1. Runde 2015

Aufgabenblatt 2013Aufgabenblatt 2015
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Aufgabe 1: Das Gelbe vom Ei! (Physiologie/Zellbiologie/Zoologie)

Das Ei ist nicht nur der Ursprung vieler Organismen, sondern hat die Menschen seit Urzeiten fasziniert. Neben der Ernährung erfuhr es vielseitige u.a. auch symbolische Verwendung. In den folgenden Versuchen sollten Hühnereier sehr sparsam verwendet werden.

  1. Recherchieren Sie drei Methoden, um frische von alten Eiern zu unterscheiden. Prüfen Sie diese Verfahren experimentell auf ihren Wahrheitsgehalt und dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse (Foto oder Zeichnung). Erklären Sie jeweils das Wirkprinzip.

  2. Beobachten und dokumentieren Sie die Veränderung von vier rohen Eiern im Verlauf von 48 h in 1) 0,8 M Essigsäure, 2) 4 M Essigsäure 3) 4 M Essigsäure mit 1,5 M NaCl, 4) 4 M Essigsäure mit 0,5 M Saccharose. Stellen Sie die Masseveränderung grafisch dar. Erklären Sie Ihre Beobachtungen.

  3. Erklären Sie die unterschiedliche Größe des Hühnereies und der menschlichen Eizelle. Berechnen Sie den Faktor, um den eine menschliche Eizelle größer sein müsste, wenn sie wie beim Huhn als Ei gelegt würde.

  4. Erklären Sie, worauf Menschen mit einer Hühnereiweißallergie bei der Impfung gegen saisonale Grippe achten müssen.

Aufgabe 2: Das geht unter die Haut (Evolution/Genetik)

Melanine bieten der menschlichen Haut einen natürlichen Schutz vor UV-Strahlung. Es gibt zwei Arten von Melaninen: Das eher dunkle Eumelanin und das rötliche Phäomelanin. Der Anteil in der Haut und ihr Verhältnis bestimmen die Hautfarbe. Dabei entspricht die Verteilung der Hautfarben weltweit fast genau der Verteilung der UV-Strahlungsintensitäten auf der Erde.

  1. Intuitiv scheint eine möglichst dunkle Haut die beste Lösung, um menschliche Haut vor schädlichen UVStrahlen zu schützen. Im Gegensatz hierzu steht aber das Vorkommen von Menschen mit hellerer Haut in sonnenärmeren Gebieten. Erläutern Sie einen Faktor, der die Evolution hellerer Haut in Gebieten mit schwächerer UV-Intensität hervorgerufen haben könnte, sowie einen Faktor, der dem entgegenwirkt.

  2. Ureinwohner des äquatorialen Südamerikas haben durchschnittlich eine wesentlich hellere Hautfarbe als Afrikaner des gleichen Breitengrades. Geben Sie zwei mögliche Gründe für diesen Sachverhalt an.

  3. Das Protein OCA2 wird vor allem im Hautgewebe gebildet. Gegenwärtige Untersuchungen legen nahe, dass das OCA2-Protein ein in Melanozyten vorkommender Tyrosin-Transporter ist. Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) im dazugehörigen OCA2-Gen spielen eine wichtige Rolle bei der weltweiten Verteilung der Pigmentierungsgrade. Das T-Allel eines SNPs (rs1800404; C/T) kommt sowohl in Ostasien (F(T) = 0,37) als auch in Europa (F(T) = 0,58) mit einer relativ hohen Allelfrequenz (F) vor. Hingegen kommt das C-Allel eines zweiten SNPs (rs1800414; T/C) fast ausschließlich in Ostasien (F(C) = 0,59) vor und ist in Europa nahezu abwesend. Entwickeln Sie basierend auf diesen Daten Hypothesen, wie die Evolution des OCA2-Gens verlaufen sein könnte.

  4. Berechnen Sie die zu erwartenden Häufigkeiten der möglichen Genotypen des rs1800414 SNPs in der ostasiatischen Population unter Annahme des Hardy- Weinberg-Gesetzes. Geben Sie drei Gründe für mögliche Abweichungen der beobachteten Häufigkeiten von den berechneten Werten an.

  5. Die beobachteten absoluten Haufigkeiten (H) einer Stichprobe von 120 Probanden betragen H(TT) = 18, H(TC) = 62 und H(CC) = 40. Berechnen Sie mit Hilfe des χ2-Tests, ob die beobachteten Haufigkeiten signifikant vom erwarteten Wert abweichen und interpretieren Sie Ihr Ergebnis.

Hinweise zur Berechnung unter: http://www.wettbewerbe.ipn.uni-kiel.de/ibo/lernblaetter/lernblatt_chi-quadrat.pdf

Aufgabe 3: Über kurz oder lang... (Botanik/Ökologie)

Pflanzen können in Kurztag- (K), Langtagpflanzen (L) und tagneutrale (N) Pflanzen unterteilt werden.


  1. Ordnen Sie die folgenden Pflanzen den Gruppen (K, L, N) zu: Baumwolle, Chinakohl, Dahlie, Mais, Salat, Sonnenblume, Weihnachtsstern, Zuckerrübe. Begründen Sie, warum Spinat in den Tropen keine Samen bilden kann.


  2. Die Abbildung zeigt die Kulturdauer von fünf Ansätzen (grüne Balken) einer Knollenfenchelsorte im Jahresverlauf sowie den zugehörigen Anteil der Schosser (hellgrüne Balken). Zu welcher Gruppe gehört diese Art? Nennen Sie anhand der Daten den Monat der optimalen Aussaat für eine gute Knollenernte und begründen Sie.

  3. Erklären Sie, wie man bei Chrysanthemen ein ganzjähriges Angebot blühender Pflanzen erzielt.

  4. Das Diagramm zeigt die Wirkung verschiedener Lichtperioden auf das Blühen eines Pflanzentyps. Hier bezeichnet TM das trophische Minimum (minimale tägliche Lichtdauer, die zur Produktion organischer Materie nötig ist), und KP die für das Blühen kritische Periode. Skizzieren Sie analog die Diagramme der anderen zwei Pflanzentypen und ordnen Sie alle drei (K, L, N) zu.

  5. Bienen sind für einen Großteil der Bestäubung der Pflanzen, u.a. unserer Futter- und Nahrungspflanzen, zuständig. Erklären Sie, inwiefern Monokulturen als Ursache für das weltweite Massensterben von Honigbienen mitverantwortlich sind. Nennen Sie zwei weitere Ursachen des Bienensterbens. Beurteilen Sie den Beitrag von "Insektenhotels" zum Erhalt von Honigbienen.


  6. Aufgabe 4: Alles ist relativ (Molekularbiologie)

    Viele medizinische Diagnoseverfahren basieren heutzutage auf molekularbiologischen Ansätzen. Die Vervielfältigung von DNA mittels PCR ist mittlerweile eine gängige Methode, die ständig weiterentwickelt wird. Selbst der spezifische Nachweis von Proteinen in geringsten Mengen (z.B. Prionen) kann indirekt mittels PCR erfolgen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die quantitative Echtzeit-PCR (qPCR), die es ermöglicht, die Ausgangsmenge der DNA einer Probe festzustellen.

    1. Die Quantifizierung der DNA-Menge im Verlauf einer qPCR erfolgt in der Regel auf zwei Arten: (1) Mittels DNA-Farbstoffen (z.B. SYBR Green) oder (2) mittels fluoreszierender Sonden (z.B. TaqMan-Sonden). Vergleichen Sie die Prinzipien beider Beispiele und nennen Sie jeweils einen Vor- und Nachteil.

    2. Bei dem diagnostischen Nachweis von Prionen kommt die immunoquantitative qPCR (iqPCR) zum Einsatz. Dabei wird die qPCR mit einem Sandwich- ELISA kombiniert. Informieren Sie sich uber das Prinzip der iqPCR und stellen Sie schematisch den Nachweis von Prionen (PrPI) dar.

    3. Um den Nachweis von Prionen mittels iqPCR zu etablieren, haben Wissenschaftler eine Verdunnungsreihe mit rekombinantem PrPI vermessen. Die Cq-Werte* (quantification cycle) zu den jeweiligen Konzentrationen sind in der folgenden Tabelle angegeben. Erstellen Sie mit Hilfe der Daten die dazugehorige Kalibrationskurve.

      Anzahl PrPI -Molekule 1013/ml 1011/ml 109/ml 105/ml 104/ml
      Cq-Wert 14,4 19,0 25,3 37,9 42,9
      * Der Cq-Wert ist der PCR-Zyklus, bei dem das Fluoreszenzsignal einen Schwellenwert übersteigt. Eine ältere Bezeichnung lautet Ct-Wert (threshold cycle).

    4. Ein Gehirnhomogenat wurde auf das Vorhandensein von PrPI getestet. Mehrere Replikate ergaben einen mittleren Cq-Wert von 39,7. Bestimmen Sie mit Hilfe Ihrer Kalibrationskurve die Anzahl PrPI-Molekule pro mL Homogenat.
    5. Idealerweise werden in einem PCR-Zyklus sämtliche PCR-Produkte verdoppelt. Dann beträgt die PCREffizienz 100 %. Berechnen Sie die Effizienz der PCRReaktion für die oben vorliegende Versuchsreihe.