Phylogenetik von künstlich hergestellten Objekten: Evolution im Klassenzimmer simulieren Teach article

Übersetzt von Dorothea Zähner. Evolutionäre Verwandtschaftsverhältnisse können kompliziert zu erklären sein. Mit Hilfe von einfachen, alltäglichen Gegenständen können Ihre Schüler diese selbst ergründen.

Männliche
Blauflügel-Prachtlibelle
(Calopteryx virgo)

Mit freundlicher Genehmigung
von Michael Apel / Wikimedia
Commons

Vögel, Fledermäuse und Insekten haben alle Flügel; Pferde, Tausendfüßler und Krokodile haben alle Beine. Viele nicht miteinander verwandte Arten können anhand von körperlichen Ähnlichkeiten in Gruppen zusammengefasst werden – dies ist eines der Probleme bei der Untersuchung evolutionärer, d. h. entwicklungsgeschichtlicher Verwandtschaftsverhältnisse anhand von morphologischen Merkmalen. Voneinander unabhängige, aber in die gleiche Richtung verlaufende, konvergierende Entwicklungen können zu scheinbar ähnlichen Strukturen führen.

Das Endprodukt mag das gleiche sein (z. B. Flügel zu haben), obwohl der Ausgangspunkt sehr verschieden gewesen sein kann. Einige Lebewesen mögen sich ähnlich sehen und damit miteinander verwandt erscheinen, im evolutionären Stammbaum jedoch – der auch als phylogenetischer oder abstammungsgeschichtlicher Stammbaum bezeichnet wird – befinden sie sich weit voneinander entfernten.

Amerikanischer
Säbelschnäbler (Recurvirostra
americana
)

Mit freundlicher Genehmigung
von kevincole / Wikimedia
Commons

Auf der molekularen Ebene lässt sich Sequenzinformation von DNA und Proteinen verwenden, um einen phylogenetischen Stammbaum zu erstellen. Betrachtet werden dabei Unterschiede in homologen Sequenzen, d. h., Sequenzen bei denen davon ausgegangen wird, dass sie auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgehen. Kozlowski (2010) beschreibt eine ausgezeichnete Unterrichtsaktivität, um dies im Unterricht zu veranschaulichen. Da jedoch die benötigten Daten einfach aus dem Internet heruntergeladen und verwendet werden, mangelt es dieser Aktivität etwas am direkten Bezug zu den Originaldaten. Dieser Aufsatz bietet eine andere, ergänzende und stärker auf die Selbsttätigkeit ausgerichtete Einführung in das Studium evolutionärer Zusammenhänge, bei der die Schüler alle notwendigen Information selbst zusammen suchen, bevor sie die zugrunde liegenden Prinzipien betrachten.

In dieser Unterrichtsaktivität können Ihre Schüler ein breites Spektrum von Gegenständen verwenden, um anhand ihrer Morphologie einen künstlichen phylogenetischen Stammbaum zu erstellen. Der Stammbaum wird insofern künstlich sein, als die verwendeten Gegenstände nicht wirklich auseinander hervorgegangen sind.

Dennoch treten dabei ähnliche Probleme und Fragestellungen auf, die auch Paläontologen bei der Untersuchung versteinerter Lebewesen oder Entomologen beim Studium toter Insekten in Museumsschaukästen beschäftigt.

Die Unterrichtsaktivität dauert ungefähr 30 Minuten und ist für ein breites Altersspektrum von Schülern geeignet, ab etwa 15 Jahren bis hin zu Studenten. Sie ermöglicht den Schülern:

  1. Anhand von morphologischen Merkmalen einen „phylogenetischen“ Stammbaum zu erstellen.
  2. Eine Verbindung zwischen morphologischen Merkmalen und Anpassungsphänomenen herzustellen und sich Gedanken zu einer Artendefinition zu machen.
  3. Annahmen zur Morphologie fehlender Zwischenstücke zu machen und zu überlegen, wie diese sich überprüfen ließen.
  4. Herausforderungen und Grenzen von Morphologie- und DNA-basierenden phylogenetischen Stammbäumen zu betrachten.
  5. Selbst Konzepte der divergierenden, konvergierenden und parallelen Evolution zu untersuchen.
  6. Den vorgeschlagenen Stammbaum zu präsentieren, diskutieren, verteidigen und auszuwerten.
  7. Zu erkennen, welche Fachkenntnis von Wissenschaftlern für die Erstellung von phylogenetischen Stammbäumen benötigt wird.

Grundprinzipien

Flughund (Pteropodidae)
Mit freundlicher Genehmigung
von Peter van der Sluijs /
Wikimedia Commons

Vier Grundprinzipien werden angewendet, um einen auf der Morphologie basierenden phylogenetischen Stammbaum zu erstellen:

  1. Organismen, die sich hinsichtlich mehrerer Merkmale ähneln, sind wahrscheinlich näher miteinander verwandt als solche, die sich nur entfernt ähnlich sehen. Das heißt, je ähnlicher sie sich in ihrer Struktur sind (je mehr gemeinsame Merkmale sie haben), desto näher sind sie vermutlich miteinander verwandt.
  2. Evolution ist normalerweise die Folge einer schrittweisen Anhäufung von kleinen Veränderungen in der Struktur (und der Funktion) und gelegentlichen größeren Veränderungen.
  3. Im Allgemeinen gilt, dass aus einfacheren Formen komplexere und aus kleineren Formen größere hervorgehen, wobei dabei Ausnahmen möglich sind.
  4. Evolutionäre Vorgänge kehren sich nicht um, spezialisierte Strukturen können aber verloren gehen.
 

Unterrichtsaktivität: Evolution im Klassenzimmer

Eine Version dieser Unterrichtsaktivität verwendet Metallobjekte wie Nägel, Schrauben, Heftklammern, Büroklammern und Reißzwecken. Je größer die Zahl der Objekte, desto länger wird die Aktivität dauern.

Zur Orientierung: Die Schüler werden etwa 15 Minuten benötigen, um die evolutionären Verhältnisse herzustellen, sowie 10 bis 15 Minuten für Rückmeldung und Diskussion. Der benötigte Zeitaufwand lässt sich verringern, indem weniger Objekte verwendet werden oder Ausdrucke anstelle von richtigen Objekten – allerdings macht der Umgang mit den realen Objekten mehr Spaß.

Material

Abbildung 1: Beispiele
künstlich hergestellter
Objekte. Zum Vergrößern auf
das Bild klicken.

Mit freundlicher Genehmigung
von John Barker

Für jede Gruppe wird jeweils ein Exemplar – entweder von einer Auswahl oder von allen – der folgenden Metallobjekte benötigt (Abbildung 1). Alternativ können Ausdrucke von den Objekten verwendet werden (Sie können die Anleitung zu dieser Unterrichtsaktivität von der „Science in School“ Website herunterladen).

  • 75 mm Schiffsnagel [A]
  • 20 mm Nagel [B]
  • 20 mm Schraube [C]
  • Haarnadel (50 mm) [D]
  • Krampe (25 mm) [E]
  • Sicherheitsnadel (40 mm) [F]
  • Spreizniete (20 mm) [G]
  • Büroklammer (32 mm) [H]
  • 25 mm Schiffsnagel [J]
  • Polsternagel (20 mm) [K]
  • 13 mm Nagel [L]
  • Spiegelschraube (20 mm) [M]
  • Krampe mit Isolierung (13 mm) [N]
  • Rundkopfklammer (20 mm) [O]
  • Flachkopfklammer (20 mm) [P]
  • Rundkopfschraube (25 mm) [Q]
  • 50 mm Nagel [R]
  • Reißzwecke (6 mm) [S]
  • Haken (20 mm) [T]
  • Haarklemme [W]
  • Schraube (65 mm) [Z]

Anmerkung: Die Objekte brauchen nicht die exakte Größe zu haben.

Durchführung

  1. Teilen Sie die Klasse in zwei Gruppen.
  2. Entweder:
    a) Geben sie einen Satz der in Abbildung 1 dargestellten Objekte an jede Gruppe. Stellen Sie sicher, dass jedem Objekt ein Buchstabe zugeordnet ist. Oder.
    b) Laden Sie die Bilder der Objekte in Abbildung 1 von der Science in School Webseitew1 herunter und schneiden Sie sie so aus, dass Buchstabe und Objekte zusammenbleiben. Verwenden Sie die Bilder so, als ob sie die eigentlichen Objekte wären.
  3. Fordern Sie Ihre Schüler auf, die Objekte unter Berücksichtigung der vier Grundprinzipien so anzuordnen, dass sie mögliche evolutionäre Linien darstellen. Ermutigen Sie sie, die kleinste und einfachste Form als den vermuteten, gemeinsamen Vorfahren der Gruppe auszuwählen und anschließend die anderen Objekte als Äste eines Stammbaums, die sich aus diesem Vorfahren abgeleitet haben, anzuordnen.
  4. Bitten Sie Ihre Schüler, ihre Stammbäume anhand der Buchstaben aufzuzeichnen.
  5. Erklären Sie ihnen die Konzepte der divergierenden, konvergierenden und parallelen Evolution. Fordern Sie Ihre Schüler anschließend auf, in ihren Stammbäumen mögliche divergierende, konvergierende oder parallele evolutionäre Entwicklungen einzuzeichnen.

Einige Beispiellösungen und Diskussionsanregungen

Pasta
Mit freundlicher Genehmigung
von Isabelle Kling

Einige evolutionäre Linien erscheinen offensichtlich, wogegen andere Objekte sehr schwierig zu platzieren sein werden. Einige mögen an mehreren Stellen platziert werden können.

  • Der gemeinsame Vorfahr ist vermutlich L – eine kurze, einfache Form mit kleinem Kopf und einfacher Basis.
  • L → B → R ist eine offensichtliche Linie, die in der Größe zunimmt.
  • L → J → A ist eine parallele Linie mit einer eckigen Basis und einem in der Größe zunehmenden Kopf von L nach J. L, B oder J könnten → C durch zunehmende Komplexität des Kopfes und der Basis. (L und B sind als Vorfahren wahrscheinlicher, weil J eine eckige Basis hat.)
  • C → Q → Z ist eine Linie mit zunehmender Größe und Komplexität des Kopfes und schließlich einer Veränderung der Basis. Möglicherweise C → T aufgrund des veränderten Kopfes begleitet von einer Verjüngung der Basis.
  • L → S → K ist eine Linie mit zunehmender Größe und einer Spezialisierung des Kopfes. Vermutlich S → P durch eine Größenzunahme, aber mit Materialunterschied, d. h. es ist möglich, dass B oder J → P, dann gäbe es eine Konvergenz zwischen P und S / K.
  • Ist G Teil dieser evolutionären Linie? Entweder S oder P könnten → G durch Verdickung und letztendlich Aufspaltung der Basis. Vermutlich G → O durch eine Kombination aus Verlängerung und Verjüngung (eine Aal-ähnliche Linie).
  • Für M zeigt sich ein interessantes Problem: Von ihren beiden Teilen ähnelt die Basis in ihrer Struktur C, aber der Kopf zeigt Ähnlichkeit zu Z, ist aber glatt, nicht eingekerbt. M zeigt auch Ähnlichkeit zu S, aber ihre Basis hat Windungen statt einer glatten Struktur. M gehört wahrscheinlich zur Serie um C, aber mit einer klaren Konvergenz zu S. Repräsentieren die beiden Komponenten (M und C) zwei Geschlechter (ein Beispiel für sexuellen Dimorphismus) oder ist M ein eigenartiges Hybrid aus den Vorläufern von C und S?

Alle bisher betrachteten evolutionären Linien haben eine gerade Basis und eine einzige Achse (Ausnahmen sind G und O, die eine doppelte Basis haben und T ist mit seinem gebogenen Kopf eine weitere stark divergierende Form). Man könnte sagen, dass alle diese Formen Mitglieder einer einzigen Ordnung sind – Orthos (vom griechischen Wort für „gerade“) oder eine ähnliche Bezeichnung. Alle übrigen Objekte sind auf irgendeine Weise gebogen – Sinus (vom lateinischen Wort für „Bogen“) oder eine ähnliche Bezeichnung. Die einfachste Form unter den gebogenen Objekten ist vermutlich E und damit wahrscheinlich dem gemeinsamen Vorfahren am nächsten.

  • Vermutlich L → E durch Verlust seines kleinen Kopfes und einer Biegung der Basis, aber es ist ebenso vorstellbar, dass T → E durch einen Verlust des Gewindes und einer stärkeren Biegung des Kopfes. Es scheint wahrscheinlicher, dass T konvergierend zu einer aus E hervorgegangenen Linie ist.
  • E → N durch Hinzukommen einer Plastikisolierung.
  • E → D durch Verlängerung und Verjüngung beider Seiten und das Auftreten einer gewellten Form.
  • D → W durch eine weitere asymmetrische Spezialisierung der beiden Seiten.
  • H und F sehen aus als wären sie miteinander verwandt, mit H → F durch Hinzufügen des Materials für den Kopf. H könnte durch eine Verjüngung und Biegung von E abgeleitet sein, möglicherweise mit einem gemeinsamen Vorgänger von D, und später hinzugekommenen zusätzlichen Biegungen. Deshalb E → X (nicht in der Auswahl enthalten – ein bislang nicht entdecktes Fossil → D → W und X → H → F.
  • G und O haben jeweils eine zweigeteilte Basis – könnten sie Teil der Sinus-Ordnung sein? O könnte durch eine Verjüngung und Entwicklung einer zentralen Kopfform von E abstammen und sich durch Streckung und Verstärkung in G entwickelt haben. In diesem Fall gäbe es eine starke Konvergenz zwischen G und S / P.

 

Innerhalb jeder ‚Ordnung‘ gibt es mehrere divergierende Linien. In der Ortho-Ordnung sind Linien häufig, die in der Größe zunehmen und auch eine Vielfalt in der Entwicklung der Basis und des Kopfes zeigen, sowohl zusammen als auch getrennt. Die Sinus-Ordnung zeigt eine Biegung in beiden Basen, und im Allgemeinen fehlt ein Kopf – was darauf hindeutet, dass G und O vermutlich zur Ortho- und nicht zur Sinus-Ordnung gehören.

Ihre Schüler mögen zu deutlich abweichenden evolutionären Linien gelangt sein, aber solange sie diese anhand der vier Grundprinzipien rechtfertigen können, sind diese Linien ebenso glaubwürdig. Wenn es sich bei den Objekten um bestehende Organismen handeln würde, dann gäbe es noch andere Argumentationslinien – wie z. B. die Untersuchung ihrer molekularen Merkmale oder ihrer Embryologie -, die einige Annahmen unterstützen und andere verwerfen könnten und damit genauer auf eine mögliche evolutionäre Linie hinweisen würden.

Variationen

Keks
Mit freundlicher Genehmigung
von Isabelle Kling

Diese Unterrichtsaktivität kann auch mit anderen Objekten, z. B. Keksen oder Nudeln, durchgeführt werden. Diese Materialien können Farbe als weiteres Merkmal einführen. Dienen Farbunterschiede z. B. als Tarnung oder sind sie Ausdruck von Geschlechtsunterschieden?

Im Rahmen einer kurzen, 20-minütigen Unterrichtsaktivität kann eine kleine Anzahl von Objekten verwendet werden, um Probleme zu verdeutlichen, denen Paläontologen gelegentlich begegnen. Neue Arten können eingeführt werden, als wären sie kürzlich entdeckte Fossilien. Wie können diese neuen Entdeckungen im Stammbaum abgebildet werden?

Sobald die Schüler ihre Stammbäume fertig haben, bietet es sich an, diese untereinander auszutauschen und zu diskutieren. Sie könnten z. B. fragen:

  1. Warum habt ihr XX als Ausgangspunkt für euren Stammbaum genommen?
  2. Glaubt ihr, dass YY aus ZZ hervorgegangen ist?
  3. Warum (nicht)?
  4. Glaubt ihr, dass gleiche Formen in verschiedenen Farben zur gleichen oder zu verschiedenen Arten gehören?
  5. Warum (nicht)?

Haben zwei Gruppen von Schülern identische Stammbäume aufgestellt? Kann jede Gruppe begründen, warum sie bestimmte evolutionäre Entwicklungslinien ausgewählt hat? Dies könnte zu einer Diskussion darüber führen, warum es sehr schwierig ist, einen zweifelsfrei „richtigen“ Stammbaum zu entwerfen. Damit können die Schüler beginnen, das Ausmaß an Fachkenntnis, das von einem Evolutionsbiologen benötigt wird, zu ermessen.

Als nächstes weisen Sie Ihre Schüler darauf hin, dass die verschiedenen Nudelarten (oder Kekse) aus verschiedenen Ausgangsmaterialien (Weizen, Roggen und Mais) hergestellt wurden und, wenn sie die chemische Zusammensetzung der verschiedenen Nudeln in Betracht zögen, sie zu gänzlich anderen Stammbäumen gelangen würden. Normalerweise stellen die Schüler eine Verbindung zu DNA her. Für 15- und 16-Jährige reicht es aus zu sagen, dass manche Arten ähnliche DNA haben, obwohl sie unterschiedlich aussehen. Mit älteren Schülern (16+) und Studenten können konvergierende und divergierende Evolution eingehender diskutiert werden.

Als eine weiterführende Unterrichtsaktivität für ältere Schüler könnten die Schwierigkeiten diskutiert werden, unkontaminierte DNA aus sehr alten Proben zu extrahieren (siehe z. B. Hayes, 2011).

Als weitere aufbauende Unterrichtsaktivität könnte die von Kozlowski (2010) beschriebene Einführung in die molekulare Phylogenie verwendet werden.

Danksagung

Die Unterrichtsaktivität, in der Metallobjekte verwendet werden, wurde ursprünglich vom Kursteam der Open University Science Foundation als Kursanleitung für den Kurs S100, Einheit 21, „Unity und Diversity“, entwickelt. Die hier beschriebene Version ist eine veränderte Fassung der von Barker (1984) beschriebenen Methode.

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References

Web References

  • w1 – Die Abbildungen der Metallobjekte für die Unterrichtsaktivität können hier heruntergeladen werden.

Resources

Author(s)

Dr. Judith Philip hat einen Magisterabschluss in Pathologie, einen Doktorgrad in Parasitologie und einen Magisterabschluss in Wissenschaftserziehung und -bildung, alle von der Universität Cambridge, UK. Seit drei Jahren unterrichtet sie Biologie an einer weiterführenden Schule in England. Davor unterrichtete sie sieben Jahre lang Studenten in Biologie, Medizin und Veterinärmedizin.

John Barker hat über ein Jahrzehnt an einer Schule in London, UK, gearbeitet, bevor er in die naturwissenschaftliche Lehrerausbildung wechselte. Zunächst arbeite er am Borough Road College in London und anschließend am Zentrum für Wissenschaftserziehung und -bildung am Chelsea College in London. In dieser Zeit gehörte er dem Team an, das den Nuffield Advanced Biology Kurs entwickelt hat, einen Biologiekurs für fortgeschrittene Schüler. Er ist leidenschaftlich an Kursen zur Erstausbildung von Lehrern in Naturwissenschaften interessiert und er war 10 Jahre lang Leiter des entsprechenden Kurses am Chelsea College und nach deren Zusammenlegung am King’s College in London. Er ist nun im Ruhestand.


Review

Evolution ist ein schwierig zu verstehendes Konzept. Dieser Artikel beschreibt eine ungewöhnliche, aber einfache Unterrichtsaktivität, wie mit billigen und leicht zugänglichen Materialien einige der grundlegendsten Prinzipien der Evolution unterrichtet werden können. Im Besonderen können Schüler durch die Verwendung von phylogenetischen Stammbäumen, Phänomene wie konvergierende, divergierende und parallele Evolution untersuchen. Und es macht auch noch Spaß!


Michalis Hadjimarcou, Zypern




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