Vergleichend-funktionelle Morphologie und Anatomie der Wirbeltiere

Transkript

1 Vergleichend-funktionelle Morphologie und Anatomie der Wirbeltiere Dr. J.-P. Airoldi Institut für Ökologie und Evolution Exkretion Universität Bern Herbstsemester 2009

2 Morphologie und Anatomie Morphologie: Lehre von Bau und Gestalt der Organismen, bzw. ihrer Organe Anatomie: Lehre vom inneren Bau der Tiere und Pflanzen Morphologie und Anatomie sind zwei alte Damen, vor denen man Respekt haben sollte

3 Anatomie und Windturbinen Wo ist der Zusammenhang?

4 Lernziele Allgemeiner Überblick über Morphologie und Anatomie der Wirbeltiere Hauptmerkmale ausgewählter Tiergruppen (Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere) anhand ihrer Organsysteme oder Apparate dargestellt.

5 3 Aspekte A. Deskriptiv - Frage: Was? B. Funktionell - Frage: Wie? C. Evolutiv - Frage: Warum, Wozu?

6 Deskriptiv Beschreibung und Vergleich von Formen und Strukturen. Ähnlichkeiten sind entweder auf Verwandtschaftsrelationen (=Homologien) oder Konvergenzen (=Analogien) zurückzuführen.

7 Funktionell Mechanismen stehen im Vordergrund. Wie funktioniert das Verdauungssystem oder der Blutkreislauf?

8 Evolutiv Entwicklung der Organismen im Laufe der Erdgeschichte. Warum ist ein Organ entstanden, wie wurde es abgeleitet oder angepasst?

9 Deskriptiv, funktionell, evolutiv Alle 3 Aspekte sind wichtig und sollten nicht getrennt betrachtet werden. Am Ende des Kurses müssen die Studierenden in der Lage sein, die wichtigsten Merkmale der Wirbeltiere zu kennen, die Hauptfunktionen der Organe und Systeme zu verstehen und das Ganze in einen evolutiven Rahmen setzen zu können.

10 Analogie - Homologie Analogie Homologie so oder so?

11 Wirbeltiere, eine Übersicht Cyclostomata - Rundmäuler Neunauge Chondrichthyes - Knorpelfische Hai Chimaera Rochen

12 Wirbeltiere, eine Übersicht Osteichthyes - Knochenfische primitive Stör moderne Seepferd Quastenflosser Lungenfisch

13 Wirbeltiere, eine Übersicht Amphibien Molch Ichthyostega Grottenmolch Kröte, Frosch Blindwühle

14 Wirbeltiere, eine Übersicht Reptilien Krokodil Tyrannosaurus Schildkröte Ichthyosaurus Plesiosaurus Stegosaurus Pteranodon Hatteria od. Sphenodon Eidechse

15 Wirbeltiere, eine Übersicht Vögel Strauss Archaeopteryx Pinguin Storch

16 Wirbeltiere, eine Übersicht Mammalia - Säugetiere Schnabeltier Schuppentier Walross Seekuh Gleitflieger

17 Geologische Übersicht Känozoikum 65 Mio. J. Dauer Mio. Jahre Quartär 2 Tertiär 63 Mio. Jahre 4 500: Entstehung der Erde 3 800: erste Prokaryoten 800: erste Einzeller 600: mehrzellige Lebewesen 570: alle bekannten Stämme 480: erste agnathe Wirbeltiere 420: erste gnathostome Fische 380: erste geflügelte Insekten 290: erste Reptilien 220: erste Dinosaurier 150: Herrschaft der Reptilien erste Vögel 100: erste moderne Säuger 70: erste Blütenpflanzen 65: Aussterben der Dinosaurier Mesozoikum 165 Mio. J. Paläozoikum 340 Mio. Jahre Kreide 70 Jura 50 Trias 45 Perm 50 Karbon 70 Devon 50 Silur 40 Ordovizium 60 Kambrium 70 Präkambrium 4 000

18 Bund,

19 Phylogenie der Wirbeltiere

20 Wirbeltiere: Terminologie Poikilotherme, Exotherme Wechselwarme Anamnia Embryo ohne Amnion Pisces Fische Sauropsida Homoiotherme Endotherme Warmblüter Amniota Embryo mit Amnion Tetrapoda (4-Füsser) Pentadactyla (5-Zeher) Agnatha Gnathostomata

21 Chordaten-Grundbauplan

22 Vegetative Organsysteme Abfallstoffe Nährstoffe Kot CO 2 O 2 Zelle Niere Urin Leber Darm Entgiftung,Speicher Herz Nahrung O 2 CO 2 sauerstoffreiches Blut Lunge sauerstoffarmes Blut

23 Vegetative Organsysteme

24 Vegetative Organsysteme

25 Vegetative Organsysteme

26 Vegetative Organsysteme

27 Photosynthese Gesamtreaktion der Photosynthese bei CO 2 als Ausgangsstoff 2 H 2 A + CO 2 [CH 2 O] + 2 A + H 2 O H 2 A steht als Reduktans und <CH 2 O> als gebildete energiereiche organischen Stoffe. Alle Landpflanzen und Algen verwenden H 2 O als Reduktans; A steht in diesem Fall für den im Wasser-Molekül gebundenen Sauerstoff. Er wird als Oxidationsprodukt des Wassers bei der Photosynthese durch Algen und Landpflanzen als elementarer, molekularer Sauerstoff (O 2 ) freigesetzt. Diese Art der Photosynthese wird oxygene Photosynthese genannt.

28 Verdauungssysteme: ein Vergleich intrazellulär extrazellulär: intestinal

29 Verdauungsablauf Ratte als Beispiel

30 Vergleich Darmsysteme von Vertebraten Frosch Ratte Vogel

31 Kreislaufsysteme der Wirbeltiere Allgemeiner Bauplan

32 Arteriensystem bei Wirbeltieren Elasmobranch Liem, K.F., Bemis, W.E., Walker, W.F. & Grande, L. (2001)

33 Blutkreislauf: Vergleich zwischen Fisch, Frosch und Ratte

34 Frosch-Herz Da der Frosch nur einen Ventrikel hat, kommt es zu einer Vermischung des Blutes, das vom rechten Vorhof (O 2 armes) und vom linken Vorhof (O 2 reiches) kommt

35 Kreislauf bei Wirbeltieren Fisch Ahne, W., Liebich, H-G., Stohrer, M., Wolf, E. & König H.E. (2000)

36 Kreislauf bei Wirbeltieren Frosch Ahne, W., Liebich, H-G., Stohrer, M., Wolf, E. & König H.E. (2000)

37 Kreislauf bei Wirbeltieren Säuger Ahne, W., Liebich, H-G., Stohrer, M., Wolf, E. & König H.E. (2000)

38 Ontogenese von Wirbeltierkreisläufen

39 Ontogenese des Froschblutkreislaufes

40 Blutkreislauf des adulten Frosches Venen

41 Blutkreislauf des adulten Frosches Arterien

42 Abwandlung des Kreislauf- Grundbauplans (Säugetiere) Arterien Ductus Botalli

43 Abwandlung des Kreislauf- Grundbauplans (Säugetiere) Venen

44 Blutkreislauf beim Mensch: Vergleich zwischen Fötus und Erwachsen

45 Vergleich Blutkreislauf bei Säugetieren A. Embryo B. Geburt C. Adult Liem, K.F., Bemis, W.E., Walker, W.F. & Grande, L. (2001).

46 Kreislauf der Ratte Legende: O 2 armes Blut O 2 reiches Blut Arterie: führt Blut vom Herz weg Vene: führt Blut dem Herz zu

47 Kreislauf der Ratte Herzregion mit Ductus Botalli Ductus Botalli linker Vorhof Herz Ductus Botalli rechter Vorhof Aorta Arteria anonyma A. carotis communis A. subclavia Hirnnerv Nr.10 (Nervus vagus) Arteria pulmonalis

48 Sektion der Ratte Herzregion Abkürzungen -AB : Aortenbogen -AC : Arteria carotica - AP : Arteria pulmonalis -AS : Arteria subclavia -DB : Ductus Botalli -LHK: linke Herzkammer -LR : Luftröhre (Trachea) -LU : Lunge - LVK : linke Vorkammer - RHK : rechte Herzkammer - SR : Speiseröhre - VCA : Vena cava anterior - VCP : Vena cava posterior Aus Dehn, M. (1975)

49 Blutzirkulation: Vogel / Säuger Lungenvene Lungenarterie Körper Lunge linker Vorhof Herzkammer Aorta rechter Vorhof Herzkammer

50 Urogenitalsystem Embryonale Anlage bei Amphibien Junge Larve (nach 72h)

51 Urogenitalsystem Embryonale Anlage bei Amphibien

52 Froschembryo Querschnitt Liem, K.F., Bemis, W.E., Walker, W.F. & Grande, L. (2001)

53 Wirbeltier-Embryo Liem, K.F., Bemis, W.E., Walker, W.F. & Grande, L. (2001).

54 Larvales Urogenitalsystem bei Amphibien

55 Urogenitalsystem des Frosches Entstehungsort und Migration der Keimzellen beim Frosch A: Blastula mit Keimzellen B: Querschnitt einer jungen Larve C: Keimzellen am Dach des Urdarms D: Keimzellen in den Gonadenanlagen Ao: Dorsalaorta; Bl: Blastocoel; B.M.: mesonephretisches Blastem; C.G.: Keimzellen; Coe: Coelom; Cr: Genitalwulst; C.W.: Wolff scher Gang; I: Darm; Mb: Mesoblast; Me: Mesenterium; My: Myomeren V.C.P.: Vena cava posterior

56 Urogenitalsystem des Frosches Gonadenanlagen beim Frosch E: undifferenziertes Stadium B.M.: mesonephretisches Blastem; C: Gonadenrinde C.W.: Wolffscher Gang; (Cortex); G: Gonaden; L.V.: Vene; M: Gonadenmark (Medulla); Me: Mesenterium; N : Nephrone 1., 2., 3. Generation; Ne 1-2 : Nephrostome 1. u. 2. Generation; O.I.; Zwischenierenorgan; V.C.: Vena cava; V.C.P.: Vena cava posterior

57 Urogenitalsystem des Frosches

58 Urogenitalsystem der Säugetiere

59 Urogenitalsystem der Ratte Männchen Samenblase Harnblase Prostata Samenleiter Penis Hoden Präputialdrüsen Harnröhreöffnung Cowpersche Drüse

60 Urogenitalsystem der Ratte Weibchen Hintere Hohlvene Scheide Harnblase After

61 Niere der Maus Längsschnitt

62 b Nierenstruktur Mark Rinde Glomerulus innerer Teil äusserer Teil a 1 3, 5-7 Arteriolen 4 Glomerulus a proximaler Tubulus b distaler Tubulus c Henlé Schleife d Sammelrohr c d

63 Niere

64 Physiologie: Gegenstrom-Prinzip

65 Urogenitalsystem der Wirbeltiere Vergleich Amphibien - Säugetiere dtv-atlas zur Biologie

66 Urogenitalsystem der Wirbeltiere Vergleich Amphibien - Säugetiere Storch, V. & Welsch, U. (2003)

67 Vergleichende Anatomie und Morphologie der Wirbeltiere Nervensystem D. D.: Darm; Ex.: Exterozeptive Sensibilität; Pr. Propriozeptive Sensibilität; S.A.: Somatoafferente Bahn; S.E.: Somatoefferente Bahn; S.G.: Schaltganglion; V.A.: Visceroafferente Bahn; V.E.: Visceroefferente Bahn S.G. Beaumont, A. & Cassier, P. (1978)

68 Gehirn des Frosches

69 Evolution des Säugerhirns

70 Gehirn der Ratte: Sagittalschnitt

71 Gehirn der Ratte: Sagittalschnitt König, J.F.R. & R.A. Klippel (1963) The Rat Brain.

72 Vegetatives Nervensystem Mensch Romer, A.S. & Parsons, T.S. (1991)

73 Nervensystem Querschnitt durch Rückenmark Liem, K.F., Bemis, W.E., Walker, W.F. & Grande, L. (2001)

74 Zähne bei Wirbeltieren Polyphyodontie (Nichtsäuger) Aufeinanderfolge vieler Zahngenerationen Diphyodontie (Säuger) nur noch zwei Zahngenerationen! Monophyodontie: entweder - Milchgebiss permanent (Delphin) - Milchgebiss nicht ausgebildet (Robbe)

75 Zähne bei Wirbeltieren Polyodontie u. Homodontie (Nichtsäuger) Grosse Anzahl ähnlicher Zähne (Krokodil) Auch Zahnlosigkeit: Frosch, Schildkröte, Vögel Oligodontie u. Heterodontie (Säuger) Kleine Anzahl (< 50) differenzierter Zähne Sekundäre Homodontie bei Delphinen

76 Zähne beim Menschen 1. Dentition Monat 2. Dentition Jahr mittlerer I Molar 6. seitlicher I mittlerer I Milchmolar seitlicher I Eckzahn Prämolar Milchmolar Eckzahn Prämolar 12. I = Schneidezahn 2. Molar Weisheitszahn

77 Maus: Sagittalschnitt Kleinhirn Wirbelsäule Grosshirn Rückenmark Bulbus olfactorius Becken Nasenhöhle Molar Schneidezähne Speicheldrüse Thymus Rippen Leber Zunge Herz Lunge Dünndarm Dickdarm

78 Atmung: ein Vergleich Vogel Kiemenatmung (Fisch) Lungenatmung Hautatmung (Frosch) Säuger

79 Atmung beim Vogel

80 Atmung Verhältnis Austauschfläche - Volumen a Fläche Volumen Verhältnis cm cm 2 cm : :1 a :1

81 O 2 in Luft und Wasser Luft Wasser O 2 -Gehalt 210 ml/l 5-10 ml/l Diffusionsgeschw. 3 x 10 5 Dichte 103 Viskosität 100 > < <

82 Arterienbögen A A Knochenfisch B B Lungenfisch C Salamander (Larve) C D Salamander (Adult) a Ductus caroticus b Ductus Botalli = D. arteriosus D a b

83 a b Arterienbögen E E Frosch F Reptil F a a b G Vogel G b H Säugetier a Ductus caroticus b Ductus Botalli = D. arteriosus H a b

84 Windmühlen und Fledermäuse Was haben Windmühlen mit Anatomie zu tun? Es wurden am Fuss der Windmühlen viele tote Fledermäuse gefunden. Es traten in den meisten Fällen keine äusseren Verletzungen auf. Frage: Woran starben die Fledermäuse?

85 Windmühlen und Fledermäuse Untersuchungen in der Nähe von Calgary (Alberta, Canada) Fledermäuse mit inneren Verletzungen (Blutungen) in den Lungen wurden beobachtet Die Rotoren der Turbinen verursachen einen Druckabfall (Barotrauma) Fledermäuse können Objekte dank Echolokation wahrnehmen, Druck-Änderungen aber nicht!

86 Windmühlen und Fledermäuse Warum sind Fledermäuse anfälliger als Vögel? Vogellunge besteht aus Röhren (Parabronchien oder Lungenpfeifen), die ziemlich starr sind; der Luftfluss geht immer in dieselbe Richtung Fledermäuse (Säugetiere) haben eine Vielzahl von blindendigen Luftsäckchen (Alveolen), die sich bei niedrigem Luftdruck aufblähen, was zum Platzen der Blutkapillaren führen kann, da der Luftfluss abwechslungsweise immer nur in eine Richtung stattfindet

87 Kiemenatmung (Fisch)

88 Gegenstrom - Prinzip O 2

89 Exkretion : Nephronen-Typen

90 Schädel Wirbeltiere (primitiv) Kiefergelenk Reptilien: Quadratum (12) Articulare (4) Säugetiere: Dentale (22) Squamosum (81) Articulare Hammer Quadratum Amboss Hyomandibulare Steigbügel

91 Fisch Reptil Wirbeltiere : Ohr Fisch Reptil Hammer Amboss Steigbügel Säugetiere Säugetier

92 Augenmuskeln (Säugetiere)

93 Gehirn Reptil - Säugetier

94 Haller sche Gesetz Peter Lüps (2008) Das Haller sche Gesetz : oft zitiert. Mitteilungen der Naturforschenden Gesellschaft in Bern, Bd 65, 2008

95 Das Haller sche Gesetz Albrecht von Haller ( ) hat 1762 in Bezug auf Säugetiere folgenden Satz notiert (Übersetzung 1768): Wenn wir daher das, was bisher gesagt worden, zusammenziehen, so hat unter den vierfüssigen der Ochse oder Elephant das kleinste Gehirn, hingegen die Maus das grösste, und es scheint sich also das Gehirn verkehrt gegen die Grössen der Körper zu verhalten.

96 Allometrie 1.8 Y Y = a X b b>1 b=1 b<1 Isometrie positive Allometrie negative Allometrie X

97 Allometrie Daily heat production (k cal) / mass in kg 3000 heat production (k cal) dog sheep sow isometry based on dove (150 g) isometry based on dog (14 kg) 1 kcalorie 4200 joules dove (150 g) mass (kg)

98 Gehirn : Hemisphären

99 Cortex (sensorisch, motorisch)

100 Neurotransmitter Monoamine 1 Aminosäuren 6 (1) Dopamine (2) Noradrenalin (3) Serotonin (4) Acetylcholin (5) Histamin (6) Gamma aminobuttersäure (GABA) (7) Glutaminsäure (8) Glycin (9) Taurin Kohlenstoff Sauerstoff Stickstoff Schwefel Wasserstoff

101 Neurotransmitter : Dopamin

102 Prüfung : Beispiel 1.1 Wie bezeichnet man ähnliche Merkmale, die nicht 1... durch Verwandtschaft zu erklären sind 1)? Falls sie 2... auf ähnliche Umweltbedingungen zurückzuführen 3... sind nennt man sie 2). Wann sind die Dinosaurier 4... ausgestorben 3)? Was ist die korrekte Reihenfolge 5... folgender geologischen Perioden: Quartär, Kreide 6... und Karbon 4)? Die Tunicaten sind eng mit den 7... Wirbeltieren verwandt, weil sie eine 5) besitzen. Unter welchem Begriff 6) werden die Reptilien und Vögel vereint? Was bedeutet das Wort Amphibien 7)? 1.2 Aus welchen Teilen besteht die Schwanzwirbel 8... eines Fisches 8), 9) und 10)? Wie heissen allgemein Enzyme, die für das Spalten von Kohlenhydraten verantwortlich sind 11)? Was ist die Funktion des Gallensaftes 12)? Wozu ist Vitamin D notwendig 13)?

103 Prüfung : Beispiel 1.1 Wie bezeichnet man ähnliche Merkmale, die nicht 1...analoge Merkmale... durch Verwandtschaft zu erklären sind 1)? Falls sie 2...Konvergenz... auf ähnliche Umweltbedingungen zurückzuführen 3...Ende Kreide, vor 65 Mio. J... sind nennt man es 2). Wann sind die Dinosaurier 4...Karbon, Kreide, Quartär... ausgestorben 3)? Was ist die korrekte Reihenfolge 5...Chorda... folgender geologischen Perioden: Quartär, Kreide 6...Sauropsida... und Karbon 4)? Die Tunicaten sind eng mit den 7...zwei Leben... Wirbeltieren verwandt, weil sie eine 5) besitzen. Unter welchem Begriff 6) werden die Reptilien und Vögel vereint? Was bedeutet das Wort Amphibien 7)? 1.2 Aus welchen Teilen besteht die Schwanzwirbel 8...Neuralbogen... eines Fisches 8), 9) und 10)? 9... Hämalbogen Wirbelkörper Wie heissen allgemein Enzyme, die für das Spalten 11...Amylasen... von Kohlenhydraten verantwortlich sind 11)? Was ist 12...Emulgation der Lipide... die Funktion des Gallensaftes 12)? Wozu ist Vitamin 13...Wachstum... D notwendig 13)?

104 Prüfungsresultate Resultate Prüfung 1.Vordiplom Vorlesung Airoldi Anzahl Richtig Falsch Keine Antwort Halb-richtig Fragen Nr