Aufgaben: Die Evolution der Arten

Erkläre, was man nach dem biologischen Artbegriff (Kreuzung mit fruchtbaren Nachkommen) unter einer Art versteht, und nenne ein Beispiel für zwei verwandte Tiere, die zu verschiedenen Arten gehören.

Betrachte das Schema, das drei Phasen in der Evolution einer Population zeigt, die durch eine geografische Barriere geteilt wird. Was versteht man unter Artbildung? Erkläre Phase für Phase, wie die geografische Isolation zur Bildung einer neuen Art führen kann, und gib an, was du bei den beiden mit ? markierten Gruppen überprüfen würdest, um herauszufinden, ob es sich bereits um verschiedene Arten handelt.

Definiere Biodiversität und nenne ihre drei Ebenen. Gib zu jeder Ebene ein Beispiel an.

Unterscheide anhand eines Beispiels vom selben Ort zwischen Population und Lebensgemeinschaft: alle Spatzen eines Parks im Vergleich zu allen Lebewesen dieses Parks. Warum wird der Artbegriff auf Populationen und nicht auf Lebensgemeinschaften angewendet?

Ein Pferd und ein Esel können sich kreuzen und ein Maultier hervorbringen, gehören aber zu verschiedenen Arten. Erkläre unter Anwendung des biologischen Artbegriffs, warum das Maultier die beiden Arten nicht „verbindet“.

Herausforderung zum Thema. Nenne drei Beispiele für geografische Barrieren, die eine Population von Lebewesen teilen können (zum Beispiel ein Gebirge, ein Fluss, der seinen Lauf verändert, oder ein Meeresarm), und erkläre, woran die jeweilige Barriere die Individuen auf beiden Seiten genau hindert.

Bewertet wird, dass du drei verschiedene geografische Barrieren nennst und erklärst, dass sie verhindern, dass die Individuen auf beiden Seiten einander begegnen und sich miteinander kreuzen.

Erkläre, was eine adaptive Radiation ist, und beschreibe sie am Beispiel der Darwinfinken der Galápagosinseln: Aus einer vom Festland eingewanderten Stammart entstanden mehrere Arten mit Schnäbeln, die an unterschiedliche Nahrung angepasst sind.

Erkläre, was ein Aussterben ist und wann man von einem Massenaussterben spricht. Nenne dazu zwei Beispiele aus der Erdgeschichte (zum Beispiel das am Ende des Perms oder das, das am Ende der Kreidezeit die Dinosaurier auslöschte).

In einer Käferpopulation gibt es Individuen mit helleren und dunkleren Flügeldecken, und Fressfeinde sehen die hellen auf der dunklen Baumrinde besser. Erkläre Schritt für Schritt, wie die natürliche Selektion in den folgenden Generationen auf die Häufigkeit der beiden Farben wirken wird.

Unterscheide zwischen geografischer und reproduktiver Isolation und erkläre, warum die zweite entscheidend dafür ist, dass zwei Populationen bereits verschiedene Arten sind.

Auf beiden Seiten des Grand Canyon leben sehr ähnliche, aber verschiedene Arten von Hörnchen. Erkläre, welche Form der Artbildung dieses Beispiel veranschaulicht, und rekonstruiere den Prozess, der sie hervorgebracht hat.

Manche Fliegen legen ihre Eier auf Apfelbäumen ab, andere, eng mit ihnen verwandte, auf Weißdorn, und jede Gruppe paart sich fast immer innerhalb ihrer Wirtspflanze. Erkläre, was sympatrische Artbildung ist und worin sie sich vom klassischen Fall der geografischen Barriere unterscheidet.

Einige Taufliegen werden seit Hunderten von Generationen im Labor gezüchtet, getrennt von wild lebenden Tieren, und paaren sich kaum noch mit diesen, wenn man sie zusammenbringt. Begründe unter Anwendung des biologischen Artbegriffs, ob man sagen kann, dass die Laborfliegen auf dem Weg zu einer eigenen Art sind.

Erkläre, warum Inseln als „natürliche Evolutionslabore“ gelten: Welche Rolle spielen die Isolation, neue Lebensräume mit wenigen Konkurrenten und adaptive Radiationen? Nenne ein Beispiel (Galápagos, Kanarische Inseln oder Madagaskar).

Der Hai (Fisch), der Pinguin (Vogel) und der Delfin (Säugetier) haben einen sehr ähnlichen strömungsgünstigen Körper, ohne nah verwandt zu sein. Erkläre, was Konvergenz in der Evolution ist, wie ähnliche Lebensräume ähnliche Lösungen auslesen und warum Ähnlichkeit nicht auf Verwandtschaft hinweist.

Nenne die wichtigsten Gründe, warum menschliche Aktivitäten heute den Verlust an Biodiversität beschleunigen (Zerstörung von Lebensräumen, invasive Arten, Übernutzung, Umweltverschmutzung und Klimawandel), und erkläre kurz, wie jeder dieser Faktoren wirkt.

Bei einem Patienten wird eine bakterielle Infektion diagnostiziert. Er bricht eine für 10 Tage verschriebene Antibiotikabehandlung nach 4 Tagen ab, weil er keine Symptome mehr hat. Nach zwei Wochen tritt die Infektion aggressiver wieder auf, und dasselbe Antibiotikum wirkt nicht mehr. Ein Angehöriger sagt: „Die Bakterien haben sich an das Medikament gewöhnt, um zu überleben, und sind jetzt immun geworden.“ Widerlege die Aussage des Angehörigen auf Grundlage der Theorie der natürlichen Selektion und sage begründet voraus, wie sich die Häufigkeiten sensibler und resistenter Bakterien in der Bakterienpopulation zwischen Behandlungsbeginn, Tag 4 und dem Rückfall verändert haben.

Auf einer ozeanischen Insel, die gerade erst nach einem Vulkanausbruch entstanden ist, treibt ein Sturm ein kleines Vegetationsfloß mit 8 Käfern einer Festlandart an (6 grüne und 2 braune). Auf dem Festland leben Millionen dieser Käfer; dort sind 95 % braun und getarnt und nur 5 % grün, da Vögel die grünen leicht erbeuten. Nach mehreren Generationen sind auf der Insel (wo es keine Fressfeinde unter den Vögeln gibt) 75 % der Käfer grün. Begründe, auf welchen Evolutionsmechanismus der anfängliche Unterschied zurückgeht, und sage voraus, wie sich die genetische Drift im Vergleich zur natürlichen Selektion auswirken wird, wenn die Inselpopulation klein bleibt.

Die natürliche fossile Aussterberate („Hintergrundrate“) wird auf 1 Art pro Million Arten und Jahr geschätzt, während die heutige, vom Menschen verursachte Rate 100- bis 1.000-mal höher ist. Nach den großen Massenaussterben der Vergangenheit (wie am Ende des Perms oder der Kreidezeit) brauchte die Biosphäre 5 bis 10 Millionen Jahre, um ihre Biodiversität durch adaptive Radiation wiederherzustellen. Analysiere und begründe, warum das heutige Tempo der Lebensraumzerstörung nicht durch die Entstehung neuer Arten ausgeglichen werden kann und welche Auswirkungen dies auf geologischer Zeitskala auf den Stammbaum des Lebens haben wird.

Im Victoriasee leben Hunderte von Buntbarscharten nebeneinander, die in nur 15.000 Jahren entstanden sind, dank der Nutzung von Mikronischen und weil die Weibchen die Männchen anhand sehr lebhafter Farbmuster im klaren Wasser optisch auswählen. In den letzten Jahrzehnten haben Abwassereinleitungen und Entwaldung das Wasser des Sees stark getrübt. Sage voraus und begründe, welche unmittelbaren evolutionären Folgen der Sichtverlust für die Fortpflanzungsbarrieren zwischen den Buntbarscharten hat, und erläutere, was mit der genetischen Vielfalt und der Anzahl der unterscheidbaren Arten geschehen wird.

Eine klassische Abbildung aus einem alten Buch zeigt die Evolution des Pferdes als Reihe hintereinander: Das kleine Hyracotherium (vierzehig, Laubfresser im Wald) geht hinter Zwischenformen her, die stetig größer werden und Zehen verlieren, bis zum modernen Pferd (Equus, großwüchsig, Steppenläufer mit nur einer Zehe). Die Bildunterschrift lautet: „Die Evolution folgt einer festen Richtung hin zu größeren, komplexeren und vollkommeneren Formen.“ Widerlege diese Aussage, indem du mindestens zwei begriffliche Fehler benennst, und begründe, warum Paläontologen die Stammesgeschichte des Pferdes heute als verzweigten Busch darstellen, der an Klimaveränderungen angepasst ist, und nicht als fortschreitende Leiter.

Ein landwirtschaftliches Forschungszentrum erzeugt eine geklonte Weizensorte (genetisch zu 100 % identisch), die bei mäßiger Trockenheit 40 % mehr Ertrag bringt als jede traditionelle Sorte. Der Agrarwissenschaftler behauptet: „Wir haben den optimalen Phänotyp erreicht; die genetische Variabilität auf unseren Feldern zu beseitigen ist langfristig die sicherste evolutionäre Strategie.“ Sage begründet voraus, was mit dieser Kultur im Vergleich zu einer vielfältigen traditionellen Kultur geschieht, wenn ein neuer, unvorhergesehener Pilzbefall auftritt, und begründe, warum es in sich verändernden Umwelten für natürliche Populationen vorteilhaft ist, genetische Variabilität zu erhalten, statt sich auf einen einzigen vermeintlich optimalen Typ zu vereinheitlichen.

Der unterirdisch lebende Fisch Astyanax mexicanus hat keine funktionsfähigen Augen und keine Pigmentierung, anders als Individuen derselben Art, die in hellen Oberflächenflüssen leben. Ein Schüler stellt zwei Hypothesen auf: 1) „Weil sie im Dunkeln leben, haben sie die Augen nicht mehr benutzt, diese haben sich zurückgebildet und die Nachkommen haben diese Blindheit geerbt“; 2) „Der Verlust von Organen kann keine Evolution durch natürliche Selektion sein, denn Evolution bedeutet immer, komplexere Strukturen zu gewinnen.“ Widerlege beide Hypothesen: Zeige den lamarckistischen Fehler der ersten auf und begründe mit Blick auf Stoffwechselkosten und Energiebilanz in einem nahrungsarmen Lebensraum, warum die Rückbildung von Augen und Pigmenten ein Anpassungsvorteil gewesen sein kann.

Der Eisbär (Ursus maritimus) und der Braunbär (Ursus arctos) haben sich vor etwa 500.000 Jahren getrennt und zeigen sehr unterschiedliche morphologische und stoffwechselbezogene Anpassungen. Durch den Rückgang des arktischen Eises überlappen sich ihre Verbreitungsgebiete immer stärker, und in freier Natur wurden fruchtbare Hybriden dokumentiert („Grolar-Bären“). Aufgaben mit diesen Angaben: a) Stelle die Grenzen des biologischen Artbegriffs in diesem Fall infrage. b) Sage voraus und begründe, welche langfristigen genetischen Folgen dieser Genfluss für den Erhalt der spezifischen Anpassungen des Eisbären haben könnte, wenn das Eis weiter verschwindet.

Herausforderung zum Thema. Stell dir vor, du arbeitest als Evolutionsbiologe bzw. Evolutionsbiologin und sollst die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf die Tierwelt deiner Region bewerten.

1. Datenerhebung: Rufe die offizielle Website des Deutschen Wetterdienstes (DWD, Bereich Klimadaten oder Klimaatlas) auf und notiere die Abweichung bzw. Veränderung der Jahresmitteltemperatur in deinem Kreis in den letzten Jahrzehnten (zum Beispiel $+1,4$ °C).

2. Auswahl des Modells: Wähle eine heimische Art (wie den Haussperling oder die Zauneidechse) und recherchiere ein phänotypisches Merkmal, das mit der Thermoregulation zusammenhängt (zum Beispiel eine mittlere Körperlänge von $14,2$ cm oder die Färbung von Haut bzw. Gefieder).

3. Evolutionsbericht: Verfasse einen kurzen Bericht ($1$ Seite) mit einer Vergleichstabelle, in der du erklärst, wie die Anpassung dieser Population an die Temperaturzunahme gedeutet würde: a) nach dem Lamarckismus (Bedürfnis, Gebrauch/Nichtgebrauch und Vererbung erworbener Eigenschaften) und b) nach der Synthetischen Evolutionstheorie (zufällige Mutation, bereits vorhandene Variabilität und natürliche Selektion). Schließe mit einem begründeten Vorschlag, wie eine lang andauernde geografische Isolation zwischen städtischen und ländlichen Populationen zu einer Artbildung führen könnte.

Bewertet wird:

• Genauigkeit bei der Erhebung und Interpretation der realen Klimadaten des DWD.

• Klare und belegte Unterscheidung zwischen den Mechanismen der Theorie Lamarcks und der Synthetischen Evolutionstheorie.

• Schlüssigkeit bei der Begründung der natürlichen Selektion und der Phasen der Artbildung.