Biologie: Evolutionstheorien und -beweise, Zusammenfassungen von Biologie

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Zusammenfassung – Biologie – Evolution 1 | S e i t e Tim Forster 3B 12.06.2011 Evolutionstheorien und -beweise  Evolutionstheorien von Cuvier, Lamarck und Darwin kennen und an Beispielen erläutern können Cuvier Katastrophentheorie Arten sind unveränderlich Neue Arten entstehen nach einer Katastrophe (Sie löscht die vorherigen Arten aus) Lamarck  Abstammungstheorie Arten sind veränderlich Organe werden durch Gebrauch oder Nichtgebrauch den Bedürfnissen angepasst (somatische Modifikation) Weitervererbung von erworbenen Merkmalen Darwin  Selektionstheorie Individuen sind nicht erbgleich (nicht alle nachfolgenden Generationen haben das gleiche Erbgut) Nachkommen stehen untereinander im Wettbewerb um Nahrung, Raum, Sexualpartner Kampf ums Dasein („Struggle for life“) Die am besten an die Umwelt angepassten Individuen setzen sich durch, da sie mehr Nachkommen zeugen („Survival of the fittest“) Zusammenfassung – Biologie – Evolution 2 | S e i t e Tim Forster 3B 12.06.2011  die Begriffe Homologie und Analogie erklären und unterscheiden sowie mit Beispielen belegen können Homologie: Definition: Organe, die sich äusserlich und funktionell unterscheiden können, welche aber auf eine gemeinsame Grundform zurückgehen, sind homolog. Ihre Anpassung wird als Divergent bezeichnet (lat. di=auseinander, vergere=neigen). Beispiele: o Wirbeltierextremitäten o Mundwerkzeuge von Insekten o Extremitäten von Insekten Analogie: Definition: Organe, die sich äusserlich und funktionell ähneln, welche aber einen anderen Grundbauplan haben. Die Anpassung erfolgte durch gleiche Umwelteinflüsse und wird als Konvergent bezeichnet (lat. con=zusammen, vergere=neigen). Beispiele: o Grabbeine von Maulwurfsgrillen (Insekten) und Maulwürfen (Säugetieren) o Flügel von Vögeln (Säugetieren) und Fledermäuse (Fledertiere) o Aquadynamische Form von Pinguin (Säugetier) und Haien (Knorpelfisch)  Wichtig: Die analogen Strukturen erfüllen in den einzelnen Organismen den gleichen Zweck, sind also bezüglich ihrer Funktion gleichwertig, jedoch nicht auf gemeinsame Vorfahren zurückzuführen, weshalb Analogien nicht als Beweise für die Evolutionstheorien benutzt werden können. Vereinfacht ausgedrückt sind homologe Merkmale ursprungsgleich, analoge Merkmale funktionsgleich. Umwelteinfluss 1 Umwelteinfluss 2 Umwelteinfluss 1 Zusammenfassung – Biologie – Evolution 5 | S e i t e Tim Forster 3B 12.06.2011 Absolute Altersbestimmung Da keine genaue Altersbestimmung mit der relativen Altersbestimmung gemacht werden kann, nutzt man noch die absolute Altersbestimmung. Man misst dabei das Vorkommen von radioaktiven Elementen und ihre Zerfallsprodukte. Einige Isotope von bestimmten Elementen sind radioaktiv (Instabile Kerne, welche Zerfallen). Die Zerfallsgeschwindigkeit ist spezifisch für jedes Element und mit dieser „Halbwertszeit“ und der übrig vorhandenen Menge an radioaktivem Material kann das Alter bestimmt werden. Beispiele: 14C-Methode – Die Halbwertszeit beträgt 5600 Jahre und dient zur Alters- bestimmung von kürzeren Zeiträumen (Vorteil: In jedem Knochen ist das radioaktive Isotop 14C enthalten). Nach dem Absterben eines Organismus, nimmt dieser keinen radioaktiven Kohlenstoff (über Nahrung/Luft) mehr auf. Somit kann mit der Halbwertszeit und dem noch vorhandenen Kohlenstoff das Alter errechnet werden. Kalium-Argon-Methode – Die Halbwertszeit beträgt 1,3 Mrd. Jahre und dient zur Altersbestimmung von langen Zeiträumen (Nachteil: Nicht in allen Gesteinen – nur in Vulkanischen – ist das Radioaktive Isotop 40K enthalten, welches in 40Ca und 40Ar zerfällt). Die Kalium Atome werden beim Erstarren mit dem Gestein gebunden und das Argon entweicht aus flüssiger Lava. Durch späteres Aufschmelzen der Lava kann gemessen werden, wie viel Kalium noch vorhanden ist, und wie viel sich im Gestein in Argon (und Calcium)umgewandelt hat.  den Begriff „Lebende Fossilien“ erklären können und zwei Beispiele kennen Definition Ein Tier, welches in der Urzeit und gelebt hat und auch heute noch in einem Ökosystem vorkommt. Beispiele: - Seedrachen - Latimeria  den Begriff „Brückentiere“ erklären können und Beispiele lebender und fossiler Brückentiere kennen Definition Ein Tier, welches als Übergangsform zwischen zwei grösseren systematischen Gruppen gilt. Diese Übergangsform weist Merkmale von beiden Gruppen auf. Beispiele lebender Brückentiere: -Schnabeltier (Reptilien – Säugetiere) - Latimeria (Fische – Landwirbeltiere) Beispiele fossiler Brückentiere: -Archäopteryx (Reptilien – Vögel) -Schädelfisch (Fische – Amphibien) Zusammenfassung – Biologie – Evolution 6 | S e i t e Tim Forster 3B 12.06.2011 Evolutionsfaktoren:  die Evolutionsfaktoren Mutation, Rekombination, Gendrift und Isolation kennen und ihre Bedeutung für die Evolution erläutern können Evolutionsfaktor Mutation Mutationen sind Veränderungen der genetischen Anlagen, die entweder spontan auftreten oder durch äussere Einflüsse ausgelöst werden können. Sie sind zufällig und ungerichtet. Während der Birkenspanner mit dunklen Flügeln besser auf den Birken getarnt war und die mit helleren Flügeln von Vögeln gefressen wurde, konnte nur dieser mit dunkeln flügeln überleben. Diese Verfärbung kommt durch eine Mutation zustande, welche durch äussere Umwelteinflüsse herbeigeführt wurde (Dieser Einfluss war während der Industrialisierung die vermehrte Russablagerung. Die Rinde der Birken wurden zunehmend dunkler, weshalb sich schlussendlich auch die Flügel des Schmetterlings verdunkeln mussten). o Bedeutung: Mutationen erweitern den Genpool, was zu einer höheren genetischen Variabilität führt. Mutanten die eine kurze Generationszeit haben können also die Variationsbreite sehr schnell erheblich verändern, wobei Resistenzen (Beispielsweise bei Bakterien gegen verschiedene Antibiotika) entstehen können. Evolutionsfaktor Rekombination Bei diploiden Organismen kommen Neukombinationen zwischen allen existierenden Allelen vor. Die Anzahl der möglichen Keimzellen steigt exponentiell mit der Anzahl der Chromosomenpaare (Mensch kann 223 Keimzellen bilden [2  diploid/23  Chromosomenpaare], also über 8 Mio. verschiedene Keimzellen). Bei der Bildung einer Zygote (Befruchtung; Eizelle (23 Chromosomenpaare) + Spermium (23 Chromosomenpaare) können also 246 verschiedene Kombinationen vorkommen. Dazu kommen „Crossing-Over“, welche die Anzahl der Kombinationen zusätzlich erhöhen. Somit enthält jede Zygote eine Einzigartige Ausstattung (=Individuum). o Bedeutung: Rekombinationen erweitern ebenfalls den Genpool, was zu einer höheren genetischen Variabilität führt. Modifikationen gehen mit dem Tod des Individuums verloren, weshalb nur Rekombinationen und Mutationen weitervererbt werden und somit die Variabilität einer Population dauerhaft ändern. Evolutionsfaktor Gendrift Tiere mit einem etwas weniger guten Erbgut (z.B. schlechte Tarnung), welche vereinzelt in einem Gebiet mit vielen Feinden vorkommen, können sich nicht vermehren. Gelangen sie jedoch in ein Gebiet, wo ihre Feinde nicht sind, können sie dies. So kommen meist auf Inseln viele Tiere vor, welche sich nicht zur Tarnung an die Umgebung angepasst haben (z.B. Leguane). Solche Veränderungen des Genpools durch Zufallsereignisse bezeichnet man als Gendrift. Bei den Leguanen unterscheiden sich die Genpools der Insel- und Festlandpopulationen, weil kleine, nicht repräsentative Teilpopulationen ausgewandert sind und neue Lebensräume besiedelt haben. Dies ist der Gründereffekt. Zusammenfassung – Biologie – Evolution 7 | S e i t e Tim Forster 3B 12.06.2011 Kleine Populationen kommen nicht nur auf Inseln, in Bergtälern und Oasen vor, sie entstehen auch durch Katastrophen, Seuchen, Waldbrände oder Zunahme der Feinde. Bei einer drastischen Reduktion der Population kann sich die Zusammensetzung des Genpools durch Zufall verändern. Manche Allele nehmen in ihrer Häufigkeit zu, andere ab, dritte gehen ganz verloren. Diese Form des Gendrifts bezeichnet man als Flaschenhalseffekt. o Bedeutung: Die Verringerung der Populationsgrösse führt in der Regel zu einer Abnahme der Variabilität, da einzelne Allele nicht mehr vertreten sind. Diese genetische Verarmung wird häufig durch Inzucht und den Zufall bei der Rekombination weiter Verstärkt. Dürren, Eiszeiten, Krankheiten und Bejagung durch den Menschen werden Populationen stark gefährdet. Ihre Variationsbreite ist gering und kann sich so nicht mehr genügend an die Umwelt anpassen, weshalb Tiere aussterben können. Evolutionsfaktor Isolation Ursprünglich befand sich eine Grundform eines Lebewesens in einem Ökosystem (z.B. ein Vogel in einem Wald). Durch das Auftreten eines Gletschers verschwand dieser Wald und alle Lebewesen mit dieser Grundform teilten sich in zwei Gruppen auf (der Genpool der ursprünglichen Art wurde in zwei Teile getrennt). Isoliert vom anderen Genpool können keine Mutationen und Rekombinationen ausgetauscht werden. Desweiteren herrschen womöglich andere Umweltbedingungen, weshalb sich die zwei – sich jetzt nicht mehr ähnelnden – Arten, noch weiter voneinander „abspalten“ (durch Selektion verschwanden einige Erbanlagen, andere wurden verstärkt gebildet). Dies wird als geographische Isolation bezeichnet und könnte auch auf den Gebieten Festland – Insel stattfinden. o Bedeutung: Entwicklung verschiedener Arten (verschiedener Genpool) bzw. Arterhaltung (Erhaltung eines Genpools). Gehört beispielsweise ein Vogel nicht demselben Genpool an wie ein Anderer, sind sie nicht von derselben Art. Änderungen in einem Genpool können nicht auf den anderen überspringen. So bleiben Arten erhalten. Evolutionsfaktor Selektion Die Selektion ist eine natürliche Auslese. Dabei gilt folgendes Prinzip: Jenes Lebewesen mit den weniger gut geeigneten Erbanlagen hat einen sogenannten Selektionsnachteil als jene mit guten Erbanlagen. Beispielsweise haben Birkenspanner (Schmetterling) mit dunkeln Flügeln einen Selektionsvorteil gegenüber den Birkenspannern mit hellen Flügeln, weil jene mit dunkeln Flügeln von den Feinden weniger gefressen wurden (bessere Tarnung) als jene mit hellen Flügeln. Es überlebt also immer der mit den besseren Eigenschaften/Merkmalen („Survival oft he fittest“). Es existieren 3 verschiedene Arten von Selektion: Gerichtete Selektion Kleine Maulwürfe im Bezug auf den Nahrungsverbrauch im Winter (=Nahrungsknappheit). Die kleineren Tiere haben hier einen Selektionsvorteil, da sie weniger Nahrung benötigen. Die grösseren Tiere sterben ab, da sie zu wenig Nahrung zur Verfügung haben. Die Kurve verschiebt sich auf die Seite der kleineren Tiere. Zusammenfassung – Biologie – Evolution 10 | S e i t e Tim Forster 3B 12.06.2011  den Begriff „Adaptive Radiation“ definieren und den Ablauf anhand eines Beispiels erklären können Definition Die Entstehung mehrerer Arten aus einer Stammart – unter Anpassung an verschiedenen ökologischen Nischen. Oder: Bildung zahlreicher Arten unterschiedlicher ökologischer Anpassung bei Neubesiedlung eines Lebensraumes oder dessen neuartiger Nutzung in einem geologisch kurzen Zeitraum. Oder: Auffächerung (Radiation) einer wenig spezialisierten Art durch Herausbildung spezifischer Anpassungen (Adaptationen) an die vorhandenen Umweltverhältnisse in viele stärker spezialisierte Arten. Damit verbunden ist die Ausnutzung unterschiedlicher, vorher nicht besetzter ökologischer Nischen. Beispiel: Ein gemeinsamer Vorfahre der Urfinken gelang eines Tages auf eine Insel der Galapagosinseln. Dort entwickelte sich diese Finkenart weiter und es kam aufgrund von Mutationen und Rekombinationen zur Rassenbildung. Neue Arten sind jedoch ausschliesslich als Folge geographischer Isolation entstanden. Gelangte eine kleine Gruppe von Finken auf eine Nachbarinsel, wiederholten sich die Evolutionsprozesse, die bei der Erstbesiedlung der Ausgangsinsel abgelaufen war. Eine solche Aufspaltung einer Stammart in zahlreiche neue Arten unter Anpassung an verschiedene ökologische Bedingungen bezeichnet man als adaptive Radiation. Evolution des Menschen:  die Stellung des Menschen im natürlichen System kennen und begründen können Reich Tiere Stamm Chordatiere Unterstamm Wirbeltiere Klasse Säugetiere Ordnung Primaten Überfamilie Hominoidea [-idea=ähnlich] Menschenartige, Menschenaffen Familie Hominidae Grosse Menschenaffen Gattung Homo Art Homo sapiens Rasse Homo sapiens sapiens Zusammenfassung – Biologie – Evolution 11 | S e i t e Tim Forster 3B 12.06.2011  Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen dem Menschen und seinen nächsten Verwandten kennen Schimpanse Mensch Wirbelsäule Gerade Doppel S-förmig Becken Länglich und schmal; wenig Last auf den Beinen Breit und kurz; mehr Last auf den Beinen Gliedmassen -Lange vordere Extremitäten -Greifhand und Greiffuss -Beine nie ganz gestreckt -Fuss flach -Kurze vordere Extremitäten -Greifhand -Gestreckte Beine -Fuss gewölbt Schädel -Hinterhauptsloch hinten -Grosser Kiefer -Starke Nackenmuskulatur aufgrund des Schwerpunktes -„Flüchtende“ Stirn -Kein Kin -Überaugenwülste -Kleiner Hirnschädel -Hinterhauptsloch in der Mitte -Kleinerer Kiefer -Weniger Nackenmuskulatur weil der Schädel im Schwerpunkt liegt -Stirn vorhanden -Kin vorhanden -Grosser Hirnschädel Gebiss -Eckzahn ausgeprägt -Form des Gebiss: eckig -Abgerundete Eckzähne -Form des Gebiss: rund  die wichtigsten Vorfahren des heutigen Menschen und Theorien zu ihrer ehemaligen Verbreitung kennen Vorfahre Zeitspanne Besonderes Australopithecus afarensis Vor 4-3 Mio. Jahren Tier-Mensch-Übergang Homo habilis Vor 2-1 Mio. Jahren -- Homo erectus Vor 1 Mio.-300‘000 Jahren -- Homo neanderthalensis Vor 40‘000-30‘000 Jahren Hat sich womöglich nicht mit dem heutigen Menschen gekreuzt Out-of-Africa-Modell Homo erectus-Gruppen wandern aus Afrika aus und erobern die gesamte Welt. Diese Gruppen wurden durch den Homo sapiens verdrängt, der ebenfalls aus Afrika kam. o Fakten unterstützen diese Theorie weil: -Die ältesten Fossilien des homo erectus wurden in Afrika gefunden, je weiter weg man von Afrika kam, desto jünger wurden die Fossilien des H. erectus. -Nach genetische Untersuchungen entstand der H. sapiens in Afrika. Multiregionales Modell Homo erectus wanderte vor ca. 1 Mio. Jahren aus Afrika aus. Danach waren die alten Homo erectus-Gruppen über die ganze Welt verteilt und entwickelten sich langsam und unabhängig voneinander über den Homo sapiens zum modernen Menschen. Zusammenfassung – Biologie – Evolution 12 | S e i t e Tim Forster 3B 12.06.2011  Unterschiede zwischen den Vorfahren und heutigen Menschen kennen 1. Schnauze früher vorhanden, heute nicht mehr 2. Eckzähne früher ausgeprägt, heute nicht mehr 3. Hirnschädelhöhe immer grösser 4. Gesichtsschädelhöhe immer kleiner 5. Durchschnittliches Hirngewicht vergrössert 6. Durchschnittliches Körpergewicht vergrössert 7. Relatives Hirngewicht zum Körpergewicht vergrössert  Einige Vorfahren des Homo sapiens sowie verschiedene Theorien zu seiner Herkunft kennen und erläutern können [Theorien zu seiner Herkunft: siehe Out-of-Africa und Multiregionales Modell!] Proconsul Neuweltaffen Altweltaffen; Hundsaffen Sivapithecus Dryopithecus Ouranopithecus Altweltaffen; Hominoiden; Hominiden; Orang-Utan Altweltaffen; Hominoiden; Gibbons Altweltaffen; Hominoiden; Hominiden; Gorilla Altweltaffen; Hominoiden; Hominiden; Mensch Altweltaffen; Hominoiden; Hominiden; Schimpanse