Skizziere auf Basis von Material A ein Nahrungsnetz und ermittle die zugehörigen Trophieebenen (Material A). Fasse die in den Abbildungen 1 und 2 gezeigten Daten zusammen und leite auf dieser Basis die Populationsentwicklung von Vulcanodinium rugosum im Jahresverlauf in der Lagune Ingril ab (Material B).

Stelle den Prozess der Erregungsübertragung an einer erregenden chemischen Synapse in einem Fließschema dar. Erläutere die Wirkungsweise von Pinnatoxin G auf molekularer Ebene und die Auswirkungen einer Vergiftung bei Säugetieren (Material C).

Nimm Stellung zum Risiko des Verzehrs von Muscheln oder Fischen aus der Lagune Ingril (Materialien A bis C). Entwickle eine Hypothese zur zukünftigen Entwicklung von Massenvermehrungen von V. rugosum unter Berücksichtigung einer möglichen Erhöhung der Wassertemperatur in der Lagune Ingril (Materialien A bis C).

Nahrungsnetz und Trophieebenen:

• Produzent: Phytoplankton dient allen Arten als Nahrungsgrundlage, und gewinnt seine Energie durch Photosynthese.
• Primärkonsumenten: Zooplankton ist Primärkonsument für Phytoplankton. Miesmuscheln, Austern und die Dünnlippige Meeräsche, wenn diese Phytoplankton fressen.
• Sekundärkonsumenten: Miesmuscheln und Austern die Zooplankton fressen, sowie der Mensch bzw. Wolfsbarsch, der sich von der Meeräsche ernährt, sind Sekundärkonsumenten.
• Tertiärkonsumenten: Der Mensch ist Tertiärkonsument, wenn er Miesmuscheln oder Austern isst.

Populationsentwicklung von Vulcanodinium rugosum: Abbildung 1 zeigt, dass die Wassertemperatur in der Lagune im Laufe des Jahres zwischen etwa 8 °C in den Wintermonaten und 22 °C in den Sommermonaten schwankt. Sie kann jedoch im Sommer auch kurzfristig auf über 30 °C ansteigen. Im Frühling lässt sich ein stetiger Temperaturanstieg beobachten, während im Herbst die Wassertemperatur kontinuierlich sinkt. Im Gegensatz dazu variiert die Salinität des Gewässers nur geringfügig über das Jahr hinweg. Trotz der deutlich schwankenden Wassertiefe bewegt sich der Salzgehalt lediglich zwischen etwa 32 g pro kg Wasser im Dezember und 38 g pro kg Wasser im August. Die Laboruntersuchung aus Abbildung 2A zeigt, dass Vulcanodinium rugosum besonders gut unter zwei spezifischen Bedingungen wächst: Zum einen bei Temperaturen zwischen etwa 25 und 27 °C und einer Salinität von etwa 24 bis 27 g pro kg Wasser, zum anderen bei Temperaturen zwischen etwa 23 und 27 °C und einem Salzgehalt über etwa 36 g pro kg Wasser. Unter diesen Bedingungen erreicht der Dinoflagellat jeweils sein physiologisches Optimum. Unabhängig von der Salinität liegt die Wachstumsrate der Alge jedoch bei Temperaturen unter 20 °C und über 34 °C nahe null. Die im Labor gemessenen Zellzahlen von Vulcanodinium rugosum pro Milliliter (Abbildung 2B) verdeutlichen, dass die Alge hohe Temperaturen bevorzugt. Die höchsten Zellzahlen treten bei Temperaturen zwischen etwa 26 und 31 °C und einer Salinität von etwa 23 bis 37 g pro kg Wasser auf. Sobald die Temperatur 34 °C überschreitet, sinkt die Zellzahl unabhängig von der Salinität auf null oder nahe null. Dasselbe gilt für Temperaturen unter etwa 20 °C. Da Vulcanodinium rugosum höhere Temperaturen bevorzugt, ist anzunehmen, dass sich die Alge von September bis Mai, während die Wassertemperaturen unter 20 °C bleiben, kaum vermehren wird. Mit dem Anstieg der Wassertemperatur ab Juni beginnt die Vermehrungsphase, die bis Anfang September andauert, solange die Temperaturen für die Zellteilung günstig bleiben. In diesen drei Sommermonaten wird sich, basierend auf den Laborergebnissen, die Zellzahl der Alge in der Lagune stark erhöhen. Da auch die Salinität im Sommer den Bedürfnissen des Dinoflagellaten entspricht, ist ebenfalls unter diesem Gesichtspunkt mit einem deutlichen Anstieg des Algenwachstums zu rechnen. Dies führt dazu, dass beide abiotischen Faktoren (Wassertemperatur und Salinität) im August und frühen September optimale Bedingungen für eine Massenvermehrung schaffen, was zu einer hohen Zelldichte von Vulcanodinium rugosum führen wird. Sollten die Temperaturen jedoch auf Werte über 34 °C oder unter 20 °C fallen, kommt es entweder zu einem massenhaften Absterben der Alge oder zur Bildung von Überdauerungszellen, die in der Lage sind, den Winter zu überstehen.

Erregungsübertragung an einer erregenden chemischen Synapse: Wirkungsweise von Pinnatoxin G und Auswirkungen einer Vergiftung bei Säugetieren: Pinnatoxin G bewirkt eine deutliche Reduktion des Natrium-Ionenstroms durch Acetylcholin-gesteuerte Natrium-Ionenkanäle. In Abwesenheit des Toxins wird etwa 5 ms nach Einwirken von Acetylcholin ein schnell steigender Ionenfluss (mit negativem Betrag) bis knapp -1,5 nA gemessen. Dieser Puls dauert etwa 5 ms an, und steigt dann über die nächsten 25 ms wieder auf das Ausgangsniveau. Ist Pinnatoxin G vorhanden, so wird der Einstrom der Natrium-Ionen minimal später ausgelöst. Außerdem strömen weniger Natrium-Ionen ein, was dazu führt, dass der elektrische Fluss nur noch etwa ein Drittel des Ionenflusses ohne Toxin beträgt. Der Grund dafür könnte sein, dass Pinnatoxin G die transmittergesetuerten Ionenkanäle der postsynaptischen Membran blockiert, und somit weniger Ionenkanäle öffnen können. Nimmt ein Säugetier das Toxin auf, so führt der verminderte Ionenfluss zu einer Beeinträchtigung der Erregungsleitung an der postsynaptischen Membran. Da weniger Ionen in die Postsynapse einströmen, fällt das abgeleitete postsynaptische Potenzial entsprechend geringer aus. Wird der Schwellenwert zum Auslösen eines Aktionspotenzials nicht erreicht, so kann die Erregung nicht weitergeleitet werden. Infolgedessen kommt es zu Lähmungserscheinungen der Muskulatur, und gegebenenfalls zum Tod.

Risiko des Verzehrs von Muscheln oder Fischen aus der Lagune Ingril: Der Pinnatoxin G produzierende Dinoflagellat V. rugosum steht an der Basis der Nahrungskette für verschiedene Muschel- und Fischarten, die in der Lagune Ingril vorkommen. Das Toxin ist fettlöslich, und kann sich so im Gewebe von Fischen und Muscheln anreichern. Gerade in den Sommermonaten, in denen es zu einer Massenvermehrung von V. rugosum kommt, sollte daher auf Fisch und Muschelen aus der Lagune Ingril verzichtet werden, da ansonsten das gefährliche Pinnatoxin G durch die Nahrung aufgenommen werden kann. Zukünftige Entwicklung von Massenvermehrungen von V. rugosum: Massenvermehrungen treten vorallem in den Sommermonaten auf. Das liegt daran, dass die Wassertemperatur und Salinität in diesem Zeitraum optimal für die Vermehrung des Dinoflagellaten sind. Findet eine starke Vermehrung von V. rugosum statt, so entstehen auch mehr Überdauerungszellen, und die Anzahl der aktiven Zellen im nächsten Jahr ist höher. Durch den Klimawandel kommt es öfter zu extremen Wetterereignissen, wie Rekordhitze oder Dürreperioden. Gegebenenfalls lässt dadurch die Süßwasserzufuhr in die Lagune nach, und die Salinität steigt weiter. Auch die Wassertemperatur hängt mit der Erderwärmung zusammen. In Zukunft kann das dazu führen, dass immer öfter die Bedingungen für Massenvermehrungen von V. rugosum ideal sind. Damit steigt auch das Risiko einer Vergiftung mit Pinnatoxin G beim Verzehr von Fischen oder Muscheln aus der Lagune Ingril.