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AbituraufgabenKosten und Nutzen

Krähen, die Schnecken fallen lassen, und junge Eisvögel, die fremde Junge füttern — Kosten und Nutzen berechnen und Verhalten ultimat erklären.

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Krähen, die Schnecken fallen lassen

AFB I–II

Nordwestkrähen an der Pazifikküste Kanadas fressen Wellhornschnecken. Sie suchen bei Ebbe große Schnecken, fliegen mit ihnen senkrecht auf und lassen sie auf Felsen fallen, bis die Schale zerbricht. Jeder Aufstieg kostet Energie. ZACH untersuchte, wie oft eine Schnecke aus verschiedenen Höhen fallen muss, bis sie zerbricht (M1), und aus welcher Höhe die Krähen sie tatsächlich fallen lassen (M2). Die Werte sind vereinfacht (Modellwerte).

M1Abwürfe bis zum Zerbrechen einer großen Wellhornschnecke
Abwurfhöhemittlere Zahl der Abwürfe
2 m30
3 m12
4 m6,5
5 m4,2
6 m3,6
8 m3,0
10 m2,6
15 m2,0
M2Beobachtete Abwurfhöhen der Krähen (Mittelwert 5,2 m)
0 %10 %20 %30 %40 %50 %6 %3–4 m28 %4–5 m44 %5–6 m16 %6–7 m6 %7–8 mAbwurfhöhe (Klassen) · Anteil an 200 beobachteten Abwürfen
  1. Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen Abwurfhöhe und Zahl der Abwürfe (M1).
  2. Ermitteln Sie mithilfe von M1 die Abwurfhöhe, bei der die Krähe insgesamt am wenigsten Höhe erfliegen muss, um eine Schnecke zu öffnen.
  3. Erklären Sie die in M2 beobachteten Abwurfhöhen ultimat, ohne finale Formulierungen zu verwenden.
  4. Beobachtungen zeigen, dass die Krähen nur große Schnecken wählen, obwohl kleine häufiger sind. Große Schnecken zerbrechen leichter und liefern mehr Nahrung. Erläutern Sie an diesem Verhalten den Unterschied zwischen einer proximaten und einer ultimaten Erklärung.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Achten Sie darauf, wie stark die Zahl der Abwürfe in verschiedenen Höhenbereichen abnimmt.
Hinweis zu Aufgabe b)
Gesamte Steighöhe = Abwurfhöhe · Zahl der Abwürfe.
Hinweis zu Aufgabe c)
Vergleichen Sie M2 mit Ihrem Ergebnis aus b), und denken Sie an die Fitnessfolgen.
Hinweis zu Aufgabe d)
Wie erkennt die Krähe eine große Schnecke? Warum ist die Auswahl vorteilhaft?Erläutern: Einen Sachverhalt so darstellen, dass Zusammenhänge und Bedingungen verständlich werden – mit Beispielen oder Belegen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Mit zunehmender Abwurfhöhe sinkt die Zahl der nötigen Abwürfe. Zwischen 2 m und 5 m fällt sie steil von 30 auf 4,2; oberhalb von etwa 5 m nimmt sie nur noch wenig ab und erreicht bei 15 m 2,0. Eine Schnecke zerbricht also nie mit Sicherheit beim ersten Abwurf, und mehr Höhe bringt ab etwa 5 m kaum noch Vorteile.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Gesamte Steighöhe je Schnecke: 2 m · 30 = 60 m; 3 m · 12 = 36 m; 4 m · 6,5 = 26 m; 5 m · 4,2 = 21 m; 6 m · 3,6 = 21,6 m; 8 m · 3,0 = 24 m; 10 m · 2,6 = 26 m; 15 m · 2,0 = 30 m.

Das Minimum liegt bei etwa 5 m mit rund 21 m Steighöhe. Niedrigere Höhen erfordern sehr viele Abwürfe, größere Höhen kosten je Abwurf zu viel Steigarbeit — die Steighöhe ist hier ein Maß für die Energiekosten.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Krähen lassen die Schnecken meist aus 4 bis 6 m fallen, im Mittel aus 5,2 m — also nahe dem Optimum mit dem geringsten Energieaufwand. Ultimat: In der Vorfahrenpopulation variierte das Verhalten. Krähen, die aus Höhen nahe 5 m abwarfen, gewannen je Schnecke mehr Energie netto, konnten in der begrenzten Ebbezeit mehr fressen und hatten dadurch im Mittel mehr überlebende Nachkommen. Soweit das Verhalten erblich oder durch Lernen weitergegeben ist, wurde es so in der Population häufig. Die Krähe „will“ dabei keine Energie sparen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Eine proximate Erklärung beschreibt, wie das Auswahlverhalten im Individuum zustande kommt: etwa, dass die Krähe Schnecken optisch nach Größe unterscheidet, sie beim Anheben nach Gewicht prüft und die Auswahl teilweise durch Erfahrung lernt. Eine ultimate Erklärung beschreibt, warum sich das Verhalten durchgesetzt hat: Große Schnecken liefern je Abwurf und je Steighöhe mehr Energie, der Nettonutzen ist höher. Krähen mit dieser Vorliebe hatten eine bessere Energiebilanz und damit im Mittel mehr Nachkommen. Beide Erklärungen ergänzen sich; keine ersetzt die andere.

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Helfer am Nest

AFB II–III

Graufischer sind afrikanische Eisvögel, die in Erdhöhlen brüten. Viele einjährige Männchen brüten nicht selbst, sondern helfen einem Brutpaar beim Füttern der Jungen. Primärhelfer sind Söhne des Brutpaares und helfen ihren Eltern; Sekundärhelfer sind mit dem Brutpaar nicht verwandt. M1 zeigt Modellwerte, die an Freilanduntersuchungen von REYER angelehnt sind.

M1Fortpflanzungserfolg einjähriger Männchen (Modellwerte)
Strategie im ersten JahrVerwandtschaft zu den Jungen des Nestszusätzliche flügge Junge durch die Hilfeeigene flügge Junge im ersten JahrAnteil, der im zweiten Jahr mit dem Weibchen des Nests brütet
Primärhelferr = 0,5 (Geschwister)1,800 %
Sekundärhelferr = 01,3030 %
selbst brüten——0,5—
M2Zusatzinformation

Primärhelfer arbeiten deutlich mehr als Sekundärhelfer: Sie füttern häufiger und verteidigen das Nest heftiger. Wenn in einem Jahr sehr wenig Nahrung vorhanden ist, lassen Brutpaare Sekundärhelfer oft nicht an das Nest heran; bei gutem Nahrungsangebot werden sie geduldet.

  1. Beschreiben Sie die in M1 dargestellten Strategien einjähriger Männchen.
  2. Überprüfen Sie mithilfe der Bedingung r · N > K, ob sich das Helfen für Primärhelfer im ersten Jahr lohnt.
  3. Erklären Sie, weshalb auch Sekundärhelfer helfen, obwohl für sie r = 0 gilt.
  4. In einem Zeitungsartikel heißt es: „Die jungen Graufischer handeln selbstlos — sie verzichten auf eigene Nachkommen, um ihrer Familie zu helfen.“ Nehmen Sie unter Einbeziehung von M1 und M2 Stellung zu dieser Aussage.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Vergleichen Sie die drei Zeilen Spalte für Spalte.
Hinweis zu Aufgabe b)
N ist der Nutzen für die Empfänger (zusätzliche Junge), K sind die entgangenen eigenen Jungen.
Hinweis zu Aufgabe c)
Welche Folgen hat die Hilfe für die spätere direkte Fitness?
Hinweis zu Aufgabe d)
Prüfen Sie „selbstlos“ für Primär- und Sekundärhelfer getrennt, und achten Sie auf die Formulierung „um … zu“.Stellung nehmen: Zu einem Sachverhalt nach kritischer Prüfung und sorgfältiger Abwägung eine eigene begründete Position beziehen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Primärhelfer sind mit den Jungen, die sie mit aufziehen, wie Geschwister verwandt (r = 0,5); durch ihre Hilfe werden im Mittel 1,8 Junge zusätzlich flügge, eigene Junge haben sie im ersten Jahr nicht. Sekundärhelfer sind nicht verwandt; ihre Hilfe bringt 1,3 zusätzliche Junge, eigene Junge haben sie ebenfalls nicht, aber 30 % von ihnen brüten im zweiten Jahr mit dem Weibchen des Nests. Männchen, die im ersten Jahr selbst brüten, ziehen im Mittel nur 0,5 eigene Junge groß.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

r · N = 0,5 · 1,8 = 0,9 Nachkommen-Äquivalente (indirekte Fitness). K = 0,5 eigene Junge, auf die der Helfer verzichtet (direkte Fitness).

Da 0,9 > 0,5, ist die Bedingung erfüllt: Das Helfen erhöht die Gesamtfitness der Primärhelfer im ersten Jahr stärker als eigenes Brüten. Ein Allel, das dieses Verhalten fördert, kann sich durch Verwandtenselektion ausbreiten.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Für Sekundärhelfer ist die indirekte Fitness null (r · N = 0). Ihr Nutzen liegt in der Zukunft: 30 % von ihnen brüten im Folgejahr mit dem Weibchen des Nests. Sie gewinnen so Zugang zu einer Partnerin, lernen das Revier und die Nahrungssuche kennen und erhöhen dadurch ihre spätere direkte Fitness. Selbst zu brüten brächte im ersten Jahr nur 0,5 Junge. Männchen mit diesem Verhalten hatten über ihr Leben gerechnet im Mittel mehr Nachkommen; deshalb ist das Verhalten verbreitet — es ist also kein echter Altruismus, sondern eine Investition in die eigene Fortpflanzung.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aussage ist in mehrfacher Hinsicht zu ungenau. Erstens ist sie final formuliert („um … zu helfen“) und unterstellt eine Absicht; fachlich lässt sich nur sagen, dass Helferverhalten mit einer höheren Gesamtfitness verbunden war. Zweitens trifft „Familie“ nur auf Primärhelfer zu. Für sie ist das Helfen zwar im Sinne der direkten Fitness altruistisch, erhöht aber ihre Gesamtfitness (0,9 > 0,5); „selbstlos“ ist es auf der Ebene der Allele nicht. Dazu passt M2: Primärhelfer investieren mehr, weil ihr Nutzen über verwandte Junge höher ist. Sekundärhelfer helfen nicht Verwandten, sondern verbessern ihre spätere Paarungschance; ihre geringere Arbeit und ihre Abweisung in schlechten Jahren (M2) zeigen, dass ihre Hilfe für das Brutpaar nur bei ausreichender Nahrung einen Nettonutzen hat. Insgesamt sollte die Aussage lauten: Helferverhalten ist verbreitet, weil es je nach Verwandtschaft die indirekte oder die künftige direkte Fitness der Helfer erhöht. Einschränkend gilt, dass M1 Modellwerte zeigt und Kosten wie das Sterberisiko der Helfer nicht enthält.