Lernkarten Biologie - Kapitel 5: Systematik & Evolution

Definitionen

• Taxonomie (Systematik): Der Bereich der Biologie, der sich mit der Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Lebewesen befasst.
• Taxon (pl. Taxa): Eine wissenschaftlich benannte Gruppe von Organismen auf einer beliebigen Stufe der Klassifikation.
• Phylogenie: Die Stammesgeschichte der Lebewesen, oft basierend auf DNA-Analysen und morphologischen Vergleichen, um Verwandtschaftsbeziehungen darzustellen.

Artbegriff

• Morphologische Art: Eine Gruppe von Lebewesen, die in wesentlichen äußeren Merkmalen (Bau und Gestalt) untereinander und mit ihren Nachkommen übereinstimmen.
  • Problem: Sexueller Dimorphismus, Entwicklungsstadien.
• Biologische Art: Eine Gruppe von Individuen, die eine Fortpflanzungsgemeinschaft bilden und von anderen solchen Gruppen genetisch isoliert sind (d.h., sie können sich untereinander fruchtbar fortpflanzen, aber nicht oder nur sehr begrenzt mit Mitgliedern anderer Arten).
  • Problem: Asexuelle Arten, ausgestorbene Arten, Hybridisierung.
• Hybrid-Formen: Nachkommen aus der Kreuzung nah verwandter, aber unterschiedlicher biologischer Arten (z.B. Liger = Löwe + Tiger; Maultier = Pferd + Esel). Hybride sind oft steril (unfruchtbar), aber nicht immer (weibliche Liger sind manchmal fertil).
• Binäre Nomenklatur (Carl von Linné): Jede Art erhält einen zweiteiligen lateinischen Namen, bestehend aus Gattungsname (großgeschrieben) und Artepithet (kleingeschrieben), beides kursiv. Z.B. Homo sapiens.

Hierarchische Gliederung der Lebewesen

Lebewesen werden in ein hierarchisches System von Kategorien (Taxa) eingeordnet, das auf Verwandtschaftsbeziehungen basiert. Die 8 Hauptstufen (kennenlernen!):

1. Domäne (z.B. Eukarya)
2. Reich (z.B. Animalia - Tiere)
3. Stamm (Tiere) / Abteilung (Pflanzen, Pilze) (z.B. Chordata - Chordatiere)
4. Klasse (z.B. Mammalia - Säugetiere)
5. Ordnung (z.B. Carnivora - Raubtiere)
6. Familie (z.B. Canidae - Hunde)
7. Gattung (z.B. Canis)
8. Art (z.B. Canis lupus - Wolf)

(Optional: Unterart/Rasse/Sorte als feinste Unterteilung)

Beispiel Hundefamilie (Canidae): Zeigt, wie Arten (z.B. Polarfuchs, Rotfuchs) zu Gattungen (z.B. Vulpes, Canis) und diese zu Familien zusammengefasst werden.

Phylogenetischer Stammbaum (Tree of Life)

Stellt die evolutionären Beziehungen zwischen verschiedenen Organismengruppen dar.

• Zeigt gemeinsame Vorfahren und Aufspaltungen in neue Linien.
• Wichtige Unterscheidung: Prokaryoten (ohne Zellkern: Domänen Archaea und Bacteria) und Eukaryoten (mit Zellkern: Domäne Eukarya).
• Innerhalb der Eukaryoten: Protisten (oft einzellige Eukaryoten), Pflanzen, Pilze, Tiere.

1. Kernlose Einzeller (Prokaryoten, Reich: Monera)

• Sehr kleine Zellen (Procyten).
• Kein echter Zellkern, Erbsubstanz (DNA) liegt frei im Zytoplasma (Nukleoid).
• Keine membranumhüllten Organellen (wie Mitochondrien, Chloroplasten, ER).
• Besitzen meist eine Zellwand (bei Bakterien oft aus Murein).
• Können Zellverbände bilden.
• Ernährung: Heterotroph oder autotroph (z.B. Cyanobakterien durch Fotosynthese).
• Fortbewegung: Viele mit Geißeln.
• Fortpflanzung: Hauptsächlich asexuell durch einfache Zellteilung.
• Beispiele: Bakterien, Cyanobakterien (Blaualgen).

2. Echte Einzeller (Protisten, Eukaryoten)

• Zellen mit echtem Zellkern und membranumhüllten Organellen (Eucyten).
• Meist einzellig, manche bilden Kolonien oder sind wenigzellig.
• Sehr vielfältige Gruppe.
• Fortbewegung: Oft mit Geißeln, Zilien oder Pseudopodien.
• Ernährung: Autotroph (z.B. Algen) oder heterotroph (z.B. Amöben, Pantoffeltierchen).
• Fortpflanzung: Meist vegetativ (asexuell), aber auch sexuelle Prozesse kommen vor.
• Leben meist im Wasser oder in feuchten Umgebungen.
• Beispiele: Amöben, Pantoffeltierchen, Euglena (Augentierchen), Volvox (Kugelalge), diverse Algen.

3. Pilze (Fungi, Eukaryoten)

• Mehrheitlich vielzellig (Ausnahme: Hefen). Der Hauptkörper besteht oft aus einem unterirdischen Fadengeflecht (Mycel), der sichtbare Fruchtkörper dient der Fortpflanzung.
• Zellen mit echtem Zellkern und Organellen.
• Besitzen Zellwände aus Chitin.
• Ernährung: Heterotroph (meist saprophytisch – Abbau toter organischer Substanz, oder parasitisch).
• Keine aktive Fortbewegung.
• Fortpflanzung: Vegetativ (asexuell) durch Sporen, Knospung oder Fragmentierung des Mycels, und sexuell durch Sporenbildung nach Kernverschmelzung.
• Beispiele: Hutpilze (Steinpilz), Schimmelpilze, Hefen.

4. Pflanzen (Plantae, Eukaryoten)

• Mehrzellig.
• Zellen mit echtem Zellkern und Organellen.
• Besitzen Zellwände aus Zellulose.
• Ernährung: Autotroph durch Fotosynthese (Chloroplasten).
• Keine aktive Fortbewegung (sesshaft).
• Fortpflanzung: Vegetativ (asexuell) und/oder sexuell (mit Blüten und Samen bei Samenpflanzen, oder Sporen bei Moosen/Farnen).
• Beispiele: Moose, Farne, Nadelbäume, Laubbäume, Blütenpflanzen.

5. Tiere (Animalia, Eukaryoten)

• Mehrzellig.
• Zellen mit echtem Zellkern und Organellen.
• Besitzen keine Zellwände.
• Ernährung: Heterotroph (Aufnahme und Verdauung organischer Nahrung).
• Meist aktive Fortbewegung (zumindest in einem Lebensstadium).
• Fortpflanzung: Überwiegend sexuell.
• Beispiele: Insekten, Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel, Säugetiere.

Viren – Lebewesen?

• Keine Lebewesen im klassischen Sinn, da sie viele Kennzeichen des Lebens nicht erfüllen.
• Aufbau: Bestehen nicht aus Zellen, sondern aus Erbsubstanz (DNA oder RNA) verpackt in einer Proteinhülle (Kapsid), manchmal zusätzlich eine äußere Hülle.
• Größe: Nanometerbereich (viel kleiner als Bakterien).
• Kein eigener Stoffwechsel: Nutzen den Stoffwechsel der Wirtszelle für ihre Vermehrung.
• Keine eigene Fortpflanzung/Wachstum: Vermehrung erfolgt ausschließlich innerhalb einer lebenden Wirtszelle, indem sie deren Syntheseapparat umprogrammieren.
• Bestehen jedoch aus organischen Biomolekülen (Proteine, Nukleinsäuren).

Definition Evolution

Evolution (lat. *evolvere* = entwickeln) ist die stammesgeschichtliche Entwicklung der Lebewesen. Sie umfasst die Entstehung des Lebens, die Entstehung und Veränderung verschiedener Arten im Laufe erdgeschichtlicher Zeiträume sowie deren Aussterben.

Kennzeichen der Evolution:

• Langsame, graduelle Veränderung über große Zeiträume.
• Anpassung von Arten an (veränderte) Umweltbedingungen.
• Kann mit Zunahme von Komplexität verbunden sein.
• Findet immer noch statt.

Beispiel Pferdeevolution: Zeigt über 50 Mio. Jahre Veränderungen in Widerristhöhe, Zehenzahl und Zahnform als Anpassung an veränderte Lebensräume (Wald zu Steppe).

Veränderung wissenschaftlicher Weltbilder zur Artenentstehung

• Carl von Linné (18. Jh.): Ging von der Konstanz der Arten aus, d.h. Arten seien bei der Schöpfung unveränderlich geschaffen worden. Begründete die binäre Nomenklatur und ein hierarchisches Klassifikationssystem.
• Georges Cuvier (Ende 18./Anf. 19. Jh.): Begründer der Paläontologie. Stellte fest, dass Fossilien verschiedener Erdschichten unterschiedliche Arten zeigten und viele ausgestorben waren. Erklärte dies mit der Katastrophentheorie (Naturkatastrophen vernichten Leben, Neubesiedlung/Neuschöpfung). Ging weiterhin von Konstanz der Arten aus.
• Jean Baptiste de Lamarck (Anf. 19. Jh.): Postulierte den Artenwandel (Veränderung der Arten im Laufe der Zeit).
  • Lamarckismus – Kernpunkte:
    1. Veränderte Lebensbedingungen führen zu neuen Bedürfnissen und dadurch zu neuen Tätigkeiten/Gewohnheiten.
    2. Innerer Drang nach Vervollkommnung und aktiver Anpassung an die Umwelt.
    3. Gebrauch von Organen führt zu deren Stärkung, Nichtgebrauch zur Rückbildung.
    4. Vererbung erworbener Eigenschaften an die Nachkommen. (Dieser Punkt ist heute widerlegt; Modifikationen sind nicht erblich).
• Charles Darwin (Mitte 19. Jh.): Entwickelte die Theorie der Evolution durch natürliche Selektion.
  • Darwins Kernpunkte (basierend auf Beobachtungen):
    1. Überproduktion: Organismen erzeugen mehr Nachkommen, als überleben können.
    2. Variabilität: Die Individuen einer Art sind nicht identisch, sondern zeigen Unterschiede in ihren Merkmalen.
    3. Selektion ("struggle for life", "survival of the fittest"): Im "Kampf ums Dasein" (Konkurrenz um Ressourcen, Flucht vor Feinden etc.) überleben und vermehren sich diejenigen Individuen, deren Merkmale ihnen einen Vorteil in der jeweiligen Umwelt verschaffen (höhere Fitness).
    4. Vererbung: Die vorteilhaften Merkmale werden an die Nachkommen weitergegeben, wodurch sich die Art im Laufe der Generationen anpasst.
  • Beispiele für Darwins Theorie: Darwinfinken auf Galapagos (Anpassung der Schnabelform an unterschiedliche Nahrungsquellen), Birkenspanner (Industriemelanismus – Anpassung der Färbung an veränderte Baumrinden), sexuelle Selektion (z.B. Pfauenschwanz), künstliche Selektion durch den Menschen (Züchtung).

Ursachen der Variabilität (Darwin noch nicht bekannt)

• Mutation: Zufällige, ungerichtete Veränderungen im Erbgut (DNA). Können spontan oder durch Mutagene (z.B. UV-Strahlung, Chemikalien) induziert werden. Schaffen neue Allele und sind die primäre Quelle genetischer Variation.
• Rekombination: Neukombination von Allelen während der sexuellen Fortpflanzung (Meiose).
  • Interchromosomale Rekombination: Zufällige Verteilung mütterlicher und väterlicher Chromosomen in der Metaphase I der Meiose.
  • Intrachromosomale Rekombination (Crossing-over): Stückaustausch zwischen homologen Chromosomen in der Prophase I der Meiose.

Gene und Allele: Gene sind Erbanlagen für bestimmte Merkmale. Allele sind unterschiedliche Varianten eines Gens (z.B. Allel für rote Blütenfarbe, Allel für weiße Blütenfarbe).

Synthetische Evolutionstheorie (Moderne Evolutionstheorie)

Vereint Darwins Theorie der natürlichen Selektion mit Erkenntnissen aus der Genetik (v.a. Populationsgenetik), Ökologie, Paläontologie und anderen biologischen Disziplinen.

• Basis: Darwins Evolutionstheorie.
• Definition von Evolution: Veränderung der Allelfrequenzen im Genpool einer Population über Generationen. (Genpool = Gesamtheit aller Allele in einer Population).
• Evolutionsfaktoren (verändern Allelfrequenzen):
  • Mutation (erzeugt neue Allele)
  • Rekombination (mischt Allele neu)
  • Selektion (bevorzugt/benachteiligt bestimmte Allele/Phänotypen)
  • Gendrift (zufällige Veränderungen der Allelfrequenzen, v.a. in kleinen Populationen)
  • Genfluss (Migration von Individuen zwischen Populationen)
  • Isolation (führt zur getrennten Entwicklung von Populationen und kann Artbildung bewirken)
• Fitness: Relativer Fortpflanzungserfolg eines Individuums (bzw. eines Genotyps) in einer bestimmten Umwelt; Beitrag zum Genpool der nächsten Generation.

Fossilien

Versteinerte Überreste oder Spuren von Lebewesen vergangener Erdzeitalter.

• Arten von Fossilien:
  • Versteinerungen: Erhaltung von Hartteilen (Knochen, Schalen, Zähne), bei denen organische Substanz durch Mineralien ersetzt wurde.
  • Abdrücke/Steinkerne: Äußere oder innere Form eines Lebewesens bleibt als Hohlform oder Ausguss erhalten. Z.B. Fußabdrücke, Hohlräume von Muschelschalen.
  • Inkohlung: Unter Luftabschluss und Druck werden organische Verbindungen zu Kohlenstoff reduziert (z.B. Pflanzenreste → Kohle).
  • Einschlüsse: Vollständige Erhaltung von Organismen in z.B. Bernstein, Eis oder Salz. Erlaubt manchmal sogar DNA-Analysen.
• Bedeutung: Direkte Zeugen früherer Lebensformen, zeigen Formenwandel über die Zeit, ermöglichen Rekonstruktion von Stammbäumen, Nachweis von Übergangsformen.

Brückentiere (Mosaiktiere)

Lebewesen, die Merkmale von zwei verschiedenen Organismengruppen in sich vereinen. Sie deuten auf gemeinsame Vorfahren und evolutionäre Übergänge hin.

• Beispiel Schnabeltier:
  • Säugetiermerkmale: Fell, Milchdrüsen (ohne Zitzen), gleichwarm.
  • Reptilienmerkmale: Legt Eier, Kloake (gemeinsamer Ausgang für Darm, Harn- und Geschlechtsorgane), Giftsporn bei Männchen.

Homologien

Ähnlichkeit von Merkmalen, Strukturen oder Organen bei verschiedenen Arten aufgrund gemeinsamer Abstammung und Herkunft.

• Der Grundbauplan ist gleich, die Funktion kann aber durch Anpassung an unterschiedliche Lebensweisen verschieden sein (Divergenz).
• Kriterien zur Erkennung von Homologien:
  • Kriterium der Lage: Strukturen nehmen im Bauplan die gleiche Lage ein.
  • Kriterium der spezifischen Qualität: Strukturen stimmen in vielen komplexen Einzelmerkmalen überein.
  • Kriterium der Stetigkeit/Kontinuität: Strukturen lassen sich durch Zwischenformen miteinander verbinden (z.B. Fossilien oder Embryonalstadien).
• Beispiele:
  • Vorderextremitäten der Wirbeltiere: Gleicher Knochenbauplan (Oberarm-, Unterarm-, Handwurzel-, Mittelhand-, Fingerknochen) bei Mensch (Arm), Vogel/Fledermaus (Flügel), Wal (Flipper), Pferd (Bein), Maulwurf (Grabbein) trotz unterschiedlicher Funktionen.
  • Grundbauplan des Insektenbeins (modifiziert als Sprung-, Grab-, Schwimmbein).
  • Entwicklung der Gehörknöchelchen (Hammer, Amboss, Steigbügel) der Säugetiere aus Kieferknochen der Reptilien-Vorfahren (Articulare, Quadratum).
  • Zähne und Placoidschuppen der Haie.

Analogien (Konvergenz)

Ähnlichkeit von Merkmalen, Strukturen oder Organen bei verschiedenen Arten aufgrund ähnlicher Funktion und Anpassung an gleiche Umweltbedingungen, aber nicht aufgrund gemeinsamer Abstammung.

• Der Grundbauplan ist unterschiedlich.
• Entstehen durch konvergente Entwicklung (Konvergenz): Unabhängige Entwicklung ähnlicher Merkmale bei nicht näher verwandten Arten als Reaktion auf ähnliche Selektionsdrücke.
• Beispiele:
  • Flügel von Vögeln und Insekten: Dienen beide dem Fliegen, haben aber einen völlig unterschiedlichen anatomischen Aufbau.
  • Stromlinienförmiger Körper bei schnell schwimmenden Wassertieren wie Haien (Fisch), Delfinen (Säugetier) und ausgestorbenen Ichthyosauriern (Reptil).
  • Grabschaufeln von Maulwurf (Säugetier) und Maulwurfsgrille (Insekt).
  • Sukkulenz (Wasserspeicherung in verdickten Sprossen/Blättern) bei Kakteen (Amerika) und Wolfsmilchgewächsen (Afrika) in trockenen Gebieten.

Rudimente

Zurückgebildete, oft funktionslose oder funktionsveränderte Organe oder Strukturen, die bei Vorfahren eine Funktion hatten. Sie sind Hinweise auf die Abstammung.

• Beispiele:
  • Reste des Beckenknochens und Hinterextremitäten bei Walen.
  • Nägel an den Flossen von Seelöwen.
  • Weisheitszähne, Steißbein (Rest der Schwanzwirbelsäule), Wurmfortsatz des Blinddarms beim Menschen.
  • Reste von Flügeln bei flugunfähigen Vögeln (z.B. Kiwi).

Entwicklungshomologien (Embryonalentwicklung)

Die Embryonalstadien verschiedener Wirbeltiere zeigen oft auffällige Ähnlichkeiten, die auf eine gemeinsame Abstammung hindeuten, auch wenn die adulten Formen stark voneinander abweichen.

• Biogenetische Grundregel (Ernst Haeckel, 1866 - heute stark relativiert und modifiziert): "Die Ontogenese (Individualentwicklung) ist eine kurze und schnelle Wiederholung der Phylogenese (Stammesgeschichte)." Diese Regel gilt nicht mehr uneingeschränkt, aber Ähnlichkeiten in frühen Entwicklungsstadien bleiben ein wichtiger Beleg.
• Beispiele beim Menschen-Embryo: Anlagen von Kiemenbögen/-spalten (wie bei Fischen), Dottersackanlage, zeitweise vollständige Behaarung (Lanugo).

Molekularbiologische Belege

Vergleiche von DNA-Sequenzen, Proteinsequenzen (Aminosäureabfolgen) oder Cytochrom-c-Stammbäumen.

• Je ähnlicher die Sequenzen, desto näher ist die Verwandtschaft.
• Universeller genetischer Code ist ein starker Beleg für gemeinsamen Ursprung allen Lebens.
• DNA-Hybridisierung, Sequenzanalyse.