Aufgaben: Die großen Gruppen der Lebewesen

Nenne die großen Gruppen (Reiche) der Lebewesen und schreibe zu jeder ein charakteristisches Merkmal auf, an dem man sie erkennen kann.

Unterscheide Moose, Farne, Nacktsamer und Bedecktsamer anhand des Vorhandenseins von Leitgefäßen, Samen und Blüten und nenne je ein Beispiel.

Erkläre das Kriterium, das Wirbeltiere von Wirbellosen trennt, nenne die fünf Gruppen der Wirbeltiere und je eine evolutive Schlüsselneuheit.

Unterscheide einzellige von vielzelligen Organismen mit je zwei Beispielen und erkläre, welchen Vorteil die Arbeitsteilung zwischen spezialisierten Zellen eines vielzelligen Organismus bringt.

Ordne jeden dieser Organismen seiner großen Gruppe zu (Bakterien, Protisten, Pilze, Pflanzen oder Tiere) und begründe deine Entscheidung: eine Amöbe, ein Hutpilz, eine Eiche, ein Cyanobakterium und ein Schwamm.

Erkläre zwei Merkmale, die Pilze von Pflanzen unterscheiden (Zusammensetzung der Zellwand, Ernährungsweise, Speicherstoff), und begründe, warum Pilze näher mit den Tieren als mit den Pflanzen verwandt sind.

Nenne drei große Gruppen der Wirbellosen (zum Beispiel Nesseltiere, Ringelwürmer, Gliederfüßer, Weichtiere oder Stachelhäuter) und je eine evolutive Neuheit, die sie kennzeichnet (Radiärsymmetrie, Segmentierung, gegliedertes Außenskelett ...).

Was ist ein Protist? Erkläre, warum man von einer „Sammelgruppe“ spricht, was ihre Vertreter gemeinsam haben, und nenne zwei Beispiele, die ihre enorme Vielfalt zeigen (eine einzellige Alge und ein Urtierchen).

Bestimme anhand dieser Beschreibungen, zu welcher großen Gruppe jeder Organismus gehört, und begründe deine Antwort: a) einzelliger Organismus ohne abgegrenzten Zellkern, mit Membranlipiden, die durch Etherbindungen verknüpft sind, der in heißen Quellen lebt; b) vielzelliger eukaryotischer Organismus mit heterotropher Ernährung durch Absorption; c) einzelliger, eukaryotischer, fotosynthetisch aktiver Organismus des Planktons.

Erkläre, welche anatomischen und physiologischen Anpassungen den ersten Wirbeltieren den Übergang vom Wasser an Land ermöglichten und welche Probleme sie lösen mussten (Stützung, Atmung, Austrocknung und Fortpflanzung).

Beantworte anhand des vereinfachten Stammbaums im Schema: a) Gib an, welche heutige Gruppe mit den Tieren den jüngsten gemeinsamen Vorfahren teilt; b) erkläre, was der mit „?“ markierte Knoten darstellt und welche Zellorganisation alle von ihm abstammenden Gruppen gemeinsam haben; c) begründe, ob es richtig ist zu behaupten, Bakterien seien „weniger weit entwickelt“ als Tiere.

Ordne das Auftreten dieser Neuheiten in der Geschichte der Pflanzen und erkläre, welche Unabhängigkeit vom Wasser jede brachte: Leitgefäße, Samen und Blüte.

Ordne das Auftreten dieser evolutiven Neuheiten der Wirbeltiere und weise jede der Gruppe zu, in der sie entstand: Kiefer, Lungen und Gliedmaßen mit Fingern, Amnioten-Ei und Feder.

Erkläre, was eine Synapomorphie (gemeinsames abgeleitetes Merkmal) ist, am Beispiel von Haaren und Milchdrüsen der Säugetiere, und begründe, warum gemeinsame abgeleitete Merkmale und nicht allgemeine Ähnlichkeiten zur Konstruktion von Stammbäumen dienen.

Unterscheide divergente und konvergente Evolution anhand dieser Beispiele: der menschliche Arm und der Flügel der Fledermaus (homologe Organe) gegenüber dem Flügel eines Schmetterlings und dem Flügel eines Vogels (analoge Organe). Erkläre, was jeder Fall über die Verwandtschaft aussagt.

Schwämme sind die einfachsten lebenden Tiere. Beschreibe ihren Körperbau (keine echten Gewebe, Kragengeißelzellen, die das Wasser filtern) und begründe, was dies darüber nahelegt, wie Tiere aus koloniebildenden Protisten entstanden sein könnten.

Ein Schüler der Einführungsphase behauptet im Unterricht: „Krokodile und Eidechsen gehören zur selben Klasse (Reptilien), weil sie Merkmale wie verhornte Schuppen und Wechselwarmheit teilen, während Vögel eine völlig andere Gruppe sind, weil sie Federn haben und gleichwarm sind. Krokodile und Vögel in dasselbe Taxon zu stellen, widerspricht der Morphologie.“ Beantworten Sie anhand der Prinzipien der phylogenetischen Systematik:

1. a) Widerlegen Sie die Aussage des Schülers, indem Sie erklären, warum eine Klassifikation auf Grundlage verhornter Schuppen oder Wechselwarmheit eine paraphyletische Gruppe ergibt. Unterscheiden Sie in Ihrer Antwort zwischen Plesiomorphien (ursprüngliche Merkmale) und Synapomorphien (gemeinsame abgeleitete Merkmale).
2. b) Zeichnen oder skizzieren Sie ein Kladogramm, in dem Sie den gemeinsamen Vorfahren der Amnioten, die Lepidosaurier (Eidechsen), die Krokodile und die Vögel einordnen. Tragen Sie an den entsprechenden Ästen mindestens zwei Synapomorphien ein, die ausschließlich für das Taxon Archosauria (Vögel und Krokodile) gelten.
3. c) Sagen Sie vorher, was geschähe, wenn Sie in einer Fossilschicht einen Organismus mit Antorbitalfenster im Schädel und Muskelmagen fänden, der aber mit Schuppen bedeckt wäre und keine Spur von Federn hätte: An welcher Stelle Ihres Kladogramms würden Sie ihn einordnen, und welche Folgen hätte das für die traditionelle Definition von „Reptil“?

In einem Hochgebirgssee der Iberischen Halbinsel wurde im letzten Jahrzehnt ein Populationseinbruch von 80 % bei der Geburtshelferkröte (Alytes obstetricans) festgestellt, während die Bestände der Vipernatter (Natrix maura) und der Libellen keine signifikanten Rückgänge zeigen. Die Umweltanalysen ergeben eine erhöhte UV-B-Strahlung, eine mäßige Nitratkonzentration aus der Viehhaltung (18,5 mg/L) und das Vorkommen des Krankheitserreger-Pilzes Batrachochytrium dendrobatidis.

1. a) Deuten Sie unter Bezug auf Anatomie und Physiologie der Amphibien (Gasaustausch über die Haut, zweiphasiger Fortpflanzungszyklus und Metamorphose), warum diese Faktoren Amphibien verheerend treffen, nicht aber die Reptilien desselben Gewässers.
2. b) Entwerfen Sie einen Maßnahmenplan mit zwei spezifischen, vor Ort umsetzbaren Schutzmaßnahmen, um das Verschwinden der Geburtshelferkröte an diesem Standort aufzuhalten. Begründen Sie den biologischen Mechanismus, durch den jeder Ihrer Vorschläge den konkreten Ursachen des Rückgangs entgegenwirkt.

Auf einer Versuchsfläche in einem Laubwald wurde drei Jahre lang ein systemisches Breitband-Fungizid in den Boden ausgebracht, während Sonneneinstrahlung, Niederschlag und atmosphärische CO₂-Konzentration unverändert blieben. Nach diesem Zeitraum wurden drei empirische Beobachtungen gemacht:

1. Die Dicke der Schicht unzersetzter Laubstreu nahm um 180 % zu.

2. Eichensetzlinge (Quercus robur) zeigten einen um 45 % verringerten Zuwachs und einen ausgeprägten Phosphor- und Stickstoffmangel in den Blättern.

3. Die Bodenatmungsrate sank drastisch.

1. a) Begründen Sie die Beobachtungen 1 und 3 anhand der Stoffwechselstrategie und der extrazellulären Verdauung, die für saprophytische Pilze charakteristisch sind, im Vergleich zur autotrophen Ernährung der Pflanzen.
2. b) Erklären Sie den biologischen Mechanismus hinter Beobachtung 2: Welche spezifische Symbiose wurde im Boden zerstört, und welcher Netto-Nährstoffstrom zwischen Pilz und Pflanze ist unterbrochen worden?
3. c) Sagen Sie begründet vorher, wie sich das anhaltende Fehlen von Pilzen mittelfristig auf die Netto-Primärproduktion des Waldes und auf den biogeochemischen Kohlenstoffkreislauf auswirken wird.

Aus einer Probe arktischen Permafrostbodens wurde ein Mikroorganismus („A-24“) mit folgenden Eigenschaften isoliert: Er besitzt ein ikosaedrisches Kapsid von 400 nm, ein doppelsträngiges DNA-Genom von 1,2 Mb (größer als das von Bakterien wie Mycoplasma genitalium), codiert DNA-Reparaturenzyme und mehrere Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, besitzt aber keine eigenen Ribosomen, keine ATP-Synthasen und kein Membranpotenzial. Er vermehrt sich nur, wenn er in eine freilebende Amöbe eindringt.

1. a) Beurteilen Sie kritisch, ob „A-24“ nach der Zelltheorie und den traditionellen Stoffwechselkriterien als Lebewesen oder als Viruspartikel anzusehen ist.
2. b) Stellen Sie gegenüber, wie die „Reduktionshypothese“ (degenerierte parasitische Zellen) und die „Genflucht-Hypothese“ (Escape-Hypothese) den evolutiven Ursprung von „A-24“ erklären würden. Welche spezifischen genomischen Signaturen würden Sie bei „A-24“ erwarten, um die Reduktionshypothese gegenüber der Escape-Hypothese zu stützen?
3. c) Eine Gruppe von Biologen schlägt vor, eine „vierte Domäne des Lebens“ einzuführen, um diese Riesenviren neben Bacteria, Archaea und Eukarya einzuordnen. Widerlegen Sie anhand der Grundlagen der molekularen Phylogenie von Carl Woese auf Basis der ribosomalen RNA (16S/18S) die technische Machbarkeit dieses Vorschlags und entwerfen Sie eine schlüssige taxonomische Alternative.

Bei einer biologischen Probennahme wird ein vielzelliger, sessiler Landorganismus mit Zellwänden und heterotropher Ernährung durch Absorption gesammelt. Die traditionelle linnésche Klassifikation würde ihn wegen seines morphologischen Erscheinungsbildes in die Nähe der Pflanzen stellen. Die Laboranalysen ergeben jedoch:

1. Vorhandensein von Polymerketten aus N-Acetylglucosamin in seiner Zellwand.

2. Speicherung von Energiereserven in Form von Glykogen und Lipiden, bei völligem Fehlen von Stärke.

3. In Stammbäumen auf Grundlage von ribosomalen RNA-Sequenzen und kontraktilen Proteinen bildet dieser Organismus mit Tieren und Kragengeißelflagellaten (Choanoflagellaten) ein monophyletisches Taxon (Opisthokonta).

1. a) Begründen Sie, warum die morphologischen Ähnlichkeiten mit Pflanzen (sessil, Vorhandensein einer Zellwand) Homoplasien (adaptive Konvergenzen) und keine evolutiven Homologien sind.
2. b) Erörtern Sie anhand der Konzepte molekulare Homologie und Synapomorphie, warum die Befunde 1, 2 und 3 zeigen, dass dieser Pilz mit einer Schnecke einen jüngeren gemeinsamen Vorfahren teilt als mit einem Farn.
3. c) Ein Schüler bemerkt: „Wenn Pilze früher Pflanzen waren und es jetzt heißt, sie seien mit den Tieren verwandt, sind biologische Klassifikationen bloß willkürliche Erfindungen.“ Widerlegen Sie seine Bemerkung, indem Sie den methodischen Unterschied zwischen einer phänomenologischen Klassifikation und einer phylogenetischen Systematik auf Grundlage überprüfbarer Hypothesen begründen.

In einer Fundstelle der Kreidezeit wird ein Fossilskelett geborgen, das einem nicht-aviären Theropoden (Dromaeosauridae) zugeordnet wird. Das Fossil zeigt:

• Asymmetrische Konturfedern an den Vordergliedmaßen.

• Ein verknöchertes, V-förmiges Gabelbein (Furcula) und ein beginnend gekieltes Brustbein.

• Ein Extremitätenskelett mit hohlen, pneumatisierten Knochen.

• Gezähnte Zähne in den Kiefern und einen langen, knöchern gegliederten Schwanz.

1. a) Deuten Sie diese Merkmale im Licht des Konzepts der Exaptation (funktionale Kooptation): Zeigen Sie, warum Strukturen, die mit dem modernen Flug verbunden sind (Federn und pneumatisierte Skelette), sich ursprünglich nicht „zum“ Fliegen entwickelten, sondern unter anderen Selektionsdrücken bei landlebenden Dinosauriern.
2. b) Ein Medium veröffentlicht die Schlagzeile: „Ein neues Fossil hilft zu verstehen, wie die Dinosaurier ausstarben und die Vögel hervorbrachten.“ Identifizieren Sie den kladistischen Begriffsfehler der Schlagzeile und formulieren Sie eine taxonomisch exakte Fassung auf Grundlage des Konzepts der monophyletischen Gruppe.
3. c) Erklären Sie, welche taxonomischen Folgen es für die Klasse „Reptilia“ hätte, die Vögel in einer eigenen Klasse zu belassen: Was für eine Gruppe wären die Dinosauria, wenn wir die Linie der heutigen Vögel ausdrücklich ausschlössen?

Bei der Analyse des Fossilbelegs kontinentaler Fundstellen vor und nach der biologischen Krise an der Perm-Trias-Grenze (~252 Ma) zeigt sich, dass die Therapsiden (Synapsiden, bekannt als „säugetierähnliche Reptilien“), die mehr als 70 % der Faunengemeinschaften von Pflanzen- und Fleischfressern dominierten, ein Massenaussterben von mehr als 85 % ihrer Familien erlitten. Während der Trias diversifizierten sich die basalen Archosaurier, zuvor selten und randständig, rasch und besetzten die große Mehrheit der terrestrischen ökologischen Nischen.

1. a) Deuten Sie diesen Faunenwechsel mithilfe der Konzepte ökologischer Flaschenhals, freie Nischen und adaptive Radiation. War die Diversifizierung der Archosaurier die Folge einer vorherigen „konkurrenzbedingten biologischen Überlegenheit“ oder einer historischen Kontingenz?
2. b) Wenden Sie dieselbe Argumentation auf das Aussterbeereignis an der Kreide-Paläogen-Grenze (K-Pg) an: Begründen Sie, ob der ökologische Aufstieg der Plazentatiere nach dem Meteoriteneinschlag die Vorstellung eines kumulativen evolutiven Fortschritts oder die der Kontingenz stützt.
3. c) Angesichts der aktuellen, vom Menschen verursachten Krise des Biodiversitätsverlusts behauptet ein Bericht: „Die heute dominierenden Arten (Menschen, Hausgeflügel, Nagetiere) garantieren die Stabilität zukünftiger Ökosysteme, weil ihre Häufigkeit ihren Anpassungserfolg beweist.“ Beurteilen Sie diese Aussage kritisch anhand der Überlebensmuster, die bei den großen Massenaussterben im Fossilbeleg beobachtet wurden.

Das Umweltamt Ihrer Stadt möchte den ökologischen Zustand eines stadtnahen Parks bewerten, der zwei unterschiedlich bewirtschaftet wird: Zone A (mit ständigem Rasenmähen, Entfernen von Laub und Einsatz von Herbiziden) und Zone B (renaturiert, ohne systematische Rodungen oder Pflanzenschutzmittel).

1. a) Entwerfen Sie ein standardisiertes Probenahmeprotokoll, um die Diversität zweier wichtiger taxonomischer Gruppen zu quantifizieren und zu vergleichen: bodenlebende Gliederfüßer und Bodenpilze. Geben Sie für jede Gruppe an: Methode des Fangs bzw. der Probennahme im Gelände, Probenahmeaufwand (Anzahl der Replikate oder Fläche) und eine konkrete quantitative biologische Variable, die Sie im Labor messen würden.
2. b) Bei der Untersuchung des Wassers eines Parkteichs mittels Sichtbeobachtung und herkömmlicher Planktonnetze werden weder Amphibien noch gefährdete benthische Makroinvertebraten nachgewiesen. Entwerfen Sie eine Analysestrategie auf Basis von Umwelt-DNA (eDNA) und Metabarcoding, mit der überprüft werden kann, ob diese Arten das Gewässer aufsuchen oder bewohnen. Geben Sie an, welcher gemeinsame genetische Zielabschnitt zur taxonomischen Bestimmung verwendet wird, und nennen Sie zwei entscheidende Vorteile dieser Technik gegenüber traditionellen Erfassungsmethoden.
3. c) Sagen Sie vorher, welche quantitativen und strukturellen Unterschiede Sie zwischen dem Nahrungsnetz der Zone A und dem der Zone B nach zwei Jahren unterschiedlicher Bewirtschaftung erwarten würden, und begründen Sie, wie sich das Management auf die Zersetzungsrate der organischen Substanz und auf die Resilienz des Ökosystems auswirken wird.

Herausforderung des Themas. Stellen Sie sich vor, Sie arbeiten als wissenschaftlicher Berater für ein naturkundliches Museum. Ihre Aufgabe ist es zu analysieren, wie die großen Meilensteine der Geschichte des Lebens die Biodiversität erklären, die heute in Ihrer Region lebt.

Gehen Sie in diesen Phasen vor:

1. Beschaffung realer Daten: Rufen Sie die offizielle Plattform GBIF (gbif.org bzw. GBIF Deutschland, gbif.de) auf und recherchieren Sie die Biodiversitätsdaten Ihres Kreises oder Bundeslandes. Entnehmen Sie die Anzahl der registrierten Arten aus vier Linien: Bakterien, Pflanzen, Pilze und Tiere.

2. Evolutive Rekonstruktion: Erstellen Sie eine chronologische Tabelle, in der Sie das Auftreten jeder Gruppe in der geologischen Zeitskala einordnest (von den ersten Belegen zellulären Lebens vor $\approx 3,8$ Ga bis zur kambrischen Explosion vor $\approx 0,54$ Ga). Ergänzen Sie jeweils eine entscheidende adaptive Neuerung (wie die oxygene Fotosynthese, die Symbiogenese oder die Vielzelligkeit).

3. Zusammenfassender Bericht: Erstellen Sie ein Vergleichsdiagramm des heutigen Artenreichtums gegenüber dem Alter der Gruppen und verfassen Sie einen begründeten Vorschlag ($1$ Seite), der darlegt, wie Massenaussterben und adaptive Radiationen die lokale Biosphäre geformt haben, die Sie beobachten.

Bewertet werden:

• Sorgfalt bei der Entnahme und Tabellierung realer biologischer Daten aus der offiziellen Datenbank.

• Fachliche Richtigkeit bei der Datierung der evolutiven Meilensteine und ihrer Verknüpfung mit den biologischen Neuerungen.

• Qualität der kritischen Analyse bei der Verbindung der geologischen Geschichte mit den heutigen Biodiversitätsmustern.