Die Evolution von Tieren und Pflanzen Übersicht
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Basiswissen | Skripte ◮ Evolution | Die Evolution von Tieren und Pflanzen Skript Die Evolution von Tieren und Pflanzen Übersicht © 1 Einführung 1 2 Anfänge der biologischen Evolution 1 3 Massensterben in der Evolution 2 4 Landgang von Pflanzen und Tieren 4 5 Fünf-Reiche-System 5 Karlsruhe 2014 | SchulLV | Raphael Heinzler Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net Basiswissen | Skripte ◮ Evolution | Die Evolution von Tieren und Pflanzen Skript 1 Einführung Alle Lebewesen auf der Erde stammen von den gleichen Vorfahren ab. Das erste Leben entstand vor etwa 3,5 Milliarden Jahren in Gestalt von Einzellern. Bis zu der Entwicklung der ersten Pflanzen und Wirbeltiere verging noch sehr viel Zeit. Auch kann man die frühen Vorfahren des Menschen auf das Tierreich zurückführen. Diese Entwicklung und Wandlung von Lebewesen über lange Zeit nennt man Evolution. 2 Anfänge der biologischen Evolution Die Urzellen waren zunächst Prokaryoten, die auf die Zufuhr organischer Moleküle angewiesen waren. Durch den Mangel an diesen Nährstoffen bildeten sich unter dem Selektionsdruck autotrophe Formen, die zunächst anaerob (= Stoffwechsel ohne Sauerstoff) durch Chemosynthese die vorhandenen anorganischen Stoffe aufnehmen und verstoffwechseln konnten. Die Photosynthese entwickelte sich vor etwa 3 Milliarden Jahre bei Cyanobakterien, die Licht als Energiequelle für die Assimilation (= Stoff- und Energiewechsel) nutzten. De, durch Photosynthese in großen Mengen entstehende Sauerstoff war für solche Organismen giftig, somit mussten sich durch den Selektionsdruck sauerstoffresistente Strukturen bilden und aerobe Dissimilation (= Abrufen von Energiespeichern) nutzen. ◮ Endosymbiontentheorie Die Entstehung der Organellen (= Mitochondrien und Plastiden) der eukaryotischen Zellen wird durch die Endosymbiontentheorie erklärt. Sie besagt, dass Eukaryoten durch die Symbiose prokaryotischer Urorganismen entstanden sind. Aus diesem Grund sollen andere prokaryotische Zellen, evtl. Archaeen, chemotrophe und phototrophe Bakterien, durch Phagozytose aufgenommen haben und dadurch zu Endosymbionten geworden sein. Diese sind also eine Endosymbiose mit den den Wirtszellen eingegangen und haben sie sich zu deren Zellorganellen entwickelt. Die zellulären Organismen haben zunächst in einer engen Zusammenarbeit gelebt, welches sich jedoch im Laufe der Evolution zu einer gegenseitigen Abhängigkeit entwickelt hat. Diese ging soweit, dass ein Leben ohne den Partner nicht mehr möglich war, sie Stücke ihres somit unnötig gewordenen genetischen Materials verloren haben, oder in einigen Fällen betreffende Gene in den genetischen Code des Kerns eingebaut haben. So werden z.B. Protein-Komplexe wie die ATP-Synthase aus Untereinheiten zusammengebaut, die teilweise kerncodiert, teilweise mitochondrial codiert sind. Die Einheit aus Wirtszellen und Zellorganellen sind Eukaryoten. Die Zellorganellen, die noch immer viele Eigenschaften von Prokaryoten aufweisen, sind Mitochondrien und Plastiden. Heute geht man davon aus, dass Plastiden von Cyanobakterien abstammen, während Mitochondrien von aeroben Proteobakterien abstammen. Gestüzt wird diese These durch den Vergleich der Sequenzen ribosomaler RNA-Gene, der u. a. zeigt, dass die Verwandschaft zwischen Cyanobakterien und plastidären Ribosomen am engsten ist. Es existieren ebenfalls Eukaryoten, die keine dieser Organellen enthalten, wodurch sie weder Zellatmung noch Photosynthese betreiben können. © Karlsruhe 2014 | SchulLV | Raphael Heinzler Seite 1/5 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net Basiswissen | Skripte ◮ Evolution | Die Evolution von Tieren und Pflanzen Skript Prokaryot 1 2 3 4 Eukaryot Abbildung 1: Evolution der Mitochondrien In Abbildung 1 siehst du die Endosymbiontentheorie am Beispiel des Mitochondriums. Durch Phagocytose nimmt eine eukaryotische Zelle ein aerobes Bakterium auf (1-2), welches dabei nicht intrazellulär verdaut wird. Stattdessen kann es sich dauerhaft im Cytoplasma durchsetzen und, von einer zweiten Membran umgeben, als Endosymbiont die Wirtszelle mit ATP versorgen (3). Ein Großteil der DNA wird dann im Laufe der Evolution in der Zellkern überführt (4) und der Endosymbiont wird zum Mitochondrium, das man auch als semiautonomen Organell bezeichnet, da es ein eigenes Genom und eine eigenen Apparat zur Proteinbiosynthese hat. 3 Massensterben in der Evolution Im Laufe der Erdgeschichte ist das Aussterben von Arten ganz normal in der Biologie geworden, das Kommen und Gehen gehört ganz natürlich dazu. Das bedeutet auch, dass der Großteil der Arten, die jemals gelebt haben, bereits ausgestorben sind. Der französische Baron Georges Cuvier erkannte als Erster, dass es in der Erdgeschichte mehrfach ein Massensterben von Arten gab. Er entwickelte am Pariser Naturkundemuseum zu Beginn des 19. Jahrhunderts die Theorie, dass immer wieder Lebewesen durch große Ereignisse vernichtet wurden und anschließlich jedes Mal neue entstanden. Die Theorie der sogenannten Faunenschnitte konnten sich zwar nicht gegen die darwinsche Evolutionstheorie durchsetzen, war allerdings als deutliche Einschnitte in der Lebenswelt trotzdem richtig. Tatsächlich gehören Überleben und Aussterben zusammen, wie Tag und Nacht. Welche Faktoren dieses Sterben der Arten auslöste, ist Teil der spannendsten und aktivsten Forschungsfeldern der Paläobiologie (= Teilgebiet der Paläontologie). Es ist heute anerkannt, dass ein gewaltiger Meteoriteneinschlag vor 65 Millionen Jahren das Ende der Dinosaurier besiegelte. Bei dieser Katastrophe wurden damals ebenfalls etwa 90 Prozent der Meereslebewesen und mehr als die Hälfte aller Pflanzen- und Tierarten an Land vernichtet. Vor allem waren die, das Meer 300 Millionen Jahre besiedelte Ammoniten betroffen. Dieses Aussterbeereignis fast aller Lebewesen am Ende des Erdmittelalters ist das bekannteste und ist am besten erforscht. Trotzdem gibt es bis heute heftige Debatten, ob es wegen anderer dieser kosmischen Megaereignise auch weitere Massensterben in der Evolution gab. Experten ändern ihre Ansichten darüber alle paar Jahre. Mittlerweile wurden mindestens fünf größere Aussterbeereignisse im Evolutionsverlauf ermittelt. Charakterisiert sind alle dieser „big five“ durch tiefe Einschnitte und unmittelbar anschließend erneute Aufschwünge. © Karlsruhe 2014 | SchulLV | Raphael Heinzler Seite 2/5 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net Basiswissen | Skripte ◮ Evolution | Die Evolution von Tieren und Pflanzen Skript Flugsaurier Reptilien Landpflanzen 3000 2000 530 500 440 400 erste Eukaryoten kambrische ArtenStromatolithen explosion Leben im Wasser Panzerfische Amphibien LandGliederfüßler Pelycosaurier 370 350 Ammoniten 250 Hautflügler Säugetiere (z.B. Bienen) höhere Blütenpflanzen 210 140 Schildkröten Krebstiere frühe Primaten Homo erectus 75 65 60 50 1 Knochenfische in Mio. Jahren UrWale älteste Wirbeltiere Massensterben Massensterben Massen- Massensterben sterben Massensterben Abbildung 2: Übersicht der Evolution Um die Ereignisse besser einordnen zu können, siehst du in Abbildung 2 eine zeitliche Übersicht. Zu Beginn des Kambriums hatte sich das tierische Leben in den Weltmeeren ausgebreitet. Nicht lange danach kam es am Ende des Ordoviziums vor rund 440 Millionen Jahren zu der ersten großen Katastrophe. Die nächste bedeutende Krise im Devon, vor rund 370 Millionen Jahre, ließ viele Armfüßer, Korallen und Seelilien, Verwandte des Seeigels und Seesterns, aussterben. An der Wende vom Perm zur Trias vor 250 Millionen Jahren gab es ein noch viel schlimmeres Ereignis, es wurden über 95 Prozent der Tierarten im Meer und 70 Prozent an Land ausgerottet. Sehr viel schlimmer war jedoch das Ereignis an der Wende vom Perm zur Trias vor 250 Millionen Jahren, als über 95 Prozent der Arten im Meer und 70 Prozent an Land ausgelöscht wurden. Als sich gerade das Leben im Meer und an Land nur sehr langsam von diesem wohl gewaltigsten Rückschlag erholte, ereignete sich im Trias vor etwa 210 Millionen Jahren das nächste Aussterbeereignis. Nach dem letzten Massensterben vor 65 Millionen Jahren gab es eine regelrechte Evolutionswelle, in der die meisten der heutigen Säugetierarten entstanden und damit auch die Vorfahren der Menschen. Den meisten dieser Ereignisse wird als Auslöser ein Klimawandel zu Grunde gelegt. Forscher warnen nun vor dem 6. Massensterben, hervorgerufen durch einen Klimawandel und die Naturzerstörung durch den Menschen. © Karlsruhe 2014 | SchulLV | Raphael Heinzler Seite 3/5 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net Basiswissen | Skripte ◮ Evolution | Die Evolution von Tieren und Pflanzen Skript 4 Landgang von Pflanzen und Tieren ◮ Pflanzen Vor 410 Millionen Jahren gelang den ersten Pflanzen auf der Erde „Fuß“ zu fassen. Günstige Bedingungen wurden durch die Ozonschicht geschaffen, sie war dicht genug und schirmte die Erdoberfläche von den tödlichen Sonnenstrahlen ab. Zunächst starben Algen die in flachen Küstengebieten an Land gespült wurden durch Austrocknung, da sie keine festen Blätter oder Wurzeln besaßen. Niedrigen Moose, Pilze und Flechten gelang hingegen der Landgang besser. Die, zwischen den Moosen und den Gefäßpflanzen stehende Pflanze Rhynia gwynne-vaughanii, s.Abb.3, gilt als die „Urlandpflanze“. Sie soll vor 400 Millionen Jahre gelebt haben und als erste Landpflanze bereits gut an das Landleben angepassten gewesen sein. Aus diesen entwickelte sich später Pflanzen mit Blättern und Wurzeln, die Photosynthese betrieben und Nährstoffe aus dem Boden aufnahmen. Der Landgang der Pflanzen hatte einen Entzug von Abbildung 3: Rhynia gwynne-vaughanii Quelle: wikipedia.org – Griensteidl, CC-BY-SA-3.0,2.5,2.0,1.0 Kohlendioxid aus der Atmosphäre als Folge. Dadurch wurde der von Pflanzen verursachte Verwitterungsprozesse des Bodens noch verstärkt. Auch wird eine deutliche Abkühlung des Klimas als Folge des veränderten Kohlenstoffzyklus nach der Landbesiedelung angesehen. ◮ Tiere Als die ersten Tierart, das den Landgang bewältigte, gelten die Gliederfüßer, sie ähnelten Tausendfüßlern und Skorpionen. Würmer und Spinnentiere schlossen sich ihnen bald an. Bei Wirbeltieren ist der Formwandel von süßwasserlebenden Knochenfischen zu den Vorformen der heutigen Amphibien durch Fossilien gut bekannt. Noch ungeklärt ist, wie das Erbgut verändert wurde, damit sich z.B. Flossen in Füße entwickeln konnten. Dagegen weiß man, dass die ersten Wirbeltiere zunächst millionen Jahre lang „fischartige“ Kiefer hatten, um Fleisch zu zerreißen. Vor 320 Millionen Jahren änderte sich der Kiefer dann und wurde zunehmend „reptilienartig“. Man nimmt an, dass erst zu diesem Zeitpunkt die Rippen beweglicher wurden und sich die umgebende Atemmuskulatur weiter entwickelte konnte, so dass sie das Einatmen der Luft übernehmen konnten und Muskeln und Knochen im Bereich Abbildung 4: Möglicher Formenwandel beim Landgang Quelle: wikipedia.org – Maija Karala, CC-BY-SA-3.0 der Kiefer, die nicht mehr zum Lufteinsaugen benötigt wurden, stärker als zuvor zum Kauen genutzt werden konnten. Was bisher noch nicht geklärt ist, ist wann genau der Landgang der Wirbeltiere erfolgte. Im Jahr 2010 wurde die Zeitspanne vor 416 bis 359 Millionen Jahren benannt. © Karlsruhe 2014 | SchulLV | Raphael Heinzler Seite 4/5 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net Basiswissen | Skripte ◮ Evolution | Die Evolution von Tieren und Pflanzen Skript 5 Fünf-Reiche-System Stellt man die Stammesgeschich- Prokaryoten te der Organismen in einem Stammbaum dar, s. Abb. 5, kann man Archaebakterien für die Arten, die heute auf der Eukaryotische Einzeller Erde leben, ein Fünf-ReicheSystem aufstellen. Es gibt das Reich der Prokaryoten, kernlose Zellen, die meist Mehrzeller Protista kleiner als 10 μm sind. Sie sind Amöben Einzeller, welche ihre Energie durch Wimpertierchen Atmung, Gärung, Photosynthese oder Chemosynthese gewinnen. Die Urbakterien (= Archea), Blaualgen (= Cyanobakterien) und echte Bakterien (= Eubacteria) sind Teil der Prokaryoten. Die Eukaryoten, Zellen mit einem Zellkern, bilden vorerst eine große Anzahl an verschiede- Eubakterien Cyanobakterien Pflanzen Tiere Schwämme Hohltiere Plattwürmer Weichtiere Ringelwürmer Stachelhäuter Grünalgen Rotalgen Braunalgen Pilze Flechten MoosSchleimpilze pflanzen Farne Jochpilze Samenpflanzen Ständerpilze Schlauchpilze Gliederfüßer Wirbeltiere nen Arten, die das Reich der Protista bilden. Zu diesen gehö- Abbildung 5: Fünf-Reiche System ren unter anderem Geißelalgen, Geißeltierchen, Wimpertiere und Wuzelfüßer. In diesem Reich gibt es Lebewesen, die aerob und anaerob, heterotroph und autotroph, sowie parasitisch sind. Das Reich der Pilze umfasst heterotrophe Organismen, die saprophytisch (= Ernährung durch abgestorbenes organisches Material), parasitisch oder symbiotisch leben. Im Reich der Pflanzen ist die Fortpflanzung der vielzelligen, photosynthetischen Organismen durch einen Generationswechseln gekennzeichnet. Das Reich der Tiere ist aus heterotrophen Vielzellern aufgebaut. Sie entstehen aus der Verschmelzung einer haploiden Eizelle mit einer haploiden männlichen Keimzelle. Die Zygote teilt sich dann nach der Befruchtung durch Mitose. Zu ihnen zählen zunächst die Schwämme, die noch kein echtes Gewebe bilden und die Hohltiere, bei denen die erste Gewebsdifferenzierung auftritt. Im Laufe der Evolution kam es in den Reichen zu einer Höherentwicklung der Lebewesen. In einigen enstanden aus einzelnen Zellen Vielzeller, mit verschiedenen Zelltypen und immer mehr Gewebedifferenzierung. So bildeten sich zunehmend neue Arten, was die Folge hatte, dass die Arten ausstarben, die sich schlechter anpassen konnten und weniger komplex waren. Bei der Höherentwicklung nahmen auch die Informationen zu, so enthalten Eukaryoten bedeutend mehr genetische Informationen in ihrem Erbgut als Prokaryoten, wodurch sich unter anderem die Vielzelligkeit nur bei den Eukaryoten behaupten konnte. © Karlsruhe 2014 | SchulLV | Raphael Heinzler Seite 5/5 Vervielfältigung nur innerhalb einer Lehrer-/Klassen- oder Schullizenz und mit Hinweis auf BioLV erlaubt. www.BioLV.net
