Humanevolution Vorabiklausur

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 Aufgabe A: Evolution des Menschen
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Wöldung)
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Stellen Sie dar, mit welchen Änderungen im Körperbau der Übergang von der
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Evolution des Menschen, aufrechter Gang, mtDNA-Analyse, Neanderthaler und Homo sapiens

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Aufgabe A: Evolution des Menschen A.1 Wöldung) a) Stellen Sie dar, mit welchen Änderungen im Körperbau der Übergang von der vierbeinigen zur zweibeinigen Fortbewegungsweise bei den Vorfahren des Men- schen einherging. Aufgabenteil Proportionen & Körperbau (Beine + Wirbelsäule + Becken ✓ Füße (Drei-Punkte-stand, zwei Punkte Stand; Schädel Balance Divergenze A.2 Konvergent b) Der Erwerb der aufrechten Körperhaltung ist ein entwicklungsgeschichtlich jun- ges Ereignis. Erläutern Sie, inwiefern dies auch zu einigen Nachteilen geführt hat. Belegung unterschiedlicher Nische y Becken. A.3 Arme) ✓ Erläutern Sie die Bedeutung der mtDNA-Analyse bei dem Erstellen von Stamm- bäumen. Werten Sie anschließend die in Material 1 und Material 2 angeführten Informationen (Sequenzanalyse, Datierungen, räumliche Zuordnung) aus und entwickeln Sie auf dieser Grundlage Hypothesen zu den Verwandtschaftsbezie- hungen der Neandertalerpopulationen. "Es sprechen also Gründe dafür, den Neandertaler nicht mehr als Unterart Homo sapiens neanderthalensis aufzufassen, sondern ihn stattdessen als eigene Art, als Homo neanderthalensis, zu bezeichnen" (Lewin 1992). Nehmen Sie zu dieser Aussage vor dem Hintergrund des biologischen Artbegriffs und der in Material 3 dargestellten Ergebnisse kritisch Stellung. Kreuzbar fruchtbare Nach Kommen Abiturvorklausur Biologie GK Q2 Material 1 Stand der Forschung 1856 wurden in der Feldhofer Grotte im Neandertal bei Düsseldorf große Teile des Skeletts ei- nes Mannes gefunden. Die deutlichen Unterschiede vor allem in der Anatomie des Schädels führten zu der Erkenntnis, dass es sich um eine ausgestorbene Menschenform (den ,,Neander- taler") handeln müsse. Das Alter des Skeletts wurde mit einer Radiokarbondatierung auf...

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42 000 Jahre bestimmt. Seit- dem wurden etwa 300 weitere Überreste von Neandertalern ausschließlich in Europa und Westasien gefunden. Die jüngsten Überreste von Neandertalern sind ca. 30 000 Jahre alt. Inzwi- schen geht man davon aus, dass es im Zuge der Eis- und Zwischeneiszeiten zu Veränderungen der Areale von verschiedenen Populationen gekommen ist. Material 2 Ein neuer Fund aus Spanien 2005 wurde in einer Höhle in El Sidrón in Spanien ein Neandertaler-Oberschenkelknochen aus- gegraben. Die Wissenschaftler haben mtDNA (Mitochondrien-DNA) aus diesem Knochen unter- sucht und konnten eine Teilsequenz bestimmen. Tabelle 1 zeigt das Ergebnis im Vergleich zu bisher bekannten mtDNA-Sequenzen von anderen Fundorten (Abb. 1). El Sidrón (43 000 Jahre alt) Düsseldorf (42 000 Jahre alt) Tabelle 1: Anzahl der Basenunterschiede von Neandertaler-mtDNA-Teilsequenzen El Sidrón Monti Lessini (50 000 Jahre alt) Vindija 77 (39 000 Jahre alt) Mezmaiskaya (29 000 Jahre alt) 2 Materialteil 7 1 LO 5 Abb. 1: Fundorte von Neandertaler- Fossilien, deren mtDNA untersucht wurde. Düsseldorf 7 1 51 Ursprung Monti Lessini (Italien) El Sidróm (Spanien Monti Lessini Düsseldorf 10. März 2021 6 8 Vindija (Kroatien) Vindija 77 4 Mezmaiskaya (Georgien) Mezmais- kaya Abiturvorklausur Biologie GK Q2 Material 3 Molekulargenetische Untersuchungen am Neandertaler und heutigen Menschen Der deutsche Wissenschaftler M. Krings und seine Mitarbeiter haben 1996 und 1997 0,4 g Kno- chenmark aus dem Skelett des 1856 in der Nähe von Düsseldorf gefundenen Neandertalers (das übrigens im Rheinischen Landesmuseum in Bonn aufbewahrt wird, wo auch die Präparation durchgeführt wurde) untersucht*. Es gelang ihnen, zahlreiche kurze Teilstücke der mitochondria- len DNA (mtDNA) zu extrahieren und ihre Basensequenz zu ermitteln. Die Teilstücke konnten dann zu einer Sequenz rekonstruiert werden, die insgesamt 379 Basenpaare umfasste. Diese Sequenz wurde mit 994 verschiedenen Mitochondrien-DNA-Sequenzen vergleichen, die von 478 Afrikanern, 510 Europäern, 494 Asiaten, 167 Indianern und 20 Menschen aus Australien und Ozeanien stammten. *Krings, M. et al.: Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell 90, 19-30. S. auch: Bild der Wissenschaft, 3/ 1998, pp. 53-55 Tabelle 2: Vergleichsgruppen alle heutigen Menschen Menschen - Neandertaler Europäer - Neandertaler Afrikaner-Neandertaler Asiaten - Neandertaler Indianer - Neandertaler Australier-Neandertaler Anzahl unter schiedlicher Ba- 8 Unterschiede unter Menschen sen 8,0 27,2 28,2 27,1 27,7 27,4 28,3 Standardabwei- chung* 10. März 2021 3,1 2,2 1,9 2,2 2,1 1,8 3,7 (> 27-28 Unterschiede ↳ nicht kreuzbar + Neandertaler-Gene sind vorhanden L> damals krevabar *: Die Standardabweichung ist ein Maß für die Streubreite der Werte eines Merkmals rund um des- sen Mittelwert (arithmetisches Mittel). Vereinfacht gesagt, ist die Standardabweichung die durch- schnittliche Entfernung aller gemessenen Ausprägungen eines Merkmals vom Durchschnitt. min. - max. Anzahl an unterschiedlichen Ba- senpaaren 1-24 22-36 D) Inhaltliche Leistung: DER PRÜFLING A.1 a) stellt folgende Veränderungen heraus: Verlagerung des Hinterhauptlochs in Richtung Schädelmitte, wodurch erst eine Schwerpunktverlagerung des Kopfes erfolgt, die für einen aufrechten Gang notwendig ist (zudem wird überflüssige Nackenmuskulatur überflüssig) ● ● Becken wird breiter und kürzer, um die Hebelwirkung bestimmter Rumpfmuskelpartien beim aufrechten Gang zu unterstützen ✓ Füße kommen durch eine veränderte Winkelstellung zwischen Ober- schenkelknochen und Becken unter dem Körperschwerpunkt zum Liegen der opponierbare große Zeh weicht dem parallel zu den anderen Zehen angeordneten großen Zeh, der für Sohlengänger klassisch ist ✓ ● • ergänzt die Verkürzung der Arme, da deren Funktion als Kletterarme nicht mehr benötigt wurde ✔ ANFORDERUNGEN ● b) erläutert die Nachteile dahingehend, dass er z. B. darauf hinweist, es bei einseitiger Belastung der aufrecht stehenden Wirbelsäule vielfach zu Bandscheibenschäden kommen kann bei großer Belastung Schäden am Kniegelenk sowie Senk- und Spreizfüße auftreten können. Die tiefe Einsenkung der Wirbelsäule in das Becken einen engen Geburtskanal bedingt, der wiederum zu Problemen bei der Geburt führen kann. andere Ideen • ggf. weiteres, aufgabenbezogenes Kriterium (3) Nennung A. afarensis A.2 erläutert, dass • selektionsneutrale Mutationen sich mit der Zeit anhäufen. ● Je mehr Mutationen eine Art im Vergleich zu einer anderen Art aufweist, umso weiter liegt die Trennung dieser Arten zurück. sich aus mt-DNA-Vergleichen genetische Distanzen berechnen und daraus Stammbäume konstruieren lassen ✓ ● • (Zusatzpunkte: Mitochondrien und damit die mt-DNA nur über die Eizelle (also maternal) vererbt werden • es daher keine Rekombination der DNA gibt.) ● wertet das Ergebnis aus, z. B. dass die Zahl der Basenunterschiede zwischen den Funden aus Düsseldorf, Vindija und El Sidrón relativ gering ist und dass die zeitlichen Unterschiede zwischen den drei Fossilfunden relativ gering sind (von 1000 bis 4000 Jahren) () die Zahl der Basenunterschiede zwischen den Funden aus Monti Lessini und allen anderen Fossilien sowie zwischen Mezmaiskaya und allen anderen Fossilien relativ groß ist und dass die zeitlichen Unterschiede zwischen dem Fossilfund von Monti Lessini bzw. von Mezmaiskaya LÖSUNGS- QUALITÄT max. Punkt- zahl SUMME TEILAUFGABE 1.1 15 12 3 6 8 erreichte Punkt- zahl 12 2 2 16 N 6 gegenüber allen anderen Fossilfunden vergleichsweise groß sind, ● die räumliche Distanz des Fundes von Mezmaiskaya zu den anderen Fundstellen am größten ist entwickelt Hypothesen, z. B., dass: • die relativ geringe Anzahl an Basenunterschieden der mtDNA zwischen den Neandertalerfunden aus Düsseldorf, Vindija und El Sidrón auf eine nahe Verwandtschaft hinweist und möglicherweise die Folge einer Arealausdehnung durch eine Population von Neandertalern im Zuge der Zwischeneiszeiten (vgl. Mat. 1.1) sein könnte V 3 • die relativ große Anzahl an Basenunterschieden der mtDNA zwischen dem Neandertalerfund aus Monti Lessini und den anderen genannten Neandertaler-Fossilfunden auf den Altersunterschieden der Funde beruhen könnte, ~ 2 • die relativ große Anzahl an Basenunterschieden der mtDNA zwischen dem Neandertalerfund aus Mezmaiskaya und den anderen Fossilfunden darauf zurückzuführen sein könnte, dass durch die zeitlich und räumlich weite Trennung dieser Teilpopulation von den anderen 2 genannten keine Durchmischung des Genpools stattgefunden hat. ggf. weiteres, aufgabenbezogenes Kriterium (2) A.3 stellt dar, dass ● die Unterschiede zwischen den heutigen Menschen nur acht Basen beträgt, wohingegen die Unterschiede zwischen Neandertaler und den untersuchten Menschen aus allen Weltregionen bei ca. 27-28 Basen liegen; ✔ SUMME TEILAUFGABE 1.2 23 14 gleichzeitig die Standardabweichung relativ gering ist ● die min. bzw. max. Anzahl an Unterschieden zwischen den heutigen Menschen 1-24 Basen beträgt, zwischen Menschen und dem Neandertaler jedoch 22- 36. stellt begründete Vermutungen an: allein auf der Grundlage der Materialien folgende Schlüsse gezogen werden können: eine genetische Vermischung aus dem Grunde unwahrscheinlich ist, dass im Falle einer Durchmischung die Unterschiede zwischen heutigen Europäern und Neandertaler weniger ausgeprägt sein müssten, als die Ergebnisse suggerieren. ✓ Dies wird gut belegt durch die relativ konstanten Unterschiede zwischen Neandertalern und den verschiedenen heutigen Menschenpopulationen. Wenn die Neandertaler zum Genpool der Europäer heute beigeträgen hätten, dürften die Unterschiede nicht so groß sein wie die der übrigen Populationen bei Vergleich mit dem Neandertaler. ● fügt hinzu, dass auf der Grundlage der Materialien eine sehr geringe Möglichkeit besteht, dass es doch zu einer Vermischung gekommen sein könnte, zB.: 9 da die identifizierte Anzahl an Unterschieden zwischen allen heutigen Menschen und zwischen heutigen Menschen und dem Neandertaler - also die absolute Streuung - doch in Einzelfällen relativ betrachtet groß ist die Anzahl der untersuchten Menschen sowie die DNA des 4 4 4 3

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So ein schöner Lernzettel 😍😍 super nützlich und hilfreich!

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42 000 Jahre bestimmt. Seit- dem wurden etwa 300 weitere Überreste von Neandertalern ausschließlich in Europa und Westasien gefunden. Die jüngsten Überreste von Neandertalern sind ca. 30 000 Jahre alt. Inzwi- schen geht man davon aus, dass es im Zuge der Eis- und Zwischeneiszeiten zu Veränderungen der Areale von verschiedenen Populationen gekommen ist. Material 2 Ein neuer Fund aus Spanien 2005 wurde in einer Höhle in El Sidrón in Spanien ein Neandertaler-Oberschenkelknochen aus- gegraben. Die Wissenschaftler haben mtDNA (Mitochondrien-DNA) aus diesem Knochen unter- sucht und konnten eine Teilsequenz bestimmen. Tabelle 1 zeigt das Ergebnis im Vergleich zu bisher bekannten mtDNA-Sequenzen von anderen Fundorten (Abb. 1). El Sidrón (43 000 Jahre alt) Düsseldorf (42 000 Jahre alt) Tabelle 1: Anzahl der Basenunterschiede von Neandertaler-mtDNA-Teilsequenzen El Sidrón Monti Lessini (50 000 Jahre alt) Vindija 77 (39 000 Jahre alt) Mezmaiskaya (29 000 Jahre alt) 2 Materialteil 7 1 LO 5 Abb. 1: Fundorte von Neandertaler- Fossilien, deren mtDNA untersucht wurde. Düsseldorf 7 1 51 Ursprung Monti Lessini (Italien) El Sidróm (Spanien Monti Lessini Düsseldorf 10. März 2021 6 8 Vindija (Kroatien) Vindija 77 4 Mezmaiskaya (Georgien) Mezmais- kaya Abiturvorklausur Biologie GK Q2 Material 3 Molekulargenetische Untersuchungen am Neandertaler und heutigen Menschen Der deutsche Wissenschaftler M. Krings und seine Mitarbeiter haben 1996 und 1997 0,4 g Kno- chenmark aus dem Skelett des 1856 in der Nähe von Düsseldorf gefundenen Neandertalers (das übrigens im Rheinischen Landesmuseum in Bonn aufbewahrt wird, wo auch die Präparation durchgeführt wurde) untersucht*. Es gelang ihnen, zahlreiche kurze Teilstücke der mitochondria- len DNA (mtDNA) zu extrahieren und ihre Basensequenz zu ermitteln. Die Teilstücke konnten dann zu einer Sequenz rekonstruiert werden, die insgesamt 379 Basenpaare umfasste. Diese Sequenz wurde mit 994 verschiedenen Mitochondrien-DNA-Sequenzen vergleichen, die von 478 Afrikanern, 510 Europäern, 494 Asiaten, 167 Indianern und 20 Menschen aus Australien und Ozeanien stammten. *Krings, M. et al.: Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell 90, 19-30. S. auch: Bild der Wissenschaft, 3/ 1998, pp. 53-55 Tabelle 2: Vergleichsgruppen alle heutigen Menschen Menschen - Neandertaler Europäer - Neandertaler Afrikaner-Neandertaler Asiaten - Neandertaler Indianer - Neandertaler Australier-Neandertaler Anzahl unter schiedlicher Ba- 8 Unterschiede unter Menschen sen 8,0 27,2 28,2 27,1 27,7 27,4 28,3 Standardabwei- chung* 10. März 2021 3,1 2,2 1,9 2,2 2,1 1,8 3,7 (> 27-28 Unterschiede ↳ nicht kreuzbar + Neandertaler-Gene sind vorhanden L> damals krevabar *: Die Standardabweichung ist ein Maß für die Streubreite der Werte eines Merkmals rund um des- sen Mittelwert (arithmetisches Mittel). Vereinfacht gesagt, ist die Standardabweichung die durch- schnittliche Entfernung aller gemessenen Ausprägungen eines Merkmals vom Durchschnitt. min. - max. Anzahl an unterschiedlichen Ba- senpaaren 1-24 22-36 D) Inhaltliche Leistung: DER PRÜFLING A.1 a) stellt folgende Veränderungen heraus: Verlagerung des Hinterhauptlochs in Richtung Schädelmitte, wodurch erst eine Schwerpunktverlagerung des Kopfes erfolgt, die für einen aufrechten Gang notwendig ist (zudem wird überflüssige Nackenmuskulatur überflüssig) ● ● Becken wird breiter und kürzer, um die Hebelwirkung bestimmter Rumpfmuskelpartien beim aufrechten Gang zu unterstützen ✓ Füße kommen durch eine veränderte Winkelstellung zwischen Ober- schenkelknochen und Becken unter dem Körperschwerpunkt zum Liegen der opponierbare große Zeh weicht dem parallel zu den anderen Zehen angeordneten großen Zeh, der für Sohlengänger klassisch ist ✓ ● • ergänzt die Verkürzung der Arme, da deren Funktion als Kletterarme nicht mehr benötigt wurde ✔ ANFORDERUNGEN ● b) erläutert die Nachteile dahingehend, dass er z. B. darauf hinweist, es bei einseitiger Belastung der aufrecht stehenden Wirbelsäule vielfach zu Bandscheibenschäden kommen kann bei großer Belastung Schäden am Kniegelenk sowie Senk- und Spreizfüße auftreten können. Die tiefe Einsenkung der Wirbelsäule in das Becken einen engen Geburtskanal bedingt, der wiederum zu Problemen bei der Geburt führen kann. andere Ideen • ggf. weiteres, aufgabenbezogenes Kriterium (3) Nennung A. afarensis A.2 erläutert, dass • selektionsneutrale Mutationen sich mit der Zeit anhäufen. ● Je mehr Mutationen eine Art im Vergleich zu einer anderen Art aufweist, umso weiter liegt die Trennung dieser Arten zurück. sich aus mt-DNA-Vergleichen genetische Distanzen berechnen und daraus Stammbäume konstruieren lassen ✓ ● • (Zusatzpunkte: Mitochondrien und damit die mt-DNA nur über die Eizelle (also maternal) vererbt werden • es daher keine Rekombination der DNA gibt.) ● wertet das Ergebnis aus, z. B. dass die Zahl der Basenunterschiede zwischen den Funden aus Düsseldorf, Vindija und El Sidrón relativ gering ist und dass die zeitlichen Unterschiede zwischen den drei Fossilfunden relativ gering sind (von 1000 bis 4000 Jahren) () die Zahl der Basenunterschiede zwischen den Funden aus Monti Lessini und allen anderen Fossilien sowie zwischen Mezmaiskaya und allen anderen Fossilien relativ groß ist und dass die zeitlichen Unterschiede zwischen dem Fossilfund von Monti Lessini bzw. von Mezmaiskaya LÖSUNGS- QUALITÄT max. Punkt- zahl SUMME TEILAUFGABE 1.1 15 12 3 6 8 erreichte Punkt- zahl 12 2 2 16 N 6 gegenüber allen anderen Fossilfunden vergleichsweise groß sind, ● die räumliche Distanz des Fundes von Mezmaiskaya zu den anderen Fundstellen am größten ist entwickelt Hypothesen, z. B., dass: • die relativ geringe Anzahl an Basenunterschieden der mtDNA zwischen den Neandertalerfunden aus Düsseldorf, Vindija und El Sidrón auf eine nahe Verwandtschaft hinweist und möglicherweise die Folge einer Arealausdehnung durch eine Population von Neandertalern im Zuge der Zwischeneiszeiten (vgl. Mat. 1.1) sein könnte V 3 • die relativ große Anzahl an Basenunterschieden der mtDNA zwischen dem Neandertalerfund aus Monti Lessini und den anderen genannten Neandertaler-Fossilfunden auf den Altersunterschieden der Funde beruhen könnte, ~ 2 • die relativ große Anzahl an Basenunterschieden der mtDNA zwischen dem Neandertalerfund aus Mezmaiskaya und den anderen Fossilfunden darauf zurückzuführen sein könnte, dass durch die zeitlich und räumlich weite Trennung dieser Teilpopulation von den anderen 2 genannten keine Durchmischung des Genpools stattgefunden hat. ggf. weiteres, aufgabenbezogenes Kriterium (2) A.3 stellt dar, dass ● die Unterschiede zwischen den heutigen Menschen nur acht Basen beträgt, wohingegen die Unterschiede zwischen Neandertaler und den untersuchten Menschen aus allen Weltregionen bei ca. 27-28 Basen liegen; ✔ SUMME TEILAUFGABE 1.2 23 14 gleichzeitig die Standardabweichung relativ gering ist ● die min. bzw. max. Anzahl an Unterschieden zwischen den heutigen Menschen 1-24 Basen beträgt, zwischen Menschen und dem Neandertaler jedoch 22- 36. stellt begründete Vermutungen an: allein auf der Grundlage der Materialien folgende Schlüsse gezogen werden können: eine genetische Vermischung aus dem Grunde unwahrscheinlich ist, dass im Falle einer Durchmischung die Unterschiede zwischen heutigen Europäern und Neandertaler weniger ausgeprägt sein müssten, als die Ergebnisse suggerieren. ✓ Dies wird gut belegt durch die relativ konstanten Unterschiede zwischen Neandertalern und den verschiedenen heutigen Menschenpopulationen. Wenn die Neandertaler zum Genpool der Europäer heute beigeträgen hätten, dürften die Unterschiede nicht so groß sein wie die der übrigen Populationen bei Vergleich mit dem Neandertaler. ● fügt hinzu, dass auf der Grundlage der Materialien eine sehr geringe Möglichkeit besteht, dass es doch zu einer Vermischung gekommen sein könnte, zB.: 9 da die identifizierte Anzahl an Unterschieden zwischen allen heutigen Menschen und zwischen heutigen Menschen und dem Neandertaler - also die absolute Streuung - doch in Einzelfällen relativ betrachtet groß ist die Anzahl der untersuchten Menschen sowie die DNA des 4 4 4 3