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Schule > Biologie > Abstammungslehre und Evolution > Evolution : Evolutionstheorien, Stammbaum, Entwicklung, Beispiele

Die Altersbestimmung bei Fossilien

absolut Nutzung des radioaktiven Zerfalls bestimmter Atome

relativ

Radiokarbonmethode - in Atmosphäre entsteht ständig das radioaktive Isotop C - wird zu CO2 oxidiert -> ein Teil des CO2 der Atmosphäre ist radioaktiv - ein Teil der C-Isotope zerfällt wieder unter Abgabe von Elektronen - Gleichgewicht zwischen Entstehung und Zerfall - Photosynthese -> CO2 gelangt in Pflanzen ->Pflanzenfresse -> ... - Anteil an radioaktivem C in lebenden Organismen genauso groß wie in der Atmosphäre - Organismus stirbt: keine Aufnahme mehr, nur noch Zerfall pro Minute und pro Gramm kohlenstoffhaltiger Substanz zerfallen » 15 Atome die Halbwertszeit dieses Isotops beträgt 5730 Jahre (Hälfte der radioaktiven Atome ist zerfallen)

<- Geostratigrafische Methode - man schließt aus dem Alter der Gesteinsschichten, die das Fossil umgeben auf das Alter des Fossils ­ Biostratigrafische Methode - mit Hilfe von Leitfossilien (kurzzeitige Tier- und Pflanzenarten mit flächenmäßig weiter Ausdehnung und relativ großer Häufigkeit) kann man auf das Alter des Fossils schlissen

Aufgrund der Halbwertszeit ist die Radiokarbonmethode nur für relativ junge Fossilien (unter 50000 Jahren) anwendbar.
Für andere Fossilien nimmt man andere Elemente wie Uran und Kalium, Magnetfeldermittlungen und andere physikalische Methoden.

Physikalische und chemische Evolution

Die Bildung von kleinen organischen Molekülen
- in Uratmosphäre: Gase wie Wasserdampf, Wasserstoff, Ammoniak, Stickstoff, Cyanwasserstoff, Methan...
- Ozeane entstanden durch Regen
- Gase aus Vulkanausbrüchen gelangen in Atmosphäre
- Strahlungsenergie der Sonne, ultraviolettes Licht + kosmische Strahlung trafen Erde viel stärker
- elektrische Entladungen und Vulkanausbrüche -> chem. Reaktionen führten zu einer Vielzahl von chem. Verbindungen
- Ausgangsstoffe: Gase der Atmosphäre, organische Stoffe, kein Sauerstoff
- Entstehung/Reaktionsprodukte: Aminosäuren (Eiweiße), Fette, Kohlenhydrate, Carbonsäuren, Alkohole, Harnstoff, weitere organische Verbindungen
- Reaktionsprodukte entstanden in Ozeanen – "Ursuppe"

-> Verbindung von diesen Ausgangsstoffen zu einem Zusammenschluss von Gebilden, die Lebensmerkmale tragen wie Fortpflanzung, Ernährung etc.

Die Bildung von organischen Makromolekülen

- in der Ursuppe kam es zur zufälligen Verknüpfung der Grundbausteine zu einfachen Proteinen, Fetten, Zuckern und Polynucleotiden
- als Katalysatoren wirkten Lavagesteine

Entstehung zellähnlicher, abgegrenzter Gebilde in der Ursuppe

- z.B. Mikrosphären:
- = abgegrenzte Bereiche im Wasser mit Stoffaustausch und Vermehrung

-> Wechselwirkungen zwischen Eiweißen und Nucleinsäuren

Biologische Evolution – Bildung der ersten Zellen

- Prokaryonten (Zellen ohne Zellkern) entstanden -> Bakterien
- -> keine Photosynthese
- -> heterotrophe Ernährung (Energieentzug durch Verdauung)
- Energiegewinnung durch Gärung
- -> Konkurrenz
- später entwickelte sich Photosynthese
- -> Sauerstoff wird gebildet und reichert sich an, O₂ wirkt als Gift für manche Prokaryonten
- Prokaryonten nutzen Sauerstoff zur Energiegewinnung -> Zellatmung
- Entstehung von Eukaryonten (= Einzeller mit Zellkern); später Herausbildung von tierischen und pflanzlichen Einzellern

Übergangsformen (Brückentiere) – weitere Belege für die Evolution

Brückentiere sind Tiere, die Merkmale einer stammesgeschichtlich ältern und einer jüngeren Wirbeltierklasse zeigen.
[rezent – noch lebend; fossil – ausgestorben]
Fische -> Lurche -> Reptilien -> Vögel -> Säuger

<- Der Urvogel (Archaeopteryx)
lebte im Jura

Reptilienmerkmale	Vogelmerkmale
- Hintergliedmaßen wie bei Reptilien - Lange Schwanzwirbelsäule - Frei bewegliche Wirbel - Zähne im Schnabel - Krallen an Fingerknochen - Fehlender Brustbeinkamm - Schmales Saurierbecken	- Fordergliedmaßen als Flügel - Federn - Vogelschnabel - teilweise verwachsene Mittelfußknochen (hat sich laufend fortbewegt) - Gabelbein

-> kein guter Flieger, vor allem keine langen Strecken
-> eventuell gleichwarme Tiere

­Der Quastenflosser
Heute lebend:

Vorkommen:
- auf den Kommohren (Pazifik) in 200-400 m Tiefe
- 200-300 lebende Exemplare

Bau:
- 2 m lang, bis zu 100 kg schwer
- Weibchen sind größer
- Fischmerkmale, Fleckenmuster, breite Brustflossen
- eventuell Vorfahren der Amphibien
- Schuppen mit Höckern -> bessere Schwimmeigenschaften

Lebenserscheinungen:
- tagsüber in Höhlen
- sehr friedfertig
- keine schnellen Bewegungen -> Energie sparen
- fressen kleinere Fische (Kardinalfische)
- Augen reflektieren Licht -> Kristallschichten
- lebend gebärend
- jagen bis in 500 m Tiefe
- durch Körperform und Flossen optimal angepasst, Höcker beeinflussen Strömung

Ursprungsform:
- lebte im Devon
- war wesentlich kleiner (50 cm)
- lebten im Flachwasser
- hatten gestielte Brustflossen -> späteres Leben auf dem Land
- typische Fischmerkmale
- wenig Lurchmerkmale
- lange Zeit für ausgestorben gehalten
- konnte vielleicht deshalb überleben, weil die Bedingungen im Meer günstiger als die auf dem Land waren
- hervorragend an die Umweltbedingungen angepasst

Das Schnabeltier
Übergangsform Reptil zu Säuger

Reptil	Säuger
- legen Eier - Kloake	- Säugen Jungen mit milchähnlichem Sekret - Fell als Körperbedeckung - Ruderschwanz

-> Säuger sind aus Reptilien (nicht aus Sauriern, da zu spezialisiert) entstanden.

Der Ginkobaum

- war eigentlich ausgestorben
- untypisch für Europa, aber angepasste Züchtungen

-> heimisch in Südostasien

Der Stammbaum der Pferdeentwicklung

vor 60 Millionen Jahren	- katzengroß - 5-zehige Hufpferde
Eozän vor 55 Millionen Jahren	Eohippus - fuchsgroß - niederkronige Zähne - geringe Sprungfähigkeit - kleines Gehirn - 4-zehig, in Hufen endend - Blattfresser in Laubwäldern
Oligozän vor 30 Millionen Jahren	Mesohippus - 3-zehig - Blattfresser - größerer Körperbau als Vorgänger
vor 26 Millionen Jahren	Meryohippus - Kopfgröße zunehmend der heutiger Pferde - 100 cm Körperhöhe - Übergang von Blatt- zu Grasfresser -> Steppen statt Laubwald - 3-zehig, aber Hufentwicklung stärker an Mittelzehe - Backenzähne mit tiefen Schmelzfalten
vor 10.000 Jahren	Pliohippus - Übergang zur Einzehigkeit - Ähnelt heutigen Pferden in Bau und ist Grasfresser - Große Backenzähne, 125 cm hoch
Seit 8.000 Jahren	Equus/Pferd - heutige Form - Hufen - Grasfresser - großer Schädel - breite, hochkronige Zähne - verbesserte Sprungfähigkeit - 190 cm hoch - gelangte über die Beringstraße nach Europa, Entwicklung vollzog sich aber in Nordamerika

- Rückgang der Wälder durch Klimaveränderung
- Konkurrenz größer
- Nahrungsangebot nimmt ab -> Fossil belegt

Gehirnentwicklung:
- Bewegungs- und Sinnesleistung hat möglicherweise zugenommen aufgrund komplizierterer Bewegungsabläufe

Hypothesen zum Aussterben der Saurier

- Komet, Asteroid traf die Erde
- Klimawechsel
- Vulkanausbrüche
- große Temperaturschwankungen
- Größe der Saurier -> Entfernung Herz-Gehirn zu groß (lässt sich nicht beweisen)
- Ernährungssituation hatte dünnschalige Eier als Folge -> Brut ging zugrunde

Evolutionstheorien

Fragestellung: Sind die Arten veränderlich?

Jean Baptiste Lamarck (1744-1829)
- französischer Naturforscher, der Pflanzen und wirbellose Tiere erforschte und eine der ersten Evolutionstheorien aufstellte
- Theorie:
o Veränderte Umweltbedingungen -> veränderte Bedürfnisse -> veränderte Tätigkeiten -> häufiger Gebrauch bestimmter Organe -> Entwicklung und Vergrößerung dieser = 1. Naturgesetz Lamarcks
o Nichtgebrauch der Organe -> Rückentwicklung der Organe
o ein inneres Bedürfnis nach einem Organ kann ein solches entstehen lassen
o er ist auch der Ansicht, dass erworbene Eigenschaften vererbt werden können = 2. Naturgetz Lamarcks

- seine Meinung: nachdem Natur das Leben geschaffen habe, sei die Bildung aller weiteren Lebensformen auf Einflüsse von Zeit und Umweltbedingungen auf Organisation der Lebewesen zurückzuführen; komplizierte Lebensformen sollen sich aus einfachen Formen entwickelt haben

-> Lebewesen sind veränderlich

Charles Darwin (1809-1882)

- war Theologiestudent, Sohn eines wohlhabenden Arztes
- in Shrewsbury geboren
- von 1831-1836 Weltreise auf der "Beagle"; besuchte unter anderem die Galapagosinseln
- danach: "The Origin of Species"
- beobachtete unter anderem Finken auf den Inseln, die unterschiedliche Schnabelformen besitzen
- Theorie:
o Individuen einer Population sind alle voneinander verschieden -> einige sind besser an herrschende Umweltbedingungen angepasst als andere -> haben damit größere Überlebens- und Fortpflanzungschancen -> somit wird die genetische Beschaffenheit besser angepasster Individuen durch Vererbung an folgende Generationen weitergegeben -> natürliche Selektion

Auffassungen der modernen Biologie zur Evolution

(Synthetische Theorie der Evolution)
- Zusammenfassung von Erkenntnissen aller Teilgebiete der Biologie und anderer Wissenschaften
- Evolution kann als Veränderung des Genpools aufgefasst werden
- Ursache für die Evolution/ Evolutionsfaktoren:

(4) Selektion (5) Isolation
Genpool Gesamtheit der Gene
(1) Mutationen (3) Gendrift
einer Population
(2) geschlechtliche Fortpflanzung

(1) zufällige Veränderung der DNA
(2) Neukombination von Genen
(3) Zufällige Veränderung von Genhäufigkeiten durch eine zufällige Auswahl von Genotypen z.B. überlebende Individuen einer Katastrophe haben bestimmte Gene -> wenige Individuen (Gründerpopulation) gründen eine neue Population -> Genpool der Gründerpopulation unterscheidet sich von dem der Ausgangspopulation
(4) Selektion:
Die Selektion äußert sich darin, dass verschiedene Individuen einer Population aufgrund von unterschiedlicher "Eignung" unterschiedliche Anzahl von Nachkommen in die nächste Generation bringen. Die phenotypischen Unterschiede beruhen teilweise auf unterschiedlichen Genotypen. Höhere Nachkommenzahlen bestimmter Individuen führen also zur gerichteten Verschiebung von Genhäufigkeiten.
Selektionsfaktoren:
z.B.:
- abiotische Faktoren wie Klima, Wasser, Boden, Wind, pH-Wert, Temperatur, Salzkonzentration...
- biotische Faktoren wie inner- und zwischenartliche Konkurrenz (Räuber, Beuteangebot, Artgenossen)
-> Selektionsdruck wirkt auf Population ein
(5) Die Entstehung neuer Arten durch Isolation
Eine Mutation, die nicht nachteilig ist, verbreitet sich mit der Zeit über die gesamte Population. Es tritt dadurch eine Mischung des Erbgutes ein, Isolation ist die Verhinderung der Durchmischung des Erbgutes. Die Ursachen dafür sind die Isolationsfaktoren:

Geografische Isolation

Kontinentverschiebungen, Inselbildung, Veränderung des Wasserspiegels

­Ökologische Isolation:

Besetzung unterschiedlicher ökologischer Nischen

Zeitliche Isolation

z.B.: Roter und Schwarzer Holunder
-> unterschiedliche Blühzeiten -> keine Vermischung der Erbinformation
z.B.: Herings- und Silbermöwe
-> Fortpflanzungzeit um drei Wochen verschoben

¯ Verhaltensisolation
-> keine Fortpflanzung, weil Balzverhalten zwischen Populationen so unterschiedlich ist

° mechanische Isolation
Bau der Begattungsorgane so unterschiedlich, dass Fortpflanzung nicht mehr möglich ist -> vor allem bei Spinnen und Insekten

Beispiel der Darwinfinken

(adaptive Radiation)
- eine Finkenart verschlug es auf die Galapagosinseln (z.B. durch Sturm) -> Gendrift
- starke Vermehrung (exponentielles Wachstum) nach Eingewöhnungszeit führte zu Konkurrenz um Nahrung und Lebensraum
- Populationsgröße begrenzt
- Finken mit kräftigen oder dünneren, längeren Schnäbeln konnten sich dem Konkurrenzdruck entziehen -> Mutationen -> Ausweichen auf andere Nahrungsmittel
- Divergierende Varianten hatten gegenüber dem Haupttyp Selektionsvorteil
- Zunehmende Einnischung der ökologischen Rasse
- -> Selektion -> zunehmende getrennte Entwicklung der Teilpopulationen -> Isolation voneinander
- 14 spezialisierte Grund-, Kaktus- und Baumfinken entstanden
- Fortpflanzung zwischen verschiedenen Arten nicht mehr möglich, da: unterschiedliches Nahrungsangebot den Fortpflanzungszyklus verschoben hat, unterschiedliche Körpersprache, unterschiedliche Lebensräume

Rasse:
Individuen gehören zu einer Art, unterscheiden sich aber in mindestens einem Merkmal reinerbig voneinander.

Adaptive Radiation
Die Entstehung neuer Arten aus einer Art durch Besetzung unterschiedlicher ökologischer Nischen nennt man adaptive Radiation.

Beispiel Kaninchen auf Porto Santo

• Kaninchenweibchen mit Jungen auf Insel
• Durch Gendrift (zufällige Auswahl des Genotypen in Form der Kaninchenmutter und ihren Jungen, dadurch zufällige Veränderung derGenhäufigkeit)
• durch Mutationen traten neue Merkmale beim Phenotyp auf
• durch Vermehrung (in diesem Fall Inzucht) kam es zur Neukombination von bestimmten Genen
• durch Selektion blieben die Merkmale der besser angepassten Individuen bestehen
• durch Isolation von anderen Arten entwickelte sich die Rasse zu meerschweinchengroßen Kaninchen

Richtungen der Evolution

<- Analogien (konvergente Entwicklung)

Ähnlichkeiten im äußeren Bau von Organen, Körperformen oder Verhaltensweisen bezeichnet man als Analogien. Sie sind bei völlig unterschiedlichen Organismen bei Anpassung an ein und denselben Lebensraum entstanden. Sie sind kein Hinweis auf Verwandtschaft.
z.B.:
- Flügel bei Insekten und Vögeln
- spindelförmige Körper bei im Wasser lebenden Säugern
- Fordergliedmaßen bei Maulwurf und Maulwurfsgrille
- Ranken bei unterschiedlichen Pflanzen aus unterschiedlichen Organen (Sprossachse, Blätter, Wurzeln)
- Dornen aus unterschiedlichen Organen (Sprossknolle, Wurzelknolle)

­Homologien

Homologe Organe sind Organe, die in Anpassung an eine bestimmte Funktion durchaus unterschiedlich aussehen können, aber einen übereinstimmenden Grundaufbau ausweisen. Sie sind ein Zeichen für Verwandtschaft.
z.B.
- Mundwerkzeuge der Insekten
- Ausbildung der Fordergliedmaßen verschiedener Säuger
- Homologie bei Menschenzahn und Hautschuppe des Hais
- Sprosse: Wurzelstöcke des Maiglöckchens aus Sprossgewebe, Küchen- und Tulpenzwiebel = verkürzte Sprosse, Wilder Wein rankt mit umgebildeten Sprossen, Dornen der Schlehe sind Sprossdornen, Feigenkaktus hat Flachsprosse, Kartoffelknollen sind verdickte Sprossteile
- Epidermis: Netzhaut und Linse des Tintenfischauges aus Epidermis gebildet, Linse des Wirbeltierauges aus Epidermis, Schuppen der Kriechtiere aus Epidermis, Hautbedeckung aus Federn und Haaren aus Epidermisgebilde
- 1. Maxillen: Saugdrüse der Schmetterlinge aus 1. Maxillen, Stechborsten der Stechmücke entsprechen 1. Maxillen, Karpfenlaus mit Saugnapf aus der 1. Maxille

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