Lupinen und Knöllchenbakterien
AFB I–IILupinen werden in der Landwirtschaft als eiweißreiches Tierfutter und zur Bodenverbesserung angebaut. In einem Gewächshausversuch wuchsen Lupinen acht Wochen lang in stickstofffreiem, sterilem Quarzsand. Ein Teil der Töpfe wurde mit Knöllchenbakterien (Rhizobien) beimpft, ein Teil mit Nitrat gedüngt (M1). Alle anderen Bedingungen waren gleich.
| Ansatz | Rhizobien | Nitratdüngung | Trockenmasse je Pflanze | Knöllchen je Pflanze | Stickstoffgehalt der Blätter |
|---|---|---|---|---|---|
| A | nein | nein | 0,9 g | 0 | 1,1 % |
| B | ja | nein | 4,6 g | 42 | 3,8 % |
| C | nein | ja | 5,0 g | 0 | 3,9 % |
| D | ja | ja | 5,1 g | 7 | 3,9 % |
Das Enzym der Knöllchenbakterien, das N₂ zu Ammonium umsetzt (Nitrogenase), verbraucht sehr viel ATP: für ein Molekül N₂ mindestens 16 ATP. Die Pflanze liefert dafür Kohlenhydrate in die Knöllchen; Schätzungen zufolge verbraucht die Stickstoffbindung einen erheblichen Teil (Größenordnung 10–30 %) der Fotosyntheseprodukte der Pflanze.
- Beschreiben Sie die Ergebnisse der vier Ansätze (M1).
- Erklären Sie den Unterschied zwischen den Ansätzen A und B und ordnen Sie die Beziehung zwischen Lupine und Rhizobien ein.
- Erläutern Sie unter Einbeziehung von M2, warum die gedüngten Lupinen in Ansatz D deutlich weniger Knöllchen bilden als in Ansatz B.
- Ein Landwirt schließt aus M1: „Auf gut gedüngten Feldern sind die Rhizobien für die Lupine nutzlos — dort verhalten sie sich eigentlich wie Parasiten.“ Beurteilen Sie diese Aussage.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Ohne Rhizobien und ohne Dünger (A) bleiben die Lupinen sehr klein (0,9 g) und stickstoffarm (1,1 %); Knöllchen fehlen. Mit Rhizobien (B) erreichen sie etwa die fünffache Trockenmasse (4,6 g), bilden viele Knöllchen (42) und haben einen hohen Stickstoffgehalt (3,8 %). Mit Nitratdüngung ohne Rhizobien (C) wachsen sie ähnlich gut (5,0 g; 3,9 %). Sind beide Faktoren vorhanden (D), ist das Wachstum kaum größer als in B oder C (5,1 g), die Zahl der Knöllchen aber stark verringert (7 statt 42).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Pflanzen brauchen Stickstoff für Aminosäuren (Proteine, z. B. Enzyme) und Nucleotide (DNA, RNA, ATP). Den Luftstickstoff N₂ können sie nicht selbst nutzen; im stickstofffreien Sand (A) fehlt ihnen daher Stickstoff — Stickstoffmangel begrenzt das Wachstum. In B binden die Rhizobien in den Wurzelknöllchen N₂ und liefern Ammonium; die Pflanze kann Proteine aufbauen und wächst. Die Bakterien erhalten Kohlenhydrate aus der Fotosynthese der Pflanze und einen geschützten Lebensraum. Beide Partner profitieren: Es handelt sich um eine Symbiose (+/+).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Stickstoffbindung ist sehr energieaufwendig (mindestens 16 ATP je N₂); die Energie stammt aus Kohlenhydraten, die die Pflanze abgibt — ein beträchtlicher Teil ihrer Fotosyntheseprodukte. Steht Nitrat im Boden zur Verfügung, kann die Pflanze Stickstoff direkt aufnehmen; die teure Symbiose bringt dann kaum zusätzlichen Nutzen, verursacht aber weiter Kosten. Pflanzen, die bei Nitratangebot die Knöllchenbildung einschränken, sparen Kohlenhydrate für eigenes Wachstum. Die geringe Knöllchenzahl in D ist also eine Anpassung an das Kosten-Nutzen-Verhältnis.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Richtig ist: Bei guter Nitratversorgung bringt die Symbiose der Lupine kaum Vorteil (D ≈ C). Als parasitisch ließe sich die Beziehung aber nur einstufen, wenn die Pflanze einen Schaden hätte. In D ist die Trockenmasse jedoch nicht geringer als in C (5,1 g gegenüber 5,0 g): Ein Nachteil ist nicht messbar, weil die Pflanze die Knöllchenbildung stark reduziert und so die Kosten begrenzt. Die Aussage ist daher so nicht haltbar; allenfalls verschiebt sich das Verhältnis Richtung „kaum Nutzen“. Zu bedenken ist außerdem, dass Felder selten gleichmäßig und dauerhaft gut versorgt sind; bei nachlassender Düngung liefert die Symbiose wieder Stickstoff. Zudem wurde nur ein Zeitraum von acht Wochen im Gewächshaus untersucht — auf dem Feld können Ergebnisse abweichen.
Köder gegen den Fuchsbandwurm
AFB II–IIIDer Fuchsbandwurm (Echinococcus multilocularis) ist nur wenige Millimeter lang. Füchse scheiden seine Eier mit dem Kot aus; Feldmäuse sind die wichtigsten Zwischenwirte. Nimmt ein Mensch Eier auf, wachsen Larven tumorartig in seiner Leber (alveoläre Echinokokkose) — eine seltene, aber ohne Behandlung lebensgefährliche Krankheit. Um das Infektionsrisiko zu senken, wurden in einem Versuchsgebiet mehrere Jahre lang Köder mit einem Entwurmungsmittel ausgelegt, das den Bandwurm im Fuchsdarm abtötet (M3, M4).
Eier des Fuchsbandwurms bleiben in feuchtem, kühlem Boden mehrere Monate infektiös. Feldmäuse leben meist weniger als ein Jahr. Junge Füchse wandern im Herbst oft viele Kilometer weit ab und besiedeln neue Reviere. Das Entwurmungsmittel wirkt nur auf Bandwürmer im Darm, nicht auf Larven in Mäusen.
- Stellen Sie den Entwicklungskreislauf des Fuchsbandwurms unter Verwendung der Begriffe Endwirt, Zwischenwirt und Fehlwirt dar.
- Erläutern Sie zwei Merkmale des Bandwurms als Angepasstheiten an seine Lebensweise als Endoparasit.
- Werten Sie M3 unter Einbeziehung von M4 aus.
- Die Gemeinde möchte die Köderauslage nach vier Jahren beenden, „weil der Bandwurm dann ja ausgerottet ist“. Bewerten Sie diese Entscheidung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Der geschlechtsreife Bandwurm lebt im Dünndarm des Fuchses (Endwirt) und bildet Glieder mit Eiern, die mit dem Kot ausgeschieden werden. Feldmäuse (Zwischenwirte) nehmen die Eier mit der Nahrung auf; in ihrer Leber entwickeln sich Larven. Befallene Mäuse sind geschwächt und werden leichter von Füchsen erbeutet. Im Fuchsdarm entwickeln sich aus den Larven neue Bandwürmer — der Kreislauf ist geschlossen. Nimmt ein Mensch Eier auf (z. B. über verschmutzte Hände oder Waldfrüchte), wachsen Larven in seiner Leber, gelangen aber nicht mehr in einen Fuchs: Der Mensch ist ein Fehlwirt, in dem der Kreislauf endet.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Zwei der folgenden: Haken und Saugnäpfe am Kopf verankern den Wurm in der Darmwand, sodass er trotz Darmbewegung nicht ausgeschieden wird. Der Bandwurm hat keinen eigenen Darm; er nimmt die bereits vom Wirt verdauten Nährstoffe über seine große Körperoberfläche auf — ein Verdauungssystem wäre überflüssig. Er bildet sehr viele Eier, weil nur ein winziger Teil über Maus und Fuchs den Kreislauf schließt; die hohe Zahl gleicht die hohen Verluste aus. Sinnes- und Bewegungsorgane sind stark zurückgebildet, da im Darm keine Nahrungssuche nötig ist.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Im Kontrollgebiet bleibt die Befallsrate über alle Jahre bei etwa 50 % (47–52 %). Im Ködergebiet sinkt sie während der Köderauslage stark, von 51 % auf 6 % im Jahr 3 und 4 % im Jahr 4. Die Köder wirken also: Das Mittel tötet die Bandwürmer im Fuchsdarm, es werden weniger Eier ausgeschieden. Nach Ende der Auslage steigt die Rate innerhalb von zwei Jahren wieder auf 35 %. Erklärung mit M4: Das Mittel erfasst nur die Würmer im Darm; Eier im Boden bleiben Monate infektiös, und infizierte Mäuse können noch Larven tragen. Füchse, die nach der Auslage solche Mäuse fressen, infizieren sich neu. Zusätzlich wandern unbehandelte Jungfüchse aus dem Umland ein. Die Wirkung ist deshalb nur vorübergehend.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Begründung ist falsch: Auch im Jahr 4 sind noch 4 % der Füchse befallen, der Bandwurm ist nicht ausgerottet. Außerdem bleiben Eier im Boden und Larven in Mäusen erhalten, und Füchse wandern zu. M3 zeigt, dass die Befallsrate nach Ende der Auslage rasch wieder ansteigt. Für die Gesundheit der Bevölkerung wäre die Beendigung deshalb ungünstig; ein dauerhafter Schutz erfordert eine fortgesetzte Auslage (z. B. regelmäßig in Siedlungsnähe, wo Menschen und Füchse sich begegnen). Dagegen sprechen Kosten und Aufwand; die Erkrankung ist selten. Abwägend ist eine gezielte, dauerhafte Auslage in Risikobereichen (Wohngebiete, Gärten, Spielplätze) sinnvoll, ergänzt durch Hygiene (Händewaschen, Waldfrüchte waschen, Hunde entwurmen). Ein vollständiges Einstellen nach vier Jahren ist nicht zu empfehlen.