Evolution der Hominiden. Forscherheft

Fach: Biologie Name: Datum: Klasse: Theo und ich sind Paläoanthropologen. Auf unserer letzten Expedition haben wir einige Knochen, Schädelüberreste und Zahnfragmente von früheren Menschenarten gefunden. Gut erhaltene Funde sind sehr selten und dementsprechend wertvoll. Vielleicht kennst du die Fossilien Lucy und den Neanderthaler? Mit Hilfe der fossilen Überreste versuchen wir Paläoanthropologen Modelle und Stammbäume herzustellen, die die Evolution der Menschen rekonstruieren. Dabei helfen uns modernste molekulargenetische Verfahren. Begib dich mit diesem Forscherheft auf eine Reise durch die Paläoanthropologie und hilf uns, unseren neusten Fund zu identifizieren! Evolution der Hominiden Forscherheft

Checkliste Welche Aufgaben und Stationen sind schon bearbeitet? Stationen und Aufgaben Meine Vorstellungen zur Evolution der Hominiden Station 1: Quantitative Analyse biometrischer Schädelmerkmale und Hirnvolumen Station 2: Unbekannter Schädelfund Station 3: Stammbaum erstellen Station 4: Evolution des aufrechten Ganges Station 5: Reise durch die Stammesgeschichte der Hominiden Station 6: Modellkompetenz Kreuzworträtsel: Was hast du gelernt? Ich habe noch einen Tipp für euch! Bearbeite vor Station 2 die erste Station!

Fach: Biologie Thema: Evolution der Hominiden Name: Datum: Klasse: Welche Vorstellung von der Evolution des Menschen vertrittst du? Viele Gläubige sind sich sicher, dass der Mensch von Gott erschaffen wurde. Aus unseren intensiven Studien über die Evolution des Menschen, wissen wir, dass Darwin im 19. Jahrhundert vermutete, dass die Menschen vom Affen abstammen. Die Frau eines anglikanischen Bischofs war darüber sehr empört: Mein Lieber, wir wollen hoffen, dass das nicht wahr ist. Aber wenn es wahr ist, wollen wir beten, dass es sich nicht herumspricht!. Welche Vorstellung von der Evolution des Menschen hast du? Der Mensch stammt vom Menschenaffen ab und hat sich über viele Zwischenformen zum heute lebenden Menschen weiter entwickelt. Die Evolution fand nicht gradlinig statt und viele Arten sind wieder ausgestroben. Menschen und Menschenaffen haben zwar einen gemeinsamen Vorfahren, beide entwickelten sich aber getrennt voneinander weiter. Der Mensch besiedelte andere Kontinente und entwickelte sich immer weiter. Er wurde größer und intelligenter, sodass er Werkzeuge baute und eine Sprache entwickelte. Mensch und Menschenaffen besitzen einen gemeinsamen Vorfahren in Afrika. Da sich das Klima und die Landschaften veränderten, konnten sich die Frühmenschen besonders gut weiterentwickeln. 1

Aufgabe 1.) Notiere, welche Vorstellung du vertrittst und begründe deine Wahl. Du kannst deine persönlichen Vorstellungen und dein Vorwissen einfließen lassen. Aufgabe 2.) Formuliere eine Hypothese zur Evolution der Menschen. 2

Fach: Biologie Thema: Evolution der Hominiden Name: Datum: Klasse: Station 1 Quantitative Analyse biometrischer Schädelmerkmale und Hirnvolumen Mit Hilfe von einfachen quantitativen Analysen können biometrische Trends in der Evolution der Hominiden anschaulich nachvollzogen werden. Durch einfache Vermessungen lassen sich die Größenentwicklung von Schädeln, die Relation von Gehirn- und Gesichtsschädel, Veränderungen im Kieferbereich und das Hirnvolumen bestimmen. Begib dich in die Rolle eines Paläoanthropologen und erforsche die Veränderung dieser Merkmale! Aufgabe 1.) Bestimme die in der Tabelle vorgegebenen Proportionen durch Ausmessen der jeweiligen Schädel und trage die Werte in die Tabelle ein. Betrachte dazu die in Abbildung 1 dargestellten Messstrecken. Relationen Schimpanse Homo erectus Homo neanderthalensis Hirnschädelhöhe (C) zu Gesichtsschädelhöhe (D) Hirnschädelhöhe (C) zu Schädelhöhe (B) Gesichtsschädelhöhe (D) zu Schädelhöhe (B) Hirnschädelhöhe (C) zu Schädellänge (A) Gesichtsschädelhöhe (D) zu Schädellänge (A) Kieferlänge (E) zu Schädellänge (A) Kieferlänge (E) zu Gesichtsschädelhöhe (D) Kieferlänge (E) zu Schädelhöhe (B) Kieferlänge (E) zu Hirnschädelhöhe (C) C D = = Homo sapiens sapiens 3

Aufgabe 2.) In der Tabelle wurden die Maße immer in ein Verhältnis gesetzt. Welchen Vorteil bietet dieses Vorgehen? Aufgabe 3.) Betrachte die Ergebnisse in der Tabelle. Beschreibe die Entwicklung der Schädelproportionen. Aufgabe 4.) Interpretiere die Entwicklung der Schädelproportionen. 4

Aufgabe 5.) Ermittle nun das Gehirnvolumen. Gehe dazu so, wie in Abbildung 2 dargestellt, vor. Ziehe von den gemessenen Werten aufgrund der Knochenstärke 1 cm ab! Schimpanse Homo erectus Homo sapiens sapiens Schädellänge a [cm] Schädelbreite b [cm] Schädelhöhe c [cm] Aufgabe 6.) Berechne nun das Gehirnvolumen von Schimpanse, Homo erectus und Homo sapiens sapiens. Nutze dazu folgende Formel für ein Ellipsoid: V = 1/6 * Π * a * b *c Aufgabe 7.) Welche Entwicklungstendenz ist zu beobachten? _ Aufgabe 8.) Ein Ellipsoid bildet ein Modell für die Gehirnform. Wie könnte die Qualität des Modells überprüft werden? _ 5

Abbildung 1 Abbildung 2 6

Fach: Biologie Thema: Evolution der Hominiden Name: Datum: Klasse: Station 2 Unbekannter Schädelfund Den hier vorliegenden Schädel haben wir auf unserer letzten großen Expedition in Afrika geborgen. Obwohl er vergleichsweise sehr gut erhalten ist, haben wir ihn schon rekonstruiert, ergänzt und gereinigt. Teste nun deine paläoanthropologischen Fähigkeiten: Identifiziere diesen Schädelfund und ordne ihn im Stammbaum der Hominiden ein! Aufgabe 1.) Betrachte den Fund. Stelle eine Hypothese auf, mit welchem Hominiden der Fund näher verwandt ist. Beachte dazu Tabelle 1. Aufgabe 2.) Betrachte Tabelle 1. Ergänze mit Hilfe der ausliegenden Steckbriefe und Schädel die Merkmale von Homo erectus und Homo neanderthalensis in der Tabelle. Aufgabe 3.) Betrachte nun den Fund. Vergleiche die Merkmale des Schädelfundes mit denen von Menschenaffen, Homo erectus, Homo neanderthalensis und Homo sapiens sapiens. Notiere deine Ergebnisse in der Tabelle. Aufgabe 4.) Betrachte den Stammbaum in Material 1. Nutze deine gewonnen Erkenntnisse und ordne den Schädelfund begründet in den Stammbaum ein. Um welchen Hominiden handelt es sich? 7

Aufgabe 5.) Überprüfe deine Hypothese aus Aufgabe 1. Kannst du sie bestätigen oder revidieren? Begründe! Aufgabe 6.) Handelt es sich bei dem Fund um ein Modell? Falls ja, um welchen Typ? Begründe! 8

Tabelle 1 Beachte die folgende Notation der jeweiligen Eigenschaften und behalte sie bei! sehr ausgeprägt (+++), ausgeprägt (++), weniger ausgeprägt (+), gar nicht ausgeprägt (-) Stirn Nasenbein Eckzähne Affenlücke Menschenaffe fliehend - nicht vorhanden - lang +++ ausgeprägt +++ Homo erectus Homo neanderthalensis Fund Homo sapiens sapiens hohe +++ vorhanden +++ reduziert - nicht vorhanden - Kiefer U-förmig parabolisch Vorkiefrigkeit (Schnauzenbildung) Augenwulst Kinn Schädelkamm Verhältnis von Gehirn- und Gesichsschädel Lage des Hinterhauptlochs ausgeprägt +++ ausgeprägt +++ nicht ausgeprägt - teils vorhanden - +++ peripher - nicht ausgeprägt - nicht ausgeprägt - ausgeprägt +++ nicht vor vorhanden zentral +++ 9

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Fach: Biologie Thema: Evolution der Hominiden Name: Datum: Klasse: Station 3 Stammbaum erstellen In den letzten Jahrzehnten wurden viele und zum Teil auch gut erhaltene fossile Überreste von früher lebenden Hominidenarten gefunden. Dies ermöglichte es, die Abstammungsverhältnisse in einem Stammbaum hypothetisch darzustellen. Neue Funde sowie neue wissenschaftliche Erkenntnisse und Methoden können einen Stammbaum jederzeit revidieren. Begib dich nun wieder in die Rolle eines Paläoanthropologen und erstelle einen Stammbaum! Aufgabe 1.) Haben Menschen und Menschenaffen einen gemeinsamen Vorfahren? Stelle eine Hypothese auf! Aufgabe 2.) Betrachte Material 1. Was hat ein TS-Wert von 0 zu bedeuten? Zwischen welchen Arten gibt es die größten und geringsten DNA-Unterschiede? 11

Aufgabe 3.) Erstelle mit Hilfe des Materials einen Stammbaum! Aufgabe 4.) Betrachte Material 2. Erläutere den Modellcharakter eines Stammbaums. Gehe dabei auch auf den Zweck und die Grenzen ein. 12

Material 1: Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse einer DNA-Hybridisierung von Mensch, Bonobo, Schimpanse, Gorilla und Orang-Utan. Gemessen wurde die Schmelzpunktabsenkung der Hybrid-DNA gegenüber der reinen DNA der jeweiligen Art. Dies wird als TS-Wert bezeichnet und ein Wert von 1,0 bis 1,5 C entspricht einem Basenunterschied von etwa 1%. Art Mensch Bonobo Schimpanse Gorilla Orang-Utan Mensch 0 Bonobo 1,64 0 Schimpanse 1,63 0,69 0 Gorilla 2,27 2,37 2,21 0 Orang-Utan 3,60 3,56 3,58 3,55 0 Ein Vergleich von Karyogrammen zeigt: Schimpansen, Bonobos, Gorillas und Orang-Utans haben 48 Chromosomen, Menschen 46. Dies ist auf eine Chromosomenfusion von zwei Chromosomen des Menschen zurückzuführen. Auch in der Feinstruktur der Chromosomen gibt es Ähnlichkeiten: Die Aminosäuresequenz des Cytochromc-Moleküls ist bei den Menschenaffen und Menschen völlig identisch. 13

Material 2: Ich habe die anatomischen Merkmale von Mensch, Schimpanse, Bonobo, Gorilla, Gibbon und Orang Utan verglichen. Anhand der Ergebnisse des Vergleichs habe ich diesen Stammbaum erstellt. 14

Fach: Biologie Thema: Evolution der Hominiden Name: Datum: Klasse: Station 4 Evolution des aufrechten Ganges Die Evolution des aufrechten Ganges gilt als wichtiges Merkmal der Hominisation. Während sich die Menschenaffen vorwiegend auf allen vier Extremitäten fortbewegen, war Ardipithecus ramidus vor etwa vier Millionen Jahren fähig aufrecht zu gehen. Im Verlauf der weiteren Evolution der Hominiden gab es viele weitere morphologische Veränderungen im Knochen- und Muskelapparat. An dieser Station kannst du erforschen, wie der aufrechte Gang zur Hominisation beigetragen hat! Aufgabe 1.) Stelle eine Hypothese auf, warum sich der aufrechte Gang in der Evolution durchsetzte und sich als vorteilhaft erwies. Aufgabe 2.) Welche Anpassungsmerkmale zeigt das Skelett des Homo sapiens sapiens an den aufrechten Gang? Nutze die Materialien, die an der Station bereitstehen, um die Anpassungsmerkmale zu erforschen. Finde mindestens fünf! 15

Aufgabe 3.) Inwiefern handelt es sich bei den Abbildungen um Modelle? Sind sie geeignet, um Forschungsfragen zu beantworten? Wo liegen die Grenzen? Aufgabe 4.) Ist der Homo sapiens sapiens optimal an die Bipedie angepasst? Beurteile begründet, ob die Evolution des aufrechten Ganges abgeschlossen ist. Aufgabe 5.) Überprüfe deine Hypothese mit Hilfe des Statements von Prof. Herkner im Video und ergänze die Selektionsvorteile des aufrechten Ganges, falls nötig! https://www.zdf.de/gesellschaft/sonntags/mit-aufrechtem-gang-100.html 16

Fach: Biologie Thema: Evolution der Hominiden Name: Datum: Klasse: Station 5 Reise durch die Stammesgeschichte der Hominiden Australopithecus afarensis, Australopithecus africanus, Homo habilis, Homo erectus, Homo neanderthalensis Wer lebte eigentlich wann? Was zeichnete die jeweils lebenden Arten aus? Begib dich auf eine Reise durch die Stammesgeschichte des Menschen! Wähle eine der beiden folgenden Aufgaben: Aufgabe 1.) Betrachte den Stammbaum und die Tabelle in Material 1. Schneide die Karten aus Tabelle 1 aus und ordne jeder Hominiden Art das passende Kästchen zu! Aufgabe 2.) Betrachte Material 2. Schneide die Karten aus Tabelle 3 aus und sortiere sie in der richtigen Reihenfolge in Tabelle 2 ein. Ich habe noch einen Tipp! Die ausliegenden Steckbriefe helfen dir, die richtigen Zuordnungen zu finden. Bei Aufgabe 3 kann dir Material 1 weiterhelfen! Aufgabe 3.) Betrachte die Verbreitungsgebiete der jeweils lebenden Hominiden Arten. Wo nahm die Evolution der Hominiden ihren Ausgang? Wie könnte die weitere Verbreitung verlaufen sein? Stelle eine begründete Hypothese auf! 17

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Tabelle 1 Ein langgestreckter, niedriger Schädel mit starken Überaugenwülsten und einem vorspringenden Kiefer ist kennzeichnend für diese Art. Sie nutzten bereits das Feuer und stellten Faustkeile, die typischen Werkzeuge, her. Der Körper ist kräftig und gedrungen. Der Name dieser Gattung bedeutet besonders weiser, kluger Mensch. Die Individuen haben einen aufrechten Gang. Ihr Schädel weist ein vorspringendes Kinn auf. Der Kiefer ist parabelförmig. Die typische Schädelform sowie die hohe Stirn bieten viel Platz für das hochentwickelte Gehirn. Diese Art war etwas größer als ein Schimpanse und versuchte bereits auf den Hinterbeinen zu laufen. Der Gesichtsschädel ähnelt in vielen Bereichen dem der Affen. Die Ausbildung einer Schnauze, große Überaugenwülste und die Anordnung der Zähne sind kennzeichnend. Berühmtester Vertreter ist Lucy. Alle bisherigen Funde stammen aus ostafrikanischen Gesteinsschichten. Die ca. einen Meter große Art beherrschte bereits den zweibeinigen Gang. Vermutlich stellten sie erstmals Steinwerkzeuge her. Ein opponierbarer Daumen entwickelte sich. Die Annahmen über diese Art sind jedoch noch recht umstritten. Diese Art ist die am besten untersuchte fossile Art der Gattung Homo. Ein kräftiger Körper mit einem großen Schädel und Gehirn sind charakteristisch. Die Kultur war bereits weit fortgeschritten. Dieser Art wird bereits ein zweibeiniger Gang nachgesagt. Sie lebten vermutlich aber auch noch auf Bäumen, worauf die langen Fingerglieder schließen lassen. Der Körper zeigt Ähnlichkeiten zum Menschenaffen. Es lassen sich schon einige Merkmale der später auftretenden Verwandten finden. 19

Material 2 Tabelle 2 Art Schädelform Gehirngröße Zeitraum des Vorkommens Schädelmerkmale Verbreitungsgebiet Äußere Gestalt Werkzeuge Werkzeuge & Kultur Gebrauch von Knochen und Gegenständen aus der Natur Einfache Steinwerkzeuge; Schaber und Spitzen, Feuernutzung Faustkeile, Schaber, Messer, Spitzen, Behausungen, Bestattungen, Kleidung Hochentwickelte Werkzeuge, Siedlungen, Religionen, Kunst, Wissenschaft 20

Tabelle 3 Homo sapiens neanderthalensis Homo sapiens sapiens Australopithecus/ Paranthropus Arten Homo erectus Kräfte Überaugenbögen, fliehende Stirn, wenig vorstehender Oberkiefer Ausgeprägter Scheitelkamm, keine Stirn, Überaugenwülste, kräftiger Unterkiefer Hohe Stirn, hoher Hirnschädel, keine Überaugenwülste, Kinn Überaugenbögen, fliehende Stirn, großer, langer Hirnschädels, mehr Hirnvolumen als Jetzt Mensch 400 600 cm³ 1200 1450 cm 3 1500-1700 cm³ 800-1200 cm³ 2 Millionen bis ~ 150.000 Jahre ca. 200.000 bis 30.000 Jahre 3,5 Millionen bis ~ 1,5 Millionen Jahre ca. 150.000 Jahre bis heute Europa und Naher Osten Kräftiger, gedrungener Körperbau Ostasien weltweit Afrika Graziler & schlanker Körperbau, groß gewachsen Untersetzt, muskulös, massiverer Knochenbau als der Jetzt-Mensch Kräftige Gestalt, affenähnlich mit relativ langen Armen 21

Fach: Biologie Thema: Evolution der Hominiden Name: Datum: Klasse: Station 6 Modellkompetenz Abb. 1 Homo sapiens sapiens Kunststoffmodell Abb. 2 Homo sapiens sapiens originaler Fund Aufgabe 1.) Betrachte den originalen Schädel sowie das Kunststoffmodell des Homo sapiens sapiens. Wo findest du Gemeinsamkeiten, worin liegen die Unterschiede? Handelt es sich bei beiden Schädeln um Modelle? Erläutere! 22

Abb. 3 Rekonstruktion von Homo erectus Abb. 4 Rekonstruktion von Homo erectus In den letzten Jahrzehnten sind viele Überreste früher lebender Hominidenarten gefunden worden. Mit Hilfe der geborgenen Schädel und Knochen wurden charakteristische Merkmale der jeweiligen Arten gesammelt. Fehlende Skelettteile konnten dadurch an weniger gut erhaltenen Funden ergänzt werden. Aufgrund solcher Rekonstruktionen sowie der Knochenfunde haben Wissenschaftler versucht, ein Gesamtbild der früher lebenden Hominiden zu erstellen. Die Abbildungen zeigen Vorstellungen der jeweiligen Rekonstrukteure, wie Homo erectus ausgesehen haben könnte. Aufgabe 2.) Inwieweit stellen solche Rekonstruktionen die Wirklichkeit des Erscheinungsbildes von Homo erectus wieder? Wo liegen die Grenzen solcher Modellationen? Welchen Zweck hat ein Modell dieser Art? 23

Kontrollaufgabe: Was hast du gelernt? Du hast nun einiges über die Arbeit der Paläoanthropologen und die Evolution der Hominiden gelernt. Überprüfe dein Wissen im Kreuzworträtsel! 1 7 13 5 8 14-15 12 2 6 3 10 9 4 Hinweis: ö,ü,ä sind zulässig. Leerzeichen zwischen zwei Worten gibt es keine. 1. Wie lautet der Begriff für das Mensch werden in der Fachsprache? 2. Das Hinterhauptloch des Homo sapiens sapiens liegt 3. Gesucht ist das Fachwort für aufrechter Gang. 4. Welche Menschenart war erstmals fähig aufrecht zu gehen? 5. Das Gebiss der Menschenaffen ist 6. Die Zahnlücke gegenüber der stark entwickelten Eckzähne der Menschenaffen bezeichnet man als 7. Mit welcher Menschenaffenart ist der Mensch laut DNA-Hybridisierungsergebnissen am nächsten verwandt? 8. Der Fuß des Menschen ist vom Greiffuß zum. evolviert. 9. Ein Stammbaum wird immer aufgrund von aktuellen Erkenntnissen erstellt. Es handelt sich dabei also immer um ein 10. Lage des Hinterhauptlochs von Menschenaffen 11. Lateinische Artbezeichnung für den modernen Menschen 12. Das Hinterhauptloch von Homo habilis liegt 13. Als Anpassung an den aufrechten Gang hat der Homo sapiens eine doppelt-s-förmige 14. Im Vergleich zum Menschenaffen ist das Becken des Homo sapiens schlüsselförmig, kurz und Bei der Betrachtung der Gesichtsschädel von Australopithecus afarensis, Homo habilis und dem Homo sapiens fällt auf, dass die stets zurück gebildet wurde. 11 24