Arbeitsblatt: Prüfung

Erwartung Biologie-Prüfung Entstehung des Lebens vom 18.09.2015 1. Aufgabe (4 Punkte) a) Alle Genannten bestehen aus Atomen/ Molekülen (2P) b) Sie sind aufsteigend nach der Anzahl der Protonen in ihrem Kern angeordnet (Elektronenzahl kann variieren Ionen und Neutronenzahl kann variieren Isotope), die Protonenzahl jedoch ändert sich nicht (1P) c) Sie unterscheiden sich in der Anzahl Protonen in ihrem Kern (Elektronenzahl kann variieren Ionen und Neutronenzahl kann variieren Isotope), die Protonenzahl jedoch ändert sich nicht (1P) 2. Aufgabe (5 Punkte) a) Negativ geladene Ionen (Anionen) haben einen Überschuss an Elektronen. Positiv geladene Ionen (Kationen) haben einen Mangel an Elektronen, also eigentlich einen Überschuss an positiven Ladungen durch die Protonen, da sich zwar ihre Elektronenzahl vermindert hat, die Protonenzahl jedoch gleich geblieben ist. (2P) b) Ionen mit entgegengesetzter Ladung (mit negativer und positiver Ladung) ziehen sich gegenseitig an, während Ionen mit gleicher Ladung sich gegenseitig abstossen. (1P) c) Atome eines Elements können unterschiedliche viele Neutronen in ihrem Kern besitzen. Diese Varianten eines Elements heissen Isotope. Sie gehören zum gleichen Element, haben gleich viele Protonen/Elektronen und entsprechend auch die gleiche Ordnungszahl. (2P) 3. Aufgabe (8 Punkte) a) Eigenschaften(3P) Körpergestalt und Wachstum: b) Beispiele (3P) Bereits bei der Geburt kann man eine Katze aufgrund ihres Körperbaus als solche erkennen. Sie wächst dann vom Kätzchen zur Katze heran, verändert dabei aber ihre Grundgestalt nicht. Bewegung aus eigener Kraft: Eine Katze kann mit Hilfe ihrer Muskeln auf Bäume klettern. Reizbarkeit und Verhalten: Wenn die Katze einen Vogel sieht, wird ihr Jagdinstinkt geweckt und sie versucht, diesen zu erbeuten. Fortpflanzung und Entwicklung: Kater und Katze paaren sich, es entwickelt sich im Laufe der Tragzeit aus der befruchteten Eizelle ( Zygote) ein junges Kätzchen, das von der Katze geboren wird. Aufbau aus Zellen: Aus einer Samen- und einer Eizelle entwickelt sich ein vollständiger Katzenkörper, indem sich die befruchtete Eizelle viele male teilt, bis alle Zellen des Körpers vorhanden sind. Stoffwechsel: Die Katze frisst Whiskas, ihr Körper gewinnt daraus die Energie um auf Bäume zu klettern und die Stoffe, die notwendig sind, neue Zellen zu bilden und dadurch zu wachsen. Alle Stoffe, die sie so nicht verwerten kann, scheidet sie z.B. mit dem Kot wieder aus. c) Viren verfügen über fast alle Kennzeichen des Lebendigen. Nur ein eigener Stoffwechsel fehlt ihnen. Deshalb müssen sie eine Wirtszelle infizieren, in deren Erbgut das Virus dann sein eigens Erbgut einfügt. Dadurch produziert die Wirtszelle alle   1   Bestandteile (Proteine, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren), die für die Herstellung neuer Viren notwendig sind. Das Virus benutzt den Stoffwechsel der Wirtszelle, weil es selbst keinen Stoffwechsel besitzt. (2P) 4. Aufgabe (7 Punkte) a) Der Planet Theia stiess mit der Erde zusammen und riss ein grosses Stück aus der Erde. Theia selbst explodierte und zerfiel in Bruchstücke und Staub. Der Starke Aufprall verursachte auf der Urerde einen tiefen Krater und setzte eine Lavawelle in Bewegung, die sich um die Erde fortbewegte, bevor sie erkaltete und erstarrte zurück blieb eine Erde in Forma einer Kartoffel. (4P) b) Bei mehreren Mondexpeditionen (bemannte und unbemannte) wurden Mondgesteine gesammelt und zur Erde gebracht. Analysen dieser Mondsteine ergaben, dass die Gesteine von Mond und Erde gleich zusammen gesetzt sind und gleich alt sind. (3P) 5. Aufgabe (6 Punkte) Wortliste: verdunstete, Urozeane, Millionen, Wasser, Staub, Wasser, Weltall, Asteroiden, regnen, Urerde, verflüssigte, Temperaturen, Urerde, abgekühlt, Gasen, Wolken, flüssiger, Eis, Das Wasser der Erde ist himmlischen Ursprungs Wann, wie und wo die Entstehung des Lebens stattfand, ist trotz zahlreicher Hypothesen noch nicht eindeutig geklärt. Unstrittig ist hingegen, dass flüssiges Wasser dafür unverzichtbar war. Die Erde entstand aus glühend heissen Gasen und Staub. Lange Zeit herrschten so hohe Temperaturen, dass kein Wasser auf der Erde selbst entstehen konnte. Unter diesen Gesichtspunkten kann das heutige Wasservorkommen nur aus dem Weltall durch AsteroidenEinschläge auf die Urerde gelangt sein. Sie bestehen hauptsächlich aus Eis das sich auf der heissen Erde verflüssigte und den Abkühlungsprozess der Urerde beschleunigte. Doch bis sich die Urerde genügend abgekühlt hatte, verdunstete das Wasser laufend, bildete Wolken die das Wasser wieder in flüssiger Form auf die Erde regnen liessen. Ein Kreislauf, der sich über Millionen Jahre wiederholte. Erst auf der abgekühlten Urerde sammelte sich das Wasser in den Tälern und bildete die Urozeane. 6. Aufgabe (13 Punkte) a) Eselsbrücke SCHNOP: Schwefel S; Kohlenstoff C; Wasserstoff H; Stickstoff N; Sauerstoff O; Phosphor P (3P) b) Elemente befanden sich bereits im Staub, aus dem sich die Erde formte. Diese verbanden sich zu anorganischen kleinen Molekülen (z.B. H2; N2; CO; CO2; NH3 usw.). Aus diesen anorganischen Molekülen bildeten sich unter den Bedingungen der Urerde (Hitze, Blitze, Wasserdampf, Vulkanaktivität, UV-Strahlung) kleine organische Monomere wie Aminosäuren, Fettsäuren, Carbonsäuren, Stickstoffbasen usw. (Versuch von Stanley Miller!). Die Fettsäuren bildeten im Wasser der Urozeane Bläschen (Mizellen und In diesen abgeschlossenen Reaktionsräumen verbanden sich die organischen Monomere wie Bausteine zu den organischen Polymeren (Aminosäuren Proteine; Monosaccharide Polysaccharide; Fettsäuren Lipide; Stickstoffbasen Monosaccharide Phosphat Nucleinsäuren (RNA und/oder DNA). (5P)   2   2 3 5 1 4 6 Aerobe Lebensweise verbreitet sich 8 Erste vielzellige Pflanzen und Tiere 1 Entstehung der Erde 10 9 7 6 10 8 Gegenwart 7 Ursprung der eukaryotischen photosynthetischen Zelle 3 Erste Zellen 2 Bildung der Ozeane und Kontinente 5 Erste wasserspaltende Photosynthese setzt O2 frei 9 Erste Wirbeltiere 4 Erste photosynthetische Zelle 7. Aufgabe (71/2 Punkte) a) Ammoniak, Wasserstoff und Methan (für Gase, die es vermutlich auf der Urerde gab, die aber von Miller, laut Lehrbuch, nicht eingesetzt wurden gab es je 1/4P) (11/2P) b) In einem Glaskoben Wasser zu Wasserdampf erhitzt hohe Temperaturen auf der Urerde (1P) Die Gase Ammoniak, Wasserstoff und Methan dazu gegeben Uratmosphäre der Erde (1P) Wasserdampf mit Gasen mittels zweier Elektroden mit Entladungen beschossen Blitze, UV-Strahlung, Vulkanismus auf der Urerde (1P) Wasserdampf abgekühlt und kondensiert Abkühlung der Urerde (1P) Kondensat sammelte sich als gelbe Flüssigkeit in einem Kolben Urozeane (1P)   3   Gelben Flüssigkeit enthielt verschiedene organische Monomere wie Aminosäuren, Carbonsäuren, Fettsäuren usw. Ursuppe (1P) Damit wurde gezeigt, dass sich unter den Umweltbedingungen der Urerde aus anorganischen Molekülen organische Monomere, also die Bausteine des Lebens, bilden konnten. Total (6P) 8. Aufgabe (16 Punkte) a) Es musste ein abgeschlossener Reaktionsraum vorhanden sein, in dem sich die Monomere, unbeeinflusst von den äusseren Bedingungen, zu Polymeren verbinden konnten. (2P) b) Es gibt unter Wissenschaftlern verschiedene Theorien, wodurch diese Bedingung erfüllt worden sein könnte. Eine davon haben wir im Unterricht genauer betrachtet: Ursuppentheorie 1 Fettsäuren, die sich in der Ursuppe gebildet hatten und Lipide bildeten (2P) 2 Zeichnung eines Phospholippids: Richtig Beschriftung (Fettsäureschwänzchen Phosphatköpfchen) 1P Richtige Bezeichnung (hydrophil oder wasserlieben hydrophob oder wasserhassend) 1P Korrekte, erkennbare Zeichnung (Kopf und 2 Schwänzchen) 1P Korrekte Bezeichnung des Moleküls und dessen Eigenschaft (Phospholipid/amphiphil) 1P Phospholipid Total (4P) amphiphil Phosphatköpfchen hydrophil (wasserliebend) Fettsäureschwänzchen hydrophob (wasserabweisend) 3 Fettsäuren bilden im Wasser Bläschen (1P) 4 Mizellen, Mikrosphären oder Liposomen (2P) 5 Lipide sind amphiphil, sie bestehen aus einem hydrophilen (wasserliebenden) und einem hydrophoben (wasserabweisenden) Molekülteil. In wässriger Umgebung ordnen sie sich spontan zu Mizellen an, weil die hydrophilen Köpfchen sich der wässrigen Umgebung zuwenden, während sich die hydrophoben Fettschwänzchen von der wässrigen Umgebung abwenden es entsteht eine Mizelle (Mikrosphäre oder ein Liposom) (2P) c) Andere Theorien zur Entstehung des Lebens: (3P)   · Black Smoker Theorie (die organischen Polymere bildeten sich an den vulkanischen Gesteinen heisser Quellen auf dem Grund des Ozeans) · Gezeiten Theorie (Gezeiten waren gewaltig wegen des nahen Mondes, es entstanden Schaumbläschen, in denen sich die ersten Polymere bilden konnten) · Pyrittheorie (bei der Reaktion zwischen Schwefel und Eisen wurde Energie frei gesetzt und Pyritgestein entstand, die freigesetzte Energie trieb die Bildung von Polymeren an, die am Pyritgestein hafteten) · Koazervatentheorie (anstelle der Lipide bilden hier Proteine die ersten Membranen und damit abgegrenzte Reaktionsräume) · Panspermie-Theorie (das Leben ist nicht auf der Erde entstanden, sondern wurde durch Meteoriten, Kometen oder Asteroiden in die Atmosphäre der Erde getragen) · usw. 4   9. Aufgabe (6 Punkte) Nenne jeweils die Monomere, die sich verbinden müssen, um folgende Polymere zu bilden: a) b) c) d) Lipide Proteine Polysaccharide Nukleinsäuren Fettsäuren (1P) Aminosäuren (1P) Monosaccharide (Einfachzucker) (1P) Einfachzucker (Ribose oder Desoxyribose), Phosphat, Stickstoffbasen (3P) 10. Aufgabe (8 Punkte) Nachdem sich über Millionen von Jahren aus Einfachzucker, Stickstoffbasen und Phosphat immer neue Variationen von Nukleinsäureketten gebildet hatten, entstand zufällig eine Nukleinsäure (vermutlich RNA), die die Eigenschaft besass, sich selbst kopieren zu können und so Informationen nicht nur zu speichern, sondern diese zu vervielfältigen und an die Nachkommen weiter zu geben Vererbung. Damit war dar letzte Schritt von der unbelebten Materie zum Lebendigen erfolgt, es war das erste sehr einfache Lebewesen entstanden. Es bestand aus einer membranumschlossenen Zelle, ernährte sich heterotroph durch Aufnahme organischer Stoffe, wuchs, hatte eine definierte Gestalt, entwickelte sich weiter (Variationen der Polymere), konnte sich vermehren und vererbte seine Eigenschaften an seine Nachkommen. 11. Aufgabe (4 Punkte 2P pro Argument) a) Alles heute existierenden Lebensformen (mit Ausnahme einiger extremophiler Bakterien) benötigen Sauerstoff um zu überleben. Dieser fehlte jedoch in der Uratmosphäre völlig. (4P) b) Die abiotisch entstandenen Urorganismen, waren nicht an eine Atmosphäre mit Sauerstoff angepasst, für sie war Sauerstoff ein starkes Gift schon der Sauerstoff in unserer Atmosphäre würde also eine abiotische Entstehung von Lebewesen wahrscheinlich verhindern, sicher aber erschweren. Da in unserer Atmosphäre Sauerstoff vorhanden ist, würden die chemischen Reaktionen anders ablaufen, denn Sauerstoff ist ein sehr starkes Oxidationsmittel und würden viele der Reaktionen stark beeinflussen. Für die abiotische Entstehung von Lebewesen waren die Bedingungen auf der Urerde notwendig hohe Temperaturen, starke UV-Strahlung, starke Entladungen in der Atmosphäre, eine Atmosphäre, die hohe Konzentrationen an Ammoniak, Wasserstoff und Methan aufwies, damit organische Moleküle entstehen konnten. Vermutlich wären für diese Urlebewesen auch die Wassertemperaturen auf der modernen Erde zu tief, denn die chemischen Reaktionen, die notwendig waren für die Entstehung der ersten lebenden Zellen benötigten Energie, diese wurde durch die hohen Wassertemperaturen bereitgestellt. Ausserdem müsste sich ein abiotisch entstehendes Lebewesen auf der modernen Erde sogleich gegen sehr viel stärkere, angepasstere Konkurrenten, nämlich die bereits existierenden, hoch entwickelten Lebewesen, durchsetzen, so dass es wahrscheinlich nicht überleben würde. (2P pro stichhaltigem Argument)   5