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SCHRIFTLICHE ABITURPRÜFUNG 2009 BIOLOGIE (Leistungskursniveau) Einlesezeit: Bearbeitungszeit:
30 Minuten 300 Minuten
Der Prüfling wählt je ein Thema aus den Gebieten G (Grundlagen) und V (Vertiefung) zur Bearbeitung aus. Die zwei zur Bewertung vorgesehenen Themen sind vom Prüfling anzukreuzen. Die Entscheidung ist mit der Unterschrift zu bestätigen. Themenblock Grundlagen (G)
Thema G 1:
Die Leber – Organ mit vielfältigen Funktionen
Thema G 2:
Bakterien
Themenblock Vertiefung (V)
Thema V 1:
Anthocyane als sekundäre Pflanzenstoffe
Thema V 2:
Grünalgen – Energielieferanten der Zukunft
Thema V 3:
Das Fortpflanzungsverhalten der Heckenbraunellen
Unterschrift des Prüflings:......................................... Seite 1 von 8
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BIOLOGIE (LEISTUNGSKURSNIVEAU)
Thema G 1: Die Leber – Organ mit vielfältigen Funktionen 1
Die Leber liegt beim Menschen im oberen Bauchraum. Sie wird von mehreren großen Blutgefäßen versorgt und übernimmt vielfältige Funktionen.
1.1
Die Stellung der Leber innerhalb des menschlichen Blutkreislaufs ist im Material 1 dargestellt. Beschreiben Sie unter Einbeziehung des Materials den Blutkreislauf des Menschen.
1.2
Die Leber ist stark durchblutet und äußerst stoffwechselaktiv. Im Verhältnis zu ihrer Masse hat sie einen überproportional hohen Anteil am Sauerstoffverbrauch und an der Wärmeproduktion des Organismus. Erläutern Sie die stoffwechselphysiologischen Zusammenhänge zwischen diesen Erscheinungen.
1.3
Das Blut der zu- und abführenden Gefäße der Leber einer Person wurde in einer Untersuchung zu verschiedenen Zeitpunkten eines Tages analysiert. Das Material 2 zeigt die Ergebnisse. Interpretieren Sie die grafische Darstellung im Material 2 A unter Nutzung des Materials 2 B.
2
Leberzellen produzieren unter anderem eine Vielzahl von Proteinen, von denen einige an das Blut abgegeben werden. Eines davon ist das Enzym Alpha-1-Antitrypsin, das vor allem in der Lunge als Gegenspieler Eiweiß spaltender Enzyme Bedeutung hat. Ein Mangel an Alpha-1-Antitrypsin kann zu Leber- und Lungenerkrankungen führen.
2.1
Beschreiben Sie mithilfe des Materials 3 die Bildung des Enzymeiweißes sowie den innerzellulären Transport und die Ausschüttung von Alpha-1-Antitrypsin.
2.2
Antitrypsinmangel ist eine der häufigsten monogenen Erbkrankheiten, in Deutschland sind mehr als 12 000 Personen davon betroffen. Das entsprechende Gen ist auf dem Chromosom 14 lokalisiert. Neben dem normalen Allel existiert in der Bevölkerung unter anderem ein mutiertes Allel, dessen homozygote Träger ein hohes Risiko für Lungenund Lebererkrankungen tragen. Bei Heterozygoten ist dieses Risiko nicht erhöht. Begründen Sie mithilfe der Vererbungsregeln sowie eines Kreuzungsschemas die Art des Erbganges und die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Kind heterozygoter Eltern an Antitrypsinmangel leidet.
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Materialien zum Thema G 1: Material 1 zur Aufgabe 1.1:
Ausschnitt aus dem menschlichen Blutkreislauf (schematisch)
Material 2 zur Aufgabe 1.3: A – Schwankungen der Blutzuckerwerte einer Person B – Hormonelle Steuerung des Glucosestoffwechsels von Leberzellen
Material 3 zur Aufgabe 2.1:
Bildung und intrazellulärer Transport von Alpha-1-Antitrypsin
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Thema G 2: Bakterien 1
Das im Menschen vorkommende Darmbakterium Escherichia coli (E. coli) gehört zu den am besten untersuchten Organismen. Im Vergleich zu den Zellen von Eukaryoten ist die Bakterienzelle kleiner und einfacher aufgebaut.
1.1
Vergleichen Sie tabellarisch Bakterien- und eukaryotische Zellen nach sechs Baumerkmalen.
1.2
Die Vermehrung der Bakterien erfolgt ungeschlechtlich meist durch Querteilung. Jeder Zellteilung geht eine DNA-Replikation voraus. Beschreiben Sie den Verlauf der DNA-Replikation.
1.3
Das für die ersten Experimente zur Polymerase-Kettenreaktion (PCR) eingesetzte Enzym war die DNA-Polymerase 1 von E. coli. Allerdings musste dieses Enzym nach jedem Zyklus der Reaktion neu zugesetzt werden. Heute kommen in der PCR ausschließlich DNA-Polymerasen aus thermophilen Archaebakterien zum Einsatz, z. B. die Taq-Polymerase aus Thermus aquaticus. Inzwischen hat man das Gen für die Bildung der Taq-Polymerase in E. coli einbauen können. Beurteilen Sie Vorteile des Einsatzes der gentechnisch hergestellten Taq-Polymerase gegenüber der ursprünglich verwendeten DNA-Polymerase 1 aus E. coli unter Einbeziehung Ihrer Kenntnisse zum Verlauf der PCR und anhand der Abbildung im Material 1.
2
Etwa die Hälfte der menschlichen Krankheiten wird durch Bakterien verursacht.
2.1
Erläutern Sie drei biotische Beziehungen zwischen den im Material 2 aufgeführten Organismen und nehmen Sie begründet Stellung zu dem beschriebenen Eingriff des Menschen.
2.2
Pathogene Bakterien kommen auch in Lebensmitteln vor. Das Bakterium der Art Clostridium botulinum, das auch in verdorbenen Lebensmittelkonserven (z. B. Dosenfleisch unter Luftabschluss) vorkommen kann, erzeugt eines der gefährlichsten Gifte. Dieses Gift hemmt die Freisetzung von Acetylcholin unter anderem an neuromuskulären Synapsen und kann beim Menschen eine tödliche Atemlähmung hervorrufen. Erklären Sie ausgehend von dem im Material 3 A und 3 B dargestellten Vorgang der Acetylcholin-Ausschüttung an einer neuromuskulären Synapse die Wirkung des Botulinus-Toxins. Begründen Sie drei Maßnahmen, die die Vermehrung von Bakterien in Lebensmitteln einschränken.
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Materialien zum Thema G 2: Material 1 zur Aufgabe 1.3:
Temperaturoptimum von Enzymen bei Bakterien
Material 2 zur Aufgabe 2.1:
Vom Nutzen der Madeira-Mauereidechse
Material 3 zur Aufgabe 2.2: A – Wirkung des Botulinus-Toxins an neuromuskulären Synapsen B – Informationen zum Botulinus-Toxin
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Thema V 1: Anthocyane als sekundäre Pflanzenstoffe Anthocyane sind wasserlösliche Farbstoffe, die bei vielen Pflanzen für die rote, blaue oder violette Färbung von Blüten, Früchten und anderen Organen verantwortlich sind. Sie werden im pflanzlichen Stoffwechsel gebildet und haben vielfältige Bedeutungen vom Schutz vor übermäßiger UV-Belastung bis hin zur Anlockung von Tieren für die Samenverbreitung. Bei einigen Pflanzenarten wie Wein, Rettich oder Küchenzwiebel existieren sowohl Sorten mit als auch solche ohne Anthocyanbildung. 1
Rote Küchenzwiebeln enthalten unter anderem in den Zellen der Zwiebelschuppenepidermis Anthocyane, weiße dagegen nicht. Stellen Sie je ein Frischpräparat dieses Gewebes beider Zwiebelsorten her und fertigen Sie zwei beschriftete Zeichnungen an. Kennzeichnen Sie den Speicherort des Farbstoffes.
2
Von Weinbeeren der Sorte Cabernet-Sauvignon ist bekannt, dass bei ihnen die Anthocyanbildung durch den zunehmenden Zuckergehalt während der Fruchtreifung ausgelöst wird. Analog zum Wein sollte in einer Versuchsreihe bei weißem bzw. rotem Rettich der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Anthocyanbildung überprüft werden. Deshalb wurde auf Zellkulturen Zuckerlösung gegeben. Werten Sie die im Material dargestellten Versuchsergebnisse aus. Nehmen Sie Stellung zum Einfluss des Zuckergehaltes sowie genetischer Ursachen auf die Anthocyanbildung beim Rettich.
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Material zum Thema V 1: Material zur Aufgabe 2:
Anthocyanbildung in Zellkulturen zweier Rettichsorten
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Thema V 2: Grünalgen – Energielieferanten der Zukunft Der global steigende Energiebedarf der Menschen kann nach Schätzungen noch ca. 50 Jahre mithilfe fossiler Energieträger gedeckt werden. Längst ist man auf der Suche nach alternativen Energiequellen. Bereits seit ungefähr 80 Jahren ist bekannt, dass Grünalgen wie Scenedesmus reinhardtii unter bestimmten Bedingungen in ihrem Stoffwechsel molekularen Wasserstoff bilden können. Dieser Wasserstoff könnte in Brennstoffzellen zur Energiegewinnung genutzt werden. Wissenschaftler arbeiten daran, die biologische Wasserstoffherstellung großtechnisch umzusetzen. Die Menge des produzierten Wasserstoffs ist dabei u. a. von der Aktivität des Enzyms Hydrogenase abhängig. 1
Erläutern Sie die stoffwechselphysiologischen Grundlagen der Wasserstoffbildung bei der Grünalge Scenedesmus reinhardtii anhand von Material 1. Begründen Sie unter Nutzung der Materialien 2 und 3, dass derzeit einer effizienten großtechnischen Herstellung von Wasserstoff Grenzen gesetzt sind.
2
Es wird daran gearbeitet, Algenmutanten mit mehreren Kopien des Hydrogenase-Gens zu erzeugen. Beurteilen Sie die Auswirkungen auf die zu erwartende Wasserstoffproduktion.
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Materialien zum Thema V 2: Material 1 zur Aufgabe 1:
Fotowasserstoffproduktion bei Grünalgen
Material 2 zur Aufgabe 1:
Gasproduktion bei unterschiedlichem Lichteinfluss
Material 3 zur Aufgabe 1:
Hydrogenase-Aktivität bei unterschiedlichem Umgebungsgas
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Thema V 3: Das Fortpflanzungsverhalten der Heckenbraunellen Heckenbraunellen (Prunella modularis) sind Singvögel, die in Parkanlagen leben und sich von Insekten und kleinen Samen ernähren. Sie haben pro Jahr zwei bis drei Gelege, die aus je drei bis fünf Eiern bestehen. Die Brutdauer beträgt 11 Tage. Nach dem Schlupf werden die Jungtiere 11 bis 12 Tage im Nest von beiden Elternteilen gefüttert. Auch nach dem Ausfliegen der Jungtiere aus dem Nest werden sie noch weitere zwei bis drei Wochen von den Eltern versorgt. Im Frühjahr besetzen zuerst die Weibchen Brutreviere, die sie gegen andere Weibchen verteidigen. Anschließend kämpfen die Männchen untereinander um Territorien, die von den Weibchen bereits besetzt wurden. Die Paarungssysteme und damit die Aufzucht der Jungen durch die Eltern sind bei den Heckenbraunellen sehr variabel. Interpretieren Sie das Fortpflanzungsverhalten der Heckenbraunellen unter Nutzung aller Materialien aus verhaltensbiologischer Sicht. Formulieren Sie Ihre Ergebnisse in einem zusammenhängenden, sachlogisch strukturierten Text.
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Materialien zum Thema V 3: Material 1:
Paarungssysteme bei der Heckenbraunelle
Material 2:
Durchschnittlicher Bruterfolg bei verschiedenen Paarungssystemen
Material 3:
Durchschnittlicher Fortpflanzungserfolg
Material 4:
Fütterleistung von β-Männchen bei der Aufzucht der Jungen
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