TestAS · Lebenswissenschaften
Zellen, Genetik, Evolution, Ökologie, Mikrobiologie und Pflanzen. Rechne mit Stammbäumen, Wachstumskurven und Versuchsergebnissen zum Deuten.
testas.de nennt dieses Thema für das Fachmodul Lebenswissenschaften. Im Test kommt es als Testlet: ein kurzer Text, eine Tabelle oder Formel, danach 4 bis 8 Fragen, die du daraus beantwortest.
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Mendels Regeln und darüber hinaus
Gregor Mendels Versuche mit Erbsen in den 1860er-Jahren legten die Grundlagen der Genetik. Er untersuchte Merkmale mit zwei deutlich verschiedenen Formen, etwa runde oder runzelige Samen und gelbe oder grüne Samen. Er schloss daraus, dass jedes Individuum für jedes Merkmal zwei Kopien eines Erbfaktors trägt, heute Gen genannt, und dass sich diese Kopien, die Allele, bei der Bildung der Keimzellen trennen, sodass jede Keimzelle nur eine erhält (Spaltungsregel). Überdeckt bei einem heterozygoten Individuum ein Allel das andere, ist es dominant; das überdeckte Allel ist rezessiv.
Mendel kreuzte auch Pflanzen, die sich in zwei Merkmalen unterschieden. Kreuzte er Pflanzen, die für Samenform und Samenfarbe heterozygot waren (RrYy × RrYy), zeigten die Nachkommen die vier möglichen Merkmalskombinationen etwa im Verhältnis 9 : 3 : 3 : 1. Das zeigte, dass die Allele verschiedener Gene unabhängig voneinander auf die Keimzellen verteilt werden (Unabhängigkeitsregel). Heute weiß man, dass das für Gene auf verschiedenen Chromosomen gilt; Gene, die auf demselben Chromosom dicht beieinander liegen, werden meist gemeinsam vererbt und heißen gekoppelt.
Eine Testkreuzung zeigt, ob ein Individuum mit dominantem Phänotyp homozygot oder heterozygot ist: Es wird mit einem homozygot rezessiven Individuum gekreuzt. Zeigt irgendein Nachkomme das rezessive Merkmal, muss das getestete Individuum heterozygot sein.
Nicht alle Merkmale folgen einer einfachen Dominanz. Beim intermediären Erbgang hat der Heterozygote einen Phänotyp dazwischen: Die Kreuzung roter und weißer Löwenmäulchen ergibt rosa Blüten. Bei Kodominanz werden im Heterozygoten beide Allele vollständig ausgeprägt. Das AB0-Blutgruppensystem des Menschen zeigt sowohl Kodominanz als auch multiple Allelie. Die Allele IA und IB sind kodominant, und beide sind dominant über das Allel i. Menschen mit den Genotypen IAIA oder IAi haben Blutgruppe A, IBIB oder IBi Blutgruppe B, IAIB Blutgruppe AB und ii Blutgruppe 0.
Viele Merkmale des Menschen, etwa Körpergröße oder Hautfarbe, werden nicht von einem einzigen Gen gesteuert, sondern von vielen Genen mit jeweils kleiner Wirkung, zusammen mit Umwelteinflüssen. Solche polygenen Merkmale variieren kontinuierlich, statt in klare Klassen zu fallen, und zeigen keine einfachen Mendel-Verhältnisse.
Kreuzungsschemata helfen, das Ergebnis von Kreuzungen vorherzusagen. Die möglichen Keimzellen des einen Elternteils werden oben notiert, die des anderen an der Seite, und jedes Feld des Gitters ergibt einen gleich wahrscheinlichen Genotyp der Nachkommen.
| IB | i | |
|---|---|---|
| IA | IAIB | IAi |
| i | IBi | ii |
1. Welche Blutgruppen können die Kinder der Eltern in der Tabelle haben?
A: A, B, AB und 0
Die vier Felder des Kreuzungsschemas sind IAIB, IAi, IBi und ii. Laut Text sind das die Blutgruppen AB, A, B und 0; alle vier sind also möglich.
2. Mit welcher Wahrscheinlichkeit hat ihr Kind Blutgruppe 0?
D: 1/4
Blutgruppe 0 braucht ii. Eines der vier gleich wahrscheinlichen Felder ist ii, die Wahrscheinlichkeit ist also 1/4.
3. Welcher Anteil der Nachkommen hat bei der Kreuzung RrYy × RrYy voraussichtlich runzelige, grüne Samen (rryy)?
D: 1/16
Der Text nennt das Verhältnis 9 : 3 : 3 : 1, zusammen 16. Die runzelig-grüne Klasse (doppelt rezessiv) ist die „1“, also 1/16.
4. Eine Erbse mit runden Samen wird mit einer Pflanze mit runzeligen Samen (rr) gekreuzt. Die Hälfte der Nachkommen hat runzelige Samen. Welchen Genotyp hatte die runde Pflanze?
C: Rr
Das ist eine Testkreuzung mit rr. Laut Text ist das getestete Individuum heterozygot, wenn irgendein Nachkomme das rezessive Merkmal zeigt. Runzelige Nachkommen (rr) erhielten von jedem Elternteil ein r; die runde Pflanze ist also Rr, und halb runzelig passt zu Rr × rr.
5. Rote und weiße Löwenmäulchen ergeben rosa Nachkommen. Das ist ein Beispiel für …
B: einen intermediären Erbgang
Laut Text „hat der Heterozygote beim intermediären Erbgang einen Phänotyp dazwischen“, mit genau diesem Beispiel: rote und weiße Löwenmäulchen ergeben rosa. Bei Kodominanz zeigten sich beide Farben vollständig.
6. Zwei Gene liegen dicht beieinander auf demselben Chromosom. Was ist zu erwarten?
A: Sie werden meist gemeinsam vererbt
Laut Text „werden Gene, die auf demselben Chromosom dicht beieinander liegen, meist gemeinsam vererbt und heißen gekoppelt“. Sie werden nicht unabhängig verteilt, 9 : 3 : 3 : 1 ist also nicht zu erwarten.
Energiefluss und Populationswachstum
Fast alle Ökosysteme werden von Sonnenlicht angetrieben. Produzenten, vor allem grüne Pflanzen und Algen, fangen bei der Fotosynthese Lichtenergie ein und speichern sie in organischer Substanz. Pflanzenfresser, die Primärkonsumenten, fressen Pflanzen; Fleischfresser, die Pflanzenfresser fressen, sind Sekundärkonsumenten, und Fleischfresser, die diese fressen, Tertiärkonsumenten. Jeder dieser Fraßschritte ist eine Trophiestufe. Destruenten wie Bakterien und Pilze bauen totes Material aller Stufen ab und bringen Nährstoffe in den Boden zurück.
Energie fließt in einer Richtung durch ein Ökosystem und wird nicht wiederverwertet. Auf jeder Trophiestufe wird der größte Teil der aufgenommenen Energie für Bewegung, die Körpertemperatur und andere Lebensvorgänge genutzt und geht als Wärme verloren, oder sie verlässt die Stufe mit Kot und nicht gefressenen Teilen. Im Mittel werden nur etwa 10 % der Energie einer Stufe in der Biomasse der nächsten Stufe gespeichert. Deshalb werden Energiepyramiden nach oben stark schmaler, haben Nahrungsketten selten mehr als vier oder fünf Glieder, und deshalb kann eine Fläche mit pflanzlicher Ernährung mehr Menschen ernähren als mit fleischreicher.
Nährstoffe dagegen kreisen. Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor gelangen aus der Umwelt in Lebewesen und wieder zurück. Manche Schadstoffe, die nicht abgebaut werden, etwa Quecksilber oder bestimmte Pestizide, reichern sich ebenfalls an: Weil jeder Räuber viele Beutetiere frisst, steigt ihre Konzentration von Stufe zu Stufe, ein Vorgang namens Biomagnifikation. Spitzenräuber wie Adler oder Thunfische können deshalb hohe Konzentrationen enthalten, auch wenn die Werte im Wasser niedrig sind.
Populationen wachsen, wenn die Geburten die Todesfälle übersteigen. Bei unbegrenzten Ressourcen wächst eine Population exponentiell und nimmt umso stärker zu, je größer sie ist. In Wirklichkeit sind Nahrung, Raum und andere Ressourcen begrenzt. Die Population folgt dann einem logistischen Wachstum: Anfangs wächst sie schnell, das Wachstum verlangsamt sich, wenn sie sich der Kapazitätsgrenze K nähert, der größten Population, die die Umwelt dauerhaft tragen kann, und kommt bei K zum Stillstand. Im logistischen Modell wächst die Population in absoluten Zahlen pro Jahr am schnellsten, wenn sie die halbe Kapazitätsgrenze erreicht hat. In der Fischerei nutzt man diesen Gedanken, um Fangmengen festzulegen.
Populationen beeinflussen sich auch gegenseitig. In Räuber-Beute-Zyklen, etwa bei Luchsen und Schneeschuhhasen in Kanada, steigt die Beutepopulation, dann nehmen die Räuber zu, die Beute geht zurück, und schließlich nehmen auch die Räuber ab, wobei die Höchststände der Räuber denen der Beute nachfolgen.
| Stufe | Organismen | Energie |
|---|---|---|
| Produzenten | Algen | 100 000 |
| Primärkonsumenten | Zooplankton | 10 000 |
| Sekundärkonsumenten | Kleine Fische | 1 000 |
| Tertiärkonsumenten | Hechte | ? |
1. Wie viel Energie ist auf der Stufe der Hechte zu erwarten?
C: 100 kJ pro m² und Jahr
Laut Text werden nur etwa 10 % der Energie einer Stufe in der nächsten gespeichert. Kleine Fische haben 1 000 kJ, Hechte also etwa 10 % von 1 000 = 100 kJ pro m² und Jahr. Die Tabelle zeigt schon diesen Rückgang auf ein Zehntel (100 000 → 10 000 → 1 000).
2. Was geschieht mit dem größten Teil der Energie, die das Zooplankton aufnimmt?
D: Sie wird für Lebensvorgänge genutzt und geht als Wärme verloren
Laut Text wird auf jeder Stufe der größte Teil der aufgenommenen Energie für Bewegung, Körpertemperatur und andere Lebensvorgänge genutzt „und geht als Wärme verloren“; nur etwa 10 % werden gespeichert und weitergegeben.
3. Warum haben Nahrungsketten selten mehr als fünf Glieder?
D: Zu wenig Energie erreicht die höheren Stufen
Die Energie sinkt pro Stufe auf etwa ein Zehntel: 100 000 → 10 000 → 1 000 → 100 → 10. Nach vier oder fünf Gliedern bleibt zu wenig Energie für eine weitere Stufe, wie der Text sagt.
4. Ein Pestizid findet sich mit 0,01 mg/kg in Algen und mit 5 mg/kg in Hechten. Was erklärt das?
D: Biomagnifikation entlang der Nahrungskette
Das Pestizid steigt entlang der Kette von 0,01 auf 5 mg/kg. Der Text nennt das Biomagnifikation: Nicht abbaubare Stoffe reichern sich an, „weil jeder Räuber viele Beutetiere frisst“.
5. Eine Fischpopulation hat eine Kapazitätsgrenze von 80 000 Fischen. Bei welcher Größe wächst sie im logistischen Modell am schnellsten?
D: 40 000 Fische
Laut Text wächst die Population im logistischen Modell am schnellsten, „wenn sie die halbe Kapazitätsgrenze erreicht hat“. K = 80 000, also K ÷ 2 = 40 000 Fische.
6. Wann erreicht die Räuberpopulation in einem Räuber-Beute-Zyklus meist ihren Höchststand?
A: Kurz nach dem Höchststand der Beute
Laut Text steigt erst die Beute, dann nehmen die Räuber zu, „wobei die Höchststände der Räuber denen der Beute nachfolgen“. Die Räuber erreichen ihren Höchststand also kurz nach der Beute.
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