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Anpassung an den Lebensraum: Fische Fische und ihre Verwandtschaften Stamm Chordatiere Unterstamm Manteltiere (z.B. Seescheiden) Unterstamm Schädellose (z.B. Lanzettfischchen) Unterstamm Wirbeltiere Klasse kieferlose Fische (z.B. Neunaugen, Rundmäuler) Klasse Knochenfische (z.B. Stör, Hecht, Goldfisch) Klasse Knorpelfische (z.B. Haie, Rochen, Seedrachen) Klasse Amphibien (z.B. Kröten, Frösche, Molche) Klasse Reptilien (z.B. Schlangen, Echsen) Klasse Vögel Klasse Säugetiere Die ersten Fische in der Erdgeschichte Entstehung der Erde (5 Mia) Mio Jahre Entstehung der Prokaryota (3.5 Mia) Entstehung der ersten Eukaryota (1.5 Mia) Erste Fische (0.4 Mia) Erdzeitalter Wichtige biologische Erfindungen: vor heute 1 Mensch 245 Perm 290 Oberes Karbon 325 Unteres Karbon 360 Devon 410 Silur 440 Ordovizium 500 Kambrium Erste Vögel, Aussterben der Dinosaurier Erste Säugetiere Erste geflügelte Insekten Erste Reptilien Erste Amphbien Erste Samenpflanzen Erste Insekten Erste Knorpel- und Knochenfische Erste Landpflanzen Erste kieferlose Fische Erste Wirbeltiere Erste Manteltiere 540 Biologie 1aAN / 1fM 08/09 Anpassung an den Lebensraum: Fische Fischarten in bunter Formenvielfalt! Die Klasse der Fische gehört zusammen mit den Klassen Amphibien (Lurche), Reptilien (Kriechtiere), Vögeln und Säugetieren zum Stamm der Wirbeltiere. Die Fische sind dem Leben im Wasser angepasst. Die Brustund die Bauchflossen sind paarig und entsprechen den Extremitäten der Wirbeltiere. Die Haut ist bei den meisten Arten mit Schuppen, Knochenschildern oder Hautzähnen bedeckt. Sie atmen durch Kiemen, sind wechselwarm und besitzen einen einfachen geschlossenen Blutkreislauf. Man unterschiedet zwei Unterklassen: Unterklasse der Knorpelfische Unterklasse der Knochenfische Die Knorpelfische sind schwimmblasenlose Meeresbewohner. Das wichtigste Merkmal ist ihr Skelett: Es besteht ganz aus Knorpel. Die Haut enthält Plättchenschuppen mit frei über die Haut herausragenden Zähnchen. Knorpelfische leben ausschließlich von tierischer Nahrung. Man unterscheidet die Haie mit ihrem spindelförmigen Körper, und die Rochen, deren Körper abgeplattet ist. Die Knochenfische bilden die artenreichste Gruppe der Wirbeltiere überhaupt. Sie umfasst die überwiegende Mehrzahl der heute in den Meeren und im Süßwasser lebenden Fischarten in schier unbegrenzter Vielfalt und mit zum Teil äußerst bizarren Formen (siehe Abbildung unten)! Die verschiedenen Formen erfüllen bei all ihren Vertretern eine wichtige Funktion im Kampf ums Überleben. Die spindelförmige Grundform der allermeisten Fische dient sicher einer Verminderung des Energieverbrauchs bei der Fortbewegung. Eine andere Form kann aber auch vorteilhaft sein für den Nahrungserwerb, für eine große Stabilität im Wasser bei starker oder turbulenter Strömung, oder auch für eine optimale Tarnung. Die Knochenfische besitzen ein knöchernes Skelett mit gut ausgebildeten Schädel und Kiefer. Die Haut ist mit Knochenschuppen versehen. Meist ist eine Schwimmblase vorhanden. Biologie 1aAN / 1fM 08/09 Anpassung an den Lebensraum: Fische Im Wasser schweben... Vielen Fischen gelingt es, ganz ohne Bewegung ihrer Flossen im Wasser zu schweben (Klasse der Knochenfische, z.B. Hecht, Forelle, Elritze). Andere dagegen sinken bei Ruhe sogleich zu Boden (Klasse der Knorpelfische, z.B. Haie, Rochen). Wie kommt es dazu? 1. Versuch: Regel zum Sinken oder Aufsteigen von Gegenständen im Wasser: 1. 2. Verschiedene Gegenstände werden in ein Wasserbecken gegeben (siehe Tabelle unten). Notieren Sie sich die Beobachtungen in der letzten Spalte der Tabelle, z.B. „schwebt“, „sinkt“,.... Berechnen Sie die Dichte der Materialien. Und setzen Sie die Werte in der Tabelle ein. Masse [g] Volumen [cm3] Dichte [g/cm3] (bei 20°C) Verhalten im Wasser .................................... .................................... .................................... .................................... .................................... Wasser 3. ---- ---- 1g/cm3 ---- Formulieren Sie eine Regel, welche Gegenstände absinken und welche im Wasser aufsteigen. ............................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................. 2. Versuch: Auswirkungen des Drucks auf das Volumen von Gasen 1. Zeichnen Sie die Versuchsanordnung in den Exsikkator (Abb. 1). Abb. 1: Exsikkator 2. Notieren Sie sich zu folgenden Punkten, was passiert, wenn der Druck im Exsikkator gesenkt: Volumen des Luftballons: ............................................................................. Volumen des Wassers im Gefäß: ................................................................. Lage des Luftballons im Exsikkator: .............................................................. 3. Formulieren Sie Ihre eigene Vorstellung, warum es zur Veränderung des Volumens der Luft im Ballon kommt, wenn der Druck sinkt: ............................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................. 4. Wie kommt es darauf zum Schweben? Verwenden Sie in Ihrer Erklärung den Begriff der „Dichte“. Biologie 1aAN / 1fM 08/09 Anpassung an den Lebensraum: Fische ............................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................. 3. Versuch: Der Goldfisches im Exsikkator 1. Beobachten Sie den Goldfisch im Exsikkator. Ihm gelingt das Schweben im Wasser ohne Flossenbewegung, obwohl seine Muskulatur und Knochen eine größere Dichte besitzen als diejenige des Wassers. Formulieren Sie eine Hypothese, wie dem Fisch dies gelingt. ............................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................. 2. Beobachten Sie den Goldfisch im Exsikkator beim Senken des Druckes über dem Wasser genau. Notieren Sie Ihre Beobachtungen. ............................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................. 3. Begründen/interpretieren Sie Ihre Beobachtung. ............................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................. 4. Versuch 1. Blasen Sie mit einem langen Rohr in einen Messzylinder: Einmal taucht das Rohr tief, einmal wenig in die Flüssigkeit. Welches sind die Unterschiede beim Blasen? (Abb. 2) ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 2. Wie erklären Sie sich diese Unterschiede? Kleine Hilfestellung: Verwenden Sie in Ihrer Erklärung den Begriff „Druck“. ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... Übertragung auf das Leben der Fische: 1. Der Fisch schwebt im Wasser, wenn die Dichte seines Körpers ......................................... ist wie diejenige des Wassers. kleiner, größer, gleich groß 2. Wenn der Fisch seine Schwimmblase mit Luft füllt, dann ..................................... die Dichte seines Körpers und er ................................................................................ . sinkt, steigt, bleibt gleich 3. steigt, sinkt, bleibt in gleicher Wassertiefe Im tieferen Wasser ist der Wasserdruck .........................................., die Luft in der Schwimmblase wird komprimiert und die Dichte des Körpers ................................... . (Wichtig: Bei höherem Druck verändert sich die Dichte des Wassers kaum! Wasser ist schlecht komprimierbar.) gleich groß, größer, kleiner 4. nimmt zu, nimmt ab, bleibt gleich Damit der Fisch nun seinen Schwebezustand halten kann, muss er ................................................... . sie mit Luft füllen, Luft ablassen 5. Taucht der Fisch auf, dann nimmt der Wasserdruck ...................... . Das Volumen der Schwimmblase ....................................... . Der Fisch muss Luft .................................................... . zu, ab, bleibt gleich 6. nimmt ab, nimmt zu, bleibt gleich auslassen, zufügen Fische (z.B. Haie, Rochen), welche in Ruhezustand absinken besitzen ............................................ . eine Schwimmblase, keine Schwimmblase Biologie 1aAN / 1fM 08/09 Anpassung an den Lebensraum: Fische Die Körperform der Fische Aufgabe 1 1. Zeichnen Sie den Goldfisch auf einem weißen A4-Blatt ab. 2. Beschriften Sie Ihre Zeichnung mit: Kopf: Auge, Nasengrube, Kiemendeckel, Mundöffnung Rumpf: Brustflosse, Bauchflosse, Afterflosse, Rückenflosse, Seitenlinie, After, Schuppen Schwanz: Schwanzflosse 3. Erklären Sie die Funktionen der folgenden Flossen für die Bewegung des Fisches: Schwanzflosse: ............................................................................................... Brust- und Bauchflossen: ............................................................................................... Rückenflosse und Afterflosse: ............................................................................................... Aufgabe 2 Die Körperform spielt eine wichtige Rolle für die Fortbewegung der Fische im Wasser. Bietet nämlich die Körperform viel Widerstand, so braucht der Fisch viel Energie um eine Strecke zurückzulegen. Doch welche Form bietet am wenigsten, welche am meisten Widerstand. Dazu führen Sie ein kleines Experiment durch: Ziehen Sie mit immer gleicher Kraft verschiedene Wachskörper durch ein Wasserbecken und notieren Sie sich die Geschwindigkeiten und die Strömungswiderstände in der unteren Tabelle: Strömung Körperform Fortbewegungsgeschwindigkeit Strömungswiderstand 1 1 2 2 3 3 4 4 Aufgabe 3 Für Schnellere: Zeichnen Sie die Strömungsbilder einzelner Körperformen. Biologie 1aAN / 1fM 08/09 Anpassung an den Lebensraum: Fische Die Organsysteme der Wirbeltiere Mensch und Fisch, beides sind Lebewesen. Und sie können, was alle Lebewesen auszeichnet: Sie setzen Stoffe und Energie um, sie reagieren auf Reize, sie entwickeln und regenerieren sich, und sie können sich fortpflanzen. Aber weil ihr Organismus aber nicht aus einer einzelnen Zelle besteht, löst nicht mehr jede einzelne Zelle all diese Aufgaben, sondern die Aufgaben werden von verschiedenen Organsystemen und ihren Organen übernommen. Diese Aufteilung der Lebensaufgaben und damit einhergehende Spezialisierung ihrer Zellen ermöglicht es den Organen, mit größerer Effizienz zu arbeiten, was wiederum für den Gesamtorganismus ein Vorteil im Kampf ums Überleben darstellt! A: Reagieren .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... B: Stoffe und Energie umsetzen .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... C: Abwehren, reparieren und erneuern .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... D: Fortpflanzen .......................................................................................................................................................................... Biologie 1aAN / 1fM 08/09 Fische Biologie 1cN / 1fM 07/08 Fische Biologie 1cN / 1fM 07/08 Fische Biologie 1cN / 1fM 07/08 Fische Der innere Bau der Fische Aufgaben: 1. Ein Fisch besitzt verschiedene Organe und Organsysteme mit bestimmten Fähigkeiten, welche ein Lebewesen auszeichnen. Bezeichnen Sie jede Fähigkeit mit einer anderen Farbe: „ O“ ausmalen. O: O: O: O: Reagieren Energie und Stoffe umsetzen Abwehren, reparieren und erneuern Fortpflanzen 2. Markieren Sie in der Abbildung die einzelnen Organe mit der richtigen Farbe. 3. Nennen Sie mind. vier Organsysteme, in denen sich der Fisch augenfällig vom Menschen zu unterscheiden scheint. Welchen Umstand vermuten Sie als wichtigste Ursache für diese Unterschiede? (Ihre Hypothese in einem Satz festhalten.) Abbildungen: Bilder zum innern Bau einer Schwale Biologie 1cN/1fM 07/08 Fische Sektion einer Schwale: Anleitung 1. In einem ersten Schritt betrachten wir die Außenansicht des Fisches und konzentrieren uns dabei auf das Skelettsystem und die sichtbaren Sinnesorgane: Wir legen den Fisch in eine Sezierschale so vor uns, so dass der Kopf links liegt. Auf der Flanke des Tieres ist die Seitenlinie erkennbar. Die Seitenlinie enthält in seinen kleinen Vertiefungen oder Mündungen ein spezielles Sinnesorgan, das Seitenlinienorgan, welches zur Wahrnehmung der Wasserströmung dient. Weiter erkennen wir die verschiedenen Flossen: 1 Rückenflosse, 1 Schwanzflosse, 1 Afterflosse, 2 Bauchflossen und 2 Brustflossen. Zwischen den Augen und der Mundöffnung liegen die beiden Nasengruben. Mit einer stumpfen Nadel stellen prüfen wir, ob die Nasengruben blind enden oder eine Verbindung zur Mundhöhle aufweisen. Wir öffnen den Mund des Fisches, indem wir den Unterkiefer hinunterdrücken und stoßen den Glasstab hinein und unter dem Kiemendeckel wieder heraus. Der Glasstab zeigt den Weg des Atemwassers. 2. Es folgen die ersten Präparationsschritte, welche hauptsächlich das Atmungssystem erkennen lässt: Wir schneiden die beiden Brust- und Bauchflossen weg. Jetzt schneiden wir den Kiemendeckel weg, beobachten die darunter liegenden, intensiv rot gefärbten Kiemen. Wir zählen die Kiemenbögen. An diesen Knorpelbögen sind die Kiemenblättchen befestigt. Die Kiemenblättchen sind intensiv durchblutet. Hier gelang der Sauerstoff aus dem Wasser in den Blutkreislauf des Fisches, das durch die Zellatmung entstandene Kohlendioxid aus dem Blut in das Atemwasser. Jetzt schneiden wir vor der Afteröffnung durch die muskulöse Bauchdecke des Fisches. Wir führen die Schere in die Bauchhöhle ein und schneiden vorsichtig nach vorne bis unter die Brustflosse. Von hier und vor dem After schneiden wir nach oben bis über die Seitenlinie. Wir öffnen die Bauchhöhle, indem wir, die Rippen durchtrennen, den hinteren und den vorderen Schnitte miteinander verbinden und so die inneren Organe freilegen. 3. Die inneren Organe (Verdauungstrakt, Geschlechts- und Harnsystem) beginnen wir sorgfältig herauszupräparieren: Beim Verdauungstrakt lassen sich ein großer lang gestreckter Magen und ein S-förmiger Darm unterscheiden. Die Geschlechtsorgane des Tieres (Eierstöcke oder Hoden) sind paarig. Die Leber ist in verschiedene dunkelrote Leberlappen aufgespaltet, zwischen denen sich die hellgrüne Gallenblase und die dunklere Milz befindet. Die zweiteilige Schwimmblase dient der Stabilisierung im Wasser und soll herausgeschnitten werden. Unter der Schwimmblase lässt sich die lang gestreckte, vor der Wirbelsäule liegende, rot gefärbte Niere betrachten. 4. Nachher wird vorsichtig das Herz freigelegt: Dazu schneiden wir unter der Brustflosse weiter nach vorne durch den Herzbeutel. Im Herzbeutel finden wir das 3-kammrige Herz aus Vorhof (intensiv dunkelrot), aus Hauptkammer (rot) und aus der Arterienzwiebel (weißlich). Das Blut des Fisches zirkuliert in einem einfachen, geschlossenen Kreislauf durch den Körper: Vom Herzen zu den Kiemen, von dort in den Körper mit seinen Organen und schließlich wieder zum Herzen zurück. Das Blutkreislaufsystem des Fisches ist folglich geschlossen. 5. Am Schluss schneiden wir mit einem starken Messer den Fisch hinter dem After quer durch und betrachten den Querschnitt: Hier geht es erneut um den Skelett-, das Muskel- und das Nervensystem: Die gut ausgebildete Schwanzmuskulatur besteht aus konzentrischen Schichten, die durch ineinander geschachtelte Muskelkegel gebildet werden. In der Mitte des Querschnittes liegt die aus aneinander gereihten Wirbelkörpern aufgebaute Wirbelsäule. Die oberen Fortsätze der Wirbelkörper umschließen das Rückenmark (Nervensystem), die unteren Fortsätze der Wirbelkörper die Blutgefässe. Biologie 1cN/1fM 07/08 Fische Die Schwimmblase Die Schwimmblase ist ein luftgefüllter Hohlraum in Fischen, der aus dem Vorderdarm hervorgegangen ist. Eine Schwimmblase findet man nur bei den Knochenfischen. Mit Hilfe der Schwimmblase können sich diese Fische ohne großen Energieaufwand in der Schwebe halten. Für den Schwebezustand muss die Schwimmblase ein bestimmtes Volumen aufweisen, so dass die Dichte des Wassers der Dichte des gesamten Fisches entspricht. Beim Auf- und Absteigen des Fisches ändert sich mit der Wassertiefe der Aussendruck, der auf die Schwimmblase wirkt, und damit ihr Volumen. Das Volumen der Schwimmblase wird kleiner beim Abtauchen. Der Fisch muss Luft zufügen. Beim Auftauchen dehnt sich die Luft in der Blase, der Fisch muss Luft ablassen, um in der Schwebe bleiben zu können. Abb. 1: Physostom mit zweikammriger Schwimmblase: Bei manchen Fischen, den Physostomen, besteht ein kleiner Verbindungsgang zwischen Schwimmblase und Darmkanal, der Schwimmblasengang. Durch diesen Luftgang können diese Fische wie z.B. die Elritze, Forelle, Karpfen, Goldfisch oder Hering ihre Schwimmblase füllen oder durch Luftspucken wieder leeren. Auch über ein feines Netz an Blutgefässen können Gase aus dem Blut in die Schwimmblase diffudieren. Abb. 2: Physoclist: Andere Fische, die Physoclisten wie Stichling oder Barsch besitzen keinen Luftgang, dafür aber zwei sogenannte Gasdrüsen, in denen aus dem Blutkeislaufsystem Gase ausgeschieden und in die Schwimmblase abgegeben wird. Es gibt Knochenfische, wie z.B. bodenbewohnende Schollen oder Flundern, welche keine Schwimmblase besitzen. Immer fehlt sie auch den Knorpelfischen, zum Beispiel den Haien, die nur durch pausenloses Umherschwimmen und leichtes Nachobensteuern ihre Lage im Wasser zu halten vermögen. Aufgaben: 1. Markieren Sie beim Physostomen den Verbindungsgang der Schwimmblase zum Verdauungstrakt. 2. Kreuzen Sie die richtige Lösung an. „Beim Auftauchen der Knochenfische: O nimmt seine Schimmblase an Volumen zu, O nimmt seine Schimmblase an Volumen ab, O könnte die Schwimmblase eines Physostomen platzen, O könnte die Schwimmblase eines Physoclisten platzen, O entlässt der Physostom eine Lufblase aus der Mundöffnung um weiterhin im Wasser zu Schweben, O entlässt der Physoclist eine Lufblase aus der Mundöffnung um weiterhin im Wasser zu Schweben, O ist der Physostom schneller als der Physoclist.“ Biologie 1cN/1fM 07/08 Fische Schuppen der Fische In der Haut des Rumpfes tragen die meisten Fische Schuppen, Hautzähne, Knochenplatten oder Stacheln. Nur wenige Fischformen sind nackt (Welse, Lederkarpfen), ihre Haut erscheint lederartig. 1. Die Zahn- oder Placoidschuppen bei Haien und Drückerfischen sind besonders interessant: Auf 1. Schuppen des Haifisches einer Basalplatte, die in der Lederhaut liegt, erhebt sich ein nach hinten geneigtes Zähnchen. Dieses besteht wie der Säugetierzahn aus Dentin (Zahnbein) und ist mit einer Schmelzschicht überzogen. 2. Schmelz- oder Ganoidschuppen bei Stören, 2. Schuppen eines Löffelstörs Kaimanfisch und Quastenflosser bestehen aus knöchernen Platten. Sie werden von einer glänzenden Ganoid- oder Schmelzschicht überzogen. Diese Schuppen sind untereinander verbunden und so hart, daß Harpunen oft an ihnen abprallen. 3. Plättchenschuppen der höheren Knochenfische bestehen ebenfalls aus Knochen, 3. Schuppen der Schwale jedoch fehlt ihnen die Schmelzschicht der Ganoidschuppen. Gelegentlich wachsen Schuppenfelder zu größeren Platten zusammen; dadurch entstehen dann Fischpanzer, wie wir sie von Knurrhähnen, Panzerwelsen und Kofferfischen kennen. Die Schuppen bilden nicht die äußere Begrenzung der Haut. Sie »stecken« dachziegelartig überlappend in der Lederhaut und werden von der durchsichtigen Oberhaut bedeckt. Durch reichliche Schleimabsonderung wird die Oberhaut schlüpfrig. In der Haut vieler Knochenfische befindet sich das Seitenlinienorgan. Dieses Sinnesorgan erlaubt den Fischen, Wellen oder Fliessgeschwindigkeit des Wassers wahrzunehmen und sich zu orientieren. Dabei strömt das Wasser in die Öffnungen des Seitenlinienorgans und erregt die im Längskanal sitzenden Sinneszellen. Abb. 1: Aufbau der Haut des Knochenfisches Abb. 2: Das Seitenlinienorgan Biologie 1cN/1fM 07/08 Fische 1. Schuppen des Haifisches 2. Schuppen eines Löffelstörs 0.5 cm 3. Schuppen der Schwale Biologie 1cN/1fM 07/08
