„wenn die Bäume nicht gleichartig sind also wenn von einer Sorte so viele Bäume da sind, dann ist es nicht mehr die Welt, dann stirbt die Welt irgendwie aus, dann gibt es nur noch diese Art und dann ist die Welt nicht mehr gerade, (...) dann tut

Inhaltsverzeichnis

   6

Einleitung   

Teil   I

Naturwissenschaftliche  Grundlagen der Evolution  

1.  Chemische Evolution  7

1.1  Biologische Evolution  8

1.2  Die synthetische Theorie der Evolution  8

1.2.1  Die synthetische Theorie und  

ihre  Evolutionsfaktoren  9

1.2.2  Mutation  9

1.2.3  Selektion  10

1.2.4  Sexuelle Selektion  12

1.2.5  Genetische Rekombination  13

1.2.6  Genetischer Drift  13

1.2.7  Artbildung  13

1.3  Die evolutionären Veränderungen der Organismen  

und  der Erdoberfläche  16

1.3.1  Dinosaurier  18

1.3.2  Massenaussterben  20

1.4  Die Entwicklung des Homo sapiens  21

1.5  Hinweise auf das Stattfinden der Evolution  24

Teil   II

Sch  ülervorstellungen im Bereich Evolution  

2.  Zum Forschungsstand  26

2.1  Fragestellung  29

2.2  Wahl der Methode  30

2.2.1  Durchführung der Interviews  32

2.2.2  Aufbereitung der Interviews  32

2.3  Auswertung der Interviews  33

3

2.4  Vorstellungen von Grundschülern über die  

Entwicklung  der Lebewesen  34

2.4.1  Interview 1: Anna  34

2.4.1.1  Transkript Interview 1: Anna (s. Anhang)  

2.4.1.2  Redigierte Aussagen Interview 1: Anna (s. Anhang)  

2.4.1.3  Geordnete Aussagen Interview 1: Anna  34

2.4.1.4  Explikation Interview 1: Anna  36

2.4.1.5  Ergebnisse Interview 1: Anna  38

2.4.2.  Interview 2: Carla  40

2.4.2.1  Transkript Interview 2: Carla (s. Anhang)  

2.4.2.2  Redigierte Aussagen Interview 2: Carla (s. Anhang)  

2.4.2.3  Geordnete Aussagen Interview 2: Carla  40

2.4.2.4  Explikation Interview 2: Carla  42

2.4.2.5  Ergebnisse Interview 2: Carla  43

2.4.3  Interview 3: Sophie  45

2.4.3.1  Transkript Interview 3: Sophie (s. Anhang)  

2.4.3.2  Redigierte Aussagen Interview 3:  

Sophie  (s Anhang)  

2.4.3.3  Geordnete Aussagen Interview 3: Sophie  45

2.4.3.4  Explikation Interview 3: Sophie  47

2.4.3.5  Ergebnisse Interview 3: Sophie  49

2.4.4  Interview 4: Sonja  50

2.4.4.1  Transkript Interview 4: Sonja (s.Anhang)  

2.4.4.2  Redigierte Aussagen Interview 4: Sonja (s. Anhang)  

2.4.4.3  Geordnete Aussagen Interview 4: Sonja  50

2.4.4.4  Explikation Interview 4: Sonja  52

2.4.4.5  Ergebnisse Interview 4: Sonja  53

2.4.5  Interview 5: Paula  54

2.4.5.1  Transkript Interview 5: Paula (s. Anhang)  

4

2.4.5.2  Redigierte Aussagen Interview 5:  

Paula  (s. Anhang)  

2.4.5.3  Geordnete Aussagen Interview 5: Paula  54

2.4.5.4  Explikation Interview 5: Paula  55

2.4.5.5  Ergebnisse Interview 5: Paula  56

Teil   III

Zusammenfassung  und Diskussion der Ergebnisse  

3.  Zusammenfassende Darstellung der Schülervorstellungen  58

3.1  Diskussion der Ergebnisse  60

4.  Schlussbemerkung  62

5.  Kurzes Fazit  62

6.  Literaturverzeichnis  63

7.  Danksagung  65

Anhang   

Interviewleitfaden   67

Bildmaterialien   69

2.4.1.1  Transkript Interview 1: Anna  71

2.4.1.2  Redigierte Aussagen Interview 1: Anna  76

2.4.2.1  Transkript Interview 2: Carla  78

2.4.2.2  Redigierte Aussagen Interview 2: Carla  85

2.4.3.1  Transkript Interview 3: Sophie  87

2.4.3.2  Redigierte Aussagen Interview 3: Sophie  93

2.4.4.1  Transkript Interview 4: Sonja  96

2.4.4.2  Redigierte Aussagen Interview: Sonja  101

2.4.5.1  Transkript Interview 5: Paula  103

2.4.5.2  Redigierte Aussagen Interview 5: Paula  108

5

Einleitung

Diese Arbeit behandelt die Fragestellung: Welche Vorstellungen haben Grundschüler von der Entwicklung der Lebewesen? Bei diesen Vorstellungen handelt es sich um vorunterrichtliche, da in der Primarstufe noch kein Evolutionsunterricht stattfindet. Zur besseren Übersichtlichkeit wurde diese Arbeit in drei Teile geteilt. Der erste Teil befasst sich mit dem naturwissenschaftlichen Standpunkt der Evolution, der synthetischen Evolutionstheorie. Zum einen, um die wissenschaftliche Haltung deutlich zu machen und zum anderen, der Fragestellungen des anschließenden Interviews einen wissenschaftlich gestützten Hintergrund zu geben. Im zweiten Teil werden die Schülervorstellungen zum Themenbereich Evolution untersucht. Vorrangig geht es darum, die Vorstellungen der Schüler deutlich zu machen, nicht sie im Sinne von „richtig“ oder „falsch“ zu bewerten. Dies geschah mit Hilfe der Methode des offenen, problemzentrierten Interviews, da diese den Schülern die Möglichkeit bietet, ihre Vorstellungen und Ideen frei zu äußern. Bei der Auswertung wurde der Schwerpunkt auf die charakteristischen Vorstellungen der Schüler gelegt und versucht diese zu interpretieren. Auf die näheren Bedingungen der Methode wird im zweiten Teil eingegangen. Befragt wurden sieben Schüler, sechs Mädchen und ein Junge. Für die Untersuchung wurden aus Gründen der inhaltlichen Effizienz fünf Interviews ausgewertet. Im dritten Teil werden die Vorstellungen der Schüler zusammengefasst und diskutiert. Annäherungen sowie Abweichungen an die Naturwissenschaft werden vorgestellt.

Ziel der Arbeit ist es herauszufinden, welche Vorstellungen Schüler der Primarstufe zur Evolution besitzen und diese deutlich zu machen. Vergleichsmöglichkeiten mit anderen, wissenschaftlichen Untersuchungen aus dem Primarbereich bieten sich nicht, es wird jedoch an der ein oder anderen Stelle auf eine dänische Stud ie verwiesen. Diese untersuchte Schülervorstellungen zur Evolution in den Klassen fünf und sechs.

Am Ende wird auf die Chancen und Möglichkeiten von empirisch erforschten Schülervorstellungen kurz eingegangen.

6

Teil I

Naturwissenschaftliche Grundlagen der Evolution

1. Chemische Evolution

Die Entstehung des Lebens liegt ca. 3,8-4 Milliarden Jahre zurück. Nach heutigen Erkenntnissen weiß man, dass die Erdatmosphäre keinen oder nur sehr wenig Sauerstoff enthielt, als das Leben entstand. Sauerstoff ist jedoch ein Hauptbestandteil für die Entstehung molekularer Bestandteile und der energiebetriebenen Prozesse des Lebens, die bereits vor ca. 4 Milliarden Jahren stattfanden. Starke Hitze und ultraviolette Strahlung waren weitere Bedingungen, die zur Erzeugung organischer Verbindungen führten und energetische Prozesse beginnen ließen (Ziegler u.a. 1995). Mayr (2000) weist hier auf ein Experiment von Stanley Miller aus dem Jahre 1953 hin, welches einen wichtigen Hinweis auf das Stattfinden einer chemischen Evolution lieferte.

Miller simulierte bei diesem Experiment die Uratmosphäre. Dabei schickte er elektrische Entladungen durch ein Gasgemisch von Methan, Ammonium, Wasserstoff und Wasserdampf, das wie Blitze wirkte. Nach nur kurzer Zeit konnte er organische Verbindungen, wie Harnstoff, Aminosäuren, Zucker und Fette nachweisen. Heute vermutet man, dass diese sich in der noch sauerstofffreien Erdatmosphäre angereichert haben (Mayr 2000).

Der für die meisten Lebewesen wichtige Sauerstoff der Erdatmosphäre wurde und wird durch Photosynthese produziert. Die ersten Lebewesen, die in der Lage waren, Sauerstoff zu bilden, waren vor mehr als 3,6 Milliarden Jahren die ersten Bakterien, Prokaryoten, - auch Archaebakterien genannt - und im besonderen die Cyanobakterien (Blaualgen), die in nahezu allen Gewässern vorkommen. Diese besaßen bereits komplizierte Stoffwechselmechanismen, die es ihnen ermöglichten, den im Wasser und festen Verbindungen festgelegten Sauerstoff zu lösen. Sie konnten somit Sauerstoff veratmen und durch Photosynthese Sauerstoff erzeugen (Ziegler u.a. 1995).

Bakterien stellen demnach die ältesten Organismen der Erde da, mit einem ungefähren Alter von 3,6 Milliarden Jahren, wobei neue Fossilfunde dieses Alter erhöhen könnten. Das Alter der Erde beträgt etwa 4,6 Milliarden Jahre (Campbell

7

1997). Diesen Teil der Entstehung des Lebens bis zu den Prokaryoten bezeichnet man als biochemische Evolution.

1.1 Biologische Evolution

Die biologische Evolution beginnt mit der Urzelle und den Prokaryoten, die aus Protocyten bestehen (kernlose Zellen mit einem einheitlichen Grundbauplan) (Bickel u.a. 1997).

Vor etwa 1,8 Milliarden Jahren entstanden die ersten einzelligen Eukaryoten (Mayr 2000). Diese zeichnen sich durch einen von einer Membran umschlossenen Zellkern mit Chromosomen und Zellorganellen aus, welche Prokaryoten nicht besitzen. Eukaryoten vermehren sich durch Teilung die durch die Mechanismen der Meiose bzw. Mitose erfolgt (Storch u.a. 2001).

Diese frühen Organismen besaßen bereits alle Eigenschaften, um sie als lebend zu definieren - Sauerstofffreisetzende Photosynthese, Zelluläre Organisation, etc. (Knoll 1982). Man nimmt an, dass eine Evolution von einfachen Zelltypen zu komplexeren Zelltypen sattfand (Storch u.a. 2001).

1.2 Die synthetische Theorie der Evolution

Die vielen Entdeckungen und Ideen aus verschiedenen Gebieten, wie z.B. der Paläontologie, Taxonomie, Biogeographie und Populationsgenetik vereinigen sich in der synthetischen Evolutionstheorie, die von dem Genetiker Theodosius Dobzhansky, dem Biologe n Ernst Mayr, dem Paläontologen Georg Gaylord Simpson und dem Botaniker G. Ledyard Stebbins begründet wurde (Campbell 1997). Die zentrale Erkenntnis der synthetischen Evolutionstheorie ist, dass die Evolution das zentrale Prinzip aller Lebensäußerungen is t, welche eine ständige Wechselbeziehung zwischen Individuen und Populationen darstellt (Storch u.a. 2001).

Dobzhansky konnte beweisen, dass es durch den Austausch von Genen im Genpool und den Veränderungen einer Population zu neuer biologischer Vielfalt und zur Artentstehung kommt (Mayr 2000).

Die Frage der Zufallsaspekte der Variationen beschäftigte immer wieder die Forscher. Heute geht man davon aus, dass die genetische Vielfalt das Ergebnis des

8

Zufalls ist, an dessen Ausgangspunkt die natürliche Selektion ansetzen kann (Mayr 2000).

Auch die Ökologie ist ein bedeutender Teil der synthetischen Theorie. Sie richtet den Blick auf Nischen, Konkurrenz, Populationsdichte, Fortpflanzungsstrategien, Räuber- Beute- Beziehungen, Nahrungskette und Co- Evolution ( wechselseitige Beeinflussung von z.B. giftigen Pflanzen und Anpassungen auf der Seite der Insekten (Storch u.a. 2001)).

1.2.1 Die synthetische Theorie und ihre Evolutionsfaktoren

1.2.2 Mutation

Spontane Mutationen sind ein wichtiger Faktor der Evolution, denn sie führen zu genetischen Variationen, die für eine bessere Adaptation an die lokalen Umweltbedingungen von großer Bedeutung sind.

Genmutationen sind zufallsbedingte Veränderungen der DNA- Sequenz eines Gens bei einem Individuum. Bei gewöhnlichen Mutationen geht man von einer Fehlerfolge bei der DNA- Replikation aus (Mayr 2000).

Im Falle der melanistischen Morphe der Birkenspanner - diese produzieren eine erhöhte Menge des Farbstoffes Melanin - handelt es sich um eine Genmutation; ein Gen wurde verändert (Hafner, Hoff 1997).

Außerdem können Mutationen durch äußere Einflüsse ausgelöst werden, durch z.B. Chemikalien oder Strahlung (Storch u.a. 2001)

Punktmutationen treten meist spontan auf. Sie verändern das Genom im Laufe der Zeit in kleinen Schritten. Durch die Verdoppelung von DNA- Abschnitten oder ganzen Genomen und weiteren Vorgängen, werden Genome umorganisiert oder vergrößert (Storch u.a. 2001).

Bei der Chromosomenmutation, können ganze Sequenzabschnitte fehlen, eingefügt, verdoppelt oder umgedreht werden.

Es ist jedoch weder vorhersehbar, welche Erbanlagen durch die Mutation verändert werden noch wie das Erbgut verändert wird. Meistens sind Mutationen neutral oder negativ und führen nur in sehr seltenen Fällen zu einer verbesserten Anpassung und damit verbundenem Fortpflanzungserfolg der Nachkommen. Berücksichtigt man jedoch die langen Zeitspannen sind Mutationen von großer Bedeutung für die

9

Evolution, da sie für die genetische Variabilität verantwortlich sind, an die die natürliche Selektion ansetzt (Campbell 1997).

1.2.3 Selektion

Charles Darwin war einer der Ersten, der erkannte, dass die Evolution nur mit dem Mechanismus der natürlichen Selektion stattfinden kann. Natürliche Selektion verläuft auf der Basis der genetischen Variation. Nach dem Konzept der Variationsevolution besteht in jeder Generation eine große genetische Vielfalt (Variabilität, erzeugt durch zufällige Mutation und genetische Rekombination) (Mayr 2000).

Man geht davon aus, dass die Individuen, die mit den vorherrschenden Umweltbedingungen gut auskommen eher zu größerem Fortpflanzungserfolg kommen als weniger gut angepasste Individuen.

Die natürliche Selektion setzt hierbei nicht an einzelnen Genen sondern am ganzen Organismus an. Entscheidend ist dabei der reproduk tive Erfolg (Fitness), also die Anzahl an Nachkommen (Storch u.a. 2001).

Die Adaptation ist das Ergebnis der Selektion, wenn diese die Ausbreitung einiger zufälliger Varianten gegenüber anderen begünstigt und bei starker Selektion schlecht angepasste Genotypen ganz auslöscht. Selektionsfaktoren können sein:

Ø Unbelebte, natürliche Einflüsse wie z.B. Klimaschwankungen, Windverhältnisse, Bodenbeschaffenheit etc. Ø Begrenzung natürlicher Ressourcen Ø Krankheiten

Ø Zu enger Lebensraum bei zu vielen Nachkommen Ø Feinde Ø etc.

Bei starker Selektion wird einer der Genotypen ausgelöscht, während sich ein anderer in der Population behauptet (Storch u.a. 2001). Als Beispiel dient hier die Zunahme der melanistischen Morphe, des Birkenspanners (Biston betularia) in England.

10

Vor 150 Jahren war der Anteil der hellen Birkenspanner noch erheblich höher als der der dunklen Morphe (carbonaria). Durch die Industrialisierung und die damit einhergehende Luftverschmutzung waren jedoch die noch sehr seltenen, dunklen Phänotypen im Selektionsvorteil.

Vor 1850, in der vor- und frühindustriellen Zeit, betrug der Anteil an hellen Birkenspannern (typica) 100%. 1878 in der Zeit der erhöhten

Umweltverschmutzung, betrug der Anteil der dunklen Morphe bereits 45%, 1908 lag er bei 90% und 1938 bei 96% (Storch u.a. 2001).

Dieser Vorgang ist das Produkt der natürliche n Selektion. Ihr ging eine Mutation voraus, nämlich die erhöhte Produktion des Farbstoffes Melanin. Diese zufällige Mutation wurde nun zu einem Vorteil für die dunkle Morphe, im Gegensatz zu früher, als sie noch nachteilig war.

Die Nachkommen des Biston betularia carbonaria sind ebenfalls dunkel; die Eigenschaft des Melanismus ist demnach erblich und beruht auf einer Veränderung der genetischen Substanz und ist somit eine Genmutation (Hafner, Hoff 1997). In diesem Fall haben die Umweltfaktoren Einfluss darauf genommen, welche erblichen Merkmale - hier die dunklen Morphe - für den Fortpflanzungserfolg förderlich sind. Diese begünstigten Merkmale sind dann in den nachfolgenden Generationen überdurchschnittlich vertreten.

11

Die natürliche Selektion kann verschiedene Auswirkungen auf Populationen haben:

Ø stabilisierende Selektion: nachteilige Mutationen werden eliminiert, gewöhnliche Varianten werden begünstig, keine Veränderung des Genpools, der Ist-Zustand wird erhalten.

Ø gerichtete Selektion: durch Umweltveränderungen wird ein Phänotyp bevorzugt, Veränderung des Genpools

Ø disruptive Selektion: sie tritt auf, wenn sich Umweltbedingungen dahingehend ändern, dass phänotypisch extreme Individuen gegenüber dazwischenliegenden Phänotypen begünstigt werden. (Campbell 1997, S. 469)

Die natürliche Selektion wirkt auf Individuen ein, deren Merkmale ihre weiteren Überlebenschancen und ihren Fortpflanzungserfolg beeinflussen. Das Produkt der natürlichen Selektion ist die Adaptation.

Der Erfolg der Selektion lässt sich jedoch nur in der langen Beobachtung einer Population feststellen. „Somit evolviert letztendlich nicht das Individuum sondern die Population“ (Storch u.a.2001, S. 233).

Demnach ist die natürliche Selektion kein rein zufälliges Phänomen, sondern eine Wechselwirkung zwischen der Umwelt und der Variabilität einer Population. Natürliche Selektion gestaltet Eigenschaften nicht ganz von vorn, sondern setzt an vorherigen Veränderungen an und modifiziert diese.

1.2.4 Sexuelle Selektion

Heute geht man davon aus, dass die sexuelle Selektion Merkmale fördert, die im Sinne der natürlichen Auslese als schlecht angepasst gelten, wie z.B. prächtige Federkleider, lauter Gesang der Singvogelmännchen etc., da sie dadurch über keinerlei Tarnung verfügen. Dieses Verhalten erklärt sich aus der Tatsache, dass die Weibchen ihre Partner wählen und nicht umgekehrt. Das Verhalten und Aussehen der Männchen macht die Weibchen auf sie aufmerksam. Weibchen wählen dann das Männchen aus, das ihnen am vitalsten erscheint. Somit kommen Tiere, die „außergewöhnliches zu bieten haben“ vermehrt zur Fortpflanzung (Storch u.a. 2001).

12

1.2.5 Genetische Rekombination

Bei der genetischen Rekombination werden die Chromosomen eines Organismus während der Zellteilung neu geordnet, was dazu dient, dass die Chromosomen im Ei oder Spermium eines Organismus nicht mit den elterlichen identisch sind. Dieser Vorgang ist ein rein zufällig und ausschlaggebend für die Entstehung genetischer Variationen. Die genetische Rekombination stellt sicher, dass jeder Nachkomme einzigartig ist (Mayr 2000). Die genetische Vielfalt ist das Produkt der genetischen Rekombination an der, wie bereits beschrieben, die natürliche Selektion ansetzt.

1.2.6 Genetischer Drift

Tragen in einer Population mehrere Individuen ein Merkmal, das aus einer Mutation herrührt, sind diese Mutationen der Selektion sowie Zufallsprozessen ausgesetzt. Bei Inselpopulationen können sich bspw. die Allelfrequenzen durch zufällige Ereignisse stark verändern. Gen-Drift herrscht meist in kleineren Populationen, in denen es oftmals zu genetischer Verarmung kommt (Storch u.a. 2001).

1.2.7 Artbildung

Die synthetische Theorie, brachte die Theorie des Punktualismus (punctuated equilibria) von Niles Eldredge und Stephen Jay Gould aus dem Jahre 1972 mit sich. Dort heißt es: „...dass wichtige Ereignisse der Evolution während kurzer Phasen mit vielfacher Artbildung stattfinden und dass erfolgreiche Arten dann oft für längere Zeit nur geringe Veränderungen erfahren („Stase“)“. (Storch u.a. 2001, S. 27). Der Beginn neuer Lebensformen, und somit das Entstehen neuer Arten (Speziation), bildet den Mittelpunkt der Evolutionstheorie, denn durch sie entsteht die enorme biologische Vielfalt.

Die Tier - und Pflanzengeografie brachte die Erkenntnis mit sich, dass viele Tier-und Pflanzenarten nur in begrenzten Gebieten vorkommen (Storch u.a. 2001). Dies resultiert aus der Tatsache, dass Arten ( „... reproduktiv isolierte Gruppe von Populationen, die sich miteinander kreuzen können, weil sie dieselben

13

Isolationsmechanismen haben.“ (Mayr 2000, S. 401)) unterschiedliche Anforderungen an ihren Lebensraum stellen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass ökologisch gleiche Lebensräume eine gleichartige Biontik (Flora und Fauna) aufweisen.

Ist eine Anzahl von Arten in einem Gebiet entstanden, wird deren Verbreitung oft durch Verbreitungsschranken gehemmt, wie z.B. Ozeane oder Gebirge. Die Organismen können somit nicht in diese Lebensräume gelangen, auch wenn sie ihnen günstige Lebensumstände bieten.

Das biologische Artkonzept wurde von Ernst Mayr, Theodor Dobhansky und Julian Huxley entwickelt. Dieses fasst Gruppen zusammen, die sich fortpflanzen können und durch Isolationsmechanismen reproduktiv von anderen Gruppen getrennt sind und bezeichnet sie als Art (Storch u.a.2001).

Jede Art besteht wiederum aus Tausenden, Millionen bis Milliarden von Lebewesen. Arten haben sich entwickelt, um stabile Genotypen (Gesamtheit der Gene eines Individuums) hervorzubringen, da bei Fortpflanzungen unterschiedlicher Arten die Nachkommen oft weniger Überlebenschancen haben. Das biologische Artkonzept beschreibt den Grund für die Bildung von Arten, der im Verhindern von Kreuzungen zwischen nicht kompatiblen Individuen liegt (Mayr 2000).

Das Artkonzept ist nach Mayr (2000) als biologische Definition des Wortes „Art“ zu verstehen. Mayr (2000) bezeichnet jede Art als ein biologisches Experiment, da es keine Möglichkeiten gibt, Vorraussagen über den Erfolg einer neuen Art zu treffen. Alle Evolutionsvorgänge einer Art sind auf sie selbst und ihre Nachkommen beschränkt, da nur sie sich untereinander vermehren können. Aus diesem Grund bezeichnet Mayr die „Art als Grundstein evolutionären Wandels“(Mayr 200, S. 184).

Es werden drei verschiedene Typen der Artbildung unterschieden: allopatrische Artbildung: Eine Popula tion entwickelt sich in geografischer Isolation, die durch eine physikalische/geografische Barriere entstanden ist und bringt eine neue Art hervor.

parapatrische Artbildung: Populationen grenzen aneinander. sympatrische Artbildung: Populationen überlappen sich. (Storch u.a. 2001, S. 235).

14