Arbeitsblatt: Einführung Evolution

Evolution (lat. Evolvere: Ausrollen, Entwickeln, Ablaufen) Lernziele für die heutige Doppellektion: € Sie können den Begriff Evolution erklären. € Sie wissen wie sich das Leben auf der Erde entwickelt hat. € Sie können den Stammbaum der Wirbeltiere beschreiben. € Sie kennen die Definition und die Bedeutung der Fossilien. € Sie können erklären, wie die Entwicklung von Wasser zu Land und von Land zu Luft möglich war. Definition: Evolution ist die Entwicklung vom Ureinzeller bis zu den heutigen Organismen (Stammesgeschichte). Die Evolution befasst sich mit Fragen wie z.B.: € € € € Wie alt ist die Erde und wie ist sie entstanden? Wie ist das Leben auf der Erde entstanden? Wer waren die Vorfahren der heute lebenden Pflanzen und Tiere? In welcher Weise haben sich die heute existierenden Lebewesen entwickelt? Für die Erklärung der Evolution sind Erkenntnisse aus vielen Wissenschaften hilfreich. Hier sind nur wenige aufgezeigt wie z.B.: Weitere Wissensgebiete können sein: Chemie Geologie Ökologie Paläontologie Evolution Systematik Physik Molekularbiologie Philosophie Anthropologie Informatik Soziologie Ethnologie Wirtschaftswissenschaften Abb. 1 Die Wissenschaftler versuchen mithilfe ihrer Forschungsergebnisse, die Entwicklung der Lebewesen aus einfachen Vorfahren bis hin zu der heute existierenden Vielfalt an Lebensformen zu erklären. Die Entwicklung des Lebens auf der Erde: Wie eine Zelle entstand: Abb. 2 Abb. 3 Vor etwa 600 Millionen Jahren beginnt die Entfaltung eines reichen Tier- und Pflanzenlebens. Die zahlreichen Fossilienreste belegen es. Mitochondrien, Blaualgen und Geisseln waren ursprünglich selbständige Ur-Zellen. Diese sind durch Endocytose in andere Zellen eingedrungen und sind dort mit der Wirtszelle eine Symbiose eingegangen. Die Urzellen haben sich durch Arbeitsaufteilung innerhalb der Zelle spezialisiert, so dass jede Urzelle den Status eines Organells erlangte. Die komplexen tierischen und somit auch menschlichen Zellen hatten ihren Ursprung in der Verschmelzung von Bakterienzellen. Nach der Entstehung der Eukaryontenzellen haben die Evolutionsvorgänge zur Bildung zahlreicher verschiedener Einzeller geführt. Aus den Einzellern entwickelten sich Vielzeller. Die Koordination zwischen den Zellen wurde durch Hormone und Neuronen gewährleistet. Dadurch waren die Zellen wesentlich leistungsfähiger. Die Ausbildung des Zentralnervensystems lieferte die Grundlage für die erstaunliche Höherentwicklung und Diversität der Arten. Abb. 4 Abb. 5 Fossilien: Def.: Als Fossilien bezeichnet man jedes Zeugnis vergangenen Lebens aus der Erdgeschichte das älter als 1000 Jahre ist. Dies können Versteinerungen, Einschlüsse von Organismen in Bernstein (Versteinerter Harz), Mumien oder tiefgefrorene Mammuts sein. Durch besondere Umstände sind manche Lebewesen nach ihrem Tod, aufgrund von Sauerstoffmangel, weder verwest noch zerfallen. Ablagerungen von Sand und Schlick überdeckten die Organismen. Im Laufe von Jahrmillionen verdichteten sich die darüber liegenden Ablagerungen zu Gestein. Abb. 6 Sämtliche Versteinerungen von Lebewesen der Erdgeschichte wie z.B. Abdrücke, versteinerte Exkremente oder Spuren werden ebenfalls zu den Fossilien gezählt. Versteinerungen geben uns Auskunft über Lebewesen, die in der Vergangenheit gelebt haben. Häufig gibt es diese Arten nicht mehr. Solche Funde trugen zur Entstehung des Evolutionsgedankens bei, wonach sich die Arten im Verlauf der Erdgeschichte allmählich verändert haben. Viele Arten sind heute ausgestorben. Lebende Fossilien: Als lebende Fossilien werden Arten genannt die noch ursprüngliche Körperbaumerkmale zeigen. Sie verändern die Merkmale kaum. Dies kommt zustande, weil deren Lebensraum nicht verändert wird, sie müssen sich deshalb nicht an neue Umweltbedingungen anpassen. Folgende Bedingungen müssen lebende Fossilien erbringen: € € € € sie sind Angehörige einer erdgeschichtlich alten Tier-/Pflanzengruppe Ihre Stellung im Stammbaum ist isoliert sie haben sich fast nicht verändert und besitzen darum altertümliche Merkmale sie haben eine beschränkte räumliche Verbreitung Beispiele für lebende Fossilien: € Quastenflosser € Pfeilschwanzkrebs € australischer Lungenfisch € Perlboot (Nautilus) € Ginkgo € Brückenechse Der Stammbaum der Wirbeltiere: Definition Stammbaum: Mithilfe von Stammbäumen versucht man, den zeitlichen Ablauf der Evolution von Lebewesen und ihre Verwandtschaftsbeziehungen zueinander darzustellen. Grundlage dafür sind Fossilfunde und der Vergleich heute lebender Organismen. Mithilfe der verschiedenen Methoden zur Altersbestimmung ordnet man Fossilien in eine zeitliche Reihenfolge. Andererseits ermöglicht der Vergleich wichtiger Merkmale, z.B. die Art des Gebisses und der Gliedmassen, die Zuordnung zu einer der fünf Wirbeltierklassen. Auf diese Weise hat man den Stammbaum der Wirbeltiere rekonstruiert. Er zeigt übersichtlich die zeitlichen Abläufe und die Verwandtschaftsbeziehungen nach heutigem Kenntnisstand. Zeittafel: Entstehung der Tierarten in Jahrmillionen. 2 Mio. 180 Mio. Archaeopteryx 300 Mio. Stammreptil Hylonomus Urlurch Ichthyostega 350 Mio. Abb. 7 Neandertaler Mammut 400 Mio. Quastenflosser 450 Mio. Panzerfisch 500 Mio. Kieferlose Fische Einige Merkmale der verschiedenen Arten kann man nicht scharf trennen und einer bestimmten Art zuordnen. Es gibt Arten die Merkmale von beiden Tiergruppen besitzen. Sie werden Brückentiere genannt. Brückentiere: Die lebenden Zeugen der Evolution: Tab. 1 Brückenform Tierzelle Vogel Lungenfisch Reptil Farne Fisch Amphibie Ammonit Euglena Cyanobakterien Archaeopteryx Quastenflosser* Schnabeltier* Ginkgo* Ichthyostega Hylonomus Perlboot (Nautilus)* Pflanzenzelle Reptil Amphibie Säugetier Nadelhölzer Amphibie Reptil Tintenfisch lebende Fossilien Die Embryonen verschiedener Wirbeltierarten ähneln sich in den anfänglichen Entwicklungsstadien sehr. Einige ihrer Strukturen erinnern an Merkmale, die bei stammesgeschichtlichen Vorfahren auftreten. Ernst Häckel formulierte daraus im Jahre 1866 die biogenetische Grundregel. Die Biogenetische Grundregel: „Die Entwicklung eines Einzelwesens (Ontogenese) ist eine kurze und schnelle Wiederholung seiner Stammesentwicklung (Phylogenese). Verwandtschaftsbeziehungen werden dadurch erklärt. Diese Regel trifft aber nur auf bestimmte Organanlagen zu wie z.B. Kiemenspalten, -bögen, nicht aber auf den ganzen Organismus. Abb. 8 Zusammenfassung: Evolution ist die Entwicklung vom Ureinzeller bis zu den heutigen Organismen (Stammesgeschichte). Selbständige, verschiedene Ur-Zellen haben sich verschmelzt und sind zusammen eine Symbiose eingegangen. Aus den Ur-Zellen sind durch Arbeitsteilung Organellen hervorgegangen. Die Eukaryontenzelle entstand. Die Koordination unter den Zellen lieferte die Grundlage für die Artenvielfalt. Mit Stammbäumen wird die verwandtschaftliche Beziehung unter den Lebewesen dargestellt. Fossilien liefern die Grundlage dazu. Fossilien sind Versteinerungen aus Lebewesen, Spuren oder Kot älter als 1000 Jahre. Sie liefern die Grundlage für die Erstellung von Stammbäumen. Fossilien entstehen, unter Ausschluss von Sauerstoff, durch Sediment- und Erdablagerungen über den Organismen. Lebende Fossilien sind lebende Arten die sich fast nicht verändert haben. Beispiele: Quastenflosser, Pfeilschwanzkrebs, australischer Lungenfisch, Perlboot (Nautilus), Ginkgo, Brückenechse. Brückentiere liefern Hinweise auf die Abstammung von verschiedenen Tiergruppen. Sie besitzen von beiden Gruppen Merkmale („Übergangsform). Einige Brückentiere können auch lebende Fossilien sein. Beispiele: Schnabeltier, Quastenflosser, Brückenechse, Ichthyostega (Urlurch), Hylonomus (Stammreptil). Vor 440 Mio. Jahren eroberten Pflanzen das Land. Ichthyostega folgte vor 380 Mio. Jahren. Vor ca. 228 Mio. Jahren bildeten die ersten Flugsaurier Flughäute zwischen Unterarm und Rumpf. Durch Anpassung des Skeletts wurde das Fliegen ermöglicht. Posten 1: „Vom Wasser zum Landleben Vor 600 Mio. Jahren, das Erdzeitalter wird Kambrium genannt, bildete sich im Meer eine erstaunliche Formenvielfalt an Lebewesen aus. Alle heutigen Pflanzen- und Tierstämme entstanden. Im Silur, vor 440 480 Mio. Jahren, eroberten die ersten Pflanzen das Land und haben ein Nahrungsnetz aufgebaut. Zu den ursprünglichen Vertretern der Wirbeltiere gehörten die Kieferlosen fische und Panzerfische. Vor 400 Mio. Jahren, entstanden die Quastenflosser. Diese bildeten bereits ein knöchernes Innenskelett mit einer Wirbelsäule aus. Quastenflosser besassen neben ihren Kiemen einfach gebaute Lungen, so dass sie in sauerstoffarmen Gewässern zusätzlich Sauerstoff aus der Luft aufnehmen konnten. Sie trugen ausserdem durch Knochen gestützte Brustflossen, mit denen sie sich möglicherweise kurzzeitig über Land bewegen und neue, für das Überleben geeignete Lebensräume aufsuchen konnten. Denn der Konkurrenzkampf um Nahrung und Lebensraum im Meer war enorm gross. Dass sich die Amphibien aus Fischen gebildet haben, bewiesen uns Fossilfunde von Tieren, die Merkmale beider Tiergruppen zeigen. Ein solches Brückentier ist der Fischlurch Ichthyostega. Er besass einerseits Hautschuppen, ein Seitenlinienorgan und einen Flossensaum am Schwanz, also typische Fischmerkmale. Andererseits hatte er vier Beine, eine Lunge und eine Körperform wie ein Amphibium. Amphibien sind bis heute sehr stark vom Wasser abhängig. Die meisten Amphibienarten sind bei ihrer Fortpflanzung auf das Wasser angewiesen. Im Wasser entwickeln sich ihre Larven (z.B. Kaulquappe). Erst nach der Metamorphose können sie an Land leben. Aus Amphibien entstanden vor etwa 330 Millionen Jahre, im Karbon, die ersten Reptilien. Das Stammreptil Hylonomus, weist Merkmale der Lurche (Form von Kopf, Schulter und Becken) und der Reptilien (harte Eierschale, Kaumuskeln, lange vordere Zähne) auf. Sie sind weitgehend vom Wasser unabhängig. In der Geschichte der Lebewesen waren sie zu jener Zeit die bedeutsamste Wirbeltiergruppe. Aufgaben: 1. Erkläre, weshalb das Land erst von Pflanzen und dann von Tieren besiedelt werden konnte. Anpassungen an das Leben an Land, bzw. an der Luft, (z.B. Schutz vor Austrocknung, Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidstoffwechsel, usw.) entwickeln sich nur langsam. Dauerhafte Besiedlung durch Tiere setzte pflanzliche Nahrung voraus. Das heisst, zuerst mussten sich die Pflanzen an das Landleben anpassen, dann konnten auch die Tiere das Land bevölkern. 2. Erläutere aufgrund welcher Merkmale die Reptilien im Gegensatz zu den Amphibien weitgehend unabhängig vom Wasser sind. Reptilien haben keine feuchte Haut. Ihre Haut ist vor Austrocknung geschützt. Die Eier der Reptilien mit ihrer Kalkschale sind vor Austrocknung geschützt, dadurch waren die Reptilien von Gewässer unabhängig. Kiemenatmende Larven wie bei den Amphibien kommen bei den Reptilien nicht vor. 3. Aufgrund welcher Merkmale kann man den Fischlurch (Ichthyostega) als evolutives Bindeglied zwischen Fischen und Amphibien identifizieren? Der Fischlurch Ichthyostega vereinigt Fischmerkmale (Hautschuppen, Seitenlinienorgan, Flossensaum am Schwanz, Kiemen) mit Amphibienmerkmalen (4 Beine mit gegliedertem Skelett, Lunge und die Körperform). Posten 2: „Fossilien Fossilien sind Überbleibsel oder Abdrücke von Lebewesen aus der Vergangenheit, die hermetisch in Gesteinen eingeschlossen sind. Die meisten Fossilien findet man in Sedimentgesteinen, Gesteinen, die sich aus dem Sand und Schlamm bildeten, der sich am Grund von Meeren, Seen und Sümpfen ablagert. Neue Sedimentlagen bedecken ältere und pressen diese zu Gestein wie Sandstein und Schiefer zusammen (Echte Versteinerungen). Ist das umliegende Material weich, kann zusätzlich auch ein Abdruck entstehen (AbdruckFossil). Entstehen Hohlräume im Lebewesen, z.B. im Gehäuse eines Ammoniten, kann das Gehäuse durch Schlamm gefüllt werden (Steinkern). Spuren wie Fussabdrücke, Eier, Harz, Frass- und Kotspuren können ebenfalls versteinern (Fossile Spuren). Damit die Lebewesen nicht verwesen muss der Ausschluss von Sauerstoff gewährleistet sein, deshalb entstanden die meisten Fossilien am Grund der Gewässer. Später kann sich die Erosion durch die oberen (jüngeren) Schichten fressen und ältere Schichten zutage treten lassen. Die innerhalb der Schichten auftretenden Fossilien zeigen, dass im Laufe der Zeit eine Abfolge von Organismen die Erde bevölkert hat. Jede Schicht ist durch eine einzigartige Zusammenstellung von Fossilienarten charakterisiert, und je tiefer (und damit älter) eine Schicht ist, desto weniger ähneln Flora und Fauna dem heutigen Leben. Von Schicht zu Schicht tauchen neue Arten auf, und andere verschwinden. Es steht fest, dass gegenwärtige Arten mit fossilen Formen mehrere Abwandlungsreihen durchgemacht haben. Jede bestand aus einer chronologischen Abfolge von älteren hin zu jüngeren Fossilien, die schliesslich zu einer modernen Art führten. Die Evolution ist die beste Erklärung für die Wandlungen der Fossilien wie auch für die gegenwärtige Diversität des Lebens. Arten die ursprüngliche Merkmalskombinationen haben, nennt man lebende Fossilien. Beispiele sind: Quastenflosser, Pfeilschwanzkrebse, Lungenfisch, Schnabeltier, Ginkgo Kontrollfragen: 1. Nennen Sie 4 Faktoren die es braucht damit sich Fossilien bilden: € Ausschluss Sauerstoff € Keine Aasfresser € Schlamm-, Erd-, Sedimentschicht € Druck 2. Welche verschiedene Formen der Versteinerungen gibt es? € Echte Versteinerungen € Abdrücke € Steinkerne € Fossile Spuren 3. Erklären Sie einer Kollegin/Kollegen wie Versteinerungen entstehen. 4. Warum gibt es mehr Fossilien von marinen als von terrestrischen Lebewesen? Weil die Lebewesen in den Gewässern nicht vom Sauerstoff verwest wurden. Weil tote Tiere an Land eher von Aasfressern gefressen werden als marine Tiere. 5. Warum gibt es mehr Fossilien von harten Teilen der Lebewesen? Die Versteinerung von harten Teilen ist wahrscheinlicher als von weichen Teilen. Weiche Teile verwesen rascher. Posten 3: „Vom Land zur Luft Flugsaurier sind ausgestorbene Tiere, die den Reptilien zugeordnet werden. Die frühesten Funde von Flugsauriern reichen zurück bis vor etwa 228 Millionen Jahren. Sie waren auf der Erde präsent bis zum grossen Massenaussterben durch den Einschlag eines Meteoriten auf die Yucatan-Halbinsel vor 65 Millionen Jahren. Es handelt sich dabei um Saurier, die in der Lage waren, mit grossen tragflächenartigen Flughäuten aktiv zu fliegen. Der Unterarm, vor allem der 4. Finger (Ringfinger), ist stark verlängert. Die Flughaut war zwischen Vorderextremität und Rumpf ausgespannt, manchmal bis zu den Beinen. Diese wurde verstärkt durch sehnige Stränge. Die Anpassung an das Fliegen führte zu vogelähnlicher Umgestaltung des Skeletts. Aufgefundene Mageninhalte deuten auf Fischnahrung hin. Die Flugsaurier werden abgeleitet von kleinen, zweifüssigen Sauriern die vor 225 Mio. Jahren lebten. Aus ihnen gingen zunächst Fallschirmgleiter mit unverändertem Becken und langen Beinen hervor. Erster echter Flugsaurier war Dimorphodon der in der späten Jura-Zeit lebte (vor ca. 175 Mio. Jahren). Nach länge der Mittelhandknochen und Ausbildung der Schwanzregion werden zwei Unterordnungen unterschieden: 1. Rhamphorhynchoidea (spät-Jura) und 2. Pterodactyloidea (frühe Kreide). Rhamphorhynchus Pterodactylus In der Entwicklungsgeschichte der Wirbeltiere entstanden dreimal flugfähige Formen. Die Flugsaurier waren die ersten fliegenden Wirbeltiere; Vögel und Fledermäuse entwickelten ihr Flugvermögen jeweils eigenständig. Kontrollfragen: 1. Fasse die Entwicklungsgeschichte der Flugsaurier zusammen in ca. 6 – 8 Sätzen. (bitte Rückseite benützen). 2. Welche Veränderungen ans Fliegen mussten die Flugsaurier machen? Lösungen: 1. Flugsaurier werden den Reptilien zugeordnet. Bildeten grosse tragflächige Flughäute zwischen Unterarm und Rumpf, manchmal bis zu den Beinen. 4. Finger stark verlängert, Flughaut mit Sehnen verstärkt. Sie stammen von kleinen 2 beinigen Sauriern ab (vor 225 Mio. Jahren). Zunächst Schirmgleiter mit langen Beinen und unverändertem Becken, dann Dimorphodon vor 175 Mio. Jahren. Es gibt 2 Unterordnungen: Rhamphorhynchoidea (spät-Jura) und Pterodactyloidea (frühe Kreide). 2. a) Flughäute bilden b) Becken verwachsen mit Wirbelsäule c) leichter Körperbau d) Sprungbeine bilden für Landung e) 4. Finger stark verlängert Posten 4: Stammbaum der Wirbeltiere („Lernaufgabe) Der Ablauf der Stammesgeschichte wird anschaulich in Stammbäumen dargestellt. Zu deren Aufstellung muss man von den heutigen Arten ausgehen und diese durch Aufsuchen vieler Homologien ordnen. Fossilien können eingeordnet werden, wenn sich die kennzeichnenden Merkmale einer Gruppe an ihnen zeigen. In wenigen Fällen ist die Zahl der Fossilien so gross, dass man fast lückenlose Evolutionsreihen aufstellen kann. Beim Stammbaum der Pferde ist dies der Fall, ein genauer Paläontologischer Stammbaum liegt vor. Eine Stammart liegt an einem Verzweigungspunkt des Stammbaums. Man nennt Gruppen, die diesen Ansprüchen genügen, monophyletisch. Alle Unterschiede, die man bei homologen Merkmalen findet, sind im laufe der Evolution entstanden. Für einen Stammbaum muss man eine ausreichende Zahl homologer Merkmale finden und bestimmen welches Merkmal ursprünglich und welches abgeleitet ist. Alle Vertreter einer Verwandtschaftsgruppe müssen abgeleitete Merkmale aufweisen, die bei der Stammart dieser Gruppe erstmals aufgetreten waren. Auf die monophyletische Entstehung einer Gruppe kann man nur mit Hilfe abgeleiteter Merkmale schliessen, nicht mit ursprünglichen, denn solche können in unterschiedlichen Gruppen erhalten geblieben sein. „Fische Kieferlose Haie und Knochen(Neunauge) Rochen fische Reptilien Quastenflosser Amphibien Eidechsen, Schlangen Vögel Krokodile Säugetiere Archaeopterix A B D Fragen (mit Antworten): 1. Ordnen Sie folgende Begriffe zu: A: 2 Jochbögen B: Kiemenspalten geschlossen, Lungenatmung C: Mildchdrüsen, Haarkleid, konstante Körpertemperatur D: Knöcherne Flossenstrahlen E: Amnion als Eihülle F: Nasenraum mit Verbindung zum Rachen G: Stammart: „Ur-Fisch H: Kiefer, paarige Exremitäten I: Vorderextremität als Flügel, Federkleid, konstante Körpertemperatur 2. Tragen Sie eine monophyletische Gruppe in den Stammbaum ein. z.B. Krokodile und Vögel oder: Eidechsen/Schlangen, Krokodile, Vögel, Säugetiere 3. Sind die Reptilien eine monophyletische Gruppe? Warum? Nein aus den Krokodilen entstanden die Vögel. 4. Wo würden Sie den Archaeopterix einordnen? Seitenarm aus den Krokodilen.