natura - Klett

 Evolution

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NATURA Biologie für Gymnasien bearbeitet von Ralf Burger Gabi Heidenfelder Stephan Oberkampf Hede Rummey Ulrich Sommermann Gerhard Ströhla Bayern 12 Lösungen…
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NATURA Biologie für Gymnasien bearbeitet von Ralf Burger Gabi Heidenfelder Stephan Oberkampf Hede Rummey Ulrich Sommermann Gerhard Ströhla Bayern 12 Lösungen Ernst Klett Verlag Stuttgart  ·  Leipzig Evolution 1  Evolutionsforschung Schülerbuch Seite 17 Ein Vertreter diese Ansicht war der britische  Stellen Sie Gemeinsamkeiten und Unter- Philosoph Herbert Spencer (18201903). schiede in den Theorien von Lamarck und Er ging davon aus, dass menschliche Ge- Darwin tabellarisch am Beispiel der Entste- sellschaften einem Entwicklungsprozess hung des Giraffenhalses zusammen. unterliegen, in dem Erfolg und Überleben aa siehe Tabelle der Stärksten ein Grundprinzip darstellen. 2 „Die Grabbeine des Maulwurfs haben sich entwi- Spencer prägte den Begriff vom „Survival ckelt, damit er besser graben kann“. Zeigen of the fittest“, den Darwin später übernahm. Sie, dass in dieser Aussage lamarckistisches In Deutschland trug der Arzt und Zoologe Denken steckt. Ernst Haeckel (18341919) maßgeblich dazu aa Die Aussage klingt so, als ob die Entwicklung bei, Darwins Ideen zu popularisieren und der Grabbeine des Maulwurfs zielgerichtet sozialdarwinistisch umzudeuten. Er war der („teleologisch“) bzw. zweckbestimmt sei: Meinung, dass der Kampf ums Dasein, der „Damit er besser graben kann, haben sich die Mannigfaltigkeit des natürlichen Lebens seine Grabbeine entwickelt.“ Um solches hervorgebracht hat, auch die Völkergeschichte lamarckistische Denken zu vemeiden, sollte bestimmt. man die Aussage besser folgendermaßen Durch solche Umdeutungen von Darwins formulieren: „Zufällige Mutationen, die zu Werk erhielten die sozialdarwinistischen The- immer kürzeren Beinen führten, ermöglichten sen eine scheinbar wissenschaftlich seriöse den Vorfahren der Maulwürfe langsam eine Legitimation und konnten im 19. Jahrhundert grabende Lebensweise anzunehmen.“ zur Rechtfertigung des Imperialismus der 3 Diskutieren Sie die Aussage der NS-Propa- Kolonialmächte herangezogen werden. Auf ganda in der Randspalte und informieren Sie ökonomischem Gebiet wurden sie eingesetzt, sich im Internet darüber, was man unter um einen uneingeschränkten Kapitalismus zu „Sozialdarwinismus“ versteht. Zeigen Sie, rechtfertigen, der die Klasseneinteilung der dass hier Darwins „struggle for life“ völlig Gesellschaften des beginnenden Industrie- missverstanden wurde. zeitalters als notwendigen Bestandteil eines aa Der Sozialdarwinismus wendet die natürlichen Entwicklungsvorganges ansah. Darwin'sche Selektionstheorie auf Menschen Spencer war der Ansicht, soziale Reformen und ihre sozialen Verhältnisse an. Seine Grund- würden diesen Prozess der Selektion nur thesen waren bereits in der Zeit vor Darwin hemmen und darauf hinauslaufen, die im Umlauf. Sie beruhen auf der Annahme, schwächsten Mitglieder der Gesellschaft dass Menschen von Natur aus ungleich sind künstlich zu stützen. Staatliche Maßnahmen und nur die Stärksten im gesellschaftlichen zur Elendsminderung wurden als Eingriff in Konkurrenzkampf bestehen können. die „natürlichen“ Abläufe abgelehnt. Theorie Lamarcks Theorie Darwins Gemeinsamkeiten Die Giraffe stammt von Vorfahren ab, die einen ebenso kurzen Hals hatten. Die Entwicklung des langen Halses hat sehr lange ebenso gedauert (viele Generationen). Unterschiede Durch das Bemühen und den Willen, in der tro- Die Vorfahren der Giraffe hatten viele Nachkommen ckenen Steppe das immer höher hängende Laub („Überproduktion“). Einzelne dieser Nachkommen zu erreichen („andauernder Gebrauch“), wurde der hatten zufällig einen etwas längeren Hals („Variation“). Hals der einzelnen Individuen etwas länger. Diese Individuen hatten im Wettbewerb um die Nah- rung („struggle for life“) einen Überlebensvorteil in der trockenen Steppe („survival of the fittest“), weil sie auch höher liegende Blätter erreichen konnten. Sie zeugten mehr Nachkommen (reproduktive Fitness). Gemeinsamkeit Diese individuell durch den dauernden Gebrauch Die zufälligen Variationen vererben sich auf die erworbenen Eigenschaften vererben sich auf die Nachkommen. Nachkommen. 2  Evolution  Spencer schrieb: „Der Überlegene soll den Schülerbuch Seite 21 Vorteil seiner Überlegenheit, der Unterle- gene den Nachteil seiner Untergeordnetheit  Erläutern Sie die Entstehung der ähnlichen tragen.“ Körpergestalt von Walhai und Finnwal aus Spätestens von 1900 an wurde das Prinzip evolutionärer Sicht. des „Survival of the fittest“ in grausamer aa Es handelt sich hierbei um Analogie. Durch Logik in der Vernichtung Kranker, Schwacher, konvergente Entwicklung haben sich unab- Behinderter oder „minderwertiger Rassen“ hängig bei den Fischen (Walhai) und Säuge- fortgesetzt  zunächst nur in der Theorie, tieren (Finnwal) durch zufällige Variationen nach der Machtergreifung der Nationalsozi- (Mutationen) Formen entwickelt, die optimal alisten in der Praxis. Darwins Ideen wurden an die Lebensweise im Weltmeer angepasst missbraucht und führten schließlich in sind. So ermöglicht die stromlinienförmige pervertierter Form zur nationalsozialistischen Gestalt des Körpers eine energiesparende Euthanasiepolitik und Judenvernichtung. Es Fortbewegung im Wasser. Der enorme wurde zwischen „wertvollem“, „minderwer- Nahrungsbedarf dieser „Meeresriesen“ wird tigem“ und „wertlosem“ menschlichen Leben über die Plankton-Filterapparatur gedeckt. unterschieden. Millionen von Juden wurden Die Planktonorganismen stehen noch fast am nach den Regeln der sog. „Rassenhygiene“ Anfang der Nahrungskette und damit in genü- gesellschaftlich ausgegrenzt und schließlich gender Menge („Biomasse“) zur Verfügung. nach „Selektion“ durch die NS-Schergen in 2 Vergleichen Sie die Knochen in der Vorderex- die Gaskammern geschickt. Auch Schwache tremität eines Wals (s. Randspalte S. 20) und und Kranke sollten nicht länger von staatli- eines Menschen, benennen Sie die einzelnen cher Wohlfahrt oder privater Barmherzigkeit Knochen und wenden Sie die Homologiekrite- profitieren, sondern galten als „Ballast­ rien an. existenzen“, denen man durch „Euthanasie“ aa Die vorderen Extremitäten eines Wales und den „Gnadentod“ gewähren konnte. eines Menschen sind homolog. Es gilt das Das in der Randspalte abgedruckte Plakat Homologiekriterium der Lage im Gesamt‑ aus der NS-Zeit und das Zitat der Nazipro- gefüge des Organismus. paganda drücken deutlich dieses angeblich Auch das Kriterium der spezifischen Qualität „humane“ Denken aus, das in Wirklichkeit ist erfüllt, da die beiden Extremitäten im gnadenlos und unmenschlich war. Die Ge- Blick auf den Grundbauplan ihres Skeletts sichtszüge des auf dem Plakat abgebildeten weitgehend identisch sind. So findet man in Mannes sind zudem im Stil der NS-Propagan- beiden Extremitäten einen Oberarmknochen da eindeutig rassistisch angelegt. (grün), zwei Unterarmknochen (gelb und Im Sozialdarwinismus wurde das Schlagwort orange), mehrere Handwurzelknochen (rot), vom „Survival of the fittest“ immer wieder als fünf Mittelhandknochen (violett) und fünf, Überleben des Stärkeren missgedeutet. Da- teilweise mehrgliedrige Finger (blau). Die bei verstand Darwin unter Fitness ausdrück- Unterschiede in der Anzahl und der Form der lich die bessere Anpassung an die jeweiligen Knochen sind durch die unterschiedlichen Lebensbedingungen. Nicht jenes Tier, das Funktionen bedingt. So kann ein Mensch mit über körperliche Größe oder Stärke verfügt, seiner Hand zugreifen, der Wal benutzt dage- ist zwangsläufig „fit“, sondern jenes, das sich gen die Vorderextremität als Flosse. trotz widriger Umstände am besten fortpflan- Über das Kriterium der Kontinuität kann auf zen und die Art erhalten kann. Der Selekti- Grundlage der Abbildung in der Randspalte onserfolg stellt sich nicht im physischen Sieg keine Aussage gemacht werden. über den Artgenossen ein, sondern in der 3 Informieren Sie sich im Internet, was man Anzahl der Nachkommen. Beim „Struggle for unter „Bionik“ und dem „Fastskin- bzw. life“ geht es also nicht darum, dass Lebewe- Riblet-Effekt“ versteht. sen ihre eigenen Artgenossen vernichten, aa Das Kunstwort Bionik kombiniert die Begriffe um  wie in der NS-Propaganda behauptet Biologie und Technik. Im Laufe der Evolution wird  „der Natur zu ihrem Recht zu verhel- hat die Natur viele optimierte Lösungen für fen“. Es bringen vielmehr die Lebewesen bestimmte mechanische, strukturelle oder einer Art entsprechend ihrer Fitness eine organisatorische Probleme entwickelt. Die unterschiedliche Anzahl von Nachkommen Bionik analysiert diese natürlichen Lösungen hervor. Die Evolutionslehre steht außerdem zunächst einmal. Anschließend können auch im Gegensatz zu nationalsozialistischen die gefundenen Prinzipien aufbereitet und Konzepten, weil diese eine unverrückbare in einer abstrahierten Form der Technik zu- Hierarchie der „Rassen“ unter der Vorherr- gänglich gemacht werden. Die Bionik ist ein schaft der „arischen Rasse“ postulieren und interdisziplinärer Bereich, in dem Naturwis- daraus das Recht ableiten, „minderwertige senschaftler und Ingenieure sowie bei Rassen“ zu vernichten. Darwin hatte hinge- Bedarf auch Vertreter anderer Disziplinen gen eine dynamische Theorie des Lebens wie etwa Architekten, Philosophen und Desi- und seiner Entwicklung aufgestellt, in der sich gner zusammenarbeiten. Bekannte Beispiele bei ändernden Umweltbedingungen auch die sind sich selbst reinigende Fassadenfarben Fitness der beteiligten Lebewesen  und („Lotuseffekt“), der den Klettfrüchten damit auch der „Rassen“  verändert. nachempfundene Klettverschluss oder die Winglets an den Spitzen von Flugzeugflügeln.   Evolution  3 Sie sind den Handschwingen bestimmter Schülerbuch Seite 24 Vogelarten (etwa Bussard oder Adler) nachempfunden und verursachen statt eines 1 Erläutern Sie die in Abb. 1 dargestellte Vor- großen Wir-bels mehrere kleinere, was einen gehensweise, um die Serumproteinähnlich- deutlich geringeren Energieverbrauch beim keiten zwischen Mensch und verschiedenen Fliegen zur Folge hat. Wirbeltieren aufzuklären. Der Begriff „Riblet“ (engl.: kleine Rippen) be- aa Menschliches Blutserum wird einem Ver- zeichnet eine Oberflächenstruktur, die eine suchstier iniziiert, das stammgeschichtlich Verminderung des Reibungswiderstands möglichst wenig mit dem Menschen und den auf turbulent überströmten Oberflächen zu untersuchenden Tieren verwandt sein bewirkt. Bei schnell schwimmenden Haien sollte (z. B. Kaninchen). Das Immunsystem besteht die Hautoberfläche aus kleinen, dicht des Kaninchens bildet im Laufe einiger aneinander liegenden Placoidschuppen, auf Wochen Antikörper gegen die körperfremden denen sich scharfkantige feine Rillen befin- menschlichen Serumeiweiße. Diese Antikör- den, die parallel zur Strömung ausgerichtet per werden aus dem Blut des Kaninchens sind. Diese mikroskopisch kleinen Vertie- isoliert. Vermischt man das so gewonnene fungen bewirken eine Verminderung des Anti-Human-Serum im Reagenzglas mit Reibungswiderstands um bis zu 10 %. Dieser menschlichem Blutserum, reagieren die Anti- widerstandsvermindernde Effekt ist auch in körper mit den Serumeiweißen und verklum- der Luft wirksam, funktioniert jedoch nur in pen sie. Die starke Ausfällung der Eiweiße, einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich. das „Serumpräziptin“ wird als 100 % definiert. Um den Reibungswiderstand mithilfe einer Bei Zugabe des Anti-Human-Serums zu Blut- Ribletoberfläche wirksam zu vermindern, seren anderer Lebenswesen bilden sich nun muss außerdem der Anteil der Wandreibung Ausfällungen in geringerer Stärke. Je größer am Gesamtwiderstand recht groß sein. Dies der Anteil der Ausfällung ist, desto ähnlicher ist bei Schiffen, U-Booten oder Flugzeugen müssen die Serumproteine des getesteten der Fall, nicht jedoch bei Automobilen. Bei Tieres den menschlichen Serumproteinen Kraftfahrzeugen bestimmt hauptsächlich sein. der Formwiderstand den aerodynamischen Gesamtwiderstand. Auch bei Schwimmern Schülerbuch Seite 25 ist der Anteil der Oberflächenreibung eher klein, aber es reicht für neue Rekorde, wenn 1 Hämoglobin ist der Blutfarbstoff aller Wirbel- sog. „Fastskin-Wettkampfanzüge“ mit Riblet­ tiere. Er kommt auch bei einzelnen wirbel- oberfläche getragen werden. losen Tieren vor, die in sehr sauerstoffarmer 4 Kakteen und Wolfsmilchgewächse (Euphor‑ Umgebung leben (z. B. Schlammröhren- bien) haben sich in den heißen Trockenge- wurm). Entwickeln Sie eine Hypothese, nach bieten Amerikas und Afrikas konvergent in der das Auftreten von Hämoglobin in den Anpassung an die Lebensbedingungen zu so- verschiedenen Gruppen des Tierreichs aus genannten sukkulenten Pflanzen entwickelt. evolutionsbiologischer Sicht erklärt werden Sie besitzen einen verdickten, grünen Spross kann. und die Blätter sind zu Stacheln umgewandelt aa Hämoglobin besteht aus dem Protein Globin (s. Randspalte). Erklären Sie ihren Bau mit (vier Ketten) und jeweils eingelagerten sau- Darwins Prinzip des „survival of the fittest“. erstoffbindenden Häm-Komponenten. Dieser aa Der Selektionsdruck in Wüstengebieten eisenhaltige Komplex ist beispielsweise begünstigt alle Variationen, die in der Lage auch Bestandteil des Cytochroms oder des sind, das knappe Wasser nach den seltenen Myoglobins in den Muskeln. Der Schüler kann Regenfällen zu speichern und den Wasser- grundsätzlich zwei unterschiedliche Hypothe- verlust durch Verdunstung möglichst klein sen über die Entstehung der Proteinkom- zu halten. Bei den sukkulenten Pflanzen ponente des Hämoglobinmoleküls bei den hat der verdickte Spross die Funktion des verschiedenen Tiergruppen entwickeln. Wasserspeichers übernommen. Außerdem erfüllt er durch den Besitz von Chlorophyll Hypothese 1: auch die Aufgabe der Fotosynthese. Daher Es könnte sich um konvergente Entwicklung sind keine grünen Blätter notwendig, die mit aufgrund der Selektionsbedingungen han- ihrer großen Oberfläche einen zu großen deln. Wegen des Selektionsvorteils setzten Wasserverlust durch Verdunstung zur Folge sich in sauerstoffarmen Gewässern Orga- hätten. Die in Stacheln umgewandelten nismen durch, die aufgrund einer zufälligen Blätter übernehmen die Aufgabe der Abwehr Variation eine ähnlich effektive Möglichkeit von Fressfeinden, die es auf das Wasser im der Sauerstoffbindung durch Hämoglobin wie Spross abgesehen haben. Diese Kombina- die Wirbeltiere besaßen. tion zufälliger Variationen, die sich in einem Diese Hypothese ist sehr unwahrscheinlich, langen konvergenten Selektionsprozess da eine mehrfache und unabhängige Entwick- herausgebildet hat, ermöglicht den Kakteen lung eines so komplex aufgebauten Moleküls und Euphorbien das Überleben in wasser‑ wie des Hämoglobins sehr unwahrscheinlich armen Wüstengebieten („suvival of the wäre. fittest“). 4  Evolution  Hypothese 2: Mutationen sehr stark verändern konnte. Aus Die Lebewesen, die heute Hämoglobin diesem Grund weisen die Globinmoleküle besitzen, stammen alle von den gleichen bei wirbellosen Tieren eine außerordentliche hä-moglobinbesitzenden Vorfahren ab und strukturelle und funktionelle Vielfalt auf. es handelt sich um biochemische Homologie. Auch beim Menschen kommen verschiedene Bei vielen wirbellosen Tiergruppen, die keine Globintypen vor: das fetale Hämoglobin effektive Möglichkeit der Sauerstoffbindung beim ungeborenen Kind und beim Erwach- benötigten, ist die Fähigkeit, Hämoglobin senen die a- und b-Ketten Hämoglobin. bilden zu können, im Verlauf der Evolution Der Vergleich der Primärstrukturen aller verloren gegangen. Hämoglobintypen zeigt, dass ausschließlich Diese Hypothese wird durch moderne mole- die beiden Aminosäuren, die eine molekül- kulargenetische Untersuchungen bestätigt. typische Faltung verursachen, überall zu Sie legen nahe, dass die Gene der Globin- finden sind. Trotz der großen Unterschiede Familie vermutlich schon vor 500 bis 600 Milli- in der restlichen Aminosäuresequenz geht onen Jahren entstanden sind. Globinmole‑ man davon aus, dass die Globingene bei küle treten deshalb in allen fünf Organismen- den unterschiedlichen Lebewesen auf einen reichen, also auch bei Bakterien, Pilzen oder gemeinsamen stammesgeschichtlichen Pflanzen auf. Die Theorie besagt, dass das Ursprung zurückzuführen sind und es kann, „Ur-Globingen“ durch Genduplikation mehr- wie beim Cytochrom-c, ein hypothetischer fach verdoppelt wurde. Diese Genduplikate molekulargenetischer Hämoglobin-Stamm- lieferten das „Rohmaterial“, das sich durch baum aufgestellt werden.   Evolution  5 2  Mechanismen der Evolution Schülerbuch Seite 31 4 In den vergangenen Jahren erhielt der  Interpretieren Sie die Ergebnisse der Rück- Umweltschutz auch in Großbritannien einen fangexperimente Kettlewells aufgrund von immer höheren Stellenwert. Diskutieren Sie Abb. 30. 2. und 31. 2 die Auswirkungen auf die Birkenspanner. aa Es wurde jeweils eine gewisse Anzahl aa Die Verbesserung des Umweltschutzes heller und dunkler Falter in der Umgebung führte zur Reduktion des Schwefeldioxid- Birminghams (Industriestadt) und Dorsets gehaltes sowie der Staub- und Rußpartikel ausgesetzt und markiert, um sie von „wilden“ in der Luft. Die hellen Flechten konnten sich Faltern zu unterscheiden. Markierte Tiere auf der Borke der Eichen und Birken wieder wurden zurückgefangen. In Birmingham entwickeln. Damit waren die hellen Birken- waren das 27,5 % der dunklen, aber nur 13,1 % spannerformen wieder besser getarnt als die der hellen Form. In Dorset wurde dagegen melanistischen Formen. Sie wurden weniger die helle Form häufiger wieder eingefangen gefressen und konnten vermehrt Nachkom- (12,5 % gegen 6,3 %). Die Rückfangquote men zeugen. Die reproduktive Fitness der hängt vom Zufall ab. Die Wahrscheinlichkeit hellen Falter stieg und damit auch ihr Anteil an des Rückfangs ist daher umso größer, je der Gesamtpopulation. häufiger die Form überlebt hat. Die Überle- 5 Begründen Sie schriftlich, wieso die ge- benschance war nach den Ergebnissen also schlechtliche Fortpflanzung gegenüber der für die dunkle Form im Industriegebiet größer, ungeschlechtlichen Fortpflanzung bei sich für die helle Form im ländlichen Raum. ändernden Umweltbedingungen Vorteile hat. 2 Erklären Sie anhand Abb. 31.1, wie es zu aa Bei ungeschlechtlicher Fortpflanzung entste- der Verteilung der Birkenspannerformen in hen die Nachkommen mitotisch. Eltern und Dorset, Coventry und Dover (im Südosten Nachkommen sind genetisch identisch. Auf- Englands) kommt. tretende Variabilität innerhalb von Populati- aa Im ländlichen Bereich Dorsets herrscht prak- onen ist also lediglich modifikatorisch bedingt tisch keine Luftverschmutzung, die Flechten und wird nicht vererbt. Bei geschlechtlicher auf der Birkenrinde leben und führen zu einer Fortpflanzung werden bei der Bildung der hellen Farbe des Untergrunds für die Birken- Keimzellen (Meiose) die Allele (Rekombina- spanner. Diese sind daher gut getarnt und tion der Chromosomen, Crossingover) neu haben eine gute Überlebenschance. Dagegen kombiniert. Dieser Prozess der Neukombina- können sich hier nur wenige dunkle Formen tion ist neben dem Zufall, welche Keimzellen halten. zu Zygoten verschmelzen, die wesentliche In Coventry (Industriegebiet) herrscht eine Ursache für die genetische Variabilität. Unter hohe Luftverschmutzung und entsprechend einer großen Anzahl von Nachkommen treten dunkler Untergrund für die Falter vor. Die dadurch häufig Phänotypen auf, die veränderten Überlebenschance für die hellen Falter ist Bedingungen besser angepasst sind als ihre entsprechend schlecht, für die dunklen gut. Eltern. Bei rasch wechselnden Bedingungen Im Südosten Englands dürfte die Luftver- ist eine Anpassung, die das Aussterben einer schmutzung trotz ländlicher Umgebung ziem- Population verhindert, häufig nur aufgrund lich hoch sein, wenn auch nicht so hoch wie der durch die geschlechtliche Fortpflanzung direkt im Industriegebiet. Abgase werden hervorgerufenen Variabilität möglich. durch die in Europa vorherrschenden Nord- Anmerkung: Beim obigen Vergleich sind west-Winde aus dem Ballungszentrum Lon- Mutationen nicht berücksichtigt worden, da don dorthin importiert — mit entsprechenden sie selten auftreten und zudem vom Fort- Folgen für das Überleben der Falter. pflanzung
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