SMP · Grundlagenfach Biologie

Vielfalt des Lebens und wie sie entstanden ist

Dieser Bereich verbindet zwei grosse Fragen: Welche Gruppen von Lebewesen gibt es und wodurch unterscheiden sie sich? Und wie ist diese Vielfalt im Lauf von rund 3,8 Milliarden Jahren entstanden? Grundlage sind die Lernziele der Schweizerischen MaturitĂ€tsprĂŒfung.

12 Themen
Thema 1

🌐 Übersicht ĂŒber die fĂŒnf Reiche

1 Lernziele und ErklÀrung

🎯 Lernziele

  • die fĂŒnf Reiche Prokaryoten, Protisten, Pilze, Pflanzen und Tiere beschreiben und gegeneinander abgrenzen
  • die grossen Linien der Evolution, welche die fĂŒnf Reiche verbinden, skizzieren

📖 Ordnung in der Vielfalt

Auf der Erde leben Millionen verschiedener Arten. Um diese Vielfalt zu ordnen, teilt das FĂŒnf-Reiche-System (nach Robert Whittaker, 1969) alle Lebewesen in fĂŒnf grosse Gruppen ein: Prokaryoten (frĂŒher «Monera»), Protisten, Pilze, Pflanzen und Tiere. Dieses System wird in der SMP verlangt.

FĂŒr die Abgrenzung der Reiche genĂŒgen wenige, gut prĂŒfbare Merkmale: Hat die Zelle einen Zellkern (Eukaryot) oder nicht (Prokaryot)? Ist der Organismus einzellig oder vielzellig? ErnĂ€hrt er sich autotroph (baut organische Stoffe selbst auf, z. B. durch Photosynthese) oder heterotroph (nimmt organische Stoffe als Nahrung auf)? Und: Besitzt die Zelle eine Zellwand – und woraus besteht sie?

Mit diesen Merkmalen lassen sich die Reiche sauber trennen: Nur die Prokaryoten haben keinen Zellkern. Pilze sind heterotroph wie Tiere, besitzen aber eine Zellwand aus Chitin und nehmen ihre Nahrung durch die ZelloberflĂ€che auf (Absorption). Pflanzen sind vielzellig, autotroph und haben ZellwĂ€nde aus Cellulose. Tiere sind vielzellig, heterotroph und haben keine Zellwand. Die Protisten sind eine «Sammelgruppe» aller Eukaryoten, die in keines der drei anderen eukaryotischen Reiche passen – meist Einzeller.

📊 Die fĂŒnf Reiche im Vergleich

ReichZelltypZellwandErnÀhrungOrganisationBeispiele
Prokaryotenprokaryotisch (kein Zellkern)meist vorhanden, bei Bakterien aus Mureinautotroph oder heterotropheinzellig, teils KolonienDarmbakterium E. coli, Cyanobakterien, MilchsÀurebakterien
Protisteneukaryotischuneinheitlich: keine, Cellulose oder Kieselschaleautotroph, heterotroph oder beidesmeist einzelligPantoffeltierchen, Amöbe, Chlamydomonas, Kieselalgen
PilzeeukaryotischChitinheterotroph (Absorption)einzellig (Hefe) oder vielzellig (Hyphen)Hefe, Steinpilz, Schimmelpilze
PflanzeneukaryotischCelluloseautotroph (Photosynthese)vielzelligMoose, Farne, Fichte, Enzian
Tiereeukaryotischkeineheterotroph (Aufnahme und Verdauung)vielzelligRegenwurm, Biene, Forelle, GĂ€mse

Merkhilfe: Zellkern? → Prokaryot oder Eukaryot. Zellwand und ihr Material? → Tier (keine), Pflanze (Cellulose), Pilz (Chitin).

🧬 Die grossen Linien der Evolution

Die fĂŒnf Reiche sind nicht unabhĂ€ngig voneinander entstanden, sondern ĂŒber gemeinsame Vorfahren verbunden. Alle heutigen Lebewesen nutzen denselben genetischen Code, DNA als Erbsubstanz und ATP als EnergietrĂ€ger – ein starkes Argument fĂŒr einen gemeinsamen Ursprung allen Lebens.

  1. Prokaryoten zuerst: Die Ă€ltesten Lebensspuren (vor ca. 3,8–3,5 Mrd. Jahren) stammen von prokaryotischen Einzellern. WĂ€hrend rund zwei Milliarden Jahren waren sie die einzigen Lebewesen.
  2. Eukaryoten durch Endosymbiose: Vor etwa 2 Mrd. Jahren nahm eine grössere Zelle aerobe Bakterien auf, ohne sie zu verdauen. Daraus wurden die Mitochondrien. SpĂ€ter wurden in einer Linie Cyanobakterien aufgenommen – daraus wurden die Chloroplasten (Endosymbiontentheorie).
  3. Protisten als Ausgangspunkt: Die ersten Eukaryoten waren Einzeller, also Protisten. Aus verschiedenen Protistenlinien entstanden unabhÀngig voneinander vielzellige Organismen.
  4. Pflanzen, Pilze, Tiere: Die Pflanzen stammen von GrĂŒnalgen ab. Pilze und Tiere gehen auf einen gemeinsamen einzelligen Vorfahren zurĂŒck – Pilze sind mit Tieren also nĂ€her verwandt als mit Pflanzen.
Belege fĂŒr die Endosymbiontentheorie: Mitochondrien und Chloroplasten haben eine doppelte Membran, eine eigene ringförmige DNA, eigene Ribosomen vom Bakterientyp, sie sind etwa so gross wie Bakterien und vermehren sich durch Teilung, nie neu aus der Zelle heraus.
Stammbaum des Lebens mit den drei DomÀnen Bacteria, Archaea und Eukaryota
Stammbaum des Lebens nach molekularen Daten: Alle Lebewesen gehen auf einen gemeinsamen Ursprung zurĂŒck; Pflanzen, Pilze und Tiere sind Äste der Eukaryoten (Beschriftung englisch). Quelle: Wikimedia Commons, Eric Gaba, Cherkash (Vektorversion), Public Domain
Schema der Endosymbiontentheorie: Aufnahme eines aeroben Bakteriums und eines Cyanobakteriums durch eine VorlÀuferzelle
Endosymbiontentheorie: Aus aufgenommenen aeroben Bakterien wurden Mitochondrien, aus Cyanobakterien Chloroplasten. Quelle: Wikimedia Commons, CNX OpenStax, CC BY 4.0
ErgĂ€nzung – drei DomĂ€nen: Die moderne Systematik teilt die Lebewesen nach DNA-Vergleichen in drei DomĂ€nen ein: Bacteria, Archaea und Eukarya. Die Archaeen sehen aus wie Bakterien, sind molekular aber nĂ€her mit den Eukaryoten verwandt. An der SMP wird das FĂŒnf-Reiche-System geprĂŒft – die DomĂ€nen helfen aber zu verstehen, warum es eine Vereinfachung ist.

🔑 Wichtige Begriffe

Prokaryot
Einzeller ohne membranumhĂŒllten Zellkern; DNA liegt frei im Cytoplasma (Nucleoid).
Eukaryot
Lebewesen, dessen Zellen einen Zellkern und membranumhĂŒllte Organellen besitzen.
autotroph
baut organische Stoffe aus anorganischen Stoffen selbst auf (z. B. durch Photosynthese).
heterotroph
ist auf organische Stoffe aus der Nahrung angewiesen.
Chitin
stickstoffhaltiges Polysaccharid; Material der Pilzzellwand und des Insektenpanzers.
Cellulose
Polysaccharid aus Glucose; Material der Pflanzenzellwand.
Endosymbiontentheorie
Theorie, nach der Mitochondrien und Chloroplasten von aufgenommenen Bakterien abstammen.

📝 Zusammenfassung

  • FĂŒnf Reiche: Prokaryoten, Protisten, Pilze, Pflanzen, Tiere.
  • Nur Prokaryoten haben keinen Zellkern.
  • Zellwand: Bakterien Murein, Pilze Chitin, Pflanzen Cellulose, Tiere keine.
  • Pflanzen sind autotroph; Pilze und Tiere heterotroph; Protisten beides.
  • Alle Lebewesen haben einen gemeinsamen Ursprung (gleicher genetischer Code).
  • Eukaryoten entstanden durch Endosymbiose; Pflanzen stammen von GrĂŒnalgen ab, Pilze und Tiere von einem gemeinsamen einzelligen Vorfahren.

❓ PrĂŒfungsfragen

  1. Nennen Sie drei Merkmale, mit denen sich die fĂŒnf Reiche voneinander abgrenzen lassen.
    ✅ Lösung anzeigen

    Zelltyp (mit oder ohne Zellkern), Organisation (ein- oder vielzellig), ErnÀhrungsweise (autotroph oder heterotroph) und Vorhandensein bzw. Material der Zellwand (Murein, Chitin, Cellulose, keine).

  2. Warum gehören Pilze nicht zu den Pflanzen, obwohl sie wie Pflanzen ortsfest sind und eine Zellwand besitzen?
    ✅ Lösung anzeigen

    Pilze betreiben keine Photosynthese und sind heterotroph; ihre Zellwand besteht aus Chitin statt Cellulose. Molekular sind sie nÀher mit den Tieren verwandt als mit den Pflanzen.

  3. Nennen Sie drei Befunde, welche die Endosymbiontentheorie stĂŒtzen.
    ✅ Lösung anzeigen

    Mitochondrien und Chloroplasten besitzen eine Doppelmembran, eigene ringförmige DNA und Ribosomen vom Bakterientyp; sie haben Bakteriengrösse und vermehren sich durch Teilung.

  4. Warum spricht der universelle genetische Code fĂŒr einen gemeinsamen Ursprung aller Lebewesen?
    ✅ Lösung anzeigen

    Es wÀre Àusserst unwahrscheinlich, dass sich in unabhÀngigen Linien zufÀllig genau dieselbe Zuordnung von Codons zu AminosÀuren entwickelt. Der gemeinsame Code wurde von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt.

  5. Warum sind die Protisten keine natĂŒrliche Verwandtschaftsgruppe?
    ✅ Lösung anzeigen

    Die Protisten sind ĂŒber das Ausschlussprinzip definiert: alle Eukaryoten, die weder Pflanzen, Pilze noch Tiere sind. Manche Protisten sind nĂ€her mit Pflanzen verwandt (GrĂŒnalgen), andere nĂ€her mit Tieren und Pilzen.

Transfer: Unbekannter Organismus

Ein Organismus besteht aus vielen Zellen mit Zellkern. Die ZellwĂ€nde enthalten Chitin, Chloroplasten fehlen. Er wĂ€chst auf totem Holz. Ordnen Sie ihn einem Reich zu und begrĂŒnden Sie. Welche Rolle spielt er im Ökosystem?

✅ Lösung anzeigen

Es handelt sich um einen Pilz: eukaryotisch, vielzellig, Chitin-Zellwand und keine Chloroplasten, also heterotroph. Da er totes Holz abbaut, ist er ein Destruent und fĂŒhrt Mineralstoffe in den Stoffkreislauf zurĂŒck.

Thema 2

🩠 Bakterien

2 Lernziele und ErklÀrung

🎯 Lernziele

  • die Bedeutung der Bakterien als Symbionten, Parasiten und Destruenten erklĂ€ren

📖 Bau und Vermehrung

Bakterien sind einzellige Prokaryoten und typischerweise nur 1–5 ”m gross. Ihre DNA liegt als ringförmiges Bakterienchromosom frei im Cytoplasma (Nucleoid); zusĂ€tzlich besitzen viele Bakterien kleine DNA-Ringe, die Plasmide. Die Zelle wird von der Zellmembran und einer Zellwand aus Murein begrenzt; manche haben zusĂ€tzlich eine Schleimkapsel und Geisseln zur Fortbewegung. Ribosomen sind vorhanden, membranumhĂŒllte Organellen fehlen (vgl. Bereich 1, Zellbau).

Nach ihrer Form unterscheidet man kugelige Kokken, stĂ€bchenförmige StĂ€bchen (Bazillen) und schraubenförmige Spirillen. Bakterien vermehren sich ungeschlechtlich durch Zweiteilung: Das Chromosom wird verdoppelt, die Zelle schnĂŒrt sich in der Mitte ein. Unter optimalen Bedingungen teilt sich zum Beispiel E. coli etwa alle 20 Minuten – aus einer Zelle können so in wenigen Stunden Millionen werden.

Trotz ihrer Einfachheit sind Bakterien die stoffwechselvielseitigsten Lebewesen: Es gibt photosynthetische (Cyanobakterien), chemosynthetische und heterotrophe Bakterien, solche, die Sauerstoff brauchen (aerob), und solche, die ohne Sauerstoff leben (anaerob). FĂŒr die SMP entscheidend ist ihre ökologische Bedeutung in drei Rollen: als Symbionten, Parasiten und Destruenten.

Übersicht der Bakterienformen: Kokken, StĂ€bchen und Spirillen in verschiedenen Anordnungen
Bakterienformen: Kokken (kugelig), StÀbchen und schraubenförmige Spirillen, teils in Ketten oder Haufen (Beschriftung englisch). Quelle: Wikimedia Commons, Mariana Ruiz (LadyofHats), Public Domain
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme stÀbchenförmiger Escherichia-coli-Bakterien
Darmbakterium Escherichia coli im Rasterelektronenmikroskop (10 000-fach, eingefÀrbt). Quelle: Wikimedia Commons, Eric Erbe, Christopher Pooley (USDA), Public Domain

đŸ€ Bakterien als Symbionten

In einer Symbiose profitieren beide Partner. Das wichtigste Beispiel fĂŒr die PrĂŒfung sind die Knöllchenbakterien (Rhizobien): Sie leben in Wurzelknöllchen von HĂŒlsenfrĂŒchtlern wie Klee, Erbse, Bohne oder Luzerne und binden Stickstoff aus der Luft (N2) zu Ammonium. Die Pflanze erhĂ€lt so Stickstoff fĂŒr ihre Proteine, die Bakterien bekommen Zucker aus der Photosynthese (vgl. Stickstoffkreislauf in Bereich 3).

Auch der Mensch lebt in Symbiose mit Bakterien: Die Darmflora (rund 1013 bis 1014 Bakterien) hilft beim Abbau von Nahrungsbestandteilen, bildet Vitamin K und schĂŒtzt vor Krankheitserregern, weil sie ihnen Platz und NĂ€hrstoffe streitig macht. WiederkĂ€uer wie KĂŒhe könnten ohne die Bakterien in ihrem Pansen das Gras gar nicht nutzen – nur diese Bakterien können Cellulose abbauen.

Wurzeln einer Ackerbohne mit zahlreichen rundlichen Wurzelknöllchen
Wurzelknöllchen an einer Ackerbohne: In den Knöllchen leben stickstoffbindende Rhizobien. Quelle: Wikimedia Commons, Jengod, CC BY-SA 4.0

⚠ Bakterien als Parasiten

Parasitische Bakterien leben auf Kosten ihres Wirts und können Krankheiten auslösen. Beispiele: Salmonellen (Lebensmittelvergiftung, etwa durch rohe Eier), Mycobacterium tuberculosis (Tuberkulose), Streptokokken (Angina) oder Borrelien, die in der Schweiz durch Zecken ĂŒbertragen werden und Borreliose verursachen. Viele Bakterien schaden durch Toxine (Giftstoffe), die sie abgeben.

Gegen Bakterien wirken Antibiotika. Sie greifen gezielt Strukturen an, die nur Bakterien besitzen – Penicillin zum Beispiel hemmt den Aufbau der Mureinwand, andere Antibiotika hemmen die bakteriellen Ribosomen. Deshalb schaden sie menschlichen Zellen kaum und wirken nicht gegen Viren. Werden Antibiotika hĂ€ufig oder falsch eingesetzt, ĂŒberleben zufĂ€llig resistente Bakterien und vermehren sich: Es entstehen Antibiotikaresistenzen (Selektion, siehe Evolutionsfaktoren). Resistenzgene liegen oft auf Plasmiden und können zwischen Bakterien weitergegeben werden.

♻ Bakterien als Destruenten

Zusammen mit Pilzen bauen Bakterien tote organische Substanz – Laub, Kadaver, Kot – zu anorganischen Stoffen wie CO2, Wasser, Ammonium und Phosphat ab. Damit schliessen sie die StoffkreislĂ€ufe: Ohne Destruenten wĂŒrden tote Biomasse und die darin gebundenen NĂ€hrstoffe liegen bleiben, und Pflanzen fehlten bald die Mineralstoffe. Der Mensch nutzt diese FĂ€higkeit im Kompost und in der KlĂ€ranlage, wo Bakterien im Belebtschlamm das Abwasser reinigen.

Beispiel Schweiz: Ohne Bakterien kein KĂ€se und kein Joghurt. MilchsĂ€urebakterien sĂ€uern die Milch; beim Emmentaler bilden PropionsĂ€urebakterien wĂ€hrend der Reifung CO2 – daraus entstehen die typischen Löcher.

📊 Die drei Rollen im Überblick

RolleBeziehungBeispieleBedeutung
Symbiontbeide Partner profitierenKnöllchenbakterien, Darmflora, PansenbakterienStickstoffversorgung von Pflanzen, Verdauung, Vitamin K
ParasitBakterium profitiert, Wirt wird geschÀdigtSalmonellen, Tuberkulose-Erreger, BorrelienInfektionskrankheiten; Behandlung mit Antibiotika
DestruentAbbau toter organischer SubstanzBodenbakterien, Bakterien in Kompost und KlÀranlageschliessen die StoffkreislÀufe, Abwasserreinigung

🔑 Wichtige Begriffe

Nucleoid
Bereich im Cytoplasma, in dem das ringförmige Bakterienchromosom liegt.
Plasmid
kleines, ringförmiges Zusatz-DNA-MolekĂŒl; trĂ€gt oft Resistenzgene.
Murein
Material der Bakterienzellwand; Angriffspunkt von Penicillin.
Zweiteilung
ungeschlechtliche Vermehrung: Verdopplung der DNA, dann Teilung in zwei gleiche Zellen.
Symbiose
enges Zusammenleben zweier Arten zum gegenseitigen Nutzen.
Parasit
Organismus, der auf Kosten eines Wirts lebt und ihn schÀdigt.
Destruent
Zersetzer, der tote organische Substanz zu anorganischen Stoffen abbaut.
Antibiotikaresistenz
vererbbare Unempfindlichkeit von Bakterien gegen ein Antibiotikum.

📝 Zusammenfassung

  • Bakterien sind Prokaryoten: kein Zellkern, ringförmige DNA, oft Plasmide, Mureinwand.
  • Sie vermehren sich durch Zweiteilung, unter guten Bedingungen sehr schnell.
  • Symbionten: Knöllchenbakterien binden Luftstickstoff, die Darmflora hilft bei der Verdauung.
  • Parasiten: Erreger von Krankheiten wie Salmonellose, Tuberkulose oder Borreliose.
  • Destruenten: bauen tote Biomasse ab und schliessen die StoffkreislĂ€ufe.
  • Antibiotika wirken nur gegen Bakterien; Fehlgebrauch fördert Resistenzen.

❓ PrĂŒfungsfragen

  1. ErklÀren Sie, warum die Beziehung zwischen Knöllchenbakterien und Klee eine Symbiose ist.
    ✅ Lösung anzeigen

    Die Bakterien binden Luftstickstoff und liefern der Pflanze Ammonium fĂŒr den Aufbau von AminosĂ€uren. Die Pflanze versorgt die Bakterien mit Zucker aus der Photosynthese und einem geschĂŒtzten Lebensraum. Beide Partner profitieren.

  2. Was wĂŒrde in einem Wald geschehen, wenn alle Destruenten fehlen wĂŒrden?
    ✅ Lösung anzeigen

    Laub, tote Tiere und Holz wĂŒrden sich anhĂ€ufen. Die darin gebundenen Mineralstoffe (z. B. Stickstoff, Phosphor) wĂŒrden nicht mehr freigesetzt; den Pflanzen fehlten NĂ€hrstoffe, und der Stoffkreislauf wĂ€re unterbrochen.

  3. Warum schadet Penicillin den Bakterien, aber kaum den menschlichen Zellen?
    ✅ Lösung anzeigen

    Penicillin hemmt den Aufbau der Mureinzellwand. Menschliche Zellen besitzen keine Zellwand und kein Murein, deshalb wirkt es gezielt auf Bakterien.

  4. Eine Patientin mit Grippe verlangt ein Antibiotikum. Beurteilen Sie.
    ✅ Lösung anzeigen

    Grippe wird durch Viren verursacht. Viren haben weder Zellwand noch Ribosomen, Antibiotika sind deshalb wirkungslos. Die unnötige Einnahme schadet aber, weil sie resistente Bakterien selektiert.

  5. Nennen Sie je ein Beispiel fĂŒr Bakterien als Symbionten, Parasiten und Destruenten.
    ✅ Lösung anzeigen

    Symbiont: Knöllchenbakterien oder Darmbakterien. Parasit: Salmonellen, Tuberkulose-Erreger oder Borrelien. Destruent: Bodenbakterien im Kompost oder in der KlÀranlage.

Transfer: Wachstumsrechnung

Ein Bakterium teilt sich unter optimalen Bedingungen alle 20 Minuten. Wie viele Bakterien sind nach 3 Stunden entstanden? Warum wird diese Zahl in der Natur nie erreicht?

✅ Lösung anzeigen

3 Stunden = 9 Teilungen, also 29 = 512 Bakterien. In der Natur werden NĂ€hrstoffe knapp, Abfallstoffe reichern sich an, Platz ist begrenzt und Fressfeinde sowie das Immunsystem töten Bakterien – das Wachstum wird gebremst.

Thema 3

đŸ§« Viren

3 Lernziele und ErklÀrung

🎯 Lernziele

  • den Aufbau und die Vermehrung von Viren beschreiben

📖 Aufbau eines Virus

Viren sind winzig – meist 20 bis 300 nm, also deutlich kleiner als Bakterien – und nur im Elektronenmikroskop sichtbar. Ein Viruspartikel (Virion) besteht im Kern aus nur zwei Bestandteilen: der Erbinformation (entweder DNA oder RNA, nie beides) und einer schĂŒtzenden ProteinhĂŒlle, dem Kapsid, das aus vielen gleichen Untereinheiten (Kapsomeren) aufgebaut ist.

Manche Viren, zum Beispiel Grippe- oder HI-Viren, sind zusĂ€tzlich von einer LipidhĂŒlle umgeben. Diese HĂŒlle stammt aus der Membran der Wirtszelle; in ihr stecken virale OberflĂ€chenproteine, mit denen das Virus an passende Rezeptoren seiner Wirtszelle andockt. Weil jedes Virus nur an bestimmte Rezeptoren passt, befĂ€llt es nur bestimmte Wirte und Gewebe – das HI-Virus zum Beispiel T-Helferzellen.

Sind Viren Lebewesen? Meist sagt man nein: Viren haben keinen eigenen Stoffwechsel, keine Ribosomen, wachsen nicht und können sich nur in einer Wirtszelle vermehren. Sie besitzen aber Erbinformation, verĂ€ndern sich durch Mutation und unterliegen der Selektion – sie evolvieren. Viren stehen daher an der Grenze des Lebendigen und gehören zu keinem der fĂŒnf Reiche.

Aufbau eines Bakteriophagen mit Kopf aus Kapsid, DNA, Schwanz und Schwanzfasern, deutsch beschriftet
Aufbau eines Bakteriophagen (T7): Im Kopf aus Kapsidproteinen liegt die DNA; mit dem Schwanz und den Fasern heftet sich der Phage an ein Bakterium. Quelle: Wikimedia Commons, Karasunoko; deutsche Beschriftung: Ernsts, CC BY-SA 4.0
Aufbau eines HI-Virus mit LipidhĂŒlle, HĂŒllproteinen, Kapsid und RNA
BehĂŒlltes Virus am Beispiel HIV: LipidhĂŒlle mit OberflĂ€chenproteinen, darin das Kapsid mit RNA und dem Enzym Reverse Transkriptase. Quelle: Wikimedia Commons, Thomas Splettstoesser (scistyle.com), CC BY-SA 4.0

🔁 Vermehrung am Beispiel der Bakteriophagen

Viren, die Bakterien befallen, heissen Bakteriophagen (kurz Phagen). An ihnen lÀsst sich die Virusvermehrung besonders gut zeigen. Man unterscheidet zwei Wege: den lytischen und den lysogenen Zyklus.

Lytischer Zyklus

  1. Adsorption: Der Phage heftet sich mit seinen Schwanzfasern an spezifische Rezeptoren der BakterienoberflÀche.
  2. Injektion: Er durchbohrt die Zellwand und spritzt seine DNA in die Zelle; das leere Kapsid bleibt draussen.
  3. Synthese: Die Phagen-DNA ĂŒbernimmt die Steuerung der Zelle. Mit den Enzymen, Ribosomen und Bausteinen des Bakteriums werden viele Kopien der Phagen-DNA und der Phagenproteine hergestellt.
  4. Zusammenbau: Aus DNA und Proteinen setzen sich neue Phagen zusammen.
  5. Lyse: Ein phageneigenes Enzym löst die Zellwand auf, das Bakterium platzt und setzt rund 100–200 neue Phagen frei, die weitere Bakterien befallen.

Lysogener Zyklus

Manche Phagen (z. B. der Phage Lambda) töten ihren Wirt nicht sofort. Ihre DNA wird in das Bakterienchromosom eingebaut und heisst dann Prophage. Bei jeder Zweiteilung wird sie mitkopiert und an beide Tochterzellen weitergegeben – das Virus vermehrt sich also «still» mit seinem Wirt. Erst wenn die Zelle unter Stress gerĂ€t (z. B. durch UV-Strahlung), löst sich der Prophage heraus und startet den lytischen Zyklus.

Schema des lytischen und des lysogenen Zyklus eines Bakteriophagen
Lytischer Zyklus (Vermehrung und Platzen der Zelle) und lysogener Zyklus (Einbau der Phagen-DNA als Prophage) im Vergleich (Beschriftung englisch). Quelle: Wikimedia Commons, Suly12, Adenosine, Pbroks13; Bearbeitung: Marek M, CC BY-SA 3.0
Lytischer Zyklus
  • Phagen-DNA bleibt frei in der Zelle
  • sofortige Vermehrung des Virus
  • Wirtszelle platzt (Lyse) und stirbt
  • schnelle Ausbreitung
Lysogener Zyklus
  • Phagen-DNA wird ins Bakterienchromosom eingebaut (Prophage)
  • Vermehrung zusammen mit dem Wirt bei jeder Teilung
  • Wirtszelle ĂŒberlebt vorerst
  • Wechsel in den lytischen Zyklus durch Stress möglich

đŸ§‘â€âš•ïž Viren bei Menschen und Tieren

Viren von Tieren und Menschen vermehren sich nach demselben Grundprinzip, mit kleinen Unterschieden: Sie gelangen meist als Ganzes in die Zelle (durch EinstĂŒlpung der Membran oder Verschmelzung ihrer HĂŒlle mit der Zellmembran). BehĂŒllte Viren verlassen die Zelle oft durch Knospung – sie nehmen dabei ein StĂŒck Zellmembran als neue HĂŒlle mit, ohne dass die Zelle sofort platzt.

Ein wichtiger Sonderfall sind Retroviren wie HIV: Ihre Erbinformation ist RNA. Mit dem Enzym Reverse Transkriptase schreiben sie die RNA in DNA um, die dann – Ă€hnlich wie beim lysogenen Zyklus – in das Erbgut der Wirtszelle eingebaut wird (vgl. HIV/AIDS in der Humanbiologie). Gegen Viren helfen Impfungen und teilweise antivirale Medikamente, aber keine Antibiotika.

Beispiel Schweiz: Zecken ĂŒbertragen nicht nur Bakterien (Borreliose), sondern auch ein Virus: die FrĂŒhsommer-Meningoenzephalitis (FSME). Gegen FSME gibt es eine Impfung, die das BAG in fast der ganzen Schweiz empfiehlt – gegen Borreliose dagegen nicht, dort hilft im Krankheitsfall ein Antibiotikum.

📊 Virus und Bakterium im Vergleich

MerkmalVirusBakterium
Grösseca. 20–300 nmca. 1–5 ”m
Baukeine Zelle: NukleinsĂ€ure + Kapsid (evtl. HĂŒlle)Zelle mit Membran, Cytoplasma, Ribosomen, Zellwand
ErbinformationDNA oder RNADNA (Chromosom und Plasmide)
Stoffwechselkeinereigener Stoffwechsel
Vermehrungnur in einer WirtszelleselbststÀndig durch Zweiteilung
Antibiotikawirkungsloswirksam (ausser bei Resistenz)
SchutzImpfung, antivirale MittelHygiene, Antibiotika, teils Impfung

🔑 Wichtige Begriffe

Virion
vollstÀndiges, infektiöses Viruspartikel ausserhalb der Zelle.
Kapsid
ProteinhĂŒlle, welche die virale NukleinsĂ€ure umschliesst.
Bakteriophage
Virus, das Bakterien befÀllt.
lytischer Zyklus
Vermehrung, die mit dem Platzen (Lyse) der Wirtszelle endet.
lysogener Zyklus
Phagen-DNA wird als Prophage ins Wirtschromosom eingebaut und mit vermehrt.
Prophage
in das Bakterienchromosom eingebaute Phagen-DNA.
Retrovirus
RNA-Virus, das seine RNA mit Reverser Transkriptase in DNA umschreibt (z. B. HIV).

📝 Zusammenfassung

  • Viren bestehen aus NukleinsĂ€ure (DNA oder RNA) und Kapsid, manche zusĂ€tzlich aus einer LipidhĂŒlle.
  • Sie haben keinen Stoffwechsel und vermehren sich nur in Wirtszellen.
  • Lytischer Zyklus: Adsorption → Injektion → Synthese → Zusammenbau → Lyse.
  • Lysogener Zyklus: Einbau als Prophage, Vermehrung mit dem Wirt, spĂ€terer Wechsel zur Lyse möglich.
  • Retroviren wie HIV schreiben RNA mit Reverser Transkriptase in DNA um.
  • Antibiotika wirken nicht gegen Viren; Schutz bieten Impfungen.

❓ PrĂŒfungsfragen

  1. Beschreiben Sie den Aufbau eines Virus und nennen Sie den Unterschied zwischen behĂŒllten und unbehĂŒllten Viren.
    ✅ Lösung anzeigen

    Ein Virus besteht aus NukleinsĂ€ure (DNA oder RNA) und einem Kapsid aus Proteinen. BehĂŒllte Viren besitzen zusĂ€tzlich eine LipidhĂŒlle aus der Membran der Wirtszelle mit viralen OberflĂ€chenproteinen; unbehĂŒllte Viren bestehen nur aus NukleinsĂ€ure und Kapsid.

  2. Nennen Sie zwei GrĂŒnde, warum Viren meist nicht als Lebewesen gelten.
    ✅ Lösung anzeigen

    Sie haben keinen eigenen Stoffwechsel und keine Ribosomen, und sie können sich nicht selbststÀndig vermehren, sondern nur mit Hilfe einer Wirtszelle.

  3. Beschreiben Sie die Schritte des lytischen Zyklus eines Bakteriophagen.
    ✅ Lösung anzeigen

    Adsorption an Rezeptoren der BakterienoberflÀche, Injektion der Phagen-DNA, Synthese von Phagen-DNA und -Proteinen mit dem Apparat der Wirtszelle, Zusammenbau neuer Phagen, Lyse der Zelle und Freisetzung der neuen Phagen.

  4. Worin unterscheidet sich der lysogene vom lytischen Zyklus?
    ✅ Lösung anzeigen

    Im lysogenen Zyklus wird die Phagen-DNA als Prophage ins Bakterienchromosom eingebaut und bei jeder Zellteilung mit vermehrt; die Wirtszelle ĂŒberlebt vorerst. Im lytischen Zyklus vermehrt sich der Phage sofort und die Zelle platzt.

  5. Warum befÀllt das HI-Virus vor allem T-Helferzellen und nicht zum Beispiel Hautzellen?
    ✅ Lösung anzeigen

    Die OberflÀchenproteine des Virus passen nur zu bestimmten Rezeptoren, die auf T-Helferzellen vorkommen. Zellen ohne diese Rezeptoren kann das Virus nicht befallen.

Transfer: Bakterienkultur mit Phagen

Zu einer dichten Bakterienkultur werden Phagen gegeben. Nach einer Stunde wird die trĂŒbe Kultur klar. In einer zweiten Kultur bleibt sie trĂŒb, obwohl die Bakterien nachweislich Phagen-DNA enthalten. ErklĂ€ren Sie beide Beobachtungen.

✅ Lösung anzeigen

In der ersten Kultur verlaufen lytische Zyklen: Die Bakterien platzen, die Kultur wird klar. In der zweiten Kultur verlĂ€uft ein lysogener Zyklus: Die Phagen-DNA ist als Prophage eingebaut, die Bakterien leben und teilen sich weiter, die Kultur bleibt trĂŒb. Unter Stress (z. B. UV-Licht) könnten auch diese Bakterien spĂ€ter lysieren.

Thema 4

🔬 Protisten

4 Lernziele und ErklÀrung

🎯 Lernziele

  • Bau und Lebensweise je eines heterotrophen und eines autotrophen Protisten beschreiben

📖 Was sind Protisten?

Protisten sind Eukaryoten, die weder zu den Pflanzen noch zu den Pilzen oder Tieren gehören – meist Einzeller. In dieser einen Zelle mĂŒssen alle Lebensaufgaben erledigt werden: Bewegung, Nahrungsaufnahme, Verdauung, Ausscheidung, Wasserhaushalt und Fortpflanzung. DafĂŒr besitzen Protisten spezialisierte Zellbestandteile, die wie «Organe» einer einzigen Zelle wirken.

Die Gruppe ist sehr vielfĂ€ltig: Heterotrophe Protisten wie Pantoffeltierchen oder Amöben fressen Bakterien und andere Kleinstlebewesen; autotrophe Protisten wie einzellige GrĂŒnalgen oder Kieselalgen betreiben Photosynthese. Einige Protisten sind Parasiten – etwa der Malaria-Erreger Plasmodium. In Seen und Meeren bilden autotrophe Protisten einen grossen Teil des Phytoplanktons und damit die Basis der Nahrungsnetze.

FĂŒr die SMP lernst du je ein typisches Beispiel genauer kennen: das Pantoffeltierchen als heterotrophen und Chlamydomonas als autotrophen Protisten. Beide leben im SĂŒsswasser – zum Beispiel in einem TĂŒmpel oder Gartenteich.

đŸ„ż Heterotroph: das Pantoffeltierchen (Paramecium)

Das Pantoffeltierchen ist etwa 0,1–0,3 mm lang und damit gerade noch von Auge als PĂŒnktchen erkennbar. Seine Zelle wird durch eine feste, elastische Aussenschicht (Pellicula) in Form gehalten – daher die typische Pantoffelform. Die ganze OberflĂ€che ist mit tausenden kurzen Wimpern (Cilien) besetzt, die rhythmisch schlagen: Das Tier schwimmt schraubenförmig und kann rĂŒckwĂ€rts ausweichen.

  1. Nahrungsaufnahme: Wimpern in der Mundbucht strudeln Bakterien zum Zellmund.
  2. Verdauung: Dort wird die Nahrung in eine Nahrungsvakuole eingeschlossen, die durch die Zelle wandert; Enzyme verdauen den Inhalt, die NĂ€hrstoffe gelangen ins Cytoplasma.
  3. Ausscheidung: Unverdauliche Reste werden am Zellafter ausgeschieden.
  4. Wasserhaushalt: Weil das Zellinnere mehr gelöste Teilchen enthĂ€lt als das SĂŒsswasser, strömt stĂ€ndig Wasser durch Osmose ein. Zwei pulsierende Vakuolen sammeln dieses Wasser und pumpen es unter Energieaufwand wieder hinaus – sonst wĂŒrde die Zelle platzen.
  5. Steuerung und Fortpflanzung: Der Grosskern (Makronukleus) steuert den Stoffwechsel, der Kleinkern (Mikronukleus) dient der Fortpflanzung. Pantoffeltierchen vermehren sich durch Querteilung; bei der Konjugation tauschen zwei Tiere Erbmaterial aus.
Beschriftetes Schema eines Pantoffeltierchens mit Wimpern, Zellmund, Nahrungsvakuolen, pulsierenden Vakuolen, Gross- und Kleinkern
Bau des Pantoffeltierchens: Wimpern, Mundbucht, Nahrungsvakuolen, pulsierende Vakuolen, Gross- und Kleinkern (Beschriftung englisch). Quelle: Wikimedia Commons, Deuterostome, CC BY-SA 3.0
Schema der Nahrungsaufnahme beim Pantoffeltierchen mit Bildung und Wanderung der Nahrungsvakuolen, deutsch beschriftet
Nahrungsaufnahme beim Pantoffeltierchen: Bildung der Nahrungsvakuole am Zellmund, Verdauung auf dem Weg durch die Zelle, Ausscheidung am Zellafter. Quelle: Wikimedia Commons, Eta MichaelFrey, CC BY-SA 3.0

🟱 Autotroph: die GrĂŒnalge Chlamydomonas

Chlamydomonas ist eine einzellige GrĂŒnalge von nur etwa 10 ”m LĂ€nge. Sie ist von einer Zellwand umgeben und schwimmt mit zwei Geisseln am Vorderende. Den grössten Teil der Zelle fĂŒllt ein einziger, becherförmiger Chloroplast, in dem die Photosynthese stattfindet. Darin liegt das Pyrenoid, ein Bereich, in dem StĂ€rke als Reservestoff gebildet wird.

Am Rand des Chloroplasten sitzt ein roter Augenfleck (Stigma). Er nimmt die Richtung des Lichts wahr, sodass die Alge gezielt zum Licht schwimmen kann (Phototaxis) – dort, wo sie am meisten Photosynthese betreiben kann. Wie beim Pantoffeltierchen pumpen pulsierende Vakuolen ĂŒberschĂŒssiges Wasser hinaus. Der Zellkern liegt in der Mitte. Chlamydomonas vermehrt sich meist ungeschlechtlich durch Teilung; bei ungĂŒnstigen Bedingungen auch geschlechtlich.

GrĂŒnalgen wie Chlamydomonas sind evolutionĂ€r besonders interessant: Sie besitzen dieselben Chlorophylle, StĂ€rke und Cellulose wie die Landpflanzen – die Pflanzen stammen von GrĂŒnalgen ab.

Schema der einzelligen GrĂŒnalge Chlamydomonas mit zwei Geisseln, becherförmigem Chloroplasten, Pyrenoid, Augenfleck und Zellkern
Bau von Chlamydomonas: zwei Geisseln, becherförmiger Chloroplast mit Pyrenoid, Augenfleck, Zellkern und Zellwand. Quelle: Wikimedia Commons, Nefronus, CC0
Beschriftetes Schema von Euglena mit Geissel, Augenfleck, Chloroplasten und Zellkern
Zum Vergleich: Euglena (Augentierchen) besitzt Chloroplasten und einen Augenfleck, kann sich im Dunkeln aber auch heterotroph ernÀhren (Beschriftung englisch). Quelle: Wikimedia Commons, Claudio Miklos, CC0
Sonderfall Euglena: Das Augentierchen Euglena wird oft als autotropher Protist gezeigt. Es betreibt im Licht Photosynthese, kann im Dunkeln aber gelöste organische Stoffe aufnehmen – es ist mixotroph. Das zeigt, warum die Protisten nicht klar in «Pflanze» oder «Tier» passen.

📊 Pantoffeltierchen und Chlamydomonas im Vergleich

MerkmalPantoffeltierchen (heterotroph)Chlamydomonas (autotroph)
Grösseca. 0,1–0,3 mmca. 10 ”m
Fortbewegungtausende Wimpern (Cilien)zwei Geisseln
ErnÀhrungfrisst Bakterien; Zellmund und NahrungsvakuolenPhotosynthese im becherförmigen Chloroplasten
HĂŒllePellicula, keine ZellwandZellwand
Reizaufnahmereagiert auf BerĂŒhrung und ChemikalienAugenfleck fĂŒr Licht (Phototaxis)
Wasserhaushaltpulsierende Vakuolenpulsierende Vakuolen
KerneGross- und Kleinkernein Zellkern
Reservestoff–StĂ€rke (Pyrenoid)

🔑 Wichtige Begriffe

Protist
meist einzelliger Eukaryot, der weder Pflanze, Pilz noch Tier ist.
Cilien (Wimpern)
kurze, zahlreiche bewegliche ZellfortsĂ€tze fĂŒr Fortbewegung und Nahrungsstrudel.
Geissel
langer, peitschenartiger Zellfortsatz zur Fortbewegung.
Nahrungsvakuole
membranumhĂŒlltes BlĂ€schen, in dem aufgenommene Nahrung verdaut wird.
pulsierende Vakuole
pumpt osmotisch eingeströmtes Wasser aus der Zelle (Osmoregulation).
Augenfleck
lichtempfindliche Struktur, mit der eine Alge die Lichtrichtung erkennt.
Phototaxis
gerichtete Bewegung zum Licht hin (oder davon weg).
mixotroph
kann sich sowohl autotroph als auch heterotroph ernÀhren.

📝 Zusammenfassung

  • Protisten sind meist einzellige Eukaryoten; eine Zelle erfĂŒllt alle Lebensfunktionen.
  • Pantoffeltierchen: heterotroph, Wimpern, Zellmund, Nahrungsvakuolen, Zellafter, Gross- und Kleinkern.
  • Chlamydomonas: autotroph, zwei Geisseln, becherförmiger Chloroplast, Pyrenoid, Augenfleck.
  • Pulsierende Vakuolen schĂŒtzen SĂŒsswasser-Einzeller vor dem Platzen durch Osmose.
  • Autotrophe Protisten sind wichtige Produzenten im Phytoplankton; Pflanzen stammen von GrĂŒnalgen ab.

❓ PrĂŒfungsfragen

  1. Beschreiben Sie den Weg der Nahrung beim Pantoffeltierchen.
    ✅ Lösung anzeigen

    Wimpern strudeln Bakterien in die Mundbucht zum Zellmund. Dort entsteht eine Nahrungsvakuole, die durch die Zelle wandert; Enzyme verdauen die Nahrung, NĂ€hrstoffe gelangen ins Cytoplasma. Unverdauliche Reste werden am Zellafter ausgeschieden.

  2. ErklÀren Sie die Funktion der pulsierenden Vakuole.
    ✅ Lösung anzeigen

    Im SĂŒsswasser ist die Umgebung hypotonisch; durch Osmose strömt stĂ€ndig Wasser in die Zelle. Die pulsierende Vakuole sammelt das Wasser und pumpt es unter ATP-Verbrauch hinaus, sodass die Zelle nicht platzt.

  3. Welche Aufgabe hat der Augenfleck bei Chlamydomonas?
    ✅ Lösung anzeigen

    Er erkennt die Richtung des Lichts. So kann die Alge mit ihren Geisseln zum Licht schwimmen (Phototaxis) und dort optimal Photosynthese betreiben.

  4. Nennen Sie je zwei Merkmale, an denen man erkennt, dass das Pantoffeltierchen heterotroph und Chlamydomonas autotroph ist.
    ✅ Lösung anzeigen

    Pantoffeltierchen: Zellmund und Nahrungsvakuolen, keine Chloroplasten. Chlamydomonas: Chloroplast mit Chlorophyll und Pyrenoid zur StÀrkebildung, Augenfleck zur Lichtorientierung.

  5. Was unterscheidet die Aufgaben von Gross- und Kleinkern beim Pantoffeltierchen?
    ✅ Lösung anzeigen

    Der Grosskern steuert den Stoffwechsel und die laufenden Zellfunktionen; der Kleinkern ist fĂŒr die Fortpflanzung und den Austausch von Erbmaterial bei der Konjugation zustĂ€ndig.

Transfer: Pantoffeltierchen im Salzwasser

Pantoffeltierchen werden aus Teichwasser in eine leicht salzhaltige Lösung gebracht. Die pulsierenden Vakuolen ziehen sich danach deutlich seltener zusammen. ErklÀren Sie die Beobachtung.

✅ Lösung anzeigen

Im Salzwasser ist der Konzentrationsunterschied zwischen Zellinnerem und Umgebung kleiner. Es strömt deshalb weniger Wasser durch Osmose in die Zelle, und die pulsierenden Vakuolen mĂŒssen weniger Wasser hinauspumpen – sie pulsieren seltener.

Thema 5

🍄 Pilze

5 Lernziele und ErklÀrung

🎯 Lernziele

  • Bau und Lebenszyklus eines StĂ€nderpilzes beschreiben
  • die Bedeutung der Pilze als Symbionten (Mykorrhiza), Parasiten und Destruenten erklĂ€ren

📖 Bau eines StĂ€nderpilzes

Was wir im Wald als «Pilz» sammeln, ist nur ein kleiner Teil des Lebewesens: der Fruchtkörper. Der eigentliche Pilz lebt unsichtbar im Boden oder im Holz. Er besteht aus feinen, verzweigten ZellfÀden, den Hyphen. Die Gesamtheit aller Hyphen bildet ein dichtes Geflecht, das Myzel. Ein Myzel kann viele Quadratmeter gross und jahrzehntealt werden.

Der Fruchtkörper eines StĂ€nderpilzes (z. B. Steinpilz, Champignon, Fliegenpilz) besteht aus Stiel und Hut. Auf der Hutunterseite liegen Lamellen (BlĂ€tter) oder Röhren. Sie tragen die sporenbildende Schicht mit den StĂ€ndern (Basidien) – keulenförmigen Zellen, an denen je vier Sporen entstehen. Davon hat die Gruppe ihren Namen. Lamellen und Röhren vergrössern die OberflĂ€che, auf der Sporen gebildet werden: Ein einziger Fruchtkörper kann Milliarden Sporen freisetzen.

Pilze sind heterotroph. Sie scheiden Verdauungsenzyme in ihre Umgebung aus, bauen organische Stoffe ausserhalb ihrer Zellen ab und nehmen die gelösten Bausteine durch die Hyphenwand auf (Absorption). Ihre Zellwand besteht aus Chitin, als Reservestoff speichern sie Glykogen – wie Tiere und nicht StĂ€rke wie Pflanzen.

Steinpilz mit braunem Hut und dickem hellem Stiel auf dem Waldboden
Steinpilz: Der sichtbare Fruchtkörper (Hut und Stiel) dient nur der Sporenbildung; der eigentliche Pilz ist das Myzel im Boden. Quelle: Wikimedia Commons, Pereber (de.wikipedia), CC BY-SA 3.0
Übersicht verschiedener Formen von PilzhĂŒten und LamellenansĂ€tzen
Formen von Hut und Hutunterseite bei StÀnderpilzen, z. B. Lamellen, Röhren oder Leisten (Beschriftung englisch). Quelle: Wikimedia Commons, debivort, CC BY-SA 3.0

🔁 Lebenszyklus eines StĂ€nderpilzes

  1. Spore keimt: Eine haploide Basidiospore (n) landet auf geeignetem Boden und keimt zu einem primÀren Myzel mit haploiden Zellkernen aus.
  2. Verschmelzung der Hyphen: Treffen zwei Myzelien verschiedener Kreuzungstypen aufeinander, verschmelzen ihre Hyphen (Plasmogamie). Die Kerne verschmelzen dabei nicht: Es entsteht ein sekundÀres Myzel mit zwei verschiedenen haploiden Kernen pro Zelle (Paarkernphase, n + n).
  3. Wachstum und Fruchtkörper: Das Paarkern-Myzel wĂ€chst oft jahrelang im Boden. Bei gĂŒnstiger Witterung (Feuchtigkeit, Temperatur) bildet es aus dicht gepackten Hyphen den Fruchtkörper.
  4. Kernverschmelzung in der Basidie: In den Basidien an den Lamellen verschmelzen die beiden Kerne endlich (Karyogamie). Es entsteht ein diploider Kern (2n) – das einzige diploide Stadium im ganzen Zyklus.
  5. Meiose und Sporenbildung: Sofort danach folgt die Meiose: Es entstehen vier haploide Kerne, die in vier Basidiosporen wandern. Die reifen Sporen fallen ab und werden vom Wind verbreitet – der Zyklus beginnt von vorn.
Spore (n)
→
primÀres Myzel (n)
→
sekundÀres Myzel (n + n)
→
Fruchtkörper
→
Basidie (2n → Meiose)
→
4 Sporen (n)
Hexenring: Das Myzel wÀchst vom Ausgangspunkt gleichmÀssig nach aussen; in der Mitte stirbt es ab. Deshalb erscheinen die Fruchtkörper manchmal in einem Kreis auf der Wiese.

đŸŒČ Bedeutung der Pilze

Symbionten – die Mykorrhiza: Rund 80–90 % aller Landpflanzen leben in einer Symbiose mit Pilzen. Bei der Mykorrhiza («Pilzwurzel») umspinnen oder durchdringen Pilzhyphen die feinen Wurzeln. Das riesige Hyphennetz vergrössert die AufnahmeflĂ€che der Wurzeln enorm: Der Pilz liefert der Pflanze Wasser und Mineralstoffe (vor allem Phosphat und Stickstoff), die Pflanze gibt dem Pilz Zucker aus der Photosynthese. Viele Speisepilze wie Steinpilz oder Eierschwamm wachsen deshalb nur bei bestimmten BĂ€umen (z. B. Fichte, Buche) und lassen sich kaum zĂŒchten. Eine weitere Symbiose sind die Flechten: Pilz und Alge bzw. Cyanobakterium bilden zusammen einen Organismus.

Parasiten: Manche Pilze befallen lebende Organismen. Der Hallimasch dringt in Baumwurzeln ein und kann ganze BÀume zum Absterben bringen. Mehltau- und Rostpilze schÀdigen Kulturpflanzen. Beim Menschen verursachen Pilze zum Beispiel Fusspilz. In der Schweiz bedroht das Eschentriebsterben, ausgelöst durch einen eingeschleppten Pilz, die EschenbestÀnde.

Destruenten: Pilze sind die wichtigsten Zersetzer im Wald. Nur sie können Lignin, den Holzstoff, wirksam abbauen. Ohne Pilze wĂŒrden tote BĂ€ume und Laub kaum verrotten, und die darin gebundenen NĂ€hrstoffe kĂ€men nicht in den Kreislauf zurĂŒck.

Feine Baumwurzelspitzen, die von einem weissen Pilzmantel umhĂŒllt sind
Mykorrhiza: Wurzelspitzen eines Baumes, umhĂŒllt von einem Mantel aus Pilzhyphen (Wulstling, Amanita). Quelle: Wikimedia Commons, Ellen Larsson, CC BY 2.5
Beispiel Schweiz: Fast jede Gemeinde bietet eine kostenlose amtliche Pilzkontrolle an. Denn es gibt tödlich giftige Arten wie den GrĂŒnen KnollenblĂ€tterpilz, die man leicht mit Speisepilzen verwechselt. NĂŒtzliche Pilze kennst du aus der KĂŒche: Backhefe lĂ€sst den Brotteig aufgehen, Edelschimmel reift KĂ€se.

📊 Die drei Rollen der Pilze

RolleBeispielWas geschieht?
SymbiontMykorrhiza (Steinpilz–Fichte), FlechtenPilz liefert Wasser und Mineralstoffe, Partner liefert Zucker
ParasitHallimasch, Mehltau, Fusspilz, EschentriebsterbenPilz entzieht einem lebenden Wirt NÀhrstoffe und schÀdigt ihn
DestruentHolz- und Laubzersetzer, SchimmelpilzeAbbau toter Biomasse, auch Lignin; NĂ€hrstoffe werden frei

🔑 Wichtige Begriffe

Hyphe
fadenförmige Zellreihe eines Pilzes.
Myzel
Geflecht aus allen Hyphen; der eigentliche Pilzkörper.
Fruchtkörper
oberirdischer Teil aus dicht gepackten Hyphen, dient der Sporenbildung.
Basidie (StÀnder)
keulenförmige Zelle an den Lamellen, an der nach Kernverschmelzung und Meiose vier Sporen entstehen.
Paarkernphase
Stadium mit zwei getrennten haploiden Kernen pro Zelle (n + n).
Mykorrhiza
Symbiose zwischen Pilzhyphen und Pflanzenwurzeln.
Absorption
Aufnahme gelöster NÀhrstoffe durch die ZelloberflÀche nach Verdauung ausserhalb der Zelle.

📝 Zusammenfassung

  • Der Pilz besteht aus Hyphen, die das Myzel bilden; der Fruchtkörper dient nur der Fortpflanzung.
  • Pilze sind heterotroph, verdauen ausserhalb der Zelle und haben ChitinzellwĂ€nde.
  • Lebenszyklus: Spore → primĂ€res Myzel → Paarkern-Myzel → Fruchtkörper → Kernverschmelzung in der Basidie → Meiose → 4 Sporen.
  • Mykorrhiza: Pilz gibt Wasser und Mineralstoffe, Pflanze gibt Zucker.
  • Pilze sind auch Parasiten (Hallimasch, Fusspilz) und die wichtigsten Holzzersetzer.

❓ PrĂŒfungsfragen

  1. Warum ist der Fruchtkörper nicht «der Pilz»?
    ✅ Lösung anzeigen

    Der eigentliche Pilz ist das Myzel aus Hyphen im Boden oder Holz, das NÀhrstoffe aufnimmt und lange lebt. Der Fruchtkörper ist nur ein kurzlebiges Organ zur Bildung und Verbreitung der Sporen.

  2. Wo und wann wird beim StÀnderpilz das diploide Stadium erreicht, und was folgt darauf?
    ✅ Lösung anzeigen

    In den Basidien an den Lamellen verschmelzen die beiden haploiden Kerne zu einem diploiden Kern. Unmittelbar danach folgt die Meiose, aus der vier haploide Basidiosporen hervorgehen.

  3. ErklÀren Sie, warum beide Partner von der Mykorrhiza profitieren.
    ✅ Lösung anzeigen

    Das Hyphennetz vergrössert die AufnahmeflÀche: Der Pilz versorgt die Pflanze mit Wasser und Mineralstoffen wie Phosphat und Stickstoff. Die Pflanze liefert dem heterotrophen Pilz Zucker aus der Photosynthese.

  4. Warum lassen sich Steinpilze kaum auf Strohballen zĂŒchten, Champignons aber schon?
    ✅ Lösung anzeigen

    Der Steinpilz ist ein Mykorrhizapilz und braucht lebende Baumwurzeln als Partner. Der Champignon ist ein Destruent, der totes organisches Material abbaut, und kann deshalb auf Substrat wie Stroh oder Mist wachsen.

  5. Nennen Sie zwei Merkmale, die Pilze mit Tieren gemeinsam haben, und eines, das sie unterscheidet.
    ✅ Lösung anzeigen

    Gemeinsam: heterotrophe ErnÀhrung, Glykogen als Reservestoff (auch Chitin kommt bei Insekten vor). Unterschied: Pilze besitzen eine Zellwand und nehmen Nahrung durch Absorption auf, Tiere haben keine Zellwand und nehmen Nahrung auf und verdauen sie innen.

Transfer: Fichtenforst nach Fungizid

In einem Fichtenforst wird versehentlich ein Mittel gegen Pilze in den Boden gebracht. Die BÀume wachsen danach deutlich schlechter, obwohl sie selbst nicht geschÀdigt wurden. ErklÀren Sie.

✅ Lösung anzeigen

Das Fungizid tötet die Mykorrhizapilze. Ohne das Hyphennetz ist die AufnahmeflÀche der Wurzeln viel kleiner; die Fichten erhalten weniger Wasser, Phosphat und Stickstoff und wachsen schlechter. Zudem fehlen Destruenten, sodass weniger NÀhrstoffe aus dem Nadelstreu freigesetzt werden.

Thema 6

🌿 Pflanzen

6 Lernziele und ErklÀrung

🎯 Lernziele

  • die Gruppen Algen, Moose, Farnpflanzen, Nackt- und Bedecktsamer (einkeimblĂ€ttrige und zweikeimblĂ€ttrige) unterscheiden
  • Bau und Lebensweise der Samenpflanzen beschreiben (Leitgewebe, BlĂŒten, Samen, FrĂŒchte)

📖 Vom Wasser aufs Land: die Pflanzengruppen

Die Pflanzengruppen lassen sich wie eine Geschichte der Eroberung des Landes lesen. Algen leben im Wasser; ihr Körper (Thallus) hat keine echten Wurzeln, StĂ€ngel oder BlĂ€tter und kein Leitgewebe – das Wasser trĂ€gt und versorgt sie. Moose waren unter den ersten Landpflanzen. Sie haben noch kein Leitgewebe und keine echten Wurzeln (nur HaftfĂ€den, Rhizoide) und bleiben deshalb klein und an feuchte Orte gebunden.

Farnpflanzen (Farne, Schachtelhalme, BĂ€rlappe) besitzen als erste Leitgewebe und echte Wurzeln; sie können deshalb gross werden – in der Karbonzeit bildeten baumgrosse Farne ganze WĂ€lder. Moose und Farne vermehren sich aber noch mit Sporen, und fĂŒr die Befruchtung mĂŒssen die Spermien in einem Wasserfilm zur Eizelle schwimmen.

Erst die Samenpflanzen sind vollstĂ€ndig vom Wasser unabhĂ€ngig: Der Pollen bringt die mĂ€nnlichen Keimzellen durch die Luft zur Eizelle, und der Samen schĂŒtzt den Embryo und versorgt ihn mit NĂ€hrstoffen. Bei den Nacktsamern (z. B. Fichte, Föhre, Arve, LĂ€rche) liegen die Samenanlagen offen auf den Schuppen der Zapfen. Bei den Bedecktsamern (BlĂŒtenpflanzen) sind sie in einem Fruchtknoten eingeschlossen, aus dem spĂ€ter die Frucht wird.

📊 Die Pflanzengruppen im Vergleich

GruppeLeitgewebe / WurzelnVerbreitung durchBefruchtungDominante GenerationBeispiele
Algennein / neinSporen, Zellteilungim Wasserje nach ArtMeersalat, Braunalgen, Armleuchteralgen
Moosenein / nur RhizoideSporenbraucht Wasser (Spermien schwimmen)Gametophyt (grĂŒne Moospflanze)Torfmoos, Frauenhaarmoos
Farnpflanzenja / jaSporenbraucht Wasser (Spermien schwimmen)Sporophyt (Farnwedel)Wurmfarn, Adlerfarn, Schachtelhalm
Nacktsamerja / jaSamen (offen auf Zapfenschuppen)unabhÀngig von Wasser (Pollen, meist Wind)SporophytFichte, Föhre, Arve, LÀrche
Bedecktsamerja / jaSamen in FrĂŒchtenunabhĂ€ngig von Wasser (Pollen, Wind oder Tiere)SporophytBuche, Enzian, Weizen, Apfelbaum

🔁 Generationswechsel bei Moos und Farn

Bei allen Landpflanzen wechseln sich zwei Generationen ab: der haploide Gametophyt (bildet Keimzellen) und der diploide Sporophyt (bildet durch Meiose Sporen). Bei Moos und Farn ist unterschiedlich, welche Generation die «eigentliche» Pflanze ist:

Moos
  • Die grĂŒne Moospflanze ist der Gametophyt (haploid).
  • Spermien schwimmen bei Regen zur Eizelle.
  • Aus der Zygote wĂ€chst der Sporophyt: ein Stiel mit Sporenkapsel, der auf der Moospflanze sitzt und von ihr ernĂ€hrt wird.
  • In der Kapsel entstehen durch Meiose Sporen, die zu neuen Moospflanzen keimen.
Farn
  • Die grosse Farnpflanze mit Wedeln ist der Sporophyt (diploid).
  • An der Blattunterseite bilden SporenbehĂ€lter durch Meiose Sporen.
  • Eine Spore keimt zum winzigen, herzförmigen Vorkeim (Prothallium) = Gametophyt.
  • Auf dem Vorkeim schwimmen Spermien zur Eizelle; aus der Zygote wĂ€chst ein neuer Farn.
Schema des Lebenszyklus eines Mooses mit Moospflanze, Keimzellen, Sporenkapsel und Sporen
Lebenszyklus eines Mooses: Die grĂŒne Moospflanze (Gametophyt) trĂ€gt den Sporophyten mit der Sporenkapsel. Quelle: Wikimedia Commons, TomĂĄĆĄ Kebert & umimeto.org, CC BY-SA 4.0
Schema des Generationswechsels beim Farn mit Farnpflanze, Sporen, Vorkeim und Befruchtung, deutsch beschriftet
Generationswechsel beim Farn: Die Farnpflanze ist der Sporophyt, der kleine Vorkeim (Prothallium) der Gametophyt. Quelle: Wikimedia Commons, Jeffrey Finkelstein, CC BY-SA 2.5

đŸŒ± Bau der Samenpflanzen: Leitgewebe

Samenpflanzen gliedern sich in Wurzel, Spross und BlĂ€tter. Damit alle Teile versorgt werden, durchziehen zwei Leitgewebe die ganze Pflanze, gebĂŒndelt in LeitbĂŒndeln:

  • Xylem (Holzteil): leitet Wasser und Mineralstoffe von den Wurzeln nach oben. Es besteht aus toten, verholzten Röhren (GefĂ€sse). Angetrieben wird der Strom vor allem durch den Transpirationssog: An den BlĂ€ttern verdunstet Wasser durch die Spaltöffnungen und zieht die WassersĂ€ule nach.
  • Phloem (Siebteil): leitet die in der Photosynthese gebildeten Zucker (vor allem Saccharose) von den BlĂ€ttern in alle Teile, die sie verbrauchen oder speichern – Wurzeln, FrĂŒchte, Knospen. Es besteht aus lebenden Siebröhren.

🌾 BlĂŒte, BestĂ€ubung und Befruchtung

Die BlĂŒte der Bedecktsamer ist ein Kurzspross mit umgewandelten BlĂ€ttern. Von aussen nach innen: KelchblĂ€tter (schĂŒtzen die Knospe), KronblĂ€tter (locken oft Insekten an), StaubblĂ€tter (mĂ€nnlich; im Staubbeutel entsteht der Pollen) und in der Mitte das Fruchtblatt bzw. der Stempel (weiblich) mit Narbe, Griffel und Fruchtknoten, in dem die Samenanlagen mit den Eizellen liegen.

  1. BestĂ€ubung: Pollen gelangt auf die Narbe – durch Wind (GrĂ€ser, Hasel) oder durch Tiere wie Bienen, die Nektar suchen.
  2. Pollenschlauch: Das Pollenkorn keimt und treibt einen Pollenschlauch durch den Griffel bis zur Samenanlage.
  3. Befruchtung: Eine Spermazelle verschmilzt mit der Eizelle → Zygote (Embryo). Eine zweite verschmilzt mit einer weiteren Zelle → NĂ€hrgewebe (doppelte Befruchtung).
  4. Samen und Frucht: Aus der Samenanlage wird der Samen (Embryo, NĂ€hrgewebe, Samenschale), aus dem Fruchtknoten die Frucht, welche die Samen umschliesst.
  5. Verbreitung: FrĂŒchte und Samen werden durch Wind (Löwenzahn, Ahorn), Tiere (Kirsche wird gefressen, Klette haftet im Fell) oder die Pflanze selbst (Springkraut) verbreitet.
Merke: BestÀubung ist nicht Befruchtung. BestÀubung = Pollen kommt auf die Narbe. Befruchtung = Verschmelzung von Spermazelle und Eizelle in der Samenanlage.
LĂ€ngsschnitt durch eine BlĂŒte mit KelchblĂ€ttern, KronblĂ€ttern, StaubblĂ€ttern und Stempel mit Narbe, Griffel und Fruchtknoten
Aufbau einer BlĂŒte: StaubblĂ€tter (anther, filament), Stempel mit Narbe (stigma), Griffel (style) und Fruchtknoten (ovary) mit Samenanlagen (ovule) (Beschriftung englisch). Quelle: Wikimedia Commons, Mariana Ruiz (LadyofHats), Public Domain
Vergleich einkeimblĂ€ttriger und zweikeimblĂ€ttriger Pflanzen: KeimblĂ€tter, Blattadern, LeitbĂŒndel, BlĂŒtenteile, Wurzeln
EinkeimblĂ€ttrige (links) und ZweikeimblĂ€ttrige (rechts) im Vergleich: KeimblĂ€tter, Blattadern, LeitbĂŒndel, BlĂŒtenteile und Wurzeln. Quelle: Wikimedia Commons, Flowerpower207, CC BY-SA 3.0

📊 EinkeimblĂ€ttrige und ZweikeimblĂ€ttrige

MerkmalEinkeimblÀttrigeZweikeimblÀttrige
KeimblÀttereineszwei
Blattadernparallelnetzartig verzweigt
LeitbĂŒndel im StĂ€ngelzerstreutringförmig angeordnet
BlĂŒtenteilemeist 3 oder Vielfachemeist 4 oder 5 oder Vielfache
WurzelBĂŒschelwurzelnmeist Pfahlwurzel
Dickenwachstum (Holz)fehlt meistbei BÀumen und StrÀuchern vorhanden
BeispieleGrÀser, Weizen, Mais, Tulpe, OrchideenBohne, Rose, Buche, Löwenzahn, Enzian

🔑 Wichtige Begriffe

Leitgewebe
Gewebe fĂŒr den Stofftransport: Xylem (Wasser) und Phloem (Zucker).
Gametophyt
haploide Generation, die Keimzellen bildet.
Sporophyt
diploide Generation, die durch Meiose Sporen bildet.
Prothallium
kleiner Vorkeim des Farns; dessen Gametophyt.
BestÀubung
Übertragung von Pollen auf die Narbe.
Befruchtung
Verschmelzung von mÀnnlicher und weiblicher Keimzelle.
Samen
entsteht aus der Samenanlage: Embryo, NĂ€hrgewebe, Samenschale.
Frucht
entsteht aus dem Fruchtknoten und umschliesst die Samen.

📝 Zusammenfassung

  • Algen und Moose haben kein Leitgewebe; Farne, Nackt- und Bedecktsamer schon.
  • Moose und Farne verbreiten sich durch Sporen und brauchen Wasser fĂŒr die Befruchtung.
  • Bei Moosen dominiert der Gametophyt, bei Farnen und Samenpflanzen der Sporophyt.
  • Samenpflanzen sind dank Pollen und Samen unabhĂ€ngig vom Wasser; Bedecktsamer schliessen die Samenanlagen im Fruchtknoten ein.
  • Xylem leitet Wasser nach oben, Phloem verteilt Zucker.
  • BlĂŒte → BestĂ€ubung → Befruchtung → Samen und Frucht → Verbreitung.

❓ PrĂŒfungsfragen

  1. Warum werden Moose nie so gross wie BĂ€ume?
    ✅ Lösung anzeigen

    Moose haben kein Leitgewebe und keine echten Wurzeln. Wasser und Mineralstoffe verteilen sich nur ĂŒber kurze Strecken von Zelle zu Zelle; zudem fehlt verholztes StĂŒtzgewebe.

  2. Welche zwei «Erfindungen» machten die Samenpflanzen bei der Fortpflanzung unabhÀngig vom Wasser?
    ✅ Lösung anzeigen

    Der Pollen, der die mĂ€nnlichen Keimzellen durch die Luft transportiert, und der Samen, der den Embryo vor Austrocknung schĂŒtzt und mit NĂ€hrstoffen versorgt.

  3. Unterscheiden Sie Nacktsamer und Bedecktsamer.
    ✅ Lösung anzeigen

    Bei Nacktsamern liegen die Samenanlagen frei auf den Zapfenschuppen; es entstehen keine FrĂŒchte. Bei Bedecktsamern sind die Samenanlagen im Fruchtknoten eingeschlossen; daraus entsteht eine Frucht.

  4. Eine Pflanze hat BlĂ€tter mit parallelen Adern und BlĂŒten mit sechs BlĂŒtenblĂ€ttern. Ordnen Sie sie zu.
    ✅ Lösung anzeigen

    EinkeimblĂ€ttrige Pflanze: Parallelnervatur und BlĂŒtenteile in Dreizahl bzw. Vielfachen davon (z. B. Tulpe oder Lilie).

  5. Beschreiben Sie die Aufgaben von Xylem und Phloem.
    ✅ Lösung anzeigen

    Das Xylem leitet Wasser und gelöste Mineralstoffe von den Wurzeln nach oben, angetrieben vor allem durch die Transpiration. Das Phloem transportiert Zucker aus der Photosynthese von den BlÀttern zu Orten des Verbrauchs oder der Speicherung.

  6. Warum ist die grĂŒne Moospflanze haploid, die grĂŒne Farnpflanze aber diploid?
    ✅ Lösung anzeigen

    Beim Moos ist der Gametophyt die dominante, grĂŒne Generation; beim Farn ist es der Sporophyt. Der Gametophyt ist haploid, der Sporophyt diploid.

Transfer: Apfel und Apfelkern

Welche Teile eines Apfels sind Frucht, welche Samen? Aus welchen Teilen der BlĂŒte sind sie entstanden? Warum trĂ€gt ein Apfelbaum ohne Bienen kaum FrĂŒchte?

✅ Lösung anzeigen

Die Kerne sind die Samen; sie entstehen aus den Samenanlagen. Das KerngehĂ€use geht auf den Fruchtknoten zurĂŒck, das Fruchtfleisch zum grossen Teil auf den BlĂŒtenboden, der den Fruchtknoten umwĂ€chst (Scheinfrucht). Ohne Bienen findet kaum BestĂ€ubung statt; ohne BestĂ€ubung keine Befruchtung und damit keine Samen- und Fruchtbildung.

Thema 7

đŸŸ Tiere

7 Lernziele und ErklÀrung

🎯 Lernziele

  • die Hauptmerkmale der Gruppen Nesseltiere, RingelwĂŒrmer, Arthropoden und Chordatiere beschreiben
  • die Hauptmerkmale der fĂŒnf Wirbeltierklassen beschreiben

📖 Vier BauplĂ€ne

Nesseltiere (SĂŒsswasserpolyp Hydra, Quallen, Korallen) gehören zu den einfachsten vielzelligen Tieren. Ihr Körper ist radiĂ€rsymmetrisch und besteht aus nur zwei Zellschichten (aussen Ektoderm, innen Entoderm). Sie besitzen einen sackförmigen Darm (Gastralraum) mit nur einer Öffnung, die zugleich Mund und After ist. Die Fangarme tragen Nesselzellen, die beim BerĂŒhren Gift und FĂ€den in die Beute schiessen. Ein einfaches Nervennetz durchzieht den Körper; ein Gehirn fehlt.

RingelwĂŒrmer wie der Regenwurm sind bilateralsymmetrisch und deutlich höher organisiert. Ihr Körper ist in viele gleichartige Segmente gegliedert – aussen als Ringe sichtbar, innen wiederholen sich Organe. Ein Hautmuskelschlauch aus Ring- und LĂ€ngsmuskeln ermöglicht die Fortbewegung, ein durchgehender Darm mit Mund und After die Verdauung. Der Regenwurm hat ein Strickleiternervensystem, einen geschlossenen Blutkreislauf und atmet durch die feuchte Haut. Er ist Zwitter.

Arthropoden (GliederfĂŒsser) sind mit ĂŒber einer Million beschriebenen Arten die grösste Tiergruppe: Insekten, Spinnentiere, Krebstiere und TausendfĂŒsser. Typisch sind gegliederte Beine und ein Aussenskelett aus Chitin, das schĂŒtzt und stĂŒtzt, aber nicht mitwĂ€chst – deshalb mĂŒssen sich Arthropoden hĂ€uten. Ihr Körper ist segmentiert und in Abschnitte gegliedert (Insekten: Kopf, Brust, Hinterleib, sechs Beine; Spinnen: zwei Abschnitte, acht Beine). Sie haben ein Strickleiternervensystem, einen offenen Blutkreislauf und atmen – bei Insekten – mit Tracheen.

Chordatiere sind durch vier Merkmale definiert, die zumindest im Embryo auftreten: eine Chorda dorsalis (elastischer StĂŒtzstab im RĂŒcken), ein Neuralrohr auf der RĂŒckenseite (daraus wird das Zentralnervensystem), Kiemenspalten im Schlund und ein Schwanz hinter dem After. Zu den Chordatieren gehören das Lanzettfischchen und die Wirbeltiere, bei denen die Chorda im Lauf der Entwicklung durch die WirbelsĂ€ule ersetzt wird.

SĂŒsswasserpolyp Hydra mit langen dĂŒnnen Fangarmen
SĂŒsswasserpolyp Hydra: radiĂ€rsymmetrisches Nesseltier mit Fangarmen voller Nesselzellen. Quelle: Wikimedia Commons, Lifetrance, CC BY-SA 3.0
Regenwurm mit deutlich sichtbaren Körpersegmenten und GĂŒrtel
Regenwurm (Lumbricus terrestris): Die Ringe zeigen die Segmentierung; der verdickte GĂŒrtel dient der Fortpflanzung. Quelle: Wikimedia Commons, Kulmalukko, CC BY-SA 3.0

📊 Die vier Tiergruppen im Vergleich

GruppeSymmetrieKörperbauStĂŒtzeNervensystemBeispiele
NesseltiereradiĂ€r2 Zellschichten, Darm mit 1 Öffnung, NesselzellenWasserdruck im GastralraumNervennetzHydra, Quallen, Korallen
RingelwĂŒrmerbilateralviele gleiche Segmente, Darm mit Mund und AfterHautmuskelschlauch (Hydroskelett)StrickleiterRegenwurm, Blutegel
ArthropodenbilateralSegmente zu Abschnitten verschmolzen, gegliederte BeineAussenskelett aus Chitin (HĂ€utung)StrickleiterBiene, Spinne, Flusskrebs
ChordatierebilateralChorda, Kiemenspalten, SchwanzChorda, bei Wirbeltieren InnenskelettNeuralrohr auf der RĂŒckenseiteLanzettfischchen, alle Wirbeltiere

🐟🐾🩎🩅🩌 Die fĂŒnf Wirbeltierklassen

Die Wirbeltiere zeigen eine klare Abfolge der Anpassung an das Landleben: Fische leben ganz im Wasser, Amphibien sind fĂŒr die Fortpflanzung noch ans Wasser gebunden, und erst Reptilien, Vögel und SĂ€ugetiere sind dank des Amnioneis (Ei mit schĂŒtzender Fruchtblase) bzw. der Entwicklung im Mutterleib vollstĂ€ndig vom Wasser unabhĂ€ngig. Vögel und SĂ€ugetiere können zudem ihre Körpertemperatur konstant halten (gleichwarm).

KlasseHautAtmungHerzKörpertemperaturFortpflanzungBeispiele (Schweiz)
FischeSchuppen, SchleimKiemen1 Vorhof, 1 Kammerwechselwarmmeist Àussere Befruchtung, Eier (Laich) im WasserBachforelle, Felchen, Hecht
Amphibiennackt, drĂŒsenreich, feuchtLarve: Kiemen; erwachsen: Lunge und Haut2 Vorhöfe, 1 Kammerwechselwarmmeist Ă€ussere Befruchtung, Laich im Wasser, MetamorphoseGrasfrosch, Erdkröte, Feuersalamander
Reptilientrockene HornschuppenLunge2 Vorhöfe, Kammer unvollstÀndig geteiltwechselwarminnere Befruchtung, beschalte Eier an Land (Amnion)Zauneidechse, Kreuzotter, Ringelnatter
VögelFedernLunge mit LuftsÀcken2 Vorhöfe, 2 Kammerngleichwarminnere Befruchtung, Eier mit Kalkschale, BrutpflegeSteinadler, Amsel, Alpendohle
SĂ€ugetiereHaare, DrĂŒsenLunge2 Vorhöfe, 2 Kammerngleichwarminnere Befruchtung, meist lebend geboren (Plazenta), MilchSteinbock, Murmeltier, Rothirsch
Übersicht der Wirbeltierklassen mit je einem Vertreter
Die Klassen der Wirbeltiere im Überblick (Beschriftung englisch). Quelle: Wikimedia Commons, SloanePhoenix, CC BY 4.0

🔑 Wichtige Begriffe

radiÀrsymmetrisch
mehrere Symmetrieebenen durch eine Mittelachse (wie bei einem Rad).
bilateralsymmetrisch
eine Symmetrieebene; linke und rechte KörperhÀlfte spiegelbildlich.
Segmentierung
Gliederung des Körpers in hintereinander liegende, gleichartige Abschnitte.
Aussenskelett
feste KörperhĂŒlle (bei Arthropoden aus Chitin), erfordert HĂ€utungen.
Chorda dorsalis
elastischer StĂŒtzstab auf der RĂŒckenseite aller Chordatiere (zumindest im Embryo).
Amnion
flĂŒssigkeitsgefĂŒllte Fruchtblase um den Embryo; ermöglicht Entwicklung an Land (Reptilien, Vögel, SĂ€uger).
gleichwarm / wechselwarm
konstante, selbst regulierte Körpertemperatur / Körpertemperatur folgt der Umgebung.

📝 Zusammenfassung

  • Nesseltiere: radiĂ€r, zwei Zellschichten, Darm mit einer Öffnung, Nesselzellen, Nervennetz.
  • RingelwĂŒrmer: bilateral, gleichartige Segmente, Hautmuskelschlauch, Strickleiternervensystem.
  • Arthropoden: gegliederte Beine, Chitin-Aussenskelett mit HĂ€utung, grösste Tiergruppe.
  • Chordatiere: Chorda, dorsales Neuralrohr, Kiemenspalten, Schwanz; bei Wirbeltieren WirbelsĂ€ule.
  • Fische → Amphibien → Reptilien → Vögel/SĂ€uger: zunehmende UnabhĂ€ngigkeit vom Wasser (Lunge, Hornhaut, Amnionei).
  • Nur Vögel und SĂ€ugetiere sind gleichwarm und haben ein vollstĂ€ndig vierkammeriges Herz.

❓ PrĂŒfungsfragen

  1. Nennen Sie die vier Grundmerkmale der Chordatiere.
    ✅ Lösung anzeigen

    Chorda dorsalis, Neuralrohr auf der RĂŒckenseite, Kiemenspalten im Schlund und ein Schwanz hinter dem After – zumindest im Embryonalstadium.

  2. Warum mĂŒssen sich Insekten hĂ€uten, RegenwĂŒrmer aber nicht?
    ✅ Lösung anzeigen

    Insekten haben ein starres Aussenskelett aus Chitin, das nicht mitwÀchst; zum Wachsen muss es abgestreift und neu gebildet werden. Der Regenwurm hat kein Aussenskelett, sondern einen dehnbaren Hautmuskelschlauch.

  3. Vergleichen Sie Nesseltiere und RingelwĂŒrmer in Symmetrie und Verdauungssystem.
    ✅ Lösung anzeigen

    Nesseltiere sind radiĂ€rsymmetrisch und haben einen sackförmigen Darm mit nur einer Öffnung. RingelwĂŒrmer sind bilateralsymmetrisch und haben einen durchgehenden Darm mit Mund und After.

  4. Warum sind Amphibien noch ans Wasser gebunden, Reptilien aber nicht?
    ✅ Lösung anzeigen

    Amphibien haben eine nackte, feuchte Haut, die leicht austrocknet, und legen schalenlose Eier ins Wasser, aus denen Larven mit Kiemen schlĂŒpfen. Reptilien haben eine trockene Hornhaut, innere Befruchtung und beschalte Eier mit Amnion, die sich an Land entwickeln.

  5. Woran erkennen Sie, dass eine Spinne kein Insekt ist?
    ✅ Lösung anzeigen

    Spinnen haben acht Beine und zwei Körperabschnitte, Insekten sechs Beine und drei Körperabschnitte (Kopf, Brust, Hinterleib). Beide sind aber Arthropoden.

Transfer: Der Wal – Fisch oder SĂ€ugetier?

Ein Wal lebt im Meer, hat eine Stromlinienform und Flossen. Er atmet an der OberflĂ€che, bringt lebende Junge zur Welt und sĂ€ugt sie. Ordnen Sie ihn zu und begrĂŒnden Sie mit mindestens drei Merkmalen aus der Tabelle.

✅ Lösung anzeigen

Der Wal ist ein SÀugetier: Er atmet mit Lungen (nicht Kiemen), ist gleichwarm, bringt lebende Junge zur Welt (Plazenta) und sÀugt sie mit Milch; Reste von Haaren finden sich bei einigen Arten. Stromlinienform und Flossen sind Anpassungen an das Leben im Wasser (Analogie zu den Fischen).

Thema 8

📚 Evolutionstheorien: Lamarck, Darwin, synthetische Theorie

8 Lernziele und ErklÀrung

🎯 Lernziele

  • die zentralen Aussagen von Lamarck, Darwin und der synthetischen Evolutionstheorie diskutieren

📖 Vor den Evolutionstheorien

Bis ins 18. Jahrhundert ging man meist von der Konstanz der Arten aus: Jede Art sei unverĂ€ndert so erschaffen worden, wie man sie heute sieht. Carl von LinnĂ© ordnete die Arten in seinem System, ohne an ihre VerĂ€nderung zu denken. Fossilien ausgestorbener Tiere erklĂ€rte Georges Cuvier mit wiederholten Katastrophen. Doch immer mehr Funde – Fossilreihen, Ă€hnliche BauplĂ€ne, Haustierzucht – legten nahe, dass sich Arten im Lauf der Zeit verĂ€ndern.

🩒 Jean-Baptiste de Lamarck (1809)

Der französische Naturforscher Lamarck legte in seiner «Philosophie zoologique» (1809) die erste umfassende Evolutionstheorie vor. Seine Kernaussagen:

  1. Lebewesen haben einen inneren Drang zur Vervollkommnung und passen sich aktiv an verÀnderte Umweltbedingungen an.
  2. Gebrauch und Nichtgebrauch: Organe, die viel gebraucht werden, werden stĂ€rker; ungebrauchte verkĂŒmmern.
  3. Vererbung erworbener Eigenschaften: Die im Leben erworbenen VerÀnderungen werden an die Nachkommen weitergegeben.

Lamarcks Verdienst: Er sprach als einer der Ersten klar aus, dass Arten sich verĂ€ndern. Seine ErklĂ€rung fĂŒr den Mechanismus ist aber widerlegt: Was ein Lebewesen im Lauf seines Lebens erwirbt – trainierte Muskeln, ein gestreckter Hals, eine Narbe –, verĂ€ndert die DNA der Keimzellen nicht und wird daher nicht vererbt. August Weismann zeigte dies Ende des 19. Jahrhunderts eindrĂŒcklich: MĂ€use, denen ĂŒber viele Generationen die SchwĂ€nze abgeschnitten wurden, bekamen weiterhin Junge mit normalen SchwĂ€nzen.

🐱 Charles Darwin (1859)

Charles Darwin sammelte auf seiner fĂŒnfjĂ€hrigen Weltreise mit der «Beagle» (1831–1836) zahlreiche Beobachtungen, unter anderem auf den GalĂĄpagos-Inseln. 1859 veröffentlichte er «On the Origin of Species». Alfred Russel Wallace war unabhĂ€ngig zu Ă€hnlichen SchlĂŒssen gekommen. Darwins Theorie beruht auf wenigen Beobachtungen und Schlussfolgerungen:

  1. Überproduktion: Lebewesen erzeugen viel mehr Nachkommen, als ĂŒberleben können.
  2. VariabilitÀt: Die Individuen einer Art unterscheiden sich; ein Teil dieser Unterschiede ist erblich.
  3. Kampf ums Dasein: Weil Nahrung, Raum und andere Ressourcen begrenzt sind, konkurrieren die Individuen; viele sterben vor der Fortpflanzung.
  4. NatĂŒrliche Selektion: Individuen mit vorteilhaften Merkmalen ĂŒberleben eher und haben mehr Nachkommen («survival of the fittest» – fit heisst: gut angepasst und fortpflanzungserfolgreich, nicht «am stĂ€rksten»).
  5. Vererbung und Wandel: Die vorteilhaften Merkmale werden hĂ€ufiger weitergegeben; ĂŒber viele Generationen verĂ€ndern sich Populationen, es entstehen neue Arten. Alle Arten gehen auf gemeinsame Vorfahren zurĂŒck.

Darwins LĂŒcke: Er wusste nicht, woher die VariabilitĂ€t kommt und wie Merkmale vererbt werden. Die Arbeiten von Gregor Mendel (1866) blieben zu seinen Lebzeiten unbeachtet.

Weltkarte mit der Route der Beagle-Reise von 1831 bis 1836, deutsch beschriftet
Die Route der «Beagle» (1831–1836): Auf den GalĂĄpagos-Inseln beobachtete Darwin, dass sich Finken und Schildkröten von Insel zu Insel unterscheiden. Quelle: Wikimedia Commons, Succu, CC BY-SA 3.0
PortrÀt von Jean-Baptiste de Lamarck
Jean-Baptiste de Lamarck (1744–1829): erste umfassende Evolutionstheorie, aber falscher Mechanismus. Quelle: Wikimedia Commons, Charles ThĂ©venin, Public Domain
Fotografie von Charles Darwin mit weissem Bart
Charles Darwin (1809–1882): Evolution durch natĂŒrliche Selektion. Quelle: Wikimedia Commons, Julia Margaret Cameron, Public Domain

⚖ Das Giraffenbeispiel

ErklÀrung nach Lamarck
  • Giraffen strecken ihren Hals, um an hohe BlĂ€tter zu kommen.
  • Durch den Gebrauch wird der Hals jedes Tieres im Lauf seines Lebens etwas lĂ€nger.
  • Der erworbene lĂ€ngere Hals wird an die Jungen vererbt.
  • Über Generationen summiert sich die VerlĂ€ngerung.
ErklÀrung nach Darwin
  • In jeder Giraffenpopulation variiert die HalslĂ€nge – erblich und zufĂ€llig.
  • Wenn Nahrung knapp ist, erreichen Tiere mit lĂ€ngerem Hals mehr BlĂ€tter.
  • Sie ĂŒberleben eher und haben mehr Nachkommen.
  • Der Anteil langhalsiger Tiere steigt von Generation zu Generation.
PrĂŒfungstipp: Bei Lamarck verĂ€ndert sich das Individuum gezielt und gibt dies weiter. Bei Darwin entstehen Unterschiede zufĂ€llig, und die Umwelt «wĂ€hlt» unter vorhandenen Varianten aus – es verĂ€ndert sich die Population.

🧬 Die synthetische Evolutionstheorie

In den 1930er- und 1940er-Jahren verbanden Forscher wie Theodosius Dobzhansky, Ernst Mayr und Julian Huxley Darwins Selektionstheorie mit der Genetik (Mendels Regeln, Mutation, Rekombination) und der Populationsgenetik. Daraus entstand die synthetische Theorie, die bis heute die Grundlage der Evolutionsbiologie bildet.

Ihre Kernaussage: Evolution ist die VerĂ€nderung der AllelhĂ€ufigkeiten im Genpool einer Population ĂŒber Generationen. Die VariabilitĂ€t entsteht durch Mutation und Rekombination; die HĂ€ufigkeiten verĂ€ndern sich durch Selektion, Gendrift und Migration; Isolation trennt Genpools und fĂŒhrt zur Bildung neuer Arten (siehe Thema 9). Die Einheit der Evolution ist also nicht das Individuum, sondern die Population.

📊 Die drei Theorien im Vergleich

FrageLamarckDarwinSynthetische Theorie
VerÀndern sich Arten?jajaja
Woher kommen die Unterschiede?gezielte Anpassung durch GebrauchzufÀllige erbliche VariabilitÀt (Ursache unbekannt)Mutation und Rekombination
Was bewirkt den Wandel?Vererbung erworbener EigenschaftennatĂŒrliche SelektionSelektion, Gendrift, Migration, Isolation
Was verÀndert sich?das einzelne Lebewesendie Populationdie AllelhÀufigkeiten im Genpool
Stand heuteMechanismus widerlegtbestÀtigt, aber ohne GenetikGrundlage der modernen Biologie

🔑 Wichtige Begriffe

Konstanz der Arten
Vorstellung, dass Arten unverÀnderlich sind.
Vererbung erworbener Eigenschaften
Lamarcks widerlegte Annahme, im Leben erworbene Merkmale wĂŒrden vererbt.
natĂŒrliche Selektion
unterschiedlicher Fortpflanzungserfolg verschiedener Varianten in einer Umwelt.
Fitness
Fortpflanzungserfolg eines Individuums im Vergleich zu anderen.
Population
alle Individuen einer Art in einem Gebiet, die sich miteinander fortpflanzen können.
Genpool
Gesamtheit aller Allele einer Population.

📝 Zusammenfassung

  • Lamarck: Gebrauch/Nichtgebrauch und Vererbung erworbener Eigenschaften – widerlegt.
  • Darwin: Überproduktion, VariabilitĂ€t, Kampf ums Dasein, natĂŒrliche Selektion, gemeinsame Abstammung.
  • Darwin kannte die Ursache der VariabilitĂ€t und die Vererbungsregeln noch nicht.
  • Synthetische Theorie: Darwin + Genetik + Populationsgenetik.
  • Evolution = VerĂ€nderung der AllelhĂ€ufigkeiten im Genpool einer Population.

❓ PrĂŒfungsfragen

  1. Nennen Sie die drei Kernaussagen Lamarcks.
    ✅ Lösung anzeigen

    Innerer Drang zur Vervollkommnung bzw. aktive Anpassung; Gebrauch stĂ€rkt Organe, Nichtgebrauch lĂ€sst sie verkĂŒmmern; erworbene Eigenschaften werden vererbt.

  2. Warum ist die Vererbung erworbener Eigenschaften nach heutigem Wissen nicht möglich?
    ✅ Lösung anzeigen

    Vererbt wird die DNA der Keimzellen. VerÀnderungen an Körperzellen, etwa trainierte Muskeln, verÀndern diese DNA nicht und können daher nicht an die Nachkommen weitergegeben werden.

  3. Was bedeutet «survival of the fittest» bei Darwin?
    ✅ Lösung anzeigen

    Es ĂŒberleben und vermehren sich vor allem die am besten an ihre Umwelt angepassten Individuen. «Fit» bedeutet Fortpflanzungserfolg, nicht körperliche StĂ€rke.

  4. Welche LĂŒcke in Darwins Theorie schloss die synthetische Theorie?
    ✅ Lösung anzeigen

    Darwin konnte nicht erklĂ€ren, woher die erbliche VariabilitĂ€t stammt und wie Merkmale vererbt werden. Die synthetische Theorie erklĂ€rt dies mit Mutation, Rekombination und den Mendelschen Regeln und beschreibt Evolution als Änderung von AllelhĂ€ufigkeiten.

  5. Warum ist nach der synthetischen Theorie die Population und nicht das Individuum die Einheit der Evolution?
    ✅ Lösung anzeigen

    Ein Individuum verĂ€ndert seine Gene im Lauf des Lebens nicht. Was sich ĂŒber Generationen Ă€ndert, ist die HĂ€ufigkeit von Allelen im Genpool einer Population.

Transfer: Höhlenfische ohne Augen

In dunklen Höhlen leben Fische, deren Augen stark zurĂŒckgebildet sind. ErklĂ€ren Sie diese Beobachtung einmal im Sinne Lamarcks und einmal im Sinne der synthetischen Theorie.

✅ Lösung anzeigen

Lamarck: Weil die Fische im Dunkeln ihre Augen nicht benutzen, verkĂŒmmern diese im Lauf des Lebens; die VerkĂŒmmerung wird vererbt. Synthetische Theorie: ZufĂ€llige Mutationen fĂŒhren zu Fischen mit schwĂ€cher ausgebildeten Augen. Im Dunkeln haben diese keinen Nachteil, sparen aber Energie fĂŒr den Aufbau der Augen; zudem sind Augen verletzungsanfĂ€llig. Solche Varianten werden ĂŒber Selektion – und in kleinen Populationen auch durch Gendrift – hĂ€ufiger.

Thema 9

đŸŽČ Evolutionsfaktoren

9 Lernziele und ErklÀrung

🎯 Lernziele

  • VariabilitĂ€t, Selektion, Gendrift und Isolation erklĂ€ren und ihre Bedeutung fĂŒr die Evolution erlĂ€utern

📖 Was treibt die Evolution an?

Nach der synthetischen Theorie ist Evolution die VerĂ€nderung der AllelhĂ€ufigkeiten in einer Population. Damit das geschieht, braucht es zwei Dinge: Erstens mĂŒssen Unterschiede vorhanden sein (VariabilitĂ€t), zweitens muss etwas bewirken, dass manche Varianten hĂ€ufiger werden als andere (Selektion, Gendrift). Damit aus einer Art zwei werden, mĂŒssen die Populationen zudem dauerhaft getrennt sein (Isolation). Diese Prozesse heissen Evolutionsfaktoren.

đŸŽČ VariabilitĂ€t: Mutation und Rekombination

Mutationen sind die einzige Quelle wirklich neuer Allele. Sie entstehen zufĂ€llig und ungerichtet – eine Mutation entsteht nicht, «weil» sie nĂŒtzlich wĂ€re (vgl. Gen-, Chromosomen- und Genommutationen in Bereich 1). Die meisten Mutationen sind neutral oder nachteilig, wenige vorteilhaft. FĂŒr die Evolution zĂ€hlen nur Mutationen in den Keimzellen, denn nur sie werden vererbt.

Die Rekombination mischt vorhandene Allele bei der sexuellen Fortpflanzung immer wieder neu: durch Crossing-over und die zufĂ€llige Verteilung der homologen Chromosomen in der Meiose sowie durch die zufĂ€llige Kombination von Ei- und Spermazelle bei der Befruchtung. So ist – ausser bei eineiigen Zwillingen – jedes Individuum genetisch einzigartig. Rekombination schafft keine neuen Allele, aber unzĂ€hlige neue Kombinationen.

🩋 Selektion

Selektion bedeutet, dass Individuen mit bestimmten erblichen Merkmalen in einer Umwelt mehr Nachkommen haben als andere. Die Umweltfaktoren, die dabei wirken, heissen Selektionsfaktoren: abiotische wie Klima oder Trockenheit, biotische wie Fressfeinde, Parasiten, Konkurrenz oder die Partnerwahl (sexuelle Selektion, z. B. das Rad des Pfaus). Selektion ist nicht zufĂ€llig – sie begĂŒnstigt Varianten, die in der jeweiligen Umwelt besser angepasst sind.

Das klassische Beispiel ist der Birkenspanner in England. Die meisten Falter waren hell gesprenkelt und auf flechtenbewachsenen BaumstĂ€mmen gut getarnt; dunkle Falter (Mutante carbonaria) waren selten. WĂ€hrend der Industrialisierung fĂ€rbte Russ die StĂ€mme dunkel und tötete die Flechten. Nun fielen die hellen Falter Vögeln eher zum Opfer, und um Manchester stieg der Anteil der dunklen Form gegen Ende des 19. Jahrhunderts auf ĂŒber 90 %. Nach der Luftreinhaltung im 20. Jahrhundert wurden die hellen Falter wieder hĂ€ufiger. Man nennt dieses PhĂ€nomen Industriemelanismus.

Heller, gesprenkelter Birkenspanner auf einem Untergrund
Birkenspanner, helle Form (typica): auf hellen, flechtenbewachsenen StÀmmen gut getarnt. Quelle: Wikimedia Commons, Chiswick Chap, CC BY-SA 3.0
Dunkler, fast schwarzer Birkenspanner auf einem Untergrund
Birkenspanner, dunkle Form (carbonaria): auf russgeschwÀrzten StÀmmen besser getarnt. Quelle: Wikimedia Commons, Chiswick Chap, CC BY-SA 3.0

Ein heutiges Beispiel ist die Antibiotikaresistenz: Unter vielen Bakterien gibt es zufĂ€llig einige mit einer Resistenzmutation. Das Antibiotikum tötet die empfindlichen, die resistenten ĂŒberleben und vermehren sich – die Population wird resistent.

đŸŸ Gendrift

Gendrift ist die zufĂ€llige VerĂ€nderung der AllelhĂ€ufigkeiten – unabhĂ€ngig davon, ob ein Allel nĂŒtzlich ist. Sie wirkt besonders stark in kleinen Populationen, so wie beim MĂŒnzwurf: Bei 10 WĂŒrfen kommt leicht 7-mal Kopf, bei 10 000 WĂŒrfen kaum. In kleinen Populationen können Allele so zufĂ€llig verloren gehen oder sich durchsetzen; die genetische Vielfalt nimmt ab.

  • Flaschenhalseffekt: Eine Population schrumpft stark (Seuche, Bejagung, Katastrophe). Die wenigen Überlebenden tragen zufĂ€llig nur einen Teil der ursprĂŒnglichen Allele. Auch wenn die Population spĂ€ter wieder wĂ€chst, bleibt die genetische Vielfalt gering.
  • GrĂŒndereffekt: Wenige Individuen besiedeln ein neues Gebiet, zum Beispiel eine Insel. Ihr Genpool ist zufĂ€llig zusammengesetzt und unterscheidet sich von der Ausgangspopulation.
Beispiel Schweiz: Der Alpensteinbock war im 19. Jahrhundert in der Schweiz ausgerottet. Ab 1906 wurde er mit Tieren wieder angesiedelt, die alle von der kleinen Restpopulation im italienischen Gran Paradiso abstammten. Heute leben wieder Tausende Steinböcke in der Schweiz – aber mit sehr geringer genetischer Vielfalt: ein klassischer Flaschenhalseffekt.

đŸïž Isolation und Artbildung

Eine Art umfasst (nach dem biologischen Artbegriff) alle Individuen, die sich miteinander fortpflanzen und fruchtbare Nachkommen haben können. Neue Arten entstehen, wenn der Genfluss zwischen Teilpopulationen unterbrochen wird – durch Isolation:

  1. Geografische Isolation: Ein Gebirge, ein Meeresarm oder ein Gletscher trennt eine Population in Teilpopulationen. Zwischen ihnen findet kein Genfluss mehr statt.
  2. Getrennte Entwicklung: In jeder Teilpopulation entstehen andere Mutationen, wirken andere Selektionsfaktoren und andere ZufÀlle (Gendrift). Die Genpools entwickeln sich auseinander.
  3. Reproduktive Isolation: Nach langer Zeit sind die Unterschiede so gross, dass sich die Tiere auch bei einem Wiedertreffen nicht mehr erfolgreich paaren: andere Balz oder Paarungszeit, nicht passende Geschlechtsorgane, unfruchtbare Mischlinge (z. B. das Maultier aus Pferd und Esel).
  4. Neue Art: Aus einer Art sind zwei geworden.

Das berĂŒhmteste Beispiel sind die Darwinfinken der GalĂĄpagos-Inseln: Von einem Vorfahren, der vom sĂŒdamerikanischen Festland kam, entstanden auf den verschiedenen Inseln ĂŒber ein Dutzend Arten. Ihre SchnĂ€bel sind an unterschiedliche Nahrung angepasst – dicke SchnĂ€bel zum Knacken harter Samen, spitze zum Insektenfang. Diese Aufspaltung einer Stammform in viele angepasste Arten heisst adaptive Radiation.

Schema eines genetischen Flaschenhalses: Aus einer vielfĂ€ltigen Population ĂŒberleben zufĂ€llig wenige Individuen
Flaschenhalseffekt: Nur wenige, zufĂ€llig zusammengesetzte Individuen ĂŒberleben; die neue Population ist genetisch weniger vielfĂ€ltig. Quelle: Wikimedia Commons, Mysid (en.wikipedia), CC BY-SA 3.0
Zeichnung von vier Darwinfinken mit unterschiedlich geformten SchnÀbeln
Darwinfinken: unterschiedliche Schnabelformen als Anpassung an verschiedene Nahrung (Zeichnung von John Gould, 1845). Quelle: Wikimedia Commons, John Gould, Public Domain

📊 Die Evolutionsfaktoren im Überblick

FaktorWas geschieht?zufÀllig oder gerichtet?Beispiel
Mutationneue Allele entstehenzufÀlligResistenzmutation bei Bakterien
Rekombinationneue AllelkombinationenzufÀlligCrossing-over in der Meiose
Selektionangepasste Varianten haben mehr Nachkommengerichtet (durch die Umwelt)Birkenspanner, Antibiotikaresistenz
GendriftzufĂ€llige Änderung der AllelhĂ€ufigkeitenzufĂ€llig, stark in kleinen PopulationenAlpensteinbock (Flaschenhals)
IsolationGenfluss zwischen Populationen unterbrochen–Darwinfinken auf verschiedenen Inseln

🔑 Wichtige Begriffe

VariabilitÀt
Unterschiede zwischen Individuen einer Population; erbliche VariabilitÀt entsteht durch Mutation und Rekombination.
Selektionsfaktor
Umweltfaktor, der den Fortpflanzungserfolg verschiedener Varianten unterschiedlich beeinflusst.
Gendrift
zufÀllige VerÀnderung der AllelhÀufigkeiten, besonders in kleinen Populationen.
Flaschenhalseffekt
starker RĂŒckgang einer Population mit Verlust genetischer Vielfalt.
GrĂŒndereffekt
Neubesiedlung durch wenige Individuen mit zufÀllig zusammengesetztem Genpool.
Isolation
Unterbrechung des Genflusses zwischen Populationen (geografisch oder reproduktiv).
Art (biologischer Artbegriff)
Individuen, die sich miteinander fortpflanzen und fruchtbare Nachkommen haben können.
adaptive Radiation
Aufspaltung einer Stammart in viele, an verschiedene Nischen angepasste Arten.

📝 Zusammenfassung

  • Mutation schafft neue Allele, Rekombination neue Kombinationen – beides zufĂ€llig.
  • Selektion ist gerichtet: Besser angepasste Varianten haben mehr Nachkommen (Birkenspanner).
  • Gendrift verĂ€ndert AllelhĂ€ufigkeiten zufĂ€llig, vor allem in kleinen Populationen (Flaschenhals, GrĂŒndereffekt).
  • Isolation unterbricht den Genfluss; Teilpopulationen entwickeln sich auseinander.
  • Reproduktive Isolation macht aus Teilpopulationen eigene Arten (Darwinfinken).

❓ PrĂŒfungsfragen

  1. Warum ist die Mutation die einzige Quelle neuer Allele, die Rekombination aber nicht?
    ✅ Lösung anzeigen

    Eine Mutation verÀndert die Basensequenz und kann dadurch ein bisher nicht vorhandenes Allel erzeugen. Die Rekombination kombiniert nur bereits vorhandene Allele neu.

  2. ErklÀren Sie den Industriemelanismus beim Birkenspanner mit den Begriffen VariabilitÀt und Selektion.
    ✅ Lösung anzeigen

    In der Population gab es erblich helle und dunkle Falter (VariabilitĂ€t). Auf russgeschwĂ€rzten StĂ€mmen wurden die hellen Falter von Vögeln eher entdeckt und gefressen (Selektionsfaktor Fressfeind). Dunkle Falter ĂŒberlebten hĂ€ufiger, hatten mehr Nachkommen, und ihr Anteil stieg.

  3. Worin unterscheiden sich Selektion und Gendrift grundsÀtzlich?
    ✅ Lösung anzeigen

    Selektion ist gerichtet: Sie begĂŒnstigt Varianten, die in einer Umwelt besser angepasst sind. Gendrift ist zufĂ€llig und unabhĂ€ngig vom Nutzen eines Allels; sie wirkt vor allem in kleinen Populationen.

  4. Warum ist die geringe genetische Vielfalt der Steinböcke ein Risiko?
    ✅ Lösung anzeigen

    Mit wenigen Allelen kann die Population schlechter auf neue Krankheiten oder UmweltverÀnderungen reagieren, weil seltener passende Varianten vorhanden sind. Zudem steigt das Risiko von Inzucht und Erbkrankheiten.

  5. Pferd und Esel können sich paaren und haben Nachkommen. Warum gelten sie trotzdem als zwei Arten?
    ✅ Lösung anzeigen

    Ihre Nachkommen, Maultier und Maulesel, sind in der Regel unfruchtbar. Nach dem biologischen Artbegriff gehören nur Individuen mit fruchtbaren Nachkommen zur selben Art; zwischen Pferd und Esel besteht also reproduktive Isolation.

Transfer: Schnecken auf zwei Seiten eines Flusses

Ein Fluss verlagert sein Bett und trennt eine Schneckenpopulation in zwei Teile. Nach vielen Tausend Generationen werden Tiere beider Seiten im Labor zusammengebracht, paaren sich aber nicht mehr. ErklÀren Sie den Ablauf mit den Evolutionsfaktoren.

✅ Lösung anzeigen

Der Fluss bewirkt geografische Isolation: Der Genfluss ist unterbrochen. In beiden Teilpopulationen entstehen unterschiedliche Mutationen und Rekombinationen, es wirken verschiedene Selektionsfaktoren (z. B. anderer Boden, andere Fressfeinde) und unterschiedliche Gendrift. Die Genpools entwickeln sich auseinander, bis reproduktive Isolation erreicht ist – es sind zwei Arten entstanden.

Thema 10

🔍 Belege fĂŒr die Evolution

10 Lernziele und ErklÀrung

🎯 Lernziele

  • Informationen aus PalĂ€ontologie, Geologie, vergleichender Anatomie und Embryologie, Molekularbiologie und der Verbreitung der Lebewesen interpretieren

🩮 PalĂ€ontologie: Fossilien

Fossilien sind Überreste oder Spuren von Lebewesen aus vergangenen Erdzeitaltern: versteinerte Knochen und Schalen, AbdrĂŒcke, Fussspuren oder EinschlĂŒsse in Bernstein. Sie zeigen, dass frĂŒher andere Lebewesen lebten als heute und dass sich Formen im Lauf der Zeit verĂ€ndert haben. Besonders aussagekrĂ€ftig sind Fossilreihen (z. B. die Entwicklung des Pferdes) und Übergangsformen («BrĂŒckentiere»), die Merkmale zweier Gruppen vereinen.

Das bekannteste BrĂŒckentier ist Archaeopteryx (Urvogel, ca. 150 Mio. Jahre, Solnhofen in Bayern). Er hatte Vogelmerkmale – Federn, FlĂŒgel, Gabelbein – und zugleich Reptilienmerkmale: ZĂ€hne im Kiefer, Krallen an den FlĂŒgelfingern und einen langen Schwanz aus Wirbeln. Er belegt, dass Vögel von Reptilien (genauer: von Dinosauriern) abstammen. Ein weiteres BrĂŒckentier ist Tiktaalik (siehe Thema 11), ein Übergang zwischen Fischen und Landwirbeltieren.

đŸȘš Geologie: Wie alt sind Fossilien?

Gesteine lagern sich in Schichten ab; ungestört liegen die jĂŒngeren Schichten oben, die Ă€lteren unten (Stratigrafie). Daraus ergibt sich eine relative Altersfolge. Leitfossilien – Arten, die nur kurze Zeit, aber weit verbreitet lebten (z. B. Ammoniten) – erlauben es, Schichten an verschiedenen Orten zu vergleichen. Das absolute Alter liefert die radiometrische Datierung: Radioaktive Isotope zerfallen mit bekannter, konstanter Halbwertszeit. Aus dem VerhĂ€ltnis von Ausgangs- und Zerfallsprodukt in einem Gestein lĂ€sst sich berechnen, wie alt es ist (z. B. Uran-Blei-Methode). Die C-14-Methode eignet sich nur fĂŒr organisches Material bis etwa 50 000 Jahre.

Beispiel Schweiz: Der Monte San Giorgio im Tessin ist seit 2003 UNESCO-Welterbe. Seine Gesteine aus der mittleren Trias (vor rund 240 Mio. Jahren) enthalten aussergewöhnlich gut erhaltene Fossilien von Meeresreptilien wie Fischsauriern und dem langhalsigen Tanystropheus, dazu Fische und Wirbellose – ein Fenster in ein Meeresbecken der Urzeit.
Versteinerung des Urvogels Archaeopteryx mit AbdrĂŒcken von Federn, FlĂŒgeln und langem Schwanz
Berliner Exemplar von Archaeopteryx: FederabdrĂŒcke (Vogel) neben ZĂ€hnen, Fingerkrallen und langem Wirbelschwanz (Reptil). Quelle: Wikimedia Commons, H. Raab (Vesta), CC BY-SA 3.0
Fossilien von Meeresreptilien aus der Trias vom Monte San Giorgio
Fossile Reptilien aus der Trias vom Monte San Giorgio (Tessin, UNESCO-Welterbe). Quelle: Wikimedia Commons, Christian Klug, Stephan N. F. Spiekman, Dylan Bastiaans, Beat Scheffold et al., CC BY 4.0

🩇 Vergleichende Anatomie

Homologe Organe haben denselben Grundbauplan, weil sie auf einen gemeinsamen Vorfahren zurĂŒckgehen – auch wenn sie heute ganz verschiedene Aufgaben haben. Das Paradebeispiel sind die VorderextremitĂ€ten der SĂ€ugetiere: Arm des Menschen, Vorderbein der Katze, Flosse des Wals und FlĂŒgel der Fledermaus bestehen alle aus Oberarmknochen, Elle und Speiche, Handwurzel-, Mittelhand- und Fingerknochen. Homologie ist ein Beleg fĂŒr gemeinsame Abstammung.

Analoge Organe erfĂŒllen dieselbe Funktion, haben aber einen verschiedenen Bauplan und sind unabhĂ€ngig voneinander entstanden – als Anpassung an Ă€hnliche Umweltbedingungen (Konvergenz). Beispiele: die FlĂŒgel von Insekt und Vogel, die Grabbeine von Maulwurf und Maulwurfsgrille oder die Stromlinienform von Hai und Delfin. Analogien zeigen keine Verwandtschaft, aber die Wirkung der Selektion.

RudimentĂ€re Organe sind zurĂŒckgebildete Organe ohne oder mit geringer Funktion, die bei Vorfahren voll ausgebildet waren: das Steissbein (Schwanzrest) und die Ohrmuskeln des Menschen, Beckenknochen bei Walen, FlĂŒgelreste bei flugunfĂ€higen Vögeln. Sie sind nur durch Abstammung erklĂ€rbar.

Vergleich der VorderextremitÀten verschiedener Wirbeltiere mit farbig markierten homologen Knochen
Homologie der VorderextremitĂ€ten: Gleich gefĂ€rbte Knochen entsprechen einander – trotz unterschiedlicher Funktion (Greifen, Laufen, Fliegen, Schwimmen) (Beschriftung englisch). Quelle: Wikimedia Commons, Wolkow Wladislaw Petrowitsch, CC BY-SA 4.0
Homologe Organe
  • gleicher Grundbauplan
  • Funktion kann verschieden sein
  • gemeinsame Abstammung
  • Beispiel: Arm, Flosse, FlĂŒgel bei SĂ€ugetieren
Analoge Organe
  • verschiedener Bauplan
  • gleiche Funktion
  • unabhĂ€ngige Entstehung (Konvergenz)
  • Beispiel: FlĂŒgel von Insekt und Vogel

đŸ§« Embryologie

Die frĂŒhen Embryonen der Wirbeltiere – Fisch, Huhn, Maus, Mensch – sehen sich verblĂŒffend Ă€hnlich. Alle bilden in einem frĂŒhen Stadium Schlundtaschen bzw. Kiemenbögen, eine Chorda und einen Schwanz. Beim Fisch entstehen daraus Kiemen; beim Menschen werden die Kiemenbögen zu Teilen von Kiefer, Ohr und Kehlkopf umgebaut, der Schwanz bildet sich zum Steissbein zurĂŒck. Diese gemeinsamen Entwicklungsstadien zeigen die Verwandtschaft der Wirbeltiere.

🧬 Molekularbiologie

Alle Lebewesen verwenden DNA, denselben genetischen Code und dieselben 20 AminosÀuren. Vergleicht man die Sequenz eines Gens oder Proteins zwischen Arten, gilt: Je weniger Unterschiede, desto nÀher verwandt. Ein klassisches Beispiel ist das Atmungsprotein Cytochrom c (104 AminosÀuren beim Menschen).

Vergleich mit dem MenschenUnterschiede in der AminosÀuresequenz von Cytochrom c
Schimpanse0
Rhesusaffe1
Pferd12
BĂ€ckerhefeca. 45

Werte nach den klassischen Sequenzvergleichen (Dickerson). Auch das Erbgut von Mensch und Schimpanse stimmt zu rund 98–99 % ĂŒberein.

🌍 Verbreitung der Lebewesen (Biogeografie)

Die heutige Verbreitung der Arten lĂ€sst sich nur mit Evolution und der Geschichte der Kontinente erklĂ€ren. Australien trennte sich frĂŒh von den anderen Kontinenten; dort entwickelten sich vor allem Beuteltiere (KĂ€nguru, Koala) und besetzten Nischen, die anderswo Plazentatiere einnehmen. Auf abgelegenen Inseln wie GalĂĄpagos oder Hawaii leben viele endemische Arten, die nur dort vorkommen, aber mit Arten des nĂ€chstgelegenen Festlands verwandt sind – wie die Darwinfinken.

📊 Belege im Überblick

FachgebietBelegAussage
PalĂ€ontologieFossilreihen, BrĂŒckentiere (Archaeopteryx, Tiktaalik)Lebewesen haben sich verĂ€ndert; ÜbergĂ€nge zwischen Gruppen
GeologieGesteinsschichten, Leitfossilien, radiometrische Datierungzeitliche Abfolge und Alter der Lebewesen
Vergleichende Anatomiehomologe und rudimentÀre Organegemeinsame Abstammung
EmbryologieĂ€hnliche frĂŒhe Embryonen (Kiemenbögen, Schwanz)Verwandtschaft der Wirbeltiere
Molekularbiologieuniverseller genetischer Code, SequenzvergleicheGrad der Verwandtschaft messbar
BiogeografieBeuteltiere in Australien, InselartenArten entstehen dort, wo ihre Vorfahren lebten

🔑 Wichtige Begriffe

Fossil
erhaltener Überrest oder Spur eines Lebewesens aus frĂŒheren Erdzeitaltern.
BrĂŒckentier
Übergangsform mit Merkmalen zweier Tiergruppen (z. B. Archaeopteryx).
Leitfossil
kurzlebige, weit verbreitete Art, mit der Gesteinsschichten datiert werden.
radiometrische Datierung
Altersbestimmung ĂŒber den Zerfall radioaktiver Isotope mit bekannter Halbwertszeit.
homolog
auf gemeinsamen Bauplan und gemeinsame Abstammung zurĂŒckgehend.
analog
gleiche Funktion, aber unabhÀngig entstanden (Konvergenz).
rudimentÀres Organ
zurĂŒckgebildetes Organ, das bei Vorfahren funktionsfĂ€hig war.
endemisch
nur in einem bestimmten, begrenzten Gebiet vorkommend.

📝 Zusammenfassung

  • Fossilien und BrĂŒckentiere wie Archaeopteryx zeigen VerĂ€nderung und ÜbergĂ€nge.
  • Gesteinsschichten und radiometrische Datierung liefern relative und absolute Alter.
  • Homologe Organe belegen Verwandtschaft, analoge Organe Anpassung an Ă€hnliche Umwelten.
  • RudimentĂ€re Organe und Ă€hnliche Embryonen sind nur durch Abstammung erklĂ€rbar.
  • Weniger Unterschiede in DNA oder Proteinen bedeuten nĂ€here Verwandtschaft.
  • Die Verbreitung der Arten (Australien, Inseln) spiegelt ihre Entstehungsgeschichte.

❓ PrĂŒfungsfragen

  1. Nennen Sie je zwei Vogel- und zwei Reptilienmerkmale von Archaeopteryx.
    ✅ Lösung anzeigen

    Vogel: Federn, FlĂŒgel, Gabelbein. Reptil: ZĂ€hne im Kiefer, Krallen an den FlĂŒgelfingern, langer Schwanz aus Wirbeln.

  2. Sind die FlĂŒgel einer Fledermaus und eines Schmetterlings homolog oder analog? BegrĂŒnden Sie.
    ✅ Lösung anzeigen

    Analog: Beide dienen dem Fliegen, haben aber einen völlig verschiedenen Bau (Knochen und Flughaut bei der Fledermaus, ChitinausstĂŒlpungen beim Schmetterling) und sind unabhĂ€ngig entstanden.

  3. Warum gilt die Flosse des Wals als homolog zum menschlichen Arm?
    ✅ Lösung anzeigen

    Sie besteht aus denselben Knochen in gleicher Anordnung (Oberarm, Elle, Speiche, Handwurzel, Mittelhand, Finger). Der gemeinsame Bauplan geht auf einen gemeinsamen Vorfahren zurĂŒck.

  4. Wie lÀsst sich das absolute Alter eines vulkanischen Gesteins bestimmen?
    ✅ Lösung anzeigen

    Mit radiometrischer Datierung: Man misst das VerhÀltnis eines radioaktiven Isotops zu seinem Zerfallsprodukt und berechnet mit der bekannten Halbwertszeit, wie lange der Zerfall schon lÀuft.

  5. Was sagt die Cytochrom-c-Tabelle ĂŒber die Verwandtschaft des Menschen aus?
    ✅ Lösung anzeigen

    Der Mensch ist mit dem Schimpansen am nÀchsten verwandt (keine Unterschiede), dann mit dem Rhesusaffen, entfernter mit dem Pferd und am entferntesten mit der Hefe. Die Zahl der Unterschiede spiegelt die Zeit seit dem letzten gemeinsamen Vorfahren.

Transfer: Gesteinsschichten deuten

In einer ungestörten Felswand findet man unten Fossilien von Fischen, darĂŒber von Amphibien, ganz oben von SĂ€ugetieren. Welche Aussagen lassen sich daraus ableiten, und welche Methode braucht es zusĂ€tzlich fĂŒr eine Altersangabe in Jahren?

✅ Lösung anzeigen

Die unteren Schichten sind Ă€lter: Fische traten vor Amphibien und diese vor SĂ€ugetieren auf – die Reihenfolge entspricht der Evolution der Wirbeltiere. Das ergibt nur ein relatives Alter. FĂŒr Jahreszahlen braucht es eine radiometrische Datierung geeigneter Gesteine (z. B. vulkanischer Ascheschichten) zwischen den Fossilschichten.

Thema 11

⏳ Geschichte der Lebewesen und Landgang

11 Lernziele und ErklÀrung

🎯 Lernziele

  • die wichtigsten Schritte des Evolutionsprozesses aufzeichnen und zeitlich einordnen: Erscheinen von Leben, Auftreten von GĂ€rung, Photosynthese, Zellatmung, erste Eukaryoten, erste Mehrzeller
  • die Aspekte erlĂ€utern, die Pflanzen, Arthropoden und Wirbeltieren den Schritt vom Leben im Wasser zum Leben auf dem Festland ermöglicht haben

📖 4,6 Milliarden Jahre in KĂŒrze

Die Erde entstand vor rund 4,6 Milliarden Jahren. Die junge Erde war heiss, ihre UratmosphĂ€re enthielt Wasserdampf, Kohlendioxid, Stickstoff und andere Gase – aber praktisch keinen Sauerstoff. Aus einfachen MolekĂŒlen entstanden in einer «chemischen Evolution» organische Verbindungen; Stanley Miller zeigte 1953 im Labor, dass sich unter solchen Bedingungen AminosĂ€uren bilden können. Vor etwa 3,8–3,5 Milliarden Jahren gab es die ersten einfachen Zellen; die Ă€ltesten gut belegten Fossilien sind Stromatolithen – Kalkablagerungen von Bakterienmatten.

Lebende Stromatolithen als runde KalkhĂŒgel im flachen Meerwasser der Shark Bay in Australien
Lebende Stromatolithen in der Shark Bay (Australien): So Ă€hnlich sahen die Ă€ltesten Lebensspuren vor ĂŒber 3 Mrd. Jahren aus – KalkhĂŒgel aus Schichten von Cyanobakterien. Quelle: Wikimedia Commons, Paul Harrison, CC BY-SA 3.0

Die Reihenfolge der Stoffwechselwege folgt einer klaren Logik (vgl. Zellstoffwechsel in Bereich 1):

  1. GĂ€rung zuerst: Ohne Sauerstoff konnten die ersten Zellen organische Stoffe nur anaerob abbauen. Die Glykolyse – Grundlage der GĂ€rung – kommt in praktisch allen Lebewesen vor und gilt als Ă€ltester Stoffwechselweg. Sie liefert aber nur 2 ATP pro Glucose.
  2. Photosynthese: Cyanobakterien entwickelten die Photosynthese, die Wasser spaltet und Sauerstoff freisetzt. Der Sauerstoff reagierte zunÀchst mit gelöstem Eisen in den Meeren (BÀndererze). Ab etwa 2,4 Milliarden Jahren reicherte er sich in der AtmosphÀre an.
  3. Zellatmung: Erst mit Sauerstoff wurde die aerobe Zellatmung möglich, die rund 30–32 ATP pro Glucose liefert – ein enormer Energiegewinn. FĂŒr viele Lebewesen war Sauerstoff zugleich ein Gift; sie wichen in sauerstofffreie Nischen aus.
  4. Erste Eukaryoten (ca. 2–1,8 Mrd. Jahre): durch Endosymbiose von atmenden Bakterien (→ Mitochondrien) und spĂ€ter Cyanobakterien (→ Chloroplasten).
  5. Erste Mehrzeller (ab ca. 1 Mrd. Jahre, einfache Algen); vielzellige Tiere erscheinen gegen Ende des PrÀkambriums (Ediacara-Fauna, ca. 575 Mio. Jahre). In der kambrischen Explosion (ca. 540 Mio. Jahre) entstehen fast alle heutigen TierstÀmme.
  6. Ozonschicht und Landgang: Aus dem Sauerstoff bildete sich in der hohen AtmosphÀre die Ozonschicht, die schÀdliche UV-Strahlung abschirmt. Erst danach konnte das Festland besiedelt werden.

📊 Zeittafel

Ereignisvor etwa 
Bedeutung
Entstehung der Erde4,6 Mrd. JahrenUratmosphÀre ohne Sauerstoff
Erste Lebewesen (Prokaryoten)3,8–3,5 Mrd. Jahreneinfache Zellen mit GĂ€rung
Photosynthese der Cyanobakterienab ca. 3 Mrd. Jahren (Spanne 3,5–2,7)Sauerstoff wird freigesetzt
Sauerstoff in der AtmosphÀreab 2,4 Mrd. JahrenZellatmung wird möglich, spÀter Ozonschicht
Erste Eukaryoten2–1,8 Mrd. JahrenEndosymbiose: Mitochondrien, Chloroplasten
Erste Mehrzellerab ca. 1 Mrd. JahrenArbeitsteilung zwischen Zellen
Kambrische Explosion540 Mio. Jahrenfast alle TierstÀmme
Landgang der Pflanzenca. 470 Mio. JahrenmoosÀhnliche Pflanzen
Landgang der Arthropodenca. 420 Mio. JahrenTausendfĂŒsser, Spinnentiere, spĂ€ter Insekten
Landgang der Wirbeltiereca. 375–360 Mio. JahrenTiktaalik, erste Vierbeiner (Tetrapoden)
Aussterben der Dinosaurier66 Mio. JahrenAufstieg der SĂ€ugetiere
Homo sapiensca. 300 000 Jahrensiehe Thema 12
Erdgeschichte als Uhr dargestellt mit Erdzeitaltern und wichtigen Ereignissen
Die Erdgeschichte als Uhr: Fast die ganze Zeit gab es nur Einzeller; vielzellige Tiere und Pflanzen erscheinen erst in der letzten «Stunde» (Beschriftung englisch). Quelle: Wikimedia Commons, Woudloper; Bearbeitung: Hardwigg, Public Domain
Lebendrekonstruktion von Tiktaalik, einem Fisch mit krÀftigen Brustflossen im Flachwasser
Rekonstruktion von Tiktaalik (ca. 375 Mio. Jahre): Fisch mit Kiemen und Schuppen, aber mit Hals, Lungen und krÀftigen Flossen mit Armknochen. Quelle: Wikimedia Commons, Zina Deretsky (National Science Foundation), Public Domain

đŸŒżđŸ•·ïžđŸŠŽ Der Landgang

Das Leben an Land bietet Vorteile – viel Licht, Sauerstoff und anfangs kaum Konkurrenz –, stellt aber vor grosse Probleme: Lebewesen drohen auszutrocknen, das Wasser trĂ€gt den Körper nicht mehr, der Gasaustausch muss an der Luft funktionieren, und die Fortpflanzung kann nicht mehr auf Wasser setzen. Pflanzen, Arthropoden und Wirbeltiere haben diese Probleme unabhĂ€ngig voneinander, aber mit vergleichbaren Prinzipien gelöst.

Problem an LandPflanzenArthropodenWirbeltiere
Austrocknungwachsartige Kutikula; Spaltöffnungen regulierbarChitinpanzer mit Wachsschichtverhornte Haut (ab Reptilien), wassersparende Nieren
StĂŒtzung (kein Auftrieb)Festigungsgewebe, Lignin (Holz)Aussenskelett aus ChitinWirbelsĂ€ule, krĂ€ftige Gliedmassen und Becken
Gasaustausch an der LuftSpaltöffnungen, InterzellularenTracheen (Insekten), Buchlungen (Spinnen)Lungen statt Kiemen
Wasser- und StofftransportWurzeln und Leitgewebe (Xylem, Phloem)offener BlutkreislaufKreislauf mit getrenntem Lungenkreislauf
Fortpflanzung ohne WasserPollen und Sameninnere Befruchtung, Eier mit SchutzhĂŒlleinnere Befruchtung, Amnionei (Reptilien), spĂ€ter Plazenta
Fortbewegung– (ortsfest)gegliederte Beinevier Gliedmassen mit Gelenken (Tetrapoden)

Die Wirbeltiere vollzogen den Landgang schrittweise: Fleischflosser wie Tiktaalik besassen bereits Lungen und Flossen mit Knochen, die denen der Vierbeiner-Gliedmassen entsprechen. Die Amphibien blieben zur Fortpflanzung ans Wasser gebunden; erst die Reptilien mit dem Amnionei und der verhornten Haut waren ganz vom Wasser unabhÀngig.

🔑 Wichtige Begriffe

UratmosphÀre
frĂŒhe ErdatmosphĂ€re ohne freien Sauerstoff.
chemische Evolution
Entstehung organischer MolekĂŒle aus anorganischen Stoffen vor dem ersten Leben.
Stromatolith
geschichtete Kalkablagerung von Bakterienmatten; Àlteste Lebensspuren.
Cyanobakterien
photosynthetische Bakterien; erzeugten den Sauerstoff der AtmosphÀre.
Ozonschicht
Schicht in der hohen AtmosphĂ€re, die UV-Strahlung abschirmt; Voraussetzung fĂŒr Leben an Land.
kambrische Explosion
rasches Auftreten fast aller TierstÀmme vor ca. 540 Mio. Jahren.
Kutikula
wachsartige Schutzschicht auf PflanzenoberflÀchen gegen Austrocknung.
Tetrapoden
Landwirbeltiere mit vier Gliedmassen (Amphibien, Reptilien, Vögel, SÀugetiere).

📝 Zusammenfassung

  • Erde vor 4,6 Mrd. Jahren, erstes Leben vor ca. 3,8–3,5 Mrd. Jahren.
  • Reihenfolge: GĂ€rung → Photosynthese (Sauerstoff) → Zellatmung.
  • Erste Eukaryoten vor ca. 2 Mrd., erste Mehrzeller ab ca. 1 Mrd. Jahren, kambrische Explosion vor 540 Mio. Jahren.
  • Die Ozonschicht ermöglichte das Leben an Land.
  • Landgang: Pflanzen (ca. 470 Mio.), Arthropoden (ca. 420 Mio.), Wirbeltiere (ca. 375 Mio.).
  • Lösungen gegen Austrocknung, fĂŒr StĂŒtzung, Gasaustausch und Fortpflanzung ohne Wasser.

❓ PrĂŒfungsfragen

  1. BegrĂŒnden Sie, warum die GĂ€rung vor der Zellatmung entstanden sein muss.
    ✅ Lösung anzeigen

    Die UratmosphÀre enthielt keinen Sauerstoff. Die Zellatmung benötigt Sauerstoff als Elektronenakzeptor; sie konnte erst entstehen, nachdem die Photosynthese Sauerstoff freigesetzt hatte. Die GÀrung funktioniert ohne Sauerstoff.

  2. Welche Bedeutung hatten die Cyanobakterien fĂŒr die Geschichte des Lebens?
    ✅ Lösung anzeigen

    Mit ihrer Photosynthese setzten sie Sauerstoff frei. Dadurch wurden die Zellatmung und die Bildung der Ozonschicht möglich; zudem wurden sie durch Endosymbiose zu den Chloroplasten der Algen und Pflanzen.

  3. Warum konnte das Festland erst spÀt besiedelt werden?
    ✅ Lösung anzeigen

    Erst nachdem sich genug Sauerstoff angereichert und eine Ozonschicht gebildet hatte, war die UV-Strahlung an Land schwach genug. Zudem mussten Anpassungen gegen Austrocknung, fĂŒr StĂŒtzung und Gasaustausch entstehen.

  4. Nennen Sie fĂŒr Pflanzen und Insekten je eine Anpassung gegen Austrocknung und eine fĂŒr den Gasaustausch.
    ✅ Lösung anzeigen

    Pflanzen: Kutikula gegen Austrocknung, Spaltöffnungen fĂŒr den Gasaustausch. Insekten: Chitinpanzer mit Wachsschicht gegen Austrocknung, Tracheen fĂŒr den Gasaustausch.

  5. Warum gelten erst die Reptilien als vollstÀndig vom Wasser unabhÀngig?
    ✅ Lösung anzeigen

    Amphibien legen schalenlose Eier ins Wasser, ihre Larven atmen mit Kiemen und ihre Haut trocknet leicht aus. Reptilien haben eine verhornte Haut, innere Befruchtung und das Amnionei, das sich an Land entwickelt.

Transfer: Die Erdgeschichte als 24-Stunden-Tag

Stellen Sie sich die 4,6 Mrd. Jahre Erdgeschichte als einen Tag von 24 Stunden vor. Um etwa wie viel Uhr erscheint das erste Leben (vor ca. 3,8 Mrd. Jahren), um wie viel Uhr der Homo sapiens (vor 300 000 Jahren)? Was zeigt dieser Vergleich?

✅ Lösung anzeigen

1 Stunde entspricht rund 192 Mio. Jahren. Erstes Leben: (4,6 − 3,8) / 4,6 × 24 h ≈ 4,2 h, also etwa 4 Uhr morgens. Homo sapiens: 300 000 / 4,6 Mrd. × 86 400 s ≈ 5,6 s vor Mitternacht. Der Vergleich zeigt, dass es fast die ganze Erdgeschichte Leben gab, der Mensch aber nur einen winzigen Bruchteil davon existiert.

Thema 12

🧍 Humanevolution

12 Lernziele und ErklÀrung

🎯 Lernziele

  • die Entwicklung der Hominiden wĂ€hrend der letzten 4,5 Mio. Jahre in wichtigen Etappen – aufrechter Gang, Gehirnentwicklung, Werkzeugherstellung, Entwicklung des anatomisch modernen Menschen – schildern und zeitlich einordnen

📖 Mensch und Menschenaffen

Der Mensch stammt nicht vom Schimpansen ab. Mensch und Schimpanse haben aber einen gemeinsamen Vorfahren, der vor etwa 6–7 Millionen Jahren in Afrika lebte. Seither haben sich beide Linien getrennt entwickelt. Die Gruppe des Menschen und seiner ausgestorbenen Vorfahren nach dieser Trennung nennt man Hominiden (genauer: Homininen). Fast die ganze Geschichte dieser Gruppe spielte sich in Afrika ab.

Die Entwicklung verlief nicht als gerade Linie («Marsch des Fortschritts»), sondern wie ein verzweigter Busch: Oft lebten mehrere Hominiden-Arten gleichzeitig, und die meisten Zweige starben aus. FĂŒr die SMP wichtig sind vier Etappen, die zeitlich nacheinander einsetzten: zuerst der aufrechte Gang, dann Werkzeugherstellung und Gehirnwachstum und schliesslich der anatomisch moderne Mensch.

đŸš¶ Etappe 1: Der aufrechte Gang

Der aufrechte, zweibeinige Gang (Bipedie) war die erste grosse Neuerung – lange vor dem grossen Gehirn. Schon Ardipithecus (ca. 4,4 Mio. Jahre) konnte aufrecht gehen, kletterte aber noch gut. Bei Australopithecus afarensis ist er eindeutig belegt: durch das berĂŒhmte Skelett «Lucy» (ca. 3,2 Mio. Jahre, Äthiopien, gefunden 1974) und durch versteinerte Fussspuren von Laetoli in Tansania (ca. 3,7 Mio. Jahre). Das Gehirn der Australopithecinen war mit rund 400–500 cmÂł aber kaum grösser als das eines Schimpansen.

Am Skelett erkennt man den aufrechten Gang an mehreren Merkmalen:

  • Hinterhauptsloch (Foramen magnum) liegt mittig unter dem SchĂ€del – der Kopf balanciert auf der WirbelsĂ€ule.
  • S-förmige WirbelsĂ€ule federt Stösse ab.
  • Kurzes, breites, schĂŒsselförmiges Becken trĂ€gt die Eingeweide.
  • Oberschenkel schrĂ€g nach innen zum Knie, sodass die FĂŒsse unter dem Körperschwerpunkt stehen.
  • Fuss mit Gewölbe und nicht abspreizbarer grosser Zehe (Standfuss statt Greiffuss).

Als Vorteile gelten: die HĂ€nde werden frei zum Tragen und fĂŒr Werkzeuge, energiesparendes Gehen ĂŒber weite Strecken in offener Landschaft, besserer Überblick und weniger Sonneneinstrahlung auf den Körper.

đŸȘš Etappe 2 und 3: Werkzeuge und Gehirn

Mit der Gattung Homo wuchs das Gehirn deutlich. Homo habilis («der geschickte Mensch», ca. 2,4–1,4 Mio. Jahre) hatte rund 550–700 cmÂł und wird mit den ersten systematisch hergestellten Steinwerkzeugen (einfache GeröllgerĂ€te, Oldowan-Kultur, ab ca. 2,6 Mio. Jahren) in Verbindung gebracht. Homo erectus (ab ca. 1,9 Mio. Jahren) erreichte rund 800–1100 cmÂł, stellte sorgfĂ€ltig behauene Faustkeile her, nutzte das Feuer und verliess als erster Hominide Afrika – Funde gibt es bis nach Georgien, China und Indonesien.

Werkzeuge, Fleischnahrung und spĂ€ter das Kochen mit Feuer lieferten mehr Energie und förderten so das energiehungrige Gehirn; ein grösseres Gehirn wiederum ermöglichte bessere Werkzeuge und Zusammenarbeit – eine gegenseitige VerstĂ€rkung.

🧠 Etappe 4: Der anatomisch moderne Mensch

Der Homo sapiens entstand in Afrika; die Ă€ltesten Funde (Jebel Irhoud, Marokko) sind rund 300 000 Jahre alt. Er hat ein Gehirn von rund 1350 cmÂł, einen hohen, runden SchĂ€del, eine steile Stirn, ein Kinn und ein flaches Gesicht. Vor etwa 70 000–50 000 Jahren breitete er sich aus Afrika ĂŒber die ganze Welt aus («Out of Africa») und erreichte Europa vor rund 45 000 Jahren.

In Europa und Westasien lebte damals der Neandertaler (Homo neanderthalensis, ca. 400 000–40 000 Jahre). Er war an das eiszeitliche Klima angepasst, hatte ein ebenso grosses oder grösseres Gehirn (ca. 1200–1750 cmÂł), stellte feine Steinwerkzeuge her und bestattete seine Toten. Neandertaler und Homo sapiens hatten gemeinsame Nachkommen: Menschen mit nichtafrikanischen Vorfahren tragen heute etwa 1–2 % Neandertaler-DNA.

Beispiel Schweiz: In der Höhle Wildkirchli (Appenzell Innerrhoden) fanden sich Steinwerkzeuge aus der Zeit der Neandertaler. Im Kesslerloch bei Thayngen (Schaffhausen) hinterliessen eiszeitliche JÀger des Homo sapiens vor rund 14 000 Jahren Kunstwerke wie das geschnitzte «weidende Rentier».

📊 Wichtige Hominiden im Überblick

ArtZeit (vor 
 Jahren)GehirnvolumenGangWerkzeuge / Kultur
Ardipithecus ramidusca. 4,4 Mio.ca. 300–350 cm³teils aufrecht, kletterte gutkeine bekannt
Australopithecus afarensis («Lucy»)ca. 3,9–2,9 Mio.ca. 400–500 cmÂłaufrecht (Laetoli-Spuren)keine sicher zugeordnet
Homo habilisca. 2,4–1,4 Mio.ca. 550–700 cmÂłaufrechteinfache GeröllgerĂ€te (Oldowan)
Homo erectusca. 1,9 Mio.–110 000ca. 800–1100 cmÂłvollstĂ€ndig aufrecht, moderne ProportionenFaustkeile, Feuer; verlĂ€sst Afrika
Homo neanderthalensisca. 400 000–40 000ca. 1200–1750 cmÂłaufrecht, gedrungener Körperbaufeine Steinwerkzeuge, Bestattungen
Homo sapiensab ca. 300 000ca. 1350 cm³aufrechtvielfÀltige Werkzeuge, Kunst, Sprache; weltweite Ausbreitung

Zeitangaben und Gehirnvolumen nach aktuellem Lehrbuchstand; neue Funde können die Werte verschieben. Zum Vergleich: Schimpanse ca. 400 cm³.

Zeitliches Schema der Hominiden-Arten mit ihren LebenszeitrÀumen
Zeitliche Abfolge der Hominiden: Mehrere Arten lebten gleichzeitig – ein verzweigter Busch, keine gerade Linie (Beschriftung englisch). Quelle: Wikimedia Commons, Dbachmann, CC BY-SA 4.0
Teilskelett von Lucy, Australopithecus afarensis, vor schwarzem Hintergrund
«Lucy» (Australopithecus afarensis, ca. 3,2 Mio. Jahre): Das Becken zeigt den aufrechten Gang. Quelle: Wikimedia Commons, 120, CC BY 2.5
Museumsvitrine mit einer Reihe von HominidenschÀdeln
SchÀdel verschiedener Hominiden im Museum: Im Vergleich fallen Unterschiede in der Grösse des HirnschÀdels und in der Gesichtsform auf. Quelle: Wikimedia Commons, Jacklee, CC BY-SA 4.0
Weltkarte mit den Ausbreitungswegen des Homo sapiens aus Afrika
«Out of Africa»: schematische Ausbreitungswege des Homo sapiens von Afrika aus ĂŒber die Welt. Quelle: Wikimedia Commons, NordNordWest, Public Domain

🔑 Wichtige Begriffe

Hominiden (Homininen)
der Mensch und seine ausgestorbenen Vorfahren und Verwandten seit der Trennung von der Schimpansenlinie.
Bipedie
aufrechter Gang auf zwei Beinen.
Foramen magnum
Hinterhauptsloch, durch das das RĂŒckenmark in den SchĂ€del tritt; liegt bei Zweibeinern mittig unten.
Australopithecinen
frĂŒhe aufrecht gehende Hominiden mit kleinem Gehirn (z. B. «Lucy»).
Faustkeil
beidseitig bearbeitetes Steinwerkzeug, typisch fĂŒr Homo erectus.
Out of Africa
Modell, nach dem der Homo sapiens in Afrika entstand und sich von dort weltweit ausbreitete.
anatomisch moderner Mensch
Homo sapiens mit rundem SchÀdel, steiler Stirn, Kinn und ca. 1350 cm³ Gehirn.

📝 Zusammenfassung

  • Mensch und Schimpanse haben einen gemeinsamen Vorfahren (vor ca. 6–7 Mio. Jahren); der Mensch stammt nicht vom Schimpansen ab.
  • Zuerst entstand der aufrechte Gang (Ardipithecus, Australopithecus – «Lucy», Laetoli).
  • Mit Homo habilis beginnen Steinwerkzeuge, mit Homo erectus Faustkeile, Feuer und die Ausbreitung aus Afrika.
  • Das Gehirn wuchs von ca. 400–500 cmÂł auf ca. 1350 cmÂł.
  • Homo sapiens entstand vor ca. 300 000 Jahren in Afrika und breitete sich vor 70 000–50 000 Jahren weltweit aus.
  • Neandertaler und Homo sapiens lebten gleichzeitig und hatten gemeinsame Nachkommen.

❓ PrĂŒfungsfragen

  1. Welche Aussage ist korrekt: «Der Mensch stammt vom Affen ab» oder «Mensch und Schimpanse haben einen gemeinsamen Vorfahren»? BegrĂŒnden Sie.
    ✅ Lösung anzeigen

    Die zweite: Der heutige Schimpanse hat sich ebenso lange weiterentwickelt wie der Mensch. Beide gehen auf eine gemeinsame, ausgestorbene Vorfahrenart zurĂŒck, die vor etwa 6–7 Mio. Jahren lebte.

  2. Nennen Sie drei Skelettmerkmale, an denen man den aufrechten Gang erkennt.
    ✅ Lösung anzeigen

    Mittig unter dem SchĂ€del liegendes Hinterhauptsloch, S-förmige WirbelsĂ€ule, kurzes breites schĂŒsselförmiges Becken, schrĂ€g nach innen gestellte Oberschenkel, Fussgewölbe mit nicht abspreizbarer grosser Zehe (drei davon).

  3. Was kam zuerst: der aufrechte Gang oder das grosse Gehirn? Belegen Sie Ihre Antwort.
    ✅ Lösung anzeigen

    Der aufrechte Gang. Australopithecus afarensis («Lucy», Laetoli-Fussspuren) ging vor ĂŒber 3 Mio. Jahren aufrecht, hatte aber nur ein Gehirn von rund 400–500 cmÂł, kaum grösser als das eines Schimpansen.

  4. Welche Neuerungen verbindet man mit Homo erectus?
    ✅ Lösung anzeigen

    Deutlich grösseres Gehirn (ca. 800–1100 cmÂł), moderne Körperproportionen, Faustkeile, Nutzung des Feuers und als erster Hominide die Ausbreitung aus Afrika nach Asien und Europa.

  5. Was bedeutet es, dass heutige EuropĂ€er etwa 1–2 % Neandertaler-DNA tragen?
    ✅ Lösung anzeigen

    Homo sapiens und Neandertaler sind sich bei der Ausbreitung des Homo sapiens begegnet und hatten gemeinsame, fruchtbare Nachkommen. Ein kleiner Teil des Neandertaler-Erbguts wurde so in den Genpool des Homo sapiens ĂŒbernommen.

Transfer: Einen Fund einordnen

Bei einer Ausgrabung in Ostafrika findet man einen 1,8 Mio. Jahre alten SchĂ€del mit einem Gehirnvolumen von etwa 850 cmÂł, daneben sorgfĂ€ltig zweiseitig behauene Steinwerkzeuge. Das Hinterhauptsloch liegt mittig unter dem SchĂ€del. Welcher Art könnte der Fund angehören? BegrĂŒnden Sie mit drei Angaben.

✅ Lösung anzeigen

Wahrscheinlich Homo erectus: Das Alter (1,8 Mio. Jahre) passt in seinen Zeitraum, das Gehirnvolumen liegt im typischen Bereich von ca. 800–1100 cmÂł (deutlich ĂŒber Homo habilis), zweiseitig behauene Werkzeuge entsprechen Faustkeilen. Das mittige Hinterhauptsloch belegt den aufrechten Gang.