Homologie, Analogie und konvergente Entwicklung
Homologie, Analogie und konvergente Entwicklung
Aufgaben:
Betrachte das bereitgestellte Material.
Erläutere, wer näher verwandt ist: Vogel und Fledermaus oder Hund und Wal.
Sprinteraufgabe: Bearbeite das Arbeitsblatt zu den Homologiekriterien.
Material 1: Analogie
Definition:
Eine Analogie bezeichnet in der Biologie die Ähnlichkeit von Strukturen, Proteinen, Genen oder Verhaltensweisen verschiedener Lebewesen, die unabhängig voneinander entstanden sind.
Material 2: Homologie
Definition:
Homologie bezeichnet in der biologischen Systematik und der vergleichenden Anatomie die Übereinstimmung von Organen, Organsystemen, Körperstrukturen, physiologischen Prozessen oder Verhaltensweisen zweier Taxa aufgrund eines gemeinsamen evolutionären Ursprungs.
Material 3: Entwicklung der Flugfähigkeit
Fortbewegungsarten:
Fliegen hat sich in der Evolution mehrfach entwickelt.
Beispiele für flugfähige Arten:
Insekten
Reptilien wie Flugdrachen
Ausgestorbene Flugsaurier
Vögel
Säugetiere wie Gleitbeutler und Fledermäuse
Material 4: Flügelaufbau
Beispiele von Flügeln:
1. Pterosaurier
2. Fledermaus
3. Vogel
Material 5: Vorderextremitäten
Material 7: Konvergente Evolution
Definition:
Entwicklung von analogen Merkmalen, wie strömungsgünstige Körperformen bei nicht verwandten Arten, bezeichnet man als konvergente Evolution.
Material 6: Divergenz
Definition:
Divergenz in der Evolutionsbiologie bezieht sich auf die Auseinanderentwicklung von Merkmalen verschiedener Arten.
Merkmale können Organe, Organsysteme, Körperstrukturen, physiologische Prozesse oder Verhaltensweisen betreffen.
Die Unterschiede zwischen den Arten nehmen mit der Länge der Trennung zu, was zu größeren Unterschieden führt.
Homologiekriterien
Aufgabe:
Lies die Homologiekriterien und ordne Beispiele zu.
Homologiekriterien:
Kriterium der Lage:
Strukturen sind homolog, wenn sie trotz unterschiedlicher Ausprägung in Form und Anzahl in einem vergleichbaren Gefügesystem die gleiche Lagebeziehung aufweisen.
Kriterium der spezifischen Qualität und Struktur:
Ähnliche Strukturen können homolog sein, wenn sie in vielen Merkmalen übereinstimmen.
Sicherheitsgerade wächst mit der Komplexität der verglichenen Struktur.
Maßgeblich ist der innere Aufbau eines Organs oder einer Struktur.
Kriterium der Kontinuität (Stei-gkeit):
Organe sind homolog, wenn sie trotz unterschiedlicher Lage durch Zwischenformen verbunden werden können.
Zwischenformen können rezente Zwischenformen, Rudimente, Atavismen, embryonale Zwischenformen und fossile Zwischenformen sein.
Beispiele für Homologie:
Beispiel 1: Knochen im Kiefergelenk bei Amphibien, Reptilien und Vögeln sind homolog zu den Knochen im Mittelohr von Säugetieren.
Beispiel 2: Angeborenes Balzverhalten bei verschiedenen Entenarten und Hühnervengruppen.
Beispiel 3: Alle Säugetiere weisen den gleichen Aufbau des Herzens auf (linke und rechte Kammer, linker und rechter Vorhof).
Beispiel 4: Menschliche Embryos zeigen in einem Entwicklungsstadium eine Kiemenspalte, die später verschwindet.
Beispiel 5: Archaeopteryx zeigt Merkmale sowohl von Reptilien als auch von Vögeln.
Beispiel 6: Menschen können in sehr seltenen Fällen zusätzliche Brustwarzen entlang der Milchleiste entwickeln.
Beispiel 7: Die Verdauungsorgane der Wirbeltiere gliedern sich in Mund-Speiseröhre-Magen-Darm-After.
Beispiel 8: Menschliche Zähne und die Hautschuppe eines Haifisches bestehen beide in der äußeren Schicht aus Zahnschmelz und in der darunterliegenden Schicht aus Dentin.
Systematisierungen und Artkonzepte
Hierarchisches System der Tiere:
Reich: Animalia (Tiere)
Stamm: Chordata (Wirbeltiere)
Klasse: Mammalia (Säugetiere)
Ordnung: Carnivora (Raubtiere)
Familie: Felidae (Katzen)
Gattung: Felis (Echte Katzen)
Art: Felis silvestris (Wildkatze)
Aufgaben:
Ermitteln Sie die Stellung des Menschen im hierarchischen System, beginnend mit „Reich: Animalia (Tiere)“ und endend mit „Art: Homo sapiens (heutiger Mensch)“.
Erläutern Sie die Schwächen des künstlichen Systems nach Linnaeus anhand der Beispiele B und C.
Erläutern Sie die Problematik der Klassifizierung nach dem biologischen Artbegriff unter Berücksichtigung der folgenden Sachverhalte:
a) Bakterien entstehen nur durch Zellteilung.
b) Nur rezente Organismen können sich kreuzen.
c) Hunderassen wie Chihuahua und Langhaar-Collie sind morphologisch so unterschiedlich, dass die Fortpflanzung kaum möglich ist.
Schnabeltier als Mosaikform
Entdeckung:
Vor etwa 200 Jahren in Australien wurde ein Tier entdeckt, das wegen seines abgeflachten Schnabels, ähnlich dem eines Enten, den Namen Schnabeltier erhielt.
Junge Schnabeltiere haben Zähne im Schnabel, die durch Hornplatten ersetzt werden, um Beute zu zerkleinern.
Sie besitzen ein Fell und haben eine konstante Körpertemperatur von 32 °C, und ihre Ausscheidungs- und Geschlechtsorgane münden in eine Kloake.
Fortpflanzung:
Schnabeltiere legen Eier mit einer pergamentartigen Schale und großen Dottern in gegrabene Erdhöhlen und die Jungtiere schlüpfen nach etwa 14 Tagen.
Aufgaben:
Erläutern Sie die Bedeutung von Mosaikformen für die Evolutionsbiologie.
Diskutieren Sie, inwiefern das Schnabeltier als Mosaikform angesehen werden kann.
Morphologischer Artbegriff
Definition:
Ein biologischer Artbegriff definiert, dass zu einer Art nur die Organismen gehören, die mit anderen Fruchtbare Nachkommen hervorbringen können.
Entwicklung der Evolutionstheorie
Systematik und Nomenklatur:
Erläutern Sie die binäre Nomenklatur und die Systematisierung der Lebewesen nach Linnaeus.
Probleme der Systematisierung:
Erläutern Sie die Probleme, die sich aus der systematischen Einordnung nur morphologischer Gesichtspunkte ergeben können.
Künstliches und natürliches Klassifizierungssystem:
Vergleichen Sie beide Systeme unter Berücksichtigung des morphologischen und biologischen Artbegriffs.
Verwandtschaft der Neuweltgeier:
Erläutern Sie, auf welchen Sachverhalten sich die verschiedenen Hypothesen zur Verwandtschaft der Neuweltgeier stützen.
Ermitteln Sie die aktuelle Verwandtschaftsstellung von Altweltgeiern, Neuweltgeiern und Störchen. Stellen Sie dazu einen beschrifteten Stammbaum auf.
Fossilien und rezente Lebewesen
Überblick:
Fossilien liefern Rückschlüsse auf die Entwicklung der Arten.
Beispiele für Mosaikformen: Fossilien wie Archaeopteryx zeigen Merkmale von beiden, Reptilien und Vögeln.
Archaeopteryx:
Erstmals 1860 entdeckt und wies merkmale von Vögeln und Reptilien auf.
Wichtige Entdeckung für die Evolutionsbiologie, aber die genaue Zugehörigkeit zur Vogellinie ist umstritten.
Altersbestimmung von Fossilien:
Radioaktives C-14 und Kalium-Argon-Datierung sind Methoden zur Altersbestimmung von Fossilien bzw. Gesteinen.
Homologien und Analogien
Baupläne bei Wirbeltieren:
Ähnlichkeit in der Skelettstruktur, die auf gemeinsame Vorfahren zurückzuführen ist – Homologien.
Konvergente Evolution zeigt sich durch Analogie, wo ähnliche Merkmale unabhängig voneinander entwickelt wurden, meist durch Anpassung an ähnliche Umweltbedingungen.
Homologiekriterien:
Kriterium der Lage: Strukturen sind homolog, wenn sie im gleichen Gefügesystem die gleiche Lage einnehmen.
Kriterium der Kontinuität:
Trotz unterschiedlicher Lage gibt es Zwischenformen; z.B. Embryonalentwicklung.
Kriterium der spezifischen Qualität:
Obwohl äußerlich unterschiedlich, zeigen Organe gleiche Teilstrukturen oder gemeinsame Merkmale.
Fallstudien zu Homologie und Analogie:
Ranken bei Vanille und Wildem Wein: Zunächst als homolog betrachtet, zeigen Experimentergebnisse Unterschiede in der Anpassung und Entwicklung der Ranken.