf

In Anlehnung an: Natura. Biologie für Gymnasien, Ökologie Lehrerband. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2006, S. 43

Interpretiere die Abbildung A unter Berücksichtigung der Abbildung B.

Begründe den geringen jährlichen Biomassezuwachs der Flechte an diesem Extremstandort.

Beschreibe den prinzipiellen Verlauf der enzymatischen Reaktion am Beispiel der Chitinase.

Um die Wirkung von Chitinase bildenden Bodenbakterien auf das Wachstum von Rapspflanzen zu untersuchen, wurden folgende Versuche durchgeführt:

A) Rapspflanze ohne phytopathogene Pilze

B) Rapspflanze mit phytopathogenen Pilzen

C) Rapspflanze mit phytopathogenen Pilzen und Chitinase bildenden Bodenbakterien

D) Rapspflanze mit phytopathogenen Pilzen und Bodenbakterien, die keine Chitinase bilden können.

Stelle eine begründete Vermutung über die zu erwartenden Wuchshöhen der Rapspflanzen für die Versuchsansätze A–D auf.

Zur Bekämpfung von phytopathogenen Pilzen werden immer noch vielfach anorganische Fungizide auf der Basis von Schwefel- und Kupferverbindungen eingesetzt.

Erkläre die Wirkung kupferhaltiger Verbindungen zur Bekämpfung von Pilzinfektionen.

Bewerte ihren Einsatz aus ökologischer Sicht anhand von zwei Sachverhalten.

Der Grüne Knollenblätterpilz, Amanita phalloides, enthält das Gift Amanitin, welches das Enzym RNA-Polymerase hemmt. Schwere Schädigungen der Organe und Funktionsstörungen, die zum Teil erst nach 2–4 Tagen auftreten, sind die Folge.

Erkläre die lebensbedrohliche Wirkung von Amanitin.

Begründe die lange Latenzzeit für einige Symptome.

Muscarin ist das Gift des Fliegenpilzes, Amanita muscaria. Eine Vergiftung führt zu Magen-Darm-Krämpfen, Erbrechen, erhöhtem Speichelfluss, Muskelzittern sowie Tod durch Herzlähmung.

In einem Experiment wurde die Wirkung von Muscarin auf die Erregungsübertragung an Nervenzellen untersucht.

Messergebnisse zur Wirkung von Muscarin an Nervenzellen

Nach Schlärmann, C.: Wirkungsweisen von Synapsengiften. In: Unterrichtsmaterialien Biologie Sekundarstufe II, Stark Verlagsgesellschaft mbh &Co. KG 2010, Freising, C 1.59

Erläutere den Wirkmechanismus von Muscarin.

Stelle den Verlauf der Mitose für eine Zelle des oben genannten Hefepilzes in beschrifteten Skizzen dar.

Begründe anhand von drei Sachverhalten die Eignung dieses Pilzes für die genetische Forschung.

• Die Flechte besteht aus einer symbiotischen Beziehung zwischen Pilzen und Algen, von der beide Organismen profitieren.

• Die Algen besitzen Chloroplasten und sind dadurch zur Fotosynthese befähigt → sie produzieren auf dem felsigen Untergrund bei Sonneneinstrahlung Biomasse.

• Die Pilze sichern die Wasser- und Kohlenstoffdioxidversorgung und gewährleisten damit die autotrophe Assimilation. Außerdem schützen sie die Algen vor Verdunstung.

• Die Haftfasern der Pilze ermöglichen die feste Verankerung auf dem Felsen → die Flechte Sticta fuliginosa kann an diesem Extremstandort existieren.

• In Abbildung A ist auf der x-Achse die Uhrzeit aufgetragen; Tag und Nacht sind zusätzlich voneinander abgesetzt. Die y-Achse zeigt die Differenz zwischen der Kohlenstoffdioxid-Aufnahme bei der Fotosynthese und der Kohlenstoffdioxid-Abgabe bei der Zellatmung → im positiven Bereich überwiegt die Fotosynthese, im negativen Bereich die Zellatmung.

• In der Nacht von 22 bis 6 Uhr liegt die Kurve im negativen Bereich → es findet Zellatmung statt, bei der Energie in Form von ATP gebildet wird. Wegen des fehlenden Lichts kann keine Fotosynthese ablaufen. Der Wassergehalt der Flechte nimmt während dieser Zeit stetig zu, wie Abbildung B zeigt.

• Ab 6 Uhr betreiben die Algen der Flechte wieder Fotosynthese → die Kurve in Abbildung A steigt an. Durch die einsetzende Belichtung und die noch gute Wasserversorgung steigt die Fotosyntheserate bis etwa 9 Uhr an.

• Danach sinkt die Fotosyntheserate schnell bis etwa 10 Uhr. Abbildung B zeigt, dass die Flechte zu diesem Zeitpunkt ausgetrocknet ist.

• Zwischen 10 und 22 Uhr liegt die Differenz zwischen Kohlenstoffdioxid-Aufnahme und -Abgabe bei 0. Bei ausgetrockneter Flechte sind sowohl Fotosynthese- als auch Atmungsaktivität sehr gering → die Pflanze hat in dieser Zeit keine positive Stoffbilanz.

• Die Flechte besitzt täglich nur kurz, etwa von 6 bis 10 Uhr, eine positive Netto-Fotosyntheserate → es wird wenig Biomasse als Grundlage für schnelles Wachstum produziert → der jährliche Biomassezuwachs ist gering.

• Die von Pflanzen und Bodenbakterien gebildete Chitinase dient der Abwehr pathogener Pilze und spaltet das Chitin ihrer Zellwand in Chitobiose.

• Das Substrat Chitin bindet an das aktive Zentrum der Chitinase → ein Enzym-Substrat-Komplex, der Chitinase-Chitin-Komplex, entsteht.

• Nach der Substratbindung wird die Aktivierungsenergie herabgesetzt und die biochemische Reaktion beschleunigt → Chitin wird gespalten, sodass das Disaccharid Chitobiose vorliegt.

• Es entsteht ein Enzym-Produkt-Komplex. Chitobiose passt nicht mehr in das aktive Zentrum und wird abgegeben → die Chitinase steht für weitere Reaktionen zur Verfügung.

• Versuch A: Bei optimalen Umweltfaktoren produzieren die Rapspflanzen viel Biomasse → sehr gutes Wachstum und eine hohe Wuchshöhe.

• Versuch B: Der phytopathogene Pilz ruft spezifische Pflanzenkrankheiten hervor → die Vitalfunktionen der Rapspflanzen sind eingeschränkt → Wachstum und Wuchshöhe sind reduziert.

• Versuch C: Die Chitinase der Bodenbakterien spaltet das Chitin der Pilzzellwände → die Pilze werden zerstört und schaden der Pflanze nicht oder nur noch in sehr geringem Maß → eine relativ hohe Wuchshöhe ist anzunehmen.

• Versuch D: Die Bodenbakterien besitzen keine Chitinase → die Rapspflanzen sind den phytopathogenen Pilzen ausgeliefert → wie in Versuch B sind stark vermindertes Wachstum und eine geringe Wuchshöhe zu erwarten.

• Kupfer gehört zu den Schwermetallen, die als Enzymgifte einzustufen sind. Sie können an verschiedenen Stellen an Enzyme der pathogenen Pilze andocken → Strukturveränderung der Enzyme → Funktionsverlust.

• Die Lebensprozesse der pathogenen Pilze werden stark beeinträchtigt → die Pilze werden bekämpft beziehungsweise in ihrem Wachstum stark eingeschränkt.

• Der Einsatz ist aus ökologischer Sicht sehr problematisch: Die Enzymgifte wirken unspezifisch und irreversibel → auch andere Bodenorganismen werden geschädigt.

• Die Gifte reichern sich in der Nahrungskette an → die Stoffkreisläufe der Ökosysteme können langfristig gestört werden.

• Die RNA-Polymerase ist für die Transkription von Genen und damit für die Proteinherstellung von entscheidender Bedeutung.

• Amanitin hemmt die RNA-Polymerase → die Transkription kann nicht mehr ablaufen → die Matrize für die Translation fehlt → lebenswichtige Eiweiße können nicht mehr synthetisiert werden.

• Dem Körper fehlen wichtige Eiweiße für verschiedene Vitalfunktionen → die Lebensfunktionen können nicht mehr aufrechterhalten werden.

• Bereits vorhandene Enzyme werden durch Amanitin nicht sofort zerstört und erfüllen zunächst weiter ihre Funktionen. Dazu gehören Enzyme genetischer Prozesse, die den Ablauf der Replikation katalysieren. Die Replikation hat wesentliche Funktionen im Zellzyklus und ist eine Basis für die Synthese von Zellstrukturen.

• Auch Stoffwechselprozesse, sowohl der Atmungsprozess als auch die heterotrophe Assimilation, sind auf katalysierende Enzyme angewiesen.

• Unmittelbar nach der Gifteinnahme sind noch ausreichend Enzyme vorhanden. Ihre Nachbildung ist jedoch gestört → fehlende Neubildung lebenswichtiger Enzyme und zellulärer Strukturen → Symptome treten verzögert auf.

• Abbildung A zeigt, dass die Acetylcholin-Konzentration auch mit Muscarin nach ankommenden Aktionspotenzialen normgerecht ansteigt und anschließend durch die Wirkung der transmitterspaltenden Enzyme wieder sinkt → Muscarin beeinflusst die Acetylcholinesterase nicht.

• Abbildung C zeigt auch unter Muscarineinfluss eine normgerechte Veränderung der Konzentration der Acetylcholin-Spaltprodukte: Nach Ankunft des Aktionspotenzials steigt sie durch die Wirkung des transmitterspaltenden Enzyms zeitverzögert an. Anschließend werden die Spaltprodukte wieder in das präsynaptische Element transportiert → diese Prozesse werden durch Muscarin nicht beeinflusst.

• Abbildung B zeigt bereits vor dem Eintreffen eines Aktionspotenzials einen erhöhten und anhaltenden Einstrom von Natriumionen an der postsynaptischen Membran → Muscarin bindet an die transmittergesteuerten Ionenkanäle.

• Muscarin wird im menschlichen Organismus enzymatisch nicht abgebaut → dauerhafte Öffnung der Natriumionenkanäle → Dauererregung der Nervenzellen → Magen-Darm-Krämpfe, Muskelzittern und erhöhter Speichelfluss.

Die Skizzen zeigen die Mitose der haploiden Hefezelle mit drei Chromosomen von der Prophase bis zur Telophase:

• Hefepilze der Art Schizosaccharomyces pombe sind einfache Einzeller, die sich durch Teilung sehr schnell vermehren → durch die hohe Vermehrungsrate stehen in kurzer Zeit neue Zellen beziehungsweise Zellstrukturen für die Forschung zur Verfügung.

• Die Kultivierung erfolgt im Labor auf relativ engem Raum → aufwendige Versuchsflächen sind nicht nötig.

• Die beschriebenen Haltungsbedingungen sind sehr kostengünstig.

• Der haploide Chromosomensatz umfasst nur drei Chromosomen → genetische Untersuchungen werden erleichtert und Veränderungen nach genetischen Manipulationen sind schnell sichtbar.

• Die Hefepilze gehören zu den Eukaryoten → sie dienen als Modellorganismen für viele genetische Prozesse, die in Tier- und Pflanzenzellen in gleicher Weise ablaufen.