Einführung
Die Morphologie, eine der Biowissenschaften, untersucht die äußeren Merkmale eines Organismus: seine Anatomie, Form und sein Aussehen. Einer der ersten Schritte bei der Identifizierung eines Organismus ist die Untersuchung dieser auffälligen Merkmale; dies hilft, eine Art von einer anderen zu unterscheiden und neue Arten oder Unterarten zu identifizieren. Die Morphologie kann auch in einem viel kleineren Maßstab untersucht werden, indem man bestimmte Organe, Gewebe oder Zelltypen untersucht.
Die Fähigkeit, die Morphologie zweier Organismen zu vergleichen, ist eine wichtige Grundfertigkeit für Biowissenschaftler. Einfache, sorgfältige Beobachtung und Vergleiche haben zum Beispiel zu den meisten Entdeckungen auf dem Gebiet der Paläontologie geführt, ebenso wie zu der Entdeckung, dass Wale Säugetiere sind.
Historischer Hintergrund und wissenschaftliche Grundlagen
Von der Antike bis zur Renaissance hinderten Gesetze und kulturelle Tabus Ärzte daran, menschliche Körper zu sezieren. Ihr anatomisches Wissen stammte aus der Chirurgie, der Behandlung schwerer Wunden und Verletzungen und aus Tiersektionen. In gewissem Sinne waren die meisten frühen Untersuchungen der menschlichen Anatomie Übungen in vergleichender Morphologie. Da eine direkte Untersuchung nicht möglich war, füllten die Ärzte die Lücken in ihrem Wissen durch den Vergleich mit Tiermodellen.
Einer von ihnen war der römische Arzt Galen von Pergamon (129-216 n. Chr.), der für seine Schriften über Medizin und Anatomie sehr geachtet wurde. Trotz vieler Fehler, die durch seine Unfähigkeit, menschliche Sektionen durchzuführen, verursacht wurden, war Galen bis zur Renaissance die beste Quelle für anatomische Informationen. Er ermutigte die Ärzte, neugierig zu sein und selbst zu forschen. Trotz dieser Aufforderung blieb sein Werk jedoch mehr als 1000 Jahre lang unangefochten.
Andreas van Wesel (1514-1564), besser bekannt unter seinem latinisierten Namen Vesalius, war einer der ersten Ärzte, die Galens Autorität in Frage stellten. Er wurde im frühen sechzehnten Jahrhundert in eine prominente niederländische Arztfamilie hineingeboren, die lange Zeit im Dienste des Heiligen Römischen Kaisers stand. Schon früh in seiner Karriere begann Vesalius mit der Sezierung von Menschen und stellte mit den Ergebnissen Galens Vorherrschaft in Frage. Da Galen nie eine menschliche Leiche seziert hatte, veröffentlichte Vesalius Korrekturen zu seinen Schriften, in denen er viele Fehler aufzeigte, die durch den blinden Vergleich zwischen Mensch und Tier entstanden waren.
IM KONTEXT: TIERSTUDIEN BEEINFLUSSEN FRÜHES MEDIZINISCHES DENKEN
Das mittelalterliche Verständnis des Nervensystems beschränkte sich im Wesentlichen auf Beobachtungen der Tieranatomie, die durch die seit der Antike vorherrschenden Philosophien abgemildert wurden. Der Einfluss des griechischen Arztes Galen von Pergamon (129-216 n. Chr.) auf die medizinische Theorie und Praxis war in Europa während des gesamten Mittelalters und bis in die Renaissance hinein dominant. Galen war der Ansicht, dass die besten Ärzte auch Philosophen waren und dass die Philosophie die Medizin förderte. Nach der galenischen Tradition waren Krankheiten das Ergebnis eines Ungleichgewichts der Körpersäfte oder Humoren. Beim Sezieren von Kälbern bemerkte Galen ein Netzwerk von Nerven und Gefäßen an der Basis des Kälberhirns, von dem er fälschlicherweise annahm, dass es auch beim Menschen existiert. Galen bezeichnete diesen Bereich als rete mirabile und erklärte, dies sei der Ort, an dem sich die Lebensgeister in die Tiergeister des Menschen verwandelten. Nach dem Aufkommen des Christentums wurden diese Geister im Konzept der christlichen Seele vereint, und die Mediziner diskutierten über den Sitz der Seele im menschlichen Körper, vermutlich im Herzen oder im Gehirn.
Einfluss auf andere Studienbereiche
Eine der ersten Entdeckungen in der Paläontologie wurde durch den Einsatz der vergleichenden Morphologie ermöglicht. Im Jahr 1666 fingen italienische Fischer einen großen Hai. Er wurde an Niels Steensen (1648-1686) geschickt, besser bekannt unter seinem italienischen Namen Nicolaus Steno, einem dänischen Anatomen, der in Florenz arbeitete. Bei der Untersuchung der Haifischzähne stellte Steno fest, dass sie den so genannten „Zungensteinen“, kleinen dreieckigen Steinen, die seit langem in der Erde gefunden wurden, sehr ähnlich waren. Steno erkannte, dass es sich bei diesen Steinen um versteinerte Haifischzähne handelte und dass das lebende Material im Laufe der Zeit durch Stein ersetzt worden war.
Die vergleichende Morphologie spielte auch eine große Rolle bei der frühen Klassifizierung von Pflanzen- und Tierarten. Der schwedische Naturforscher Carl Linnaeus (1707-1778; auch bekannt als Carolus Linnaeus oder Carl Linné) entwickelte das erste einheitliche System zur Klassifizierung von Organismen, insbesondere von Pflanzen. Sein System basierte auf den Merkmalen der männlichen und weiblichen Geschlechtsorgane der Pflanzen. Er gruppierte sie nach Arten und stellte dann weitere Gruppen auf der Grundlage gemeinsamer Merkmale zusammen, wobei er sich stark auf die vergleichende Morphologie stützte. Linnaeus‘ Arbeit ermöglichte es, eine große Anzahl von Pflanzen und Tieren systematisch zu klassifizieren, und zwar nicht auf der Grundlage künstlicher Kategorien (wie z. B. Haustiere), sondern anhand gemeinsamer Merkmale. Seine Arbeit bildete die Grundlage der modernen Taxonomie; seine Methode der vergleichenden Morphologie ist immer noch der Ausgangspunkt für die Klassifizierung.
Moderne kulturelle Verbindungen
Der Vergleich der Merkmale eines Organismus mit denen eines anderen hilft den Wissenschaftlern, mehr über beide zu erfahren. Während die Logik vorschreibt, dass diejenigen mit der ähnlichsten Morphologie am engsten verwandt sind, gibt die natürliche Auslese manchmal nicht verwandten Organismen ähnliche Formen.
Strukturen, die sich auf ähnliche Weise entwickeln, weil sie einen gemeinsamen Ursprung haben, werden als homolog bezeichnet. Die vorderen Anhängsel der meisten Säugetiere sind ein sehr breiter Typ homologer Strukturen. Strukturen, die nicht aus einem ähnlichen Ursprung hervorgehen, sind analoge Strukturen. Diese entwickeln sich, wenn eine ähnliche Umgebung einen ähnlichen evolutionären Druck auf verschiedene Organismen ausübt; Beispiele sind die ähnliche Form von Delfinen und Fischen oder die Flügel von Vögeln und Fledermäusen. Ein eindrucksvolles Beispiel für evolutionäre Homologie (konvergente Anpassung) ist die Ähnlichkeit zwischen den Augen von Tieren aus verschiedenen zoologischen Phyla, wie Tintenfischen und Kraken, die zu den Weichtieren gehören, und denen von Wirbeltieren, einschließlich Tieren und Menschen.
Die vergleichende Morphologie bietet auch Unterstützung für die Evolutionstheorie. Indem sie sowohl lebende Organismen als auch die Fossilien ihrer ausgestorbenen Vorfahren untersuchen, können Zoologen und Paläontologen Rückschlüsse auf deren Herkunft ziehen. Anhand von Fossilien können Wissenschaftler sehen, wie sich Elefanten aus kleinen, stammlosen Tieren entwickelt haben, oder wie sich Wale aus vierbeinigen Landsäugetieren entwickelt haben, die ihre Hinterbeine verloren, als sie sich an das Leben im Meer anpassten.
Ein Teil der stärksten Beweise für die Evolution stammt aus vergleichenden Studien – dem Vergleich struktureller Ähnlichkeiten von Organismen, um ihre evolutionären Beziehungen zu bestimmen. Bei Organismen mit ähnlichen anatomischen Merkmalen geht man davon aus, dass sie evolutionär relativ eng miteinander verwandt sind und einen gemeinsamen Vorfahren haben. Als Ergebnis der Untersuchung evolutionärer Beziehungen sind anatomische Ähnlichkeiten und Unterschiede wichtige Faktoren bei der Bestimmung und Festlegung der Klassifizierung von Organismen.
Einige Organismen haben anatomische Strukturen, die in der embryologischen Entwicklung und Form sehr ähnlich sind, sich aber in ihrer Funktion stark unterscheiden. Diese werden als homologe Strukturen bezeichnet. Da diese Strukturen so ähnlich sind, deuten sie auf eine evolutionäre Verwandtschaft und einen gemeinsamen Vorfahren der Arten, die sie besitzen, hin. Ein eindeutiges Beispiel für homologe Strukturen sind die Vordergliedmaßen von Säugetieren. Bei näherer Betrachtung sind die Vorderbeine von Menschen, Walen, Hunden und Fledermäusen alle sehr ähnlich aufgebaut. Sie besitzen alle die gleiche Anzahl von Knochen, die auf fast die gleiche Weise angeordnet sind. Obwohl sie unterschiedliche äußere Merkmale aufweisen und auf unterschiedliche Weise funktionieren, sind die embryologische Entwicklung und die anatomischen Ähnlichkeiten in der Form auffällig. Durch den Vergleich der Anatomie dieser Organismen haben Wissenschaftler festgestellt, dass sie einen gemeinsamen evolutionären Vorfahren haben und im evolutionären Sinne relativ eng miteinander verwandt sind.
Andere Organismen haben anatomische Strukturen, die auf sehr ähnliche Weise funktionieren, aber morphologisch und entwicklungsmäßig sehr unterschiedlich sind. Diese werden als analoge Strukturen bezeichnet. Da diese Strukturen so unterschiedlich sind, obwohl sie die gleiche Funktion haben, deuten sie weder auf eine evolutionäre Verwandtschaft hin, noch darauf, dass die beiden Arten einen gemeinsamen Vorfahren haben. Beispielsweise haben die Flügel eines Vogels und einer Libelle die gleiche Funktion: Sie helfen dem Organismus zu fliegen. Vergleicht man jedoch die Anatomie dieser Flügel, so sind sie sehr unterschiedlich. Der Vogelflügel hat innen Knochen und ist mit Federn bedeckt, während dem Libellenflügel diese beiden Strukturen fehlen. Es handelt sich um analoge Strukturen. Durch den Vergleich der Anatomie dieser Organismen haben die Wissenschaftler also festgestellt, dass Vögel und Libellen keinen gemeinsamen evolutionären Vorfahren haben, oder dass sie im evolutionären Sinne eng miteinander verwandt sind. Analoge Strukturen sind ein Beweis dafür, dass sich diese Organismen auf unterschiedlichen Wegen entwickelt haben.
Restliche Strukturen sind anatomische Merkmale, die in einem Organismus noch vorhanden sind (wenn auch oft verkleinert), obwohl sie keine Funktion mehr erfüllen. Vergleicht man die Anatomie zweier Organismen, so ist das Vorhandensein einer Struktur bei dem einen und einer verwandten, wenn auch rudimentären, Struktur bei dem anderen ein Beweis dafür, dass die Organismen einen gemeinsamen evolutionären Vorfahren haben und dass sie im evolutionären Sinne relativ eng miteinander verwandt sind. Wale, die sich aus Landsäugetieren entwickelt haben, haben rudimentäre Hinterbeinknochen in ihrem Körper. Obwohl sie diese Knochen in ihrem marinen Lebensraum nicht mehr benutzen, weisen sie darauf hin, dass die Wale evolutionär mit den Landsäugetieren verwandt sind. Der Mensch hat mehr als 100 rudimentäre Strukturen in seinem Körper.
Die vergleichende Morphologie ist ein wichtiges Instrument, um die evolutionären Beziehungen zwischen Organismen zu bestimmen und festzustellen, ob sie gemeinsame Vorfahren haben oder nicht. Sie ist aber auch ein wichtiger Beweis für die Evolution. Anatomische Ähnlichkeiten zwischen Organismen unterstützen die Vorstellung, dass sich diese Organismen aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt haben. So deutet die Tatsache, dass alle Wirbeltiere zu einem bestimmten Zeitpunkt ihrer Entwicklung vier Gliedmaßen und Kiemendeckel haben, darauf hin, dass im Laufe der Zeit evolutionäre Veränderungen stattgefunden haben, die zu der heute beobachteten Vielfalt geführt haben.
Siehe auch Biologie: Botanik; Biologie: Klassifikationssysteme; Biologie: Vergleichende Morphologie: Studien von Struktur und Funktion; Biologie: Konzepte von Vererbung und Veränderung vor dem Aufkommen der Evolutionstheorie; Biologie: Evolutionstheorie; Biologie: Paläontologie; Biologie: Zoologie.
Bibliographie
Webseiten
California State University, Stanislaus. Fachbereich Biologie. „Introduction to Evolution: Comparative Anatomy.“ http://arnica.csustan.edu/biol3020/anatomy/anatomy.htm (Zugriff am 26. Januar 2008).
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Kenneth T. LaPensee