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Ökologie und Fotosynthese

Ökologie und Fotosynthese

 Biologie eA, Klausur 4 (270 Minuten)
Semester: 13/1
Name:...Mondla
18. November 2020
Schuljahr 2020/21
Rohpunkte: 80/80
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Thema

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Biologie eA, Klausur 4 (270 Minuten) Semester: 13/1 Name:...Mondla 18. November 2020 Schuljahr 2020/21 Rohpunkte: 80/80 2 1. Halbjahr Thema: Ostafrika - Gegensätzliche Lebensräume Die Lebensräume Ostafrikas stellen ihre Bewohner vor sehr unterschiedliche Herausforderungen. Ihre Vielfalt reicht von der Wüste mit ihren Salzwasserseen über die Savanne bis zum tropischen Regenwald. Die Serengeti ist eine Savanne, die sich vom Norden Tansanias, östlich des Victoriasees, bis in den Süden Kenias erstreckt. Sie stellt ein komplexes Ökosystem dar, das sich zwischen Sommertrockenheit, grünem Winter und üppigem Frühling bewegt. Im Folgenden sollen Sie sich mit ökologischen und stoffwechselbiologischen Aspekten Ostafrikas und seiner Lebensräume auseinandersetzen. Ökologische Aspekte in der Serengeti 1.1 Skizzieren Sie ein beispielhaftes Nahrungsnetz der Serengeti für eine Auswahl der in M 1 genannten Organismen, das vier Trophieebenen (Emährungsstufen) berücksichtigt. Note: [ca. 10 BE] 1.2 Werten Sie die in M 2b dargestellten Daten zu ausgewählten Savannenbewohnern im Hinblick auf Einnischung aus (M 2a und M 2b). [ca. 14 BE] 15 Plate Ökologische und stoffwechselbiologische Aspekte ostafrikanischer Regenwälder 2.1 Analysieren Sie den Blattbau im Hinblick auf die besonderen Angepasstheiten der jungen Würgefeige (M 3a und M 3b) an ihren Lebensraum. [ca. 08 BE] 1 2.2 Deuten Sie die Versuche zum Mechanismus der ATP-Bildung in Thylakoiden (M 3c). [ca. 14 BE] 2.3 Erläutern Sie anhand von M 4a die Auswirkungen von Fusicoccin auf die befallene Pflanze. [ca. 11 BE] Viel Erfolg!! 3 Stoffwechselbiologische Aspekte bei Pflanzen Ostafrikas 3.1 Beschreiben Sie den Weg der...

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Elektronen bei den Primärreaktionen der Fotosynthese bei Anregung durch Licht unter besonderer Berücksichtigung des Energieniveaus der transportierten Elektronen. [ca. 09 BE] 3.2 Erläutern Sie das „Source-and-Sink-Modell" unter dem Aspekt verschiedener Arten von Stofftransport zwischen Zellen anhand von M 5a und M 5b. [ca. 14 BE] M 1 Ausgewählte Organismen der Serengeti Organismus Organismus Von ihm gefressene Organismen oder Pflanzennahrung Akazien Organismenteile Von ihm gefressene Organismen oder Organismenteile Thomson- Gazelle Gräser, seltener hauptsächlich auch andere Blätter von Giraffe Leopard bevorzugt Säugetiere, z.B. Erdferkel, Gnus und Gazellen cl Streifenhyäne Säugetiere (z.B. Zebra, Erdferkel), aber auch Pflanzen Erdferkel Insekten, hauptsächlich Ameisen und Termiten Gaukler (eine Greifvogelart) Säugetiere, z.B. Erdferkel, Vogeleier und Insekten (z.B. Termiten) Termiten hauptsächlich Holz, z.B. von Akazien, aber auch Gräser u. Wurzeln Weißbartgnu Gräser, seltener auch andere Pflanzennahrung Zusammengestellt und verändert aus: Dobson, A.: Food-web structure and ecosystem services: insights from the Serengeti. In: Phil. Trans. R. Soc. B 364 (2009), S. 1665-1682. M 2 Serengeti M 2a: Allgemeine Information zum Lebensraum Serengeti Die ostafrikanische Savanne liegt etwas südlich des Äquators, am Fuße der großen Vulkane mit dem Riesenkrater Ngoro-Ngoro und der weiten Serengetiebene (M 2b). Sie ist vor allem durch ihren Tierreichtum bekannt, der vielleicht mit den nährsalzreichen, vulkanischen Böden und dem damit verbundenen reichhaltigen pflanzlichen Nahrungsangebot zusammenhängt. Die Vegetation besteht aus aufgelockerten Beständen von Schirmakazien und verschiedenen Kräutern und Gräsern (Abbildung rechts). Der Wasserhaushalt der Bäume ist ausgeglichen, da sie mit ihren langen Wurzeln das Grundwasser erreichen können. Die Gräser hingegen wachsen nur während der Regenzeiten, von denen eine im Zeitraum zwischen Februar und Mai sowie eine im Zeitraum zwischen August und November liegt; dazwischen liegt jeweils eine Dürrezei, in der die Gräser vertrocknen. Die Serengeti beherbergt riesige Tierherden, die saisonale Wanderungen unternehmen. Insbesondere Gnus und Zebras, die sowohl frisches als auch trockenes Gras fressen, sind für ihre ausgedehnten Wanderungen bekannt (M 2b). abict, biet, Foktorn, del. Nisch, te Zusammengestellt und verändert aus: koexistenz Jaenicke, J. (Hrsg.): Materialien-Handbuch Kursunterricht Biologie, Band 3/11. Aulis-Verlag, Köln 1999, S. 409 ff. M 2b: Informationen zu ausgewählten Savannenbewohnern Savannen- Körpergröße bewohner [cm] Weißbart- gnu Giraffe 140 Dik-Dik - 600 Spitzmaul- nashorn Giraffen- - 100 gazelle Zebra - 160 140 <<-40 812 Gräser Nahrung Blätter von Schirmakazien Aste, Rinde Blätter der Schirmakazie, nein nur bei Nahrungsknappheit Gras Kniedrig hängende Blätter der Schirmakazie Gräser C Laub, Gräser Blüten, Früchte 4 in riesigen Herden (bis zu 100.000) nein M 3 Würgefeigen im ostafrikanischen Regenwald M 3a: Informationen zu Würgefeigen der Gattung Ficus Der ostafrikanische Regenwald unterscheidet sich deutlich von der Serengeti. Eine typische Pflanze in diesem Lebensraum ist die sog. Würgefeige (Gattung Ficus). Die Samen der Würgefeigen werden meist von Vögeln verbreitet und keimen in den Astgabeln eines Trägerbaums. Dort bildet sich ein kleiner Spross mit langen, dünnen Luftwurzeln, die nach unten wachsen. Die Blätter der jungen Würgefeige zeigen Angepasstheiten Wanderung (vgl. M 2b) nein Zusammengestellt und verändert aus: Jaenicke, J. (Hrsg.): Materialien-Handbuch Kursunterricht Biologie, Band 3/11. Aulis-Verlag, Köln 1999, S. 409 ff. in großen Herden, kurzzeitig versetzt zu den Gnus nein by an vor 3b). Trockenheit als Schutz Wasserverlust (M Erst wenn die Wurzeln den Boden erreichen, werden sie stärker, sodass dem Spross, dessen Blattkrone sich bald üppig entwickelt und in deren Blättern die Lichtenergie zur Stoffproduktion genutzt wird, nun Wasser und Mineralsalze zugeführt wird. Das hat natürlich Folgen für den Wirtsbaum. Dessen Stamm wird durch das enge Geflecht der Feige eng umwachsen. Seine Leitgefäße werden abgeschnürt und seine Blätter von der mächtig gewachsenen Krone der Feige beschattet und verdrängt. So stirbt der Wirtsbaum über Jahre langsam ab. Unterdessen ist das Geflecht der Feige so stabil geworden, dass sie auch ohne Stütze durch den Wirtsbaum bestehen kann. Sie übernimmt dessen Platz, ihr „Stamm" ist deswegen innen hohl. Verändert aus: Lerch, G.: Pflanzenökologie. Akademie Verlag GmbH, Berlin 1991, S. 174-175. gcalle I durch eingsalte Stonbla Mini 4&T. M 3b: Querschnitt durch ein Laubblatt einer jungen Würgefeige und relative Luftfeuchtigkeit an einer Spaltöffnung Schute or Wasser verhot Rechts Blattquerschnitt durch das Blatt einer jungen Würgefeige Unten: relative Luftfeuchtigkeit an einer Spaltöffnung in % - 100% Afi - 80% -60% Verändert aus: Bolay, E.: Ökologie der Würgefeigen. In: Biologie in unserer Zeit 2 (1977), S. 58. M 3c: Experimente zum Mechanismus der ATP-Bildung in Thylakoiden dicke Cuticula obere Epidermis Wasserspeicher- gewebe Eingestellter pH-Wert im Inneren der Thylakoidkugeln 5,2 Palisadengewebe 4F5 -Aterhöhle, Entertation d. Die Primärrektionen bei Würgefeigen entsprechen den Primärreaktionen bei unseren heimischen Pflanzen. Für die folgenden beiden Experimente wurden Thylakoidmembranen aus Chloroplasten isoliert. Diese bilden in Lösung mit Flüssigkeit gefüllte, abgeschlossene Membrankugeln. Schwammgewebe Versuch 1: Zu Beginn des Versuches ist der pH-Wert im Inneren der Thylakoidkugeln und im umgebenden Medium gleich. Ansonsten entspricht das Medium den physiologischen Bedingungen. Man misst nun den pH-Wert des umgebenden Mediums in Abhängigkeit vom Licht. Unter Kichteinfluss beobachtet man eine Steigerung des pH-Wertes im umgebenden Medium auf einen pH-Wert von 8. Wird das Licht ausgeschaltet, so sinkt der pH-Wert wieder auf den ursprünglichen Wert. 6,6 0 3 versenkte Spalt- öffnung Zweischichtige Bere untere Epidermis dicke Cuticula →→shiute usr 1 Sorven einstrabling of Ziel & Transpiration Versuch 2: In isolierten Thylakoidkugeln werden die lichtabhängigen Prozesse in den Membranen gehemmt. Dann stellt man in ihrem Inneren künstlich einen pH-Wert von 5,2 ein. Die Thylakoidkugeln werden dann in Lösungen mit unterschiedlichen pH-Werten gegeben. Diese Lösungen enthalten zudem immer ADP und Phosphat. Dann ermittelt man die jeweils gebildete ATP-Menge für die einzelnen Versuchsansätze. Die jeweils ermittelten ATP-Mengen sind in den grauen Feldern der Tabelle in relativen Einheiten angegeben. pH-Werte der Lösungen 7,2 2 8,3 37 Verändert aus: Beyer, I. et al.: Natura - Biologie für Gymnasien, Stoffwechsel, Lehrerband. Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006, S. 119. &T. farast ↓ Verkile م الماء Verfile M 4 Spaltöffnungsschluss und die Einwirkung des Pilzes Fusicoccum amygdali M 4a: Informationen und Experiment mit dem parasitären Pilz Fusicoccum amygdali Parasitare Pilze versuchen ständig, in Pflanzen einzudringen. Diejenigen, die zB. die Blätter der Würgefeige infizieren, dringen oft durch die Spaltöffhungeren. Diese müssen dabei geöffnet sein. Man beobachtete, dass Blätter, die mit dem Pilz Fusicoccum amygdali befallen waren, besonders schnell welken und schließlich zu Boden fallen. Man identifizierte in dem Pilz als wirksame Substanz das Fusicoccin 32 hohe Wasservedeste, wearchindole Transpiration de Experiment: Blätter mit intakten Spaltöffnungen wurden in ein geeignetes Medium mit und ohne Stones Fusicocoin gegeben und mit einer Lichtintensität von 70 m² bestrahlt oder im Dunkeln gehalten. Weiterhin veränderte man die Kohlenstoffdioxid-Konzentration. Die Beobachtungen sind in folgender off Tabelle festgehalten worden. Belichtung kein CO₂ Belichtung, viel CO₂ Dunkelheit, kein CO₂ Dunkelheit, viel CO₂ gang Blattzellen Cas sehr gering sehr gering oth Retten Stef sehr gering CO₂ wind < bonityy kans tut kaun S211 S Zusammengestellt und verändert aus Simons, P.: Pflanzen in Bewegung - Das Muskel- und Nervensystem der Pflanzen Birkhäuser Verlag, Basel 1994, S. 172. Squire, G.R., Mansfield, T.A.: The action of fusicoccin on stomatal guard cells (...). In: New Phytol, 73 (1974), S. 436. M 5 Source-and-Sink-Modell" der Transportvorgänge der Assimilate in der Pflanze M 5a: Information Forscher haben untersucht, wie sich der süßliche Pflanzensaft in den Leitbündeln einer Pflanze erklären lässt. Jede Pflanze besitzt ein Assimilationsgewebe, in dem Fotosynthese stattfindet (Source). Weiterhin gibt es Orte, an denen Glucose verstärkt benötigt wird (Sink), aber keine Fotosynthese stattfindet, z. B. in der Wurzel. Das in M 2b dargestellte,Source-and-Sink-Modell" fasst die Ergebnisse dieser Untersuchungen zusammen. M 5b: Schematische Darstellung des Source-and-Sink-Modells" Hinweis: Sieb- und Geleitzellen sind Teile des Leitbündels und dienen dem Stofftransport. Spaltöffnungsweite ohne Zugabe von Fusicoccin groß Diffusion Saccharose Source- Gewebe Diffusion mehrere Zellen Glucose wird vor dem Transport noch im fotosynthetisch aktiven Gewebe in Saccharose (S) umgewandelt. H* (+ Geleit- Siebzellen zellen S SS Spaltöffnungsweite in Anwesenheit von Fusicoccin sehr grois sehr groß sehr groß sehr groß ATP ADP+Pi zum Sink- Gewebe Legende: Transportprotein Transportprotein Verändert aus: Bresinsky, A. et al.: Straßburger - Lehrbuch der Botanik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2008, S. 324ff.

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Wurzeln Weißbartgnu Gräser, seltener auch andere Pflanzennahrung Zusammengestellt und verändert aus: Dobson, A.: Food-web structure and ecosystem services: insights from the Serengeti. In: Phil. Trans. R. Soc. B 364 (2009), S. 1665-1682. M 2 Serengeti M 2a: Allgemeine Information zum Lebensraum Serengeti Die ostafrikanische Savanne liegt etwas südlich des Äquators, am Fuße der großen Vulkane mit dem Riesenkrater Ngoro-Ngoro und der weiten Serengetiebene (M 2b). Sie ist vor allem durch ihren Tierreichtum bekannt, der vielleicht mit den nährsalzreichen, vulkanischen Böden und dem damit verbundenen reichhaltigen pflanzlichen Nahrungsangebot zusammenhängt. Die Vegetation besteht aus aufgelockerten Beständen von Schirmakazien und verschiedenen Kräutern und Gräsern (Abbildung rechts). Der Wasserhaushalt der Bäume ist ausgeglichen, da sie mit ihren langen Wurzeln das Grundwasser erreichen können. Die Gräser hingegen wachsen nur während der Regenzeiten, von denen eine im Zeitraum zwischen Februar und Mai sowie eine im Zeitraum zwischen August und November liegt; dazwischen liegt jeweils eine Dürrezei, in der die Gräser vertrocknen. Die Serengeti beherbergt riesige Tierherden, die saisonale Wanderungen unternehmen. Insbesondere Gnus und Zebras, die sowohl frisches als auch trockenes Gras fressen, sind für ihre ausgedehnten Wanderungen bekannt (M 2b). abict, biet, Foktorn, del. Nisch, te Zusammengestellt und verändert aus: koexistenz Jaenicke, J. (Hrsg.): Materialien-Handbuch Kursunterricht Biologie, Band 3/11. Aulis-Verlag, Köln 1999, S. 409 ff. M 2b: Informationen zu ausgewählten Savannenbewohnern Savannen- Körpergröße bewohner [cm] Weißbart- gnu Giraffe 140 Dik-Dik - 600 Spitzmaul- nashorn Giraffen- - 100 gazelle Zebra - 160 140 <<-40 812 Gräser Nahrung Blätter von Schirmakazien Aste, Rinde Blätter der Schirmakazie, nein nur bei Nahrungsknappheit Gras Kniedrig hängende Blätter der Schirmakazie Gräser C Laub, Gräser Blüten, Früchte 4 in riesigen Herden (bis zu 100.000) nein M 3 Würgefeigen im ostafrikanischen Regenwald M 3a: Informationen zu Würgefeigen der Gattung Ficus Der ostafrikanische Regenwald unterscheidet sich deutlich von der Serengeti. Eine typische Pflanze in diesem Lebensraum ist die sog. Würgefeige (Gattung Ficus). Die Samen der Würgefeigen werden meist von Vögeln verbreitet und keimen in den Astgabeln eines Trägerbaums. Dort bildet sich ein kleiner Spross mit langen, dünnen Luftwurzeln, die nach unten wachsen. Die Blätter der jungen Würgefeige zeigen Angepasstheiten Wanderung (vgl. M 2b) nein Zusammengestellt und verändert aus: Jaenicke, J. (Hrsg.): Materialien-Handbuch Kursunterricht Biologie, Band 3/11. Aulis-Verlag, Köln 1999, S. 409 ff. in großen Herden, kurzzeitig versetzt zu den Gnus nein by an vor 3b). Trockenheit als Schutz Wasserverlust (M Erst wenn die Wurzeln den Boden erreichen, werden sie stärker, sodass dem Spross, dessen Blattkrone sich bald üppig entwickelt und in deren Blättern die Lichtenergie zur Stoffproduktion genutzt wird, nun Wasser und Mineralsalze zugeführt wird. Das hat natürlich Folgen für den Wirtsbaum. Dessen Stamm wird durch das enge Geflecht der Feige eng umwachsen. Seine Leitgefäße werden abgeschnürt und seine Blätter von der mächtig gewachsenen Krone der Feige beschattet und verdrängt. So stirbt der Wirtsbaum über Jahre langsam ab. Unterdessen ist das Geflecht der Feige so stabil geworden, dass sie auch ohne Stütze durch den Wirtsbaum bestehen kann. Sie übernimmt dessen Platz, ihr „Stamm" ist deswegen innen hohl. Verändert aus: Lerch, G.: Pflanzenökologie. Akademie Verlag GmbH, Berlin 1991, S. 174-175. gcalle I durch eingsalte Stonbla Mini 4&T. M 3b: Querschnitt durch ein Laubblatt einer jungen Würgefeige und relative Luftfeuchtigkeit an einer Spaltöffnung Schute or Wasser verhot Rechts Blattquerschnitt durch das Blatt einer jungen Würgefeige Unten: relative Luftfeuchtigkeit an einer Spaltöffnung in % - 100% Afi - 80% -60% Verändert aus: Bolay, E.: Ökologie der Würgefeigen. In: Biologie in unserer Zeit 2 (1977), S. 58. M 3c: Experimente zum Mechanismus der ATP-Bildung in Thylakoiden dicke Cuticula obere Epidermis Wasserspeicher- gewebe Eingestellter pH-Wert im Inneren der Thylakoidkugeln 5,2 Palisadengewebe 4F5 -Aterhöhle, Entertation d. Die Primärrektionen bei Würgefeigen entsprechen den Primärreaktionen bei unseren heimischen Pflanzen. Für die folgenden beiden Experimente wurden Thylakoidmembranen aus Chloroplasten isoliert. Diese bilden in Lösung mit Flüssigkeit gefüllte, abgeschlossene Membrankugeln. Schwammgewebe Versuch 1: Zu Beginn des Versuches ist der pH-Wert im Inneren der Thylakoidkugeln und im umgebenden Medium gleich. Ansonsten entspricht das Medium den physiologischen Bedingungen. Man misst nun den pH-Wert des umgebenden Mediums in Abhängigkeit vom Licht. Unter Kichteinfluss beobachtet man eine Steigerung des pH-Wertes im umgebenden Medium auf einen pH-Wert von 8. Wird das Licht ausgeschaltet, so sinkt der pH-Wert wieder auf den ursprünglichen Wert. 6,6 0 3 versenkte Spalt- öffnung Zweischichtige Bere untere Epidermis dicke Cuticula →→shiute usr 1 Sorven einstrabling of Ziel & Transpiration Versuch 2: In isolierten Thylakoidkugeln werden die lichtabhängigen Prozesse in den Membranen gehemmt. Dann stellt man in ihrem Inneren künstlich einen pH-Wert von 5,2 ein. Die Thylakoidkugeln werden dann in Lösungen mit unterschiedlichen pH-Werten gegeben. Diese Lösungen enthalten zudem immer ADP und Phosphat. Dann ermittelt man die jeweils gebildete ATP-Menge für die einzelnen Versuchsansätze. Die jeweils ermittelten ATP-Mengen sind in den grauen Feldern der Tabelle in relativen Einheiten angegeben. pH-Werte der Lösungen 7,2 2 8,3 37 Verändert aus: Beyer, I. et al.: Natura - Biologie für Gymnasien, Stoffwechsel, Lehrerband. Ernst Klett Verlag, Stuttgart 2006, S. 119. &T. farast ↓ Verkile م الماء Verfile M 4 Spaltöffnungsschluss und die Einwirkung des Pilzes Fusicoccum amygdali M 4a: Informationen und Experiment mit dem parasitären Pilz Fusicoccum amygdali Parasitare Pilze versuchen ständig, in Pflanzen einzudringen. Diejenigen, die zB. die Blätter der Würgefeige infizieren, dringen oft durch die Spaltöffhungeren. Diese müssen dabei geöffnet sein. Man beobachtete, dass Blätter, die mit dem Pilz Fusicoccum amygdali befallen waren, besonders schnell welken und schließlich zu Boden fallen. 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M 5 Source-and-Sink-Modell" der Transportvorgänge der Assimilate in der Pflanze M 5a: Information Forscher haben untersucht, wie sich der süßliche Pflanzensaft in den Leitbündeln einer Pflanze erklären lässt. Jede Pflanze besitzt ein Assimilationsgewebe, in dem Fotosynthese stattfindet (Source). Weiterhin gibt es Orte, an denen Glucose verstärkt benötigt wird (Sink), aber keine Fotosynthese stattfindet, z. B. in der Wurzel. Das in M 2b dargestellte,Source-and-Sink-Modell" fasst die Ergebnisse dieser Untersuchungen zusammen. M 5b: Schematische Darstellung des Source-and-Sink-Modells" Hinweis: Sieb- und Geleitzellen sind Teile des Leitbündels und dienen dem Stofftransport. Spaltöffnungsweite ohne Zugabe von Fusicoccin groß Diffusion Saccharose Source- Gewebe Diffusion mehrere Zellen Glucose wird vor dem Transport noch im fotosynthetisch aktiven Gewebe in Saccharose (S) umgewandelt. H* (+ Geleit- Siebzellen zellen S SS Spaltöffnungsweite in Anwesenheit von Fusicoccin sehr grois sehr groß sehr groß sehr groß ATP ADP+Pi zum Sink- Gewebe Legende: Transportprotein Transportprotein Verändert aus: Bresinsky, A. et al.: Straßburger - Lehrbuch der Botanik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2008, S. 324ff.