Eindexamen biologie vwo 2018, tijdvak 2: vragen en antwoorden

Sommige vissen zijn ‘lauwbloedig’: ze produceren relatief veel warmte in hun lichaam, waardoor ze warmer zijn dan het koude water waarin ze leven. Welke aanpassingen hebben dergelijke vissen en hoe zijn die in de loop van de evolutie tot stand gekomen? Wetenschappers zoeken naar antwoorden.

De koningsvis (Lampris guttatus, afbeelding 1) afbeelding 1 is zo’n lauwbloedige (endotherme) vis. Amerikaanse visbiologen hebben ontdekt dat koningsvissen hun temperatuur in vrijwel het hele lichaam ongeveer vijf graden hoger kunnen houden dan hun omgeving. De koningsvis komt voor in alle wereldzeeën. Hij wordt tot twee meter lang en 60 kilo zwaar. Hij heeft een afgeplatte vorm en beweegt zich voornamelijk voort door bewegingen van de borstvinnen. De koningsvis ziet er misschien niet echt uit als een predator, maar hij is wel degelijk een succesvol jager.

Endothermie komt alleen bij grote vissoorten voor.

De koningsvis is extreem gespierd en zijn spieren zijn opvallend donkerrood, door een grote hoeveelheid myoglobine.

De onderzoekers vingen koningsvissen vanaf een visserij- onderzoeksschip. Bij 22 vissen werd direct na de vangst de temperatuur gemeten van de borstvinspier en van een aantal andere lichaamsgebieden. Vier andere gevangen vissen werden uitgerust met meetapparatuur (datarecorders) en daarna weer vrijgelaten. De datarecorders verzamelden gegevens over de temperatuur van de borstvinspier, de zwemdiepte en de watertemperatuur op die diepte. Enkele resultaten van deze metingen staan in tabel 1.

[tabel 1: zie het originele examen] temperatuurverschil aantal gem. temperatuur (°C) lichaamsgebied t.o.v. zeewater (°C) onderzochte ± standaardafwijking ± standaardafwijking vissen aan dek gemeten koningsvissen borstvinspier 13,8 ± 1,5 3,8 ± 0,8 22 hart 13,2 ± 1,7 3,2 ± 0,7 21 schedel 16,1 ± 3,9 6,0 ± 3,0 22 buikholte 13,5 ± 1,6 3,5 ± 1,0 19 vrij zwemmende koningsvissen met datarecorder borstvinspier 14,4 ± 0,4 4,8 ± 1,2 4

Volgens de onderzoekers is de samentrekking van de borstvinspieren de grootste bron van warmteproductie. In de buikholte wordt veel minder warmte geproduceerd.

Twee uitspraken over de gegevens in tabel 1 zijn:

1 Naast de borstvinspier is er nog een ander gebied waar veel warmte wordt geproduceerd.

2 Uit de grote spreiding in de gemeten temperaturen van de schedel blijkt dat deze metingen niet valide zijn.

In afbeelding 2 staan de resultaten van een meetperiode van ruim drie uur bij één van de vrij zwemmende koningsvissen, uitgerust met een datarecorder.

[afbeelding 2: zie het originele examen]

18 0 temperatuur (°C)

diepte (m) 16 20

14 1

12 40 2 10

3 60 8

6 80

4 100 2 19:00 19:40 20:20 21:00 21:40 22:20 tijd van de dag

De drie genummerde lijnen in het diagram hebben betrekking op metingen van de zwemdiepte, de watertemperatuur op die diepte en de temperatuur van de borstvinspier.

Net als zeehonden en pinguïns hebben ook koningsvissen een onderhuidse vetlaag om warmteverlies in koud water te reduceren. Vissen hebben echter een enorm ‘warmtelek’ in de kieuwen, waar het bloed door een haarvatennet in nauw contact komt met het koude water. Zonder aanpassingen zouden endotherme vissen hierdoor het overgrote deel van de geproduceerde warmte verliezen. Afbeelding 3 toont schematisch de bouw van een kieuw. Achter het kieuwdeksel zitten honderden dunne kieuwplaatjes aan halfronde kieuwbogen van bot. Dwars op elk kieuwplaatje staan weer honderden kleine lamellen met haarvaatjes waarin zuurstof uit het passerende water wordt opgenomen en koolstofdioxide uit het bloed wordt afgegeven.

[afbeelding 3: zie het originele examen]

De onderzoekers vonden bij koningsvissen twee aanpassingen die het warmteverlies in de kieuwen beperken.

1 In de kieuwbogen ligt een ‘wondernet’: een kluwen van verstrengelde bloedvaatjes waarin het bloed dat naar de kieuwplaatjes gaat steeds vlak naast het bloed stroomt dat vanaf de kieuwplaatjes terug naar het lichaam gaat.

2 Rond de kieuwbogen zit een laagje vetweefsel.

Een werknemer van een visgroothandel in Hawaii merkte op dat sommige koningsvissen grotere ogen hadden dan andere. Dat leidde bij geraadpleegde visbiologen tot de hypothese dat de koningsvis niet één soort is. Om dat te onderzoeken sequensten de visbiologen het mtDNA van 480 koningsvissen uit alle wereldzeeën en van de verwante soort Lampris immaculatus. Op grond van variaties in het CO1-gen (dat codeert voor cytochroom c oxidase1) van de verschillende individuen concludeerden de onderzoekers dat er vijf afstammingslijnen zijn van de koningsvis Lampris guttatus. Dit is weergegeven in het cladogram van afbeelding 4.

[afbeelding 4: zie het originele examen]

afstammingslijn 5

afstammingslijn 4

afstammingslijn 3

afstammingslijn 2 afstammingslijn 1 Lampris immaculatus

Op basis van dit cladogram worden drie beweringen gedaan:

1 Lampris immaculatus is de gemeenschappelijke voorouder van alle koningsvissen.

2 Afstammingslijn 2 is meer verwant met 4 dan met 1.

3 Afstammingslijn 3 is meer verwant met 4 dan met 5.

Op de website van het tijdschrift National Geographic staat een bericht over de warmbloedige koningsvis. Donald reageert daarop: “Ik geloof dit niet! Als deze vis warmbloedig is, is hij dan geëvolueerd uit een zoogdier?” Op school bespreken leerlingen het idee van Donald. Drie reacties zijn:

1 Als lauwbloedige vissen, net zoals walvissen, uit zoogdieren zouden zijn geëvolueerd, dan zouden ze longen hebben en geen kieuwen.

2 Er heeft co-evolutie plaatsgevonden, waardoor zowel de koningsvissen als de zeezoogdieren endotherm werden en hierin op elkaar lijken.

3 Koningsvissen zijn de lauwbloedige evolutionaire schakel tussen de koudbloedige vissen en de warmbloedige zoogdieren.

Ruth is één van de ruim 10.000 Nederlandse diabetes type 1 patiënten jonger dan 25 jaar. Gelukkig voor Ruth is deze vorm van suikerziekte sinds de ontdekking van insuline niet meer levensbedreigend. In het verleden was het onderzoek gericht op het verbeteren van de kwaliteit van de insuline en de wijze van toediening; de uitdaging is nu om diabetes type 1 te genezen.

Toen Ruth vijf jaar was, kreeg zij de eerste symptomen van diabetes type 1: veel dorst en veel plassen. Meting van de bloedglucosewaarde door de huisarts wees uit dat deze was verhoogd. Ook werd glucose in haar urine aangetoond. Diabetes type 1 is een auto-immuunziekte. Het immuunsysteem maakt antistoffen tegen de insulineproducerende β-cellen van de eilandjes van Langerhans.

Tijdens de embryonale ontwikkeling wordt het insuline-gen ook in de thymus afgelezen. In de thymuscellen van kinderen met diabetes type 1 blijkt de expressie van het insuline-gen lager te zijn dan bij gezonde kinderen.

Bij gezonde personen veroorzaakt een tijdelijk hogere glucosewaarde in het bloed via regulatie van de ADH-afgifte een afname van de hoeveelheid geproduceerde urine.

ADH-afgifte Resorptie van water

A neemt af neemt af

B neemt af neemt toe

C neemt toe neemt af

D neemt toe neemt toe

Als de diabetes van Ruth niet wordt behandeld zal zij, ondanks het hoge glucosegehalte in haar bloed, gewicht verliezen.

tijdstip

ontbijt lunch avondeten Legenda: injectie met snelwerkende insuline injectie met langzaamwerkende insuline

Ook bij patiënten zoals Ruth die zich goed aan dit schema houden, komt het voor dat de bloedglucosewaarden ernstig schommelen. Zoals een lage bloedglucosewaarde (hypoglycemie) in de nacht en het ‘dageraadfenomeen’: een stijging van de bloedglucosewaarde in de vroege ochtend, vóór het ontbijt.

Sinds haar 14e gebruikt Ruth een insulinepompje (afbeelding 2). Het pompje is geprogrammeerd om via een klein naaldje in de buik voortdurend insuline af te geven. Wanneer Ruth eet, berekent het pompje op basis van de koolhydraathoeveelheid die zij invoert, hoeveel insuline er dan extra nodig is (de maaltijdbolus). De insulinetoediening door het pompje en het effect daarvan op bloedglucosewaarden gedurende een etmaal zijn vereenvoudigd weergegeven in de diagrammen van afbeelding 2.

[afbeelding 2: zie het originele examen] insuline afgifte

ontbijt lunch avondeten waarde (mmol L-1)

20 bloedglucose-

15

10 5 0 08:00 12:00 16:00 20:00 24:00 04:00 08:00 tijdstip

Op basis van de gegevens over het gebruik van een insulinepompje worden de volgende beweringen gedaan:

1 De bloedglucosewaarden kunnen bij gebruik van een insulinepompje nooit hoger worden dan 10 mmol per liter.

2 De hoeveelheid insuline die het pompje bij het avondeten afgeeft is ongeveer de helft van de hoeveelheid bij de lunch.

3 Gebruik van het insulinepompje voorkomt het dageraadfenomeen.

Er is goede hoop op een doorbraak waardoor Ruth genezen kan worden. Onderzoekers van de universiteiten van Leiden, Maastricht, Utrecht en Eindhoven werken samen aan een onder de huid implanteerbare capsule, een soort theezakje van een gelatineachtige stof, waarin zich insuline producerende β-cellen bevinden. De cellen komen niet van een donor, maar zijn gevormd uit lichaamseigen stamcellen van de patiënt. De capsule voorkomt het optreden van een auto-immuunrespons tegen deze β-cellen.

Voor het succes van deze behandeling is het noodzakelijk dat de capsule die de β-cellen omhult, aan bepaalde eisen voldoet. Zo mogen de poriën erin niet te groot, maar ook niet te klein zijn, zodat bepaalde stoffen wél naar buiten en bepaalde andere stoffen niét naar binnen kunnen.

Ook mag de gellaag die de β-cellen omhult niet te dik zijn. De diffusieafstand mag het goed functioneren van de β-cellen niet hinderen.

Duizenden grootvaders liepen rond met onbegrepen neurologische klachten totdat de Amerikaanse kinderarts Randi Hagerman een verband legde tussen de klachten van de grootvaders en de verstandelijke beperking van hun kleinkinderen.

De grootvaders waren tot middelbare leeftijd gezond, maar vanaf hun 50ste levensjaar kregen zij geleidelijk meer last van bevingen, motorische problemen en achteruitgang van verstandelijke vermogens. Deze aandoening heet nu het fragiele X-gerelateerde ataxie syndroom (FXTAS). De aandoening van hun zwakbegaafde kleinkinderen wordt het fragiele X-syndroom (FXS) genoemd. De namen verwijzen naar de ‘fragiele’ plaats op het X-chromosoom die ontstaat door een mutatie in het FMR1-gen, namelijk de toename van het aantal CGG-herhalingen (repeats) aan het begin van het gen. Deze plaats is tijdens een mitose onder een gewone microscoop als een dun stukje van het chromosoom zichtbaar.

Mutaties waarbij ergens in een gen een aantal extra repeats ontstaat, komen regelmatig voor. Mutaties waardoor het aantal trinucleotide- repeats (herhalingen van drie nucleotiden) verandert, zijn vaak minder ingrijpend dan die van het aantal dinucleotide-repeats (herhalingen van twee nucleotiden).

Direct achter de promotor van het FMR1-gen liggen bij gezonde personen

6 tot 54 CGG-repeats. De volledige mutatie, met meer dan 200 CGG- repeats, leidt tot methylering en heeft FXS tot gevolg. Bij de premutatie, die kan leiden tot symptomen van FXTAS, ligt het aantal repeats tussen de 55 en 200. Opvallend is dat als gevolg van de premutatie ongewoon veel mRNA gevormd wordt, wat soms leidt tot ophoping van RNA-eiwitcomplexen, waardoor dit RNA nauwelijks getransleerd wordt. In afbeelding 1 is een indeling van deze mutaties in het FMR1-gen en hun gevolgen in zenuwcellen weergegeven.

[afbeelding 1: zie het originele examen] ATG TAA FMR1− CGG 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 3´ UTR gen

methylering CGG- CGG CGG CGG repeats normaal premutatie volledige mutatie <55 55-200 >200

mRNA

FMRP eiwit

fenotype normaal soms FXTAS 100% FXS

De ophoping van RNA-eiwitcomplexen in zenuwcellen van iemand met de premutatie heeft een toxisch effect op deze cellen.

Hoewel de premutatie recessief is, kunnen vrouwen met een heterozygoot genotype toch symptomen van FXTAS krijgen. Dit hangt samen met het feit dat bij hen in elke cel willekeurig één van de twee X-chromosomen geïnactiveerd is.

In afbeelding 2 is een stamboom weergegeven van een familie waarin de aandoeningen FXS en FXTAS voorkomen. De getallen onder de symbolen van de familieleden geven het aantal CGG-repeats in het FMR1-gen op de X-chromosomen aan.

[afbeelding 2: zie het originele examen]

1 2 I

25 30/70

1 2 3 4 5 II

120 23/32 25/30 85 17/30

1 2 3 4 5 6 7 III 28/132 30 32/126 30 17 32 17/85

1 2 3 4 5 6 7 8 9 IV

28 30/252 32 272 29 37/100 17 30 32/257

1 2 3 4 5 6 V 28/30 406 29/32 32 30/32 278

Legenda: pre-mutatie volledige mutatie

Als het aantal CGG-repeats groter is dan 55, is het aantal dat aan de volgende generatie wordt doorgegeven vaak niet stabiel. Er kan dan zowel afname als toename van het aantal repeats plaatsvinden.

Uit de stamboom (afbeelding 2) is af te leiden dat de premutatie in één generatie kan leiden tot een volledige mutatie in de daaropvolgende generatie.

De diagnose FXTAS bij grootvaders is aan het licht gekomen door de verstandelijke beperking van hun kleinkinderen met FXS.

De locus van het FMR1-gen is Xq27.3 (q-arm van het X-chromosoom, positie 27.3). In afbeelding 3 is het X-chromosoom met verschillende loci afgebeeld.

[afbeelding 3: zie het originele examen] p22.33 p22.32 p22.31 p22.2 p22.13 p22.11 p21.2 p11.4 p11.3 p11.23 p11.22 p11.1 q11.2 q13.1 q13.2 q21.1 q21.2 q21.31 q21.33 q22.1 q22.2 q23 q24 q25

q26.1 q26.3 q27.1 q27.3 q28 In afbeelding 4 zijn X-chromosomen getekend die onder een gewone lichtmicroscoop te zien kunnen zijn. De fragiele plek is in een chromosoom met een volledige FMR1-mutatie als een insnoering zichtbaar.

[afbeelding 4: zie het originele examen]

Ongeveer 30% van de mannen is drager van FXTAS. Om dit aan te tonen is het aantal CGG-repeats in het FMR1-gen bepaald. Onderdeel van deze FXTAS-test is de PCR-techniek.

In afbeelding 5 is het resultaat van een FXTAS-test van twaalf mannen en vrouwen afgebeeld. Van elke persoon zijn stukjes DNA met het FMR1-gen gesorteerd op lengte. Bij een volledige methylering zijn geen bandjes zichtbaar, maar verschijnt er een diffuse streep.

[afbeelding 5: zie het originele examen]

Uit onderzoek bleek dat bij knock-out-muizen die het eiwit FMRP niet maken, de ontwikkeling van de hersenschors in de embryonale fase wordt vertraagd. Na de geboorte leidt het ontbreken van FMRP tot veranderingen in synapsen in de hersenen waardoor leer- en geheugen- problemen ontstaan.

Normaliter worden tijdens het leren de contacten tussen zenuwcellen in de hersenen sterker door de vermeerdering van receptoren voor neurotransmitters in het celmembraan. Zo leidt stimulering van bepaalde glutamaatreceptoren (mGluR5) tot de synthese van eiwitten die de hoeveelheid van andere glutamaatreceptoren (AMPA) van zenuwcellen in het celmembraan beïnvloeden. In afbeelding 6 is links een normaal functionerende synaps in de hersenen weergegeven, rechts een synaps van iemand met FXS.

[afbeelding 6: zie het originele examen]

Onderzoekers hopen een medicijn te vinden dat de symptomen van FXS kan verminderen.

Vanwege de opwarming van de aarde wordt naarstig gezocht naar alternatieven voor fossiele brandstoffen. Waterstofgas (H2) is zo’n alternatief, want bij de verbranding van H2 komt uitsluitend water vrij. De industriële productie van dit gas is echter nog verre van CO2-neutraal.

Door de inzet van H2-producerende bacteriën is het in de toekomst misschien wel mogelijk om op een milieuvriendelijke wijze waterstofgas te produceren. Een opstelling hiervoor met twee reactoren wordt getest door procestechnologen. In de eerste reactor zetten bacteriën organisch stoffen (bijvoorbeeld uit aardappelschillen) om in organische zuren, H2 en CO2. In een tweede reactor worden de organische zuren onder invloed van licht door andere bacteriën omgezet in nog meer H2 en CO2. Een schematische weergave van deze opstelling is te zien in afbeelding 1.

[afbeelding 1: zie het originele examen]

GASOPVANG

biomassa GASSCHEIDER CO2 H2 + CO2 H2 + CO2 H2 organische stoffen organische licht zuren organische zuren Reactor 1 Reactor 2

Doel van het testprogramma is het optimaliseren van het proces, onder andere door een geschikte vorm van biomassa te vinden. Zo is er geëxperimenteerd met aardappelschillen, een restproduct van de industriële verwerking van aardappelen tot frites. Dit restproduct bevat verschillende typen polysachariden.

Een ander onderdeel van het testprogramma is het selecteren van geschikte micro-organismen. Voor reactor 1 lijkt de anaerobe thermofiele Caldicellulosiruptor saccharolyticus een geschikte kandidaat. Deze bacterie bevat het enzym hydrogenase dat in reactor 1 de onderstaande reactie versnelt:

H+ + NADH → H2 + NAD+

Bacteriën kunnen chemo-autotroof, chemo-heterotroof, foto-autotroof of foto-heterotroof zijn. Door de aanwezigheid van organische zuren in reactor 2 wordt er in de daar aanwezige purperbacteriën geen CO 2 verbruikt.

In beide reactoren van de proefopstelling (afbeelding 1) komt CO2 vrij.

In 2014 en 2015 was er in Friesland veel schade door grote aantallen veldmuizen (afbeelding 1). Graslanden die er in augustus nog goed uitzagen, waren in maart kaal en vol met muizengangen (afbeelding 2). In opdracht van verschillende organisaties, zoals het Wetterskip Fryslân, onderzochten ecologen hoe de veldmuizenpopulaties te beheersen zijn.

afbeelding 1 afbeelding 2

Veldmuizen (Microtus arvalis) leven bij voorkeur in graslanden, wegbermen, slootkanten en dijken, waar ze eten van de grassen en kruiden. Ze graven meterslange gangenstelsels in de grond, met diepliggende nesten en voorraadkamers. De populatiegrootte varieert gedurende het jaar. Omdat de meeste veldmuizen de winter niet overleven zijn de aantallen in het voorjaar relatief klein. In de zomer, wanneer de omstandigheden gunstiger zijn en het gras hard groeit, neemt de populatie snel toe. Als dan in het najaar ook de nieuwe generaties veldmuizen aan de voortplanting deelnemen, kan de toename enorm zijn. Soms komen er zo veel veldmuizen dat ze zich ook vestigen in landbouwpercelen, waar ze eten van de gewassen die er groeien.

Er is een grens aan het aantal individuen van een soort dat zich in een bepaald gebied langdurig kan handhaven.

Tijdens het hoogtepunt van de plaag hebben boeren geprobeerd de veldmuizen te verdrijven door het land tijdelijk onder water te zetten. Het zou echter beter zijn om de veldmuizen te bestrijden voordat er overlast en schade is.

Veronderstel dat in een bepaald gebied begin mei 10 veldmuizen leven en dat dit aantal zal stijgen tot 6000 individuen begin november. Zou in dit gebied al in een vroeg stadium worden ingegrepen, dan kan dit het aantal individuen in november aanzienlijk beperken. Een mogelijkheid is om al begin juli het land enkele dagen onder water te zetten, waardoor de populatie halveert. In de uitwerkbijlage is een assenstelsel getekend. Om een beeld te geven van het verschil tussen wel en niet ingrijpen, kan in dit assenstelsel het verloop van de aantallen veldmuizen in de twee beschreven situaties vergeleken worden.

Het is de vraag of bestrijding door het onder water zetten van het land op het hoogtepunt van de plaag beter is dan de plaag op zijn beloop laten en de winter afwachten.

Boeren kunnen de veldmuizenpopulatie ook terugdringen met muizengif zoals bromadiolon, een vitamine-K-antagonist. Vitamine K is nodig voor de vorming van trombine in het bloed.

In een gebied met grote aantallen muizen komen meer stikstofverbindingen in het oppervlaktewater terecht. In sommige gebieden met muizenschade was de concentratie stikstof in de sloten met 70% toegenomen. Er worden drie uitspraken gedaan om dit te verklaren:

1 Veldmuizen bevorderen door hun gegraaf de ammonificatie en nitrificatie;

2 Veldmuizen verspreiden poep en urine met daarin stikstof- verbindingen;

3 Veldmuizen tasten het gras aan waardoor het minder nitraat opneemt.

In het onderzoek naar het ontstaan van veldmuizenplagen is bepaald wat de invloed is van de openheid van het landschap (hoe ver je kunt kijken zonder dat er struiken en bomen in het zicht staan) en de drooglegging (verlaging van het grondwaterpeil ten opzichte van het maaiveld). Deze variabelen staan in een database met landschapsgegevens. In deze database is heel Nederland opgedeeld in zeshoeken met een grootte van 1 km2. Van alle zeshoeken met dezelfde openheids- en droogleggingsklasse is bepaald in hoeveel procent hiervan melding was gemaakt van muizenschade. Het resultaat is weergegeven in het diagram van afbeelding 3.

[afbeelding 3: zie het originele examen] 80 percentage schademeldingen 70

60

50

40

30

20

10

0 0-20 cm 20-40 cm 40-60 cm 60-80 cm 80-100 cm 100-120 cm drooglegging in cm Legenda: openheid 0-15 m 30-300 m 15-30 m 300-900 m

Twee beweringen naar aanleiding van dit onderzoek zijn:

1 De drooglegging is als factor belangrijker voor het ontstaan van schade door veldmuizen dan de openheid van het grasland.

2 Schade in een klein en door struiken en bomen beschut grasland wordt eerder opgemerkt dan schade in een weids grasland.

Ecologen onderscheiden twee typen predatoren:

1 Specialisten, zoals de wezel, die slechts op een of enkele prooisoorten prederen;

2 Generalisten, zoals de vos, die allerlei prooisoorten eten en makkelijk overschakelen. Veldmuizen worden gegeten door zowel specialisten als generalisten. In Nederland en Duitsland komen muizenplagen vooral voor in grote uitgestrekte graslanden. Een ingrijpende ecologische maatregel om deze plagen te voorkomen, is het omvormen van deze graslanden tot een heterogeen landschap bestaande uit kleinere graslanden afgewisseld met akkerbouwland, heggetjes en bosjes.

Een melkveehouder in Friesland wil zijn percelen grasland enkele keren maaien om het gras als hooi op te slaan voor de winter. Maatregelen die ecologen voorstellen tegen een veldmuizenplaag zijn onder andere:

1 Nestkasten plaatsen, zodat roofvogels aangetrokken worden;

2 Bodembewerking, zoals het machinaal omploegen van het grasland.