Beispielaufgabe 1, Prüfungen von Didaktik

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• Beispielaufgabe

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129 Der Fisch in uns Menschen und Fische sind sich eigentlich nicht sehr ähnlich. Doch wenn man genau hinguckt, findet man tatsächlich Hinweise darauf, dass Menschen mit den Fischen verwandt sind. Denn trotz der äußerlich starken Unterschiede weisen Fische, Amphi- bien, Reptilien, Vögel und Säugetiere – zu denen auch der Mensch ge- hört – gemeinsame Merkmale auf: sie besitzen eine Wirbelsäule , ein Innenskelett aus Knochen und Knorpeln, einen Kopf , einen Rumpf und meist zwei Paar Extremitäten. Diese Merkmale unterschei- den sich nicht im Grundbau- plan und haben sich aus ur- sprünglichen Merkmalen neu entwickelt. Es sind abgeleite- te Homologien. Die abgeleiteten Homologien der Wirbeltiere machen deutlich, dass sich Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere aus einer ge- meinsamen Stammart entwickelt haben. Das heißt sie haben einen ge- meinsamen Vorfahren, von dem sie diese abgeleiteten Merkmale geerbt haben. Abb. 1: Mensch mit Fisch (© Eric Fahrner - stock.adobe.com). Abb. 2: Unterscheidung bei gemeinsamen Merkmalen (nach Ridley 1996).

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129 Damit der Stammbaum der Wirbeltiere aufgestellt werden kann, muss nach abgeleiteten Homologien gesucht werden, die sich nur bei be- stimmten Tierklassen zeigen. Der erste Schritt bei der Er- stellung eines Stammbaums ist deshalb die Betrachtung der fünf Tierklassen hinsicht- lich gemeinsamer homolo- ger Merkmale. Abb. 4: Unterscheidung bei gemeinsamen Merkmalen (nach Ridley 1996). Bei Wirbeltieren kämen dafür welche Merkmale in Frage?

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129 Wie bereits erwähnt findet man bei allen Wirbeltieren zwei Paar Extremi- täten. Bei den meisten Fischen sind diese Extremitäten in Form von paarigen Brust- und Bauch- flossen ausgebildet. Sie dienen der Steuerung sowie der Fort- bewegung, dem Bremsen und der Gleichgewichthaltung. Der Grundbauplan der Flossen stimmt bei allen Fischen über- ein. Ausgewachsene Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere haben Ext- remitäten mit Zehen , die im Grundbauplan übereinstimmen. Abb. 5: Paarige Extremitäten beim Fisch (Quelle: IPN). Bauchflosse Brustflosse Über die Extremitäten bei Wirbeltieren weiß ich…

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129 In der Merkmalstabelle kann man deutlich sehen, dass Fische ein homo- loges Merkmal aufweisen, das die übrigen Wirbeltiere nicht haben. Ge- nauso besitzen Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere ein homo- loges Merkmal , das man nicht bei den Fischen findet. Der zweite Schritt bei der Stammbaumkonstruktion ist die Unterscheidung zwischen ursprünglichen und abge- leiteten Merkmalen. Abb. 7: Unterscheidung bei gemeinsamen Merkmalen (nach Ridley 1996).

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129 Für die Stammbaumerstellung muss man wissen, in welche Richtung die Entwicklung der Extremitäten gelaufen ist. Das heißt welches Merkmal abgeleitet ist, die Flossen oder die Extremitäten mit Zehen. Die Unterscheidung zwischen ursprünglichen und abgeleiteten Merk- malen erfolgt mithilfe des Außengruppenvergleichs. Bei dem Außengruppenvergleich wird überprüft, ob das jeweilige Merk- mal auch außerhalb der betrachteten Gruppe (Innengruppe) auftritt. Ist dies der Fall, so handelt es sich um ein ursprüngliches Merkmal. In der Innengruppe befinden sich die Untergruppen, deren Merkmale zwischen ursprünglich und abgeleitet unterschieden werden sollen. Die Außengruppe muss so gewählt werden, dass diese durch einen letzten gemeinsamen Vorfahren mit der Innengruppe verwandt ist. Welches Merkmal könnte abgeleitet sein? Demnach wären also welche Tierklassen in der Innen- gruppe?

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129

2. Lösungsschritt: Unterscheidung zwischen ursprünglichen und abgelei- teten Merkmalen Die Flossen der Fische stellen das ursprüngliche Merkmal dar. Die Extremitäten mit Zehen, die man bei den Amphibien, Reptilien, Vö- geln und Säugetieren findet, haben sich aus diesem ursprüngli- chen Merkmal abgeleitet. Monophyletische Gruppe ist / sind…

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129 Die erste Verzweigung im Stammbaum sieht somit folgendermaßen aus: Es ist noch nicht geklärt, ob die Einteilung der Fische ebenfalls anhand von abgeleiteten Merkmalen erfolgt. Es ist also nicht sicher, ob es sich auch bei den Fischen um eine monophyletische Gruppe handelt. Um herauszufinden, ob alle Fische auf eine Stammart zurückzuführen sind, wiederholen sich die beiden Schritte der Stammbaumkonstruktion. Abb. 9: Stammbaum der Wirbeltiere (Quelle: IPN).

3. Lösungsschritt: Schlussfolgerung auf die Verwandtschaftsbeziehung Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere haben sich aus einer gemeinsamen Stammart entwickelt. Sie besitzen einen gemeinsa- men Vorfahren, der sich von der Entwicklungslinie der Fische abge- spalten hat, und werden zu der monophyletischen Gruppe der Landwirbeltiere (Tetrapoden; tetra <gr.>: „vier“, podes <gr.> : „Fü- ße“) zusammengefasst. Wenn die Fische eine monophyletische Gruppe sind, dann…

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129 Der zweite Schritt ist es zu untersuchen, ob es sich bei den homologen Merkmalen um ursprüngliche oder abgeleitete Merkmale handelt. Da- für verwendet man wieder den Außengruppenvergleich. Die Fische stellen die Innengruppe dar, denn hier kommen die Merkmale vor, die untersucht werden sollen. Die Außengruppe muss so gewählt werden, dass sie durch einen letzten gemeinsamen Vorfahren mit der Innengruppe verbunden ist. Wieder eig- nen sich die Schädellosen beziehungsweise das Lanzettfischen. Durch einen Blick in die Merkmalstabelle kann man jetzt erkennen, ob es sich um ursprüngliche oder abgeleitete Merkmale handelt. Abb. 12: Merkmalstabelle für ausgewählte Merkmale von Fischen. Die Flossen und die Kiemenatmung sind…

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129 Tatsächlich findet man kei- ne abgeleiteten Merkma- le , die alle Fische aufwei- sen. Die Einteilung in die Abstammungsgruppe der Fische erfolgt anhand von ursprünglichen Merkma- len. Erfolgt die Gruppeneinteilung anhand von ursprünglichen Merkmalen , erhält man sogenannte paraphyletische Gruppen (pará <gr.> : „entlang, neben, bei“, phylum <gr.-nlat.> : „Stamm“). Diese fassen eben- falls Gruppen zusammen, die auf eine gemeinsame Stammart zurückzuführen sind. Allerdings sind nicht alle Verzwei- gungen, also alle Nachfahren dieser Stammart, enthalten. Abb. 14: Paraphyletische Gruppe. A, B und C stellen Gruppen mit gemeinsamen abgeleiteten Merkmalen dar. A und B bilden eine paraphyletische Gruppe. Abb. 13: Unterscheidung bei gemeinsamen Merkmalen (nach Ridley 1996).

2. Lösungsschritt: Unterscheidung zwischen ursprünglichen und abgelei- teten Merkmalen Die Merkmale Flossen und Kiemenatmung sind auch in der Außen- gruppe vorhanden. Es sind ursprüngliche Merkmale. Bei den Fischen handelt es sich um eine … Gruppe, denn…

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129 Zuerst betrachtet man die Tetrapoden hinsichtlich gemeinsamer Merk- male. Handelt es sich um homologe Merkmale , muss mit dem Außen- gruppenvergleich zwischen ursprünglichen und abgeleiteten Merk- malen unterschieden werden. Einige Merkmale der fünf Wirbeltierklassen sind in der folgenden Merk- malstabelle aufgeführt. Bei Merkmalstabellen die, wie oben, viele verschiedene Merkmale bein- halten, sucht man sich zunächst das Merkmal heraus, das bei den meis- ten Tierklassen vorkommt. Abb. 16: Merkmalstabelle für ausgewählte Merkmale der Wirbeltiere. Über die Embryonalhülle weiß ich…

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129 Der erste Schritt ist die Be- trachtung der homologen Merkmale. Man muss also wissen, ob es sich bei der Embryonalhülle um ein homologes Merkmal han- delt. Die Embryonalhülle umgibt den Embryo und ist mit Fruchtwasser gefüllt. Bei Reptilien und Vögeln wird die Embryonalhülle noch zusätzlich von einer Schale umgeben. Auch bei Säugetieren bildet sich eine Embryonalhülle. Allerdings ver- bleibt der Embryo die gesamte Entwicklung im Körper. Eine schützende Schale wird hier nicht ausgebildet. Der Grundbauplan der Embryonalhülle stimmt bei den Reptilien, den Vögeln und den Säugetieren überein. Abb. 17: Unterscheidung bei gemeinsamen Merkmalen (nach Ridley 1996). Wenn die Embryonalhülle ein homologes Merkmal ist, dann müsste…

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129 Als Außengruppe wählt man die Lungenfische. Der Außengruppenver- gleich kann jetzt mithilfe der Merkmalstabelle erfolgen. Fische, also auch die Lungenfische, haben wie die Amphibien keine Embryonalhülle. In der Außengruppe findet man demnach nicht das Merkmal Embryonalhülle. Abb. 19: Merkmalstabelle für ausgewählte Merkmale der Wirbeltiere.

2. Lösungsschritt: Unterscheidung zwischen ursprünglichen und abgelei- teten Merkmalen Die Embryonalhülle ist ein abgeleitetes Merkmal von Reptilien, Vö- geln und Säugetieren.

Charlotte Neubrand & Prof. Dr. Ute Harms Abt. Didaktik der Biologie Tel.: +49 (0)431 880 3129 Da es sich bei dem Fehlen der Embryonalhülle um ein ursprüngliches Merkmal handelt, steht noch nicht fest, ob es sich bei den Amphibien um eine monophyletische Gruppe handelt. Abb. 20: Stammbaum der Wirbeltiere (Quelle: IPN).

3. Lösungsschritt: Schlussfolgerung auf die Verwandtschaftsbeziehung Reptilien, Vögel und Säugetiere haben sich aus einer gemeinsamen Stammart entwickelt, die sich von der Entwicklungslinie der Amphi- bien getrennt hat. Sie werden zu der monophyletischen Gruppe der Nabeltiere (Amnioten) zusammengefasst. Um festzustellen, ob es sich bei den Amphibien um ei- ne monophyletische Gruppe handelt, muss…