Einsatzfertige Klausuraufgabe (40 BE, 90 Min.) für den Biologie-Leistungskurs im Inhaltsfeld Stoffwechselphysiologie (Schwerpunkt aufbauender Stoffwechsel / Zusammenhang von Primär- und Sekundärreaktionen). In zwölf Metern Tiefe eines Schweizer Bergsees lebt eine Bakterienschicht, die Fotosynthese betreibt, ohne Sauerstoff freizusetzen: Purpurschwefelbakterien nutzen Schwefelwasserstoff statt Wasser als Elektronendonator. Ausgehend von Tiefenprofilen und Ratenmessungen an Reinkulturen erschließen die Lernenden die Abhängigkeit der Fotosyntheserate von Licht und Donatorangebot, konkretisieren van Niels allgemeine Reaktionsgleichung für die Schwefelbakterien und leiten aus den Originaldaten des ¹⁸O-Tracerversuchs von 1941 ab, woher der bei der Fotosynthese freigesetzte Sauerstoff stammt.

Diese Klausuraufgabe orientiert sich an den Vorgaben des Kernlehrplans Biologie (Sekundarstufe II, Gymnasium/Gesamtschule NRW) für den Leistungskurs und an den Konstruktionsvorgaben für das Zentralabitur. Sie umfasst 40 Bewertungseinheiten in sechs Teilaufgaben und deckt alle drei Anforderungsbereiche ab (AFB I 22,5 % · AFB II 52,5 % · AFB III 25 %).

Der Kontext ist der meromiktische Cadagnosee in den Schweizer Alpen. Weil sich seine Wasserschichten dauerhaft nicht durchmischen, treffen dort ein Lichtgradient von oben und ein Sulfidgradient von unten aufeinander – und in dieser schmalen Zone lebt das Purpurschwefelbakterium Chromatium okenii. Es betreibt Fotosynthese mit Sulfid als Elektronendonator und fixiert Kohlenstoffdioxid wie eine Pflanze im Calvin-Zyklus, setzt aber keinen Sauerstoff frei, sondern lagert elementaren Schwefel in der Zelle ab.

Fachlicher Kern ist der Zusammenhang von Primär- und Sekundärreaktionen aus stofflicher Sicht. Cornelis van Niel erkannte um 1930 beim Vergleich von Schwefelbakterien und grünen Pflanzen, dass sich beide Formen der Fotosynthese durch eine einzige allgemeine Gleichung beschreiben lassen und sich nur im Wasserstoffdonator unterscheiden. Genau diese Gleichung konkretisieren die Lernenden für das Bakterium – und prüfen anschließend an den Messwerten von Ruben, Randall, Kamen und Hyde (1941), ob der bei der Pflanze freigesetzte Sauerstoff aus dem Wasser oder aus dem Kohlenstoffdioxid stammt. Damit kommt die Tracer-Methode als fachliches Verfahren des Inhaltsfelds an einem historischen Originaldatensatz zum Einsatz.

Die Datengrundlage stammt vollständig aus der Primärliteratur (Di Nezio et al. 2021, FEMS Microbiology Ecology, CC BY 4.0; Ruben et al. 1941, Journal of the American Chemical Society). Der Anforderungsbereich III liegt auf zwei Anker­punkten: der Begründung, warum der ¹⁸O-Versuch einen zweiten, spiegelbildlichen Ansatz benötigt, und der Erklärung, warum die Bakterienschicht im See nur in einer eng begrenzten Tiefe vorkommt.

Paketinhalt:

• Klausuraufgabe (40 BE, 90 Min.) mit Aufgabeneinleitung und sechs operationalisierten Teilaufgaben

• Vier Materialien: M 1 Tiefenprofil des Cadagnosees (Abbildung 1), M 2 lichtabhängige Sulfidoxidation und Sauerstoffeffekt (Abbildung 2 A/B), M 3 van Niels allgemeine Reaktionsgleichung, M 4 ¹⁸O-Tracerversuch (Tabelle 1)

• Vollständiger Erwartungshorizont im „Der Prüfling …"-Format mit Aufschlüsselung der Bewertungseinheiten je Teilleistung

• Stichpunkt-Übersicht als Schnellkorrekturhilfe (eine Zeile je Teilaufgabe mit AFB und BE)

• Übersicht der geprüften Kompetenzerwartungen mit KLP-Codes und Zuordnung zu den Teilaufgaben (PDF)

• Formate: bearbeitbare Word-Datei und PDF

Hinweis:

Die Klausuraufgabe kann entweder mit einer weiteren Aufgabe zu einer vollständigen Klausur kombiniert oder als Übungsaufgabe für die Abiturvorbereitung verwendet werden.

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