4 Gründe, warum Brückentiere wichtig für die Evolution sind
Seymouria war ein Landwirbeltier aus der Gruppe der reptiliomorphen Amphibien (Brücke zwischen Lurche und Kriechtieren)
Im Laufe der Zeit hat die Evolution es den Tieren ermöglicht, sich auf viele verschiedene Weisen an ihre Umwelt anzupassen, von denen einige sehr subtil sind. Tatsächlich sind es oft die subtilsten Anpassungen, die die größten Auswirkungen auf das Leben eines Tieres und das Überleben seiner Spezies als Ganzes haben können. Ein wichtiges Beispiel hierfür ist die Rolle der Brückentiere in der Evolution. Ein Brückentier hat oftmals Eigenschaften zweier Tiergruppen (Taxon, Plural: Taxa).
Inhalt
Was war das allererste Brückentier
Das allererste Brückentier war vermutlich ein Wassertier, welches sowohl in Salz– als auch in Süßwasser leben konnte. Auch heute gibt es viele Beispiele von Mosaikformen, welche als Bindeglied zwischen zwei Taxas dienen. Die Großen Pandas sind ein hervorragendes Beispiel, denn sie leben in Bambuswäldern, ernähren sich aber hauptsächlich von Bambus und Bambussprossen, die nur in niedrigeren Höhenlagen wachsen. Da Pandas nicht den Berg hinunterwandern können, ohne durch kältere Temperaturen getötet zu werden, sind sie auf Bambussprossen angewiesen, die unter ihnen in niedrigeren Höhen wachsen.
Das Indiz einer Mosaikform zwischen den Großbären nehmen Pandas ein, da diese sich fast ausschließlich pflanzlich bzw. herbivor ernähren. Sie zählen dennoch zu den hundeartigen Raubtieren, wie alle anderen Bären, bilden allerdings ein Mosaikstück mit eigenem Gebiss, anderen Mahlzähnen usw. Auch die Opponierbarkeit des Daumens ist einzigartig, wodurch die Pandas in der Lage sind, Bambusstöcke in der Faust zu halten.
Durch die Gegenüberstellung des Daumens können Große Pandas ihre Nahrung in der Faust verschließen
Es mag nicht so aussehen, als würden diese Tiere viel für uns tun, aber es ist sehr gut möglich, dass es uns ohne diese Tiere gar nicht gäbe! Die Theorie der natürlichen Auslese sagt zum Beispiel voraus, dass Populationen im Laufe der Zeit genetisch vielfältiger werden.
Aber wie können sich Arten weiterentwickeln, wenn sich ihre Populationen nicht miteinander kreuzen? Wenn sich verschiedene Populationen über ein Brückentier (zum Beispiel einen Vogel) miteinander kreuzen können, besteht die Möglichkeit, dass sich die genetische Vielfalt zwischen zwei Gruppen im Laufe der Zeit und über Generationen hinweg erhöht. Diese Ideen wurden 1859 von Charles Darwin in seinem Buch über die Entstehung der Arten dargelegt.
In der Natur zeigt sich dies unter anderem, wenn eine seltene Mutation unter den Mitgliedern einer Population auftritt und die Träger dieser Mutation sie an alle Nachkommen weitergeben. In manchen Fällen verschaffen seltene Mutationen einem Individuum, das dieses Gen oder Merkmal trägt, einen Überlebensvorteil, sodass es mehr Nachkommen produzieren kann als andere in seiner Umgebung, denen dieses Merkmal fehlt.
Brückentiere in den Biowissenschaften
Brückentiere sind Organismen, die Merkmale aufweisen, die zwischen anderen Arten liegen. Diese Merkmale stehen oft für die evolutionären Veränderungen, die stattfinden müssen, bevor sich eine Art zu einer anderen weiterentwickeln kann. Diese Organismen leben im Zwischenraum zwischen zwei oder mehr Populationen eines bestimmten Organismus und spielen daher eine wichtige Rolle im Evolutionsprozess.
Sie dienen als Testobjekte für bestimmte genetische Mutationen, mit deren Hilfe Wissenschaftler feststellen können, wie sich diese Mutationen auf die Population auswirken werden. Wenn beispielsweise eine Population von Weißflügeltauben in der Nähe von Schwarzflügeltauben lebt und einige Weißflügeltauben eine genetische Mutation erleiden, die ihre Flügel schwarz färbt, helfen diese Brückenvögel den Wissenschaftlern bei der Vorhersage, wie sich ein solches Ereignis auf den Genpool der nächsten Generation auswirken würde.
Nach der Veränderung könnten diese Vogelkreuzungen getestet werden, um festzustellen, wie sich die Veränderung auf ihre Körperlichkeit und ihr Verhalten auswirkt. Wenn sie keine nennenswerten Probleme verursacht, bedeutet dies, dass es für die ursprüngliche Population der Weißflügeltauben unbedenklich sein könnte, ebenfalls zu mutieren, um sich an den Klimawandel anzupassen. Wenn aber etwas mit dem Vogel aus diesem Experiment schiefgeht, dann wissen die Wissenschaftler, dass sie künftige Generationen von Weißflügeltauben nicht einer solchen Mutation aussetzen sollten.
Brückentiere sind wichtig, um zu verstehen, wie sich Arten zu dem entwickelt haben, was sie heute sind.
Wege zur Erhaltung von Brückentieren
Brückentiere, d. h. Organismen, die eine Vielzahl von Umweltbedingungen tolerieren können, können für das Verständnis von Evolutionsprozessen sehr nützlich sein. Sie sind sogar notwendig, um einige grundlegende Fragen über die Entwicklung des Planeten zu beantworten. Brückentiere sind der Schlüssel zum Verständnis der Entstehung neuer Arten. Und Brückentiere haben uns geholfen zu verstehen, ob es eine Grenze für die Anzahl der Arten in einem Ökosystem gibt. Sie helfen uns zu verstehen, wie das Leben auf anderen Planeten aussehen könnte. Und sie geben Aufschluss darüber, wie sich die Anpassung eines Organismus auf andere und auf die Umwelt insgesamt auswirken kann.
Ein Beispiel: Vor einigen Jahrzehnten stellten Wissenschaftler, die Zooplanktonpopulationen in Seen untersuchten, fest, dass deren Zahl zurückging. Das Problem stellte sich als Blaualgenblüte heraus, die durch landwirtschaftliche Abwässer von nahe gelegenen Bauernhöfen verursacht wurde. Heute wissen wir, dass diese kleinen Organismen für die Erhaltung gesunder Seen und als Nahrungsquelle für viele Fischarten unerlässlich sind.
Und obwohl der Name „Blaualge“ suggeriert, dass es sich um eine Algenart handeln müsste – sind die Blaualgen eigentlich eine Abteilung der Bakterien. Einige Blaualgen betreiben Photosynthese, wie es Algen und Pflanzen tun. Sie bauen also aus anorganischen Stoffen, wie Nährsalzen und Kohlendioxid, verschiedene organische Stoffe, wie Zucker, auf. Durch die Stoffumwandlung gewinnen sie an Energie, welche sie dann in ihre lebenserhaltenden Prozesse investieren können. Doch die Abteilung der Melainabakterien, welche ebenfalls Blaualgen sind, betreibt keine Photosynthese, um Energie zu gewinnen. Somit ist der Stoffwechsel dieser Mikroorganismen auf den Abbau organischer Substanzen beschränkt und stellt eine Mosaikform zu anderen Lebewesen dar, da ihre Ernährung nicht autotroph – wie bei den übrigen Blaualgenarten ist – sondern heterotroph erfolgt.
Bei der Algenblüte wird dem Ökosystem See über Abwässer zuerst Dünger zugeführt, wodurch Nährsalze ins Süßwasser gelangen. Diese anorganischen Substanzen dienen den photosynthetischen Blaualgen beim Aufbau organischer Substanzen, was die Anzahl von Zersetzern hochschnellen lässt. Bei der Zersetzung des organischen Materials wird Sauerstoff verbraucht, wodurch das Gewässer – am Ende des Prozesses – sehr sauerstoffarm hinterlassen wird.
Dank der Existenz dieser kleinen Lebewesen erfuhren die Menschen von dieser drohenden ökologischen Katastrophe, bevor es zu spät war.
Brückentiere sind entscheidend für unser Verständnis der Funktionsweise von Ökosystemen, der Evolution und sogar für die Suche nach bewohnbaren Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Kein Wunder, dass sich Biologen so sehr um ihre Rettung bemühen!
Warum sind Brückentiere wichtig für die Evolution
Der Archaeopteryx ist einer der frühesten bekannten Vögel, und er hat viele Ähnlichkeiten mit Dinosauriern. Das erste Archaeopteryx-Skelett wurde 1861 im Kalkstein des Solnhofener Archipels in Bayern gefunden. Es ist aus zwei Gründen ein wichtiges Übergangsfossil: erstens, weil es sowohl Merkmale von Vögeln als auch von Nicht-Vögeln aufweist, und zweitens, weil seine Entdeckung zur Popularisierung von Charles Darwins Theorie der Evolution durch natürliche Selektion führte.
Nachbildung eines Archaeopteryx, einer möglichen Brückenform zwischen Vögeln und Reptilien
Mit der Entdeckung des Archaeopteryx konnte Darwin erklären, wie sich Vögel aus anderen Reptilien – insbesondere Krokodilen – entwickelt haben.
Die Ordnung Archosauria umfasst Krokodile, Pterosaurier (fliegende Reptilien), Ichthyosaurier (große, ausgestorbene Meeresreptilien) und Dinosaurier sowie Vögel. Diese Gruppen haben mehrere Merkmale gemeinsam, lassen sich aber anhand ihrer Schädel und Zähne unterscheiden. So haben die Oberkieferzähne der meisten Arten dieser Gruppe keine Gaumenzähne. Stattdessen haben sie gezackte Kronen, die mit einem hornigen Polster an der Vorderseite des Oberkiefers ineinandergreifen, wenn diese Zähne zusammenstehen. Eine Gruppe, die diese Merkmale nicht aufweist, sind die Vögel.
Es wurden jedoch einige Vogelfossilien gefunden, die denen der übrigen Archosauria sehr ähnlich sind. Der chinesische Vogel Yanornis aus der frühen Kreidezeit hatte Zähne, die denen von basalen Archosauriern wie Dilong paradoxus und Eudibamus cursoris ähneln. Diese Entdeckungen belegen die evolutionären Beziehungen zwischen verschiedenen Reptiliengruppen und zeigen, dass der Archaeopteryx eine Zwischenstufe in der Evolution der modernen Vögel darstellen könnte. Man kann also sagen, dass der Archaeopteryx als Brückentier im Kontext der Evolution fungiert.
Rekonstruktion der Phylogenie
Es ist oft schwierig, den Stammbaum einer Tierart zu rekonstruieren, wenn viele Glieder fehlen. In manchen Fällen kann eine einzige Art als Brücke zwischen zwei verschiedenen Gruppen dienen. Diese Brückenarten werden als fehlende Glieder bezeichnet, weil sie Beweise liefern, die zwei ansonsten unverbundene Gruppen miteinander verbinden.
Indohyus ist ein perfektes Beispiel für ein solches Brückentier. Die ersten Fossilien wurden 1975 in Indien gefunden. Ursprünglich glaubte man, dass sie von Meeressäugern stammen. Nach einer genaueren Untersuchung und einem Vergleich mit vollständigeren Fossilien aus anderen Regionen haben Wissenschaftler jedoch festgestellt, dass es sich bei diesem Tier tatsächlich um ein Säugetier handelte, das sowohl an das Wasser als auch an das Land angepasst war.
Indohyus hatte etwa die Größe eines modernen Hirsches, lief auf vier Beinen, wie alle heutigen landlebenden Säugetiere es tun. Wissenschaftler schätzen, dass er etwa 12 Millionen Jahre alt war und in der frühen Oligozän-Epoche (vor 33,7 bis 23,03 Millionen Jahren) lebte. Andere Fossilberichte setzten die Lebenszeit des Indohyus im Eozän, vor circa 48 Mio. Jahren, an. Die Schädelform von Indohyus deutet darauf hin, dass es sich unter Wasser von Pflanzen und kleinen Fischen ernährte, und seine großen Augen, Ohren und Nasenlöcher nutzte, um seine Beute unter Wasser aufzuspüren.
Gleichzeitig besaß Indohyus aber auch Anpassungen, die ihm ein Leben an Land ermöglichten. Seine Zähne ähneln denen von an Land weidenden Säugetieren, und seine Halswirbel lassen vermuten, dass er auf trockenem Boden vierbeinig laufen konnte. Schließlich glauben die Forscher, dass Indohyus in der Lage gewesen sein könnte, seine Jungen wie jedes andere lebende Säugetier zu säugen.
Die Tatsache, dass Indohyus Merkmale aufweist, die sowohl Land- als auch Meeressäugetieren gemeinsam sind, deutet darauf hin, dass er wahrscheinlich ein direkter Vorfahre der einen oder anderen Gruppe ist. Einige Wissenschaftler stellen die Hypothese auf, dass aus diesem uralten Tier heutige Wale, Seekühe und Robben hervorgegangen sein könnten, während andere sagen, dass es sich stattdessen zu Schweinen, Giraffen oder anderen Huftieren entwickelt haben könnte. In jedem Fall bietet Indohyus faszinierende Hinweise darauf, wie unsere Vorfahren auf der Suche nach neuen Lebensräumen vom Meer an Land zogen oder wieder ins aquatische Habitat zurückkehrten.
grafische Darstellung eines Indohyus
Somit lässt sich durch ein Brückentier – welches das Bindeglied zwischen zwei Tiergruppen, wie den Meeressäugern und den Vierbeinern fungiert – die Stammesgeschichte bzw. Phylogenese dieser Gruppen rekonstruieren.
Missing Link als hypothetisches Brückentier
In der Genetik wäre ein Missing Link eine DNA-Sequenz, die zwei Teile des Genoms miteinander verbindet. In der Evolutionsforschung ist ein fehlendes Glied (Missing Link) ein Organismus mit Merkmalen, die eine Verbindung zu anderen Organismen im Stammbaum der Evolution herstellen. Missing Link ist demnach eine Brückentier, welches noch nicht gefunden wurde – aber nach dem die Evolutionswissenschaft akribisch sucht.
Die Bedeutung dieser hypothetischen Brückentiere besteht darin, dass sie solide Beweise für die Evolution liefern, indem sie zeigen, wie neue Arten entstehen. Nachdem ein Missing Link gefunden wurde, wird diese Spezies zum „connecting link“ erklärt – welche zwei Taxas verbindet. Es handelt sich um ein Puzzlestück – welches eine Verbindung zwischen zwei Taxas ermöglicht. Da sich durch das Einsetzen des fehlenden Verbindungsstücks ein Bild von einem riesigen Mosaik ergibt, nennt man diese Teilstücke auch Mosaikformen.
Einige dieser Mosaikformen stellen einen nahtlosen Übergang zwischen zwei Taxas dar. Man kann sagen, dass das Fossil sich aus einer bestimmten Tierklasse oder Tierstamm entwickelte und somit eine neue Urform für einen Stamm oder Klasse gewesen ist. Solche Mosaikformen sind die Brückentiere, wie der Archaeopteryx.
Archaeopteryx wies viele vogelähnliche Merkmale auf, teilte aber dennoch einige Merkmale mit den Dinosauriern, wie zum Beispiel Zähne und Krallen an seinen Flügeln. Brückentiere sind wichtig, um zu verstehen, wie sich Lebewesen entwickelt haben und sich im Laufe der Zeit weiterentwickeln! Ohne dieses Wissen wären wir möglicherweise nicht in der Lage, zukünftige Ereignisse im Zusammenhang mit dem Überleben oder der Entwicklung vorherzusagen.
Damit Wissenschaftler beispielsweise Impfstoffe für neue Krankheiten und Antibiotika für antibiotikaresistente Bakterien wie MRSA entwickeln können, müssen wir wissen, welches Tier uns bei der Entwicklung dieser Lösungen helfen würde. Welche Arten von Tieren sollten wir in Betracht ziehen? Welche Vorteile bieten sie? Wie können sie die menschliche Gesundheit verbessern? Welche Beispiele gibt es, bei denen dies nützlich war?
Brückenformen als Bindeglied zwischen zwei Taxas
Schnabeltier als Säugetier aus der Unterklasse der Ursäuger (Protheria) mit Merkmalen der Reptilien und Vögel
Brückenformen, oder Mosaikformen, wie sie allgemeiner genannt werden, dienen als Bindeglied zwischen zwei Taxa. Dies kann der Fall sein, wenn sich eine Population von Organismen so weit entwickelt, dass sie eine ökologische Nische bilden kann, die zuvor aufgrund ihrer Morphologie unzugänglich war.
Das erste Beispiel hierfür ist das Schnabeltier, welches Merkmale aufweist, die sowohl Säugetieren als auch Reptilien ähneln. Weitere Beispiele sind die Fischsaurier, die Merkmale aufweisen, die denen von Haien und Delfinen ähneln. Es ist möglich, dass diese Kreaturen die Meeresumwelt erst dann vollständig besiedeln konnten, als sich ihre Form ausreichend verändert und angepasst hatte, um in einer solchen Umgebung zu leben.
Ein gutes drittes Beispiel wäre der Tiktaalik, der sowohl Merkmale von Fischen als auch von Tetrapoden (vierbeinige Amphibien) aufweist. Wissenschaftler gehen davon aus, dass Tiktaalik sich erst dann zu seiner Tetrapodenform entwickeln konnte, als seine Fischmerkmale so weit reduziert waren, dass er an Land leben und sich besser bewegen konnte. Diese Form der Umwandlung vollzieht sich über lange Zeiträume, denn es braucht Zeit, bis sich diese Veränderungen vollziehen.
Ein viertes und letztes Beispiel ist das, was man als evolutionäre Konvergenzen bezeichnen, die auftreten können, wenn ähnliche Nischen von nicht verwandten Arten gebildet werden, die unabhängig voneinander durch natürliche Selektion ähnliche Anpassungen entwickeln. Dann entwickeln die Lebewesen ähnliche Merkmale in ihren Organen aus, welche es ihnen ermöglichen, in der ökologische Nische zu bestehen. So wurde das Fliegen, während der Entwicklungsgeschichte des Lebens, wohlmöglich viermal und völlig unabhängig voneinander vollzogen. Einmal bei den Insekten, bei den Flugsauriern, den Vögeln und den Flattertieren. Die Organe entwickelten sich unabhängig voneinander, weshalb man die konvergente Entwicklung auch als Parallelevolution oder Analogie bezeichnet.
Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Ähnlichkeit von Plazenta- und Beuteltieren. Obwohl sie keine gemeinsamen Vorfahren haben, ähneln sich Plazenta- und Beuteltiere in vielerlei Hinsicht: Sie gebären ihren Nachwuchs, anstatt Eier zu legen, besitzen Beutel, in denen sie ihren Nachwuchs herumtragen, und haben im Verhältnis zur Körpergröße große Zähne. Es gibt jedoch auch Unterschiede zwischen ihnen: Plazentatiere gebären nur einmal pro Schwangerschaft, während Beuteltiere zweimal gebären. Und Plazentatiere ernähren ihre Jungen mit Milch, die von den Milchdrüsen produziert wird, während Beuteltiere eine nährstoffreiche Flüssigkeit verwenden, die von der Mutter vor der Geburt produziert wird.
Die evolutionäre Konvergenz führte zu ähnlichen strukturellen Anpassungen infolge von Umweltbelastungen, obwohl sie genetisch und biochemisch sehr unterschiedlich sind.
Homologe Organe in beiden Taxas
Homologe Organe sind Organe, aber auch Organsysteme – welche in verschiedenen Taxa zu finden sind. So sind bspw. die Gliedmaßen der Wirbeltiere identisch, egal ob bei Vögeln, Lurchen, Kriechtieren, Knochenfischen oder Säugetieren. Diese entwickelten sich homolog, veränderten mitunter ihre Funktion – aufgrund wechselnder Umweltanpassungen. Die Homologie ist ein Indiz für die Evolution der Arten. Und durch sogenannte Homologiekriterien lässt sich feststellen, ob ein Organ homolog ist oder nicht.
Der Übergang von den Reptilien zu den Säugetieren war nicht einfach, und es gab viele verschiedene Übergangsformen. Eine dieser Formen sind die Therapsiden, die teils Reptilien und teils Säugetiere waren. Die häufigsten Therapsiden waren Dinocephalier, Cynodonten und Tritylodontidae, die alle säugetierähnliche Merkmale aufwiesen, aber noch Reptilienmerkmale wie Schuppen und Krallen besaßen.
Die ersten Fossilien von Therapsiden stammen aus der Permzeit, vor etwa 290 Millionen Jahren. Im Laufe der Zeit wurden viele weitere ähnliche Tiere gefunden, die mehr oder weniger große Ähnlichkeiten mit den beiden Gruppen aufweisen. Monotremes werden beispielsweise eher als Säugetiere denn als Reptilien angesehen, weil sie wie Reptilien Eier legen und wie Säugetiere Milch produzieren.
Ein weiteres Tier, das manchmal als Brückentier zwischen Reptilien und Säugetieren angesehen wird, ist das Schnabeltier, weil es Eier legt, aber einige Merkmale von Säugetieren aufweist, wie z. B. Milchproduktion und Fell. Es ist schwierig zu entscheiden, ob diese Kreatur allein aufgrund ihrer Morphologie als Reptil oder als Säugetier eingestuft werden sollte, da sie Eigenschaften beider Gruppen aufweist.
Wissenschaftler setzen DNA-Tests ein, um herauszufinden, ob das Schnabeltier zu den Säugetieren oder zu den Reptilien zu zählen ist. In der zoologischen Systematik ist das Schnabeltier ein Säugetier, aus der Unterklasse der Ursäuger und bildet mit dem Ameisenigel eine Tierordnung namens Kloakentiere. Gemeinsames Merkmal ist das Ausscheiden über eine Kloake.
Die Kloake der Kloakentiere ist eine Körperöffnung zur Ausscheidung von Exkrementen, Urin und anderen Abfallprodukten. Bei allen Wirbeltieren liegt die Kloake an und entsteht während der Embryonalentwicklung. Doch bei den Höheren Säugetieren, den Seekatzen und den Echten Knochenfischen wird die Kloake durch zwei getrennte Ausfuhröffnungen ersetzt.
Auch aufgrund dieser Entwicklung der Körperöffnungen geht man heute davon aus, dass die Evolution der Wirbeltiere über verschiedene Stränge und Linien verlief. Und deshalb rekonstruiert man die Evolution und Stammesgeschichte anhand von Genen, DNA, Proteinen und anderen Bausteinen des Lebens. Hier fallen Evolutionsforschung und Molekularbiologie zusammen, um die Übergänge zwischen den Taxas besser zu verstehen.
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