Original-Aufgabe 33. Original-Aufgabe 33. Original-Aufgabe 33 Aufgabenstellung und Material 2. Evolution der Wale. Aufgabenstellung und Material

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1 Aufgabenstellung und Material Aufgabenstellung und Material J Fachgebiet Evolution Kapitel Geschichte des Lebens Thema Evolution der Wale Vorfahren der Heutigen Wale Urhuftier (1,75 m) vor ca. 50 Mio. Jahren Weitere Themenbereiche Niveau/Jahr Molekulargenetik Leistungskurs/006 Aufgabenstellung und Material Der Übergang vom Landleben zum Leben im Wasser vollzog sich bei den Vorfahren der heutigen Wale im frühen Tertiär vor etwa 50 Millionen Jahren und dauerte nur rund 8 Millionen Jahre. In dieser kurzen Zeit erfolgten Anpassungen an das Leben im Wasser. Heute kennt man mehr als 80 Walarten. 1.1 Nennen Sie unter Zuhilfenahme von Abb. 1 und Abb. ausgehend vom Urhuftier sechs Veränderungen, die als Anpassungen an die Lebensweise im Wasser zu verstehen sind. 1. Entwickeln Sie eine Hypothese, wie sich eines der von Ihnen unter 1.1 genannten Merkmale im Verlauf der Evolution verändert haben könnte. Benutzen Sie dabei die Begriffe Mutation, Selektion, Gendrift und Isolation. Die mehr als 80 verschiedenen Walarten lassen sich auf eine Stammform zurückführen. Heute sind Wale über alle Ozeane verbreitet und unterscheiden sich nicht nur in der Größe, sondern auch in der Art der Ernährung. 1. Geben Sie eine Erklärung für die Entstehung so vieler unterschiedlicher Walarten in relativ kurzer Zeit. Ambulocetus (4,15 m) vor ca. 47 Mio. Jahren Dorudon (4,5 m) vor ca. 40 Mio. Jahren Abb. 1: Vorfahren der heutigen Wale Vorfahren der heutigen Wale (Rekonstruktion) Urhuftier Ambulocetus Dorudon Abb. : Vorfahren der heutigen Wale (Rekonstruktionen)

2 Aufgabenstellung und Material Aktiv-Aufgabe Aufgabenstellung und Material J Der Fund eines nahezu vollständigen Ambulocetusskeletts veranlasste einen Forscher zu der Aussage, dieser Fund sei für die Erforschung der Walevolution ebenso bedeutend, wie der Archaeopteryx für die Evolution der Vögel. Abb. zeigt Archaeopteryx. Er ist deshalb so bedeutend, weil er als Brückentier Merkmale zweier Wirbeltierklassen aufweist Abb. Archaeopteryx.1 Nennen Sie diese Wirbeltierklassen und entnehmen Sie aus Abb. je zwei Merkmale, welche für diese Wirbeltierklassen typisch sind.. Diskutieren Sie unter Verwendung von Abb. 1 und Abb., ob auch Ambulocetus als Brückentier angesehen werden kann. In einem Museum ist der hypothetische Stammbaum der Walartigen dargestellt (Abb. 5). Abb. 4 zeigt verschiedene heute lebende und ausgestorbene Vertreter der Wale, die in diesem Stammbaum vorkommen. Neben Zahnwalen sind auch Bartenwale abgebildet. 6 Abb. 4: Verschiedene Walarten (Erläuterung: bedeutet ausgestorben). Übertragen Sie den Stammbaum (Abb. 5) in Ihre Reinschrift. Ordnen Sie unter Angabe der Ziffern die einzelnen Vertreter in den Stammbaum ein. Benennen Sie die Kriterien für diese Zuordnung. Begründen Sie Ihre Zuordnung. 11

3 Aufgabenstellung und Material Aktiv-Aufgabe J Quartär Mio. 10 Mio. Jungtertiär 0 Mi0. 0 Mio. Alttertiär 40 Mio. 50 Mio. Abb. 5: Hypothetischer Stammbaum der Walartigen Im Spektrum der Wissenschaft (7/00) kann man lesen: Bis kurz vor Ende des 0. Jahrhunderts schien der weitere Weg der Wal- Paläontologie vorgezeichnet: Immer neue Fossilien würden immer mehr Details zu einer in wesentlichen Zügen endlich bekannten Stammesgeschichte liefern, die ihren Ursprung einstmals bei Urhuftieren genommen hatte. Doch dann erschütterten genetische Tests in den USA, Frankreich und Japan das so sicher geglaubte Gedankengebäude. Anders als die immunologischen Untersuchungen aus den 1960er Jahren legten DNA-Vergleiche nahe: Wale sind nicht nur mit den Paarhufern näher verwandt als mit allen anderen Säugern Wale sind Paarhufer. Kein Urhuftier stand am Anfang ihrer Entwicklung, sondern ein Urpaarhufer, vermutlich ein Urflusspferd. 4. Immunologische Methoden (z. B. der Präzipitintest) sind heute weitgehend durch molekularbiologische Methoden abgelöst worden. Erläutern Sie eine solche molekularbiologische Methode zur Verwandtschaftsanalyse. 5 6

4 Anforderungsbereiche/Checkliste Erwartungshorizont/Lösungsschritte J Anforderungsbereiche Teilaufgabe Anforderungsbereich Bewertungseinheiten 1 I und II 10 von 0/50 %.1/. I/III von 0/15 % Erwartungshorizont Untersuchung und Vergleich von Skelett und Habitus zur Walevolution entwickeln einer Hypothese zur Evolution der Wale auf Basis der Synthetischen Evolutionstheorie typische Merkmale der Reptilien und Vögel erkennen Kenntnis und Reflexion des Begriffs Brückentier begründetes Einordnen verschiedener Walarten in einen Stammbaum erläutern einer molekularbiologischen Methode zur Verwandtschaftsanalyse II und III 4 von 0/0 % 4 I von 0/15 % Diese Augabe ist eine von drei Prüfungsteilen, Bearbeitungszeit ca. 90 Minuten Checkliste zur Selbsteinschätzung Worüber man vor dieser Prüfung Bescheid wissen sollte Lösungsschritte Um die vorliegende Prüfung zu lösen, sind folgende Arbeitsschritte sinnvoll: Baupläne der Vorfahren der Wale genau betrachten, Unterschiede notieren Alles klar Vergleich von Bauplänen Alles klar Noch einmal nachlesen Merkmal auswählen und Hypothese zur Veränderung in Stichworten notieren, geforderte Begriffe markieren; Antwort 1. ausformulieren; für Teilaufgabe 1. entsprechend verfahren Artentstehung nach der Synthetischen Evolutionstheorie Abb. untersuchen, Reptilien- und Vogelmerkmale farbig markieren und je angeben Adaptive Radiation Definition Brückentier angeben und am Beispiel überprüfen Wirbeltierklassen, Stammbäume Molekularbiologische Methoden zur Verwandtschaftsanalyse Hintergründe auch im Pocket Teacher ABI Biologie, Kapitel Evolution aufgrund des Aussehens vermutete Verwandtschaften farbig markieren (eine Dreier-, zwei Vierergruppen); ausgestorbene Arten eintragen und andere Arten nach gemeinsamen Merkmal zuordnen; Stammbaum in Reinschrift übertragen und Zuordnung begründen molekularbiologische Methoden notieren, eine auswählen und diese schrittweise beschreiben und erklären; eventuell mit Skizzen veranschaulichen

5 Aktiv-Seite Aktiv-Seite J Aktiv-Seiten Betrachten Sie die Unterschiede in Skelett und Habitus der Vorfahren der Wale genauer. Suchen Sie ein Merkmal heraus, an dem sich die Veränderungen bei der Anpassung an das Leben im Wasser gut erläutern lassen. Notieren Sie in Stichworten eine Hypothese zur Veränderung des genannten Merkmals, markieren Sie die geforderten Begriffe farbig. Betrachtetes Merkmal: Betrachten Sie die einzelnen Walarten und ordnen Sie sie nach ihrem Aussehen. Markieren Sie die Gruppen farbig, unterscheiden Sie zwischen Zahn- und Bartenwalen. Tragen Sie in den Stammbaum zunächst die ausgestorbenen Arten ein, ergänzen Sie dann die rezenten, geordnet nach gemeinsamen Merkmalen. Begründen Sie die von Ihnen getroffene Zuordnung. Achtung: mehrere Lösungsmöglichkeiten sind denkbar, daher unbedingt gut begründen (Zuordnung dies bedeutet )! Quartär Mio. 10 Mio. Jungtertiär 0 Mi0. 0 Mio. Alttertiär 40 Mio. 50 Mio.

6 J zum Vergleichen Zu Teilaufgabe 1.1 Umbildung der Vorderextremitäten von Lauf- zu Ruderbeinen, Reduktion der Hinterextremitäten und des Beckengürtels, Ausbildung einer Schwanzflosse, Reduktion des Haarkleides, Entwicklung eines stromlinienförmigen Körpers, Reduktion des äußeren Ohrs, Verlagerung der Nasenöffnung nach oben (weitere Lösungen möglich). schnelle Aufspaltung einer Population in verschiedene Arten (Adaptive Radiation) Zu Teilaufgabe.1 Reptilien: lange Schwanzwirbelsäule, Krallen an den Vorderextremitäten, Zähne Vögel: Federn, Vorderextremitäten zu Flügeln umgebildet, typischer Vogelschädel mit großen Augenhöhlen, nach hinten gerichtete Zehe Zu Teilaufgabe 1. Beispiel: Umbildung der Vorderextremitäten (nach der Synthetischen Evolutionstheorie): durch Mutation entstehen Urhuftiere mit kurzen, paddelförmigen Vorderextremitäten Veränderung der Umweltbedingungen, z. B. Klimaänderung und Überspülung des Lebensraumes nicht schwimmfähige Urhuftiere sterben Selektion der schwimmfähigen Urhuftiere nur wenige Individuen überleben (Gründerpopulation, Flaschenhalseffekt ) veränderte Umweltbedingungen (Lebensraum Wasser): weitere Mutationen, (Ausbildung von Ruderbeinen u. a. Anpassungen) Selektionsvorteil (transformierende Selektion) Gendrift: zufallsbedingte Änderungen des Genpools mit nachfolgender transformierender Selektion Durch Isolation keine Durchmischung des Genpools mehr möglich, z. B. Abgrenzung des Lebensraums (geographische Isolation) Besetzung unterschiedlicher ökologischer Nischen (ökologische Isolation) Bildung steriler Bastarde (genetische Isolation) unterschiedliches Balzverhalten (ethologische Isolation) nicht passende Geschlechtsorgane (mechanische oder sexuelle Isolation) unterschiedliche Paarungszeiten (zeitliche Isolation) Artbildung (allopatrische Artbildung) Zu Teilaufgabe. Brückentiere (oder Mosaiktiere) zeigen ein Mosaik an Merkmalen verschiedener Tiergruppen; sie stellen ein Übergangsstadium dar, das einen allmählichen Übergang zwischen den Tiergruppen erkennen lässt (Homologie-Kriterium der Stetigkeit). Ambulocetus ist kein Brückentier, da Urhuftier und Wale keine systematisch getrennten Tiergruppen sind. Zu Teilaufgabe Quartär Mio. 10 Mio. Jungtertiär 0 Mi0. 0 Mio Zu Teilaufgabe 1. Besiedelung des Lebensraumes Wasser durch die Gründerpopulation wenig/keine Konkurrenz starke Vermehrung der Population Zunahme der innerartlichen Konkurrenz Konkurrenzvermeidung durch Besetzung verschiedener ökologischer Nischen (Separation und Einnischung) Alttertiär 40 Mio. 50 Mio.

7 J Kriterien für die Zuordnung: Bau der Kiefer (Zähne, Barten), Rückenflosse, Körperform ( Schnauze ) Verwandtschaft zwischen den ausgestorbenen und rezenten Arten lässt mehrere Möglichkeiten zu: Entweder sind die Zahnwale ursprünglich und die Bartenwale abgeleitet oder umgekehrt. Entscheidend ist, wann das Merkmal Barten in der Stammesentwicklung aufgetreten ist. Da die Vorfahren der heutigen Wale (s. Abb. 1) bereits Zähne hatten, ist wahrscheinlich, dass die Zahnwale ursprünglich sind, die Bartenwale dagegen abgeleitet. Zu Teilaufgabe 4 Mögliche Methoden: DNA-Sequenzierung (z. B. mt-dna) oder Aminosäure- Sequenzierung oder DNA-Hybridisierung Prinzip der DNA-Hybridisierung Extraktion und Zerschneiden der DNA-Proben zweier Arten getrenntes Erhitzen der Proben (Trennen der DNA-Doppelstränge) Vermischen der Proben und Abkühlen (Hybridisierung; je ähnlicher die DNA/Basensequenz, desto mehr Basenpaarungen) erneutes Schmelzen, Bestimmung der Schmelztemperatur Vergleich der Schmelztemperatur von arteigener DNA und Hybrid-DNA Je geringer die Differenz T, desto näher verwandt sind Arten (mehr Basenpaarungen, mehr Energie muss zur Trennung der hybridisierten DNA-Einzelstränge aufgewendet werden). Beispiel für nähere Erläuterung: DNA-Hybridisierung 1 Extrahieren und Zerschneiden der DNA Erhitzen zum Trennen der DNA-Stränge Hybridisieren der Stränge nach Vermischung und Abkühlung vollkommene Übereinstimmung (Kontrolle) gute Übereinstimmung wenig Übereinstimmung 4 Ermitteln des Grads der Hybridisierung durch erneutes Erhitzen freigesetzte DNA-Einzelstränge in % Art Art Art 1 (Kontrolle) Temperatur in C