VL 07 Baupläne und Evolution von Tieren ( mit Mitschriften aus VL)

Grundlagen der Naturwissenschaften im Sachunterricht 1 - VL 07 – Baupläne und Evolution von Tieren

• Prokaryotische Zellen (Prozyten) beinhalten Basiskonzepte des Lebens, wie Abgrenzung, Interaktion, Stoffwechsel (Energie) und Reproduktion (mit Evolution)
• Es gibt drei Domänen des Lebens: Bakterien, Archaeen und Eukaryoten
• Die Eukaryoten entstanden durch Endosymbiose, wobei ein Proteobakterium und ein Cyanobakterium beteiligt waren

Eukaryotische Zellen (Eucyte): Kompartimentierung

• Tierische Zellen bestehen aus Zellkern, Mitochondrien, Cytoskelett und extrazellulärer Matrix
• Pflanzliche Zellen beinhalten Zellkern, Mitochondrien, Chloroplasten, Vakuole und Zellwand

Diversifizierung der Eukaryoten

• Die Diversifizierung der Eukaryoten begann vor etwa 1,5 bis 4,5 Milliarden Jahren
• Zu den eukaryotischen Gruppen gehören Pflanzen (VL08/09+P6) und Tiere (VL07+P4, heute)

Prinzip der Evolution

• Evolution bedeutet die Entwicklung bzw. Umwandlung von Arten, basierend auf natürlicher Selektion
• Darwin prägte den Begriff "survival of the fittest", was bedeutet, dass nur die am besten angepassten Individuen überleben und sich fortpflanzen
• Für die Evolution sind die Überproduktion an Nachkommen und die genetische Variabilität in der Population notwendig
• Durch natürliche Selektion entstehen über Generationen neue Arten, wobei sich Teilpopulationen an neue Umweltbedingungen anpassen

Begriffe: Art (= Spezies) und Systematik

• Das biologische Artkonzept definiert eine Art als eine Gruppe natürlicher Populationen, die sich untereinander kreuzen können und von anderen Gruppen reproduktiv isoliert sind
• Das phylogenetische Artkonzept besagt, dass eine Art nach einer Artspaltung beginnt und endet, wenn alle Individuen aussterben oder sich in neue Arten aufspalten
• Artnamen sind lateinisch und kursiv geschrieben
• Die Systematik ordnet Lebewesen in Reiche, Stämme, Klassen, Ordnungen, Familien, Gattungen und Arten ein

Evolutionäre Stammbäume (Dendrogramme)

• Kladogramme stellen Abstammungen dar
• Phylogramme berücksichtigen zusätzlich Zeit und Diversifizierung
• Ein Taxon umfasst alle Nachfahren des letzten gemeinsamen Vorfahren
• Eine monophyletische Gruppe (Klade) umfasst alle Nachfahren eines gemeinsamen Vorfahren
• Eine paraphyletische Gruppe beinhaltet nicht alle Nachfahren eines gemeinsamen Vorfahren

Baupläne der Tiere

• Bilateralsymmetrische Tiere haben Funktionseinheiten entlang einer Längsachse
• Radiärsymmetrische Tiere sind rotationssymmetrisch
• Viele Tiere zeigen Segmentierung mit Wiederholung von Einheiten
• Tiere haben eine Vorne/Hinten-Ausrichtung und eine bevorzugte Bewegungsrichtung
• Dorsiventral bedeutet, dass Tiere eine Ober- und Unterseite unterscheiden

Tiere: Merkmale und grobe Systematik

• Tiere (Metazoa/Animalia) werden grob in Schwämme, Gewebetiere (Eumetazoa) und zweiseitige Tiere (Bilateria) unterteilt
• Allgemeine tierische Merkmale sind Vielzelligkeit und Heterotrophie
• Tiere haben eine extrazelluläre Matrix mit Kollagen und Proteoglykan sowie spezielle Zell-Zell-Verbindungen
• Gewebetiere haben eine innere Verdauung, Beweglichkeit, ein Nervensystem und vier Gewebetypen

Tierische Gewebetypen

• Epithelgewebe dient der Kompartimentierung und bildet äußere Haut sowie innere Oberflächen
• Muskelgewebe dient der Krafterzeugung und umfasst Skelett-, glatte und Herzmuskulatur
• Bindegewebe verbindet, polstert und stützt, es besteht aus Knorpel, Knochen, Fettgewebe, Blut und Sehnen
• Nervengewebe dient der Informationsverarbeitung, es besteht aus Sinnes-, Nerven- und Gliazellen
• Die extrazelluläre Matrix ist wichtig für Gewebetiere.
• Kollagen ist ein Strukturprotein, das nur bei Gewebetieren vorkommt.
• Knochen enthalten Knochenzellen, eingebettet in eine Matrix aus Calciumphosphat und Kollagen.
• Knorpel besteht aus Knorpelzellen, eingebettet in eine Matrix aus Kollagen- und Proteinfasern sowie Glykosaminoglykanen

Nesseltiere (Cnidaria)

• Nesseltiere umfassen Quallen, Seeanemonen und Seefedern
• Nesseltiere wechseln zwischen den Formen Medusa und Polyp

Grobe Systematik der Bilateria

• Bilateria werden in Urmünder (Protostomia) und Neumünder (Deuterostomia) unterteilt
• Zu den Protostomia gehören Weichtiere (Mollusca) und Gliederfüßer (Arthropoda)
• Zu den Deuterostomia gehören Stachelhäuter (Echinodermata) und Wirbeltiere (Vertebrata)

Weichtiere (Mollusken)

• Zu den Weichtieren gehören Schnecken (Gastropoda), Muscheln (Bivalvia) und Kopffüßer (Cephalopoda)
• Weichtiere haben einen gemeinsamen Körperbauplan mit Mantel und Eingeweidesack sowie meist eine kalkhaltige Schale (CaCO3)

Gliederfüßer (Arthropoda)

• Zu den Gliederfüßern gehören Spinnen, Skorpione, Zecken, Weberknechte, Kieferklauenträger (Chelicerata), Tausendfüßer (Myriapoda), Krebstiere (Crustacea) und Insekten (Insecta)
• Wichtige Merkmale sind der gegliederte Körper und das Exoskelett

Exoskelett der Gliederfüßer

• Das Exoskelett besteht hauptsächlich aus Chitin (Polysaccharid) sowie Proteinen und Kalk (bei Krebstieren)
• Das Exoskelett bietet Stabilität und Schutz, ist jedoch nicht wachstumsfähig und muss gehäutet werden

Krebstiere (Crustacea)

• Krebstiere umfassen Zehnfußkrebse, Ruderfußkrebse, Asseln und Rankenfußkrebse

Grundlegender Bauplan von Insekten

• Insekten haben einen Bauchmark, ein Exoskelett, einen Kopf mit Mund, Gehirn und Facettenaugen, eine Brust (Thorax) mit 3 Segmenten und je 1 Beinpaar sowie 2 Flügelpaaren und einen Hinterleib (Abdomen) mit bis zu 11 Segmenten und vielen Organen

Metamorphose bei Insekten

• Bei der Holometabolie (vollständige Verwandlung) gibt es die Entwicklungsstadien Ei, Larve (mehrere), Puppe und Imago, wobei sich der Grundbauplan von Larve und Imago unterscheidet
• Bei der Hemimetabolie (allmähliche Verwandlung) gibt es die Entwicklungsstadien Ei, Larve (mehrere) und Imago, wobei der Grundbauplan von Larve und Imago ähnlich ist

Insektengruppen

• Zu den Insektengruppen gehören Libellen (Odonata), Heuschrecken und Grillen (Orthoptera), Wanzen, Zikaden und Pflanzenläuse (Hemiptera), Käfer (Coleoptera), Schmetterlinge (Lepidoptera), Mücken und Fliegen (Diptera) sowie Ameisen, Bienen und Wespen (Hymenoptera)

Stachelhäuter (Echinodermata)

• Zu den Stachelhäutern gehören Seeigel, Seesterne und Seegurken
• Stachelhäuterlarven sind bilateralsymmetrisch, während die adulten Formen fünfstrahlige Radiärsymmetrie aufweisen
• Sie haben ein Hautskelett mit Kalkplatten und ein Ambulacralsystem (Wassergefäßsystem)

Wirbeltiere (Vertebrata)

• Zu den Wirbeltieren gehören Schleimaale (Kieferlose), Neunaugen, Knorpelfische, Strahlenflosser, Quastenflosser, Lungenfische, Amphibien, Amnioten und Säugetiere
• Herausforderungen für das Landleben sind die Schwerkraft, Fortbewegung, Atmung und Austrocknung

Agnatha (Kieferlose) und Kieferentwicklung

• Kieferlose Fische (Agnatha) haben Kiemenbögen aus Knorpel, die die Kiemen stützen
• Bei frühen Fischen mit Kiefer wurden einige der vorderen Kiemenbögen zu einem Kiefer umgebildet
• Moderne Fische mit Kiefer haben kräftigere Kiefer mit integrierten Kiemenbögen und Bezahnung

Knorpelfische

• Knorpelfische haben Kiefer mit Zähnen, ein Endoskelett aus Knorpel und eine lederartige Haut

Strahlenflosser

• Strahlenflosser haben ein Endoskelett aus Knochen, Schuppen mit knöcherner Grundschicht, eine Schwimmblase als Tarierorgan und Flossen aus Knochenstrahlen

Die nächsten Verwandten der Landwirbeltiere

• Quastenflosser haben Flossen mit Knochen und Muskulatur (Vorläufer der Gliedmaßen)
• Lungenfische haben Kiemen und eine einfache Lunge
• Entscheidende Merkmale für die Anpassung an das Landleben sind Flossen mit Knochen und Muskulatur sowie Kiemen und eine einfache Lunge

Amphibien (feuchte Lebensräume, Schleimhaut)

• Amphibien umfassen Froschlurche (Frösche und Kröten) und Schwanzlurche (Salamander und Molche)
• Amphibien durchlaufen eine Metamorphose mit Eiablage im Wasser, Larvalstadium im Wasser und Adultstadium im Wasser oder an Land

Amnioten

• Amnioten legen Eier an Land oder sind lebendgebärend und haben eine mehrschichtige Hornhaut
• Zu den Amnioten gehören Reptilien (Sauropsida) und Säugetiere (Mammalia)

Sauropsiden (Reptilien und Vögel)

• Zu den Sauropsiden gehören Brückenechsen, Schuppenkriechtiere, Schlangen, Schildkröten, Krokodile und Vögel

Mammalia (Säugetiere)

• Zu den Säugetieren gehören Kloakentiere (Monotremata), Beuteltiere (Marsupialia) und Placentatiere (Placentalia)

Primaten

• Zu den Primaten gehören Lemuren, Loris und Pottos, Tarsiere, Neuweltaffen, Hundsaffen, Gibbons, Orang-Utans, Gorillas, Schimpansen und Bonobos sowie Menschen

Grundlegender Bauplan des Menschen

• Der Mensch hat einen Rückenmark, ein Endoskelett, einen Kopf mit Mund, Gehirn und Sinnesorganen, einen Rumpf mit Organen und Extremitäten mit Beinen und Armen

Strukturen aus Keratin

• Keratin ist ein Strukturprotein, das in Reptilienschuppen, Federn, Schnäbeln, Haaren/Fell, Hörnern und Hufen/Klauen vorkommt

Horn vs. Geweih

• Hörner bestehen aus einem hohlen Überzug aus Hornsubstanz über Knochenzapfen und werden nicht abgeworfen
• Geweihe bestehen aus Knochen und wachsen jedes Jahr neu

Homologie

• Homologie bezeichnet die grundlegende Übereinstimmung von Merkmalen zweier Taxa aufgrund gemeinsamen evolutionären Ursprungs
• Homologiekriterien sind gleiche Lage, ähnliche Struktur und Kontinuität durch Zwischenformen

Analogie

• Analogie bezeichnet ähnliche Merkmale zweier Taxa, die evolutionär unabhängig voneinander entstanden sind
• Flugfähigkeit von Insekten und Vögeln

Das sollten Sie wissen

• Eukaryotische Zelle und ihre Entstehung durch Endosymbiose
• Begriffe und Prinzip der Evolution
• Evolutionäre Stammbäume (Monophylum, Paraphylum, Schwestergruppen)
• Homologie vs. Analogie
• Wichtige Körperstrukturen von Tieren (Knochen, Knorpel, Keratinstrukturen, Exoskelett, Endoskelett, Kalkschalen)
• Grobe Systematik der Tiere (Folie 12, 17)
• Anpassungen an das Landleben (Folie 27)
• Zuordnung von Tieren in Gruppen (Nesseltiere, Weichtiere, Gliederfüßer, Stachelhäuter, Knorpelfische, Strahlenflosser, Amphibien, Reptilien, Vögel, Säugetiere)