Evolution - moderne Aussagen

Biologie Stufe 4 Klasse Mennel
Freitag der 13.11.2015
Ergänzung zur Radio-Carbon-Methode: So gelangt C14 zu gleichen Anteilen, wie es in
der Luft ist, in jedes Lebewesen
A. Physikalisches in der Stratosphäre (muss nicht genau gewusst werden)
Wenn die kosmische Strahlung auf Atome der Atmosphäre trifft, werden durch Spallation
(Bei der nuklearen Spallation wird ein Atomkern mit einem Projektil (Neutron, Proton,
einem anderen Kern oder einem Elementarteilchen) hoher kinetischer Energie
(> 100 MeV) beschossen. Der Atomkern wird dabei in kleinere Bruchstücke plus in der
Regel mehrere Neutronen zerschmettert. )
Wenn das in der Atmosphäre mit Abstand häufigste Isotop, das Stickstoff-Isotop 14N,
von einem solchen Neutron getroffen wird, so kann die Kernreaktion 14N(n,p)14C
erfolgen, in der dieses Neutron eingefangen und dafür ein Proton abgespalten wird.
Dadurch entsteht aus dem 14N-Kern ein 14C-Kern.
Während 12C und 13C stabil sind, zerfällt 14C mit einer Halbwertszeit von 5730 ± 40
Jahren (sog. „Cambridge-Halbwertszeit“) durch β−-Zerfall zu 14N, einem Elektron und
einem Antineutrino.
B Grundlagenwissen aus früheren Biologie-Klassen:
In hohen Luftschichten neu entstandenes C, auch C14, reagiert typischerweise mit dem
dortigen Luftsauerstoff zu CO2 .
CO2 wird von grünen Pflanzen in der Dunkelreaktion fixiert zu Glucose C6H12O6 .
Durch chemischen Umbau der Glucose baut die Pflanze ihre Biomasse auf. Glucose
selbst gibt es in Pflanzen (und Tieren) nur in geringer Menge, da sie osmotisch wirksam
ist: Die Zellen platzen, die zuviel davon haben. Ist zuviel Glucose in den Leitbahnen von
Pflanzen oder (=Adern) Tieren, schrumpfen die Zellen.
Pflanzen sind PRODUZENTEN. Sie können aus anorganischen Stoffen organische
erzeugen. Sie sind autotroph.
Tiere sind KONSUMENTEN. Sie benötigen letztendlich pflanzliche Biomasse.
Fleischfresser gelangen über die Nahrungskette zu dem gleichen C14-Anteil wie alle
Lebenwesen. Tiere sind hetertroph.
(... und es gibt drittens die DESTRUENTEN. Das sind ausnahmslos Einzeller, zumeist
Bakterien. Die sorgen für die „Remineralisation“ - aus Biomasse wird wieder
Anorganisches. Wenn Destruenten aerob sind, verbrauchen sie Sauerstoff. Sind
Destruenten anaerob, haben sie eine sehr andere Chemie und werden von Sauerstoff im
typischen Fall zerstört.)
(Themenwechsel) Fragen zur relativen Altersdatierung mit Fossilien
Sedimentschichten übereinander: Leitfossilien. Der Asche-Zentimeter: Ende der Saurier.
1. Nennen Sie eine Tierklasse, die gerne als Leitfossil genutzt wird. ½
2. Welche Eigenschaft muss eine Tierklasse aufweisen, um als Leitfossil zu dienen? 1 ½
3. Warum nennt man die Altersdatierung mit Fossilien „relativ“? Vergleichen Sie zur
Erläuterung die relative mit einer Ihnen bekannten absoluten Altersdatierung. 3
4. Was unterscheidet Leitfossilien von sonstigen Fossilien bei einem Fossilienfund? 2
5. Welche geologische Eigenschaft des Bodens hilft den Biologen beim Versuch, das
Alter einer Fossilienschicht weltweit zu ermitteln? 1
Teil 1 des Unterrichts am 4.12.2015:
Beenden der klassischen Evolutionstheorie
Während der Lehrer nochmal die in der Klausur aufgetauchten Lücken Einzelner erfragt,
beantworten Sie bitte folgenden Test zu Ihrer Mündlich-Beteiligung - Ihr Name:
_________________________________
1. Schreiben Sie hin:
1.1. Was ist Analogie?
1.2. Was ist Konvergenz?
1.3. Was ist Homologie?
2.1. Malen Sie den beschrifteten Grundbau einer fünfstrahligen Extremität. Den Bereich
bis zur Hand hatten wir im mündlichen Unterricht. Die Hand selbst malen Sie bitte mit
Alltagswissen.
2.2. Erläutern Sie: Was hat Ihre Zeichung mit dem Begriff "Homologie" zu tun?
Bis hierhin - das kommt stetig in Mündlich vorbei und muss gekonnt sein. Für Meister
der Erinnerung an den Mündlich-Unterricht noch eine Erläuterung mit Zeichung:
3. Was ist das Strickleiter-Nervensystem?
4.12.2015
Haeckels These von 1866: "Die Ontogenese rekapituliert die Phylogenese"
Ontogenese = Individuelle Entwicklung eines Lebewesens. Beim Menschen bedeutet
dies also den Zeitraum ab Befruchtung der Eizelle bis hin zum ausgewachsenen
Individuum.
Phylogenese = Stammesgeschichtliche Entwicklung der Arten. Im engeren Sinne nur auf
die Stammesgeschichte näher verwandter Arten bezogen. Z.B. die Entwicklung aus
nagetiergroßen Säugetieren, über Affen bis hin zum Menschen.
Die Theorie beruht auf Haeckels Beobachtung, dass sich Embryonen verschiedener
Wirbeltierarten (Fisch bis Mensch) in frühen Entwicklungsstadion nahezu gleichen.
Als "Regel" wird Haeckels These heute nicht mehr akzeptiert, da in der Embryonalphase
keine vollständige Wiederholung der Stammesgeschichte stattfindet.
Es gilt aber: Embryonen entwickeln stammesgeschlichtlich alte Merkmale, die sie bei der
Geburt nicht mehr aufweisen (z.B. beim Menschen-Embryo Kiemenbogen, Schwanz und
"Lanugohaar").
Quelle dieser Sätze: http://www.biologie-schule.de/rekapitulationstheorie-haeckel.php
Buch: S. 293
Teil 2 des Unterrichts am 4.12.2015:
Beenden der klassischen Evolutionstheorie
Wir besprechen die sonstigen Homologie-Kriterien (Lage > Kontiniuität > spezifische
Qualität.... zum Kriterium der Lage wurde auf Blatt 1 alles gefragt...)
"Kontinuität einer Evolution", auf deutsch "Stetigkeit der Entwicklung", erläutern Sie
in der Prüfung mit der Evolution des Blutkreislaufes der Wirbeltiere. Diese Kontinuität
ist schön im Buch S. 288 gezeichnet. Dort muss man sich von der jeweils untersten Ader
eine Verbindung zurück zum Herzen denken.
Da muss man zeigen, dass bei heutigen Wirbeltieren zwischen dem hochentwickelten
Blutkreislauf der Vögel und Säugetiere und dem anfänglichen Blutkreislauf der Fische
sich die Zwischenformen, wie das eine aus dem anderen entstand, zeigen lassen.
Man muss wissen, was überhaupt ein Blutkreislauf ist. Schreiben Sie mal Ihren
Alltagssatz hier hin:
Notieren Sie gehobenes Alltagswissen: Was ist eine Arterie im Vergleich zu einer Vene?
Und was ist also arterielles Blut im Vergleich zu venösem Blut?
Man muss beschreiben können, welchen enormen Sprung die Evolution beim Übergang
vom Wasser ans Land bei der Sauerstoff-Versorgung des Körpers machte. Das erarbeiten
wir uns bis zur Formulierung einer gemeinsamen Beschreibung (eigenes Blatt).
Man muss sagen können, wo das Handicap des Kreislaufes der Amphibien im Vergleich
zu Reptilien > Säugetieren lag:
Man kann darauf hinweisen, welch amüsanter (nicht die Wirksamkeit beeinträchtigender)
Unterschied zwischen dem Kreislauf der Vögel und dem der Säugetiere besteht:
... mit Ihrem Beschreiben-Können der Evolution des Blutkreislaufes bei Wirbeltieren
haben sie den größten Brocken an Lernwissen aus "Kontinuität der Evolution" verdaut.
"Rudimente" (nochmal Ihre Erläuterung)
und "Atavismen" (nochmal Ihre Erläuterung)
haben wir laufend schon erklärt. Sie belegen auch die Kontinuität der Evolution.
Beim "Kriterium der spezifischen Qualität" sollte erfahrungsgemäß etwas Chemisches
gewusst werden. Im Lehrplanblatt vom 23.10. steht das nötige drin:
4. die chemische Substanz der Haifisch-Schuppe ist bereits das Dentin der
Säugetierzähne - also Herkunft unserer Zähne aus angepassten Fischschuppen
5. Unser Blut hat die Salzzusammensetzung des Meerwassers
Last not least Haeckels These von 1866: "Die Ontogenese rekapituliert die Phylogenese."
Faktoren der Evolution - die heutige „synthetische Evolutionstheorie“
S. 1: Rekombination, Präadaption, Isolation und Artenschranke
Man kennt nun seit 110 Jahren die Vererbungsregeln (Mendel war noch 50 Jahre vorher,
blieb aber eben unbekannt. Können Sie die 1.-2.-3. Mendel-Regel aus dem Stand sagen?)
Mit Darwins Evolutionstheorie gemeinsam hat sie die Variation, und dass nur auf dem
Wege des genetischen Erbes Veränderungen in einer Population, in einer Art sich
entwickeln.
Das Wort „Rekombination“ taucht als Faktor im Gespräch über Evolution häufiger auf als
bei Mendel. Es bedeutet, dass sich ein Genpool (das, was an Erbmasse in einer Population
vorhanden ist. Eine Population sind die Individuen einer Art, die sich tatsächlich kreuzen)
ständig durchmischt.
Im typischen Fall steht die Evolution einer Art durch Rekombination still - also in der
Bilanz bleibt alles bei Alten, und gelegentliche Mutationen setzen sich nie durch. Nur in
Sonderfällen entsteht durch Rekombination eine Variation, die sich durchsetzt (Mendels
dritte Regel besagt, dass durch Rekombination neue Phänotypen entstehen können).
Der in Prüfungen selten wichtig genommene, eigentlich aber wichtigste Pfad einer
Evolution beruht auf Präadaption: Dass eine Variation mit ihren Genen und ihren
Besonderheiten schon lange da ist, bevor genau diese Gene einen Vorteil bringen. Am
einleuchtendsten ist die Präadation bei Krankheiten, die fast die ganze Art dahinraffen.
Wenn nicht alle dahingerafft werden, so haben da Ausnahme-Varianten überlebt, die durch
eine Mutation, die sie schon seit Generation hatten, resistent gegen die Krankheit sind und
als einzige überleben.
Aber sogar noch die unglaublichen Anpassungen von Mimikri und Mimese (Nachahmen
von Ähnlichkeiten - Ausgestaltung zum Tarnzweck) beruhen, wie sich an
Evolutionsbeispielen zeigen lässt, auf Präadaption: Ein Lebewesen wurde weniger
gefressen, weil es zufällig ein nachahmendes oder tarnendes Aussehen hatte.
Beliebt ist der Hinweis auf die Isolation einer nicht großen Population (mindestens 50,
höchsten 2000 Individuen) als Moment, in dem Evolution stattfindet. Solche isolierten
Populationen zeigen über zahlreiche Generation verschiedene Evolution. Das passiert
immer auf Inseln, kann aber auch in zahlreichen kleinen Seen, und zwischen trennenden
Gebirgen stattfinden.
Wenn sich dann doch isolierte Populationen nach vielen Generationen wieder begegnen,
gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder sie können sich noch kreuzen - dann ebnen sich die
Unterschiede schrittweise wieder ein durch Rekombination.
Oder aber eine der zwischenzeitlich stattfindenden getrennten Mutationen erzeugte eine
Artenschranke. Dann zeugen die wieder aufeinander treffenden Populationen keine
fruchtbaren Nachkommen mehr. Dann entwickeln sich typischerweise durch
zwischenartliche Konkurrenz zwei scharf gegeneinander abgegrenzte Arten.
Ob die Artenschranke als Moment einer unumkehrbaren Evolution auftaucht oder nicht, ist
nach einigen isolierten Generationen sehr zufällig. Durch Zufall stellte man fest, dass
zwischen New York und Florida zwei gleich aussehende Froscharten enstanden waren. Sie
zeigten äußerlich keinen Unterschied, aber bei Kreuzungen gab es nie Nachwuchs.
Umgekehrt ist bei der bewussten Züchtung von Hunden durch den Menschen bisher nie die
Artenschranke hochgegangen - genetisch gesehen können sich Pinscher und Bernhardiner
noch kreuzen. Sehr neu ist die Vermutung, dass viele der Menschen“arten“ nur Varationen
einer Art waren und sich bei Begegnungen noch kreuzen konnten.
Faktoren der Evolution - die heutige „synthetische Evolutionstheorie“
S. 2: Gendrift, adaptive Radiation, Einnischung
Wenn eine kleine isolierte Population in vergleichsweise raschem Tempo - sagen wir, über
30 Generationen hinweg - in ihrem Geno- und Phänotyp sich deutlich anders entwickelt als
die Art, von der sie abstammt, spricht man von Gendrift.
Solche kleinen Populationen mögen hundertmal untergehen - intern durch Inzucht, extern
durch widrige Umstände - aber andererseits, selten, entsteht bei der Gendrift eine neue Art
(also mit Artenschranke zur vorherigen Art), die in ihrer Umwelt mehr Nachkommen hat
als zuvor. Man sagt, die Gendrift sei das Nadelöhr der Evolution. In der Bilanz gab es
neue Arten fast nur auf diesem Weg.
In seltenen Momenten der Evolution besiedelt eine Art umfangreiches Neuland, kann sich
dort gut fortpflanzen und trifft auf keine Konkurrenz. Das ist z.B. passiert auf den
Galapagosinseln. Die Inseln tauchten unbesiedelt aus dem Meer auf. Sie entstanden durch
vulkanische Ereignisse. Sie liegen weit entfernt vom nächsten Festland (Südamerika). Nur
wenige Landtiere landeten durch seltene Zufälle auf den Galapagos-Inseln. Aus diesen
wenigen Ausgangsarten entwickelten sich durch adaptive Radiation jeweils viele Arten die nun nur auf den Galapagos-Inseln vorkommen. Beispielsweise landete wohl nur einmal
ein Finkenpärchen dort, hatte Nachkommen und überlebte die Inzestprobleme. Aus dieser
einen Finkenart entstanden im Lauf von ca. 2 Millionen Jahren 30 Galapagos-Finkenarten,
die heutzutage für die verschiedenen Lebensräume, in denen ein Vogel klarkommt,
spezialisiert sind.
Der berühmteste Fall einer adaptiven Radiation ist jene Naturkatastrophe vor 65
Millionen Jahren, die unter anderem die Saurier auslöschte. Innerhalb der folgenden 10
Millionen Jahren waren die Nischen der Landwirbeltiere wieder besetzt - ausgehend von
wenigen überlebenden rattenkleinen Säugetier-Arten.
Damit sind wir beim letzten Begriff der synthetischen Evolutionstheorie, dem Phänomen
der Einnischung. Typischerweise verläuft die Evolution vom unspezialisierten zum
spezialisierten Lebewesen. Der Vorgang wird in Ökologie besprochen: Dass bis hinein in
Feinheiten zahlreiche biotische und abiotische Faktoren sich auf die Art-Entwicklung so
auswirken, dass nebeneinander viele Spezialisten auf ihre ganz bestimmte Weise die
meisten Nachkommen erreichen.
In der „Praxis der Evolution“ - es könnte schon auch mal anders kommen - gilt: Eine
einmal eingeschlagene Entwicklungsrichtung der Evolution einer Art ist nicht mehr
umkehrbar.
Arbeitsblatt 18.12.2015: Die Darwinfinken als ein Beispiel für Evolution, anhand
dessen sich die ganze klassische und die moderne Evolutionstheorie besprechen lässt.
Folgende Sachinformation hatten Sie schon im vorherigen Arbeitsblatt:
„Die Galapagos-Inseln tauchten unbesiedelt aus dem Meer auf. Sie entstanden durch
vulkanische Ereignisse. Sie liegen weit entfernt vom nächsten Festland (Südamerika). Nur
wenige Landtiere landeten durch seltene Zufälle auf den Galapagos-Inseln. Aus diesen
wenigen Ausgangsarten entwickelten sich jeweils viele Arten - die nun nur auf den
Galapagos-Inseln vorkommen. Beispielsweise landete wohl nur einmal ein Finkenpärchen
dort, hatte Nachkommen und überlebte die Inzestprobleme. Aus dieser einen Finkenart
entstanden im Lauf von ca. 2 Millionen Jahren 30 Galapagos-Finkenarten, die heutzutage
für die verschiedenen Lebensräume, in denen ein Vogel klarkommt, spezialisiert sind.“
Einzelinformation und Fragen. Die Fragen beantworten Sie bitte mit Nummerierung und
einer Zeichnung auf einem Extra-Blatt, das Sie mit Datum und Ihrem Namen versehen.
Die Darwinfinken-Arten sind unscheinbare Vögel, im Durchschnitt spatzenklein, fast alle
mit grau-brauner Tarnfarbe. Auf den Galapagos-Inseln unterscheiden sich die Arten nur
gering in der Größe - einige Arten sind etwas zierlicher als der Durchschnitt, mehrere
Arten sind nie mehr als doppelt so groß. Sie unterscheiden sich wesentlich in ihren
Schnabelformen. Und schaut man ihrem Verhalten zu, so weisen alle Darwinfinken-Arten
ein spezifisches Suchverhalten nach bestimmten Nahrungstypen auf, das die anderen
Finkenarten auf der gleichen Insel nicht aufweisen.
Es gibt: a Schnäbel um harte Früchte zu knacken. b Schnäbel, um Beeren schnell zu
verzehren. c Schnäbel, um Nahrung vom Boden zu picken.
d Verhalten, um sich zwischen Stacheln zu bewegen. e Verhalten, einen Kaktusstachel in
den Schnabel zu nehmen und unter der Rinde zu stochern.
f Schnäbel, um Insekten zu packen und schlucken zu können.
Die Finken treffen auf: 1 Beeren auf Sträuchern. 2 Beeren am Boden. 3 Nüsse auf Bäumen.
4 Insekten auf Bäumen. 5 Insekten auf dem Boden 6 Insekten unter der Baumrinde.
7 Früchte am Kaktus, die zwischen Stacheln liegen.
Die meisten Finkenarten sind entweder Pflanzen- oder Insektenfresser. Nur eine DarwinFinken-Art sucht gemischte Nahrung auf. Die vermutliche Ausgangsart in Südamerika ist
ein körnerfressener Bodenfink.
1. Wo sind auf den Galapagosinseln „limited resources“?
2. Worin liegt hier der „struggle for life“?
3. Wie tauchen hier „variations“ auf?
4. Wie lief nach verschiedenen Richtungen die „natural selection“ ab?
5. Was ist hier die „fitness“ eines Finken?
6. Was verursacht hier die „Isolation“?
7. Was verursacht hier vielfach eine „Gendrift“?
8. Woran sieht man - und sah eben schon Darwin - die „Einnischung“ der Finkenarten?
9. Was sind hier die Gegebenheiten, die eine „adaptive Radation“ ermöglichen?
10. Beschreiben Sie unter Einsatz der Begriffe „Variationen“, „Einnischung“ und - wichtig
- „Artenschranke“ den Ablauf der adaptiven Radiation auf den Galapagos-Inseln
11. Erfinden Sie anhand der im Text angebotenen 4 Schnabelformen, 2 Verhaltensformen,
7 Orts - und Nahrungsangebote einen gezeichneten Stammbaum der Galapagos-Finken,
ausgehend von der Ausgangsart.
29.1.2016 Biologie Mennel
Fragen zur synthetischen Evolutionstheorie
1. Was kommt bei der „synthetischen Evolutionstheorie“ hinzu im Vergleich zu Darwins
Lehre?
- ab 1905 kG
- ab 1955 Molekulargenetik, also die Kenntnis der DNA. Das half bei einem DarwinBegriff (M). (erraten Sie das „M“. Die vorherige Antwort ist ja nun schon verraten)
- ab 1960 SPT
- ab 2000 mDNA, GSQ
2. Was ist Präadaption? Definieren Sie den Begriff allgemein und nennen Sie ein Beispiel.
3. Was ist Einnischung? Definieren Sie allgemein und nennen Sie ein Beispiel anhand der
Arten der Galapagosfinken.
4. Nennen Sie ein Beispiel für geografische Isolation
5. Rekombination führt dazu, dass in großen Population der Genpool über lange Zeit gleich
bleiben kann. Was ist „Rekombination“?
6. Was ist adaptive Radiation?
Kommen Sie einzeln zum Lehrer und zeigen ihm Ihre hier hingeschriebene Erläuterung.
Dann erst schreiben Sie die Antworten zum Folgenden:
7. Was geschah mit der Ausgangs-Finkenart auf den Galapagos-Inseln?
8. Wie war die Situation der Lebewesen nach dem Untergang der Saurier (Datum, Grund)?