Bio-PHZH | Themenkreis 9: Systematik und Evolution

Die Erforschung der biologischen Vielfalt (Biodiversität) im Kontext ihrer Umwelt; schliesst Taxonomie ein und ist wichtig für die Erforschung der Evolutionsgeschichte.

Bei den Tieren ist die systematische Einteilung wie folgt definiert (absteigend): Reich, Stamm, Klasse, Ordnung, Familie, Gattung, Art (oder Spezies), Rasse (oder Unterart). In der Wissenschaft gibt es noch weitere Zwischenabstufungen, z.B. Unterordnung, welche wir aber hier der Einfachheit halber vernachlässigen. Bei den Pflanzen ist diese systematische Einteilung ganz ähnlich. Anstatt von Stämmen spricht man von Abteilungen und anstatt von Rassen von Sorten. Diese beiden Taxa sind in der folgenden Übersicht deshalb kursiv geschrieben.

• Reich

• Stamm

• Klasse

• Ordnung

• Familie

• Gattung

• Art/Spezies

• Unterart/Rasse

(Eselsbrücke: «Rosa Schweinchen kämpfen ohne Furcht gegen Alligatoren.»

• Reich

• Abteilung

• Klasse

• Ordnung

• Familie

• Gattung

• Art/Spezies

• Unterart/Sorte

Die Entstehung des Lebens, der verschiedenen Arten, ihre Veränderung im Laufe erdgeschichtlicher Zeiträume und ihre Aussterben.

Erkenntnis, dass rezente Arten Nachfahren von unter Umständen ausgestorbenen Ursprungsarten sind, die sich von den heutigen Arten unterschieden haben. Enger gefasst die Änderung der genetischen Zusammensetzung von Populationen von Generation zu Generation, also die langfristige Änderung der AIIeIfrequenzen in einer Population.

Berühmt geworden ist der Zoologe Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829), der in seinem Werk «Philosophie zoologique» (1809) erstmals eine zeitliche Interpretation des Stufenleitersystems veröffentlichte. Darin wird die Entstehung neuer Arten durch Veränderungen im Laufe der Generationenfolge angenommen.

Der Lamarckismus erklärt Veränderungen von Organen durch ihren Gebrauch oder Nichtgebrauch je nach den Bedürfnissen des Tiers.

Bsp.: Die Evolution langer Beine bei Watvögeln damit, dass sie einerseits in tieferes Wasser gehen müssen, um Nahrung zu finden, andererseits dabei in den Schlamm einsinken bzw. nass werden können. Das kontinuierliche Bedürfnis der Vögel, die Beine zu strecken, führte dazu, dass sie nach vielen Generationen schliesslich auf ihren immer länger werdenden Beinen wie auf Stelzen gehen.

Lamarck nahm also an, dass die erworbenen Eigenschaften vererbt würden. Wir bezeichnen heute solche individuell erworbene Eigenschaften als Modifikationen.

Modifikationen sind nicht erbliche Veränderungen, die ein Individuum aufgrund von Umwelteinflüssen erwirbt. Modifikatorische Änderungen betreffen nur das jeweilige Individuum, sie werden nicht in die Gene aufgenommen und tragen daher auch nicht zur Evolution der Population bei.

Genau 50 Jahre nach Lamarcks «Philosophie zoologique» konnte Charles Darwin (1809-1882) mit seinem Buch «The Origin of Species by means of Natural Selection» (1859) die Grundlage unserer heutigen Evolutionstheorie legen. Schon während seiner fünfjährigen

Forschungsarbeit mit dem Vermessungsschiff «Beagle» (1831-1836) kamen ihm Zweifel an der Konstanz der Arten.

Einen wesentlichen Anstoss zur Entwicklung des Evolutionsgedankens gab ihm die Tierwelt der Galapagosinseln. Die dort vorkommenden Vogelarten und Echsen zeigen einerseits Ähnlichkeit mit ihren Verwandten auf dem südamerikanischen Festland, haben sich andererseits aber in einer eigenständigen Entwicklung deutlich von ihnen in Gestalt und Verhalten entfernt.

Die Darwin'sche Selektionstheorie ist damit die Grundlage unserer Erklärung der Evolution der Organismen. Diese basiert zusammengefasst aus folgenden Grundgedanken:

«Überproduktion» – Organismen erzeugen mehr Nachkommen, als in der Umwelt mit ihren begrenzten Ressourcen und mit der Konkurrenz anderer Organismen überleben können.

«Variabilität» – Die Nachkommen bzw. Individuen einer Art sind nicht völlig identisch, sondern weisen Unterschiede auf.

«Selektion» – Da nicht alle im Kampf ums Dasein überleben, bleiben die Individuen mit der grössten Überlebenschance erhalten und können sich weiter vermehren.

«Vererbung» – Die zum Überleben führenden positiven Eigenschaften werden weitervererbt, die unterlegenden ausselektiert.

ZufaIlige Änderungen im Genotyp bezeichnet man als Mutationen. Hierin liegt der eigentliche Ursprung evolutiver Neuerungen. Dabei spielen Mutationen auf allen drei Ebenen – im Gen, Chromosom und Genom – eine Rolle, wobei die Genmutationen für das evolutive Geschehen am wichtigsten sind. Auftretende Mutationen können für den Träger positiv, negativ oder neutral sein.

Mutationen erfolgen nicht gerichtet, sondern zufällig. In menschlichen Zellen liegt die spontane Mutationsrate bei etwa 10'000'000 pro Gen pro Zellgeneration. Diese Rate kann durch Mutagene (das sind äussere Faktoren, welche Mutationen auslösen) erhöht werden. So erhöht sich zum Beispiel durch radioaktive Strahlung die Mutationsrate, trotzdem stellen Mutationen keine gezielte Antwort auf diesen Einfluss dar.

Organismen sind in ihrer Umwelt einer Fülle von Einwirkungen ausgesetzt. Abiotische Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Licht, Salzgehalt usw. wirken auf das Individuum ebenso wie biotische Faktoren. Zu Letzteren gehören insbesondere die Konkurrenz, aber auch Krankheiten, Parasitismus und Räuber-Beute-Beziehungen. Darwins revolutionierender Gedanker,war, dass diese Umwelteinflüsse sich so auswirken, dass sie aus der hohen Anzahl variierender Nachkommen einer Population die geeignetsten auslesen und zur Fortpflanzung kommen lassen.

Das «survival of the fittest» hat zur Folge, dass die Arten optimal an ihre abiotische und biotische Umwelt angepasst sind. Die Selektion bestimmt damit, welche Varianten aus dem Angebot einer Population sich durchsetzen.

Selektion ist die natürliche Auslese von Individuen von einer aus verschiedenen Varianten bestehenden Population durch abiotische und biotische Faktoren.

Viele verschiedene Arten weisen gleiche oder ähnliche Merkmale auf. Dies erlaubt sie systematisch zu gliedern. So' unterteilt man die Wirbeltiere zum Beispiel u.a. in Amphibien – Reptilien – Vögel – Säugetiere und letztere in Beuteltiere und Plazentatiere, die wiederum in Nagetiere, Raubtiere, Walartige, Paarhufer, Fledermäuse, Herrentiere etc. gegliedert werden können. Als Grund dafür gelten heute Verwandtschaften, die durch die Abstammung von gemeinsamen Vorfahren zustande kamen. Die systematische Gliederung von Lebewesen auf grund gleicher oder ähnlicher Merkmale nennt man auch vergleichende Anatomie.

Als Homologie bezeichnet man die Ähnlichkeit von Merkmalen aufgrund gemeinsamer Abstammung.

Die Homologie von Organen und Organsystemen wie sie nicht nur bei den Skeletten der Landwirbeltiere, sondern auch zum Beispiel bei den Kreislaufsystemen, den Lungen und den zentralen Nervensystemen (Gehirn, Rückenmark) der Wirbeltiere, den Gebissen der Säugetiere der den Beinen sowie Mundwerkzeugen der Insekten zu beobachten sind, ist mit der Evolutionslehre erklärbar. So. ist zum Beispiel die Lage der verschiedenen Knochen der Vordergliedmassen der Wirbeltiere gleich.

Unter Analogie versteht man die Ähnlichkeit von Merkmalen auf grund gleicher Funktion ohne gemeinsame Abstammung.

Anders verhält es sich mit analogen Organen, die ähnlich aussehen, da es Strukturen sind, die der gleichen Funktion (z.B. Graben, Fliegen, Schwimmen, Atmen im Wasser) dienen, denen aber ein anderer Bauplan zugrunde liegt. Die Biologie benutzt dafür den Begriff der Analogie.

Als Rudimente bezeichnet man Rückbildungen von ehemals voll funktionsfähigen Organen.

Das gleiche wie für homologe Organe, gilt für Organe, die zwar noch vorhanden sind, aber so. stark zurückgebildet sind, dass sie gar keine Funktion mehr haben (z.B. die funktionslosen Muskeln der Ohrmuschel beim Menschen, kleine Beckenreste bei Walfischen, die Nägel an den Flüssen von Seelöwen). Für solche Teile wird der Begriff Rudimente verwendet. Oft zeigen verwandte Arten nicht nur Übereinstimmungen in Bezug auf körperliche Merkmale, sondern auch in Bezug auf ihr Verhalten (Homologien von Verhaltensweisen).

Bsp.:

• Blinddarm mit Wurmfortsatz

• Körperbehaarung

• Steissbein

• Ohrmuskeln

• Weisheitszähne

Was zu Darwins Zeilen noch nicht bekannt war und als wichtiges Argument gegen seine Theorie ins Feld geführt wurde, sind die Brückentiere oder «missing links». Inzwischen kennt man mehrere solcher Organismen, die Merkmale zweier verschiedener Klassen tragen, wie die . Überreste des Urvogels Archäopteryx (u.a. mit Schnabel und Zähnen, Federn, einem langen Reptilienschwanz und Krallen an den Flügeln) oder' das heute noch lebende Schnabeltier (eierlegendes Säugetier mit Schuppen zwischen den Haaren).

Ein Mensch durchläuft während seiner Embryonalentwicklung Stadien in denen er Anlagen von flossenähnlichen Gebilden, Kiemenbögen und Kiemenspalten aufweist, vorübergehend hat er hat eine Dotterblase oder ist vollständig behaart. Neugeborene krümmen bei Berührung der Fusssohle ihre Zehen zum Greifen. Bei zahnlosen Bartwalen finden sich die Anlagen für Zähne und bei Blindschleichen diejenigen von Vorderextremitäten. Lebewesen zeigen also oft Reste älterer Bau-Merkmale aber auch älterer Verhaltensweisen die zu solchen Organen gehören, da die entsprechenden Gene im Laufe der Evolution nicht einfach verschwinden. Diese Beobachtungen führten Häckel zu seinem biogenetischen Grundgesetz, das besagt, dass jedes Lebewesen die Entwicklungsstufen seiner Art während der Embryonalentwicklung nochmals durchläuft: "Die Entwicklung eines Einzelwesens ist eine kurze und schnelle Wiederholung seiner Stammesgeschichte."

Wiederauftreten von ursprünglichen Merkmalen durch eine Mutation bei einzelnen Individuen, die bei Vorfahren voll entwickelt waren aber im Lauf der Evolution reduziert oder ganz verschwanden.

In diesem Zusammenhang müssen auch jene Phänomene gesehen werden, bei denen ein Lebewesen plötzlich wieder Merkmale seiner Vorfahren aufweist. So gibt es Fohlen, die mit mehrzehigen Vorderbeinen geboren werden, aber auch menschliche Säuglinge die völlig behaart sind, andere weisen Schwanz-Stummel auf oder haben eine Reihe von Brustwarzen. Solche Rückschläge nennt man wissenschaftlich Atavismen.

Der erste grosse Systematiker der Neuzeit ist der Schwede Carl von Linné (1707-1778). Auf ihn geht die binäre Nomenklatur zurück, nach der jede Art einen Doppelnamen führt (z.B. Betula pendula die Hängebirke, Panthera tigris der Tiger, Melolontha melolontha der FeldMaikäfer), wobei der erste Name die Gattungsbezeichnung, der zweite die Artbezeichnung ist.

Rassen/Unterarten fUhren dagegen einen Dreifachnamen. Der Artbezeichnung wird manchmal der Familienname des Entdeckers der Art bzw. ihres Namensgebers sowie die dazugehörige Jahreszahl angehängt. Allgemein schreibt man die Taxa Gattung, Art und Unterart kursiv.

Individuen, die in ihren wesentlichen Merkmalen übereinstimmen und unter natürlichen Bedingungen fortpflanzungsfähige Nachkommen erzeugen können.

Kreuzt man zum Beispiel ein Pferd mit einem Esel, so entsteht ein Maultier (Pferd ist Mutter) oder Maulesel (Pferd ist Vater). Solche Nachkommen aus einer Kreuzung von zwei verschiedenen Arten – auch Hybride genannt – sind nicht mehr fortpflanzungsfähig. Das gleiche gilt zum Beispiel auch für den Liger, eine Kreuzung aus Löwe und Tiger.

Gruppe von Lebewesen, die in wesentlichen Merkmalen untereinander und mit ihren Nachkommen übereinstimmen

Gruppe von Individuen, die eine Fortpflanzungsgemeinschaft bilden und von anderen Gruppen genetisch isoliert sind

Als Allel bezeichnet man eine von mehreren Zustandsformen eines Gens. Beispielsweise gibt es bei Erbsen rot blühende und weiss blühende Rassen, wobei dem Merkmal der roten Blütenfarbeein anderes Allel zugrunde liegt als jenem der weissen Blütenfarbe.

Der Genpool ist die Gesamtheit der Gene bzw. Allele in einer Population. Er bildet die genetische Grundlage für evolutive Veränderung.

Unter den Individuen gibt es einen Existenzkampf. – «struggle for life»

Die einzelnen Individuen überleben unterschiedlich gut und lang. Es gibt eine natürliche Auslese «survival of the fittest» bzw. eine Selektion.

Die unzähligen kleinen und grösseren Veränderungen summieren sich. Über unzählige Generationen hinweg verändern sich die Arten nach und nach. d.h. es findet eine Evolution statt.

Durch Mutation und Rekombination werden eine Vielzahl von unterschiedlichen Genotypen und Phänotypen geschaffen, die dann den Einwirkungen anderer Evolutionsfaktoren ausgesetzt sind.

Gendrift (Zufallsselektion) bewirkt die Veränderung von Genhäufigkeiten durch zufällige Auswahl. Rein zufällig Oberleben bestimmte Individuen Naturkatastrophen, wie z. B. Waldbrande, Überschwemmungen oder Erdbeben. Auch bei der Neubesiedelung eines Gebietes, z. B. einer neu entstandenen Insel, bestehen die Gründerpopulationen aus einer zufälligen Genotypkombination.

Migration (Genfluss) beschreibt die Veränderung der Genfrequenzen in einer Population, die durch Zuwanderung oder Abwanderung von Individuen bewirkt werden.

Dadurch findet ein Austausch zwischen den einzelnen Genpools der Populationen statt (Genfluss).

Die Anpassungsselektion bewirkt, dass Individuen mit einer besseren Eignung mehr Nachkommen haben als andere. Diese unterschiedliche Fitness kann sich z.B. beim Nahrungserwerb, beim Wettbewerb um einen Geschlechtspartner, bei der Flucht vor Fressfeinden oder der Resistenz gegenüber Krankheiten auswirken.

Mutation, Rekombination

(zufällige Änderung der Genotypen)

Selektion

(unterschiedlicher Fortpftanzungserfog der verschiedenen Genotypen)

Gendrift

(zufällige Bestandsänderung durch Verkleinerung der Population; Inzucht)

Genfluss

(Ein- und Auswanderung von Individuen)