11. – 13. Schuljahr

Wolfgang Klemmstein

Evolutiver Wettlauf

Unterrichtsvoraussetzungen
Evolutionsprozess (Variation, Selektion), Artbildung (Isolation), Stammbaumdarstellungen, Aktionspotenzial, Ionenkanäle, Proteinbiosynthese, Code-Sonne
Lösungshinweise und Anforderungsbereiche
Aufgabe 1
Aus der Ursprungspopulation entstehen eine östliche und eine westliche Population. Von letzterer spaltet sich durch Ausbreitung an die südliche Küste die Willow-Creek-Population ab und sie entwickelt sich weiter, bis sie sich in die stationäre Bear-Lake-Population und einen zur nördlichen Küste wandernden Zweig aufspaltet, aus dem die Warrenton- und die Berton-Populationen entstehen. (AFB I)
In der sich südwestlich zur Küste ausbreitenden Teilpopulation besitzen aufgrund der dort vorkommenden hochgiftigen Gelbbauchmolche die Varianten mit starken Resistenzmutationen einen Selektionsvorteil, weil sie ihr Nahrungsspektrum vergrößerten. Aufgrund der erhöhten Fitness breitete sich die Resistenz in der Population aus.
In der sich nach Norden an die Küste ausbreitenden Population konnte sich ebenfalls eine Resistenzvariante durchsetzen. Diese blieb in der Warrenton-Population erhalten, während sich in der Benton-Population eine Variante mit einer weiteren, resistenzverstärkenden Mutation als selektionsbegünstigt erwies und durchsetzte. Hierin könnten sich verschiedene Giftstärken der Beute als Anpassungsdruck zeigen.
Die Resistenz ist in den drei Populationen unterschiedlich stark ausgeprägt, was für eine analoge Entstehung spricht. Dies unterstützt der Stammbaum, der zeigt, dass die Resistenz mindestens zweimal unabhängig voneinander entstanden ist (Willow Creak und Warrenton/Benton). (AFB II)
Aufgabe 2
Durch die schwache Depolarisation eines vorhergehenden Impulses werden einige spannungsgesteuerte Na+-Kanäle geöffnet. Erreicht die Depolarisation den Schwellenwert, öffnen sich alle Na+-Poren und Na+-Ionen (Na+) strömen aufgrund des Konzentrationsverhältnisses in die Zelle, die positiv wird. Dies zeigt sich im Anstieg des Aktionspotenzials (AP).
Ist ein Na+-Gleichgewicht erreicht, schließen sich die Na+-Poren, die Kaliumkanäle öffnen sich und Kalium-Ionen (K+) strömen aufgrund der innen hohen K+-Konzentration nach außen. Durch die Entfernung von K+-Ionen aus der Zelle bekommt sie eine zunehmend negative Ladung, bis das Niveau des Ruhepotenzials oder eine tiefer negative Hyperpolarisation erreicht ist. Dies spiegelt der abfallende Teil des AP wider.
Die gegenüber dem Ruhepotenzial falsche Ionenverteilung (Na+ innen, K+ außen) wird während der folgenden Refraktärzeit durch die Na+-K+-Pumpe umgekehrt. So lange ist hier kein neues AP möglich. (AFB I)
TTX wirkt hemmend auf die Na+-Kanäle. Eine Reduktion der aktiven Na+-Kanäle vermindert den Na+-Einstrom in die Zelle, wodurch die Depolarisierung langsamer verläuft und insgesamt weniger Na+-Ionen in die Zelle gelangen. Dies dokumentiert ein flacherer Anstieg der Kurve und eine geringere Amplitude. (AFB II)
Die Grafik zeigt als Indikator der Giftwirkung die Anstiegsraten des AP der vier Populationen bei ansteigenden TTX-Konzentrationen. Bei der Ausgangskonzentration von 5·10-7 Mol zeigt die Willow-Creek-Population ca. 100% der durchschnittlichen Anstiegsrate des AP, also keine Einschränkung durch das Nervengift. Sie ist im Vergleich zu den anderen Populationen völlig resistent. Auch eine Erhöhung der Giftkonzentration um das 100-Fache auf 10-5 Mol reduziert die Anstiegsrate nur auf rund 90%. Dies deutet eine hohe Giftigkeit der Gelbbauchmolch-Population im Verbreitungsgebiet an.
Benton- und Warrenton-Populationen zeigen bereits bei der Ausgangskonzentration eine Reduktion der Anstiegsrate auf 80 - 90% und sinken in der Anstiegsrate bei 10-facher Dosiserhöhung auf 40% und tiefer. Dies belegt eine teilweise Resistenz gegenüber TTX und eine geringere Giftigkeit der Beutetiere.
Die Bear-Lake-Population, in deren Gebiet keine giftigen Gelbbauchmolche vorkommen, zeigt Tiere ohne...

Weiterlesen im Heft

Vorteile im Abo

Exklusiver Online-Zugriff auf die digitalen Ausgaben der abonnierten Zeitschrift
Print-Ausgabe der abonnierten Zeitschrift bequem nach Hause
Zusatzvorteile für Abonnenten im Online-Shop genießen