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Lernaufgabe Evolution: Konvergenz, Analogie, Homologie

Fach: Biologie

Stufe: Gymnasium, 11.Schuljahr

Alexandra Kissling

3.11.2014

Lernaufgabe Evolution Alexandra Kissling

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Vorbemerkungen zur Lernaufgabe

Zielstufe:

Die Lernaufgabe ist für eine Gymnasialklasse im 11. Schuljahr im Grundlagenfach Biologie konzipiert. Der Inhalt richtet sich nach dem kantonalen Lehrplan des Kantons Bern im Be-‐reich Evolution.

Kontext:

Ein wichtiger Bereich der Evolution ist die Rekonstruktion und das Verständnis von Abstam-‐mungsverhältnissen. In dieser Lernaufgabe geht es darum, dass die SuS sich der Problematik beim Rekonstruieren von Verwandtschaftsbeziehungen aufgrund morphologischer Merkma-‐le bewusst werden. Des Weiteren lernen die SuS die Begriffe „Homologie“, „Analogie“ und „Konvergenz“ kennen und wenden diese bei den verschiedenen Aufgaben an.

Leitidee:

Mit Hilfe von Text 1 (Konvergenz) erarbeiten die SuS die Theorie zum Lösen der Aufgaben 1 und 2 selbstständig. Im Prinzip dient dieser erste Teil als Vorbereitung. Beim Lesen von Text 1 und dem bearbeiten der Aufgaben soll den SuS bewusst werden, dass Tiere, die ähnlich aussehen, nicht unbedingt nahe verwandt sind. Wenn die SuS sich dieser Problematik be-‐wusst sind, erkennen sie, weshalb es so wichtig ist, homologe und analoge Merkmale zu un-‐terscheiden. Beim Lesen von Text 2 (Analogie und Homologie) erarbeiten die SuS die Bedeu-‐tung dieser beiden Begriffe und wenden diese anschliessend bei den dazugehörigen Aufga-‐ben an.

Vorwissen der SuS:

Kenntnis einiger Grundbegriffe zum Thema Evolution sind von Vorteil (Bsp. Selektion, Selek-‐tionsdruck, Anpassungen).


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Lernziele:

Gemäss den Grobzielen des kantonalen Lehrplans des Kanton Berns sollen die SuS „Kennt-‐nisse über Basismechanismen und –belege der biologischen Evolution“ haben. Darunter sind unter Anderem die Begriffe „Homologie“, „Analogie“ und „Konvergenz“ aufgeführt.

Feinziele: die Schülerinnen und Schüler … • können die Begriffe „Analogie“, „Homologie“ & „Konvergenz“ in eigenen Worten erklä-‐

ren (kognitives Lernziel). • können erläutern, unter welchen Bedingungen analoge Merkmale entstehen (kognitives

Lernziel). • nennen mindestens einen Grund, weshalb es bei der Rekonstruktion von Stammbäumen

wichtig ist, solche Merkmale zu unterscheiden (kognitives Lernziel). • können ermitteln und begründen, weshalb ein Merkmal homolog oder analog ist (kogni-‐

tives Lernziel). • nennen je mindestens zwei Beispiele für Homologie und Analogie (kognitives Lernziel). • erkennen die Wichtigkeit, auf den ersten Blick offensichtliche Tatsachen (hier: Verwandt-‐

schaft aufgrund ähnlichen Aussehens) zu hinterfragen (affektives Lernziel). • diskutieren miteinander, ob es sich bei den aufgeführten Beispielen um homologe oder

analoge Merkmale handelt und einigen sich auf eine gemeinsame Lösung (kommunikati-‐ves Lernziel).

Ablauf der Lernaufgabe & Zeitaufwand

Teil 1 (Konvergenz): (15 Minuten) Lesen von Text 1 und lösen der Aufgaben 1-‐2

Teil 2 (Homologie, Analogie): (25 Minuten) Lesen von Text 2 und lösen der Aufgaben 3-‐5

Ergebnissicherung: (5 Minuten)

Total müssen für die Lernaufgabe etwa 45 Minuten eingeplant werden.

Ergebnissicherung

Zum Schluss vergleichen die SuS ihre Notizen mit den Lösungen, um zu überprüfen, ob sie die Aufgaben richtig verstanden haben.

Die letzte Aufgabe ist im Prinzip auch schon ein Teil der Ergebnissicherung. Sie wurde ab-‐sichtlich relativ schwierig gestaltet, um zu überprüfen, ob die SuS die eben erarbeitete Theo-‐rie auf ein etwas anderes Problem anwenden können. Weiter ist das Lösen dieser Aufgabe nur möglich, wenn die wichtigsten Aspekte der Lernaufgabe verstanden wurden.


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Kriterien

Die Lernaufgabe gilt als erfüllt, wenn Aufgaben 1 bis 5 schriftlich beantwortet wurden.

Sozialform

Die beiden Texte werden jeweils einzeln bearbeitet, die dazugehörigen Aufgaben in Zweier-‐gruppen gelöst.

Material

• Skript mit Anweisungen, Texten und Aufgaben • Kärtchen für Aufgabe 4

Quellen

Literatur: Campbell N. A. & Reece J.B. (2009). Biologie (8., aktualisierte Auflage), Pearson Studium Ver-‐lag, München, S.622. Weber, U. (2009). Biologie Oberstufe (2. Auflage), Cornelsen Verlag, Berlin, S.263.

Bildquellen: Abbildung 1: Campbell N. A. & Reece J.B. (2009). Biologie (8., aktualisierte Auflage), Pearson Studium Verlag, München, S.622. Abbildung 2: Campbell N. A. & Reece J.B. (2009). Biologie (8., aktualisierte Auflage), Pearson Studium Verlag, München, S.980. Abbildung 3: Weber, U. (2009). Biologie Oberstufe (2. Auflage), Cornelsen Verlag, Berlin, S.263. Abbildung 4: Weber, U. (2009). Biologie Oberstufe (2. Auflage), Cornelsen Verlag, Berlin, S.263. Abbildung 5: Dugong: http://gifts.worldwildlife.org/gift-‐center/gifts/Species-‐Adoptions/Dugong.aspx Seehund: http://pixabay.com/de/seehund-‐robbe-‐meer-‐tiere-‐nordsee-‐72528/ Buckelwal: http://tonywu.photoshelter.com/image/I0000uTEGVDL9FiA


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Lernaufgabe zum Thema Konvergenz, Homologie, Analogie

Kontext: Diese Lernaufgabe zeigt Ihnen Probleme auf, die beim rekonstruieren von Ver-‐wandtschaftsbeziehungen aufgrund äusserlicher Merkmale auftreten können.

Auftrag: Arbeiten Sie das Skript der Reihe nach durch. Lesen Sie dazu den zuerst aufgeführ-‐ten Text und beantworten sie anschliessend die nachfolgenden Fragen. Halten Sie die Ant-‐worten schriftlich in Stichworten fest. Die Lernaufgabe gilt als erfüllt, wenn Aufgaben 1-‐5 schriftlich beantwortet wurden.

Zeit: Sie haben 40 Minuten Zeit um die Aufgaben 1 bis 5 zu bearbeiten.

Form: Arbeiten Sie in Zweiergruppen.


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Konvergente Evolution

Während nah verwandte Organismen bestimmte Merkmale aufgrund ihrer gemeinsamen Abstammung teilen, können Arten unabhängig davon ähnliche Strukturen aufweisen. Dies ist dann der Fall, wenn zu Beginn unterschiedlich gestaltete Strukturen und Organe verschiede-‐ner Organismen im Laufe der Evolution durch Anpassung an die gleiche Funktion einander immer ähnlicher werden (Ausbildung von Konvergenzen). Bei nicht-‐verwandten Organismen kann also die gleiche Lebensweise zu gewissen Ähnlichkeiten führen. Für die Lösung be-‐stimmter biologischer Probleme gibt es immer nur eine begrenzte Zahl technischer Möglich-‐keiten. Daher wird man bei Organismen mit gleichen funktionellen Erfordernissen einige sich wiederholende Konstruktionstypen finden.

Denken Sie zum Beispiel an Beuteltiere, die überwiegend in Australien leben. Beuteltiere unterscheiden sich von höheren Säugetieren, die in vielen anderen Regionen der Erde leben (höhere Säugetiere vollenden ihre Embryonalentwicklung in der Gebärmutter, während Beu-‐teltiere als Embryonen geboren werden und ihre Entwicklung in einer äusseren Hauttasche, dem Beutel der Mutter, vollenden). Einige australische Beuteltiere haben unter den höheren Säugetieren „funktionelle Doppelgänger“ mit ähnlichen Anpassungen. Der Gleitbeutler zum Beispiel, ein waldbewohnendes australisches Beuteltier, sieht einem nordamerikanischen Gleithörnchen, das zu den höheren Säugetie-‐ren gehört, auf den ersten Blick sehr ähnlich (Abbildung 1). Der Gleitbeutler verfügt jedoch über viele andere Merkmale, die ihn als Beu-‐teltier ausweisen, und ist viel näher mit Kän-‐gurus und anderen australischen Beuteltieren verwandt als mit Gleithörnchen und anderen höheren Säugetieren. Obgleich sich diese bei-‐den Arten unabhängig voneinander aus ver-‐schiedenen Vorfahren entwickelten, haben sie sich in ähnlicher Weise unter ähnlichen Selektionsdrücken der Umwelt an ähnliche Lebensbedingungen angepasst. In solchen Fällen, in denen Arten Merkmale aufweisen, die durch eine konvergente Evolution ent-‐standen sind, bezeichnet man diese als ana-‐loge Merkmale.

Abbildung 1: Konvergente Evolution. Der Gleitbeutler ist ein Beuteltier, das sich nur auf dem Inselkontinent Australien entwickelt hat. Obgleich Gleitbeutler den nordamerikanischen Gleithörnchen, die zu den höhe-‐ren Säugetieren gehören, äusserlich ähneln, hat sich die Fähigkeit, durch die Luft zu gleiten, bei diesen bei-‐den Arten unabhängig voneinander entwickelt.


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Aufgabe 1:

Ordnen Sie die australischen Beuteltiere den höheren Säugetieren mit ähnlichen Anpassun-‐gen zu. Verbinden die dazu die zusammengehörigen Paare.

Beuteltiere Höhere Säugetiere

Abbildung 2: Konvergenzen zwischen Beuteltieren und höheren Säugetieren.


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Aufgabe 2:

Betrachten Sie die Bilder der Beuteltiere und höheren Säugetiere von Aufgabe 1 und erklä-‐ren Sie:

Weshalb konnte die Evolution zu so solch grossen Ähnlichkeiten von weit entfernt verwand-‐ten Arten führen?

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Analoge und Homologe Merkmale

Wie wir im obigen Beispiel gesehen haben ist es nicht immer so, dass ähnlich aussehende Arten auch nah miteinander verwandt sind. Wenn man nun Abstammungsverhältnisse und damit die Verwandtschaftsbeziehungen zwischen verschiedenen Arten rekonstruieren möchte, ist es wichtig herauszufinden, ob Ähnlichkeiten zwischen ihnen auf gemeinsame Vorfahren zurückgehen oder ob es sich um funktionelle Ähnlichkeiten handelt und damit um das Ergebnis einer ähnlichen Anpassung an vergleichbare Umweltbedingungen. Ist die Ähnlichkeit verschiedener Arten gross, kann dies ein Zeichen enger Verwandtschaft sein. Ebenso gut aber kann diese Ähnlichkeit auch Folge der Anpassung an ähnliche Umwelt-‐bedingungen sein, ganz unabhängig von Verwandtschaft. Im ersten Fall spricht man Homo-‐logie, im zweiten Fall von Analogie. Erst eine genauere Untersuchung kann diese Formen biologischer Ähnlichkeit unterscheiden.

Homologie. Die Vordergliedmassen verschiedener Wirbeltiere zum Beispiel sehen unter-‐schiedlich aus und dienen verschiedenen Zwecken. Untersucht man aber die Skelette, zeigen sich beträchtliche Übereinstimmungen (Abbildung 3): Ein Oberarmknochen, zwei Unterarm-‐knochen, Handwurzelknochen, Mittelhandknochen und Fingerknochen sind das gemeinsame Grundmuster. In Anpassung an die jeweilige Lebensweise sind die einzelnen Skelette aber verschieden geformt. Die grundsätzliche Ähnlichkeit im Bau der Gliedmassen der Wirbeltiere lässt sich am einfachsten erklären, wenn man davon ausgeht, dass die Grundstruktur auf übereinstimmender Erbinformation beruht, die verschiedene Abwandlungen erfahren hat, Eine derartige Ähnlichkeit biologischer Strukturen bei verschiedenen Lebewesen aufgrund übereinstimmender Erbinformation bezeichnet man als Homologie. Findet man umgekehrt bei verschiedenen Lebewesen homologe Organe, so haben sie demnach gemeinsame Vor-‐fahren.

Abbildung 3: Vordergliedmassen verschiedener Wirbeltiere. Die einander entsprechenden Knochen haben jeweils die gleiche Farbe.


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Analogie. Bei Maulwurf und Maulwurfsgrille haben sich beispielsweise aus den völlig ver-‐schiedenen Grundstrukturen des Insektenbeins und der Säugetierhand funktionell und auch im Aussehen ähnliche Graborgane entwickelt (Abbildung 4). Eine solche Funktionsähnlichkeit biologischer Strukturen bei verschiedenen Lebewesen bezeichnet man als Analogie. Die Übereinstimmung besteht allerdings nur bei ober-‐flächlicher Betrachtung. Im Detail ergeben sich zahl-‐reiche Unterschiede: Die Grabschaufel der Maul-‐wurfsgrille wird von einem Aussenskelett aus Chitin mit offenen Hämolymphräumen gebildet, während die Maulwurfshand ein knöchernes Innenskelett und ein geschlossenes Blutgefässsystem aufweist. Die Ähnlichkeit kann daher nicht auf übereinstimmender Erbinformation beruhen. Sie hat ihre Ursache in ei-‐nem vergleichbaren Selektionsdruck, ist also Anpas-‐sungsähnlichkeit. Man spricht von Konvergenz.

Aufgabe 3:

Ordnen Sie die Begriffe „Homologie“ und „Analogie“ der entsprechenden Aussage zu.

...................... : Strukturelle Ähnlichkeit infolge gemeinsamer Abstammung

...................... : Strukturelle Ähnlichkeit infolge gleicher Funktion ohne gemeinsame Abstammung

Abbildung 4: Grabschaufel. Maulwurfsgrille (oben), Maulwurf (unten)


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Aufgabe 4

• Öffnen Sie den Umschlag den Sie erhalten haben und Gruppieren sie jeweils die beiden Kärtchen mit dem gleichen Farbcode nebeneinander.

• Entscheiden Sie nun, ob die diese Paare jeweils ein analoges oder homologes Merkmal teilen und begründen Sie Ihre Entscheidung.

• Lesen Sie die Beschriftung der Kärtchen jeweils genau und achten Sie darauf, dass Sie die Zuordnung der Paare aufgrund dem auf dem Kärtchen erwähnten Merkmal machen.

Merkmal Analog oder Homolog? Begründung Aufbau Vorderextremität Mensch & Fledermaus

Homolog Menschen und Fledermäuse gehören beide zu den Säugetieren. Auf der Skelettebene sind sich die Vordergliedmassen aller Wir-‐beltiere sehr ähnlich aufgebaut. Dies lässt darauf schliessen, dass die ähnlichen Struk-‐tur auf einen gemeinsamen Vorfahren zu-‐rück zu führen ist, bei dem diese Struktur auch schon vorhanden war.

Körperform Regenwurm & Tigerotter

Schwanzflosse Grosser Tümmler & Weisser Hai

Mundwerkzeug Honigbiene & Wanze

Flugorgan Weisskopfseeadler & Alpenfledermaus


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Aufgabe 5:

Wale, Seehunde und Seekühe sind alle Meeresbewohner, die einander recht ähnlich sehen. Sie haben flossenartige Vorderextremitäten und einen stromlinienförmigen Körper (Abbildung 5). Es ist jedoch so, dass die Seehunde mit Bären, die Wale mit Rindern und die Seekühe mit Elefanten näher verwandt sind, als die Meeressäugetiere untereinander.

Abbildung 5: Wal, Seehund, Seekuh (von Links nach Rechts).

a) Erklären Sie wie dies möglich sein kann.

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b) Ist die Körperform ein homologes oder analoges Merkmal? Begründen Sie.

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Lösungen

Aufgabe 1:

Aufgabe 2:

Die ähnlich aussehenden Arten haben sich vergleichbaren Lebensbedingungen angepasst. Dies ist durch ähnliche Überlebensvoraussetzungen in der Umwelt (Selektionsdrücke) ge-‐schehen. Es finden sich häufig ähnliche Körperformen (Konstruktionstypen), da es für die Lösung biologischer Probleme eine begrenzte Anzahl Möglichkeiten gibt.


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Aufgabe 3:

Homologie: Strukturelle Ähnlichkeit infolge gemeinsamer Abstammung

Analogie: Strukturelle Ähnlichkeit infolge gleicher Funktion ohne gemeinsame Abstammung

Aufgabe 4:

Merkmal Analog oder Homolog? Begründung Aufbau Vorderextremität Mensch & Fledermaus

Homolog Menschen und Fledermäuse gehören bei-‐de zu den Säugetieren. Auf der Skelett-‐ebene sind sich die Vordergliedmassen aller Wirbeltiere sehr ähnlich aufgebaut. Dies lässt darauf schliessen, dass die ähnli-‐chen Struktur auf einen gemeinsamen Vor-‐fahren zurück zu führen ist, bei dem diese Struktur auch schon vorhanden war.

Körperform Regenwurm & Tigerotter

Analog Regenwürmer sind wirbellose Tiere, die Tigerotter hingegen gehört zu den Wirbel-‐tieren, genauer zu den Schlangen. Schlan-‐gen stammen von echsenartigen Vorfah-‐ren ab, dessen Extremitäten sich im Ver-‐laufe der Evolution zurückgebildet haben. Die Körperform des Regenwurms und der Tigerotter ist also unabhängig voneinander entstanden, weshalb es sich um eine Ana-‐logie handelt.

Schwanzflosse Grosser Tümmler & Weisser Hai

Analog Delphine gehören zu den Säugetieren, Haie dagegen zu den Fischen. Die Schwanzflosse ist also eine Analogie, weil die beiden keinen direkten gemeinsamen Vorfahren haben, der ebenfalls eine Schwanzflosse hatte. Die Flossen der Del-‐phine sind stammesgeschichtlich aus den Gliedmaßen der ehemals landlebenden Säugetiere entstanden.

Mundwerkzeug Honigbiene & Wanze

Homolog Sowohl Wanzen als auch Honigbienen sind Insekten. Die Bauteile der Mundwerkzeuge sind zwar sehr verschieden gestaltet, stimmen aber in Lage und Anordnung überein. Die Tatsache, dass die Mund-‐werkzeuge verschiedenster Insekten ähn-‐lich aufgebaut sind, lässt darauf schliessen, dass dies auch schon bei gemeinsamen Vorfahren vorhanden war, weshalb es sich beim Merkmal also um eine Homologie handelt.


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Flugorgan Weisskopfseeadler & Alpenfledermaus

Analog Der Adler gehört zu den Vögeln, die Fle-‐dermaus zu den Säugetieren. Es handelt sich um eine Analogie, weil die beiden kei-‐nen direkten gemeinsamen Vorfahren ha-‐ben, der ebenfalls Flugorgane besitzt. Die Flugfähigkeit entsteht auf unterschied-‐liche Weise: Fledermäuse: zwischen den Fingern aufge-‐spannte Hautfalten Vögel: durch an Fingern, Hand & Arm ge-‐tragene Federn

Aufgabe 5:

a) Alle drei Tiere sind Säugetiere und haben einen gemeinsamen Vorfahren, der in der Ver-‐gangenheit an Land gelebt hat. Die drei haben aber keinen gemeinsamen Vorfahren, der im Wasser lebte, sondern alle drei sind von einem jeweils anderen Vorfahren „ins Wasser ge-‐gangen“. Sie haben also unabhängig voneinander die Merkmale entwickelt, die für ein Leben im Wasser vorteilhaft sind.

b) Die Körperform ist ein analoges Merkmal, weil der gemeinsame Vorfahre der der Tiere landlebend war und keinen stromlinienförmigen Körper hatte. Somit hat sich die Körperform bei den drei Tieren unabhängig voneinander entwickelt. Der stromlinienförmige Körperbau hat sich aber bei allen dreien entwickelt, da er eine optimale Anpassung an die Lebensweise im Wasser ist.

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Anhang: Kärtchen für Aufgabe 4 zum Ausschneiden

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