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NATURA Biologie für Gymnasien bearbeitet von Claudia Dreher Roland Frank Robert Gegler-Tautz Alexander Maier Jürgen Schweizer Baden-Württemberg für die Klassen 9 und 10 Lösungen Ernst Klett Verlag Stuttgart · Leipzig 3

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NATURA Biologie für Gymnasien

bearbeitet von

Claudia Dreher Roland Frank Robert Gegler-Tautz Alexander Maier Jürgen Schweizer

Baden-Württembergfür die Klassen 9 und 10

Lösungen

Ernst Klett Verlag

Stuttgart · Leipzig

3

Die ZelleDie Zelle – Grundbaustein der Lebewesen

Schülerbuch Seite 17

Stelle in einem Ablaufschema die Stoffwech-sel- und Transportvorgänge in einer Zelle dar.

— Das Ablaufschema sollte folgende, aus dem Text der Seite 16/17 erschließbare Fakten enthalten:— Mitochondrien sind die Organellen der

Zellatmung. Sie nehmen energiereiche Stoffe und Sauerstoff auf und geben Kohlenstoffdioxid und Wasser ab.

— An den Ribosomen werden Proteine, speziell Enzyme gebildet.

— Das ER dient dem Stofftransport.— In den Chloroplasten läuft die Fotosyn-

these ab. Kohlenstoffdioxid und Wasser werden aufgenommen, Sauerstoff und energiereiche Stoffe, z. B. Glucose, wer-den gebildet.

— In die Vakuolen werden Wasser, Salze, Säuren, Farbstoffe und andere Abfall- oder Speicherstoffe transportiert.

Zellen werden oft mit chemischen Fabriken verglichen. Stelle in einer Übersicht Unter-schiede und Gemeinsamkeiten zwischen Zelle und Fabrik zusammen.

— Beispiele für Gemeinsamkeiten von Zellen und chemischen Fabriken:— Anlieferung bestimmter Ausgangsstoffe

von außen.— Verarbeitung dieser Stoffe im Innern.— Abgabe bestimmter Produkte nach au-

ßen.— Anlieferung von Energieträgern von

außen oder Erzeugung der Energie im Inneren.

— Steuerungszentrale— Transportsysteme— Gliederung in verschiedene Bezirke bzw.

Kompartimente. — Produktionsstätten— begrenzte Lebensdauer

Beispiele für Unterschiede:— Zellen reproduzieren sich selbst.— Zellen haben eigene Reparaturmechanis-

men. Wie unterscheidet sich eine Bakterienzelle

von dem beschriebenen Zelltyp?— Bakterienzellen haben keine Organellen mit

Doppelmembran, d. h. Zellkern, Chloroplas-ten und Mitochondrien. Das sog. Bakteri-enchromosom ist lediglich ein ringförmiges DNA-Molekül. Die Gliederung in verschiede-ne Reaktionsräume erfolgt durch Membran-einfaltungen.

Schülerbuch Seite 19 (Praktikum)

Suche bei etwa 400facher Vergrößerung charakteristische Stadien. Identifiziere und

zeichne sie. Vergleiche mit den Abbildungen auf Seite 21.

— Erfahrungsgemäß fällt es den Schülern zunächst schwer, im Mikroskop die Mitose-stadien zu finden. Zunächst fallen die vielen rot gefärbten Interphasekerne auf. Erst nach einiger Übung gelingt es, die meist etwas kräftiger gefärbten Mitosestadien und sogar einzelne Chromosomen zu erkennen.

In einigen Planquadraten der unten stehen-den Abbildung sind typische Mitosestadien zu erkennen. Benenne diese Stadien und gib außerdem jeweils die Lage des betreffenden Planquadrates an.

— Prophase: H/1m H/6 Metaphase: H/7 Anaphase (früh): A-B/1-2 Anaphase (spät): D/7-8 Telophase: /früh, Zellwand zwischen den

Zellen schon zu erkennen): D/6 Telophase (spät, Nucleoli schon wieder gebil-

det): C/3 Hinweis: Die Abbildung zeigt einen Schnitt

durch das Wurzelspitzengewebe. Im Quetschpräparat der Schülerübung liegen die rundlichen Zellen meist getrennt.

Ermittle in der Abbildung unten den Prozent-satz der Zellen, die sich gerade in der Mitose befinden.

— Es sind insgesamt ca. 85 bis 90 Zellen zu erkennen. Sechs bis sieben dieser Zelllen durchlaufen gerade die Mitose. Dies ent-spricht 7 bis 8%.

Schülerbuch Seite 23

Beschreibe für drei selbst gewählte Beispiele aus Abb. 23.1 den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion.

— Individuelle Lösung Warum sind Stammzellen so interessant für

die medizinische Forschung?— Aus Stammzellen können neue Gewebe und

Organe gebildet werden. Das bietet thera-peutische Möglichkeiten in der Behandlung sonst nur schwer heilbarer Krankheiten, z. B. Leukämie, Alzheimer, Mukoviszidose.

Schülerbuch Seite 25 (Material)

Schemazeichnung mit folgender Beschrif-tung: Zellwand, Plasmalemma, Zellplasma, Zellkern, Mitochondrien, Chloroplasten, Ribosomen, Vakuole

Die abgebildete Zelle besitzt eine Zellwand, eine Vakuole und Chloroplasten, in denen die Fotosynthese stattfindet. Die abgebildete Zelle ist daher eine Pflanzenzelle.

Soweit aus der Abbildung 3 erkennbar, entstehen die Spermien in der Wand des Hodenkanälchens aus nicht differenzierten Zellen, die noch keine Geißel besitzen. Als teilungsfähige Körperzellen haben sie einen doppelten Chromosomensatz (2 n), der im Verlauf der folgenden Teilungsschritte durch Meiose auf einen einfachen Chromosomen-

2 Die Zelle

Nicht kontrahiert: Kontrahiert:

satz (1 n) reduziert wird. Bei einer der abge-bildeten Zellen lässt sich die Anaphase einer mitotische Teilung beobachten. Es entstehen zunächst Zellen mit einer kurzen Geißel, deren Differenzierung weiter fortschreitet. Die Geißeln werden länger, bis dann (nahezu) „fertige“ Spermien in den Hodenkanal entlas-sen werden.

1.nicht entwickelte Hodenzelle 2. Spermi-envorläuferzelle in Teilung. Von Nr. 5 über 4. nach 3. ist an der Ausbildung der Geißel die fortschreitende Ausdifferenzierung der Sper-mien zu erkennen.

Spermien sind stark ausdifferenzierte Zellen, die im Wesentlichen aus einem Zellkern, einer Geißel als Fortbewegungsapparat und Mito-chondrien zur Energieversorgung bestehen.

Aufgrund der starken Spezialisierung ist die Zelle nicht mehr in der Lage sich zu teilen.

Die dunklen Streifen im lichtmikroskopischen Bild entstehen an den Stellen, an denen sich die Eiweißmoleküle (in der Abb. 6 als rote und weiße Striche gezeichnet) „ineinander geschoben“ (Nr. 1) haben. Die hellen Streifen entsprechen den Stellen, an denen die Eiweiß-moleküle nicht „ineinander geschoben“ sind (Nr. 2).

1 2 1

Eiweißmoleküle in der Muskelfaser (stark schematisch)

Die Bewegungsrichtung, d. h. die Kontrakti-onsbewegung des Muskels, erfolgt senkrecht zur Richtung der Streifung.

Die Muskelfaser könnte sich dadurch ver-kürzen, dass sich die in der Abb. 6 weiß und rot gezeichneten Eiweißmoleküle ineinander schieben. Folgende Abbildung zeigt den kontrahierten bzw. den nicht kontrahierten Zustand:

Die Zelle 3

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3

4

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Sinne – Nerven – HormoneSinnesorgane

Schülerbuch Seite 29

Erstelle tabellarisch eine Übersicht über unse-re Sinne, die entsprechenden Sinnesorgane, Reize und Reizqualitäten.

— Individuelle Lösung Setzt man sich zu lange der Sonne aus, ist

ein Sonnenbrand die Folge. Ausgelöst wird er nicht durch das sichtbare Licht, sondern durch die UV-Strahlung der Sonne. Ist die UV-Strahlung ein Reiz? Begründe.

— UV-Strahlung ist kein Reiz, da es kein adä-quates Sinnesorgan gibt. Wahrgenommen wird nicht die Strahlung, sondern lediglich ihr Effekt, der Sonnenbrand.

Welche Beispiele für Signale (s. Randspalte S. 28) sind für uns keine Reize?

— Radiowellen, Röntgenstrahlen, radioaktive Strahlen

Mobiltelefone geben und nehmen bei der Benutzung eine Vielzahl von Signalen ab bzw. auf. Erstelle eine Übersicht über diese Signale. Für welche dieser Signale besitzen Mobiltelefone bzw. Benutzer geeignete Emp-fangseinrichtungen?

— Signale vom bzw. zum nächsten Antennen- bzw. Sendemast, Schallwellen des Men-schen, Licht bei Fotohandy, Fernsehsignale usw., Abgabe von Licht, Schall.

Der Mensch hat nur Sinnesorgane für Licht bzw. Schall und ist schlechter ausgestattet als sein Handy! (Abgesehen von vielen Sin-nesorganen/-zellen, die in diesem Zusam-menhang unwichtig sind.)

Optische Aufheller werden Waschmitteln zugesetzt, um Wäsche weißer erscheinen zu lassen. Sie wandeln UV-Strahlung in etwas thermische Energie und blaues Licht um, das den Gelbstich auf der Wäsche überdeckt.

Sind optische Aufheller Signalwandler? Be-gründe. Sind sie Energiewandler? Vergleiche mit Sinneszellen.

— Optische Aufheller sind Energiewandler. Die mit der UV-Strahlung aufgenommene Energie wird teils in Wärme, teils in blaues Fluores-zenzlicht umgewandelt.

Optische Aufheller wandeln im Gegensatz zu Sinneszellen eine bestimmte Art von Signal (hier UV-Strahlung) nicht in eine andere Art (elektrische Impulse) um. Es wird lediglich kurzwellige Strahlung in längerwellige umge-wandelt.

Schülerbuch Seite 31

Beschreibe die Aufgaben der drei Zellschich-ten der Netzhaut.

— Lichtsinneszellen: Lichtaufnahme; Umwand-lung der Lichtreize in elektrische Erregungen (Signale).

Schaltzellen: Erregungsleitung von den Sin-neszellen zu den Nervenzellen; Summation

der Erregungen vieler Sehzellen. Nervenzellen: Sammlung und Leitung der

Erregungen über den Sehnerv zum Gehirn. Die Sehzellen werden durch einen kurzen

Lichtblitz stärker erregt, wenn man sich zuvor längere Zeit in dunkler Umgebung aufgehalten hat. Erkläre.

— Bei längerem Aufenthalt im Dunkeln ist in den Sehzellen viel mehr Sehfarbstoff angereichert als beim Aufenthalt im Hellen, da hier der Seh-farbstoff ständig zerfällt. Bei einer plötzlichen Belichtung kann deshalb eine größere Menge Sehfarbstoff zerfallen, was eine stärkere Erregung der Sehzelle zur Folge hat.

Schülerbuch Seite 35

Beschreibe Nah- und Fernakkommodation mithilfe von Abbildung 34.1.

— Nahakkommodation: Der ringförmige Ziliarmuskel zieht sich zusammen, dadurch verringert sich der Zug auf die Linsenbänder. Die Linse wölbt sich stärker und bricht die Lichtstrahlen stärker.

Fernakkommodation: Der Ziliarmuskel erschlafft, sein Umfang wird größer und die Linsenbänder sind gespannt. Die Linse wird flacher und bricht die Lichtstrahlen schwä-cher.

Vergleiche Kurz- und Weitsichtigkeit. Erkläre, wie diese Fehlsichtigkeit mit einer Brille korri-gierbar ist.

— Kurzsichtigkeit: Der Augapfel ist zu lang, das Bild eines weit entfernten Gegenstandes entsteht auch bei stärkster Linsenabflachung, d. h. minimaler Brechkraft, nicht auf der Netzhaut, sondern davor. Durch eine Zer-streuungslinse wird das Bild auf der Netzhaut abgebildet; scharfes Sehen ist möglich.

Weitsichtigkeit: Der Augapfel ist zu kurz. Trotz maximaler Wölbung der Linse, d. h. maximaler Brechkraft, wird das Bild eines Ge-genstands nicht auf der Netzhaut abgebildet, sondern dahinter. Durch eine Sammellinse kann die unzureichende Brechkraft der Linse ausgeglichen werden, wodurch scharfes Sehen möglich ist.

Vergleiche Weitsichtigkeit und Altersweitsich-tigkeit.

— Die Weitsichtigkeit hat ihre Ursache in einem zu kurzen Augapfel, die Altersweitsichtigkeit in einem mit zunehmendem Alter fortschrei-tenden Verlust der Elastizität der Linse. Beides führt dazu, dass Gegenstände in der Nähe nicht scharf gesehen werden können.

Bei Patienten, die am Grauen Star operiert werden, wird die Augenlinse durch eine Kunststofflinse ersetzt. Weshalb ist dies kein vollwertiger Ersatz?

— Die Ersatzlinse ist nicht elastisch. Somit kann das Auge nicht mehr akkommodieren und ist auf eine bestimmte Entfernung fest einge-stellt.

4 Sinne Nerven Hormone

Schülerbuch Seite 37

Kopiere den Filmstreifen der Randspalte. Schneide aus der Kopie die Einzelbilder aus und hefte sie zu einem Daumenkino zusam-men. Blättere den Block mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch. Berichte deine Eindrücke.

— Bei geringer Geschwindigkeit sind die einzel-nen Bilder noch erkennbar, bei höherer Ge-schwindigkeit entsteht der Eindruck eines ablaufenden Filmes.

Schülerbuch Seite 38 (Material)

Man erkennt entweder eine ältere Frau mit gesenktem Kopf oder eine jüngere, deren Gesicht nach „hinten“ gewandt ist.

Die obere Linie erscheint länger. Nach dem Abdecken erscheinen beide gleich lang, was sich durch Nachmessen auch bestätigen lässt. Durch die schrägen Linien wird der Ein-druck einer räumlichen Darstellung vermittelt. Die Erfahrung zeigt, dass ein weiter entfernt liegender, gleich langer Gegenstand kürzer erscheint. Bei objektiv gleich langen Gegen-ständen muss der weiter „hinten“ liegende also länger sein.

Die Abbildung setzt sich aus Quadraten un-terschiedlicher Färbung zusammen. Größere Flächen des Bildes, die unterschiedliche Farben und Strukturen enthielten, sind zu Quadraten einer Farbe zusammengefasst. Auf dem Bild lassen sich kaum Umrisse erkennen, da das Bildmotiv nur aus wenigen „Bildfle-cken“ aufgebaut ist. Es handelt sich um die Verfremdung des Gemäldes Mona Lisa. Die Informationsmenge hängt von der Anzahl der Bildpunkte und der Anzahl der verwendeten Farben ab. Beim raschen Hin- und Herbewe-gen werden die Umrisse deutlicher wahrge-nommen.

Links erscheinen die Kugeln, rechts die Lö-cher. Beim Drehen um 180° werden die Löcher zu Kugeln und umgekehrt. Die Zuordnung hängt von der Verarbeitung der Licht- und Schattenwirkung durch das Gehirn ab.

Dreidimensionale Seheindrücke entstehen erst durch die Interpretation im Gehirn.

Man erkennt Quader, die aufeinander liegen und den Eindruck einer sich nach „oben“ fort-setzenden Figur erwecken. Nach der Drehung um 360° setzt sich die Figur nach „unten“ fort.

Die räumliche Darstellung entspricht nicht der Realität. Linien, die „hinten“ liegen sollten, lie-gen „vorne“, solche, die vorne liegen sollten, hinten. Manche Menschen irritiert der nicht auflösbare Widerspruch.

Die Höhe des Münzstapels wird überschätzt. Beim Nachmessen zeigt sich, dass die Höhe nur der Hälfte des Durchmessers entspricht.

Erst beim Drehen erkennt man, dass Augen- und Mundpartie der beiden Bilder verschie-den sind. Durch die ungewohnte Perspektive am Anfang („auf dem Kopf“) wurde nur der Eindruck Gesicht wahrgenommen.

Der dunkle Teil entspricht einer Figur, der helle Teil einem Gesicht. (Zur Erklärung siehe Nr. 10)

Man erkennt vier Gruppen konzentrischer Kreise. Die Kreisbögen sind zu 3/4 schwarz und zu 1/4 grün. Der Hintergrund ist weiß. Zwischen den vier Gruppen konzentrischer Kreise sieht man ein leicht rötlich (pink) ge-färbtes Quadrat Das Wahrnehmungssystem vermittelt Strukturen, die nur angedeutet sind. Würde man in den Kreisgruppen die Radien einzeichnen, die zu den Enden der grünen Kreisbögen führen, so hätte man 4 Ecken eines Quadrats. Außerdem wird eine Farbe wahrgenommen, die objektiv nicht verwen-det wurde. (Anm.: Die Komplementärfarbe zu grün). Die Bedeutung für den Menschen könnte darin liegen, dass er bekannte Strukturen wiedererkennt, auch wenn sie nur teilweise abgebildet sind (rasche Orientierung und frühzeitiges Erkennen von Gefahren).

Schülerbuch Seite 40

Beschreibe die Schallübertragung vom Trom-melfell bis zu den Sinneszellen.

— Das Trommelfell überträgt Schwingungen auf Hammer, Amboss und Steigbügel. Diese verkleinern die Schwingungsausschläge, verstärken aber ihren Druck und leiten die Schwingungen auf das Ovale Fenster. Dadurch wird Ohrlymphe in Schwingungen versetzt. Der Hautschlauch (Schneckengang) schwingt mit. Dadurch werden die Sinneshär-chen der Hörsinneszellen verbogen und die Sinneszellen erregt.

Schülerbuch Seite 41

Untersuche mithilfe der Tabelle und der Gra-fik, um das Wievielfache der Schalldruck von LKW-Verkehr und Düsenflugzeugen höher liegt als laute Unterhaltung und Flüstern.

— Flüstern — LKW: 1000x, Flüstern — Dü-senflugzeug: 20 000x, laute Unterhaltung — LKW: 50x, laute Unterhaltung — Düsen-flugzeug: 1000x

Schülerbuch Seite 42 (Material)

Bei ca. 3000 Hz ist das menschliche Gehör am empfindlichsten.

Mit einem Tongenerator werden der Testper-son Töne bestimmter Frequenzen unter-schiedlich laut vorgespielt und so jeweils das Lautstärkeminimum ermittelt.

Das Trommelfell oder die Gehörknöchelchen müssen die Ursache sein, da das Innenohr in beiden Fällen gleich reagiert.

Wenn 200 Personen z. B. 20 Stunden wö-chentlich 100 dB ausgesetzt sind, sind bei 120 Personen Hörschäden zu erwarten. Beson-ders gefährdet sind Personen, die zusätzli-chem Lärm ausgesetzt sind.

Ab 90 dB bei langer Belastung. Lösung entsprechend Aufgabe 4.

Sinne Nerven Hormone 5

Das Nervensystem

Schülerbuch Seite 48

Beschreibe den Unterschied zwischen Steue-rung und Regelung.

— Bei gesteuerten Vorgängen wird durch ein Signal eine Aktion ausgelöst. Ob und wie das erwartete Ergebnis erreicht wird, kann nicht überprüft werden, da eine Rückkopplung fehlt.

Bei geregelten Vorgängen wird die Wirkung der ausgelösten Aktion gemessen. Ent-spricht das festgestellte Ergebnis (Istwert) nicht dem vorgegebenen Sollwert, werden so lange weitere Aktionen veranlasst, bis schließlich Istwert und Sollwert übereinstim-men.

Vergleiche die Funktion sensibler und motori-scher Nerven.

— Motorische Nerven ziehen vom Zentralner-vensystem hin zur Muskulatur und regen diese durch elektrische Impulse zur Kontrak-tion an. Sensible Nerven leiten elektrische Impulse von den Sinnesorganen zum Zentral-nervensystem.

Schülerbuch Seite 51

Vergleiche die tomografischen Aufnahmen des Schädels mit der Schemazeichnung des Gehirns. Welche Gehirnabschnitte zeigt die Zeichnung?

— Die Schemazeichnung zeigt ein menschli-ches Gehirn von „außen“. Zu erkennen sind insbesondere die Areale der Großhirnrinde, das Kleinhirn und das verlängerte Rücken-mark. Das Computertomogramm hingegen zeigt einen Längsschnitt (sagittal) durch ein Gehirn, etwa in der Mittelebene des Körpers. Die Auffaltung der Großhirnrinde (Oberflä-chenvergrößerung) ist auch im Tomogramm sehr auffällig. Dieses Bauprinzip ist am Klein-hirn insbesondere in dieser Darstellungswei-se gut zu erkennen.

Beschreibe und erkläre die Schutzeinrich-tungen für das Gehirn gegen mechanische Einwirkungen.

— Zwischen der Hirnmasse und der knöchernen Schädelkapsel befindet sich eine Flüssigkeit, die stoßdämpfend wirkt.

Vergleiche das Gehirn mit einem Computer. Welche Gemeinsamkeiten und welche Unter-schiede findest du?

— Hinweis: Neben der stofflichen Verschieden-artigkeit kann über die Leistungsgrenzen der Systeme diskutiert werden.

Schülerbuch Seite 55

Beschreibe mithilfe eines Flussdiagramms das Zusammenwirken der verschiedenen Teile des Nervensystems am Beispiel des Joggens von der Entscheidung für eine be-stimmte Strecke bis zur Erholung nach dem Lauf.

Der Schalldruckpegel ist ab einer Mindestdau-er entscheidend. Bei 120 dB ist die Steigerung von 10 zu 40 Stunden relativ gering.

Bei 5 % der Jugendlichen liegt die Hörmin-derung zwischen 0 und 30 %, also können durchaus Schäden auftreten. 30 % haben eine Restempfindlichkeit zwischen 3 und 30 %.

6 Sinne Nerven Hormone

— Großhirn … Entscheidung zum Joggen … mo-torische Felder/Kleinhirn/Rückenmark/periphere Nerven … Bewegungsabläu-fe … Verbrauch energiereicher Stoffe und von Sauerstoff … Messung durch Sinneszel-len … sensible Nerven … Gehirn … Hemmung des Parasympathicus/Aktivierung des Sympathicus

Bei der Erholung: Aktivierung des Parasym-pathicus und Hemmung des Sympathicus.

Bei körperlichen Belastungen werden in der Skelettmuskulatur viel Sauerstoff und energiereiche Stoffe umgesetzt. Erläutere am Beispiel des Joggens, inwiefern die beschrie-benen körperlichen Veränderungen eine An-passung an diesen gesteigerten Stoffumsatz sind.

— Durch die Erhöhung der Atemfrequenz und der Atemtiefe erfolgt eine verstärkte Aufnah-me von Sauerstoff und Abgabe von Kohlen-stoffdioxid. Blutkreislauf und Herz arbeiten intensiver und transportieren Sauerstoff und Blutzucker zu den Muskeln bzw. Kohlenstoff-dioxid, ggf. Milchsäure und Wasser von den Muskeln weg.

Warum tritt beim Flug von Deutschland nach Südafrika kein Jetlag auf?

— Südafrika und Deutschland liegen in der selben Zeitzone.

Warum kommt es nach einem reichlichen Mittagessen zu einer besonders deutlichen Leistungseinbuße?

— Der Parasympathicus wird stark aktiviert und intensiviert die Tätigkeit der Verdauungsorga-ne.

Hormone

Schülerbuch Seite 60

Erstelle ein Regelkreisschema für die Re-gulation des Blutzuckerspiegels und beschrif-te es so weit als möglich.

— s. Abbildung unten

Schülerbuch Seite 61

Warum kann Insulin nicht in Tablettenform eingenommen werden?

— Es würde verdaut werden, da es sich um ein Protein handelt.

Typ-I Diabetiker spritzen sich mehrmals täglich Insulin. Weshalb wird die Insulindosis in mehrere Portionen aufgeteilt?

— Bei einmaliger Injektion der gesamten Insulin-dosis würde der Blutzuckerspiegel abfallen, es käme zur Unterzuckerung.

Wie kann der Diabetiker dem Unterzucker rasch entgegenwirken?

— Er sollte schnell resorbierbare Kohlenhydrate (z. B. Traubenzucker) zu sich nehmen.

Schülerbuch Seite 64

Stelle in einem Flussdiagramm den zeitlichen und räumlichen Ablauf der beschriebenen Vorgänge während eines Monatszyklus dar.

— Individuelle Lösung

Schülerbuch Seite 66 (Material)

Ohne die Pigmentzellen könnte Licht aus allen Richtungen die Lichtsinneszellen reizen.

Die Pigmentschicht absorbiert Licht, das bis zum Augenhintergrund gelangt. Es wird des-halb nicht in das Augeninnere zurückgestreut, was ein unscharfes Bild verursachen würde.

Sinne Nerven Hormone 7

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Abbildung zu Schülerbuch S. 60, Aufgabe 1

Regulation des Blutzuckerspiegels

Grubenauge — Richtungssehen Becherauge — Bewegungssehen Blasenauge — einfaches Bildsehen Durch das Objektiv wird viel Licht gesammelt,

das entstehende Bild ist also hell. Durch das Objektiv wird das Licht gebündelt

und somit ein scharfes Bild auf den Film proji-ziert.

Durch die winzige Öffnung in der Lochkamera fällt nur wenig Licht, was lange Belichtungs-zeiten erfordert.

siehe Aufgabe 6 Hydra: Sessile Lebensweise, nur einfache

Reflexe, z. B. zur Nahrungsaufnahme Ringelwürmer: i. A. kriechende Fortbewe-

gung, bei räuberischen Arten relativ kompli-ziertes Beutefangverhalten.

Insekten: vielfältige, hoch entwickelte Sinnes-organe. Komplexe angeborene Verhaltens-weisen, einfache Lernprozesse sind möglich, Besiedelung verschiedenster Lebensräume. ZNS mit Oberschlundganglion, Unterschlund-ganglion, Bauchmark.

Die Cephalisation ermöglicht die rasche Auf-nahme, Leitung, Verarbeitung und Beantwor-tung äußerer Reize.

Glukagon bewirkt die Aktivierung von Enzy-men, die Glykogen abbauen.

TSH fördert in der Schilddrüse die Thyroxin-produktion.

TSH ist ein Steuerungshormon der Hypophy-se, es gehört zu den Protein- bzw. Peptidhor-monen.

Basedow-Kranke zeigen Symptome einer Schilddrüsen-Überfunktion, da die TSH-Re-zeptoren dauernd besetzt sind.

Die Iodidpumpe nimmt Iodidionen aktiv aus der Umgebung der Zelle auf. Im Zellinneren werden die Iodidionen oxidiert, es entstehen zweiatomige Iodmoleküle. Aus diesem Iod und der Aminosäure Tyrosin erfolgt die Syn-these des Thyroxin.

Perchlorationen hemmen die Iodidpumpe, somit sinkt die Iodidkonzentration im Zellinne-ren. Durch Hemmung der Peroxidase kann die Oxidation zu Iod nicht erfolgen. Beide Stoffe sind theoretisch geeignete Medikamente, jedoch sind aus den beschriebenen Fakten keine Rückschlüsse auf „Risiken und Neben-wirkungen“ möglich.

Individuelle Lösung. Siehe auch Informati-onstext der Seite 66 Schülerbuch.

Bei positiven Rückkoppelungen besteht die Gefahr, dass sich biologische Prozesse allmählich aufschaukeln.

Es handelt sich um eine positive Rückkopp-lung. Der Gelbkörper bleibt erhalten und produziert weiterhin Progesteron. Dadurch wird die Menstruation verhindert und die Schwangerschaft beginnt.

Der Trainer praktiziert mehrkanaliges Lernen über verbale Erklärungen und über Vorführun-gen.

Bei den vielen Ablenkungsmöglichkeiten in derartigen Lernsituationen und bei den teilweise sehr komplexen Bewegungsabläu-

fen ist ein erfolgreiches Lernen nur bei hoher Konzentration möglich.

Anfangs werden die Bewegungen bewusst vom Großhirn gesteuert. Mit zunehmender Übung entstehen im Kleinhirn fertige Bewe-gungsprogramme, die die Bewegungen sehr schnell und unbewusst ablaufen lassen.

Vera sieht Felix und Michael. Beteiligt sind Auge, Sehnerv und Sehfeld.

Erinnerungsfelder speichern Informationen, z. B. Felix tanzt besser und ist sympathischer.

Reaktion: Freude, dass Felix schneller ist. Die genaue Beteiligung von Veras Hormon-

system dürfte von der weiteren Entwicklung des Abends abhängen.

8 Sinne Nerven Hormone

9

GenetikDie mendelschen Regeln

Schülerbuch Seite 72

Eine reinerbig gelbsamige Erbsensorte wird mit einer reinerbig grünsamigen gekreuzt.a) Erstelle ein Kreuzungsschema für die F1-

und die F2-Generation.b) Nenne die Verhältniszahlen der Genoty-

pen bzw. Phänotypen.— Das Kreuzungsschema entspricht dem der

Blütenfarbe mit folgenden Änderungen: Schema zur 1. mendelschen Regel: Phänotyp: gelb x grün Genotyp P: GG x gg Keimzellen: G oder g Genotypenverteilung F1: alle Gg Phänotyp: alle uniform gelb Schema zur 2. mendelschen Regel: Phänotyp: gelb x gelb Genotyp F1: Gg x Gg Keimzellen: G, g oder G, g Genotypenverteilung F2: GG, Gg, Gg, gg Phänotyp: gelb : grün = 3 : 1 Aus der Kreuzung zweier mischerbig rot blü-

hender Erbsen der F1-Generation erhält man zufällig vier Nachkommen. Welche Phänoty-pen können sie haben?

— Es können die Phänotypen „rot“ und „weiß“ auftreten. Bei vier Nachkommen könnten alle rot oder alle weiß blühen. Außerdem sind die Verhältnisse rot : weiß = 3 : 1, 2 : 2 oder 1 : 3 möglich, da bei so geringer Nachkommenzahl die Zahlenverhältnisse der Vererbungsgeset-ze nicht zu erwarten sind.

Bei einer rot blühenden Erbsenpflanze weiß man nicht, ob sie rein- oder mischerbig ist. Beschreibe ein Experiment, das geeignet ist, eine Entscheidung über den Genotyp zu fällen.

— Der experimentelle Ansatz entspricht dem der „Rückkreuzung“ mit dem rezessiv reiner-bigen Elternteil. Sind alle Nachkommen uni-form rot blühend, kann man davon ausgehen, dass die getestete Pflanze reinerbig war. Tritt jedoch eine weiß blühende Tochterpflanze auf, so war die getestete Pflanze mischerbig. Das erwartete Verhältnis wäre 1 : 1.

Schülerbuch Seite 73

Die Rückkreuzung wird auch als „Testkreu-zung“ bezeichnet. Begründe!

— Ein unbekannter Genotyp kann durch Kreu-zung mit dem reinerbig rezessiven Elternteil getestet werden.

Zu welchem Ergebnis führt die Kreuzung ei-ner mischerbig roten mit einer reinerbig roten Erbse? Erstelle ein Kreuzungsschema. Unter-scheide zwischen Genotyp und Phänotyp.

— Alle Nachkommen sind im Phänotyp gleich und zwar rotblühend; die Genotypen sind jedoch unterschiedlich: reinerbige und

mischerbige Pflanzen sind zu jeweils 50 % vertreten

(RR : Rr = 1 : 1)

Schülerbuch Seite 73 (Zettelkasten)

Erstelle für die Wunderblume ein Kreuzungs-schema, das einer Rückkreuzung entspricht, und werte es aus.

— Bei der Rückkreuzung wird eine mischerbige Pflanze mit der rezessiv reinerbigen gekreuzt. Da es beim intermediären Erbgang keinen rezessiven Elternteil gibt, kann man nur for-mal gleich verfahren. Es wäre in diesem Fall die Kreuzung einer mischerbigen mit einer reinerbigen (roten oder weißen) Wunderblu-me anzusetzen. Als Ergebnis erhält man rosa und rote bzw. rosa und weiße Nachkommen jeweils im Verhältnis 1 : 1.

Der Kunde eines Gärtners bestellte tausend rosa Wunderblumen. Um diesen Wunsch möglichst schnell zu erfüllen, kreuzte der Gärtner mehrere rosafarbene Pflanzen unter-einander. Begründe, ob das sinnvoll war.

— Der Ansatz war wenig sinnvoll, da nur 50 % der Nachkommen die gewünschte Blüten-farbe besitzen werden. Die anderen Pflanzen sind entsprechend der Spaltungsregel je zur Hälfte rot und weiß. Sinnvoll wäre die Kreu-zung weißer Wunderblumen mit roten gewe-sen, sodass entsprechend der Uniformitäts-regel nur rosa blühende Pflanzen entstehen werden.

Schülerbuch Seite 74

Bestätige anhand des Kreuzungsschemas, dass für die Merkmale Samenfarbe bzw. Samenform die ersten beiden mendelschen Regeln zutreffen, wenn man jedes Merkmal für sich alleine betrachtet.

— Im Kreuzungsschema findet man bezüglich der Samenfarbe die Allelkombinationen GGxx: Ggxx : ggxx = 4 : 8 : 4. Das entspricht den Phänotypen gelb : grün = 12 : 4 = 3 : 1 (Spaltungsregel). Entsprechendes Auszäh-len ergibt auch für die Samenform rund : kantig = 3 : 1.

10 Genetik

Eine Erbsenpflanze aus der F1-Generation mit gelbrunden Samen wird mit einer grünkanti-gen gekreuzt (Rückkreuzung in zwei Merk-malspaaren). Entwickle dazu ein Kreuzungs-schema und werte es aus.

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Ein Züchter hat eine süße, aber reblaus-anfällige Traubensorte und eine reblausfeste Sorte mit sauren Früchten. Schlage vor, wie eine süße, reblausfeste Rebsorte zu züchten ist. Die Allele für sauer bzw. für reblausanfällig sind jeweils dominant.

— Es ist das normale Kreuzungsschema für eine Zweimerkmalskreuzung zu entwickeln. In der F2-Generation ergibt sich der gesuchte Phä-no-typ mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 : 16. Diese Reben sind reinerbig, da beide Allele rezessiv sind, das heißt, dass das Merkmal nur bei Reinerbigkeit ausgebildet wird.

In der F2-Generation (s. Abb. 1) tauchen auch grünrunde Samen auf. Welche Genotypen können sie haben? Gib an, wie man die reiner-bigen herausfinden kann.

— Grünrunde Samen tauchen im Kreuzungs-schema mit einer Häufigkeit von 3 : 16 auf. Ihre Genotypen sind ggRr und ggRR im Verhältnis 2 : 1. Gesucht sind die reinerbigen Individuen. Bezüglich der Samenfarbe sind die Erbsen reinerbig; hier erübrigt sich die weitere Untersuchung. Anders ist es bei der Samenform. In diesem Fall muss eine „Test-kreuzung“ durchgeführt werden, das heißt, es ist eine Rückkreuzung der zu testenden Pflanzen mit grünkantigen Erbsenpflanzen anzusetzen. Falls die Nachkommen in runde und kantige Formen aufspalten, war die Aus-gangsform mischerbig. Andernfalls müssen die Nachkommen uniform sein. Das sind die gesuchten Pflanzen.

Eine Pflanzensorte mit großen Blättern und roten Blüten wird mit einer kleinblättrigen, weiß blühenden Sorte gekreuzt. In der F1-Ge-neration tauchen nur mittelgroße Blätter und rosa Blüten auf. Wie viele Phänotypen sind in der F2-Generation zu erwarten?

— Das Kreuzungsschema wird beispielsweise mit folgender Legende angesetzt:

1. Merkmal: Blattgröße; Allele: Gg: Allel für große Blätter; Gk: Allel für kleine Blätter

2. Merkmal: Blütenfarbe; Allele: Fr: Allel für rote Blüten; Fw: Allel für weiße Blüten

Das Kreuzungsschema ist bis zur zweiten Tochtergeneration zu entwickeln. Da es sich bezüglich beider Merkmale um einen inter-mediären Erbgang handelt, gehört zu jedem Genotyp ein eigener Phänotyp. Auszählen der Genotypen und damit auch der Phänoty-pen ergibt: gkrw : gkrr : gkww : ggrw : kkrw : ggrr : kkrr : ggww : kkww = 4 : 2 : 2 : 2 : 2 : 1 : 1 : 1 : 1. Es sind demnach 9 verschiedene Phänotypen möglich.

Schülerbuch Seite 75 (Material)

Die beiden Behälter entsprechen den Keimdrüsen jedes Elternteils, die Perlen sind die Erbanlagen. Die Verschiedenfarbigkeit symbolisiert die beiden unterschiedlichen Erbanlagen. Da die Elternteile als mischer-big angenommen werden (10 rote, 10 weiße Perlen), entstehen bei der Keimzellenbildung gleiche Anzahlen beider Typen. Das blinde Herausgreifen und Zusammenführen der Perlen entspricht dem Aufeinandertreffen der Keimzellen bei der Befruchtung.

Im Modellversuch stehen nur 20 Perlen zur Verfügung, die gleichverteilt vorliegen. Würde ohne Zurücklegen gearbeitet werden, ändert sich zu jedem Zeitpunkt die Wahrscheinlich-keit, eine rote oder weiße Perle zu erfassen.

Im Modellversuch entsprechen die Kombina-tionen rot/rot und rot/weiß dem dominanten Phänotyp, weiß/weiß ergibt den rezessiven Phänotyp.

Bei geringen Versuchszahlen können sich größere Abweichungen von den Vorhersagen ergeben (kleiner Stichprobenumfang).

Die Genauigkeit steigt, je mehr Versuche dem Zahlenmaterial zugrunde liegen.

In einen Behälter legt man nur rote, in den anderen Behälter nur weiße Perlen entspre-chend den reinerbigen Elternteilen. Durch Ziehen erhält man immer gleichartige Nach-kommen (mischerbiger Genotyp, Phänotyp entsprechend dem dominanten Elternteil bzw. als zwischenelterliches Merkmal).

Zur Rückkreuzung eines mischerbigen Organismus mit einem reinerbig-rezessiven müssen in einem Behälter 20 weiße Perlen, in dem anderen Behälter 10 weiße und 10 rote Perlen sein. Soll ein reinerbiger Organismus getestet werden, sind dies 20 rote Perlen.

Damit enthält die zu erwartende Aufteilung eine ganze Zahl (48 : 16 = 3) als kleinste Einheit.

Aus der Aufteilung von 16 Genotypen im Verhältnis 9 : 3 : 3 : 1 muss man zuerst die Gesamtzahl der Versuche durch 16 teilen und diesen Wert mit 3 bzw. 9 multiplizieren. Abweichungen von der Erwartung ergeben sich auch hier aus zu geringen Versuchszah-len — vorausgesetzt es wurden gleichwertige Münzen verwendet.

Auch hier nähert sich mit zunehmender Ver-suchszahl das Ergebnis der Erwartung.

Genetik 11

Die Wahrscheinlichkeit ändert sich nicht, da der vorangegangene Versuch den nachfol-genden nicht beeinflusst.

Zelluläre und molekulare Grundlagen der Vererbung

Schülerbuch Seite 77

Vergleiche in einer Tabelle Ablauf und Er-gebnis der 1. Reifeteilung der Meiose mit der Mitose.

Mitose Meiose

in teilungsfähigen Körperzellen

in Urkeimzellen männ-licher und weiblicher Keimdrüsen

Trennung der Chro-matiden

Paarung der homolo-gen Chromosomen, Trennung der homolo-gen Chromosomen

jede Tochterzelle enthält zwei Sätze Ein-Chromatid-Chro-mosomen (2n)

jede Tochterzelle enthält nach der ersten Reifeteilung einen Satz Zwei-Chro-matid-Chromosomen, Reduktion der Chro-mosomenzahl (n)

Tochterzellen gene-tisch identisch

zufällige Verteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen

Erläutere, inwiefern die Vorgänge bei der 2. Reifeteilung der Meiose im Prinzip den Abläu-fen bei der Mitose entsprechen.

— Da sich in der 2. Reifeteilung die Chromati-den der einzelnen Chromosomen trennen, entspricht dies den Mitosevorgängen. Im Unterschied zur Mitose der (diploiden) Kör-perzellen existieren aber zu diesem Zeitpunkt in den (haploiden) Keimzellen nur noch halb so viele Chromosomen.

Zeichne nach der Vorlage von Abb. 2 die Kom-binationsmöglichkeiten bei der Bildung von Keimzellen mit drei Chromosomen (n=3).

— Bei n Chromosomenpaaren bestehen 2n unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten der homologen Chromosomen. Bei n = 3 also 8 Möglichkeiten: AABBCC (3 homolo-ge Chromosomenpaare). Nach der Meiose können folgende Chromosomenkombinatio-nen in den Keimzellen entstehen: ABC, ABC, ABC, ABC, ABC, ABC, ABC, ABC

Schülerbuch Seite 77 (Zettelkasten)

Beschreibe die Fotos und ordne sie den Mei-ose-Phasen zu (siehe Schemazeichnungnen auf Seite 76).

— Foto a, b: beginnende Prophase: Aufspirali-sierung der Chromosomen

Foto c: Metaphase I: Anordnung der Chro-mosomen in der Äquatorialebene

Foto d: Anaphase I: Trennung der homologen Chromosomen

Foto e: Telophase I

12 Genetik

Foto f: Prophase II: Beginn der zweiten Reife-teilung

Foto g: Metaphase II in der Aufsicht Foto h: Telophase II: Es sind vier haploide

Zellen entstanden. Foto i: vier getrennte Geschlechtszellen

liegen vor. Wodurch lassen sich die abgebildeten Mei-

osestadien eindeutig von Mitosestadien der gleichen Art unterscheiden?

— Erste Reifeteilung: Die homologen Chro-mosomen sind gepaart, man sieht in der Metaphase I also nur n Tetraden und nicht 2n Chromosomen wie bei der Mitose.

Zweite Reifeteilung: In der Metaphase II wer-den n Chromosomen in der Äquatorialebene angeordnet und nicht 2n wie in der Metapha-se der Meiose.

Schülerbuch Seite 81

Vergleiche die Herstellung des Farbstoffs im Unterricht mit der Bildung des rotem Blüten-farbstoff in der Zelle. Mit welchen Strukturen und Vorgängen im Organismus lassen sich der Sammlungsschrank, der Ordner, das Arbeitsblatt, die angefertigten Kopien und der Versuchsaufbau vergleichen? Wo hinkt der Vergleich, wo liegen seine Grenzen?

— Der Sammlungsschrank lässt sich mit dem Zellkern vergleichen. Er enthält viele Ordner mit zahlreichen Arbeitsanweisungen, die den Genen auf den Chromosomen entsprechen. Die angefertigten Kopien entsprechen der m-RNA, der Versuchsaufbau den Ribosomen.

Vererbung beim Menschen

Schülerbuch Seite 91

Übertrage die Stammbäume in Abb. 2 und 3 in dein Heft. Führe die Allelbezeichnungen A und a ein und gib für jede Person die mögli-chen Genotypen an.

— Stammbaum 1 A: Allel für freie Ohrläppchen a: Allel für angewachsene Ohrläppchen 1: Aa; 2: aa; 3: aa; 4: Aa; 5: AA/Aa; 6: aa; 7: aa; 8: Aa; 9: Aa; 10: aa; 11: aa; 12: AA/Aa Stammbaum 2 A: Allel für das Marfan-Syndrom a: normales Allel 1: AA/Aa; 2: aa; 3: Aa; 4: Aa; 5: Aa; 6: aa; 7: aa; 8: Aa; 9: aa; 10: aa; 11: aa; 12: Aa; 13: Aa; 14: aa; 15: Aa; 16: aa;

17: aa Stammbaum 3 A: Allel für Sechsfingrigkeit a: normales Allel 1: Aa; 2: Aa; 3: aa; 4: aa; 5: AA/Aa; 6: aa; 7: Aa; 8: aa; 9: aa; 10: aa; 11: aa; 12: Aa; 13: aa; 14: aa Woran erkennt man an einem Stammbaum

sicher eine rezessive bzw. dominante Verer-bung? Formuliere Regeln.

— Für autosomale Vererbung gilt: Hat ein(e) Merkmalsträger(in) Eltern, die

beide das Merkmal nicht tragen, so handelt es sich um eine rezessive Vererbung.

Haben zwei Merkmalsträger ein Kind, das nicht Merkmalsträger ist, liegt eine dominante Vererbung vor.

Die Familie, deren Stammbaum Abb. 3 zeigt, wünscht sich ein drittes Kind. Mit welcher Wahrscheinlichkeit ist es Merkmalsträger?

— Ein drittes Kind ist mit einer Wahrscheinlich-keit von 50% Merkmalsträger, da die Allel-kombinationen AA und Aa gleich wahrschein-lich sind.

Schülerbuch Seite 92

Vervollständige die folgende Tabelle für alle denkbaren Blutgruppenkombinationen von Mutter und Vater.

— siehe Tabelle links Auf einer Säuglingsstation liegen vier Kinder

mit den Blutgruppen A, B, AB und 0. Die Phänotypen der Eltern sind 0/0, A/B, AB/0 und B/B. Kann man die Kinder eindeutig den Elternpaaren zuordnen?

— Zunächst ist das AB-Kind eindeutig dem Paar A/B zuzuordnen. Da jedem Ehepaar ein Kind zugeordnet werden muss, kann das 0-Kind nur zu Paar 0/0 gehören, für das B/B-Paar bleibt nur das B-Kind und für das AB/0-Paar dann das A-Kind. Also ist insgesamt eine eindeutige Zuordnung möglich.

Genetik 13

Vater Phänotyp A B 0

Mutter Genotyp AA A0 BB B0 00

Phänotyp Genotyp Keimzellen A A 0 B B 0 0

A

AA A A A A AB AB A A

A0A A A A AB AB A A

0 A A 0 B B 0 0

B

BB B AB AB B B B B B

B0B AB AB B B B B B

0 A A 0 B B 0 0

0 0 0 A A 0 B B 0 0

Blutgruppenkombinationen

Schülerbuch Seite 93

In der Randspalte sind Familien mit der Vertei-lung des Rhesusfaktors angeführt.a) Gib die zugehörigen Genotypen an.b) In welchen Fällen besteht die Gefahr der

Rhesusunverträglichkeit?— siehe Randspalte

a) siehe Randspalte; beim 5. Stammbaum sind mehrere Genotypen denkbar.

b) Nur bei Familie 2 waren die rhesusne-gativen Kinder gefährdet. Bei Familie 1 könnte der Fall noch auftreten, falls nach einem rhesuspositiven Kind noch weitere Kinder geboren werden.

Das erste Kind einer rh-Mutter war rhe-susnegativ. Welche Auswirkungen sind für das zweite Kind zu erwarten?

— Bezüglich der Rhesusunverträglichkeit sind keine Auswirkungen zu erwarten.

Bei einer Vaterschaftsklage kommen zwei Männer in Frage, Vater eines Kindes zu sein. Folgende Blutgruppen wurden bei den Betei-ligten festgestellt:

— Mutter: A, rh — Kind: 0, rh

— Mann 1: A, Rh+ — Mann 2: AB, rh

Lässt sich einer der Männer als möglicher Vater ausschließen? Begründe.

— Der Rhesusfaktor liefert keine Möglichkeit für ein Ausschlussverfahren. Mann 1 kann mit dem Genotyp Dd in Frage kommen. Mann 2 kann aufgrund der Blutgruppe AB als Vater des 0-Kindes ausgeschlossen werden. Mutter und Mann 1 müssen als Gentyp A0 besitzen, sonst könnte kein Kind mit der Blutgruppe 0 entstehen.

Bei Vaterschaftsuntersuchungen mithilfe von Blutgruppeneigenschaften spricht man von Vaterschaftsausschluss, nicht von Vater-schaftsnachweis. Warum?

— Wie in Aufgabe 3 gezeigt, kann ein bestimm-ter Genotyp unmöglich und die betreffende Person dann auch nicht der Vater sein. Ein anderer Genotyp kann zwar zutreffen, die zugehörige Person muss aber nicht der Vater sein.

Ein weiteres Blutgruppensystem, das zum Vaterschaftsausschluss herangezogen wer-den kann, ist das MN-System. Informiere dich darüber und berichte vor der Klasse.

— Zusatzinformation Blutgruppen des Menschen: Unterschiedliche Glycoproteine auf der

Oberfläche der roten Blutzellen sind verant-wortlich für die Blutgruppen des Menschen. Im klassischen AB0-System gibt es weitere Subtypen (A1, A2, A3 und A4). Das bereits 1927 von LANDSTEINER & LEVINE entdeck-te MN-System mit dem Allelpaar LM und LN besitzt nur diese beiden kodominanten Gene, sodass bei Heterozygoten stets beide Glykoproteine ausgebildet werden. Erst 1951 fand man heraus, dass das MN-System mit einem weiteren System gekoppelt ist, das man als S und s bezeichnete. Als Phänotypen

erscheinen daher MS, MSs, Ms, MNS, MNSs, MNs, NS, NSs, Ns. Auch der positive oder negative Rhesusfaktor basiert auf einem sehr komplexen genetischen System: Drei eng gekoppelte Genorte, für die es jeweils zwei oder mehr Allele gibt, erzeugen vielfältige Kombinationsmöglichkeiten. Dabei können einem Phänotyp bis zu 6 verschiedene Geno-typen zugrunde liegen. Die Allele werden mit C, c, Cw, D, d, E und e bezeichnet. Im Kidd-System kennt man die Allele Jka und Jkb, das Duffy-System besteht aus 4 Allelen (Fya, Fyb, Fyx und Fy). Schon mit der grundlegenden Arbeit von LANDSTEINER (1901) begann die Verwendung der Blutgruppenmerkmale für Vaterschaftsgutachten. Mit dem AB0-System gelingt es z. B., 18 % der zu Unrecht benann-ten Väter auszuschließen. (MNSs-System: 32 %, Rh-System 29 %; nach BUSELMAIER, 1999). Auf die häufige Frage, welchen Sinn die Vielfalt der Blutgruppenmerkmale hat, gibt es noch keine befriedigende Antwort. Die umfangreiche Darstellung von WALTER (1998) zeigt, dass beträchtliche regionale und ethnische Unterschiede in der weltweiten Verteilung der Blutgruppen bestehen. Außer-dem existieren Hinweise, dass Angehörige bestimmter Blutgruppenkombinationen ein erhöhtes Risiko für die Ausbildung von Ma-gengeschwüren oder anderen Krankheiten haben bzw. bestimmten infektiösen Erkran-kungen widerstehen können.

Schülerbuch Seite 95

Überlege, ob es auch bluterkranke Frauen geben kann. Begründe.

— Aus der Verbindung einer Konduktorin mit einem Bluter kann mit 50 %iger Wahrschein-lichkeit eine Tochter entstehen, die reinerbig bluterkrank ist. Anm.: Die Menstruationsblu-tung führt bei einer Bluterin nicht zum Tod, da diese Blutung nicht durch Gerinnungsfak-toren gestillt wird. Wesentlicher ist dafür der Verschluss der Arterien durch Muskelkon-traktion.

Lies den folgenden Brief, den Mr. J. SCOTT am 26. Mai 1777 schrieb, genau durch. Von welchem Leiden berichtet er? Stelle den Stammbaum der Familie SCOTT auf und erkläre den Erbgang.

— Es handelt sich um eine Rot-Grün-Seh-schwäche, sie wird X-chromosomal-rezessiv vererbt.

14 Genetik

XaY

XaY

II

I

III

XAXa XaY

Mr. Scott

XAXa XaXa XAYXAXaoXAXA

XAXa XAY XaY XaY XAXa

Schülerbuch Seite 102 (Material)

Dominante Vererbung

Rezessive Vererbung

X-chromosomal-dominante Vererbung ist nicht möglich, da in diesem Fall beide Frauen in Generation II das X-Chromosom mit dem entsprechenden Allel vom Vater erhalten würden. Sie wären dann beide betroffen.

X-chromosomal-rezessive Vererbung ist möglich:

1: XAY; 2: XaXa; 3: XaY; 4: XAXa; 5: XAY; 6: XaXa;7: XAXa; 8 XAXa. Kind 4 gehört wegen AB nur zu Paar C, da bei

Paar A kein Rh+ vorhanden ist. Kind 2 kann aus dem gleichen Grund nicht zu Paar A und wegen der Blutgruppe AB eines Elternteils auch nicht zu Paar B, d. h. Kind 2 kann jetzt nur noch zu Paar D. Kind 1 kann wegen des Rhesusfaktors nicht zu Paar A, muss also zu Paar B. Damit bleibt für Paar A das Kind 3.

Eltern A: AA oder A0/dd und B0/dd, Kind A0/dd; Eltern B: AB/DD oder Dd und 00/DD oder Dd, Kind B0/DD oder Dd; Eltern C: A0 oder AA/dd und B0 oder BB/DD oder Dd, Kind AB/Dd; Eltern D: A0/DD oder Dd und 00/DD oder Dd, Kind 00/DD oder Dd.

Dies trifft zu, wenn bei Paar C die Mutter A/rh- hat und nach Kind 4 ein weiteres rhesuspositi-ves Kind kommt.

Wenn die Frau den Genotyp A0 und der Vater des Kindes BB oder B0 hat, ist ein Kind mit der Blutgruppe B (Genotyp B0) möglich.

In der 3. Generation haben Eltern, die beide das Merkmal nicht tragen, ein betroffenes Kind.

A: normales Allel a: Allel für Albinismus 1: AA/Aa; 2: aa; 3: Aa; 4: AA/Aa; 5: Aa; 6: Aa;

7: AA/Aa; 8: AA/Aa; 9: aa.

Schülerbuch Seite 98

Ist ein Paar blutsverwandt, wird eine geneti-sche Beratung dringend empfohlen. Erkläre anhand eines Stammbaums, wie aus einer Ehe von Cousin und Cousine ein Kind mit einer seltenen rezessiv vererbten Krankheit hervorgehen kann.

Die Abb. links zeigt den Stammbaum einer Familie, in der zwei Urgroßeltern an derselben rezessiv vererbten Krankheit litten. Berechne, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Urenkel-kind erkranken wird.

— Die beiden Großväter sind jeweils mit 50 % iger Wahrscheinlichkeit Überträger dieser Krankheit. Sind sie Überträger, geben Sie das betreffende Allel jeweils mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% an ihre Kinder weiter. Ein Urenkelkind erkrankt, wenn es von beiden Eltern das betreffende Allel erhält. Dies ist mit einer Wahrscheinlichkeit von ((1/2)3)2)=(1/8)2=1/64.

Genetik 15

Aa

Aa

II

I

III

AA

Aa AA

aa

Aa

Cousin Cousine

AA

III

Aa

Aa Aa AA

Aa aa

aa

II

I

III

Aa/AA

aa

IIIaa

aa

Aa

aa Aa

Aa

II

I

III

aa

Aa

IIIAa/AA

Aa

aa

Personen 3, 5 und 6 sind sicher Überträger(innen). Die Personen 1, 4, 7 und 8 könnten theoretisch auch Übertrager(innen) sein.

Die Mutter ist Überträgerin der Bluter-krankheit, Gleiches kann für ihre Schwester zutreffen. Da die Söhne das betroffene X-Chromosom mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % von der Mutter bekommen können, sind Söhne sehr wahrscheinlich Bluter. Der Bruder der Frau hat — da nichts anderes erwähnt ist — die Beschneidung bereits überlebt und kann demnach das X-Chromosom mit dem Gen für die Bluterkrankheit nicht vererben. Die Vorschrift ist also sehr sinnvoll.

Stammbaum I: Das Merkmal wird rezessiv vererbt, da nicht betroffene Eltern ein betrof-fenes Kind haben. Da nur Männer betroffen sind, ist ein geschlechtschromosomengebun-dener Erbgang anzunehmen, zumal Einheira-tende genetisch unbelastet sind.

Stammbaum II: Das Merkmal wird dominant vererbt, da betroffene Eltern ein gesundes Kind haben.

Stammbaum I: Person A ist genetisch un-belastet. Person B darf mit einem genetisch unbelasteten Partner mit gesunden Kindern rechnen, wobei Töchter Überträgerinnen sind.

Stammbaum II: Person A hat mit einer Wahr-scheinlichkeit von 50% betroffene Kinder. Person B ist genetisch unbelastet.

a) Falsch, die Söhne erhalten vom Vater das Y-Chromosom, das X-Chromosom aber von der Mutter.

b) Falsch, denn das Merkmal wird rezessiv vererbt. Die Töchter erhalten zwar ein be-troffenes X-Chromosom vom Vater, aber ein zweites X-Chromosomvon der Mutter, das i. d. R. nicht betroffen ist.

c) Richtig, betroffene Mütter besitzen zwei betroffene X-Chromosomen, von denen sie eines an Söhne weitergeben. Da dieses das einzige X-Chromosom ist, sind Söhne stets betroffen.

d) Falsch, Töchter erhalten zwar ein betroffe-nes X-Chromosom von der Mutter, aber ein zweites vom Vater, das i. d. R. nicht betroffen ist.

Dieses Karyogramm enthält nur ein Ge-schlechtschromosom (X0-Typ). Es handelt sich um eine Frau mit Turner-Syndrom. Ursache ist eine fehlerhafte Verteilung der Chromosomen während der Meiose.

Da diese Frau wie Männer nicht zwei, sondern nur ein X-Chromosom besitzt, tritt das Merk-mal auf, wenn dieses X-Chromosom betroffen ist.

a) Theoretisch möglich, aber sehr unwahr-scheinlich.b) Richtig, käme das betroffene X-Chro-

mosom vom Vater, wäre dieser ebenfalls sehschwach.

c) Falsch, das betroffene X-Chromosom könnte auch von der Großmutter mütterli-cherseits stammen.

d) Falsch, das Spermium enthielt zwar kein Geschlechtschromosom, aber 22 Autoso-men.

16 Genetik

17

ÖkologieEinführung in die Ökologie

Schülerbuch Seite 107

Beschreibe die Unterschiede zwischen der Biosphäre 2 und der Biosphäre 1.

— Die Fläche der Biosphäre 2 ist winzig im Vergleich zu der Fläche des Planeten Erde.Entsprechendes gilt für die Atmosphäre.

Zahlen: Fläche Biosphäre 2: 1,6 ha = 0,016 km2

Erdoberfläche: 510 Millionen km2. Die Was-serfläche macht etwa 70% der Erdoberfläche aus, das sind 357 Millionen km2. Im Vergleich dazu ist der „Ozean“ der Biosphäre 2 mit 800 m2 winzig klein. Die Zahl der Arten in der Biosphäre 2 beträgt etwa 3000. Auf der Erde sind etwa 3 Millionen Arten bekannt. Auf der Erde gibt es also etwa 1000-mal mehr Arten als in der Biosphäre 2. Entsprechendes gilt auch für die Zahl der Ökosysteme. Nicht nur die Zahl der Arten und der Ökosysteme, sondern auch die gesamte Biomasse ist auf dem Planeten Erde im Vergleich zu Biosphäre 2 um ein Vielfaches größer.

Begründe die Auswahl der Ökosysteme für die Biosphäre 2.

— In der Biosphäre 2 gibt es folgende Ökosys-teme: Ozean, Savanne, Wüste, Marschland, tropischer Regenwald. Auf der Erde kommen diese Ökosysteme in tropischen oder subtro-pischen Regionen vor.

Die Biosphäre 2 wurde in der heißen Sonora-Wüste gebaut. Der Energieaufwand für die Klimatisierung wäre viel zu groß, um dort Ökosysteme aus gemäßigten oder kalten Zonen der Erde nachzubauen.

Ist der Innenraum eines Autos ein offenes, isoliertes oder geschlossenes System? Be-gründe.

— Der Innenraum eines Autos ist in stofflicher Hinsicht offen. So kommt zum Beispiel Luft über die Lüftung in den Innenraum. Der Innenraum ist auch energetisch offen. Es erfolgt ein Austausch an thermischer Energie über die Fenster, über die Heizung oder über die Klimaanlage. Der Innenraum ist also ein offenes System.

Schülerbuch Seite 108

Typische Bewohner der Savanne sind zum Beispiel Löwen. Beschreibe einige Gründe, warum in der künstlichen Savanne der Bios-phäre 2 keine großen Raubtiere angesiedelt wurden.

— Größe Raubkatzen benötigen zur Nahrungs-versorgung große Pflanzenfresser. Diese brauchen große Weideflächen, die auf der kleinen Fläche der Biosphäre 2 nicht zur Verfügung stehen.

Erkläre, welche Nahrungsebenen die Bionau-ten in der Biosphäre 2 einnehmen können und welche nicht.

— Menschen sind, wie die Tiere auch, hetero-trophe Lebewesen, daher können sie keine Produzenten sein. Sie können alle Nahrungs-ebenen außer der Ebene der Produzenten einnehmen. Primärkonsumenten sind sie immer dann, wenn sie sich von Pflanzen ernähren. Menschen, die Pflanzenfresser wie zum Beispiel Tilapias essen, sind Sekundär-konsumenten.

Nenne einen Grund, warum die Bionauten zur Fleischversorgung keine Schafe oder Rinder gehalten haben.

— Schafe oder Rinder sind große Pflanzenfres-ser, für deren Ernährung große Weideflächen nötig sind. Die Biosphäre 2 ist viel zu klein, um die nötige Größe an Weideflächen zur Verfügung zu stellen.

Schülerbuch Seite 109

Bei der Umwandlung von einem Mol ATP in ADP + P werden 30,5 kJ Energie frei. Bei der Oxidation von einem Mol Glucose entstehen 2872 kJ. Wie viel Mol ATP können theoretisch pro Mol Glucose entstehen? Berechne, wel-cher Anteil genutzt wird, wenn bei der Atmung 38 Mol ATP pro Mol Glucose entstehen.

— Es können etwa (2872/30,5) Mol ATP = 94 Mol ATP pro Mol Glucose entstehen. Tatsächlich entstehen 38 Mol ATP pro Mol Glucose. Die Ausbeute beträgt ca. 40%.

Schülerbuch Seite 111

Beschreibe die Folgen, wenn man zur Stromversorgung die gesamte Glasfläche der Biosphäre 2 mit Sonnenkollektoren bestückt hätte?

— Durch diese Maßnahme hätte man die Station mit elektrischer Energie versorgen können. Dennoch wäre dies nicht sinnvoll gewesen, da die Pflanzen die Energie des Sonnen-lichts für die Fotosynthese benötigen. Ohne Fotosynthese gibt es keine Nahrungsmit-telproduktion, keine Fixierung von Kohlen-stoffdioxid in der Pflanzenmasse und keine Bildung von Sauerstoff. Die Kreisläufe wären unterbrochen und die Biospäre 2 wäre rasch wegen Nahrungs- und Sauerstoffmangel unbewohnbar. Begründe, auf welche Weise eine erhöhte Zahl an Destru-enten die Zusammensetzung der Luft in der Biosphäre 2 verändern konnte.

— Destruenten sind heterotrophe Organismen, die durch den Prozess der Zellatmung Sau-erstoff aufnehmen und Kohlenstoffdioxid an die Umgebung abgeben. Steigt die Zahl der Destruenten an, so hat das zur Folge, dass die Konzentration an Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre zunimmt. Dementsprechend sinkt der Gehalt an Sauerstoff.

Um die Biosphäre 2 zu stabilisieren, verzich-teten die Bionauten darauf, ihre Abfälle zu kompostieren. Diskutiere Vor- und Nachteile dieser Maßnahme.

— Durch Kompostieren der Abfälle wird die Zahl

18 Ökologie

der Destruenten stark erhöht. Entsprechend der Aufgabe 2 hat das drastische Folgen für die Atmosphäre in der Biosphäre 2. Organi-sche Abfälle werden immer dann zersetzt, wenn Sauerstoff für die Destruenten zur Verfügung steht. Um das zu verhindern, muss der Abfall eingepackt werden. (Er wird dann durch Mikroorganismen anaerob abgebaut). Luftdicht abgeschlossen geht er in Fäulnis über. Es entsteht ein Problem, da die zuneh-mende Menge an faulendem Abfall gelagert werden muss.

Erläutere, inwiefern die Destruenten für das Leben auf dem Planeten Erde eine grundle-gende Rolle spielen.

— Ohne Destruenten würden tote Lebewesen nicht abgebaut und deren mineralischen Be-standteile nicht wieder in die Erde zurückge-führt. Die Stoffkreisläufe wären unterbrochen und die Erde wäre übersät mit Tier und Pflan-zenleichen. Die Destruenten sind daher eine entscheidende Organismengruppe für die Stabilität der Ökosysteme auf dem Planeten Erde.

Schülerbuch Seite 111 (Kasten)

Begründe, warum die Temperatur in einem Komposthaufen in den ersten 12 Wochen stark ansteigt.

— In den ersten Wochen beginnen Mikroorga-nismen das organische Material im Kompost-haufen zu zersetzen. Durch ihre Stoffwech-seltätigkeit wird soviel thermische Energie („Wärme“) an die Umgebung abgegeben, dass sich die Temperatur im Komposthaufen stark erhöht.

Nach etwa 12 Wochen muss ein Kompost-haufen umgesetzt werden. Erkläre warum das wichtig ist!

— Die Mikroorganismen im Komposthaufen haben in den ersten 12 Wochen damit begon-nen aus dem organische Material die Energie für ihre Lebensvorgänge durch Zellatmung zu gewinnen. Dadurch sinkt der Sauerstoff-gehalt im Komposthaufen. Nach etwa 12 Wochen muss er umgesetzt werden, um ihn

in Kontakt mit dem Sauerstoff der Luft zu brin-gen, der von den nachfolgenden wirbellosen Organismen für die weitere Zersetzung des Komposts benötigt wird.

Informiere dich über die wirbellosen Tiere, die ab der zwölften Woche im Komposthaufen vorkommen und stelle ihre Nahrungsbezie-hungen als Nahrungskette oder als Nahrungs-netz grafisch dar.

— Folgende Wirbellose Tiere kommen im Kom-post vor:— Springschwänze: fressen Pflanzenreste

und Pilze — Asseln: fressen zerfallendes pflanzliches

Material, Laub und Holz, Pilzhyphen, Kadaver von Insekten und Kot

— Milben: fressen Pflanzen und Pilze, man-che auch Aas

— Raubmilben: fressen u. a. Springschwän-ze

— Käferlarven: zum Beispiel Kurzflügelkäfer leben räuberisch

— Käfer: zum Beispiel Kurzflügelkäfer leben räuberisch

— Kompostwürmer: wandeln organisches Material in Humus um.

Die Abbildung unten zeigt ein mögliches Nahrungsnetz in einem Komposthaufen.

Ökologie 19

Raubmilben

KurzflügelkäferAsseln

Springschwänze

Kompostwürmer Bakterien

Pilze

Totes Blatt

Nahrungsnetz in einem Komposthaufen

Ökosystem Bach

Schülerbuch Seite 115

Erkläre, warum direkt an der Quelle eines Baches nur sehr wenig Tiere vorkommen.

— Das Wasser an der Quelle stammt aus dem sauerstoffarmen Grundwasser. Es ist zu erwarten, dass dort die Tiere nur wenig Sau-erstoff zum Atmen vorfinden. Daher ist ihre Zahl in unmittelbarer Quellnähe gering.

Erkläre, inwiefern die Kiemenanhänge eine Angepasstheit der Larve darstellen.

— Die Kiemenanhänge der Laven bilden eine große Oberfläche, die sich in direktem Kon-takt mit dem umgebenden sauerstoffreichen Wasser befindet. Sie dienen dazu, möglichst effektiv den Sauerstoff aus dem Wasser zu entnehmen bzw. das Kohlenstoffdioxid an das Wasser abzugeben.

Stelle den in der Tabelle gezeigten Zusam-menhang zwischen maximaler Sauerstoff-konzentration und Temperatur des Wassers grafisch dar.

— Diagramm: X-Achse: Temperatur Y-Achse: Sauerstoffgehalt in mg/l Erkläre, ob in der Tabelle der relative oder der

absolute Gehalt an Sauerstoff angegeben ist.— In der Tabelle ist der maximale Gehalt an

Sauerstoff bei einer bestimmten Temperatur angegeben. Dieser Wert sagt aus, wie viel mg Sauerstoff sich in einem Liter Wasser bei der angegeben Temperatur lösen lässt.

Der absolute Sauerstoffgehalt ist die Masse des gelösten Sauerstoffs in einem Liter Wasser. Die Angabe in mg pro Liter ist der absolute Sauerstoffgehalt.

Der relative Sauerstoffgehalt ist das Verhält-nis zwischen der tatsächlich vorhandenen Sauerstoffmenge und der Sauerstoffmenge, die sich (bei einer bestimmten Temperatur) maximal lösen lässt.

Berechne den Gehalt von Sauerstoff in der Luft in mg pro Liter. Vergleiche den errechne-ten Wert mit dem maximalen Sauerstoffgehalt im Bachwasser der Temperatur von 10 ° C.

— 22,4 Liter Sauerstoff haben eine Masse von 16 g. 1 Liter Sauerstoff hat demnach die Mas-se 714 mg. Da die Luft einen Sauerstoffgehalt von 21% besitzt enthält ein Liter Luft etwa 150 mg (149,94mg) Sauerstoff. In einem Liter Wasser der Temperatur von 10 ° C können sich maximal 11 mg Sauerstoff lösen. Ein Liter Luft enthält 13,7-mal mehr Sauerstoff als sich maximal in einem Liter Wasser der Tempera-tur von 10 ° C lösen lässt.

Schülerbuch Seite 116

Die Tiere in schnell fließenden Bächen atmen über Kiemen oder die Haut. Warum leben dort keine lungenatmenden Tiere?

— Tiere, die über Kiemen oder die Haut atmen, bleiben ständig unter Wasser, wo sie mit

unterschiedlichen Strategien der Strömung widerstehen können. Lungenatmende Tiere müssten an der Wasseroberfläche Luft holen. Sie würden in der schnellen Strömung rasch abgetrieben werden.

Stelle in einer Tabelle zusammen, auf welche unterschiedliche Weise die Lebewesen an die Wasserströmung im Bach angepasst sind.

Tier Angepasstheit an die Strömung

Flussnapfschnecke Saugt sich fest

Kriebelmückenlarven Saugen sich fest

Wasserseelchen In festsitzenden Wohnröhren

Rhyacophila Hält sich an einem Spinnfaden fest

Aderhaft Presst sich mt fla-chem Körper eng an Steine

Steinfliegenlarven, Bachflohkrebse, Was-serasseln

Leben in Hohlräumen unter Steinen

Larven von Zuckmü-cken und Schlamm-fliegen

Leben eingegraben im Weichboden

Beschreibe ein einfaches Modellexperiment, mit dem gezeigt werden kann, dass abgeplat-tete Tiere vor der Strömung geschützt sind.

— Beispiel aus dem Alltag: Lege deine flache Hand durch die geöffnete

Seitenscheibe eines fahrenden Autos auf das Autodach. Durch Probieren lässt sich schnell feststellen, dass der geringste Luftwider-stand dann besteht, wenn die Hand ganz flach auf das Autodach gelegt wird.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin ,ver-schiedene selbstgemachte Modelle aus Holz oder Plastilin in einen dicken Wasserstrahl (2) zu halten und das Strömungsverhalten zu beobachten. Je nach Modellform umströmt das Wasser die Modelle oder prallt davon ab. Daraus lassen sich erste Schlüsse ziehen.

Werden die Modelle (1) über einen drehbaren Stab (5) mit einem Kraftmesser (3) verbun-den, lassen sich über die Stärke der Ablen-kung die Modelle miteinander vergleichen und die strömungsgünstigste Form ermitteln. (6): Drehpunkt, (7): Skala.

20 Ökologie

65

3

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Schülerbuch Seite 120

Suche die kürzeste und die längste Nahrungs-kette in Abb. 1 und ordne die Nahrungsebe-nen zu.

— Kürzeste Kette: Larve der Gemeinen Eintagsfliege, Wasser-

amsel, (beides sind Konsumenten) Längste Kette: Wasserassel, Steinfliegenlarve, Rhycophilla,

Wasseramsel (alle sind Konsumenten) Suche Beispiele für Organismen, die sich

mehreren Nahrungsebenen zuordnen lassen.— Die Wasseramsel ist ein Beispiel für einen

Organismus, der sich mehreren Nahrungse-benen zuordnen lässt:

Wenn die Wasseramsel einen Aderhaft frisst, dann ist sie ein Sekundärkonsument. Ader-hafte weiden Algen von Steinen ab; es sind Primärkonsumenten.

Aderhafte sind auch die Beute von Steinflie-genlarven. Diese sind Sekundärkosumenten. Eine Wasseramsel, die eine Steinfliege frisst, ist dann Tertiärkonsument.

Weiteres Beispiel: Eine Rhyacophila (Larve) erbeutet Aderhafte

(Larven). Sie ist in diesem Fall Sekundärkon-sument. Frisst sie aber eine Steinfliegenlarve, dann ist sie Tertiärkonsument.

Erkläre an einem Beispiel, wie das Nahrungs-netz im Bach mit den umliegenden Ökosyste-men verbunden ist.

— Die Wasseramsel ist ein Bewohner des Uferbereichs, der seine Nahrung im Wasser findet, und so das Nahrungsnetz im Gewäs-ser mit dem Ökosystem an Land verbindet.

Ein weiteres Beispiel ist eine Steinfliege, die von einer Spinne gefressen wird. Die adulten Insekten sind die Nahrungsgrundlage für viele an Land lebende Tiere.

Erkläre, inwiefern wir Menschen im Nah-rungsnetz eines Fließgewässers vorkommen können, und gib dazu eine Nahrungskette an.

— Ein Angler, der eine Forelle fängt und sie dann zubereitet und verspeist, ist der Endkon-sument einer Nahrungskette, die z. B. bei mikroskopisch kleinen Algen beginnt, die auf Steinen wachsen. Diese werden vom Ader-haft abgeweidet, der von einer Steinfliegen-larve gefressen wird. Diese wird wiederum zur Beute einer Forelle, die von dem Angler gefangen und anschließend verspeist wird.

Ökologie 21

Schülerbuch Seite 121

Gib an, welche Bachtiere in einem begradig-ten, betonierten Bach und welche an einer Staustelle vorkommen können. Begründe deine Ansicht (s. S. 116).

— Eine begradigter, betonierter Bach hat eine starke und gleichmäßige Strömung, der keine Tiere widerstehen können. Staustellen sind verhältnismäßig tief und haben eine geringe Strömung. Durch die geringe Strömung kön-nen keine Steine zur Staustelle transportiert werden. Der Bachgrund ist sandig (Weichbo-den).

Auf Weichböden können folgende Bachtiere vorkommen: Larven von Zuckmücken und Schlammfliegen, Bachflohkrebse, Wasseras-seln.

Zeichne ein Nahrungsnetz der Bachtiere, die an einer Aufstauung vorkommen können (s. Abb. S. 120).

— s. Abbildung unten Warum kommen an Staustellen keine Wasser-

amseln vor?— Die Staustellen sind für die Vögel zu tief,

sie finden dort keine Nahrung. Sie jagen in flachen Bächen nach Insektenlarven, die an Staustellen nicht vorkommen.

Wasserassel BachflokrebsZuckmückenlarve

Schlammfliegenlarve

Verrottende Pflanzenteile

Nahrungsnetz der Bachtiere

MenschENDKONSUMENT

ForelleTERTIÄRKONSUMENT

SteinfliegenlarveSEKUNDÄRKONSUMENT

AderhaftPRIMÄRKONSUMENT

AlgenPRODUZENT

WasseramselSEKUNDÄRKONSUMENT

AderhaftPRIMÄRKONSUMENT

AlgenPRODUZENT

WasseramselTERTIÄRKONSUMENT

Steinfliegenlarve(große Arten)

SEKUNDÄRKONSUMENT

AderhaftPRIMÄRKONSUMENT

AlgenPRODUZENT

Schülerbuch Seite 122

Gib an, welche Bachtiere man möglicherweise an einer Abwassereinleitungsstelle finden kann und welche nicht (vgl. dazu S.116). Begründe deine Ansicht.

— Die Einleitungsstellen von Abwasser sind sehr sauerstoffarm. Daher findet man dort keine Insektenlarven, die hohe Ansprüche an die Sauerstoffversorgung haben.

Es finden sich Mikroorganismen wie „Abwas-serpilz“ und Schwefelbakterien. Ferner Zuck-mückenlarven, Schlammglockenbäumchen und Schlammröhrenwürmer (Tubifex). Sie alle setzen die Bestandteile des Abwassers um.

Je nach Verschmutzung und Entfernung von der Einleitungsstelle findet man auch anspruchslose Bachtiere wie Bachflohkrebse und Wasserasseln.

Begründe, warum die Selbstreinigung in einem schnell fließenden Gebirgsbach viel rascher erfolgen kann als in einem langsamen Fließgewässer im Flachland.

— In einem schnell fließenden Bach wird die Wasseroberfläche stark durcheinander ge-wirbelt und das Wasser kommt gut in Kontakt mit der Luft, sodass sich Sauerstoff im Was-ser besser lösen kann als in einem langsam fließenden Gewässer. Langsam fließende Gewässer erwärmen sich stärker als schnell fließende Bäche. In dem kälteren Bachwas-ser lässt sich mehr Sauerstoff lösen als im warmen. Durch die größere Sauerstoffmenge können die Bachorganismen die organischen Bestandteile der Abwassereinleitung rascher oxidieren. Daher erfolgt die Selbstreinigung in einem schnell fließenden Bach rascher als in einem langsam fließenden Gewässer.

Notiere, was du in deinem Haushalt tun kannst, um die Belastung des Abwassers so gering wie möglich zu halten.

— Organische Abfälle nicht in das Abwasser geben, sondern kompostieren. Farbreste, Klebstoffreste, Kunststoffe usw. nicht über das Abwasser entsorgen, sondern sach-gerecht auf die Mülldeponie bringen. Bei Reinigungsmitteln (Spülmittel, Waschmittel, Haushaltsreiniger) darauf achten, dass sie biologisch abbaubar sind. Möglichst sparsam damit umgehen.

Stelle die geschilderten aeroben und ana-eroben Abbauprozesse auf einem Poster grafisch dar.

— s. Abb. unten Schlage Maßnahmen zur Renaturierung eines

Baches vor und begründe die Vorschläge. Erstelle eine Präsentation, mit deren Hilfe

der Gemeinderat deines Wohnorts von der Notwendigkeit der Maßnahmen überzeugt werden soll.

— Ausgangspunkt sei ein begradigter Bach mit betoniertem Bachbett.

Begründung der Renaturierung: Bäche sind wichtige Ökosysteme. Die Insek-

ten, die sich als Larven im Wasser entwickeln, dienen vielen Tieren des Uferbereichs als Nahrung. Naturnahe Bäche spielen eine wich-tige Rolle für die Vernetzung von Biotopen und deren Artenvielfalt. Eine möglichst große Vielfalt an Biotopen und an Arten („Biodiver-sität“) ist eine entscheidende Voraussetzung für die Stabilität der Ökosysteme. Ein begra-digter, betonierter Bach ist ein Wasserab-flusskanal, der die genannte Funktion nicht erfüllen kann.

Maßnahmen: Zuerst muss das Betonbett entfernt werden.

Dann sollte dem Bach ein neues, möglichst gewundenes Bachbett gegraben werden. Ziel dieser Maßnahme ist es, zunächst die Geschwindigkeit der Strömung zu vermin-dern. An geeigneten Stellen sollten, falls nicht vorhanden, Steine von unterschiedlicher Größe in das Bachbett gelegt werden, um kleine Zonen mit unterschiedlich schneller Strömung zu schaffen und um Kleinlebens-räume für verschiedene Bachorganismen zu bieten.

Viele Insektenlarven haben hohe Ansprüche an die Versorgung mit Sauerstoff. Folgende Maßnahmen dienen der Verbesserung der Sauerstoffversorgung: An großen Steinen können sich Strudel bilden, die das sprudeln-de Wasser in Kontakt mit der Luft bringen, sodass sich Sauerstoff im Wasser lösen kann. Gegebenenfalls sollten die Uferbereiche mit geeigneten Büschen oder Bäumen (zum Beispiel Erlen) bepflanzt werden. Sie sorgen dafür, dass der Bach im Sommer durch ein dichtes Blätterdach im Schatten liegt und sich nicht zu sehr erwärmt. Die Löslichkeit des

22 Ökologie

Aerober Abbau Anaerober Abbau

Organische Stoffe im Abwasser

Phosphat

Nitrat

Sulfat

Methan

Ammonium

Schwefelwasserstoff

Sauerstoffs in Wasser ist in kaltem Wasser besser als in warmem. Eine Bepflanzung am Bachrand hat eine filternde Wirkung in Bezug auf Düngemittel aus umliegenden Wiesen oder Ackerflächen.

Die Präsentation soll die o. g. Maßnahmen und die Begründungen sowohl für die Notwendigkeit der Renaturierung als auch der einzelnen Maßnahmen darstellen. Die Präsentation sollte auch Bilder enthalten, die den Istzustand zeigen und den angestrebten Zustand darstellen.

Schülerbuch Seite 123

Beschreibe, wie man vorgehen müsste, um durch die Messung chemischer Werte lang-fristig zuverlässige Informationen über den Zustand eines Baches zu erhalten.

— Der Nachteil einer Einzelmessung besteht darin, dass zum Messzeitpunkt das Ergebnis durch zufällige Einflüsse den Zustand des Baches möglicherweise nicht richtig darstellt. Um zuverlässige Informationen zu erhalten, muss an mehreren Messstellen über längere Zeit kontinuierlich gemessen werden.

Durch einfache Beobachtungen an einem Bach lassen sich bereits Rückschlüsse auf die Güte des Gewässers ziehen. Ordne die Bäche in der Abbildung folgenden Güteklassen zu:

Unbelastet, mäßig belastet, kritisch belastet. Stelle die Ergebnisse in einer Tabelle dar. Gib darin auch den Bachverlauf, Bewuchs des Ufers, Landwirtschaft oder Bebauung, Einleitung von Abwasser und Algenbewuchs auf Steinen an.

— Abb. 1: unbelastet, Abb. 2:mäßig belastet, Abb. 3: kritischbelastet

Ökologie 23

Gewässer-zustand

unbelastet mäßig belastet

kritisch belastet

Bach-verlaufUfer

gewun-den, ausge-buchtete Uferberei-che

Wenig gewun-den bis gerade. Uferlinie z.T.gerade

gerade,

Uferlinie gerade

Bewuchs am Ufer

breit, geschlos-sen

schmal, mit vielen Lücken

Nein Rand befestigt

Landwirt-schaft

Nein Ja Ja

Bebauung Nein keine Wege

gelegent-lich Wege

durch-gehend, Straßen, Industrie

Abwasser-einleitung

Nein Nein Ja

Steine keine Beson-derheit

Algenbe-wuchs

schwarz

Übler Geruch

Nein nein ja

Begründe, in welcher Gewässergüteklasse sich der Mittellauf eines natürlichen Fließge-wässers befindet (s. S. 112).

— Das Wasser im Mittelllauf ist wärmer und da-her sauerstoffärmer als im Oberlauf. Es finden sich Wasserpflanzen. In Bezug auf den Sau-erstoffgehalt gibt es deutliche Tag- Nacht-schwankungen. Insektenlarven mit hohen Ansprüchen an den Sauerstoffgehalt finden auf dem Weichboden keine Lebensgrund-lage. Der Mittelllauf entspricht demnach der Güteklasse II „Mäßig belastet“. Güteklasse II „Mäßig belastet“ bedeutet: reich an Mineral-stoffen; mäßige Verunreinigung, Pflanzenbe-wuchs, schwankender Sauerstoffgehalt.

Schülerbuch Seite 124 (Material)

s. Abb. links Gegen Abend nimmt mit dem abnehmenden

Tageslicht auch die Fotosynthesetätigkeit der Wasserpflanzen und damit die Sauerstoffpro-duktion ab. Im Verlauf der Nacht gibt es keine Sauerstoffproduktion durch die Fotosynthe-se. Alle Lebewesen, auch die Pflanzen, atmen, d. h. sie nehmen Sauerstoff auf und geben Kohlenstoffdioxid ab. Die Sauerstoffkonzen-tration sinkt. Mit dem beginnenden Tag kön-nen die Wasserpflanzen wieder Fotosynthese betreiben und der Sauerstoffgehalt im Wasser steigt wieder an, um in der darauf folgenden Nacht wieder abzufallen.

Die Sauerstoffkonzentration an der Ober-fläche des Flusses ist im Vergleich zum Flussgrund deutlich größer. Die Oberfläche ist belichtet und Wasserpflanzen reichern durch Fotosynthese den Sauerstoff im Wasser an.

Das Wasser im Unterlauf eines Flusses ist Quelle Ober- Mittel- Unterlauf- Mündung

Temperatur

Nährstoffgehalt

Strömungs- geschwindigkeit

Sauerstoffgehalt

Nährstoffreich und reich an Organismen. Verwesende Tier- und Pflanzenteile lagern sich am Flussgrund ab und werden dort u.a. durch Mikroorganismen zersetzt. Diese Ab-bauprozesse benötigen Sauerstoff. Durch die geringe Srömungsgeschwindigkeit kommt es zu keiner Durchmischung mit dem sauerstoff-reicheren Wassers. Daher ist der Sauerstoff-gehalt am Grund des Unterlaufs meist gering.

Befindet sich wenig Wasser im Bach, so ist der Widerstand des Bachgrundes und der Uferregion ein wichtiger Faktor, der die Ge-schwindigkeit begrenzt. Bei Hochwasser glei-ten die Wassermassen mit geringer Reibung aneinander vorbei. Der bremsende Einfluss des Bachgrundes und der Uferregion macht sich nicht so stark bemerkbar. Das Wasser fließt rascher.

Man nehme eine möglichst lange Dachrinne und lege sie an einem Ende auf, sodass ein Gefälle entsteht. Es werden mehrere große Steine („Geröll“) hineingelegt. Dann schüt-tet man Wasser aus einer Gießkanne in den oberen Teil der Regenrinne und misst die Zeit, bis es unten ankommt.

Zusatzaufgabe: Experimentiere mit unter-schiedlicher Wassermenge bei gleicher Stei-gung und fertige eine Versuchsbeschreibung an.

Forellen kommen im Oberlauf von Gewässern vor. Dort ist die Strömung sehr stark. Die Fische besitzen einen torpedoförmigen Kör-perbau. Ihr Strömungswiderstand ist gering. Durch ihren stromlinienförmigen Bau sind die Forellen an die schnelle Strömung angepasst.

Barben kommen im Mittellauf von Flüssen vor. Die Strömung ist dort immer noch relativ stark. Der Untergrund besteht aus Sand und Kies. Barben haben einen lang gestreckten strömungsgünstigen Körper. Um die Mund-region herum befinden sich dicke Bartfä-den. Das Maul ist nach unten hin geöffnet (unterständig). Das sind Angepasstheiten an die Lebensweise. Barben können durch ihre strömungsgünstige Körperform der Strö-mung widerstehen. Sie leben am Untergrund, den sie mit ihren Bartfäden nach Nahrung absuchen, die in das nach unten geöffnete Maul aufgenommen wird.

Flundern leben im Mündungsbereich von Flüssen. Dort ist die Strömungsgeschwin-digkeit sehr gering und der Untergrund ist schlammig. Die Flundern sind Fische, die direkt am oder im Flussgrund leben. Sie sind durch ihren ganz flachen Körperbau an diese Lebensweise angepasst.

Herstellung eines Plakats mit einem Nah-rungsnetz der Organismen, die im Bach gefunden wurden.

Auf den Kreisdiagrammen ist in einem Torten-diagramm der Anteil der Sedimentfresser in einem Fließgewässer zu sehen. Der Oberlauf eines Baches ist charakterisiert durch Hart- und Weichböden, die in enger Nachbarschaft nebeneinander vorkommen können. Der Anteil des Weichbodens und damit der Anteil der Sedimentfresser nimmt flussabwärts zu. Die Zahl der Zerkleinerer ist im Oberlauf noch recht groß. Ihre Nahrungsquelle sind die über-hängenden Bäume am Bachrand. Daher gibt es im Oberlauf noch relativ viele Zerkleinerer, im Mittellauf nur noch wenige und im Unterlauf keine mehr. Das obere Kreisdiagramm zeigt typische Gruppen von Organismen im Ober-lauf, das Mittlere im Mittellauf und das Untere im Unterlauf des Fließgewässers.

Die organischen Bestandteile des Abwassers enthalten (neben Kohlenstoff- und Wasser-stoffatomen), Phosphor-, Stickstoff- und Schwefelatome. Durch Abbauprozesse der Mikroorganismen werden die genannten Ato-me oxidiert. Es entstehen Phosphate, Nitrate und Sulfate. Die Mikroorganismen benötigen für ihre Stoffwechselprozesse (Zellatmung) Sauerstoff, der im Belüftungsbecken über die Luft zugeführt wird.

Wird ungeklärtes Abwasser in einen Fluss ge-leitet, so kommt es zunächst zu einem starken Sauerstoffverbrauch und dann zu anaerobem Abbau.

Schwebteilchen setzen sich am Bachgrund ab. Das ist vergleichbar mit den Vorgängen im Klärbecken. Grobe Bestandteile bleiben in den Uferzonen am Gebüsch hängen, das in diesem Fall wie der Rechen in der Kläranlage wirkt.

Im weiteren Verlauf folgen über viele Kilome-ter aerobe Abbauprozesse, die den Vorgän-gen im Belüftungsbecken vergleichbar sind. Die gebildeten Nitrate und Phosphate werden von Wasserpflanzen als Dünger verwertet. Das führt zu verstärktem Pflanzenwachstum.

Der Bach hatte ursprünglich die Güte- klasse II:

Sauerstoffgehalt über 6 mg/l Ammoniumgehalt 0,1 — 1mg/l Nitratgehalt 3 — 3,9 mg/l Phosphatgehalt 0,2 — 3mg/l Durch die Einleitung von Abwasser ist der

Gehalt an Sauerstoff auf 3 mg/l gesunken. In der Kläranlage wurden durch Mikroorganis-men die Phosphor- und Stickstoffatome der organischen Stoffe oxidiert. Dadurch ist im Abwasser der Kläranlage der Sauerstoffgehalt gering und die Phosphat- und Nitratkonzen-trationen liegen weit über den Grenzwerten der Güteklasse IV (übermäßig verschmutzt)

Eigentlich sollten auch die Ammoniumsalze zu Nitraten oxidiert werden. Vermutlich war die Belüftung im Belüftungsbecken nicht optimal, sodass nicht genügend Sauerstoff vorhanden war, um die stickstoffhaltigen Stoffe vollständig zu Nitrat zu oxidieren.

24 Ökologie

Das Diagramm zeigt in vertikaler Richtung den Anteil der Fließgewässer in Prozent, die den Güteklassen I bis IV (horizontale Richtung) zugeordnet werden.

Sowohl in der Tabelle als auch in dem Dia-gramm ist zu erkennen, dass sich die Gewäs-sergüte in den Jahren von 1992 (im Diagramm blau) bis 2002 (im Diagramm rot) deutlich verbessert hat.

In der Güteklassen I, I-II und II ist der Anteil gestiegen. Im Jahr 1992 betrug er 47,2 %, im Jahre 2002 65,1 %. Dementsprechend ist die Zahl der kritisch belasteten (Güteklasse II — III) bis übermäßig verschmutzten (Güte-klasse IV) Gewässer von 52,8 % auf 34,9 % gesunken.

Eine deutliche Verbesserung ist in einer Zunahme der Fließgewässer mit Güteklasse II von 42,7 % auf 57,8 % erkennbar.

Beispiel: Der Neckar bei Stuttgart war im Jahr 1992 stark verschmutzt (Güteklasse III). Im Jahr 2002 war er nur noch kritisch belastet. Die Gewässergüte hat sich von III, stark verschmutzt nach II — III, kritisch belastet, verbessert.

Ökosystem See

Schülerbuch Seite 127

Welche stehenden Gewässer gibt es in deiner Nähe? Um welche Gewässertypen handelt es sich? Erkundige dich, wann und zu welchem Zweck künstliche Gewässer angelegt wurden.

— Bericht über Gewässertypen und ihre Entste-hung.

Viele Seen sind künstlich entstanden. In Baden-Württemberg spielt häufig der Kies-abbau eine Rolle, in anderen Bundesländern auch der Braunkohleabbau. Füllt sich eine ausgebaggerte Grube mit Grundwasser, so entsteht ein Baggersee.

Beobachte einen Tümpel in deiner Umgebung über mehrere Wochen. Gibt es darin Lebewe-sen? Miss die Größe der Wasserfläche und die Tiefe. Protokolliere und berichte.

— Bericht über Tümpel, Lebensformen und Veränderung des Gewässers.

Stelle die Angepasstheiten der Pflanzen im Uferbereich dar und erkläre ihre Bedeutung.

— Angepasstheiten: Die Wurzeln von Pflanzen, die im Bereich

zwischen der Hoch- und Niedrigwasserli-nie stehen, sind immer wieder längere Zeit von Wasser bedeckt. Im Boden entsteht wegen ausbleibender Druchlüftung Sauer-stoffmangel. Pflanzen der Bruchwaldzone, wie Weiden, Erlen, Sumpfdotterblume oder Blutweiderich, ertragen für längere Zeit diese Staunässe und Sauerstoffarmut des Bodens.

Pflanzen der Röhrichtzone, wie Schilfrohr und Rohrkolben, stehen im sauerstoffarmen Was-ser des Ufergrunds. Die Sauerstoffversor-gung der Wurzeln ermöglichen hohle Stängel.

Pflanzen der Schwimmblattzone, wie See-rosen, können bei Wassertiefen von einigen Dezimetern bis zu einem Meter und mehr vorkommen. Fotosynthese ermöglichen die an der Wasseroberfläche ausgebreitet schwimmenden Blätter. Wurzeln im Gewäs-sergrund halten sie an ihrem Standort. Zu den Standortbedingungen gehört schwankender Wasserstand sowie Wellen an der Oberfläche und Strömungen unter Wasser.

Die Blätter der Seerose besitzen sternförmi-ge Zellen im Palisaden- und Schwammgewe-be. Sie verstärken das Blatt und geben ihm eine feste Form, die auch bei Wellengang erhalten bleibt. Die Spaltöffnungen des Schwimmblatts liegen an der Blattoberfläche; das ermöglicht den Gasaustausch mit der Atmosphäre. Die Blattstiele sind lang und beweglich. So können die Blätter Wasser-standsschwankungen und Wellenbewegun-gen folgen. Luftkanäle in den Blattstielen ermöglichen die Sauerstoffversorgung der Wurzel. Stabile Erdsprosse verankern die Pflanze an ihrem Standort im Gewässer-grund.

Pflanzen der Unterwasserzone haben keinen direkten Kontakt mit der Atmosphäre und

Ökologie 25

sind weder Wellen noch starken Strömun-gen ausgesetzt. Die Wasserpest besitzt nur schwach ausgebildete Wurzeln. Die Blätter haben weder Spaltöffnungen noch Wachsü-berzug. Wasser und gelöste Stoffe (Mineral-stoffe, Kohlenstoffdioxid) werden über die gesamte Oberfläche des Pflanzenkörpers aufgenommen. Luftkanäle im Stängel geben der Pflanze Auftrieb und führen zur aufrech-ten Lage im Wasser. Festigungsgewebe ist nicht erforderlich.

Schülerbuch Seite 129

Beschreibe am Beispiel der Wasservögel Angepasstheiten an den Lebensraum See.

— Beispiele: Die kahnförmige Körpergestalt mit tiefem Schwerpunkt ermöglicht stabile Schwimmlage an der Wasseroberfläche bei Wellengang oder ausladenden Halsbewegun-gen; weit hinten am Rumpf ansetzende Beine bewirken beim Schwimmen und Tauchen effektive Umsetzung von Beinbewegungen in Vortrieb sowie wirkungsvolle Richtungskon-trolle beim Schwimmen; die Schwimmhäute der Schwimmfüße erhöhen den Wasserwider-stand bei der Beinbewegung und bewirken damit höhere Antriebskräfte; die Tarnfärbung schützt Schilfbrüter (z. B. Weibchen der Stockente) vor Fressfeinden.

Erkläre, wie abiotische Faktoren die Pflanzen-zonierung und Nahrungsnischen bestimmen.

— Der Wassergehalt des Bodens sowie die Wassertiefe bestimmen die Zusammenset-zung der Pflanzengesellschaft einer Zone (vgl. S.126, Aufgabe 3). Die unterschiedlichen Pflanzengesellschaften der verschiedenen Zonen stellen unterschiedlich erreichbare Nahrungsquellen für Pflanzenfresser dar und sind unterschiedliche Nahrungsnischen. Pflanzenfresser dienen räuberisch lebenden Organismen als Nahrung. Daher sind auch deren Nahrungsnischen indirekt durch die beschriebenen abiotischen Faktoren be-stimmt.

Beschreibe anhand von Abbildung 1 die Nah-rungsnischen für Graureiher, Reiherente und Haubentaucher.

Erkläre, wie bei diesen Tierarten die Konkur-renz um Nahrung zu Stockente und Blässralle gemindert bzw. vermeiden wird.

— Graureiher suchen Nahrung in Ufernähe im seichten Wasser, das sie Durchwaten. Reiherenten halten sich im Freiwasser auf und tauchen, um an Nahrung zu gelangen. Am bewachsenen Seegrund suchen sie ihre Nahrung an Unterwasserpflanzen (anhaf-tende Wasserschnecken, Wandermuscheln und anderen Tiere wie Kaulquappen, kleine Fische) Haubentaucher jagen im Freiwasser nach Fischen. Diese Wasservögel suchen in unterschiedlichen Bereichen des Sees nach Nahrung. Das für zur Vermeidung von Nahrungskonkurrenz.

Schülerbuch Seite 133

Was versteht man unter Teilzirkulation, was unter Vollzirkulation des Wassers in einem See?

— Durch Abkühlung in der Nacht nimmt die Dichte von Oberflächenwasser im See zu. Wasser sinkt innerhalb in der Oberflächen-schicht ab. Gleichzeitig steigt wärmeres Wasser aus etwas tieferen Bereichen auf. Diese Zirkulation erfasst nicht den gesamten Wasserkörper des Sees und stellt eine Teilzir-kulation dar. Bei der Vollzirkulation kommt es zur vollständigen Umwälzung des Wasserkör-pers bis zum Grund.

Nicht nur im Herbst, auch im Frühjahr kommt es zur Wasserzirkulation im See. Erkläre mithilfe der Abbildung 1, wie diese Zirkulation zustande kommt.

— Im Herbst kommt es zu einer starken Tem-peraturabnahme des Oberflächenwassers. Dadurch wird die Temperaturschichtung des Wasserkörpers aufgehoben und die Dichte des Wassers im See ist praktisch in jeder Tie-fe gleich groß. Starker Wind im Herbst, der auf das Wasser einwirkt, wälzt den Wasserkörper des Sees vollständig um.

Erläutere, wie infolge der Dichteanomalie des Wassers Organismen auch bei strengem Frost im See überleben können.

— Wasser hat bei 4 Grad Celsius die größte Dichte. Bei weiter sinkender Temperatur nimmt die Dichte wieder zu (Dichteanomalie). Das hat zur Folge, dass sich bei beim Abküh-len das Wasser mit der größten Dichte am Grund des Sees sammelt und kälteres Was-ser an der Oberfläche bleibt. Die Dichte von Eis ist erheblich geringer als die von Wasser im flüssigen Zustand. Daher schwimmt Eis an der Oberfläche. Eis ist ein guter Isolator und behindert die Wärmeabgabe. Tiefe Seen kühlen im Winter nicht völlig aus und frieren deshalb nicht bis zum Grund zu. Hier können Organismen auch bei längerem strengem Frost den Winter überleben.

Schülerbuch Seite 137

Ordne anhand von Abb. 1 Wasserflöhe, Rotfeder und Graureiher Nahrungsebenen zu. Begründe die Zuordnungen.

— Wasserfloh: Primärkonsument, Rotfeder: Sekundärkonsument, Graureiher: Tertiärkon-sument.

Stelle mithilfe von Abbildung 1 Nahrungsket-ten verschiedener Länge dar.

— Beispiele für Nahrungsketten unterschiedli-cher Länge:— Wasserpflanze — Teichralle— Sumpfpflanze — Köcherfliege — Mehl-

schwalbe— Sumpfpflanze — Köcherfliege — Wasser-

frosch — Graureiher— Alge — Wasserfloh — Rotfeder — Hecht

— Graureiher

26 Ökologie

oder Destruenten, z. B. durch Vermehrung, eine erhöhte Atmungsrate verursachen.

Tatsächlich war es so, dass sich die Destru-enten stark vermehrten und daher der Sau-erstoffgehalt in der künstlichen Atmosphäre sank. Außerdem reagierte Sauerstoff auch mit dem Beton der Gebäudekonstruktion, was ebenfalls zum Absinken der Sauerstoff-konzentration beitrug.

Beschreibe den Energiefluss in einem Ökosystem. Erläutere daran, wie sich die Menschen in der Biosphäre 2, in der nach einiger Zeit Nahrungsmangel herrschte, am zweckmäßigsten ernähren konnten.

— Die meisten Ökosysteme erhalten Energie mit dem Sonnenlicht. Durch Lichtabsorption in Pflanzen wird Energie des Lichts bei der Fotosynthese in chemische Energie umge-wandelt. In Form organischer Stoffe steht dann Energie für Tiere zur Verfügung. Sie wandert durch die verschiedenen Nahrungs-ebenen bis zu den Endkonsumenten. Auf jeder Nahrungsebene wird bei Stoffwech-selprozessen thermische Energie (Wärme) abgegeben. Sie kann von Organismen nicht weiter genutzt werden. Außerdem geben Tiere auch Energie durch Muskelarbeit ab, die letztlich ebenfalls als thermische Energie das Ökosystem verlässt. Tote organische Substanz wird häufig von Destruenten zer-setzt. Die enthaltene Energie fließt ebenfalls in Form thermischer Energie ab.

Bei einem stabilen Ökosystem wird im Mittel über ein Jahr so viel Energie als thermische Energie abgegeben, wie durch Sonnenlicht zugeführt wird.

Die „Bionauten“ in der Biosphäre 2 konnten sich bei Nahrungsmangel am besten von pflanzlicher Kost ernähren. Bei den Primär-produzenten in einem Ökosystem kommt mehr Energie an als bei den Konsumenten 1. Ordnung (Nutztieren), da in die nächst-höhere Nahrungsebene nur etwa 10 % der darunter angekommenen Energiemenge weiterfließt.

Erläutere, weshalb Nahrungsketten meist nicht mehr als vier Glieder besitzen.

— Je mehr Glieder eine Nahrungskette besitzt, desto mehr Nahrungsebenen gibt es. Da nur etwa 10 % der Energiemenge, die in einer Nahrungsebene ankommt, weiter fließt, kommt in der 4. Nahrungsebene nur noch etwa 0,1 % der Bruttoproduktion an. Noch höhere Nahrungsebenen sind nur selten möglich, dafür für sie zu wenig Energie zur Verfügung steht.

Schülerbuch Seite 142 (Material)

Die Seen sind nach großen Klimazonen geordnet. Die Nettoproduktion ist diejenige Energiemenge, die in Pflanzen durch Foto-synthese in energiehaltige überschüssige organische Stoffe überführt wird, die nicht wieder von den Pflanzen selbst durch Atmung abgebaut werden.

Erläutere, wie sich in Seen der Sauerstoffge-halt des Wassers im Sommer und im Herbst mit zunehmender Tiefe ändert.

— Im Sommer ist der Sauerstoffgehalt an der Oberflächenschicht hoch und nimmt mit zunehmender Tiefe ab. Während in der Oberflächenschicht durch Fotosynthese der im Wasser befindlichen Pflanzen Sauerstoff produziert wird (auch aus der Atmosphäre diffundiert Sauerstoff in das Oberflächenwas-ser), kommt es in größeren Tiefen zur Sau-erstoffzehrung infolge des aeroben Abbaus abgestorbener Organismen.

Im Herbst ist der Sauerstoffgehalt in allen Tie-fenbereichen in etwa gleich groß. In der Ober-flächenschicht ist die Fotosyntheseaktivität infolge geringerer Sonneneinstrahlung und tieferer Temperaturen vermindert und damit die Sauerstoffproduktion erheblich geringer. Durch die einsetzende Vollzirkulation gelangt sauerstoffreiches Oberflächenwasser in die Tiefe und sauerstoffarmes Tiefenwasser im Gegenzug an die Oberfläche.

Schülerbuch Seite 139

Erläutere, welche natürlichen Vorgänge zur Entstehung eutropher Gewässer führen.

— Gewässer mit höherem Eintrag an Mineral-stoffen sind eutroph. Wenn das Wasser-volumen eines Gewässers klein und das Einzugsgebiet, aus dem Wasser zufließt, groß ist, enthält ein See eine höhere Konzentration an Mineralstoffen. Vor allem erhöhte Mengen an Phosphationen regen das pflanzliche Wachstum an (Algenblüte).

Erkläre, wie ein See durch Abwassereinlei-tung „umkippen“ kann.

— Durch die Einleitung von Abwasser in einen See kommt es zu Eutrophierung. Mineralstof-fe und organische Stoffe bewirken starkes Pflanzenwachstum und eine Bestandszunah-me an Wassertieren. Nach dem Absterben sammelt sich am Grund des Sees so viel organische Substanz, dass beim Abbau star-ke Sauerstoffzehrung auftritt. Bei Sauerstoff-mangel finden vermehrt anaerobe Abbaupro-zesse statt. Dabei entstehen giftige Stoffe wie Ammoniak (NH3) und Schwefelwasserstoff (H2S), die zum Absterben der aerob lebenden Organismen führen. Der See kippt um.

Schülerbuch Seite 141

In der Biosphäre 2 erhöhte sich im Laufe der Zeit mehrfach der Kohlenstoffdioxidgehalt in der Atemluft. Erläutere, welche Störungen im Kohlenstoffkreislauf aufgetreten sein könn-ten.

— Mögliche Störungen sind zu geringe Fotosyn-theseaktivität der Pflanzen. Dadurch wird zu wenig Kohlenstoffdioxid assimiliert.

Eine andere Möglichkeit ist die zu hohe Atmungsaktivität heterotropher Organismen. Da die Bionauten selbst eine praktisch kon-stante Atmungsrate haben, können nur Tiere

Ökologie 27

Der Energieeintrag in einen See erfolgt durch Lichteinstrahlung. Die jährlich zugeführte Energiemenge ist in einer bestimmten geo-grafischen Region von der Größe der Was-seroberfläche abhängig. Die Seetiefe und das Seevolumen haben keinen Einfluss auf den Energieeintrag. Daher ist es sinnvoll, auch die Primärproduktion auf die Fläche zu beziehen und nicht auf das Volumen.

Die Seen sind nach Klimazonen geordnet. Jedoch gibt es innerhalb einer Klimazone eine Reihe von Faktoren, welche die Nettoproduk-tion beeinflussen. Dazu gehören beispielswei-se unterschiedlich intensiver Mineralstoffein-trag, die geografische Lage (zwischen Bergen oder in der Ebene) oder regionale Klimaunter-schiede.

Die Intensität von Stoffwechselprozessen (Fotosynthese) ist temperaturabhängig. In der Arktis sind die Jahresmitteltemperaturen niedriger. Auch sind in arktischen Regionen Seen länger im Jahr zugefroren als in den Alpen. Das erklärt ebenfalls den höheren Ma-ximalwert der Nettoproduktion alpiner Seen.

Die stark Temperaturschwankungen zeigen, dass die Wassertemperatur in der Oberflä-chenschicht gemessen wurde. Unterhalb der Sprungschicht schwankt die Wassertempera-tur nur wenig um 4 Grad Celsius.

Die Sichttiefe nimmt vom Winter bis zum Sommer ab. In dieser Zeit findet Algenwachs-tum statt. Im Herbst und im Winter nimmt die Sichttiefe wieder zu, weil die Algenmenge im See abnimmt.

Die Sauerstoffkonzentration zeigt geringe Schwankungen, ist jedoch im Frühjahr und Sommer tendenziell höher als in Herbst und Winter. Intensive Fotosynthese der Wasser-pflanzen erhöht im Frühjahr und im Sommer ein wenig die Sauerstoffkonzentration. Durch Diffusion findet auch Sauerstoffaustausch zwischen Atmosphäre und See statt. Das dämpft die Schwankungen der Sauerstoffkon-zentration.

Die Kohlenstoffdioxidkonzentration schwankt erheblich. Im Frühjahr sinkt der Wert stark und erreicht im Mai den Nullwert. Erst ab Oktober kommt es wieder zum Ansteigen der Kohlenstoffdioxidkonzentration. Durch intensive Fotosynthese der Wasserpflanzen wird im Frühjahr und im Sommer der gesamte Kohlenstoffdioxidvorrat im Wasser für die Fotosynthese genutzt. Erst im Herbst, wenn mit sinkenden Temperaturen und geringerer Lichteinstrahlung die Fotosyntheserate ab-nimmt, wird von den Lebewesen im See durch Zellatmung mehr Kohlenstoffdioxid gebildet als durch Fotosynthese assimiliert werden kann. Die Erhöhung im Herbst ist außerdem eine Folge der einsetzenden Herbstzirkulati-on, bei der kohlenstoffdioxidhaltiges Tiefen-wasser an die Oberfläche gelangt.

Der Konzentrationsverlauf für Phosphat und Nitrat verläuft prinzipiell gleich. Die Abnahme der Konzentration beginnt im Frühjahr (März/April) und erreicht im Spätsommer (August/

September) Minimalwerte. Ab Herbst nimmt die Konzentration wieder zu und erreicht im Winter (Nitratkonzentration im Februar bzw. Phosphatkonzentration im Dezember) ihren Maximalwert. Die relativen Schwankungen der Phosphatkonzentration sind größer ( 85 µg/ 1 µg = 85) als die Schwankungen der Nitrat-konzentration (1,1 mg / 0,1 mg = 11).

Erklärung für den jahreszeitlichen Verlauf: Durch erhöhte Fotosyntheserate der Was-serpflanzen, die im Frühjahr zunimmt, werden vermehrt Phosphat- und Nitrationen von den Pflanzen aufgenommen. Entsprechend sinkt die Konzentration dieser Ionen. Wenn im Herbst die Fotosyntheserate abnimmt, wird weniger Phosphat und Nitrat aufgenommen. Die Zunahme der Konzentration ist auch eine Folge der Herbstzirkulation, in der mineral-stoffhaltiges Tiefenwasser an die Oberfläche gelangt. Die Konzentration steigt und erreicht ihren Maximalwert im Winter.

Die Beobachtung, dass die Konzentration der Phosphationen stärkere relative Schwankun-gen zeigt als die Nitratkonzentration, spricht dafür, dass Phosphat den limitierenden Faktor für das Pflanzenwachstum darstellt.

Die Kohlenstoffdioxidkonzentration zeigt im Prinzip denselben Jahresverlauf und ist eben-falls mit der jahreszeitlich unterschiedlichen Fotosyntheseaktivität erklärbar.

Zur Eutrophierung kommt es, wenn große Mengen an Mineralstoffen in ein stehen-des Gewässer eingetragen werden. Nun tritt starkes Pflanzenwachstum, vor allem Algenwachstum („Algenblüte“), auf. Häufig vermehren sich Grünalgen oder Cyanobak-terien massenhaft. Das Zooplankton kann das während des Sommers entstandene Phytoplankton nicht verzehren. Abgestor-benes Plankton sammelt sich am Seeboden. Hier bildet sich eine Schlammschicht. Die großen Mengen organischer Stoffe werden von Destruenten unter Sauerstoffverbrauch zersetzt. Das führt zur Sauerstoffzehrung am Seegrund. Mit dem Einsetzen anaerober Abbauvorgänge entsteht Faulschlamm.

Dass es sich um ein eutrophiertes Gewässer handelt, zeigt Diagramm 1. Der Sauerstoffge-halt des Wassers ist ab etwa 11 Meter Was-sertiefe vor der Sanierungsmaßnahme null.

Beim Belüftungsverfahren wird im Bereich des Seegrunds Tiefenwasser mit Luft durchmischt. Ein System, bestehend aus einer gelochten Platte für den Luftaustritt und einer Glocke mit Steigrohr, bildet Blasen und erzeugt dabei eine Wasserströmung, sodass über die Oberflächen der Luftblasen viel Sauerstoff im Wasser gelöst wird. Überschüs-sige Luft steigt durch das Steigrohr auf und entweicht an der Wasseroberfläche. Das mit Sauerstoff angereicherte Wasser strömt über seitlich an der Glocke befindliche Ableitungen im Tiefenbereich des Sees zurück.

Durch die Sauerstoffanreicherung wird versucht, aerobe Abbauprozesse in Gang zu bringen und die anaeroben Prozesse, die

28 Ökologie

trocken

Waldkiefer

Stieleiche

Rotbuche

Schwarzerlenass sauer alkalisch

giftig wirkende Stoffe hervorbringen, zu stop-pen.

Dass die Sanierungsmaßnahme Erfolg hatte, zeigt Diagramm 1. Das Wasser enthält nun bis zum Seegrund Sauerstoff. Diagramm 2 zeigt, dass die Nettoproduktion der Wasserpflanzen nach der Sanierung geringer ist als vor der Sanierung, also der See weniger eutroph ist. Dagegen findet nun eine Nettoproduktion bis in eine Wassertiefe von ca. 13 Meter Tiefe statt, zuvor nur bis etwa 10 Meter.

Wenn das sauerstoffarme Tiefenwasser ab-geleitet wird, nimmt am Grund die Sauerstoff-konzentration wieder zu. Dadurch sind wieder aerobe Abbauvorgänge möglich; anaerobe Abbauprozesse werden gemindert oder gestoppt.

Das Belüftungsverfahren ist technisch aufwendiger und teurer als das Verfahren zur Tiefenwasserableitung. Außerdem kann beim Belüftungsverfahren giftstoffhaltiges Tiefen-wasser aufsteigen und sich mit dem Oberflä-chenwasser vermischen. Dadurch können Lebewesen, die sich in den oberen Bereichen des Sees aufhalten, beeinträchtigt werden.

Durch die Vermischung von giftstoffhaltigem Tiefenwasser mit dem Oberflächenwasser können Lebewesen, die sich in den oberen Bereichen des Sees aufhalten, beeinträchtigt werden.

Das Diagramm 4 zeigt, dass die Phosphat-konzentration in der Seekircher Ach seit 1984 über einen Zeitraum von 20 Jahren deutlich zurückgegangen ist, nicht jedoch die Phosphatkonzentration im Federsee. Daraus folgt, dass Phosphat auch aus einer anderen Quelle in den Federsee gelangt. Dies stützt die Vermutung, dass sich aus dem Seeboden ausgefälltes Phosphat zurücklöst.

Das Diagramm 3 zeigt, dass die Nitratkon-zentration im Federsee deutlich niedriger ist als in der Seekircher Ach. Jedoch nimmt die Nitratkonzentration im See in derselben Wei-se zu und ab, wie die Nitratkonzentration in der Seekircher Ach sich verändert. Es ist also davon auszugehen, dass die Nitratbelastung des Federsees von der Seekircher Ach mit verursacht wird.

Ökosystem Wald

Schülerbuch Seite 149

Erkläre, warum sich die Abfolge der Waldty-pen nach Norden und im Gebirge ähnelt.

— Da wesentliche Umweltfaktoren wie Tem-peratur und Dauer der Vegetationsperiode ähnlich sind, findet sich eine vergleichbare Struktur der Vegetation. Nach der letzten Eiszeit sind viele Arten aus Mitteleuropa nach Skandinavien und in die Alpen ausgewichen. Deshalb finden sich heute in den Alpen und in Skandinavien oft die gleichen Arten.

Begründe mit den Diagrammen der Randspal-te, warum die Waldkiefer unter natürlichen Bedingungen nur auf trockenen und nassen Standorten vorkommt.

— Unter natürlichen Bedingungen wird die Waldkiefer von Rotbuche, Stieleiche und Schwarzerle verdrängt und ist auf Standorte beschränkt, an denen sie gerade noch wach-sen kann.

Übertrage die natürlichen Vorkommen der Baumarten auf der Randspalte in ein einziges Diagramm (z. B. mit einer Folie). Was stellst du fest?

— Feststellungen: Die natürlichen Vorkommen der vier Arten

füllen alle möglichen Kombinationen der bei-den Umweltfaktoren aus (praktisch gesamte Diagrammfläche). Hier wird die Einnischung deutlich.

Teilweise gibt es Überschneidungen, das heißt es gibt Standorte, an denen mehrere Arten vorkommen können.

Waldkiefer

Stieleiche

Rotbuche

Schülerbuch Seite 152

Die Krautschicht im Buchenwald ist nicht das ganze Jahr über gut ausgebildet. Gib an, wann die Krautschicht gut entwickelt ist. Begründe deine Antwort.

— Die Krautschicht eines Buchenwaldes ist im Frühjahr besonders stark ausgebildet, da zu dieser Jahreszeit die Temperatur und die Sonneneinstrahlung am Waldboden das Wachstum von Kräutern begünstigt. Im Winter ist es zu kalt, im Sommer nehmen die Baumkronen zu viel Licht weg. Im Herbst kommt es teilweise nach dem Laubfall noch einmal zu einer Zunahme der Krautschicht, die allerdings geringer ausfällt als im Frühjahr.

Erkläre, warum es möglich ist, dass die Sum-me der Deckungsgrade aller Schichten mehr als 100 % ergibt (siehe Randspalte).

Ökologie 29

Schwarzerle

Blattlaus HonigbieneKommensalismus

Vorteil: Honigtau

Blattlaus SchlupfwespeParasitismus

Vorteil: Nahrung

Nachteil: Tod

— Keine Schicht absorbiert das Licht vollstän-dig. Durch Lichtstreuung können in einer un-teren Schicht auch dort Pflanzen Fotosynthe-se betreiben, wo direkt darüber schon Blätter sind. Diese Überlappung der Schichten ist dafür verantwortlich, dass die Summe aller Deckungsgrade über 100 % liegen kann.

Vergleiche die in der Randspalte abgebildeten Diagramme zum Deckungsgrad von Eichen-, Buchen- und Fichtenwald . Erläutere mit de-ren Hilfe Gemeinsamkeiten und Unterschiede.

— Gemeinsamkeiten:— In allen drei Waldtypen ist die oberste

Baumschicht (B1) am stärksten ausge-prägt. Dies gilt insbesondere für Buchen- und Fichtenwald.

Unterschiede:— Im Eichenmischwald sind durch den ge-

ringen Deckungsgrad der Baumschicht noch gut ausgeprägte Strauch-, Kraut- und Moosschichten möglich. Im Buchen- und Fichtenwald fehlt die Strauchschicht und die untere Baumschicht (B2).

— Im Buchenwald ist eine Krautschicht vorhanden, während die Moosschicht praktisch fehlt. Dies liegt am Laubfall, der im Frühjahr und Herbst das Wachstum von Kräutern ermöglicht und die Moose am Boden bedeckt.

— Im Fichtenwald findet sich neben der obe-ren Baumschicht nur eine nennenswerte Moosschicht. Diese kommen mit einer ganzjährigen Beschattung zurecht.

Erkläre anhand der Schichtung, warum ein Eichenmischwald mehr Tierarten enthält, als ein Fichtenwald.

— Je vielfältiger ein Ökosystem strukturiert ist, desto mehr Arten können darin leben (bio-zönotisches Grundprinzip, Einnischung). Die Vielfalt an Pflanzen bietet vielfältige Nahrung, Versteckmöglichkeiten und Brutplätze.

Schülerbuch Seite 153

Erkläre, inwiefern der Bau von Sonnen- und Schattenblatt auf die Lichtmenge passt.

— Eine intensive Sonneneinstrahlung kann durch ein mehrschichtiges Palisadengewebe besser genutzt werden. Die dicke Kutikula schützt bei starker Bestrahlung vor Austrock-nung.

Begründe mit dem Diagramm, warum Schat-tenpflanzen bei starker Beleuchtung Sonnen-pflanzen unterlegen sind.

— Schattenpflanzen weisen bei hoher Beleuch-tungsstärke eine deutlich geringere Fotosyn-theserate als Sonnenpflanzen auf. Dies hat ein langsameres Wachstum zur Folge.

Ein Baum in einem dichten Wald hat oft nur oben Blätter, während auf halber Höhe dürre Äste abstehen. Erkläre.

— Die Äste im unteren Bereich trugen Blätter, als der Baum noch kleiner war. Durch das Wachstum an der Spitze wurden die unteren Äste immer mehr beschattet. Schließlich entwickelten sich im unteren Bereich keine Blätter mehr und es blieben dürre Äste zu-rück.

Schülerbuch Seite 154

In der Randspalte ist die Wechselwirkung einer Symbiose schematisch dargestellt. Ent-wickle für Kommensalismus und Parasitismus ein ähnliches Schema.

— s. Abb. unten Formuliere das Konkurrenzausschlussprinzip

mit dem Begriff „ökologische Nische“.— Zwei Arten im selben Lebensraum können

nicht auf Dauer die gleiche ökologische Nische besitzen.

Beschreibe mithilfe der Grafik, wie sich die Nahrungsnischen von Sumpf-, Blau- und Kohlmeise unterscheiden.

— Die drei Arten suchen in der Regel in unterschiedlicher Höhe nach Insekten: Die Kohlmeise eher unten, die Sumpfmeise in der Mitte und die Blaumeise weiter oben. Es kommt allerdings zu Überlappungen. Dort, wo Blau- und Sumpfmeise gemeinsam nach Nahrung suchen, jagt die Sumpfmeise größere Insekten — und wo Kohlmeise und Sumpfmeise gemeinsam jagen, sucht die Sumpfmeise kleinere Insekten.

Schülerbuch Seite 155

Beschreibe den gegenseitigen Vorteil für die Mykorrhiza-Partner.

— Vorteil für den Baum: Bessere Versorgung mit Wasser und Mineralstoffen

Vorteil für den Pilz: Versorgung mit Fotosyn-theseprodukten vom Baum

Formuliere eine mögliche Fragestellung, die dem im Text genannten Experiment zugrunde lag?

— Mögliche Fragestellung: Wie wird das Wachs-tum von jungen Rotbuchen durch Mykorrhi-zapilze beeinflusst?

Kreuzblütler haben keine Mykorrhiza. Diese Familie umfasst viele Arten, die sich über Samen vermehren und schnell freie Flächen besiedeln. Erkläre den Zusammenhang.

— Bei der Neubesiedlung einer freien Fläche kann nicht davon ausgegangen werden, dass passende Mykorrhizapartner im Boden

30 Ökologie

vorhanden sind. Arten, die nicht auf eine Mykorrhiza angewiesen sind, haben daher oft einen Vorteil.

Begründe, warum die Champignonaufzucht von viel leichter möglich ist als die Aufzucht von Steinpilzen.

— Steinpilze sind Mykorrhizapilze und können daher nicht wie Champignons einfach auf to-tem organischem Material gezüchtet werden.

Schülerbuch Seite 156

Erkläre, warum nach längeren Trockenperio-den die Waldschäden zunehmen.

— Durch den sauren Regen stehen die Bäume unter Trockenstress. Dieser wird durch län-gere Trockenzeiten verstärkt. Schäden sind die Folge.

Informiere dich über Maßnahmen, die zu einer Senkung der Stickstoffemissionen beitragen könnten.

— weniger stickstoffhaltigen Mineralstoffdünger ausbringen.

Senkung der NOx-Emissionen durch Filteran-lagen und Verkehrseinschränkungen (Anmer-kung: Bei allen Verbrennungsprozessen mit atmosphärischer Luft entstehen Stickoxide).

Einsparung von Heizenergie durch Dämm-maßnahmen an Gebäuden.

Schülerbuch Seite 157 (Material)

Der abgebildete Pirol ernährt sich von Insek-ten und brütet im Sommer. Im Herbst zieht er weg. Im Winter kommen körnerfressende Sei-denschwänze aus dem Norden in den Wald.

Laubbäume entwickeln im Frühjahr Blätter und werfen diese im Herbst wieder ab. Dies stellt eine Angepasstheit an die guten Licht- und Feuchtigkeitsverhältnisse im Sommer und die Trockenheit im Winter dar.

Im Frühjahr nutzen Kräuter die zunehmende Temperatur und den Lichteinfall am Waldbo-den.

Farnpflanzen sind an schattige Standorte angepasst und wachsen auch im Sommer.

Schicht Lichtmenge im Frühjahr (in %)

Lichtmenge im Sommer (in %)

über den Kronen

100 100

obere Kro-nenschicht

100 13 50

untere Kro-nenschicht

71 85 2 6

Strauch-schicht

43 71 1 3

Krautschicht 43 71 0,5 1,5

Schicht Lichtmenge im Frühjahr (in %)

Lichtmenge im Sommer (in %)

über den Kronen

obere Kro-nenschicht

untere Kro-nenschicht

Strauch-schicht

Krautschicht

In tieferen Schichten kommt immer weniger Tageslicht an.

Im Winter kommen noch etwa 50 % des Ta-gesslichts in der Moosschicht an, im Sommer nur noch etwa 10 %.

Die dargestellten Kräuter blühen alle kurz vor dem Laubaustritt der Rotbuche.

Sonnenpflanzen haben nur im Frühjahr (oder Herbst) Blätter. Beispiele: Buschwindrös-chen, Scharbockskraut.

Schattenpflanzen besitzen fast ganzjährig Blätter. Beispiel: Sauerklee.

Ausgehend von einem alten Wald mit hohen Bäumen (Optimalphase) kommt es durch Überalterung und Windwurf zu Lichtungen (Zerfallsphase), auf denen erst schnell wach-sende Baumarten und schon vorhandener Jungwuchs wachsen (Verjüngungsphase). Da dies nebeneinander zu unterschiedlichen Zeiten geschieht, entsteht ein Mosaik von verschiedenen Phasen.

Schülerbuch Seite 158

Finde in Abb. 1 die längste Nahrungskette.— Fichte … Borkenkäfer … Ameise … Specht

… Habicht Nenne Tierarten, die nicht eindeutig einer

Nahrungsebene zugeordnet werden können.— Der Specht ist gleichzeitig Primär-, Sekundär-

und Tertiärkonsument.

Schülerbuch Seite 159

Begründe mit einer Energiebetrachtung, war-um Nahrungsketten nicht beliebig lang sind.

— Für höhere Ernährungsebenen steht immer weniger Energie zur Verfügung. Hinzu kommt, dass Konsumenten höherer Ordnung oft schwerer sind und ein größeres Revier zum Überleben brauchen. Nach den Tertiärkonsumenten sind daher kaum noch Ernährungsebenen möglich.

Erkläre, warum ein Luchs ein größeres Revier braucht als ein Reh.

— Der Luchs benötigt trotz des kleineren Körpers ein größeres Revier als das Reh, da er Fleischfresser ist und das Reh Pflanzen-fresser. Pflanzliche Nahrung ist bei gleicher Fläche in viel größerem Umfang vorhanden.

Ökologie 31

„Sekundärkonsumenten haben normalerwei-se ein größeres Revier als Primärkonsumen-ten.“ Begründe diese Regel. Findest du eine Ausnahme?

— Wenn Sekundärkonsumenten größer sind als ihre Beutetiere, müssen sie ein sehr viel größeres Revier haben, um genügend Nah-rung für den Aufbau der eigenen Biomasse zu finden. Ausnahme: Parasiten (z. B. Tierläuse) sind viel kleiner als ihr Wirt und benötigen daher auch nur ein kleines Revier (z. B. den Wirt).

Schülerbuch Seite 161

Begründe, warum im Boden höhere Koh-lenstoffdioxid-Konzentrationen gemessen werden als in der Luft.

— Aerob lebende Organismen, die im Boden organisches Material abbauen, benötigen Sauerstoff und geben Kohlenstoffdioxid ab.

Landwirte dürfen im Winter keine Gülle ausbringen. Erläutere, warum diese Regelung sinnvoll ist.

— Die ausgebrachten Phosphate und Nitrate können nicht von Pflanzen aufgenommen werden und würden ins Grundwasser ge-schwemmt.

Erstelle ein Schema für den Sauerstoffkreis-lauf.

Schülerbuch Seite 162

In Abbildung 1 ist keine Nahrungskette darge-stellt. Erläutere.

— Die aufgezählten Lebewesen dienen sich nicht nacheinander als Nahrung, sondern ernähren sich nacheinander von den Über-resten eines Blattes.

Beschreibe, wie durch Destruenten Nah-rungsketten zu Stoffkreisläufen werden.

— In Nahrungsketten werden Nährstoffe wei-tergegeben. Destruenten bauen Nährstoffe, die in Ausscheidungen und Überresten von Produzenten und Konsumenten enthalten sind, in Mineralstoffe ab, die dann Pflanzen wieder zur Verfügung stehen.

Begründe die Abnahme der Organismenzah-len in Abbildung 2.

— Die genannten Organismen sind nach unten hin immer größer und keine Destruenten, sondern Konsumenten.

Schülerbuch Seite 163

Erstelle ein Nahrungsnetz mit den hier be-schrieben Arten.

— s. Abbildung unten Begründe, welche Arten keine Destruenten

sind. Erstelle eine Tabelle.— Arten, die nicht von totem organischem

Material, sondern von lebenden Pflanzen und Tieren leben, sind keine Destruenten.

keine Destru-enten

Erdläufer, Raubmilben, Pseudoskorpione, Doppel-schwänze (z. T.)

Destruenten Weißwürmer, Schnurfüßer, Asseln, Hornmilben, Spring-schwänze, Doppelschwänze (z. T.), Fliegenlarven

Schülerbuch Seite 165 (Material)

Während der Eiszeit war Mittel- und Nordeur-opa waldfrei. Wälder gab es im Mittelmeerge-biet. Heute finden sich große Waldgebiete in

Pflanzen

Destruenten

Tiere

Sauerstoff

Kohlenstoffdioxid

Kohlenhydrate

Wasser

totes organisches Material

Weißwürmer Schnurfüßer SpringschwänzeAsseln Hornmilben

Erdläufer RaubmilbenFliegenlarven

Doppelschwänze Pseudoskorpione

32 Ökologie

Skandinavien und in den Mittelgebirgen. Der Mittelmeerraum ist stattdessen durch den Einfluss des Menschen nahezu waldfrei.

Während der Eiszeit lagen die monatlichen Durchschnittstemperaturen von Oktober bis April unter dem Gefrierpunkt und selbst im Juli stieg die Durchschnittstemperatur nur bis etwa 10°C. Die monatlichen Niederschläge fielen gering aus, nur im Sommer fielen über 20 mm pro m2 im Monat. Heute liegt die mo-natliche Durchschnittstemperatur immer über dem Gefrierpunkt und erreicht im August fast 20 °C. Gleichzeitig gibt es mehr Niederschlä-ge. In jedem Monat fallen mindestes 40 mm pro m2.

Die Zunahme von Temperatur und Nieder-schlägen spiegelt sich in der Vegetation wie-der. Nach der Eiszeit dominierten zunächst Birke, Weide und Waldkiefer. Das sind kälte-resistente Arten, die in der Tundra häufig sind. Etwa 5000 Jahre nach der Eiszeit finden sich vor allem Hasel und Eiche. Diese Arten sind eher wärmeliebend, vor allem die Eiche. Seit etwa 2000 Jahren ist die Rotbuche vorherr-schend, die sich bei ausreichenden Nieder-schlagsmengen gegen die Eiche durchsetzt.

Erstens: Die Bohrstelle enthält von Bäumen in der Nähe viel mehr Pollen als von weiter entfernten Bäumen. Um zufällige Effekte zu vermeiden, können mehrere Bohrungen an verschiedenen Stellen gemacht werden und verglichen werden.

Zweitens: Verschiedene Baumarten geben unterschiedlich viel Pollen ab. Insbesondere produzieren Windbestäuber (Birke, Kiefer, Hasel, ...) viel mehr Pollen als Insektenbestäu-ber (Ahorn, Linde, ...). Um von der Pollen-menge auf den tatsächlichen Baumbestand zu schließen, muss die Pollenmenge eines Baumes berücksichtigt werden.

Auf der Abbildung ist dargestellt, wie Schwei-ne in einem Buchenwald gehütet werden. Der Mann im Vordergrund ist vermutlich gerade dabei, einen Stock in die Baumkronen zu wer-fen, damit zusätzliche Bucheckern herunter-fallen und die Schweine mehr fressen können.

Durch die Übernutzung des Waldes kam der Jungwuchs nicht mehr hoch und die Wälder wurden zunehmend lichter. Per Gesetz wollte er wichtige Mastbäume schonen, damit deren Früchte eine Verjüngung des Waldes ermögli-chen. Letztlich strebte er damit eine nachhalti-ge Waldbewirtschaftung an.

Schülerbuch Seite 168

Beschreibe anhand der Abbildungen oben, wie sich die Vegetation auf der Fläche entwi-ckelte. Erkläre die Veränderungen.

— Im Jahre 1950 ist noch eine regelmäßig ge-mähte Wiese zu erkennen. Der einzige Baum auf der Fläche ist ein Bergahorn.

Im Jahr 1975 ist aus der ehemaligen Wiese eine Staudenvegetation hervorgegangen. Mehrjährige Kräuter (Stauden) bilden einen dichten Filz, der das Auskeimen von Baumsamen erschwert. Trotzdem haben sich inzwischen die ersten Bäume auf der Fläche angesiedelt. Links neben den Männern steht eine Fichte. Ansonsten haben sich Esche und Bergahorn angesiedelt.

1990 ist der Eschen- und Bergahorn-Jung-wuchs zu einem dichten Stangenholz aufge-wachsen. Die Fichte ist zu einem stattlichen Baum herangewachsen, der aber zunehmend von den Laubbäumen eingeengt wird. Der Boden ist dicht mit Laub belegt. Die Bäume stehen sehr dicht und Kräuter kaum zu erken-nen.

Wie wird der Hang wohl heute aussehen? Begründe deine Vermutung.

— Es ist zu erwarten, dass sich heute wenige Bäume durchgesetzt haben, sodass die Bäu-me weniger dicht stehen, dafür aber höher und dicker sind als im Jahr 1990. Vermutlich hat sich ein Laubmischwald entwickelt. Lang-fristig ist auf der Fläche ein Buchenmischwald zu erwarten.

Erstelle einen Heuaufguss, indem du abge-kochtes und wieder abgekühltes Wasser mit etwas Heu in ein großes Glas gibst. Decke das Gefäß mit Gaze ab und untersuche im wö-chentlichen Abstand die Lebewesen im Glas.

Protokolliere nach jeder Untersuchung die Veränderungen in der Artenzusammenset-zung.

— Individuelles Protokoll. Zu erwarten ist etwa folgende Sukzession:

Ökologie 33

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Planet Erde — Biosphäre

Schülerbuch Seite 171

Begründe, warum viele unserer Gartenpflan-zen aus Nordamerika oder Asien stammen und in unseren Wohnungen viele Pflanzen aus den Tropen gedeihen.

— Eine gemäßigte Zone wie in Europa findet sich auch im Osten von Nordamerika und Asi-en. Viele Pflanzen lassen sich gut innerhalb dieser Vegetationszonen austauschen. In Europa sind während den Eiszeiten viele Ar-ten ausgestorben, weil sie wegen den Alpen und dem Mittelmeer nicht nach Süden aus-weichen konnten. In Nordamerika war dies leichter möglich. So wachsen in Nordamerika heute viele Pflanzen, die vor den Eiszeiten auch in Europa vorkamen. Diese lassen sich mit Erfolg in unseren Gärten anpflanzen.

Die Vegetation in den Hochlagen der Alpen befindet sich zwar in der gemäßigten Zone, unterscheidet sich aber deutlich von der der Niederungen. Statt sommergrüner Laubwäl-der wachsen Nadelwälder. Erkläre, warum die Vegetation der Hochgebirge nicht in die jeweilige Zone „passt“.

— Mit zunehmender Höhe ändern sich viele klimatische Faktoren (Temperatur, Sonnen-einstrahlung, Dauer der Vegetationsperiode, Windstärke, ...). Unter anderem kommen Na-delbäume besser zurecht als Laubbäume. Die Vegetation unterscheidet sich deutlich vom Tiefland und erinnert eher an Nordeuropa.

Auch die Ozeane beherbergen unterschied-liche Ökosysteme. Informiere dich über Korallenriffe und Gezeitenzonen.

— Schlagworte für Korallenriffe: Korallen, Zooxanthellen, Great Barrier Reef, Atoll, Seychellen, Malediven, Korallenbleiche, ...

Schlagworte für Ökosysteme der Gezeiten-zonen: Watt, Mangroven, Ästuar (Flussmün-dung).

Schülerbuch Seite 173

Erkläre, warum Bezeichnungen wie „Grüne Lunge der Erde“ auf Tropenwälder nicht zutreffen und irreführend sind.

— In einem tropischen Regenwald wird nicht nur Sauerstoff durch die Fotosynthese von Pflanzen gebildet, sondern auch durch aerobe Abbauprozesse verbraucht. Ein tro-pischer Regenwald, der sich im ökologischen Gleichgewicht befindet, hat keine nennens-werte Nettoproduktion von Sauerstoff. (Anmerkung: Der hohe Sauerstoffgehalt der Atmosphäre ist vor allem historisch begrün-det. Immer wenn Fotosyntheseprodukte nicht abgebaut, sondern beispielsweise in Kohle oder Erdöl umgewandelt werden, ergibt sich ein Sauerstoffüberschuss.) Aller-dings verursachen großflächige Rodungen ein Ungleichgewicht, da dann Abbauprozes-se überwiegen und dementsprechend der

Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre erhöht wird.

Begründe, warum der Regenwald auf einer größeren Kahlschlagfläche unwiederbringlich verloren ist.

— Mineralstoffe werden durch Regen schnell aus dem Oberboden ausgewaschen. Da-durch wird neues Pflanzenwachstum behin-dert und Erosion begünstigt.

Wie können Tropenwälder am besten geschützt werden? Was spricht für einen Boykott von Tropenholz, was für den Kauf von FSC-zertifizierten Produkten?

— Im Prinzip könnte ein umfassender Boy-kott von Tropenholz die Nachfrage so weit senken, dass keine großen Waldgebiete ab-geholzt werden. Es besteht aber die Gefahr, dass so ein Boykott nicht von ausreichend vielen Menschen und Firmen unterstützt wird und durch die geringe Nachfrage lediglich der Holzpreis sinkt. Das kann zur Folge haben, dass in den Tropen verstärkt Holz geschlagen wird, um den Lebensunterhalt der Einhei-mischen zu sichern. Durch Zertifikate wird versucht, Interessen der Umwelt und der Einheimischen zu verbinden. Ziel ist es, auf Plantagen Holz anzubauen und mit einem entsprechenden Siegel zu verkaufen. Damit könnten die verbliebenen Wälder geschont werden, die Menschen vor Ort hätten ihr Auskommen und der Holzmarkt könnte mit Tropenholz beliefert werden. Allerdings muss dabei sichergestellt sein, dass das Zertifikat von unabhängigen Instituten wirkungsvoll überprüft wird.

Schülerbuch Seite 175

Wie würde sich eine Wacholderheide entwi-ckeln, wenn keine Pflegemaßnahmen stattfin-den würden?

— Auf der Fläche würden bald mehrjährige Kräuter (Stauden) heranwachsen und der Wacholder überhand nehmen. Durch das Aufkommen von einzelnen Bäumen und zunehmende Verbuschung wäre zunächst ein dichtes Gebüsch und schließlich ein Wald zu erwarten. Durch die Beschattung von größe-ren Bäumen geht der Wacholder zurück.

Mache Vorschläge, wie Freizeitverhalten und Naturschutz vereinbar sind.

— Wichtig ist eine Besucherlenkung durch eine geeignete Wegeführung, doch die Besucher müssen sich dann auch an die ausgeschilder-ten Wege halten.

Besonders sensible Stellen müssen ge-schützt werden (z. B. wichtige Felsen, Moore, ...), aber weniger sensible Flächen sollten dann auch für Freizeitaktivitäten und Erho-lungssuchende freigegeben werden, sofern dies vertretbar ist.

Ein beispielhafter Kompromiss wurde am Schaufelsen im oberen Donautal erreicht. Hier stritten Kletterer und Naturschützer über Jahre hinweg um die Regelungen, die in den Jahren 1994 und 1996 getroffen wurden.

34 Ökologie

Kletterer fühlten sich über Gebühr einge-schränkt und Naturschützer kritisierten, dass die Regelungen nicht ausreichend beachtet wurden. 2006 wurde ein neuer Kompromiss vereinbart. Die Zahl der freien Routen wurde von 26 auf 93 erhöht. Die neuen Routen liegen aber in weniger bedeutsamen Bereichen und enden unterhalb bedeutender Grasbänder. Umlenkhaken machen das Aussteigen über die Felsköpfe überflüssig. Zwei Sektionen des Deutschen Alpenvereins (DAV) und die IG Klettern Donautal haben Felspaten-schaften übernommen und sorgen für die praktische Umsetzung der neuen Regelung. Dadurch haben Kletterer viel mehr Möglich-keiten und erste ökologische Untersuchun-gen belegen, dass wichtige Flächen dennoch wirkungsvoll geschützt sind.

Schülerbuch Seite 177

Erkläre, unter welchen Voraussetzungen ein-geschleppte Arten zu einem Problem werden können.

— Wenn sich eingeschleppte Arten selbststän-dig ausbreiten und wenig natürliche Feinde haben, können sie sich stark ausbreiten und damit zu einem Problem werden.

Erläutere, warum invasive Arten auf Inseln besonders gefährlich sind.

— Ökosysteme auf (kleineren) Inseln besitzen oft nur ein eingeschränktes Artenspektrum. Eingeschleppte Arten können dieses labile Gleichgewicht stark stören. Insbesondere fehlen auf Inseln häufig wirkungsvolle Raub-tiere, sodass sich auch Arten halten kön-nen, die für Raubtiere des Festlandes eine leichte Beute wären. Durch eingeführte und verwilderte Hunde sind solche Arten stark gefährdet.

Vergleiche die Ausbreitung von invasiven Ar-ten mit einer Virusinfektion. Notiere Gemein-samkeiten und Unterschiede.

— Bei Beginn einer neuen Virusinfektion können sich Viren im Körper schnell ausbreiten. Das Immunsystem des Körpers hat noch keine wirkungsvollen Abwehrmechanismen entwi-ckelt. Erst wenn der Erreger erkannt ist und durch spezifische Abwehrzellen bekämpft wird, sinkt die Virenbelastung. Ähnlich kann sich eine neue Art, die noch keine Feinde hat, in einem neuen Ökosystem zunächst schnell ausbreiten. Entscheidend ist, dass rechtzei-tig Krankheitserreger oder andere Feinde für eine Begrenzung der Populationsgröße sorgen.

Gemeinsamkeiten Unterschiede

zunächst schnelle Ausbreitung, Gleich-gewicht wird gestört, Gefahr, wenn keine Eindämmung erfolgt.

Viren sind keine Lebe-wesen. Viren wird der Körper oft wieder los, eingeschleppte Arten bleiben oft.

Schülerbuch Seite 179

Erläutere die Aussage der Randspalte auf Seite 178.

— Es kommt eigentlich nicht darauf an, wie viel Menschen auf der Erde leben, sondern wie viel Energie die Menschheit verbraucht und woher sie dieser Energie bezieht.

Mache weitere Vorschläge, wie du selbst Energie sparen kannst.

— Hier sind viele Vorschläge möglich. Beispiele: Fahrradtour statt Flugreise, Bahnfahrt statt Autofahrt, weniger Konsumgüter kaufen und wenn, dann möglichst langlebige Produkte, neben Bio-Lebensmitteln auch ökologisch hergestellte Kleidung kaufen, Strom sparen, indem Geräte nicht auf stand-by betrieben und möglichst Energiesparlampen benutzt werden, statt einem Döner mit argentini-schem Rindfleisch besser eine vegetarische Bio-Pizza essen, ...

Schülerbuch Seite 181

Vergleiche den Treibhauseffekt von Auto und Atmosphäre.

Auto Erde

eintreffende Strahlung

Sonnenstrah-lung

Sonnenstrah-lung

Absorption von Infra-rotstrahlung durch

Glas Treibhaus-gase

Temperatur-anstieg

kurzfristig (Stunden)

langfristig (Jahre)

Abkühlung durch

Abstrahlung, Konvektion

Abstrahlung

Erläutere, warum die schlimmsten Folgen der Erderwärmung vermutlich nicht die Hauptver-ursacher treffen werden.

— Die meisten Industrieländer liegen in der gemäßigten Zone. Die Folgen der Erder-wärmung werden hier wahrscheinlich hohe Kosten verursachen, aber die Industrienati-onen nicht in ihrer Existenz bedrohen. Ganz anders ist die Situation in Dürregebieten in Afrika. Hier kann eine geringe Erderwärmung zur Ausbreitung von Wüsten führen und die Existenz von Millionen Menschen bedrohen.

Schülerbuch Seite 183

Beschreibe mithilfe von Abb. 182.1, wie sich das Ozonloch über der Antarktis entwickelt hat. Vergleiche die Entwicklung mit der Ozon-konzentration über dem Hohenpeißenberg bei München (Abb. 182.3).

— Von 1979 bis 2000 verringerte sich die Ozon-konzentration über der Antarktis und die Aus-dehnung des Ozonlochs nahm zu. Nach einer vorübergehenden Besserung im Jahr 2002 stieg das Ozonloch wieder an und erreichte

Ökologie 35

2006 seine bis dahin größte Ausdehnung. Die Abbildung 3 zeigt, dass auch die Ozon-konzentration über dem Hohenpeißenberg bei München abgesehen von Schwankungen immer weiter sinkt.

Wie kannst du dich vor einer zu starken UV-Belastung schützen? Nenne Verhaltensre-geln.

— Kopfbedeckung und zur Not lange Kleidung und tragen;

sich vor allem in den Nachmittagsstunden nicht unnötig in der Sonne bleiben;

Sonnenschutz mit ausreichendem Licht-schutzfaktor auftragen;

auf Sonnenbäder und Solariumsbesuche verzichten.

Schülerbuch Seite 183 (Zettelkasten)

Erkläre, warum das Ozonloch über der Antarktis am größten ist, obwohl die meisten „Ozonkiller“ auf der Nordhalbkugel (USA, Eu-ropa) emmitiert werden.

— Die ozonschädlichen Substanzen verteilen sich in der Atmosphäre und erreichen auch die Südhalbkugel. Über der Antarktis liegen besondere klimatische Bedingungen vor, die den Ozonabbau in der Stratosphäre begüns-tigen. Ein Grund ist die extreme Kälte der Polarnacht, die zur Bildung stratosphärischer Wolken (polar stratospheric clouds, PSC) führt. An der Oberfläche von Wolkenpartikeln (Kristalle aus Schwefel- oder Salpetersäure) laufen komplizierte chemische Reaktionen ab, die letztlich den Ozonabbau fördern. Ein weiterer Grund ist ein wirbelförmiges Windsystem, das sich in der Polarnacht aus-bildet und nahezu einen abgeschlossenen Reaktionsraum bildet, da der Luftaustausch mit benachbarten Luftschichten einge-schränkt ist. Innerhalb des Polarwirbels kann sich sehr viel Chlor anreichern. Wenn dann im antarktischen Frühjahr die Sonne zurück-kommt, wird besonders viel Ozon abgebaut. Allerdings bringt die Frühjahrssonne auch den Polarwirbel zum Erliegen, so dass auch wieder eine Vermischung mit ozonreicheren Luftschichten stattfindet. Außerdem wird bei verstärkter Sonneneinstrahlung auch wieder Ozon gebildet. Deshalb ist das Ozonloch über der Antarktis zu Beginn des Polarfrüh-lings (Oktober) besonders groß. Über der Nordhalbkugel sind die Temperaturen nicht so extrem wie in der Antarktis und querlie-gende Gebirge verhindern die Ausbildung eines Polarwirbels. Daher ist das Ozonloch über der Arktis kleiner.

Schülerbuch Seite 185

Beschreibe und begründe den Verlauf der Ozonkonzentrationen in Abb. 184.2.

— Vormittags steigt die Ozonkonzentration an, abends sinkt sie wieder. Die Spitzenwerte sind ähnlich hoch, die Tiefstwerte in den frühen Morgenstunden liegen in Stuttgart

unter 50 µg/m und im Welzheimer Wald über 100 µg/m. Das liegt daran, dass in Stuttgart durch den Verkehr mehr Vorläufersubstanzen in der Luft sind. Dadurch wird Ozon vormit-tags schneller gebildet und nachts schneller abgebaut (siehe Kasten auf S.185).

Erkläre, warum die Anzahl der Tage mit Ozonalarm gesunken ist und gleichzeitig die Jahresmittelwerte gestiegen sind.

— Die Jahresmittelwerte werden stark von den Methan- und Kohlenstoffmonooxid-Kon-zentrationen der Atmosphäre bestimmt. Die Spitzenwerte hängen stark vom Wetter und von den Vorläufersubstanzen ab. Letztere wurden nach 1990 durch die Einführung von Katalysatoren und Gasrückführungssysteme an Tankstellen spürbar reduziert.

Recherchiere und protokolliere eine Woche die Ozonwerte für deine Stadt, z. B. unter www.wetter.com oder www.umeg.de. Versu-che, den Verlauf zu erklären.

— Ozonwerte finden sich im Internet bei der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz, Baden Württemberg (www.lubw.baden-wuerttemberg.de) oder häufig bei Wetterdiensten.

Schülerbuch Seite 186 (Praktikum)

Hinweise:Als Ozonquelle dient ein Ozonisator, der nach folgendem Schema zusammengebaut wird. Die erforderlichen Geräte sind in den meisten Che-mie-Sammlungen der Schulen vorhanden.Im Lehrmittelbedarf werden ebenfalls Ozonquel-len angeboten. Darunter auch Geräte, bei denen das Ozon mit einer UV-Lampe erzeugt wird.

Der Ozonisator ist eine Anordnung, in der durch eine Hochspannung ein Lichtbogen (Funken-überschlag) erzeugt wird. Lässt man durch diese Anordnung reinen Sauerstoff aus der Gasflasche strömen, wandelt sich am Lichtbogen Sauerstoff in Ozon um und aus der Apparatur strömt Ozon.Achtung: Der Ozonisator darf nur unter dem Abzug benutzt werden!

individuelle Lösungen Beobachtung: Während die Stelle, die mit

Sauerstoff behandelt wurde, unverändert bleibt, wird die Stelle vor der Austrittsöffnung des Ozons heller. (Dies ist nicht bei allen Luftballons gleich deutlich zu sehen)

Erklärung: Das Ozon hat den Gummi des Luftballons chemisch angegriffen (starke Oxidationswirkung).

Streng genommen gilt das Versuchsergebnis nur für den Gummi des Luftballons. Zudem

Hochspannungca. 6000 V

LichtbogenGlaskolben

Elektrode

O2O3

36 Ökologie

wurde die entsprechende Stelle einer sehr hohen Ozonkonzentration ausgesetzt. Das Ergebnis lässt sich daher nicht direkt auf Pflanzen und Lungenbläschen übertragen, aber eine Schädigung von Organen durch hohe Konzentrationen scheint möglich.

Beobachtung: Die Kresse im Ozonhaltigen Glas wächst schlechter. Folgerung: Auch hier sollte das Versuchsergebnis nicht leichtfertig verallgemeinert werden. Zumindest Kresse-keimlinge werden bei sehr hohen Ozonkon-zentrationen geschädigt. Für andere Pflanzen ist eine ähnliche Schädigung wahrscheinlich. Das Experiment beweist aber nicht, dass leicht erhöhte Ozonkonzentrationen alle Pflanzen schädigen.

Die bestrahlte Kresse keimt schlechter. Auch hier sollte das Versuchsergebnis nur vorsichtig auf andere Pflanzen und andere Bestrahlungsintensitäten übertragen werden. Es ist durchaus denkbar, dass bei anderen Pflanzenarten eine geringe UV-Strahlung keine schädigende Wirkung zeigt.

Die UV-Perlen werden durch die Sonnen-milch vor einem großen Teil der UV-Strahlung geschützt und leuchtet weniger stark.

Siehe Lösung Aufgabe 8. Auf der bestrahlten Fläche wachsen keine

oder kaum Bakterienkolonien heran. Damit wird gezeigt, dass die verwendeten Bakteri-en UV-empfindlich sind. Das Ergebnis lässt sich vermutlich auf alle Bakterien (Einzeller) übertragen, stößt aber bei Mehrzellern mit UV-undurchlässigen Abschlussgeweben an Grenzen.

Auf dem Fluoreszenzschirm sind schwache Schlieren bzw. Schatten erkennbar. Der Versuch zeigt, dass Ozon UV-Strahlung absorbiert.

Schülerbuch Seite 188 (Material)

Energieverbrauch durch Produktion: 19,7 GJ + 6,6 GJ + 9,0 GJ = 35,3 GJ Energiegewinn: 34,0 GJ + 2,1 GJ + 49 GJ = 85,1 GJ Energiegewinn: 85,1 GJ — 35,3 GJ = 49,8 GJ Vorteile: Sprit aus nachwachsendem Roh-

stoff, klimaschädliches CO2 wird eingespart. Nachteile: nur die Samen werden verwendet,

die Anbaufläche wird intensiv bewirtschaftet, ist ökologisch uninteressant und begrenzt.

Auch in der Pflanzenmasse der Blätter und Stängel befinden sich energiereiche Verbin-dungen und damit gespeicherte Energie. Beim Abbau in einer Biogasanlage könnte die ganze Pflanze Verwendung finden. Die Energieausbeute wäre größer.

Die Verwendung von Mehrweg-Glasflaschen spart Müll. Durch die Abgase der Transporte und die Reinigung der Flaschen treten aber Umweltbelastungen auf, die bei einer leichten Einmalverpackung geringer sind.

Die Tabelle zeigt, dass beim Spülen von Hand der Wasserbedarf zwar sehr unterschiedlich

sein kann, aber immer deutlich höher als beim Spülen mit der Waschmaschine. Allerdings ist in dieser Tabelle die Wirkung des Wasch-mittels auf die Umwelt und die Herstellungs-, Transport- und Wartungskosten nicht einbe-rechnet.

Wenn wir unser Trinkwasser nicht im Laden kaufen, sondern aus dem Wasserhahn bezie-hen würden, könnten viele Transporte gespart werden. Allerdings haben viele Menschen Be-denken, dass das Leitungswasser über eine gute Trinkwasserqualität verfügt. Auf dem Weg vom Wasserwerk bis ins Haus können schädliche Stoffe oder Keime die Wasser-qualität beeinträchtigen. Wer sicher sein will, muss Wasserproben aus dem Wasserhahn in einem Labor prüfen lassen.

Ökologie 37

le erfolgte die Anpassung der Säugetiere, die so nach und nach die frei gewordenen Nischen besetzen konnten. Aufgrund der unterschiedlichen Selektionsbedingungen in den ökologischen Nischen sind zahlreiche neue Säugetierarten entstanden.

Schülerbuch Seite 198 (Material)

Bei einem Gehalt von 5 Vol-% und mehr Koh-lenstoffdioxid in der Atemluft wirkt das Koh-lenstoffdioxid giftig, obwohl noch genügend Sauerstoff in der Atemluft enthalten ist.

Ein Dieselmotor benötigt für die Verbren-nung des Kraftstoffes Sauerstoff, der in U-96 nicht zur Verfügung stand. Daher wurden als Antrieb Elektromotoren verwendet, deren Batterien in aufgetauchtem Zustand aufgela-den wurden.

Eine Anlage zur Aufbereitung von Luft muss in der Lage sein, das Kohlenstoffdioxid, das die Menschen ausatmen, aus der Luft zu entfer-nen und durch Sauerstoff zu ersetzen. Dazu wäre es nötig einen Sauerstoffvorrat in dem U-Boot mitzuführen.

Wesentlich besser wäre es, wenn man aus dem Kohlenstoffdioxid durch Reduktion den Sauerstoff zurückgewinnen könnte. Folgende Grafik zeigt den grundsätzlichen Zusammen-hang.

LUFT

Kalkwasser ist eine wässrige Lösung aus Cal-ciumhydroxid, die entsteht, wenn Calciumoxid in Wasser gelöst wird.

Calciumhydroxid reagiert mit Kohlenstoff-dioxid unter Bildung von schwerlöslichem Calciumcarbonat und Wasser.

Reaktionsgleichung:

Ca(OH)2 + CO2 … CaCO3 + H2O oder: CaO + CO2 … CaCO3

Durch diese Maßnahme wird das in höherer Konzentration giftig wirkende Kohlenstoffdi-oxid aus der Atemluft entfernt. Das löst aber nicht das Problem der sinkenden Sauerstoff-menge.

Bei beiden Vorgängen wird Wasser in Was-serstoff und Sauerstoff zerlegt. Für diese Vorgänge wird Energie benötigt. Im Fall der

Matrose

KohlenstoffdioxidSauerstoff

Luftaufberei- tungsanlage

38 Ökologie

Die Artenvielfalt

Schülerbuch Seite 195

Fasse DARWINS Betrachtungen, die er im zitier-ten Text beschreibt, zusammen.

— Darwin beschreibt in Kapitel 1, dass die Gesetze der Vererbung der verschiedenen Merkmalsausprägungen (Variationen) unbe-kannt sind. In Kapitel 10 betrachtet er die Ver-wandtschaft zwischen ausgestorbenen und lebenden Arten. Er kommt zu dem Schluss, dass sie alle Teil eines natürlichen Systems sind, das sich am besten durch Abstammung, d. h. Verwandtschaft erklären lässt.

Nimm zu folgender Aussage Stellung: „Es gibt genau so viele Arten, wie es ökologische Nischen gibt.“

— Die Lebewesen sind durch Selektionsprozes-se an ihre jeweiligen ökologischen Nischen optimal angepasst. Das bedeutet, dass eine Nische nur von einer Art besetzt werden kann. So muss es genau so viele ökologische Nischen wie Arten geben.

Schülerbuch Seite 197

Afrika und Südamerika bildeten ursprüng-lich eine zusammen hängende Landmasse. Durch die Kontinentalverschiebung, die vor etwa 65 Millionen Jahren begann, wurden die beiden Kontinente voneinander getrennt. Das afrikanische Dromedar und die Lamas aus Sü-damerika sind verwandte Arten. Erkläre, wie diese beiden Arten entstanden sein könnten.

— Da Dromedare und Lamas miteinander ver-wandt sind, haben sie gemeinsame Vorfah-ren. Diese lebten in der Zeit vor 65 Millionen Jahren auf der zusammenhängenden Land-masse. Durch die Kontinentalverschiebung sind ihre Populationen voneinander getrennt worden. Die Vorfahren kamen auf den vonei-nander getrennten Kontinenten vor. Auf ihnen herrschten unterschiedliche Umwelt-bedingungen. Daher unterlagen die Vorfah-ren der Lamas und Dromedare unterschiedli-cher Selektion. Im Wettbewerb („struggle for life“) setzten sich diejenigen Merkmale durch, die an die jeweiligen Umweltbedingungen am besten angepasst waren. Das führte im Verlauf vieler Generationen dazu, dass auf den verschiedenen Kontinenten zunächst unterschiedliche Rassen und dann verschie-dene Arten entstanden, wie das Lama in Südamerika und das Dromedar in Afrika.

Vor etwa 65 Millionen Jahren starben die Sau-rier aus und die Säugetiere begannen sich un-ter vieler Familien und Gattungen auszubrei-ten. Erkläre den Zusammenhang zwischen dem Aussterben der Saurier und der danach folgenden Ausbreitung der Säugetiere.

— Als die Saurier ausstarben, wurden viele ökologische Nischen frei. Die Säugetiere konnten sich ausbreiten. Durch Selektion der für die jeweilige Nische geeigneten Merkma-

Fotolyse stammt sie aus der Energie des Lich-tes und im Fall der Elektrolyse aus der Energie der Spannungsquelle.

Die Biosphäre 2 war energetisch offen. Sie erhielt die Energie für die Fotosynthese aus der Energie des Sonnenlichts. Stofflich war die Biosphäre 2 geschlossen. Biosphäre 2 ist daher ein geschlossenes System.

U-96: Das getauchte Boot, das sich ruhig bei aus-

geschaltetem Antrieb unter Wasser befindet, gibt weder Energie nach außen ab noch wer-den Stoffe mit der Umgebung ausgetauscht. Es ist ein isoliertes System. Wenn es sich un-ter Wasser fortbewegt, wird Energie über die Schiffsschraube auf die Umgebung übertra-gen. U-96 ist in diesem Fall ein geschlossenes System.

U-Boot mit Schnorchel Der Schnorchel dient der Versorgung mit

Atemluft. Über den Schnorchel kommt es auch zum Austausch von thermischer Ener-gie. Diese U-Boote sind offene Systeme.

Moderne atomgetriebene U-Boote Sie geben bei Bewegung, wie alle U-Boo-

te, Energie über den Schiffsantrieb an die Umgebung ab. Sofern sie keine Stoffe mit der Umgebung austauschen, sind sie geschlos-sene Systeme.

ISS Sie erhält ihre Energie aus dem Licht der Son-

ne und wird von der Erde mit Stoffen versorgt. Der Müll wird an die Umgebung abgegeben. Die ISS ist ein offenes System.

Eine Raumstation benötigt Energie, die sie aus dem Licht einer Sonne erhält und die über Sonnenkollektoren in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Zur Versorgung der Menschen mit Nahrungsmitteln ist es erforderlich Pflanzen anzubauen, die den benötigten Sauerstoff zum Atmen liefern. Die zur Pflanzenproduktion benötigte Energie stammt ebenfalls aus der Sonne.

Die Abfälle und die Fäkalien der Bewoh-ner müssen kompostiert werden, um die Mineralstoffe wieder in den Kreislauf zurück zu führen. Alle Stoffe, wie Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Wasser und Nahrung, müssen dauerhaft in Kreisläufen umgesetzt werden. Die dazu nötige Energie stammt aus der Energie des Sonnenlichts. Die beschriebene Station ist energetisch offen, stofflich aber geschlossen. Es handelt sich in diesem Fall um ein geschlossenes System.

In künstlichen Überlebensräumen benötigen die Menschen Nahrung, die sie entweder selber erzeugen oder sich von außen liefern lassen. In jedem Fall wird die Nahrung von Pflanzen, den Produzenten, erzeugt. Die Menschen sind die Konsumenten.

Viele Tiefseetiere ernähren sich von orga-nischer Substanz, die von der belichteten oberen Meereszone in die Tiefsee absinkt. Diese Tiefseetiere profitieren indirekt von den Produzenten aus der belichteten oberen Meereszone.

In der Tiefsee gibt es auch autotrophe Mikro-organismen, die Energie nicht aus dem Licht der Sonne, sondern über chemische Reakti-onen gewinnen. Solche Organismen können als Produzenten am Anfang von Nahrungsket-ten in der Tiefsee stehen.

Innerhalb einer Nahrungskette stehen von einer Nahrungsebene zur nächsten nur noch 10 % der Energie zur Verfügung. Tilapias sind Pflanzenfresser. Sie sind in der Lage etwa 10 % der Energie aus der Pflanzennahrung in ihrem Körper als Körpermasse und damit als Nahrung für den Menschen zu speichern. Forellen dagegen sind Raubfische, die in ihrer Körpermasse wiederum 10 % der Energie die sie über die Nahrung aufnehmen in ihrer Körpermasse speichern. Für den Fall, dass sie einen Pflanzenfresser fressen wird nur 1% der ursprünglichen Energie der Produzenten (der Pflanzen) in Körpermasse umgesetzt. Die Ernährung der Menschen mit Pflanzen fressenden Tilapias ist energetisch gesehen etwa zehnmal effektiver als wenn sich die Bionauten von Forellen ernähren würden. Am effektivsten ist es aus energetischer Sicht, sich von Pflanzen zu ernähren.

In der Elterngeneration 1 kommen dunkle und helle Tiere im Verhältnis 1:1 vor, ebenso bei deren Nachkommen 1. Durch bestimmte Umweltfaktoren besitzen dunklere Phänoty-pen eine erhöhte Überlebens- und Fortpflan-zungschance als die helleren Typen. Dunkle Tiere sind „fitter“ und werden im „struggle for life“ von der Selektion bevorzugt. Daher verändert sich das Verhältnis in der nächsten Generation (Nachkommen 2). Die dunklen Phänotypen sind doppelt so häufig wie die hellen. In Folge weiterer Selektion beträgt in der Elterngeneration 3 das Verhältnis der dunklen zu den hellen Phänotypen 5 : 1.

Es ist anzunehmen, dass sich die Tiere meist auf einem dunklen Untergrund aufhalten. Dunklere Phänotypen sind besser an den Untergrund angepasst als die hellen Phänoty-pen. Sie werden nicht so leicht von Fressfein-den erbeutet wie hellere Tiere. Sie besitzen dadurch einen Selektionsvorteil.

Viele Stoffe werden im Sediment abgelagert. Tiefere Sedimentschichten sind älter als die oberen. Untersucht man Schicht um Schicht, so lässt sich die Geschichte der Stoffablage-rungen verfolgen. Man kann so einen länger zurückliegenden Schadstoffeintrag etwa durch Schwermetalle in einer tieferen Sedi-mentschicht auch nach längerer Zeit noch nachweisen. (Es muss dabei berücksichtigt werden, dass das Sediment ein Lebensraum für viele Tiere ist und dass zahlreiche chemi-sche Umsetzungen stattfinden).

Die Löslichkeit von Schwermetallsalzen in Wasser ist abhängig vom pH-Wert. Ab einem bestimmten pH-Wert lösen sich die Schwer-metallsalze in Wasser. Schwermetallsalze sind zwischen pH 7 und pH 9 in Wasser schwer lös- lich sind. Im sauren Bereich nimmt mit sinken-den pH-Werten die Wasserlöslichkeit zu.

Ökologie 39

Durch den sauren Regen sinken die pH-Werte in den Gewässern. Dadurch gehen giftige Schwermetallsalze in Lösung.

Je nach Alter und damit nach Körpergröße ha-ben die Herzmuscheln unterschiedliche Fein-de. Haben die Muscheln das dritte Lebensjahr erreicht, ohne gefressen zu werden, sind sie für ihre Fressfeinde mit einem Durchmesser von ca. 3cm zu groß um noch als Beute dienen zu können.

Der große Brachvogel besitzt einen sehr langen Schnabel, mit dem er den tief im Watt lebenden Wattwurm gut aus seiner Wohnröh-re ziehen kann.

Der Austernfischer hat einen kürzeren Schna-bel, mit dem er die eingegrabene Herzmu-schel und Seeringelwurm erreicht.

Schlickkrebse und Wattschnecken leben in der obersten Schicht des Watts, wo sie dem Sandregenpfeifer, der einen kurzen spitzen Schnabel besitzt, als Beute dienen.

Neben der Anpassung der Schnäbel an die Ernährungsweise sind die langen Beine eine Anpassung an das Leben im Watt. Die Beine sind umso länger, je näher die Vögel an der Wasserkante nach Nahrung suchen.

Stelle anhand der Informationen auf dieser Seite möglichst lange und möglichst kurze Nahrungsketten zusammen.

Das Wattenmeer wird als Erholungsraum und für den Fischfang genutzt. Es ist ein Lebens-raum für viele Organismen.

Mögliche Konflikte: Windparks, Erdölförderung, Sand und Kiesab-

bau, Ablagerungen z. B. von Bauschutt.

Großer Brachvogel Sandregenpfeifer

Wattringelwurm

Miesmuschel

Kieselalgen

Wattschnecken

Kieselalgen

40 Ökologie

41

NETZ — NETZ — NETZ — NETZPrinzip: Zelluläre Organisation

Schülerbuch Seite 200

Untersuche die Beispiele daraufhin, ob die genannten Zellen spezialisiert sind oder nicht.

— Einzeller, sowohl Pro- als auch Eukaryoten, müssen alle Lebensfunktionen innerhalb der Zelle ausführen. Sie können daher nicht spezialisiert sein.

Zellkolonien wie Gonium sind ebenfalls nicht spezialisiert, da jede ihrer Einzelzellen in der Lage ist, wieder eine komplette Kolonie zu bilden.

Eudorina oder Pleodorina zeigen Spezi-alisierungen in Bezug auf Bewegung und Fortpflanzung. Die Zellen in Geweben und Organen sind hochgradig auf eine bestimmte Funktion spezialisiert. Sie sind auch meist nicht mehr teilungsfähig.

Embryonale Stammzellen können alle mögli-chen Typen von Zellen bilden. Sie sind daher nicht spezialisiert.

Adulte Stammzellen sind zwar teilungsfähig, sind aber nur auf die Bildung eines bestimm-ten Zelltyps spezialisiert.

Beschreibe die Arbeitsteilung innerhalb von Einzellern und innerhalb von vielzelligen Orga-nismen.

— Die Arbeitsteilung innerhalb eines Einzellers erfolgt durch die Organellen, die in der Zelle abgeschlossene Räume (Kompartimente) bilden, wie zum Beispiel Mitochondrien oder Chloroplasten.

In vielzelligen Organismen erfüllen die Orga-ne und in ihnen die Gewebe ganz bestimmte Funktionen.

Beschreibe die Strukturen, die allen Zellen gemeinsam sind und die zur Mindestausstat-tung einer unabhängigen, lebensfähigen Zelle gehören.

— Plasmamembran, Zellwand (bei Pflanzen), Mitochondrien, Chloroplasten (bei Pflanzen), Zellkern (Beschreibung s. Schülerbuch Seite 16).

Mycoplasmen sind die kleinsten bekann-ten prokaryotischen Einzeller. Sie sind im Vergleich zu anderen Bakterien sehr einfach gebaut und besitzen u. a. auch viel weniger Ribosomen. Erkläre diesen Befund.

— Einfach gebaute Zellen haben (vermutlich) einen einfacheren Stoffwechsel als die größeren Bakterien. Somit werden weniger Enzyme oder allgemein weniger Proteine in der Zelle benötigt. Für eine geringe Rate der Proteinbiosynthese ist eine geringe Zahl von Ribosomen ausreichend.

Viele Antibiotika entfalten ihre Wirkung an den Zellwänden von Bakterien. Mycoplasma pneu-moniae oder Pneumokokken sind Erreger von Lungenentzündung. Pneumokokken lassen sich meist gut mit Penicillin bekämpfen, bei Mycoplasma wirkt es jedoch nicht. Formuliere eine Erklärung.

— Pneumokokken haben einen komplexen Bau der Zellwand, der von Antibiotika, wie zum Beispiel Penicillin, angegriffen werden kann. Mycoplasmen sind einfach gebaute Zellen mit einfachen Zellwänden. Sie lassen sich nicht mit Penicillin bekämpfen, da auf den einfach gebauten Zellwänden „Angriffstellen“ für das Penicillin fehlen. Dies könnte ein Grund dafür sein, dass es bei einer Infektion mit Myco-plasma pneumoniae nicht wirkt.

Erläutere folgende Beobachtung: Die Zahl der Zellen Z in einer Zellkolonien folgt der Bezie-hung Z = 2n.

— Eine Zellkolonie entsteht aus der Teilung einer Zelle. Nach der ersten, zweiten, dritten usw. Teilung besteht der Zellverband aus zwei, vier, acht oder allgemein aus 2n Zellen (n ist die Zahl der Teilungsschritte).

Erkläre die Bedeutung der Zelldifferenzierung für die Bildung von Geweben und Organen.

— Ohne Zelldifferenzierung können keine Gewebe, d. h. Zellverbände entstehen, deren Zellen alle die gleiche spezielle Funktion be-sitzen. Die Bildung von Organe aus verschie-denen Geweben ist daher ohne Zelldifferen-zierung nicht möglich.

Erläutere den grundsätzlichen Unterschied zwischen embryonalen und adulten Stamm-zellen.

— Aus embryonalen Stammzellen könne alle mögliche Zelltypen entstehen. Embryona-le Stammzellen sind omnipotent. Adulte Stammzellen sind nicht omnipotent, d. h. aus ihnen können nur ganz bestimmte Zelltypen durch Zellteilung gebildet werden.

Beschreibe die Zellteilung bei der Bildung von Geweben aus adulten Stammzellen. Erkläre, warum diese Teilung auch als asymmetrische Zellteilung bezeichnet wird.

Berechne die Zahl der Zellen nach 6 Teilun-gen. Vergleiche mit der Zellteilung bei der Bildung einer Zellkolonie.

— Bei der Bildung einer Zellkolonie gilt für die Zellzahl 2n (s. Aufgabe 6). Dabei entstehen untereinander gleiche Tochterzellen.

Bei der Teilung einer adulten Stammzelle ent-steht pro Teilung eine ausdifferenzierte Zelle und eine adulte Stammzelle, die sich wieder-um unter Bildung einer adulten Stammzelle und einer ausdifferenzierten Zelle teilt.

s. Abbildungen links

1. Teilung 3. Teilung2. Teilung

42 Netz

Somit sind nach 6 Teilungen 6 ausdifferen-zierte Zellen (blau) und eine Stammzelle (rot) entstanden. Die Teilung heißt asymmetrisch, da bei den Zellteilungen unterschiedliche Zellen entstehen. Solche, die sich als aus-differenzierte Zellen (blau) nicht mehr teilen können, und eine Stammzelle (rot), die sich weiter teilt, wobei die ursprüngliche Zahl der Stammzellen — in der Bilanz — erhalten bleibt.

In vielen Biologiebüchern steht, dass Einzeller potenziell unsterblich seien. Erläutere diese Aussage und erkläre, inwiefern der Tod eine Folge der Differenzierung ist.

— Einzellige Lebewesen können insofern nicht sterben, da sie durch Zellteilung (Mitosen) identisch (unter der Voraussetzung, dass keine Mutationen stattfinden) verdoppelt werden. So entstehen genetisch gleiche Tochterzellen. Vom Tod eines Lebewesen kann nur gesprochen werden, wenn der Zellstoffwechsel eingestellt wird und so eine Leiche entsteht. Dies ist bei mehrzelligen Organismen der Fall. Als Folge der Diffe-renzierung entstehen Körperzellen mit sehr speziellen Funktionen. Im o. g. Sinne sind nur noch die Keimzellen „potenziell unsterblich“. Die Körperzellen, die den Organismus aus-bilden sind zeitlich nur begrenzt lebensfähig; sie sterben.

Beschreibe die Kompartimentierung und den Stoff-und Energiefluss zwischen den Teilräu-men im Innern eines fahrenden Autos und vergleiche mit einem vielzelligen Organismus.

— Teilräume im Innern eines fahrenden Autos: Benzintank: Energiespeicher, Stofffluss über

die Benzinleitung zum Motor, Antrieb über die Benzinpumpe

Motor: Verbrennung des Benzins im Verga-ser, Energieumwandlung von chemischer Energie in Bewegungsenergie, mechanische Energieübertragung über das Getriebe auf die Antriebsräder.

Stofffluss: Sauerstoff wird über den Luftfilter dem Vergaser zugeführt. Abgase werden über den Auspuff nach außen abgegeben

Kofferraum: Speicherraum Teilräume in einem Organismus: In einem Organismus entspricht das Benzin

im Benzintank den Kohlenhydratvorräten z. B. in der Leber. Der Stofffluss erfolgt über das Blut zu den „Antriebseinheiten“, den Muskeln.

Die Blutzirkulation wird über das Herz ange-trieben.

In den Muskeln wird der Brennstoff Glucose durch die Zellatmung „verbrannt“, d. h. die chemische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt.

Der für die Verbrennung benötigte Sauerstoff wird über die Lunge eingeatmet. Abgas, wie das Kohlenstoffdioxid, wird über die Lunge ausgeatmet.

Prinzip: Struktur und Funktion

Schülerbuch Seite 202 Ordne die Beispiele den Organisationsebe-

nen des Lebendigen zu und stelle jeweils die Struktur und Funktion in einer Tabelle zusam-men.

— DNA: Ebene der Moleküle Mitochondrien: Ebene der Organellen Lichtsinneszellen: Ebene der Zellen Epithel: Ebene der Gewebe Laubblatt: Ebene der Organe Körperform: Ebene des Organismus

Struktur Funktion

DNA Doppelhelix mit komple-mentären Basenpaaren

Informations-speicherInformations-träger

Mitochon-drien

Große innere Oberfläche

Ort der Zellat-mung

Lichtsinnes-zelle

Membran-stapel mit Farbstoffen, Mitochon-drien

Lichtabsorpti-on, Weiterlei-tung

Epithel Enge, aneinander liegende Zell-schichten

Abschlussge-webe

Laubblatt kannenför-mig, glatter Rand, Deckel

Insektenfalle

Körperform Flach, drei-eckig, stromli-nienförmig

Anpassung an Lebens-raum

Suche ein Organ deines Körpers, zu dem es Vergleichbares in der Technik oder im Haushalt gibt. Erkläre daran das Prinzip von Struktur und Funktion.

— Das Ellbogengelenk ist vergleichbar mit dem Scharnier an einer Tür. Beide sind so gebaut, dass sie sich nur in eine Richtung hin und her bewegen können.

Beschreibe, inwiefern die Struktur der DNA geeignet ist, Informationen zu speichern, und inwiefern sie einen „...Mechanismus der Verdopplung nahe legt.“

— Die DNA hat den Charakter einer Schrift, die aus 4 Buchstaben, den 4 verschiedenen Basenpaaren, besteht. Durch die Anordnung in einer Doppelhelix sind die beiden Stränge über komplementäre Basenpaare mitei-nander verbunden. Ein Mechanismus der Verdopplung liegt nahe. Die beiden Stränge müssen entspiralisiert und in der Mitte, d. h. zwischen den Basenpaaren aufgetrennt werden. Komplementäre Basen können sich anlagern und so neue DNA-Moleküle entste-hen.

Die Zellatmung ist ein komplizierter Vorgang, der in zahlreichen Teilreaktionen unter Betei-ligung vieler Enzyme abläuft. Begründe über

Netz 43

die innere Struktur eines Mitochondriums, warum es als Ort für die Zellatmung geeignet ist.

— Mitochondrien besitzen in ihrem Innern ein vielfältig gefaltetes Membransystem, durch das eine große innere Oberfläche entsteht. Dort befinden sich die zahlreichen Enzyme für den komplizierten Ablauf der Zellatmung.

Erkläre strukturelle und funktionelle Ge-meinsamkeiten zwischen Chloroplasten und Mitochondrien.

— Beide besitzen eigene DNA und sind von ei-ner Doppelmembran umgeben. Beide haben ein Membransystem im Innern des Organells. Entsprechend der Antwort aus Aufgabe 4 bildet es eine große innere Oberfläche, auf der sich die Enzyme für die im Einzelnen sehr komplizierten Vorgänge der Zellatmung (Mitochondrien) bzw. der Fotosynthese (Chloroplasen) befinden.

Erläutere am Beispiel einer Lichtsinneszelle den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion.

— Die Energie des Lichts wird in der Lichtsin-neszelle von zahlreichen Farbstoffmolekülen aufgenommen. Sie befinden sich im Innern des lichtaufnehmenden Teils der Zelle auf Membranstapeln, die im elektronenmikro-skopischen Bild bzw. in der Grafik gut zu erkennen sind. Für die Weiterleitung der Information wird Energie benötigt, die über die Mitochondrien bereit gestellt wird.

Die innere Oberfläche von Organen, wie zum Beispiel des Darms, wird von einem Epithel gebildet. Beschreibe die Funktionen, die dieses Epithel im Vergleich zum dem der Haut erfüllen muss. Notiere Vermutungen über den Bau des Darmepithels.

— Das Epithel der Haut muss den Organis-mus nach außen abschließen, um ihn vor mechanischer Beschädigung oder vor Austrocknung zu schützen. Dieser Aspekt spielt im Körperinnern keine Rolle. Das Darmepithel kleidet den Darm von innen aus. Es umschließt den Darminhalt. Es dient der Funktion der Verdauung und der Aufnahme der Nahrungsbestandteile. Es darf daher nicht dicht wie die Haut abschließen. Es muss Stoffe in das Darmvolumen hinein abgeben können. Andererseits muss es in der Lage sein, die Nährstoffe aus dem Darminhalt zu resorbieren. Daher dürfen die Zellen an der Grenzschicht des Epithels nicht „hornig“ sein wie im Fall der Haut.

Um die Nährstoffe aus dem Darminhalt aufnehmen bzw. an ihn abgeben zu können, bildet das Darmepithel eine große Oberflä-che. Es könnte zum Beispiel stark gefaltet sein, um die Zellen in engen Kontakt mit dem Darminhalt zu bringen.

Erkläre am Beispiel der Kannenpflanze den Zusammenhang zwischen dem äußeren Bau des Blattes und seiner Funktion.

— Das kannenförmige Blatt besitzt einen glatten wulstigen Rand. Insekten, die sich dort nie-derlassen, können sich auf der glatten Fläche

nicht halten und rutschen in das Innere. Der Bau des Blattes als „Kanne“ ist die

Voraussetzung dafür, dass sich im Innern Verdauungssäfte befinden können, die hi-neinrutschende Insekten verdauen.

Auf der Abbildung ist zu sehen, dass die Kan-nen einen Deckel besitzen. Stelle Hypothesen über die Funktion des Deckels auf. Beschrei-be, wie man deine Vermutungen überprüfen könnte.

— Es wäre denkbar, dass der Deckel der Anlo-ckung der Insekten dient, entweder dadurch, dass er bestimmte Muster und Farben besitzt, oder dass er Düfte ausströmt, die Insekten anlocken.

Eine weitere Funktion könnte sein, dass er verhindert, dass es in die Kanne hineinregnet. Das wäre deshalb ungünstig, da der Regen die Verdauungssäfte stark verdünnen würde.

Zur Überprüfung der Vermutungen müssten Experimente gemacht werden. An Kannen mit Deckel im Vergleich zu Kannen, an denen der Deckel entfernt wurde. Es muss dann beobachtet und protokolliert werden, wie viele Insekten in einem bestimmten Zeitraum von den unterschiedlichen Kannen angelockt werden. Ferner ließe sich beobachten, ob der Deckel als Schutz vor Regen eine Rolle spielt.

Beschreibe die Funktionen, die von den Extremitäten der Aderhafte erfüllt werden müssen. Mache Vorschläge, wie die Struktu-ren aussehen könnten.

— Funktion: Die Extremitäten halten den Körper möglichst fest am Stein. Ferner müssen sie den Körper dicht an den Stein heranpressen können.

Bau: Die Extremitäten sind kurz, flach gebaut und vermutlich dicht neben dem Körper. Sie haben kräftige Muskulatur, um das Tier an den Stein pressen zu können. Zur Anheftung an den Stein könnten sie viele kleine Klauen besitzen (Vgl. Klettverschluss). Andere Mög-lichkeiten wären Saug- oder Klebemechanis-men.

Ein Fischschwarm ist ein Verband von zahlrei-chen Einzeltieren. Er erscheint als bewegtes, einheitliches Gebilde, von dem, je nach Be-leuchtung, funkelnde Lichtreflexe ausgehen. Notiere Vermutungen über die Funktion der Schwarmbildung für die einzelnen Individuen.

— Die einzelnen Tiere in einem Schwarm sind besser vor Raubfischen geschützt als alleine im freien Wasser schwimmende Tiere.

Ein Räuber muss das zu jagende Tier prä-zise erfassen können, um gezielt nach ihm schnappen zu können.

Im Schwarm schwimmen die Einzeltiere mit raschen Bewegungen eng beieinander. Für einen Räuber ist es daher sehr schwierig, ein Einzeltier als Beute direkt anzuvisieren. Das wird noch durch die funkelnden Lichtreflexe verstärkt.

Räuber versuchen daher, einen Schwarm durcheinander zu bringen, sodass Einzeltiere von der Gruppe abgetrennt und dann zur leichten Beute werden.

44 Netz

Prinzip: Steuerung und Regelung

Schülerbuch Seite 204

Erstelle zu den Vorgängen Steuern und Regeln eine tabellarische Übersicht, in der Gemeinsamkeiten und Unterschiede ver-glichen werden. Gib je ein biologisches und technisches Beispiel an.

— Individuelle Lösung Bewirkt die Rückmeldung von der Muskel-

spindel eine Erregung oder eine Hemmung des Motoneurons (Abb. 3)? Begründe.

Erläutere die Funktion der Renshaw-Zellen für die Regelung fein abgestimmter Bewegun-gen.

— Die Rückmeldung der Muskelspindel bewirkt eine Hemmung des Motoneurons. Eine sich selbst aufschaukelnde Aktivität des Moto-neurons und damit eine Verkrampfung des Muskels wird verhindert.

Die Renshaw-Zelle wird von den Nervenbah-nen aus dem Gehirn und vom Motoneuron erregt, wirkt aber selbst hemmend auf das Motoneuron. Dabei handelt es sich um ein Beispiel für negative Rückkopplung. Eine zu starke Aktivität des Motoneurons wird verhin-dert.

Wie erfolgt die Steuerung der Kontraktion von Beuger und Strecker? Werden in dem dargestellten Beispiel beide Beine gebeugt oder nur eines? Welche Bedeutung könnte eine solche Reaktion haben?

— Die elektrischen Impulse vom Sinnesor-gan, z. B. von einem Schmerzrezeptor der Fußsohle des rechten Beins, erregen das Motoneuron, das die Kontraktion des Beu-gers am rechten Bein auslöst. Gleichzeitig wird der Strecker blockiert. Das rechte Bein wird somit angehoben. Am linken Bein wird der Strecker kontrahiert und der Beuger blockiert. Der betreffende Mensch kann also auf dem linken Bein stehen und den Schmerz im rechten Bein vermeiden.

Erläutere am Beispiel des Fußballspiels, dass Regelungsvorgänge auf der Ebene der Zellen, der Organe und des Gesamtorganismus ablaufen.

— Beispiel für einen Regelungsvorgang auf der Ebene der Zellen: Blutzuckerspiegel wie auf Seite 60 im Schülerbuch beschrieben.

Beispiel für einen Regelungsvorgang auf der Ebene der Organe: siehe Vegetatives Ner-vensystem in seiner Wirkung auf ein einzel-nes Organ auf Seite 54, Schülerbuch.

Beispiel für einen Regelungsvorgang auf der Ebene des Organismus: siehe Stress, Seite 62 Schülerbuch, und vegetatives Nervensys-tem auf Seite 54, Schülerbuch.

Vergleiche die normale Geschlechtsent-wicklung mit der auf dieser Doppelseite beschriebenen. Erstelle entsprechende Ablaufschemata. Erläutere, welche Störungen der Steuerungs- bzw. Regulationsvorgänge vorliegen.

— Ablaufschema: früher Embryo mit noch wenig differenzierten Geschlechtsanlagen, Genotyp 46,XY … SRY-Gen … TDF … Zielzellen … Tes-tosteron … Ausbildung männlicher Organe.

Bei der beschriebenen „Krankheit“ könnten die Bildung des TDF oder des Testosteron oder die Rezeptoren für TDF oder Testoste-ron beeinträchtigt sein.

Beschreibe, welche hormonellen Vorgänge im Körper einer weiblichen Katze ablaufen, beginnend bei der Paarung und endend bei der Geburt der Jungen. Vergleiche mit dem Regelkreis zum Menstruationszyklus.

— Paarung … Meldung an Hypophyse … Pro-duktion von FSH und LH … Follikelreifung und Eisprung … Befruchtung … Einnis-tung … HCG … Progesteron … Schwanger-schaft

Auslösung der Geburt durch Alterung der Placenta und Oxytocin.

Erkläre, warum Ökosysteme mit komplexen Nahrungsnetzen stabiler sind als Ökosysteme mit einfachen Nahrungsketten.

— Bei einer einfachen Nahrungskette führt das Aussterben einer Art, z. B. einer Beute, zu einer starken Beeinträchtigung der Räuber. Bei verzweigten Nahrungsnetzen können die Räuber auf andere Beutearten ausweichen.

Netz 45

Prinzip: Wechselwirkungen zwischen Lebewesen

Schülerbuch Seite 206

Beschreibe die Folgen der Wechselwirkungen für die in den Beispielen genannten Arten.

— Napfschnecke: Die Populationsdichte dämpft das Wachstum; Paramecium: Eine Art be-einflusst das Nahrungsangebot der anderen Art; Bestäubung: Die Insektenart bestäubt die Blüten und erhält Nektar bzw. Pollen; Bu-chengallmücke: Das Auftreten des Parasiten der Buchengallmücke beeinflusst die Popula-tionsdichte der Gallmücken; Schneeschuh-hasen und Luchse: Die Populationsdichte der Schneeschuhhasen beeinflusst die Popula-tionsdichte der Luchse; Fraßschutz: Durch Raupenbefall wird die Pflanze zur Bildung von einem Abwehrstoff angeregt.

Beschreibe, wodurch bei der Napfschnecke Patella cochlear die Biomasse pro Fläche begrenzt wird.

— Die Biomasse wird durch das Nahrungs- und Platzangebot begrenzt. Im Diagramm ist schön zu erkennen, dass die Biomasse eine Sättigungskurve darstellt.

Paramecium bursaria ernährt sich nicht wie P. aurelia an der Wasseroberfläche, sondern am Grund. Was ist für ein Zusammenleben der zwei Arten im gleichen Gefäß zu erwarten?

— Da die beiden Arten unterschiedliche Nahrungsnischen belegen, ist keine große Konkurrenz zu erwarten. Ein Zusammenleben in einem Gefäß müsste möglich sein.

Kläre den Unterschied zwischen einem Para-sit und einem Fressfeind. Was unterscheidet beide von Aas- und von Detritusfressern?

— Parasiten sind Organismen, die ihre Nähr-stoffe von anderen Lebewesen (Wirten) beziehen, diese aber nicht unmittelbar ab-töten. Der Begriff Fressfeind ist schwieriger zu fassen. Im weiteren Sinn kann man damit alle Organismen bezeichnen, die sich von anderen Lebewesen ernähren. Dazu zählen echte Räuber, Weidegänger und Parasiten. Im engeren Sinn wird er oft als Synonym für Räuber verwendet und bezeichnet dann Tie-re, die andere Tiere töten, um sie zu fressen. Aas- und Detritusfresser unterscheiden sich von Parasiten und Fressfeinden darin, dass sie sich nicht von lebenden Organismen, sondern von totem organischem Material ernähren.

Krankheitserreger sind oft besonders gefähr-lich, wenn sie auf einen neuen Wirt überge-hen. Erkläre dieses Phänomen.

— Parasiten sind oft in der Form gut an ihre Wir-te angepasst, indem sie diese zwar schädi-gen, aber nicht unmittelbar töten. Gelangt ein Krankheitserreger auf einen „falschen“ Wirt, kann es vorkommen, dass seine Lebenswei-se nicht gut auf den neuen Wirt passt und dieser deshalb stark geschädigt oder gar getötet wird.

Begründe, warum die Bestandszahlen von Schneeschuhhasen auch schwanken würden, wenn keine Luchse vorhanden wären.

— Die Populationsdichte der Schneeschuh-hasen wird noch durch weitere Faktoren, wie beispielsweise Nahrungsangebot und Krankheiten, beeinflusst.

Erläutere, warum schädigende Wechselwir-kungen zwischen Lebewesen wichtig für die Ausbildung eines ökologischen Gleichge-wichts sind.

— Schädigende Wechselwirkungen sind wich-tig, um die Bestandszahlen zu begrenzen. Viele Probleme mit Neophyten oder Neozoen rühren daher, dass die „Neuankömmlinge“ zu wenig natürliche Feinde haben und sich deshalb stark ausbreiten können.

Wende den Begriff „Rückkopplung“ auf Wechselwirkungen zwischen Lebewesen an.

— Positive Rückkopplungen zwischen Le-bewesen bestehen immer dann, wenn die Zunahme einer Art die Bestandszahl der anderen Art positiv beeinflusst. Wird der Bestand aber negativ beeinflusst, könnte man von einer negativen Rückkopplung sprechen. Bei einer Symbiose gibt es zwei positive Rückkopplungen zwischen den Partnern, bei einem Räuber-Beute-Verhältnis besteht eine positive und eine negative Rückkopplung.

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Prinzip: Information und Kommunikation

Schülerbuch Seite 208

Gib für die beschriebenen Beispiele an, ob die Information als zeitliche oder räumliche Abfolge von Signalen codiert ist.

— DNA: räumliche Abfolge der Basen; Chromosomen: räumliche Abfolge; Nervensystem: zeitliche Abfolge von elektri-

schen Signalen (Aktionspotentialen); Hormone: zeitliche Reihenfolge von Rezep-

torsignalen, die von der Hormonkonzentrati-on abhängen;

Gehirn: räumliches Muster von Verbindungen zwischen Nervenzellen;

Sinnesorgane: Reize werden in eine zeitliche Reihenfolge von elektrischen Signalen umge-wandelt

Erkläre an einem geeigneten Beispiel die Begriffe „Signal“, „Information“ und „Informa-tionsträger“.

— Bei der DNA stellt eine Base ein Signal dar. Die Information für ein Protein steckt in der Reihenfolge der Basen. Das DNA-Molekül ist der Informationsträger.

Bei der Meiose werden Chromatiden auf Keimzellen verteilt. Begründe, warum zwei verschiedene Keimzellen unterschiedliche Erbinformationen enthalten.

— Durch Rekombination kommt es norma-lerweise zur Neuverteilung von Chromati-den. (Da vor der Meiose alle Chromatiden verdoppelt werden, ist es aber theoretisch möglich, dass bei der Meiose zwei Keimzel-len entstehen, die zufällig genau identische Chromatiden enthalten. Das ist aber bei Zellen mit mehreren Chromosomen sehr unwahrscheinlich.)

Erläutere, inwiefern Nervensystem und Telefonnetz bzw. Hormonsystem und Radio vergleichbar sind.

— Das Nervensystem sendet über Leitungen Signale von einer Zelle zur anderen. Das entspricht einem Telefonnetz, das über eine Leitung zwei Telefonapparate miteinander verbindet. Das Hormonsystem ähnelt dem Radiofunk. Ein Sender (Hormondrüse) sendet ein Signal (Hormon) aus, dass von allen Geräten (Zielorganen) empfangen und entschlüsselt werden kann, die eine entspre-chende Antenne (Rezeptor) haben.

„Use it or lose it.“ Erkläre diesen Satz eines Gehirnforschers.

— Die Leistungsfähigkeit des Gehirns wird durch seine Verwendung gesteigert. Das ist ein wichtiger Unterschied zu vielen techni-schen Geräten. Unter anderem deshalb kann unser Gehirn nicht mit der Festplatte eines Computers verglichen werden, denn diese wird durch ihren Gebrauch nicht besser.

Testosteron hat vielfältige Wirkungen im Körper. Es regt das Muskelwachstum an und steuert die Ausbildung von männlichen Geschlechtsmerkmalen. Erläutere an diesem

Beispiel, dass die Codierung vom Empfänger abhängt.

— Nicht das Hormon selbst, sondern der Rezeptor am Zielorgan bestimmt die Wirkung eines Hormons. Sonst wären keine unter-schiedlichen Wirkungen durch das selbe Hormon möglich.

Das Rauschen von Blättern im Wind stellt eine zeitliche Abfolge von akustischen Signalen dar. Beschreibe, was noch fehlt, damit daraus eine Information wird.

— Damit aus Signalen eine Information wird, ist ein Code zur Interpretation notwendig. Ein banaler Code wäre „Wenn das Laub raschelt, geht ein Wind“. Erst dadurch wird aus dem Geräusch eine Information.

Begründe, warum ein Messgerät wie z. B. ein Thermometer ein Signalwandler ist.

— Es wandelt einen Reiz (Temperatur) in ein anderes Signal (Höhe einer Flüssigkeitssäule oder elektrische Anzeige) um.

Nenne Beispiele für Information und Kommu-nikation aus der Technik. Kläre jeweils, welche Signale gesendet werden, worin die Informati-on besteht und wer der Informationsträger ist.

— Beispiel Verkehrsampel: Es werden Licht-signale gesendet, die von den Verkehrs-teilnehmern durch einen entsprechenden Code („bei Rot stehen, bei Grün gehen“) zur Information wird. Informationsträger ist dabei das Licht.

Weitere Beispiele: Blaulicht, Sirene, Wecker, Warntöne, Klingeltöne, Hinweisschilder, ...

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Prinzip: Reproduktion

Schülerbuch Seite 210

Erläutere die Begriffe Reproduktion, Vermeh-rung, ungeschlechtliche bzw. geschlechtliche Fortpflanzung und Fortpflanzungsstrategie anhand geeigneter Beispiele.

— individuelle Lösung Beschreibe je ein selbst gewähltes, typisches

Beispiel für r-Strategen und K-Strategen bzw. für Brutpflege und Brutfürsorge. Interpretiere die in der Tabelle genannten Daten.

— Beim Kabeljau handelt es sich um einen typischen r-Strategen mit zahlreichen kleinen Eiern. Brutfürsorge oder Brutpflege sind unter den gegebenen Lebensbedingungen nicht möglich.

Beim Steinadler handelt es sich um einen typischen K-Strategen mit wenigen Nach-kommen, die sehr lange betreut werden.

Bei der Kreuzotter werden lebende Junge ge-boren, die rasch selbstständig leben müssen. Sie sind etwa 17 cm lang und haben bereits Giftzähne.

Stockenten sind Nestflüchter, die Jungen sind also sehr selbstständig.

Zeige am Beispiel der abgebildeten Blatt-wespen, inwiefern deren Sinnesorgane an die verschiedenen Erfordernisse bei der Partnerfindung von Männchen und Weibchen angepasst sind.

— Die Männchen der Blattwespen haben deut-lich größere und damit auch leistungsfähigere Facettenaugen. Besonders auffällig sind die stark gefiederten Antennen. Die Weibchen locken die Männchen mit einem Sexuallock-stoff an.

Welche Vorteile bietet der Sexualdimor-phismus den Männchen bzw. Weibchen des abgebildeten Anglerfisches? Entwickle eine begründete Hypothese, warum er gerade bei Tiefseeformen so extrem ist.

— In der Tiefsee ist die Wahrscheinlichkeit, auf einen Fortpflanzungspartner zu treffen, relativ gering. Bei einer festen Partnerbindung ist die Fortpflanzung sicher gewährleistet.

Bei balzenden Männchen nimmt das Weib-chen lediglich äußere Merkmale und Verhal-tensweisen wahr. Lassen diese eine Aussage über die Qualität der Gene des Männchens zu oder sind die attraktiv balzenden Männchen nur Blender? Begründe.

— In die Ausbildung auffälliger Merkmale, z. B. die Schmuckfedern der Paradiesvögel, müs-sen die Männchen viel Energie investieren, gleiches gilt für die Balzrituale. Männchen mit genetischen Defekten könnten diesen Aufwand unter natürlichen Bedingungen wie Nahrungsknappheit, Konkurrenz, Fressfein-de u.s.w. nicht leisten.

Welche Überlebensvorteile für die jeweilige Art bieten die nach festen Regeln ablaufenden Rivalenkämpfe?

— Schwere Verletzungen der Kontrahenten werden i. A. vermieden, sodass es nicht zu einer Dezimierung der Individuenzahl der Art kommt. Speziell noch unerfahrene Jungtiere können so überleben und später erneut an Rivalenkämpfen teilnehmen.

Die verschiedenen Generationen von Rebläu-sen haben unterschiedliche Chromosomen-sätze. Welche sind haploid, welche diploid? Begründe. Welchen Überlebensvorteil bietet es, dass im Sommer nur Weibchen entste-hen? Ist deren Fortpflanzung ein- oder unge-schlechtlich? Welchen Vorteil bietet es, dass in den Vermehrungszyklus der Rebläuse im Herbst eine zweigeschlechtliche Vermehrung eingeschaltet ist?

— Die Gallenläuse des Frühjahrs entstehen aus befruchteten Wintereiern, sind also diploid. Die nächsten Generationen erzeugen Eier, die sich ohne Befruchtung entwickeln, also haploid sind. Die Männchen und Weibchen im Herbst sind ebenfalls haploid. Die Wintereier entstehen durch Befruchtung, sind somit diploid.

Wenn im Sommer nur Weibchen entstehen, ist eine sehr schnelle Fortpflanzung möglich, Partnersuche, Balz und Paarung entfallen.

Die Fortpflanzung dieser Weibchen ist nicht ungeschlechtlich, da sie Eizellen bilden. Sie ist eingeschlechtlich (parthenogenetisch), da die Eizellen nicht befruchtet werden.

Durch die zweigeschlechtliche Fortpflanzung im Herbst ist eine Rekombination möglich.

Zeige an Auerhuhn und Auerhahnbalz das Zusammenwirken zwischen ökologischen Faktoren, Hormonsystem und Verhalten.

— Durch das Verschwinden der lichten Berg-wälder und andere Beeinträchtigungen wird der Lebensraum des Auerhuhns immer mehr begrenzt. Männchen haben während der Fortpflanzung einen erhöhten Testosteron-spiegel. Treffen sie wegen der weit entfernten Vorkommen nicht auf Weibchen, ist der Tes-tosteronspiegel anomal hoch. Sie verlieren jede Vorsicht und balzen sogar auf Straßen und Dorfplätzen.

48 Netz

Prinzip: Variabilität

Schülerbuch Seite 212

Erläutere, was man unter Variabilität versteht.— Als Variabilität bezeichnet man das Auftreten

unterschiedlicher Merkmalsausprägungen beim Vergleich von Eltern und Nachkommen sowie der Nachkommen untereinander.

Stelle zusammen, welche Beispiele auf dieser Doppelseite die Ursachen und welche die Folgen von Variabilität beschreiben.

— Ursachen der Variabilität sind Mutation und Rekombination. Folgen der Variabilität sind Selektion mit Anpassung, Einnischung und Artenvielfalt.

Vergleiche anhand der Abbildungen die Un-terschiede zwischen Mais und Teosinte. Wie hoch ist der Prozentsatz veränderter Gene, welche die Merkmalsunterschiede verursa-chen?

— Merkmalsunterschiede, die an der Abbildung erkennbar sind:

Der Mais ist weniger verzweigt als Teosinte und besitzt wesentlich kürzere Seitentriebe. Beim Mais bilden die weiblichen Blüten dicke Kolben mit vielen Körnern. Teosinte zeigt ei-nen dünnen weiblichen Blütenstand mit sehr wenigen Körnern.

Prozentsatz unterschiedlicher Gene: 6 : 40 000 * 100 % = 0,015 %. Rekombination ist ein Vorgang, der bei der

Züchtung von Nutzpflanzen und Nutztieren eine große Rolle spielt. Erkläre.

— Bei der Kreuzung von Nutztieren und Nutzpflanzen werden Eigenschaften, die in verschiedenen Lebewesen vorliegen, in einem Organismus vereint. Dies ist Folge der Rekombination bei der Keimzellenbildung und bei der Befruchtung.

Erläutere, weshalb für den Mäusebussard lan-ge Krallen einen Selektionsvorteil darstellen.

— Der Mäusebussard ergreift seine Beute mit-hilfe der Krallen an seinen Zehen. Mit langen Krallen kann er Beute, die beim Ergreifen zappelt und zu fliehen versucht, besser festhalten. Damit ist er bei der Jagd nach Beute erfolgreicher als mit kurzen Krallen und besitzt so einen Selektionsvorteil.

Variabilität bewirkt Artenvielfalt, Selektion die Anpassung. Erläutere diese Aussagen.

— Durch Variabilität sind im Laufe vieler Milli-onen Jahre eine Fülle von Unterschieden zwischen Lebenswesen entstanden. Das hat zur Entstehung vieler verschiedener Arten geführt.

Durch Selektion wurden diejenigen Lebewe-sen begünstigt, die im jeweiligen Lebensraum die geeignetsten Eigenschaften besaßen. Das hat die Anpassung der Lebewesen an ihre Lebensräume bewirkt.

Erläutere den Unterschied zwischen Ange-passtheit und Anpassung.

— Unter Angepasstheit versteht man bezeich-net man (i. d. R. mehrere) Merkmale eines

Organismus, die es ihm ermöglichen, die Ressourcen seines Lebensraum gut zu nützen und Gefährdungen gering zu halten. Anpassung ist der evolutive Prozess, der Angepasstheiten entstehen lässt.

Erläutere, weshalb die beschriebenen Merk-male des Buntspechts kennzeichnend für Einnischung sind.

— Buntspechte suchen ihre Nahrung überwie-gend am senkrecht stehenden Baumstamm unter der Borke. Die langen, spitzen Krallen an den Zehen, von denen zwei nach hinten gerichtet sind, geben am Baumstamm siche-ren Halt. Der Meißelschnabel ermöglicht das Aufklopfen der Borke und so das Freilegen der Nahrung. Das sind Eigenschaften, durch die der Buntspecht an die besonderen Be-dingungen seines Lebensraums und seiner Lebensweise angepasst ist. Es sind daher Merkmale, durch die er eingenischt ist.

Modifikation ist kein Evolutionsvorgang, weil Gene dabei nicht verändert werden. Nimm Stellung zu dieser Aussage.

— Modifikationen sind Änderungen im Erschei-nungsbild durch Umwelteinflüsse. Sie sind eine weitere Ursache der Variabilität (vgl. Evolutionsfaktoren), haben jedoch keinen Einfluss auf die Evolution, da das Erbmaterial gleich bleibt.

Anhand des Löwenzahn-Beispiels ist zu erkennen, dass Organismen in bestimmten Phasen durch Umwelteinflüsse äußerlich, d. h. im Phänotyp veränderlich sind, und ihr Erscheinungsbild nicht nur durch Erbfakto-ren bestimmt wird. Modifikationen sind also nicht erblich, sonst würden alle Individuen der Nachkommenschaft besonders klein (groß) werden, nur die Modifikationsbreite ist erblich!

Beschreibe an Kakteen und Eintagsfliegenlar-ven mehrere Merkmale, die zeigen, dass diese Organismen in ihre Lebensräume eingenischt sind.

— Kakteen sind als Xerophyten mit folgenden Merkmalen an Trockenstandorte angepasst: Durch Blattreduktion (Blattdornen) Ein-schränkung der Transpiration, stark chloro-phyllhaltiger Stamm ermöglicht Fotosynthese statt der Blätter, Wasserspeicherung im Stammgewebe (Stammsukkulenz) ermög-licht das Überdauern langer Trockenperi-oden, hohe Konzentration gelöster Stoffe in den Wurzelepidermiszellen und weit verzweigtes Wurzelwerk ermöglichen die Entnahme geringer Wasservorräte im Boden.

Eintagsfliegenlarven sind mit folgenden Merkmalen an das Leben im Bach angepasst: Strömungsgünstiger flacher Körper, kräftige Beine (teils mit Borsten) ermöglichen das Festklammern an Steinen oder Pflanzen, teils Schwanzfäden behaart und als zusätzliche Haftorgane nutzbar, Tracheenkiemenblätt-chen (bei älteren Formen) als Organe für die Atmung im Wasser.

Die regelmäßige Anwendung von Insektizi-den führt dazu, dass Insekten gegen ein Gift

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resistent werden. Beispielsweise ist beim Kar-toffelkäfer zu beobachten, dass ein Nervengift (E605) bei vielen Populationen inzwischen wirkungslos ist. Erkläre, wie in einer Popula-tion die Resistenz einen Giftstoff auftreten kann.

— Es entstehen in einer Population infolge von Mutation und Rekombination immer wieder Organismen mit neuen Merkmalen oder neu kombinierten Merkmalsausprägun-gen. Darunter sind auch einzelne Tiere, die gegen das eingesetzte Insektizid resistent sind. Während nicht resistente Tiere durch den Giftstoff getötet werden, können sich Resistente fortpflanzen und vermehren. Sie werden selektiert.

Auf Weise nimmt der Anteil resistenter Tiere in einer Population immer weiter zu, bis die Population schließlich überwiegend aus resistenten Tieren besteht.

Prinzip: Energieumwandlung

Schülerbuch Seite 214

Erstelle eine tabellarische Übersicht, in welcher Form Lebewesen Energie aufnehmen und abgeben.

Organismus Energieaufnahmebzw. Energieträger

Chlorophyllhaltige Pflanze

Sonnenlicht

Schmarotzerpflanze z. B. Sommerwurz (Orobanche)

organische Stoffe von anderen Pflanzen

Tiere i. d. R leicht ver-dauliche Nährstoffe (Kohlenhydrate, Fette, Proteine)

Pilze, „Holzwürmer“ (Larven des Poch-käfers, Gattung Anobium)

Holz (Cellulose und Lignin)

Mikroorganismen (z. B. Schwefelbak-terien, Stickstoffbak-terien)

Schwefelwasserstoff, Nitrit- oder Nitratio-nen

Erläutere, weshalb Lebewesen auf Energiezu-fuhr angewiesen sind.

— Alle Lebewesen haben einen Stoffwechsel. Zum Aufbau körpereigener Stoffe ist Energie erforderlich. Grundsätzlich erfordern alle Aktivitäten Energie, wie etwa Bewegung, Verdauung, Aufnahme und Verarbeitung von Reizen.

Was versteht man unter einem abgeschlosse-nen System? Nenne möglichst viele Vor-gänge, die zeigen, dass Lebewesen und der Planet Erde keine abgeschlossenen Systeme darstellen.

— Lebewesen stellen keine energetisch abge-schlossenen Systeme dar. Pflanzen nehmen Energie bei der Absorption von Licht auf, Tiere in Form energiehaltiger Stoffe.

Alle Lebewesen geben Energie in Form thermischer Energie (Wärme) ab. Sie wird bei Stoffwechselvorgängen gebildet. Außerdem geben Lebewesen energiehaltige Stoffe ab. In den Ausscheidungen von Tieren befinden sich energiehaltige organische Stoffe, die von Insekten und Mikroorganismen genutzt werden. Auch Pflanzen geben energiehaltige Stoffe ab, wenn sie beispielsweise Laub oder Nadeln abwerfen oder Früchte und Samen abgeben.

Die Erde ist kein abgeschlossenes System. Sie erhält durch die Sonne ständig Energie und gibt sie in Form von Licht und Wärme-strahlung wieder in den Weltraum ab.

Mit Kleinmeteoriten, die ständig auf die Erde treffen, wird zugleich Energie zugeführt.

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Große Meteoriten, die in der Vergangenheit auf die Erde niedergegangen sind, haben in sehr kurzer Zeit sehr große Energiemengen zugeführt, die zu Katastrophen geführt haben (z. B. Rieskrater, Steinheimer Becken).

Mit Raumsonden, die den Planeten verlassen wird Energie und Masse abgegeben.

Vergleiche die Bedeutung von Kohlenstoff-dioxid und Wasser bei Fotosynthese und Zellatmung.

— Bei der Fotosynthese sind Kohlenstoffdioxid und Wasser die energiearmen Stoffe, aus denen unter Energiezufuhr energiehaltige Glucose entsteht. Dagegen werden bei der Zellatmung aus den energiehaltigen Stoffen Glucose und Sauerstoff die energiearmen Stoffe Kohlenstoffdioxid und Wasser gebil-det.

Erkläre durch energetische Betrachtung, warum in einem Ökosystem die gesamte Biomasse der Pflanzen viel größer ist als die gesamte Biomasse der räuberisch lebenden Tiere.

— Je höher die Nahrungsebene eines Konsu-menten ist, desto weniger Energie kommt an und desto weniger Biomasse kann aufgebaut werden. In jeder Nahrungsebene wird ther-mische Energie abgegeben, die der nächst höheren Nahrungsebene nicht mehr zur Verfügung steht. Auch chemische Energie in Ausscheidungsstoffen und den organischen Stoffen der abgestorbenen Lebewesen gelangt nicht in die nächst höhere Nahrungs-ebene. Daher ist in allen Nahrungsebenen, die auf die Nahrungsebene der Produzen-ten folgen, weniger Energie und Biomasse vorhanden als bei den Produzenten selbst. Darum ist die gesamte Biomasse räuberisch lebender Tiere geringer als die Biomasse der Pflanzen.

Erläutere, weshalb Vertreter der Vögel und Säugetiere in Polarregionen der Erde auf Dauer an Land leben können.

— Vögel und Säugetiere sind gleichwarme Tiere. Sie können als Folge von intensivem Stoff-wechsel und Wärmeisolation des Körpers (Fett, Federn, Fell) auch bei großer Tempera-turdifferenz zur Umgebung ihre Körpertem-peratur aufrecht erhalten, im Gegensatz zu wechselwarmen Organismen. Daher können sie in Polarregionen auf Dauer an Land leben.

(Dagegen kommen im Wasser auch viele wechselwarme Organismen vor. Im Vergleich zur geringen Lufttemperatur an Land ist die Temperatur des Eismeers mit ca. minus 2 Grad Celsius verhältnismäßig hoch.)

Was sind fossile Energieträger? Beschrei-be ihre Entstehung. Erläutere, weshalb sie für unserer zivilisierte Welt von sehr großer Bedeutung sind.

— Fossile Energieträger sind Stoffe, die durch Umwandlung organischer Stoffe, die von fossilen Lebewesen stammen, entstanden sind. Die enthaltene Energie stammt aus der Energie des Sonnenlichts. Sie wurde vor mehreren hundert Millionen Jahren durch Fo-

tosynthese in chemische Energie überführt. Die Industriegesellschaften haben einen

hohen Energiebedarf. Die Energie wird über-wiegend für die industrielle Produktion von Gütern und Nahrungsmitteln benötigt sowie für den Verkehr und die privaten Haushalte. Ein Großteil des Energiebedarfs wird durch fossile Energieträger gedeckt. Der Anteil an regenerativen Energiequellen zur Bedarfsde-ckung ist noch gering.

Erkläre, wie durch die starke Nutzung fossiler Energieträger ein Treibhauseffekt entsteht, der den Energiehaushalt der Erde stört.

— Durch die Verbrennung großer Mengen fossiler Energieträger wird so viel Kohlen-stoffdioxid frei gesetzt, dass Kohlenstoffdio-xidgehalt der Atmosphäre steigt (zu Beginn der Industrialisierung 0,029 Vol %; inzwischen 0,0345 Vol %). Dadurch wird die Abstrahlung thermischer Energie von der Erde in den Weltraum behindert (Treibhauseffekt) und das Gleichgewicht zwischen Energieaufnah-me und Energieabgabe gestört. Die Folge ist ein Ansteigen der Jahresmitteltemperatur auf der Erde. Erst wenn bei höherer Temperatur wieder im jährlichen Mittel wieder gleich viel Energie abgegeben wie aufgenommen wird, ist ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht.

„Strom aus Wasserkraft ist Solarstrom.“ Nimm Stellung zu dieser Aussage.

— Die Aussage „Strom aus Wasserkraft ist Solarstrom“ ist im Grundsatz zutreffend. Die Sonne erwärmt die Erdoberfläche. Dadurch verdunstet Wasser. Kommt es dann zu Nie-derschlägen, speisen sie Bäche und Flüsse. Durch Wasserkraftwerke wird Bewegungs-energie fließenden Wassers in elektrische Energie umgewandelt. Diese Energie stammt also letztlich von der Energie der Sonne.

Welche Energievorräte der Erde sind nicht durch den Einfluss der Sonne entstanden?

— Erdwärme, die Energie von Atomkernen (z. B. Uran, Plutonium oder Thorium für die Kern-spaltung; Wasserstoff, Deuterium und Tritium für die Kernfusion) und Gezeitenenergie (Ur-sache Gravitation des Mondes, Energiequelle ist die Bewegungsenergie der rotierenden Erde und des Mondes) sind nicht durch den Einfluss des Sonne entstanden.

Ein Mensch bildet täglich etwa so viel ATP wie er wiegt. Wie ist das möglich? Erläutere die Bedeutung von ATP für den Stoffwechsel von Zellen.

— Dass ein Mensch täglich etwa so viel ATP bildet wie er wiegt, bedeutet nicht, dass diese Menge angehäuft wird. Die Aussage beschreibt nur die hypothetisch akkumulierte Menge. Sie kommt jedoch nicht zustande, weil in den Zellen ein intensiver ATP-Umsatz auftritt und ATP kurz nach der Bildung sofort wieder zu ADP und Phosphat abgebaut wird.

ATP ist ein Energieträger, der innerhalb der Zellen auftritt und für viele verschiedene Stoffwechselprozesse eingesetzt wird, die Energiezufuhr erfordern.

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