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Neues Gift zur Blattlausbekämpfung 2019 GK

In dieser GK-Aufgabe aus dem Jahre 2020 werden Themen aus der Neurobiologie, der Genetik und der Evolutionsbiologie verknüpft.

Materialien

  • Den Schülern wird als Arbeitsmaterial A ein kurzer Informationstext über Blattläuse als Pflanzenschädlinge präsentiert. Als Schädlingsbekämpfungsmittel haben sich Pyrethroide bewährt, die an spannungsgesteuerte Natriumkanäle von Nervenzelle binden.

    In einer Graphik wird gezeigt, wie sich ein Aktionspotenzial verändert, wenn die Nervenzelle einem solchen Pyrethroid augesetzt ist.



    Statt einem normalen Aktionspotenzial finden sich im gleichen Zeitraum drei kürzere Aktionspotenziale, deren Amplitude jedoch jedes Mal abnimmt. Eine ähnliche Graphik findet man übrigens in dem schon vor einigen Jahren erschienenen Arbeitsbuch zum MARKL, Biologie (2010).

  • In dem Arbeitsmaterial B wird auf die Pyrethroid-Resistenz von Blattläusen eingegangen, die auf Mutationen in bestimmten Genen zurückzuführen sind. Wie üblich bei solchen Genetik-Aufgaben findet man hier eine Basensequenz aus dem nicht-codogenen Strang eines Gens sowie den gleichen Ausschnitt aus dem nicht-codogenen Strang eines mutierten Gens. Das fragliche Gen ist hier das Gen für einen spannungsabhängigen Natriumkanal. Die Mutation weicht nur in einer einzigen Base von dem Wildtyp ab; in Triplett Nr. 1014 ist ein C gegen ein T ausgetauscht worden. Mit Hilfe der Codesonne kann man relativ schnell feststellen, dass in dem zugehörigen Protein nur eine einzige Aminosäure ausgetauscht wurde.

  • Das Material C wird ein alternativer Ansatz der Blattlausbekämpfung mit einem Spinnentoxin vorgestellt. Dieses Toxin, Hv1a genannt, hemmt spannungsabhängige Calciumkanäle an den Synapsen von Insekten, zeigt aber keine Wirkung bei Säugetieren. Auch auf Honigbienen wirkt dieses Toxin so gut wie nicht.

    In einer Graphik sieht man die Auswirkung des Toxins auf die Überlebensrate von Blattläusen - sowohl von Wildtyp-Individuen wie auch von Individuen, die gegen Pyrethroide resistent sind. Beide Populationen nehmen nach der Zugabe des Spinnengiftes stark ab, der Wildtyp anfangs sogar stärker als die Mutanten. Nach 9 Tagen jedoch sind beide Populationen vollständig dezimiert.

  • Das Material D ist wieder die übliche Codesonne sowie eine Tabelle mit den 20 Aminosäuren.

Teilaufgabe 1

  • Hier soll der Verlauf eines normalen Aktionspotenzial erklärt werden und mit dem Verlauf nach Pyrethroid-Zugabe verglichen werden. Natürlich wird auch eine Erklärung für den abweichenden Verlauf verlangt und ein Eingehen auf die Folgen für das Insekt.
Lösungshinweise
  • In den Materialien zur Aufgabe wird nicht darauf hingewiesen, dass das Pyrethroid-Toxin die spannungsgesteuerten Natriumkanäle so blockiert, dass sie zwar geöffnet, aber nicht mehr geschlossen werden können. Auf diesen Gedanken müssen die Schüler(innen) von selbst kommen. Beim ersten Aktionspotenzial fließen also Natrium-Ionen in die Zelle und während der Repolarisierungsphase verlassen Kalium-Ionen die Zelle. Da sich die Natriumkanäle aber nicht mehr schließen, strömen auch während der Repolarisierungsphase Natrium-Ionen nach innen. Das Membranpotenzial erreicht daher am Ende des Aktionspotenzials Werte um -50 mV.
  • Interessant ist nun die Frage, wieso noch zwei weitere Aktionspotenziale entstehen. Eine Lösung für dieses Problem könnte so aussehen: Dadurch, dass nach dem ersten Aktionspotenzial das Membranpotenzial nicht wieder auf -70 mV absinkt, sondern bei -50 oder -40 mV verharrt (in der Abbildung in Material A sind leider keine Einheiten eingezeichnet, so dass man hier nur raten kann), wird der für die Ausbildung von Aktionspotenzialen notwendige Schwellenwert überschritten, so dass automatisch ein neues unabhängiges Aktionspotenzial an der gleichen Stelle entsteht. Da die intrazelluläre Na+-Konzentration jetzt aber durch die ständig geöffneten Na+-Kanäle höher ist als normalerweise, ist der Na+-Konzentrationsgradient kleiner als normalerweise, und es können nicht mehr so viele Na+-Ionen in die Zelle strömen. Das zweite Aktionspotenzial erreicht daher nur noch einen Wert von ca. +20 mV (geschätzt). Die Na+-Innenkonzentration nimmt immer mehr zu, daher ist das dritte Aktionspotenzial noch schwächer, und nach der dritten Repolarisierungsphase befinden sich so viele Na+-Ionen im Zellinnenraum, dass die Membran ständig depolarisiert ist und keine neuen Aktionspotenziale mehr gebildet werden können.

Teilaufgabe 2

  • Wie immer bei einer Genetik-Aufgabe sollen die Schüler ermitteln, um was für einen Mutationstyp es sich hier handelt und welche Auswirkungen diese Mutation auf das gebildete Peptid hat.
  • In einem Fließschema sollen die Schüler dann darstellen, wie es zur Ausbreitung der Resistenz innerhalb der Population gekommen ist.
Lösungshinweise
  • Die erste Base eines Tripletts wurde ausgetauscht, das hat fast immer den Einbau einer anderen Aminosäure in das Protein zur Folge, wie man mit Hilfe der Gensonne auch leicht erkennen kann: Statt Leucin wird Phenylalanin eingebaut; die Schüler(innen) sollten an dieser Stelle den Fachbegriff "misssense-Mutation" in ihre Lösung einbauen.
    Welche Auswirkungen eine solche misssense-Mutation hat, hängt wiederum davon ab, an welcher Stelle des Proteins dieser Austausch passiert. Da die Mutation zu einer Resistenz gegen das Toxin führt, kann die Austauschposition nicht so ganz unwichtig sein, sondern muss die Region betreffen, in der das Toxin andockt.

  • Der zweite Teil der Aufgabe ist pure Evolutionsbiologie. Rein zufällig tritt eine Mutation im Gen für den spannungsgesteuerten Natrium-Kanal auf, die dazu führt, dass das Toxin nicht mehr binden kann. Diese Mutation kann schon lange vor dem Einsatz des Toxins geschehen sein, in der Evolutionsbiologie bezeichnet man so etwas als Präadaption (nicht zielgerichtete zufällige Voranpassung). Unter normalen Bedinungen (also ohne Toxin) haben die Träger dieser Mutation vielleicht sogar Überlebensnachteile, wer weiß. Aber sobald das Toxin eingesetzt wird, schlägt dieser Überlebensnachteil in einen Selektionsvorteil um; denn die Träger der Mutation sterben nicht, sondern können sich fortpflanzen und dadurch die Mutation auf die nachfolgende Generation übertragen. So erhöht sich im Laufe der Generationen die Anzahl der resistenten Blattläuse.

Teilaufgabe 3

  • Hier soll der in Material C präsentierte Versuch ausgewertet werden - dabei soll natürlich auch auf die physiologische Wirkung des Spinnengifts eingegangen werden.
  • Schließlich soll der Einsatz des Spinnengifts in der Landwirtschaft bewertet werden. Schließlich muss ja neuerdings jede Abituraufgabe einen Bewertungs-Anteil haben.
Lösungshinweise
  • Die Wirkung des Spinnengiftes geht aus der Abbildung klar hervor. Man beobachtet Blattläuse ohne Resistenz gegen Pyrethroide (Wildtyp) und Blattläuse mit Resistenz (Mutanten). Beide Typen von Blattläusen werden durch das Spinnengift innerhalb von drei Tagen erheblich dezimiert. Nach drei Tagen betrug die Überlebensrate nur noch 20% (Wildtyp) bzw. 40% (Mutatanten). Nach 6 Tagen war die Überlebensrate auf 0% bzs. 20% abgesunken, und nach 9 Tagen überlebten weder die Wildtyp- noch die Mutanten-Exemplare.
    Das Spinnengift ist also durchaus wirksam, allerdings wird der Wildtyp noch stärker/schneller geschädigt als die Mutanten, die gegen Pyrethroide resistent sind. Offensichtlich verleiht die Pyrethroid-Resistenz auch eine gewisse (kleine) Resistenz gegen das Spinnengift, die das Schicksal allerdings nur zeitlich etwas verzögert.
  • Bei der "physiologischen Wirkung" des Spinnengifts wird erwartet, dass die Schüler(innen) noch einmal kurz die Funktionsweise einer chemischen Synapse beschreiben und dort vor allem auf die Rolle der spannungsgesteuerten Calciumkanäle eingehen, weil diese ja durch das Spinnengift beeinträchtigt werden.
  • Der zweite Teil der dritten Teilaufgabe ist etwas, was ich persönlich immer als "Laberaufgabe" bezeichne. Hier sollen die Schüler(innen) erkennen, dass das Spinnentoxin viel besser als Insektizid geeignet ist als die Pyrethroide, weil zum Beispiel die Bienen und auch Säugetiere nicht geschädigt werden. Kritisch sollte dann angemerkt werden, das auch ein solches alternatives Gift ausführlich geprüft werden muss (Nachweis der Ungefährlichkeit für das Ökosystem). Es sollte vielleicht auch angemerkt werden, dass Blattläuse auch gegen das Spinnengift Resitenzen entwickeln können.

Fazit

Ich persönlich finde diese Abituraufgabe relativ einfach, aber auch nicht schlecht. Hier wird Grundlagenwissen der Neurobiologie (Bildung von Aktionspotenzialen, Rolle der Natriumkanäle, motorische Endplatte, Rolle der Calciumkanäle) sinnvoll mit weiterführenden Themen aus der Genetik (Mutationen), Evolutionsbiologie (Selektion) und Ökologie (Schädlingsbekämpfung) verknüpft.