Hintergrundwissen
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Hintergrundwissen Die enorme Artenvielfalt in der Natur hat sich im Verlaufe der Evolution durch zwei Prozesse entwickelt, die in subtiler Wechselwirkung zueinander stehen: durch die natürliche Selektion, d.h. je besser sich eine Art der Umwelt anpassen kann, desto besser kann sie sich vermehren; durch die sexuelle Selektion, d.h. die Tatsache, dass es zwei Geschlechter gibt und der Nachwuchs eine einzigartige Kombination der elterlichen Gene bekommt. So werden neue Merkmale für eine bessere Anpassung an die Umwelt effizienter von einer Generation an die nächste weiter gegeben. Bis vor 600 Millionen Jahren hat es keine Männchen und Weibchen gegeben. Die Lebewesen haben sich asexuell durch Zellteilung fortgepflanzt. Neue Merkmale entstehen bei asexuellen Fortpflanzungsprozessen sozusagen als "Fehler" (Mutation) und eher zufällig. Erst mit der "Erfindung" von zwei Geschlechtern – Männchen und Weibchen – wird dieser Zufall zum Regelfall: die Verbreitung neuer Merkmale kann jedes Mal, bei jeder Zeugung von Nachkommen geschehen, weil sich die Hälfte der männlichen und die Hälfte der weiblichen Gene neu koppeln und kombinieren. Die sexuelle Fortpflanzung ist deshalb in der Geschichte der Evolution ein wesentlicher Sprung in der Entwicklung der Biodiversität. Die Kuhfelle, das erste Exponat der Ausstellung "Sexperten – flotte Bienen und tolle Hechte" im Foyer des Naturama, illustrieren dies sehr schön. Fellfarben und Fellstruktur verändern sich von der ersten zur zweiten zur dritten Generation. Sie zeigen eindrücklich die dritte Mendelsche Regel*, welche vom Augustiner Mönch Gregor Mendel 1860 veröffentlicht wurden (*Unabhängigkeitsund Neukombinationsregel). Die Ausstellung zeigt, welche Rollen und Strategien Männchen und Weibchen entwickelten, um dem Nachwuchs die besten Voraussetzungen, d.h. die besten Gene, weiter zu geben. Sie umfasst sechs Themenbereiche, die mit Tierexponaten und kurzen Texten illustriert sind: Thema Vermehrung 1. Sex ist innovativ <D> (Grundriss auf dem roten Faden "Familiengeschichten") (Kuhfell-Installation im Naturama-Foyer und Exponat der männlichen und weiblichen Keimzelle im Sonderausstellungsraum) Jedes Kind ist anders: bei Tierarten mit zwei Geschlechtern wird nur die Hälfte der Eigenschaften des Weibchens und die Hälfte der Eigenschaften des Männchens an die nächste Generation weiter gegeben, und die elterlichen Eigenschaften werden neu gemischt. So kann die nächste Generation besser auf Änderungen in ihrer Umwelt Naturama Aargau Bildung Sonderausstellung "Sexperten – flotte Bienen und tolle Hechte" (1.5.15‐13.3.16) 1 reagieren. Das ist wirksamer und effizienter als der Zufall. Aber der Preis dafür ist eine aufwändige Partnersuche. Nur den Besten und Innovativsten gelingt sie. Das männliche Geschlecht entstand erst vor rund 600 Millionen Jahren bei den Vorfahren der heutigen Quallen. Das trieb die Entwicklung der Artenvielfalt voran: Sex ist innovativ. Schub gegeben haben dieser Entwicklung die totale Verschiedenheit männlicher und weiblicher Keimzellen. Während die Eizelle gross, unbeweglich, "rar" und daher "kostbar" ist, sind die Spermien im Vergleich klein, beweglich, "häufig" und daher "billig". Seit den 1960er Jahren gibt es in der Biologie die Hypothese der "Weibchenwahl" (female choice), die sich zur biologischen Faustregel entwickelte. Diese Faustregel besagt, dass jenes Geschlecht seinen Partner wählt, das am meisten in den Nachwuchs investiert (im Tierreich etwa zu 70% das Weibchen), und jenes Geschlecht, das weniger in den Nachwuchs investiert, seine Energien in das Gewählt werden investiert, i.d.R. die Männchen. Mit dieser Faustregel kann man die Vielfalt von Balz- und Paarungsritualen erklären. Thema Partnersuche 2. Die Konkurrenz < E> (Grundriss auf dem roten Faden "Familiengeschichten") Aufwändige Konkurrenzkämpfe gibt es v.a. bei jenem Geschlecht, das weniger in den Nachwuchs investiert, häufig die Männchen. Der Platzhirsch hält mit ritualisierten Kämpfen den Herausforderer von seinen Kühen fern. Die beiden gezeigten Tiere in der Ausstellung sind in dieser Kampfstellung gestorben. Sie hatten sich während des Kampfes in einen Zaun verheddert. Ein Jäger im Rheintal (Lichtenstein) musste sie schiessen. Man konnte sie nicht betäuben. So wären sie an einem Herzinfarkt gestorben, weil ihr Körper so voller Adrenalin war. Rothirsche fressen während der Brunft nicht, deshalb ist eines der ausgestellten Tiere sehr abgemagert. Man sieht seine Rippen. Die Hirschkäfer-Männchen bilden – sobald sie paarungsreif sind – grosse Mundwerkzeuge aus, die sie nur noch für den Konkurrenzkampf benützen können und nicht mehr für ihren ursprünglichen Zweck, nämlich das Aufknacken der Baumrinde, um den süssen Saft des Holzes zu trinken. Der Vergleich mit den Mundwerkzeugen des Weibchens neben den beiden kämpfenden Männchen macht dies deutlich. Das Hirschkäfermännchen verteidigt den besten Totholzstamm, damit das Weibchen hier seine Eier legen, und das Männchen diese befruchten kann. Die Larven leben dann ca. 7 Jahre im Totholz, bevor die Jungkäfer schlüpfen. Geht das Männchen siegreich aus dem Konkurrenzkampf hervor, paart es sich mit dem Weibchen, und das Weibchen lässt ihn vom süssen Baumsaft trinken. Das unterlegene Männchen verhungert, wenn es kein anderes Weibchen findet, denn es kann sich nicht mehr selber ernähren. Bei den Buntbarschen scheint Grösse ein Vorteil zu sein, aber es kommt auf die Strategie darauf an, denn auch kleine Männchen haben ihre Chance. Das grosse Naturama Aargau Bildung Sonderausstellung "Sexperten – flotte Bienen und tolle Hechte" (1.5.15‐13.3.16) 2 Buntbarschmännchen beschafft und verteidigt das Schneckenhäuschen, damit das Weibchen seine Eier darin ablegen kann. Je grösser das Männchen desto besser die Verteidigung des Laichplatzes. Aber die kleinen, wendigen Männchen nutzen ihre Chance, denn sie können unbemerkt in das Schneckenhäuschen schlüpfen und die Eier mit ihren Spermien befruchten. Je lauter der Laubfrosch quakt, desto grösser die Chance, dass die Konkurrenz fern bleibt und Weibchen angelockt werden. Der kleine Laubfrosch gehört zu den lautesten, einheimischen Amphibien. 3. Der Geschlechterkampf <F> (Grundriss auf dem roten Faden "Familiengeschichten") (Star, Pirol, Birkhuhn, Quezal, grosses Heupferd, Darlington's Pfauenspinne, gemeine Skorpionsfliege) Weibchen investieren, wie oben ausgeführt, tendenziell mehr in den Nachwuchs, als Männchen. Weibchen "wählen". Die Männchen investieren ihre Energie, um auserwählt zu werden. Es ist mitunter ein wahrer Kampf der Geschlechter, sich zu finden, zu paaren und damit die besten Gene an den Nachwuchs weiter zu geben. Es gibt ein grosses Spektrum an (männlichem) Balzverhalten mit Gesängen, prächtigem Federschmuck, Geschenken und Tanzeinlagen. Es steckt Sinn hinter langen Federn und aufwändigem Tanz, denn es sind Überzeugungskünste der Männchen für die Weibchen. Sind die Schmuckfedern sehr lang, wie beim Quezal, kann der Träger weniger gut vor Feinden flüchten und braucht mehr Futter wegen des zusätzlichen Körpergewichts. Das überleben nur die Stärksten. Und diese Eigenschaften wollen an die nächste Generation weiter geben werden. Mit dem Balztanz bekundet das Männchen Interesse an einer Paarung und will von seinen Qualitäten überzeugen. Vor allem Vögel und Säugetiere beherrschen komplexe Balzrituale. Aber auch bei Insekten und Spinnen findet man ähnliche Verhaltensweisen. 4. Alle Möglichkeiten ausgereizt < G > (Grundriss auf dem roten Faden "Familiengeschichten") (Stabheuschrecke, Tigerschnegel, Rotmeer-Anemonenfisch) Wenn Geschlechtspartner rar sind (oder es auch darum geht, sich in kürzester Zeit massenhaft zu reproduzieren) kennt das Tierreich weitere Fortpflanzungsstrategien: <Jungfernzeugung (Parthenogenese, unisexuelle Fortpflanzung), z.B. bei der Stabheuschrecke: Die Weibchen legen unbefruchtete Eier, aus denen wieder Weibchen schlüpfen. Auch die Stabheuschrecke braucht geschlechtliche Fortpflanzung, also Naturama Aargau Bildung Sonderausstellung "Sexperten – flotte Bienen und tolle Hechte" (1.5.15‐13.3.16) 3 Männchen. Sie sind beflügelt und stellen den Genaustausch zwischen den Populationen sicher. < gegenseitige Befruchtung , z.B. bei den Tigerschnegeln: Zwitter sind gleichzeitig Männchen und Weibchen. Bei der Paarung stülpen die Tigerschnegel ihre langen Penisse aus und tauschen ihre Spermien aus, die sie dann für die Befruchtung ihrer eigenen Eizellen zurück in ihre Körper bringen. Während der Paarung fluoreszieren die Penisse hellblau. Warum das so ist, ist bis heute ein Rätsel. Die Biologie spricht von "Simultanzwitter": Individuen sind zur gleichen Zeit sowohl männlich wie weiblich. < Geschlechterwechsel ist eine weitere Form von Zwitter, aber relativ selten und vor allem bei Anemonenfischen anzutreffen. Die Biologie spricht von "Konsekutivzwitter": hier können Individuen in ihrem Lebenszyklus das Geschlecht wechseln. Mangelt es z.B. bei den Rotmeer Anemonenfischen an Weibchen, wandeln sich die wohlgenährtesten und grössten Männchen in Weibchen um. Die grossen Tiere haben mehr Energie für die "teure" und aufwändige Eierproduktion. Deshalb sind (bzw. werden) bei Anemonenfisch die grossen Tiere weiblich. Die Kleinen bleiben männlich und produzieren weiter viele, "billige" Spermien. Bei den Anemonenfischen können nur die kleineren Männchen zu Weibchen werden, indem sie wachsen und Eier produzieren. Weibchen können nicht zu Männchen werden. Thema Paarung 5. Die Paarung <H> (Grundriss auf dem roten Faden "Familiengeschichten") (z.B. Schwan, Feldhase, Braunbär, Seesaibling, Gottesanbeterin, Apollofalter im Sonderausstellungsraum des Naturama Aargau) Das erfolgreiche Zusammentreffen von willigen Partnern ist nur die halbe Miete. Die männlichen Keimzellen (Spermien) müssen dann noch auf die weibliche Keimzelle (Ei) treffen, um sie zu befruchten. Für diese Übertragung gibt es verschiedene Methoden: - a) die häufigste Variante ist die innere Befruchtung: Spermien und Eizellen treffen direkt im Körper des Weibchens aufeinander. Die einfachste Form der Spermienübertragung ist die Kopulation. - b) äussere Befruchtung: männliche und weibliche Geschlechtszellen werden einfach ins Wasser entlassen; Ei- und Spermienzelle finden sich ausserhalb der Körper. Das ist bei Wassertieren wie Fische, Kröten und Fröschen der Fall. Die zeitliche Abstimmung des Laichens ist eine wichtige Voraussetzung, damit reife Spermien auf reife Eizellen treffen. Naturama Aargau Bildung Sonderausstellung "Sexperten – flotte Bienen und tolle Hechte" (1.5.15‐13.3.16) 4 Exponate zu a) innere Befruchtung: Braunbär und Penisknochen: die meisten Raubtiere haben Penisknochen, um die Standfestigkeit bei der Kopulation zu erhöhen. Der Penisknochen entstand bei vielen Säugetieren vor rund 160 Millionen Jahren als Verknöcherung des Schwellkörpers. Der Penis ist so schneller funktionsfähig und ermöglicht es, ohne Vorspiel schnell kopulieren zu können. Bei einigen Arten können Weibchen die Spermien auf dem Weg zur Eizelle speichern oder bei Nichtgefallen wieder ausscheiden. Bei der Kopulation werden nämlich nicht nur Körperflüssigkeiten, sondern auch viele Informationen ausgetauscht. Erkennt das Weibchen Schwächen oder die Chance auf ein Männchen mit besseren Genen, bricht es die Paarung ab oder hindert die Spermien an der Befruchtung ihrer Eizelle. Apollofalter: nach der Paarung versiegeln die Männchen das Genital des Weibchens mit einem festen, schwarzen "Keuschheitsgürtel" (Paarungspfropf), um Konkurrenz fern zu halten. "Keuschheitsgürtel" sind eine Erfindung der Männchen, um die Weibchen daran zu hindern, sich mit weiteren Männchen zu paaren. Das wiederum versuchen die Weibchen zu verhindern, das Apollofalter-Weibchen z.B., indem es diesen Verschluss an seinen Genitalien abstreift. (Varianten von "Keuschheitsgürteln": Maulwürfe hinterlassen einen harzigen Pfropfen; Kugelspinnenmännchen trennen ihr Genital ab und lassen es im weiblichen Genitaltrakt; Libellenmännchen halten das Weibchen bis zur Eiablage umklammert und legen dann ihre Spermien als Paket ab.) Der Grund dieser "Keuschheitsgürtel"-Strategie der Männchen ist die Tatsache, dass die Weibchen, insbesondere bei Insekten, Spermien von verschiedenen Männchen aufnehmen und nach der Paarung "entscheiden" können, welche Spermien ihre Eier befruchten. Feldhase: Häsinnen bestimmen, ob gerammelt wird. Sie boxt den Rammler, damit sie für den Akt bereit ist. Kopuliert wird nur für 10 Sekunden, dafür aber sehr häufig. Gottesanbeterin: Wenn das Weibchen vor oder während der Paarung viel gefressen hat, dann werden seine Eier grösser. Fressangebote sind im Lebensraum der Gottesanbeterinnen (Wüstenbüsche im Oman) Mangelware. Wegen dieser Tatsache und zum Vorteil des Nachwuchses kann es also vorkommen, dass die Gottesanbeterin während der Paarung das Männchen langsam auffrisst. Das Männchen "entscheidet" in der ersten Stunde der Paarung, ob es sich auffressen lassen, oder flüchten will. Der "Entscheid" des Männchens ist instinktgesteuert und abhängig von der Möglichkeit, weitere Weibchen für eine Paarung zu finden. Wenn weitere Paarungschancen gering sind, lässt sich das Männchen während des 20 bis 24 stündigen Paarungsaktes langsam auffressen. Damit ist für alle "gesorgt": für das Weibchen, das mit einer Proteinbombe im Bauch mehr und grössere Eier legen kann; für das Männchen, das diese Eier mit seinen Spermien befruchtet und somit "sicher" sein kann, dass es seine Gene weiter gibt; und für den Nachwuchs, der dadurch beste Startchancen ins Leben bekommt. Naturama Aargau Bildung Sonderausstellung "Sexperten – flotte Bienen und tolle Hechte" (1.5.15‐13.3.16) 5 Exponat zu b) äussere Befruchtung: Die meisten Wasserbewohner werden Eltern, ohne je den Partner berührt zu haben. Weibchen legen ihre Eier auf seichten Boden oder entlassen sie direkt in die Strömung. Die Männchen tun das mit ihren Spermien ebenso. Je grösser die Anzahl der reifen weiblichen und männlichen Keimzellen im Wasser, desto grösser die Chance auf Befruchtung. Seesaibling: Männchen legen Laichgruben im Wasser an. Gefällt die Grube einem Weibchen, legt sie Eier darin ab. Das Männchen gibt seine Spermien darüber ab. Die meisten Fische und Amphibien zeigen ein ausgefeiltes Werbungsverhalten. Dieses Ritual ist der gegenseitige Auslöser für die zeitgleiche Freisetzung von männlichen und weiblichen Keimzellen ins Wasser. Das Werbeverhalten hat zwei Effekte: einerseits die Wahl des Partners und andererseits die grösstmögliche Chance für eine Befruchtung der Eier. Thema Nachwuchspflege 6. Der Nachwuchs <B> (Grundriss auf dem roten Faden "Familiengeschichten") (Im Naturama Sonderausstellungsraum und im Obergeschoss links) Brutpflege ist teuer, aber die Kraft der Eltern begrenzt. Es gibt deshalb zwei Strategien, um den Nachwuchs erfolgreich gross zu ziehen: - Prinzip Qualität: die Eltern ermöglichen wenigen Kindern den bestmöglichen Start ins Leben. Prinzip Quantität: die Eltern setzen so viele Nachkommen in die Welt, wie irgend möglich. Das Prinzip Qualität verfolgen Säugetiere und Vögel mit der aufwändigen Pflege von wenigem Nachwuchs. Weissstörche bebrüten und füttern ihre Jungen zu zweit auf dem Horst. Das Wolfsjunge wird von der ganzen Familie – ältere Geschwister mit eingeschlossen – mit Hochgewürgtem gefüttert. Das Prinzip Quantität verfolgen Insekten, Krebse, Spinnen, Würmer, Schnecken und bestimmte Amphibien: möglichst viel Nachwuchs zeugen, der dann sich selber überlassen wird. Die Wespenspinne z.B. spinnt einen schützenden Kokon um ca. 400 befruchtete Eier und stirbt dann. Das Grasfrosch-Weibchen legt Laichballen mit über 3000 Eiern ab. Naturama Aargau Bildung Sonderausstellung "Sexperten – flotte Bienen und tolle Hechte" (1.5.15‐13.3.16) 6 Bezüge zur Naturama-Dauerausstellung und zum Naturama-Garten Folgende Tiere der Sonderausstellung "Sexperten – flotte Bienen und tolle Hechte" sind auch in der Naturama-Dauerausstellung (EG) im Kontext ihres Lebensraums ausgestellt: - Grasfrosch (<2>) Laubfrosch (Lebensraum Kiesgrube/Auenwald) Wildschwein mit Frischlingen (Lebensraum Auenwald) Pirol (<3>) Dachs (Lebensraum Wald) Feldhase (<5>) Igel (Lebensraum Hecke im Winter) grosses Heupferd (Lebensraum Wiese) Stabheuschrecke (<4>) (Die Zahlen vom Grundriss auf dem roten Faden "Familiengeschichten") Das Objekt "Biene auf Blume" in der Sonderausstellung wird lebendig mit dem grossen Wildbienen-Guckkasten und der naturnahen Umgebungsgestaltung im NaturamaGarten und auf der Dachterrasse. Fachbegriffe im Ausstellungsführer bzw. in den Ausstellungstexten Sexualdimorphismus ist der Unterschied im Erscheinungsbild von Männchen und Weibchen einer Tierart; Bsp: prächtig farbiges Männchen und tarnfarbig unscheinbares Weibchen. Hermaphroditen sind Zwitter. Man unterscheidet zwittrige Arten, die zu jedem Zeitpunkt beide Geschlechter in sich tragen (Simultanzwitter, z.B. Schnecken) und zwittrige Arten, die im Verlauf ihres Lebens das Geschlecht wechseln können (Konsekutivzwitter, z.B. Anemonenfische). Parthenogenese: Jungfernzeugung, unisexuelle Fortpflanzung Kopulation: (Paarung, Begattung, "Sex") die einfachste Form der Spermienübertragung direkt in den Körper des Weibchens weibliche Geschlechtszelle: die Eizelle ist eine relativ grosse, unbewegliche Zelle männliche Geschlechtszelle: das Spermium ist eine kleine, bewegliche Zelle "Keuschheitsgürtel": Das Verschliessen des weiblichen Genitals ist eine Strategie des Männchens, um sicher zu stellen, dass nur seine Spermien die Eizelle befruchten. Naturama Aargau Bildung Sonderausstellung "Sexperten – flotte Bienen und tolle Hechte" (1.5.15‐13.3.16) 7
