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wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Fr 22 Mai 2015, 00:33

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19.05.15
Buntes Merkmalsmosaik: Ein „Schnabeltier“ unter den Raubdinosauriern
Als „Schnabeltier der Dinosaurier“ wird eine neu beschriebene Theropoden-Gattung aus Chile beschrieben. Denn wie das Schnabeltier mit Haaren, Milchdrüsen, Eierlegen und einem Hornschnabel eine ungewöhnliche Merkmalskombination aufweist, so vereinigt auch Chilesaurus eine „bizarre“ Mischung von Merkmalen. Einmal mehr entspricht dies nicht evolutionstheoretischen Erwartungen und wirft die Frage auf, inwiefern Merkmale des Körperbaus verlässliche Indizien für Verwandtschaftsverhältnisse sein können, aber auch, wie ein solcher Merkmalsmix auf evolutionärem Wege entstehen kann.
Die „eierlegende Wollmilchsau“ gibt es zwar nur sprichwörtlich, aber manche Geschöpfe verbinden durchaus recht unterschiedliche Merkmale zu einem kuriosen Mix. Relativ bekannt ist das heute lebende Schnabeltier, ein Säugetier mit Haarkleid und Milchdrüsen, aber auch mit einer eierlegenden Fortpflanzungsweise, einem eigenartigen Hornschnabel, einem Ruderschwanz und mit Giftspornen an den Hinterbeinen; Merkmale, die sonst verschiedenen Tiergruppen zugeordnet werden.
Kürzlich ist nun bekannt geworden, dass auch die Dinosaurier eine Art „Schnabeltier“ in ihren Reihen haben: ein pflanzenfressender Theropode – eigentlich ein Widerspruch in sich, da es bislang zum Kennzeichen dieser zweibeinigen Dinosaurier gehört, räuberisch zu leben. Populär wurden die Theropoden nicht zuletzt durch den Science-Fiction-Film Jurassic Park, vor allem aber auch, weil aus ihren Reihen eine evolutionäre Linie zu den Vögeln führen soll.
Die Art, um die es geht, wurde schon vor einigen Jahren von einem Jungen namens Diego Suarez in Chile in Schichten des oberen Jura entdeckt. Neuerdings wurde sie anhand weiterer, gut erhaltener Funde genauer untersucht und zu Ehren des Finders Chilesaurus diegosuarezi genannt (Novak et al. 2015; Rekonstruktion hier: http://tinyurl.com/nzypu94). Die Fundschicht entspricht altersmäßig etwa den Solnhofener Plattenkalken, in denen der „Urvogel“ Archaeopteryx gefunden wurde.
Wie bei allen Theropoden handelt es sich bei Chilesaurus um einen Zweibeiner; er lief aufrecht auf kräftigen Hinterbeinen. Ungewöhnlich ist zunächst sein Pflanzenfressergebiss; die Zähne waren klein und spatelförmig; aber Chilesaurus hatte noch weitere Überraschungen parat. Eine phylogenetische Analyse (basierend auf Merkmalsvergleichen) ergab einerseits, dass Chilesaurus an die Basis der Gruppe der Tetanurae1 zu stellen ist, andererseits erscheinen die einzelnen Merkmale gleichsam aus ganz verschiedenen Gruppen zusammengesetzt. Novas et al. (2015) verglichen einzelne Körperregionen von Chilesaurus gesondert mit den entsprechenden Ausprägungen verschiedener Dinosauriergruppen. Dabei stellte sich heraus: Die kräftigen Beine samt Fuß und Fußgelenk waren wie bei Sauropoden ausgebildet (Sauropoden sind große vierbeinige Dinosaurier mit langem Hals und langem Schwanz, z. B. Brontosaurus), dazu passt auch der relativ kleine Kopf. Das Achsenskelett gleicht dem von Ceratosauriern (zweibeinig laufende Fleischfresser, die häufig Kopfornamente besaßen); die Vorderbeine, der Schultergürtel und Hinterbeine passen zu den Tetanuren; das Becken wiederum ist typisch für Coelurosaurier2; der Bau der Wirbel ist theropodenartig. Die Vorderextremitäten wurden als Arme benutzt; allerdings hatte Chilesaurus statt der für Theropoden üblichen Klauen nur zwei stumpfe Finger.
Angesichts dieser völlig unerwarteten Merkmalskombination wundert es nicht, dass die Bearbeiter (Novas et al. 2015) Chilesaurus als „bizarr“ bezeichnen; er repräsentiere einen extremen Fall einer „Mosaik-Evolution“ unter den Dinosauriern. Koautor Martin Ezcurra von der Universität Birmingham hält ihn für einen „der interessantesten Fälle von konvergenter Evolution in der gesamten Geschichte des Lebens“.3 Und ein weiterer Mitautor, Alexander Vargas, lässt verlauten: „Ich denke, er hat es verdient, als das Schnabeltier der Dinosaurier bezeichnet zu werden.4
Kommentar
Der bunte Merkmalsmix von Chilesaurus erfordert im Rahmen des Evolutionsmodells die Annahme mehrerer Konvergenzen oder Rückentwicklungen (Letzteres im Bereich des Fußes [Novas et al. 2015, 4]). Das heißt: Eine Reihe von Merkmalen müsste sich unabhängig in verschiedenen Linien evolutionär herausgebildet haben, z. B. die pflanzenfressende Ernährungsweise. Auf wissenschaft.de3 wird Martin Ezcurra mit dem Satz zitiert, Chilesaurus liefere ein gutes Beispiel dafür, wie Evolution funktioniert. Das ist eigentlich ein überraschendes Statement. Denn ein solcher Merkmalsmix war nicht erwartet worden, und zwar gerade deshalb, weil man von einer Evolution der Lebewesen ausgeht. Die Tatsache, dass man Arten und größere Gruppen problemlos in ein hierarchisches, eingeschachteltes System einordnen kann, ist (oder war nur noch?) eines der klassischen Argumente für Evolution. Das scheint, je mehr man über die Lebewesen weiß, desto weniger möglich zu sein, was folglich das Argument für Evolution schwächt. Chilesaurus ist diesbezüglich ein besonders eindrucksvolles Beispiel. Dass Evolution so funktionieren soll, dass es viele Konvergenzen gibt, stellt lang vertretene Überzeugungen auf den Kopf. Und wenn Evolution wirklich so funktionieren würde, wie könnte man dann überhaupt noch auf der Basis von Merkmalsvergleichen Abstammungsverhältnisse ermitteln? Wenn ähnliche Merkmale gleichermaßen durch Abstammung von einem gemeinsamen Vorfahren wie auf unabhängigen Wegen entstehen können (ohne Abstamungsbeziehung), wie könnten sie dann noch Marker für Abstammungsverwandtschaft sein?
Das Statement von Ezcurra ist auch aus einem zweiten Grund fragwürdig: Der unerwartete Merkmalsmix mit den anzunehmenden Konvergenzen sagt an sich gar nichts darüber aus, wie Evolution funktioniert. Auf galileo.tv heißt es dazu: „Grund für die Ausprägung so verschiedener Merkmale ist wohl konvergente Evolution.5 Das ist natürlich keine Erklärung – kein Grund –, sondern nur eine Beschreibung bzw. Benennung bzw. Zuschreibung. Wie es dazu kommen kann, dass vielfach in einer Art konvergente Merkmalsausprägungen auftreten, ist nicht Gegenstand der Arbeit von Novak et al., aber für evolutionäre Hypothesen ist das eine Herausforderung.
Das Beispiel Chilesaurus mahnt abgesehen von diesen grundsätzlichen Fragen auch zur Vorsicht bei der Deutung unvollständig erhaltener Fossilien: Die Ähnlichkeit verschiedener Arten in einem Teil des Bauplans lässt nicht sicher schließen, dass auch die restlichen Teile bauplanähnlich sind. Der gut erhaltene Chilesaurus zeigt, dass das nicht so sein muss.
Literatur
Novas FE, Salgado L, Suárez M, Agnolín FL, Ezcurra MND, Chimento NSR, de la Cruz R, Isasi MP, Vargas AO & Rubilar-Rogers D (2015) An enigmatic plant-eating theropod from the Late Jurassic period of Chile. Nature, doi: 10.1038/nature14307
Video
http://www.faz.net/aktuell/wissen/chilesaurus-diegosuarezi-t-rex-hatte-einen-vegetarischen-cousin-13565820.html
Anmerkungen
1 Ein  Taxon, das eine Reihe von Untergruppen der Theropoden umfasst; der Name bedeutet "starre Schwänze".
2 Novas wird bei nationalgeographic.com jedoch so zitiert: „Pelvic bones from the fossils, which dated to about 150 million years ago, at first appeared to be from the ornithischian group, which includes Stegosaurus and Triceratops“ (http://news.nationalgeographic.com/2015/04/150427-theropod-dinosaur-vegetarian-rex-science/).
3 http://www.wissenschaft.de/home/-/journal_content/56/12054/6454192/Skurril:-Ein-vegetarischer-Raubsaurier/
4 https://www.wired.de/collection/latest/das-schnabeltier-unter-den-dinosauriern
5 http://www.galileo.tv/science/das-schnabeltier-der-urzeit-der-kleine-bruder-von-t-rex-war-vegetarier/
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Genetik spricht gegen den Darwinismus

Beitrag von Eaglesword am Sa 30 Mai 2015, 15:39

Endlich habe ich die Doku wieder gefunden:



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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am So 14 Jun 2015, 17:20

 
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10.06.15  Hühnchen mit Dinosaurier-Schnauze?
Durch eine Manipulation von Hühnerembryonen ist es Wissenschaftlern gelungen, die Schnäbel in ihrer Entwicklung im Hühnerei so zu verändern, dass sie in mancher Hinsicht Schnauzen von manchen Dinosauriern ähneln. Für eine mutmaßliche evolutive Abstammung der Vögel von Dinosauriern gibt dieses Experiment aber keine nennenswerten Anhaltspunkte.
„Kiefer statt Schnäbel: Forscher erschaffen ‚Dino-Hühner‘ im Labor“; „Rückbau der Vögel zu Dinos“; „Forscher züchten Hühner-Embryos mit Dino-Schnauzen“ – das eine kleine Auswahl von Überschriften der Tages- und Wissenschaftspresse1, mit denen kürzlich auf ein interessantes Experiment aufmerksam gemacht wurde. Was haben die Wissenschaftler herausgefunden?
Mit den enormen Fortschritten in der Erforschung des Erbguts verschiedenster Arten von Lebewesen sind Wissenschaftler heute in der Lage, zunehmend die genetischen Grundlagen von Organen und ihrer korrekten Ausformung herauszufinden. Es muss aber beachtet werden, dass es bei den dabei genutzten Genen nur um einen notwendigen Teilaspekt, aber nicht um hinreichende Erklärung der Formbildung in der Embryonalentwicklung handelt: Wann werden welche Gene aktiviert? Das Genom (=das gesamte Erbgut einer Art) ist nicht der Bauplan, wie man heute weiß. Dennoch verhilft die Erforschung genetischer Zusammenhänge zunehmend zu einem besseren Verständnis der Entwicklungszusammenhänge während der Ontogenese (=Entwicklung bis zum ausgewachsenen Organismus). Das gilt auch für die Erforschung der bei der Schnabelbildung bei Vögeln beteiligten Gene. Hier konnten Wissenschaftler um Bhart-Anjan Bhullar von der Yale University zeigen, dass in der zukünftigen Gesichtsregion von Vögeln zwei Proteine, Fgf8 (Fibroblast growth factor 8 ) und Lef1 (das zum Wnt-Signalweg gehört) sowie die nachgeschalteten Kaskaden eine wichtige Rolle bei der Ausbildung des Schnabels spielen. Diese beiden Proteine werden im Vergleich zu Reptilien in einer sehr viel größeren Region im Kopfbereich produziert. Das hat zur Folge, dass zwei Knochen, die bei anderen Wirbeltieren paarig ausgebildet sind, nämlich die Praemaxillarknochen, miteinander zu einem einzigen Knochen verwachsen, die den Schnabel bilden. Dieser Befund motivierte die Idee, dass eine Änderung in der Produktion dieser Proteine zur Bildung des Vogelschnabels beigetragen haben könnte.
Bhart-Anjan Bhullar und Mitarbeiter führten nun folgendes Experiment an Hühnerembryonen durch (Bhullar et al. 2015): Sie unterdrückten die Expres​sion(=Ablesung, „Übersetzung“) der die beiden Proteine codierenden Gene in der Mitte des sich entwickelnden Gesichts mithilfe von Chemikalien, womit sie gleichsam einen mutmaßlichen Evolutionsschritt zurückgingen. Diese Prozedur führte tatsächlich dazu, dass der Bereich des Gesichtes seine Form änderte, so dass anstelle des typischen Vogelschnabels ein Gebilde entstand, das teilweise eher der Schnauze eines Alligators oder eines Dinosauriers mit langer Schnauze ähnelte. Die Praemaxillarknochen wuchsen nicht zusammen und auch die Form des Gaumens änderte sich in einer Weise, die den Gaumenknochen von Dinosauriern ähnelte (vgl. Pennisi 20152). Dazu verglichen die Forscher die Ausformung der betreffenden Knochen der manipulierten Hühnerembryonen mit den entsprechenden Knochen verschiedener Reptilienarten.
Ist damit ein Schritt zurück in der Evolution gelungen? Die Details des Experiments sprechen dagegen. So weist der Entwicklungsbiologe Ralph S. Marcucio darauf hin, dass die eingesetzte Gen-unterdrückende Substanz schädliche Nebenwirkungen hat und meint, sie führe lediglich zum Absterben von Gewebe.3 Außerdem gehe die Produktion von Fgf8 im Bereich des Gesichts schon zurück, bevor überhaupt die Praemaxillarknochen gebildet werden, womit die Bedeutung von Fgf8 für die Schnabelbildung in Frage gestellt sei. Die genetischen Grundlagen der Schnabelbildung seien viel komplizierter.
Ein Vergleich des manipulierten Hühnchenschädels mit dem Schädel eines Alligators (siehe Abbildung bei Pennisi 2015, online z. B. hier: www.nature.com/news/dino-chickens-reveal-how-the-beak-was-born-1.17507) unterstreicht den Eindruck, dass durch die Manipulation der Forscher dem Vogelschädel notwendiges Material vorenthalten wird: Insgesamt sieht er nach wie vor deutlich vogelähnlicher als reptilähnlich aus und ist viel komplexer als der Reptilschädel. Der Vergleich des normalen Vogelschnabels mit dem manipulierten erweckt gleichsam den Eindruck, als versuche der Organismus, mit dem unzureichenden Material zum bestmöglichen Ergebnis zu gelangen. Im Bild gesprochen: Die Grundstruktur der „Baustelle“ Vogelschnabel ist dieselbe und deutlich verschieden von der Baustelle „Reptilschnauze“, doch es fehlt teilweise am nötigen Baumaterial. In diesem Sinne äußert sich auch Bhullar: „The altered chicks still had a flap of skin over their would-be beaks, so the difference is not obvious, … Looking at these animals externally, you would still think it’s a beak. But if you saw the skeleton, you’d just be very confused,… I would not say we gave birds snouts“ (Callaway 2015; Hervorhebung nicht im Original). Außerdem ist das Versuchsergebnis nicht einheitlich: manche manipulierten Embryonen haben deutlich geteilte und verkürzte Praemaxillarknochen, bei anderen sind sie teilweise verwachsen, wieder andere zeigen gar keine besonderen Unterschiede zur normalen Situation (Callaway 2015).
Anders ist die Situation beim veränderten Gaumenknochen, der in den manipulierten Embryonen stärker mit Nachbarknochen verwachsen ist als in den normalen Individuen. In diesem Fall könnte eher von einem Rückschlag in die hypothetische evolutionäre Vergangenheit gesprochen werden. Hier ist eine vogeltypische Differenzierung gestört, die sonst einen Beitrag zur Beweglichkeit des Schnabels leisten würde (vgl. Pennisi 2015).
Die Situation ist ähnlich wie bei Atavismen (Als Atavismen bezeichnet man Rückschläge in mutmaßliche frühere stammesgeschichtliche Stadien): Es gibt eine enorme Anzahl verschiedener Missbildungen, doch nur ganz wenigen davon könnte evolutionsbiologische Aussagekraft zugestanden werden, nämlich denjenigen, die mehr oder weniger zufällig auch einmal an Strukturen der angenommenen Vorfahren erinnern; in diesem Beispiel ausgelöst durch eine experimentelle Manipulation. Pro Evolution kann hier somit nur sehr selektiv argumentiert werden.
Spektrum der Wissenschaft bemerkt, dass „noch offen sei“, „welche genetischen Mechanismen einstmals die veränderte Genaktivität bewirkten“.4 Aus evolutionsbiologischer Sicht ist das die entscheidende Frage. Aber nicht nur das ist kritisch anzumerken. Es sei an die von Marcucio geäußerten Einwänden erinnert (s. o.). Es ist klar, dass mit den beiden Genen fgf8 und lef1 nur einige Elemente der gesamten genetischen Grundlagen erfasst sein können, die zur korrekten Ausformung des Vogelschnabels notwendig sind. Das Ausschalten oder die Manipulationen einzelner Gene bringen Erkenntnisse über deren Rolle im komplexen Ganzen. Aber es wäre angesichts der Komplexität der Formbildungsprozesse unsachgemäß, allein daran wesentliche evolutionäre Schritte zur Umbildung von Reptilienschnauen zu Vögeln festmachen zu wollen.
Angesichts der Details der Forschungsergebnisse und der genannten kritischen Anmerkungen, die die Bearbeiter zum Teil selber äußern, ist auch klar: Die eingangs zitierten reißerischen Überschriften sind nicht seriös und geben auch nicht wieder, was die Wissenschaftler selber behaupten. Sie sind eher geeignet, an Forschung interessierte Zeitgenossen irrezuführen, womit der Wissenschaft letztlich ein Bärendienst erwiesen wird.
Literatur
Bhullar BA, Morris ZS et al. (2015) A molecular mechanism for the origin of a key evolutionary innovation, the bird beak and palate, revealed by an integrative approach to major transitions in vertebrate history. Evolution, doi: 10.1111/evo.12684
Callaway E (2015) 'Dino-chickens' reveal how the beak was born Chicken embryos have been altered so that the birds grow dinosaur-like snouts. Nature News, doi:10.1038/nature.2015.17507
Pennisi E (2015) How birds got their beaks. Science 348, 744.
Anmerkungen
1 http://derstandard.at/2000015769961/Kiefer-statt-Schnaebel-Forscher-erschaffen-Dino-Huehner-im-Labor; diepresse.com/home/science/4730284/Ruckbau-der-Vogel-zu-Dinos; http://www.nachrichten.de/panorama/Zurueckdrehen-der-Evolution-Forscher-zuechten-Huehner-Embryos-mit-Dino-Schnauzen-aid_5821237407263981857.html (Zugriff jeweils 5. 6. 15)
2 „In many vertebrates, this bone is flat and fused to surrounding bones. But in birds, it’s reduced and disconnected, which frees the top part of the bill to move upward, expanding birds’ gape. In the treated chick embryos, the palate looked more like it does in other vertebrates: flat and seemingly reconnected to the jaw bones.“
3 http://www.nytimes.com/2015/05/12/science/reverse-engineering-birds-beaks-into-dinosaur-bones.html (Zugriff 5. 6. 15)
4 http://www.spektrum.de/alias/bilder-der-woche/ein-huehnchen-mit-dino-schnabel/1346081


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Sa 18 Jul 2015, 15:03

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16.07.15  Collinsium – am Anfang war die Komplexität
Einer der ältesten fossil erhaltenen Lobopoden, Collinsium ciliosum, ist ausgesprochen komplex gebaut. Die Fossilüberlieferung zeigt bei dieser Gruppe keine Abfolge von „einfacher“ zu „komplexer“. Das stellt die evolutionstheoretisch zu erwartende Abfolge auf den Kopf.
Evolution verläuft vom Einfacheren zum Komplexeren; mindestens müssen alle Baupläne des Lebens einmal einfach begonnen haben, auch wenn im weiteren Verlauf wieder Rückbildungen erfolgen können. Es zeigt sich aber immer wieder, dass bereits sehr früh in der Fossilüberlieferung Tiergruppen mit komplexen Formen überliefert sind. Die ältesten Formen einer Gruppe sind oft komplexer als jüngere. Über ein eindrucksvolles Beispiel dieser Art berichten Yang et al. (2015). Die Forscher beschreiben Collinsium ciliosum, einen ungewöhnlich gepanzerten, ca. 8,5 cm langen Lobopoden aus der unterkambrischen Xiaoshiba-Lagerstätte in Südchina (Rekonstruktion z. B. unter http://cdn4.sci-news.com/images/enlarge/image_2962_1e-Collinsium-ciliosum.jpg). Lobopoden sind ausgestorbene wurmartige Organismen mit füßchenartigen Anhängen; sie haben im Meer (marin) gelebt und  werden gewöhnlich zu den auch heute lebenden Stummelfüßern (Onychophora, „Würmer mit Füßchen“) gerechnet und als deren mögliche Vorfahren diskutiert. Die etwa 180 heute lebenden Stummelfüßer sind recht einheitlich gebaut und bilden einen eher wenig bedeutenden Anteil am Ökosystem von Regenwäldern (Yang et al. 2015, 1). Eine stammesgeschichtliche Verbindung zu den marinen kambrischen Formen erscheint aufgrund der Ökologie der heute bekannten Formen nicht naheliegend.
Nicht nur in Bezug auf den Lebensraum fallen die Unterschiede auf, auch der Körperbau  des kambrischen Collinsium ist für einen Lobopoden ungewöhnlich komplex. Am vorderen Teil des wurmartigen Körpers befindet sich ein Paar antennenartiger Anhänge, es folgen sechs Paare verlängerter Anhänge mit feiner Fiederung, die als Filtriereinrichtung gedeutet werden, mit der Kleinlebewesen erbeutet werden. Dahinter befinden sich bis zum Körperende neun Beinchen mit Klauen, mit denen sich Collinsium vermutlich auf fester Unterlage (Felsen oder auch auf Schwämmen) festhalten konnte. Doch damit nicht genug. Auf dem Rücken und an der Seite war das Tier mit insgesamt 72 harten, spitzen Stacheln unterschiedlicher Größe ausgestattet, die dem Tier Schutz gegen Räuber boten. Im Vergleich zu anderen Gattungen der Lobopoden ist Collinsium deutlich die komplexeste und gehört zugleich zu den ältesten und wird in die Familie der Luolishaniidae gestellt. Diese Familie steht im Dendrogramm (Ähnlichkeitsbaum) an abgeleiteter („hochentwickelter“) Position, obwohl sie in der geologischen Schichtenfolge an der Basis der Überlieferung der Lobopoden auftritt. Die Luolishaniidae weisen das größte Ausmaß an Spezialisierung der Körperanhänge von Lobopoden des Paläozoikums („Erdaltertum“ von Kambrium bis Perm) auf und sind sehr viel verschiedenartiger als Vertreter der (später fossil überlieferten) Kronengruppen der Stummelfüßer  (Yang et al. 2015). Eine Abfolge von „einfach“ Richtung „komplex“, wie evolutionär ursprünglich verlaufen sein müsste, ist damit auf den Kopf gestellt. Warum diese Gruppe trotz üppiger Ausstattung ausgestorben ist, darüber kann nur spekuliert werden. Man spricht in solchen Fällen häufig (und so auch hier) von gescheiterten „evolutionären Experimenten“, womit aber nichts erklärt wird. Eine denkbare – aber spekulative – Erklärung könnte die Zerstörung des Lebensraumes der kambrischen Formen sein.
„Alle modernen Stummelfüßer sind ziemlich ähnlich in ihrem allgemeinen Körperbau und nicht so aufregend in ihrer Lebensweise. Aber im Kambrium waren ihre entfernten Verwandten erstaunlich vielfältig und traten in einer überraschenden Vielfalt bizarrer Formen und Größen auf“, wird einer der Mitautoren, Javier Ortega-Hernández von der Universität von Cambridge, UK, zitiert (http://www.sci-news.com/paleontology/science-collinsium-ciliosum-cambrian-spiky-worm-02962.html). Die Lobopoden sind nicht die einzige Gruppe, deren Fossilüberlieferung in maximaler Verschiedenartigkeit startet; Yang et al. (2015, 5) nennen als weitere Beispiele die Crinoiden (Seelilien und Haarsterne) und Brachiopoden (Armfüßer), bei denen dies auch der Fall ist. Es könnten noch mehr Gruppen genannt werden.
Literatur
Yang J, Ortega-Hernández J, Gerber S, Butterfield NJ, Hou JB, Lan T & Zhang XG (2015) A superarmored lobopodian from the Cambrian of China and early disparity in the evolution of Onychophora. Proc. Natl. Acad. Sci. 112, 8678-8683.


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Di 28 Jul 2015, 07:49

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22.07.15 
Zhenyuanlong – befiederter Dinosaurier, flugunfähiger Vogel oder …?

Mit über 1,50 m Größe ist Zhenyuanlong die größte Dinosaurier-Gattung mit Federn, die der Fiederung heutiger Vögel gleicht – falls diese Gattung wirklich ein Dinosaurier war. Einige Merkmale sprechen eher dafür, dass es sich um einen sekundär flugunfähigen Vogel handelt. Wahrscheinlich sind bislang zu wenig Details bekannt, um die seltsame und unerwartete Merkmalskombination dieses Fossilfundes erklären zu können. Wie auch in anderen Fällen passt das neu entdeckte Fossil nicht in bisherige evolutionstheoretische Vorstellungen.
Erneut wurde in Unterkreide-Schichten in der Liaoning-Provinz Chinas ein ungewöhnliches Fossil entdeckt, das als befiederter Dinosaurier interpretiert wird (Lü & Brusatte 2015). Das Fossil besitzt eine ungewöhnliche Merkmalskombination, die keineswegs evolutionstheoretischen Erwartungen an Übergangsformen zwischen Dinosauriern und Vögeln entspricht. Es geht um Zhenyuanlong suni; diese neue Art wird zu den Dromaeosauriden gestellt, eine Dinosaurier-Familie, die von den meisten Paläontologen in nächste Nähe zu den Vögeln gebracht wird. Diese Stellung ist aber aus guten Gründen umstritten und Zhenyuanlong dürfte Kritiker der Dino-Vogel-Theorie bestärken. Denn Zhenyuanlong besitzt zwar einerseits Federn wie heutige Vögel, mehrlagig angeordnet, mit Schaft, Feinstrukturen und z. T. mit asymmetrischer Form, was als Indiz für die Flugtauglichkeit zu werten ist (die Asymmetrie ist eine entscheidende Voraussetzung, dass Auftrieb erzeigt werden kann).1 Andererseits aber sind seine Vorderextremitäten viel zu kurz, um einen Flug zu ermöglichen. Wofür dienten dann die gut ausgebildeten Federn?
Dazu kommt, dass Zhenyuanlong mit einer Größe von über 1,5 m für einen gefiederten Dinosaurier ungewöhnlich groß war – der größte mit unzweifelhaften Federn, aber auch deutlich zu groß, um in eine engere Vorfahrenschaft zu den Vögeln gestellt werden zu können, da ein evolutiver Übergang zu Vögeln nur bei kleinen Formen flugtechnisch denkbar erscheint (worüber unter den Fachleuten Konsens besteht). Erst vor etwa einem Jahr erschien eine Studie, wonach die Dinosaurier-Gattungen, die evolutionär in eine Reihe zu den Vögeln gestellt werden, zunehmend kleiner geworden seien – ein Trend der als wesentliche Voraussetzung für die Entstehung von Vögeln gewertet wird (Lee et al. 2014). Zhenyuanlong passt deshalb (neben anderen Formen) gar nicht ins Bild.
Wenn die neue Gattung trotz Besitz „moderner“ Federn nicht in eine Vorfahrenstellung zu den Vögeln einzugliedern ist und flugunfähig war, was bleibt als Erklärung für den Besitz der Federn? Die Forscher neigen zur Auffassung, die Federn hätten als Schauorgane eine wichtige Rolle bei der Balz gespielt. Aber weshalb sollten sich zu diesem Zweck asymmetrische, eigentlich flugtaugliche Federn evolutiv herausbilden? Die Schaufunktion könnte auch durch ein gefärbtes, gemustertes Schuppenkleid oder durch einfache Haare erfüllt werden, wie sie bei vielen Dinosaurier-Gattungen bekannt sind. Ausgefeilte Federstrukturen tragen dazu nichts bei. Die Idee, dass die Flügel zum Schutz des Geleges vor ungünstiger Witterung2 oder vor Feinden3 evolviert seien, ist aus demselben Grund unglaubhaft. Auch dafür bräuchte es keine komplexen, flugtauglichen Federn.
Die Deutung, dass Zhenyuanlong sich auf einem evolutiven Weg zur Flugfähigkeit befand, kann ebenfalls ausgeschlossen werden. Denn der Erwerb ausgefeilter flugtauglicher Federn erfordert unter anderem entsprechende Selektionsdrücke. Diese sind aber nicht gegeben, solange es nicht wenigstens eine rudimentäre Flugfähigkeit gibt. Diese Deutung wird allgemein und auch von Lü & Brusatte (2015) als sehr unwahrscheinlich angesehen.
Es bleibt als weitere Deutungsmöglichkeit, dass es sich um eine sekundär flugunfähige Form handelt. Diese Möglichkeit wird von einigen Forschern auch bei kleineren, gefiederten Dinosauriern wie Caudipteryx und Protarchaeopteryx diskutiert (z. B. Ruben & Jones 2000, Olson 2002, Feduccia & Czerkas 2015). Das würde heißen, dass Zhenyuanlong kein Dromaeosaurier und folglich kein befiederter Dinosaurier ist, sondern Abkömmling eines Vogels. Flugunfähige Formen, die von flugfähigen abstammen, sind aus der heutigen Vogelwelt zahlreich bekannt. Mit diesem Status würde Zhenyuanlong genauso wie manche andere „gefiederte Dinosaurier“ nichts zum Verständnis der Evolution der Vögel beitragen.
Angesichts der ungewöhnlichen und unerwarteten Merkmalskombination von Zhenyuanlong erscheint es angebracht, mit Deutungen vorsichtig zu sein. Möglicherweise wissen wir immer noch einfach zu wenig über die Struktur- und Funktionsbeziehungen und über die Ökologie bei dieser und anderen rätselhaften Formen. So ist auch der Streit über die Flugfähigkeit des „Urvogels“ Archaeopteryx aus dem älteren Oberjura nicht beigelegt (vgl. Longrich et al. 2012; Carney et al. 2012, Foth et al. 2014; vgl. Archaeopteryx – Gleitflieger und Bindeglied?, Immer rätselhafter: Der „Urvogel“ Archaeopteryx). Auch die Gefiederausstattung des ebenfalls im Oberjura entdeckten Anchiornis ist ziemlich rätselhaft (Hu et al. 2009; vgl. Vierflügelige Vögel am Anfang?).
Für Zhenyuanlong gilt schließlich wie für die meisten befiederten Dinosaurier (sofern diese überhaupt tatsächlich Dinos waren), dass sie stratigraphisch (in der Schichtenfolge) deutlich zu spät überliefert sind, um als Vorfahren der Vögel gelten zu können. Für eine Vorfahrenform könnten die Unterkreide-Gattungen allenfalls modellhaften Charakter haben, aber mit den Fragezeichen, die besonders (aber nicht nur) bei Zhenyuanlong anzubringen sind (s. o.).
Lu & Brusatte (2015) weisen noch darauf hin, dass die Merkmalskombination von Zhenyuanlong die Abstammungsverhältnisse unter den Dromaeosauriden verkompliziert, weniger stimmig als zuvor mache und die Annahme einer großen Zahl von Homoplasien (Konvergenzen (=ähnliche, aber unabhängig entstandene Merkmale) oder Rückentwicklungen) erfordere; so müsse nun z. B. angenommen werden, dass kurze Arme mehrfach unabhängig entstanden sind (Lü & Brusatte 2015, 9). Das heißt, Zhenyuanlong passt nicht in bisherige Stammbaumrekonstruktionen. Auch in dieser Hinsicht ist der Fund evolutionstheoretisch eine Überraschung.
Literatur
Carney RM, Vinther J, Shawkey MD, D’Alba L & Ackermann J (2012) New evidence on the colour and nature of the isolated Archaeopteryx feather. Nature Comm. 3, Art.-No. 637, doi:10.1038/ncomms1642.
Feduccia A & Czerkas SA (2015) Testing the neoflightless hypothesis: Propatagium reveals flying ancestry of oviraptorosaurs. J. Orn., doi:10.1007/s10336-015-1190-9.
Foth C, Tischlinger H & Rauhut OWM (2014) New specimen of Archaeopteryx provides insights into the evolution of pennaceous feathers. Nature 511, 79-82.
Hu D, Hou L, Zhang L & Xu X (2009) A pre-Archaeopteryx troodontid theropod from China with long feathers on the metatarsus. Nature 461, 460-463.
Lee MSY, Cau A, Naish D & Dyke GJ (2014) Sustained miniaturization and anatomical innovation in the dinosaurian ancestors of birds. Science 345, 562-566.
Lü J & Brusatte SL (2015) A large, short-armed, winged dromaeosaurid (Dinosauria: Theropoda) from the Early Cretaceous of China and its implications for feather evolution. Sci. Rep. 5:11775, doi: 10.1038/srep11775.
Longrich NR, Vinther J, Meng Q, Li Q & Russell AP (2012) Primitive wing feather arrangement in Archaeopteryx lithographica and Anchiornis huxleyi. Curr. Biol. 22, 2262-2267.
Olson SL (2002) Review: New perspectives on the origin and early evolution of birds. Proceedings of the International Symposium in Honor of J.H. Ostrom. The Auk 119, 1202-1205.
Ruben JA & Jones TD (2000) Selective factors associated with the origin of fur and feathers. Amer. Zool. 40, 585-596.
Genesisnet-Newsbeiträge zu Urvögeln:
Vierflügelige Vögel am Anfang?
Fällt eine Ikone vom Sockel?
Archaeopteryx – Gleitflieger und Bindeglied?
Immer rätselhafter: Der „Urvogel“ Archaeopteryx
Der älteste „echte“ Vogel: überraschend modern
Anmerkungen
1 „‘Sie waren wie bei einem Adler oder Geier‘, sagt Co-Autor Steve Brusatte von der University of Edinburgh.“ http://www.wissenschaft.de/erde-weltall/palaeontologie/-/journal_content/56/12054/7294559
2 http://www.spektrum.de/news/bislang-groesster-dino-mit-fluegeln-gefunden/1356293
3 http://www.theguardian.com/science/2015/jul/16/zhenyuanlong-suni-biggest-ever-winged-dinosaur-discovered-china


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hat Kepler einen bewohnbaren Planeten?

Beitrag von Eaglesword am So 30 Aug 2015, 12:51

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29.08.15  Die Suche nach der zweiten Erde
Im Sommer gingen Bilder von einer zweiten Erde („Kepler-452b“) durch die Presse, die den Eindruck einer recht detaillierten Fotographie erwecken. Tatsächlich wissen wir nur durch Helligkeitsschwankungen des Zentralgestirns etwas über diesen Planeten. Die Darstellungen in der Presse sind für Laien, also für die große Anzahl der Leser, irreführend.
Gastbeitrag von Albrecht Ehrmann
Am 23. Juli 2015 veröffentlichte die NASA die Entdeckung des Planeten Kepler-452b1 mit dem Titel „NASA’s Kepler Mission Discovers Bigger, Older Cousin to Earth“.2 In der Presse fand man dazu eine schöne Illustration, die von T. Pyle stammt (http://images.techtimes.com/data/images/full/115098/kepler-452b-and-earth.jpg?w=600). Auf ihr sieht man auf der linken Seite die Erde, auf der rechten Seite augenscheinlich den Planeten Kepler-452b. In der Mitte ist ein Trennungsstrich und je die Hälfte der Sonne und des Sterns Kepler-452. Der Planet Kepler-452b ist 60% größer als die Erde. Man ist beeindruckt von der Detailtreue des Bildes von Kepler-452b, sieht dunkle Strukturen, die an Seen und Flussläufe erinnern, weiße Wolken und feste Oberflächenstrukturen in Brauntönen. Leider wird in den Begleittexten dazu nicht klar, was an diesem Bild Phantasie ist und was tatsächlich auf Messdaten beruht, da lediglich das Gesamtbild als Illustration bezeichnet wird. Im Text erfährt man immerhin, dass die Forscher nur vermuten, dass Kepler-452b „felsisch“ ist, also eine feste Oberfläche und eine Atmosphäre mit einer geringen Dicke hat.
Worin bestehen nun tatsächlich die Messdaten bzw. was lässt sich aus ihnen ableiten? Das Studium des Fachartikels3 gibt darüber Aufschluss. Der Planet wurde bei der Analyse der Daten des Kepler-Weltraumteleskops mit der so genannten Transitmethode (s. u.) entdeckt.
Das Kepler-Weltraumteleskop hat von 2009 bis 2013 111.800 Sterne gleichzeitig ins Visier genommen und kontinuierlich deren Helligkeit registriert. Bei der Analyse der Daten, die immer noch andauert, wird gezielt auf relativ kurze, periodisch auftretende Verdunkelungsereignisse geachtet. Zieht nämlich ein Planet längs der Sichtlinie zwischen dem Satelliten und dem Stern vorbei (= Transit), verdunkelt er diesen ganz geringfügig für eine gewisse Zeit. Dies ist analog zu den Venustransits in unserem eigenen Planetensystem vor einigen Jahren, als das kleine, dunkle Venusscheibchen von der Erde aus gesehen über die Sonnenscheibe wanderte. Wiederholt sich eine solche Verdunkelung in periodischen Abständen, ist es wahrscheinlich, dass ein Planet, der um diesen Stern kreist, die Ursache ist.
Bei Kepler-452b konnte man vier solcher Verdunkelungen um 0,02 % beobachten. Bevor man aber die Entdeckung ines neuen Planeten publizieren kann, müssen noch einige Tests gemacht werden, um eine Verwechslung mit anderen Phänomenen auszuschließen. So reicht beispielsweise die optische Auflösung des Kepler-Teleskops nicht aus, um zu prüfen, ob das Licht nur vom Stern Kepler-452 stammt oder ob es mit dem Licht anderer Sterne vermischt ist. Deshalb wurden mit dem 10 m-Spiegel des Keck II-Teleskops auf Hawaii hochaufgelöste Bilder aufgenommen und dabei keine Nachbarsterne gefunden. Außerdem wurden noch weitere Tests  bei Kepler-452 durchgeführt und damit alternative Erklärungen für die periodischen Intensitätseinbrüche ausgeschlossen. Als Ergebnis erhielt man den Planeten Kepler-452b mit einer Umlaufdauer von 385 Tagen und einem Durchmesser, der 1,4% des Sternendurchmessers beträgt. Über hochaufgelöste Spektren des Sterns Kepler-452 erhält man durch den Vergleich mit Spektren von Sternen, deren Durchmesser man kennt, dessen Durchmesser von 1,1 Sonnendurchmessern. Damit ergibt sich, dass der Planet Kepler-452b  1,6 mal so groß ist wie die Erde.
Außer diesen wenigen, aus den Helligkeitsschwankungen des Zentralgestirns abgeleiteten Größen weiß man von diesem mutmaßlich erdähnlichen Planeten definitiv nichts.
Von anderen Planeten ähnlicher Größe konnte man die Masse und damit die Dichte bestimmen bzw. herleiten. Aus diesen Angaben folgern die Forscher, dass die Wahrscheinlichkeit, dass der Planet Kepler-452b ein Gesteinsplanet ähnlich der Erde ist, bei 49% bis 62% liegt. Allerdings muss man dazu sagen, dass diese Daten nicht aus einer Gruppe von Planeten mit ähnlicher Konfiguration wie Kepler-452b gewonnen wurden, sondern von Planeten, die um kleinere Sterne in kleinerem Abstand zum Stern kreisen.
Wann wissen wir mehr von Kepler-452b? In absehbarer Zeit wird kein Wissenszuwachs erwartet. Es wird eher erwartet, dass man erdgroße Planeten bei sonnenähnlichen Sternen in deren habitabler Zone4 findet, die nicht so weit entfernt sind wie Kepler-452. Von diesen nahen Sternen nimmt man Spektren des Sternenlichts abseits und während der Transits der Planeten auf. Aus der Differenz dieser Spektren erhält man spektrale Information von der Atmosphäre der Planeten, durch die das Sternenlicht während der Transits auf dem Weg zu uns hindurchstrahlt. Chemische Verbindungen wie beispielsweise Methan absorbieren in charakteristischen Linien, man kann also damit herausfinden, welche Gase in der Planetenatmosphäre vorhanden sind.5
Um jedoch ein Bild von Kepler-452b zu erzeugen, das so detailliert wie die Illustration ist, bräuchte man ein optisches Teleskop mit Objektivdurchmesser, der etwa sieben Mal  so groß ist wie die gesamte Erde. Davon sind wir im wahrsten Sinne des Wortes meilenweit entfernt. Selbst ambitionierte Projektstudien zu Weltraum-Interferometern mit nicht so weitreichenden Zielen wurden eingestellt und erst mal auf unbestimmte Zeit verschoben. Eine detaillierte Darstellung mit „Bild: NASA“ ist daher grob irreführend.
Anmerkungen und Quellen
1 Sterne werden mit Zahlen bezeichnet (also z.B. Kepler-452); entdeckt man bei ihnen Planeten, werden diese mit Kleinbuchstaben markiert, angefangen mit b.
2 http://www.nasa.gov/press-release/nasa-kepler-mission-discovers-bigger-older-cousin-to-earth; Übersetzung: „NASA‘s Kepler Mission entdeckt größeren, älteren Cousin der Erde“
3 Jenkins JM et al. (2015) The Astronomical Journal 150 56. doi:10.1088/0004-6256/150/2/56. Preprint arxiv: 1507.06723
4 Ein Planet ist in der habitablen Zone seines Planetensystems, wenn die Temperatur auf seiner Oberfläche so ist, dass Wasser flüssig ist, denn dies wird als notwendige Bedingung für Leben erachtet; in der Praxis kennt man nur den Abstand der Planeten von ihrem Zentralgestirn und die abgestrahlte Leistung desselben und weiß nichts über ihre Atmosphäre (Stärke des Treibhauseffekts unbekannt); die „optimistische“ habitable Zone für unser Sonnensystem geht so von der Venusbahn bis kurz vor die Marsbahn.
5 Wilson PA et al. (2014) Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 438 (3), 2395-2405, Preprint in arXiv:1312.1360


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Do 12 Nov 2015, 02:54

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09.11.15  Dino-Doppelgänger des Vogel Strauß
Ein jüngst veröffentlichter Dinosaurier-Fund bestätigt, dass die Ornithomimiden („Vogel-Nachahmer“) befiedert waren, und dokumentiert darüber hinaus eine sehr ähnliche Befiederung wie bei heutigen großen Laufvögeln – eine bemerkenswerte Parallele ohne nähere Abstammungsverwandtschaft. In die bisher favorisierten evolutionären Abstammungsfolgen passt der Fund nicht gut bzw. nur mit Zusatzannahmen, insbesondere der Annahme einer unabhängigen Entstehung typischer Elemente des Laufvogel-Bauplans und eventuell der Federn.
Die „Vogel-Nachahmer“ unter den Dinosauriern, die Ornithomimidae, sind schon seit langem bekannt, vor allem aus den geologischen Schichten der Oberkreide Ostasiens und des westlichen Nordamerika. Sie gehörten zu den Theropoden (zweibeinig laufende Raubdinosaurier), besaßen einen schlanken Körperbau, wurden meist 3-6 Meter lang, und man vermutet, dass sie schnelle Läufer waren, vergleichbar den heutigen Laufvögeln (dafür spricht z. B., dass die Unterschenkel länger waren als die Oberschenkel, was ein Indiz für schnelles Laufen ist). Vogeltypisch war auch der zahnlose Schnabel. Der Schädel war langgestreckt und relativ klein, mit großen seitlich platzierten Augen und vermutlich gut entwickeltem Gehirn; Hirnschädel und Schnauzenregion besaßen luftgefüllte Hohlräume.
Erst vor kurzem sind bei einigen Exemplaren auch Reste federartiger Anhänge und eine flügelartige Struktur mit verlängerten Federn (ein sogenanntes „Pennibrachium“) nachgewiesen worden (Zelenitsky et al. 2012). Das war insofern überraschend, als die Ornithomimiden zwar aufgrund ähnlicher Merkmale als „Vogelnachahmer“ bezeichnet (s. o.), aber ansonsten mit den Vögeln nicht als näher verwandt betrachtet werden. (Der evolutive Weg zu den Vögeln soll über andere Gruppen gelaufen sein.) Daher wurde die evolutionstheoretische Hypothese formuliert, dass schon bei den gemeinsamen Vorfahren der Ornithomimiden und der Vögel Federn ausgebildet waren.1 Daraus würde allerdings folgen, dass viele Formen danach die Federn wieder zurückgebildet oder verloren hätten. Außerdem müssten diese gemeinsamen Vorfahren im evolutionären Modell mehr als doppelt so alt wie die befiederten Formen der Ornithomimiden gewesen sein – alles Befunde, die evolutionstheoretisch nicht gut passen. Heute ist aber auch die Annahme nicht mehr tabu, dass Federn in verschiedenen evolutionären Linien mehrfach unabhängig entstanden sein könnten (Brusatte et al. 2015, R892), was nicht-zielgerichtete evolutionäre Mechanismen vor noch größere Herausforderungen stellt als die Erklärung einer einmaligen Entstehung.
Nun berichten van der Reest et al. (2016) von einem neuem Ornithomimus-Fund. Er stammt wie die anderen Ornithomimus-Funde mit Federresten aus der Oberkreide Nordamerikas (Dinosaur Park Formation of Alberta, Kanada). Das Tier war bis zu vier Meter lang; Kopf und Vorderextremitäten sind allerdings nicht erhalten. Das Besondere an diesem bereits 2009 gemachten Fund: Nicht nur Federn sind in sehr guter Erhaltung überliefert, sondern es ist auch klar erkennbar, welche Körperteile nicht befiedert waren, da im Bereich des Fußes auch fossile Spuren von Hautresten sehr gut sichtbar sind. Die Befiederung an Schwanz und an den Beinen und die nackten Bereiche ähneln stark den Verhältnissen heutiger großer Laufvögel wie Strauß oder Emu (Bild eines rekonstruierten Tieres z. B. hier: http://cdn.phys.org/newman/gfx/news/hires/2015/preshistoric.jpg). So sind die Unterseite des Schwanzes und die Beine ab etwa der Mitte des Oberschenkels ungefiedert. Die Forscher schließen aus der gesamten Befundsituation auf eine ähnliche Thermoregulation bei Ornithomimus wie bei den heutigen Straußen. „Die federlose Haut unter dem Körper deutet darauf hin, dass die Tiere sogar den gleichen Mechanismus nutzen, um überschüssige Wärme loszuwerden. Auch die Chemie der Federn sei von modernen Vögeln praktisch nicht zu unterscheiden, betont van der Reest.2
Da die Ornithomimiden und die heutigen großen Laufvögel im aktuell favorisierten Evolutionsmodell auf relativ weit entfernten Ästen angeordnet sind, werden die genannten weitreichenden Ähnlichkeiten als Konvergenzen (=unabhängig entstandene Ähnlichkeiten) interpretiert; sie werden also nicht als Indizien für gemeinsame Abstammung gewertet. Erstaunlich ist vor diesem Hintergrund die Auffassung eines der Autoren, der Fund erhärte die klassische These, nach der Vögel eine Gruppe innerhalb der Dinosaurier darstellen.3 Das ist aus zwei Gründen schwer nachvollziehbar:
1. Die Schichten, in denen Ornithomimus gefunden wurde, werden auf etwa 72 Millionen radiometrische Jahre datiert (Oberkreide, Campanium). Der berühmte „Urvogel“ Archaeopteryx mit unbestritten „moderner“ Befiederung hat das doppelte radiometrische Alter, und zahlreiche eindeutig flugfähige Vogelgattungen der Unterkreide sind ebenfalls deutlich älter datiert als Ornithomimus.
2. Da die Ornithomimiden auf einen systematischen Ast gestellt werden, der nicht zu den Vögeln überleitet, können sie auch nicht in eine enge phylogenetische Beziehung zu den Vögeln gebracht werden. Eine  evolutive Verbindung Vögel-Dinosaurier wird durch die Ornithomimiden allenfalls sehr indirekt unterstützt (z. B. durch die Annahme mutmaßlicher entfernterer gemeinsamer Vorfahren; s. o.), und zweifellos gibt es für eine solche Verbindung bessere Kandidaten unter den Theropoden. Die Ornithomimiden sind für den Übergang von den Dinosauriern zu den Vögeln jedenfalls keine geeigneten Kronzeugen – im Gegenteil: Sie zeigen, dass auch die genannten weitreichenden Ähnlichkeiten nicht ohne weiteres als Hinweise auf eine gemeinsame Abstammung gedeutet werden können, sondern unter Umständen (wie hier) als Konvergenzen anzusehen sind. An die steigende Zahl von Konvergenzen auch von Schlüsselmerkmalen scheint man sich im Rahmen des Evolutionsmodells zwar zu gewöhnen; die damit verbundenen evolutionstheoretischen Fragen nach ihrer unabhängigen Entstehung bleiben dennoch ungelöst und fordern komplett neue Evolutionsmechanismen  (Diskussion dazu bei Braun 2012).
Keine Auskunft kann der neue Fund geben, wie im Verlauf der Evolution Federn entstanden sind. Das gilt insbesondere deshalb, weil das Federkleid von Ornithomimus als zurückgebildet interpretiert wird. Eine evolutionäre Neubildung von Federn bei Ornithomimus wäre noch unwahrscheinlicher, da dann noch weiter reichende Konvergenzen angenommen werden müssten.
Literatur
Braun HB (2012) Warten auf einen neuen Einstein. Stud. Integr. J. 19, 12-19.
Brusatte SL, O’Connor JK & Jarvis ED (2015) The origin and diversification of birds. Curr. Biol. 25, R888-R898.
Van der Reest AJ, Wolfe AP & Currie PJ (2016) A densely feathered ornithomimid (Dinosauria: Theropoda) from the Upper Cretaceous Dinosaur Park Formation, Alberta, Canada. Cretaceous Res. 58, 108-117.
Zelenitsky DK, Therrien F, Erickson GM, DeBuhr CL, Kobayashi N, Eberth DA & Hadfield F (2012) Feathered non-avian dinosaurs from North America provide insight into wing origins. Science 338, 510-514.
Anmerkungen
1 vgl.: „Alberta researcher’s discovery offers insight into feathered dinosaurs“, http://www.theglobeandmail.com/news/national/alberta-researchers-discovery-offers-insight-into-feathered-dinosaurs/article27024287/
2 „Dino hatte Schwanzfedern und nackte Beine“, http://www.spektrum.de/news/dino-hatte-schwanzfedern-und-nackte-beine/1373283
3 „Ornithomimus dinosaur with preserved tail feathers and skin tightens linkages between dinosaurs and birds“, http://phys.org/news/2015-10-ornithomimus-dinosaur-tail-feathers-skin.html 


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Mi 09 Dez 2015, 20:16

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08.12.15  Alte Vögel mit moderner Flugkunst
Eines der ältesten Fossilien aus der nur in der Kreide überlieferten Gruppe der „Gegenvögel“ (Enantiornithes) zeigt eine Reihe von Merkmalen auf, die für eine sehr gute Flugfähigkeit sprechen – trotz deutlich verschiedener Anatomie im Vergleich mit heutigen Vögeln. Gemessen am Fossilbericht sind die Gegenvögel somit gute Flieger von Anfang an.
Die fossile Überlieferung der Vögel zeigt zwei Phasen eines plötzlichen Erscheinens vielfältiger Formen. Die eine liegt am Beginn des Tertiärs (wo die auch heute vorkommenden Vogelordnungen explosiv im Fossilbericht auftauchen), die andere in der Unterkreide, in deren geologischen Schichten ebenfalls ziemlich abrupt eine große Vielfalt von Vögeln mit anderer Anatomie als den heutigen überliefert ist. Der berühmte „Urvogel“  Archaeopteryx aus dem Oberjura datiert noch ca. 20 Millionen radiometrische Jahre älter; es ist aber nach wie vor umstritten, ob er aktiv fliegen konnte oder eher ein Gleiter war (Archaeopteryx – Gleitflieger und Bindeglied?). Andere eindeutig befiederte Formen aus dem Oberjura (z. B. Anchiornis) gelten als flugunfähig (Vierflügelige Vögel am Anfang?).
Die Kreidevögel unterscheiden sich anatomisch mehr oder weniger deutlich von den tertiären Vögeln und zeigen manche Gemeinsamkeiten mit zeitgleich lebenden Theropoden-Dinosauriern (zweibeinige Raubdinosaurier), die als ihre stammesgeschichtlichen Vorfahren gelten. Sie werden in zwei Gruppen unterteilt, die Enantiornithes („Gegenvögel“1; sind am Ende der Kreide ausgestorben) und die Ornithurae („Vogel-Schwänze“2), zu denen u. a. auch die heutigen Vögel gehören.
Eine Forschergruppe hat nun herausgefunden, dass die Enantiornithes trotz deutlich verschiedener Anatomie im Vergleich zu heutigen Vögeln überraschenderweise vergleichbare Fähigkeiten zu einem versierten Flug besaßen. Nachgewiesen wurde dies anhand eines sehr gut erhaltenen vorderen Teils einer Vorderextremität aus einem Kalkstein von Las Hoyas, Spanien (datiert auf 125 Millionen radiometrische Jahre), die aufgrund ihres Baus von einem enantiornithinen Vogel stammt (Navalón et al. 2015). Erhalten sind auch Hand- und Armschwingen. Das Besondere an dem Fund: Es sind Details von Muskeln, Bändern und Follikeln (in der Haut befindliche Basis der Federn) aus den Bereichen zwischen den Flügelteilen und Fingern (Propatagium, Postpatagium und Patagium der Alula3) in Form von Abdrücken erhalten. Der Fund aus Las Hoyas lässt auch Verbindungen von Bindegewebsstrukturen mit den Ansätzen der Flugfedern erkennen; das gesamte komplizierte Netzwerk weist große Ähnlichkeiten mit den anatomischen Verhältnissen heutiger Vögel auf. Ein solch komplexes System aus Sehnen, Bändern, Bindegewebe und Muskeln ermöglicht eine ausgefeilte Manövrierbarkeit während des Fluges. Aus ihren Beobachtungen schließen die Autoren, dass die „Gegenvögel“ der Kreidezeit ebenso gut wie viele moderne Vögel „über den Köpfen der Dinosaurier“ fliegen konnten, wie der Leiter der Forschergruppe, L. M. Chiappe, es formuliert.4 „The anatomical match between the muscle network preserved in the fossil and those that characterize the wings of living birds strongly indicates that some of the earliest birds were capable of aerodynamic prowess like many present-day birds“ (Chiappe5). Bislang war man davon ausgegangen, dass die Gegenvögel der Unterkreide eher schlechte Flieger waren; das kann in dieser Pauschalität mit diesem Fund als widerlegt gelten. Die Gegenvögel starten gleichsam als gut ausgebildete Flieger; eine Evolution der Flugfähigkeit ist innerhalb dieser Gruppe somit nicht dokumentiert. Das Beispiel zeigt auch, dass es zu Fehlschlüssen kommen kann, wenn man die Funktionalität nur anhand von Knochenüberresten erschließen möchte (bzw. kann).
Navalón et al. (2015) stellen allgemein über die Gegenvögel am Schluss ihres Artikels fest, dass obwohl die Enantiornithinen eine Anzahl von primitiven Skelettelementen aufwiesen, bereits die frühesten unter ihnen (Protopteryx fengningensis) Vorderextremitäten mit modernen Proportionen besaßen, außerdem ein gekieltes Brustbein, einen „fortschrittlichen“ Schultergürtel mit einem Kanal für die Passage der Flugmuskeln (triosseal canal), was alles auf die Fähigkeit zu aktivem Flug und Flügelschlag ähnlich dem heutiger Vögel hinweise. Auch Ähnlichkeiten der Körperbedeckung mit heutigen Vögeln mit identischer Federanordnung würden in diese Richtung weisen.
Es sei noch angemerkt, dass auch unter den Ornithurae eine der ältesten Formen als guter Flieger angesehen wird (vgl. Der älteste „echte“ Vogel: überraschend modern).
Literatur
Navalón G, Marugán-Lobón J, Chiappe LM, Sanz JL & Buscalioni A (2015) Soft-tissue and dermal arrangement in the wing of an Early Cretaceous bird: Implications for the evolution of avian flight. Sci. Rep. 5:14864.
Anmerkungen
1 Es gibt in der Fachliteratur keine einheitliche Begründung für die Bezeichnung „Gegenvögel“. Es wird auf zwei anatomische Besonderheiten hingewiesen, die die Enantiornithes von anderen Vögeln unterscheiden: Zum einen die Art der Verwachsung einiger Fußknochen, zum anderen der Bau des Gelenks zwischen Schulterblattund Rabenbein. Bei den Gegenvögeln sind Gelenkkopf und Gelenkpfanne im Vergleich zu allen anderen Vögeln sozusagen vertauscht. Es ist schwer denkbar, wie die eine anatomische Ausprägung in die andere evolutiv überführt werden könnte.
2 Es gibt keine eingebürgerte deutsche Bezeichnung, der Name bezieht sich auf den kurzen knöchernen Schwanz, wie er auch für die heutigen Vögel typisch ist.
3 Daumenfittich, wichtig z. B. für Manöver beim Landen.
4 http://www.sciencenutshell.com/the-bird-who-flew-above-dinosaurs-heads/
5 http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-10/nhmo-taf100615.php


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Di 15 Dez 2015, 22:08

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14.12.15 
Nichts in der Biologie macht Sinn außer im Licht der Theologie?

Kein Zitat in der Biologie ist wohl bekannter als der Satz„Nothing in biology makes sense except in the light of evolution“. Er dient als Überschrift eines 1973 veröffentlichten Artikels eines der bedeutendsten Evolutionsbiologen des 20. Jahrhunderts, Theodosius Dobzhansky. Stephen Dilley, Philosophieprofessor an der St. Edward‘s University Austin/Texas, legt eine detaillierte Analyse dieses Artikels vor und kommt zu einem überraschenden Ergebnis: Alle Argumente, die Dobzhansky als Belege für Evolution bringt, fußen unverzichtbar auch auf theologischen Aussagen. Ohne explizite Aussagen über einen Schöpfer sind Dobzhanskys Argumente ausnahmslos logisch nicht schlüssig. Und Dobzhansky ist damit nicht alleine. Auch andere bekannte Evolutionsbiologen stützen Behauptungen zu Evolutionstheorien mit Aussagen darüber, was Gott in der Geschichte des Lebens tun oder nicht tun würde – in einem überraschenden Ausmaß.
Er dürfte einer der meistzitierten Sätze in der biologischen Literatur sein: „Nothing in biology makes sense except in the light of evolution.“ Bei diesem Satz handelt es sich um die Überschrift eines Artikels, den der russisch-amerikanische Genetiker und Evolutionsbiologe Theodosius Dobzhansky in der Zeitschrift TheAmerican Biology Teacher veröffentlicht hat (Dobzhansky 1973). Dobzhansky gehört zusammen mit Ernst Mayr und anderen zu den führenden Vertretern der sogenannten Synthetischen Evolutionstheorie, die in den 1940er Jahren entwickelt wurde. Er wollte in diesem Artikel die besten Argumente für Evolution präsentieren, und man sollte meinen, dass diese Argumente sich aus den biologischen Daten ergeben. In diesem Sinne wurde dieser berühmte Satz auch gewöhnlich zitiert, auch wenn kaum jemand Dobzhanskys Artikel gelesen haben dürfte.
Die Lektüre bietet jedoch eine Überraschung: Alle Argumente, die Dobzhansky als Belege für seine These bringt, fußen unverzichtbar auch auf theologischen Aussagen. Das heißt: Sie sind nur gültig, wenn man Annahmen über Gottes Natur, seine Schöpfungsmethode oder seine Absichten und Ziele hinzunimmt. Ohne explizite Aussagen über einen Schöpfer sind Dobzhanskys Argumente ausnahmslos logisch nicht schlüssig. Diesen überraschenden Befund arbeitet Stephen Dilley, Philosophieprofessor an der St. Edward‘s University Austin/Texas, in einem philosophischen Fachartikel heraus und weist darüber hinaus darauf hin, dass auch weitere berühmte Evolutionsbiologen wie z. B. Ernst Mayr, Douglas Futuyma oder Stephen Jay Gould Argumente pro Evolution verwenden, die Bezug auf theologische Aussagen nehmen und ohne diesen Bezug logisch nicht schlüssig sind (Dilley 2013). Dilley zeigt außerdem, dass manche Argumente im berühmten Artikel Dobzhanskys in sich widersprüchlich sind. Im Folgenden werden die wichtigsten Punkte seiner Analyse zusammengefasst.

Dilleys Analyse
Dobzhansky thematisiert sieben evolutionstheoretisch relevante Themengebiete: Radiometrische Datierung, Vergleichende Biologie, Embryologie, Adaptive Radiation, biologische Vielfalt, molekulare Homologie (biochemische Universalien) und Paläontologie. Es geht ihm dabei im Wesentlichen nur um die Frage der gemeinsamen Abstammung (Deszendenz), weniger um die Frage nach den evolutionären Mechanismen (ab und zu nimmt er Bezug auf natürliche Selektion). Auf allen Gebieten führt er einen Vergleich durch: Die Daten seien besser durch eine natürliche Evolution zu erklären als durch eine direkte Schöpfung.1 Die in diesen Vergleichen zugrundeliegenden Schöpfungsvorstellungen entnimmt Dobzhansky jedoch erstaunlicherweise nicht der kreationistischen Literatur, sondern formuliert seine eigenen Vorstellungen über die Vorlieben und Handlungsweisen des Schöpfers2, um dann zu zeigen, dass nur eine evolutive Entstehung der jeweiligen Phänomene zu den betreffenden Gottesvorstellungen passt. Die Grundform seiner Argumentation, die Dilley (2013, 775) aus seinen Ausführungen herausarbeitet,  kann man wie folgt zusammenfassen:
1. Wenn Evolution wahr ist, ist das Naturphänomen X zu erwarten.
2. Wenn Kreationismus3 wahr ist, ist das Naturphänomen X nicht zu erwarten.
3. Wenn ein Befund im Rahmen der einen Hypothese zu erwarten ist, nicht aber im Rahmen der anderen Hypothese, dann „macht er Sinn“ nur im Licht der ersteren, nicht aber im Licht der letzteren.
4. Daher macht eher Evolution als Kreationismus Sinn für das Naturphänomen X.
Prämisse 2 nimmt dabei immer Bezug auf eine Annahme darüber, was ein Wunder vollbringender Gott tun würde oder was er nicht tun würde. Das ist die theologische Aussage, die Dobzhansky benötigt, um seinen Schluss auf Evolution als einzigen „Lichtträger“ ziehen zu können.
Die Argumentation Dobzhansky hat in manchen Fällen eine etwas andere Form:
1. Entweder Evolution oder Kreationismus macht Sinn für ein Naturphänomen X.
2. Die kreationistische Erklärung von X impliziert, dass Gott auf eine Art und Weise Y gehandelt hat (oder dass er die Eigenschaft Z hat).
3. Gott würde nicht in Y-Weise handeln (oder hätte nicht die Eigenschaft Z).
4. Daher macht Evolution, nicht aber Kreationismus Sinn für ein Naturphänomen X.
Auch in dieser Version hängt die Schlussfolgerung von konkreten Aussagen über die Eigenschaften oder das Wirken Gottes ab.

Ein Beispiel: Einheit des Lebens
Im Folgenden soll diese allgemeine Argumentation an einem der sieben Themenfelder erläutert werden (Dilley macht das ausführlich für alle sieben Themen), nämlich am Beispiel der „Einheit des Lebens“. Gemeint ist damit, dass es Gemeinsamkeiten gibt, die alle Lebewesen teilen, z. B. den genetischen Code, den Vorgang der Übersetzung von RNA in Proteine (Translation) oder bestimmte Vorgänge im Zellstoffwechsel (Dilley 2013, 780; Dobzhansky 1973, 127). Dilley fasst die Argumentation Dobzhanskys zu diesem Befund wie folgt zusammen:
1. Wenn die Evolutionstheorie (gemeint ist wie erwähnt die Abstammung, nicht die Frage der Evolutionsmechanismen) wahr ist, sind bestimmte biochemische Universalien (z. B. der genetische Code) sehr stark zu erwarten.
2. Wenn Kreationismus wahr ist, sind diese biochemischen Universalien nicht zu erwarten.
3. Wenn die Befunde von der einen Hypothese sehr stark, von der anderen aber gar nicht erwartet werden, machen sie nur Sinn im Licht der ersteren Hypothese.
4. Daher macht nur die Evolutionstheorie, nicht aber der Kreationismus Sinn in Bezug auf bestimmte biochemische Universalien wie dem genetischen Code.
Prämisse 2 hat offenkundig theologischen Inhalt. Seltsamerweise begründet Dobzhansky die Richtigkeit dieser Prämisse gar nicht, und sie wird auch nicht von Kreationisten vertreten. Vielmehr argumentiert Dobzhansky hier mit einer stillschweigenden Annahme, nämlich dass die Einheitlichkeit des Lebens nicht vereinbar sei mit der Freiheit eines Schöpfers, so zu handeln, wie er wolle (Dilley 2013, 780).
Dobzhansky hält die biochemische Einheitlichkeit des Lebens für den eindrucksvollsten Hinweis auf Evolution; dieser hängt offenbar unabdingbar von einer theologischen Annahme ab, denn ohne Prämisse 2 kann der von ihm durchgeführte Schluss auf Evolution nicht gezogen werden.

Willkürliche theologische Annahmen
Die hier von Dobzhansky zugrunde gelegte theologische Annahme ist aber nicht nur willkürlich, sie ist sogar widersprüchlich zu einer anderen theologischen Annahme, die er bei einem anderen Argument macht. Denn bei der Argumentation zur Vielfalt des Lebens sieht Dobzhansky keinen vernünftigen Grund, warum Gott eine immense Anzahl von Arten erschaffen sollte (Dilley 2013, 777). Hier argumentiert er also genau anders herum, nämlich gegen Vielfalt (er erwartet nicht, dass ein Schöpfer so vielfältig erschafft). Im anderen Beispiel (biochemische Einheitlichkeit) dagegen argumentiert er für Vielfalt (er erwartet, dass der Schöpfer vielseitiger erschafft als beobachtet). Dobzhansky argumentiert mit seiner Gottesvorstellung also immer so, dass daraus ein theologisches Argument gegen die Schöpfungshypothese folgt, das dann in seinen Beweisgang eingeht.
Dilley zeigt auch anhand der anderen Beispiele, wo die theologischen Annahmen  zum Tragen kommen, wobei sie auch etwas versteckt sein können, z. B.: Gott würde uns nicht über Isotopenverhältnisse täuschen (die in radiometrische Datierungen eingehen); wenn Gott durch natürliche Selektion schaffen würde, sollte kein Plan in der organischen Vielfalt erkennbar sein, und umgekehrt wenn er durch direkte Schöpfungsakte die Lebewesen hervorgebracht hätte, sollte Plan und Zweck in der organischen Vielfalt erkennbar sein; im Falle einer Schöpfung sind Homologien (Bauplanähnlichkeiten) unter den Wirbeltieren nicht zu erwarten usw.4 Dilley stellt mit Erstaunen fest, dass Dobzhansky durchweg keine Begründungen für seine speziellen Behauptungen über Gott liefert und darüber hinaus in manchen Fällen die von ihm angenommene Handlungsweise Gottes auch noch moralisch bewertet. Auch diese moralischen Bewertungen gehen in Dobzhanskys Beweisgang ein, indem er annimmt, dass Gott nicht auf eine Weise handeln würde, die er, Dobzhansky, für unmoralisch hält.
Ob Dobzhanskys moralische Urteile gerechtfertigt sind, soll hier nicht diskutiert werden; Dilley befasst sich mit dieser Frage aber auch und zeigt, dass diese Urteile vorschnell bzw. fragwürdig sind. Es soll hier nur der Aspekt herausgestellt werden, dass Dobzhansky in einem erheblichen Umfang mit eigenen spezifischen Urteilen und Kennzeichen über Gott operiert. Dilley stellt abschließend noch einmal heraus, dass auf diesem Weg theologische Aussagen getroffen werden, die zum einen dem Kreationismus „fremd“ sind, und die zum anderen auch gegen eine Reihe von traditionellen theologischen Traditionen stehen, die völlig unabhängig von den Auffassungen zeitgenössischer Kreationisten sind (S. 783). Dobzhanskys Theologie präsentiert sich selbstgemacht mit dem Ziel, für Evolution punkten zu können. Dilley (2013, 785) kommentiert: „His method typically involves discerning what evolutionary theory would predict about a certain phenomenon, then claiming that the God of creationism would do otherwise“ (S. 785) und „This ‘tactical potpourri theology,’ as I call it, deploys muddled content in order to achieve a polemical victory.“

Nicht nur Dobzhansky bringt Gott ins Spiel
Dilley weist auch auf die erstaunliche Tatsache hin, dass Evolutionsbiologen wie Gould, Dawkins, Coyne und andere zwar einen persönlichen Gott ablehnen, aber dennoch Behauptungen zur Stützung ihrer Evolutionstheorien aufstellen, die beinhalten, was Gott in der Geschichte des Lebens tun oder nicht tun würde. Qua Evolutionsbiologen sind sie dafür sicher nicht autorisiert, aber es kommt noch schlimmer: Nach Dobzhanskys Verständnis von Evolution, sind die Menschen gar nicht „geschaffen“, um etwas von Gott erkennen zu können, sondern sind nur da, weil günstige Umstände in der Umwelt und die nötige genetische Ausrüstung gegeben waren, um den Menschen möglich zu machen (Dobzhansky 1973, 1275). Schon Darwin bezweifelte aus evolutionstheoretischer Perspektive, dass Menschen vertrauenswürdige Urteile in Bezug auf Gott fällen könnten. Nach Dilley ist das ein weiterer Grund, weshalb in allen sieben Beweisen Dobzhanskys ungerechtfertigte Prämissen (über Gott) verwendet werden. Ähnliches gelte auch für andere Evolutionsbiologen, die Bezug auf die Natur Gottes nehmen. „Thus, given their understanding of evolution, some evolutionary biologists may have powerful reasons that undermine their claims about God’s nature“ (Dilley 2013, 785).
Dilley stellt gegen Ende seines Artikels klar, dass er selber nicht der Auffassung sei, dass Argumente für Evolution auf theologische Prämissen angewiesen seien; er will jedoch herausstellen, dass Argumente überraschend oft mit solchen Prämissen versehen sind, nicht nur in Dobzhansky Biology Teacher-Artikel, sondern in unzähligen Texten von Evolutionsbiologen wie z. B. Ayala, de Beer, Eldredge, Gould, Mayr, Kitcher, Coyne oder Dawkins6: „A surprising number of actual justifications for evolution hinge upon God-talk“ (S. 784); er bringt auf S. 774f. und S. 784 einen wahren Berg von Belegen und findet die Häufigkeit theologischer Argumente in naturwissenschaftlichen Abhandlungen rätselhaft.

Anmerkungen
1 Dobzhansky (1973, 127) bezeichnet direkte Schöpfung als „supernatural fiat“ bzw. als „separate fiat“.
2 „Dobzhansky does not simply borrow creationists’ own theology in order to counter creationism or to support evolution; instead, he imports partisan theology into his arguments for evolution. In particular, Dobzhansky draws on theological concepts foreign to creationism or appropriates elements of creationist theology in a manner alien to creationism. Dobzhansky, too, adds tendentious God-talk to the discussion“ (Dilley 2013, 775).
3 Gemeint ist die direkte Erschaffung von Lebewesen vor kurzer Zeit; vgl. Anm. 1. Dobzhansky verwendet außerdem sechs Mal den Begriff „antievolutionist“. Dilley stellt „Evolutionstheorie“ dem „Kreationismus“ gegenüber; gemeint ist mit „Evolutionstheorie“ aber nicht eine Kausaltheorie, sondern die Abstammung an sich (Deszendenz) und diese wird einer direkten Schöpfung gegenübergestellt. Die Gegenüberstellung Evolution – Kreationismus ist methodisch eigentlich nicht korrekt, aber sie wird hier so wiedergegeben, wie sie von Dobzhansky vorgenommen wird.
4 Dilley fasst auf S. 782f. insgesamt 17 theologische Aussagen zusammen. 5 „simply because there [was] an environmental opportunity and genetic wherewithal to make them possible.“ 6 Auch Charles Darwin hat sich in sehr ähnlicher Weise reichlich theologischer Aussagen bedient, um für Evolution zu argumentieren.

Literatur
Dilley S (2013) Nothing in biology makes sense except in light of theology? Studies in History and Philosophy of Biological and Biomedical Sciences 44, 774-786.
Dobzhansky T (1973) Nothing in biology makes sense except in the light of evolution. The American Biology Teacher (March), 125-129. (online frei verfügbar unter http://img.signaly.cz/upload/1/0/9a462eb6be1ed7828f57a184cde3c0/Dobzhansky.pdf)


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Mi 11 Mai 2016, 12:45

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09.05.16  Chemie der Lebensentstehung: Tiefseeschlote im Brennpunkt
Hydrothermalen Tiefseequellen nahe der Mittelozeanischen Rücken wird in vielen Szenarien zur Lebensentstehung eine bedeutende Rolle zugeschrieben. Nachdem die besonderen Bedingungen in den porösen Schloten bereits für die Synthese von RNA-Molekülen modelliert worden sind, wurde das Modell jetzt für kleinere Moleküle durchgerechnet. Offene Fragen und Hindernisse für eine plausible Wirksamkeit der Systeme bleiben aber unberücksichtigt.
Hydrothermale Tiefseequellen, die schwarzen oder auch weißen Raucher im Bereich der Mittelozeanischen Rücken, tauchen seit ihrer erstmaligen Beschreibung Mitte der 1970-er Jahre regelmäßig in Szenarien zur Entstehung des Lebens auf. Die in dem bis zu über 400° C heißen Wasser gelösten Mineralien werden ausgefällt, wenn die heiße Lösung durch Kontakt mit dem kalten Ozeanwasser (ca. 3° C) rasch abkühlt und sich so der namengebende „Rauch“ bildet. Aus diesen ausgefällten Mineralien bauen sich dann mit der Zeit die Schlote auf, aus denen das stark aufgeheizte, mit Mineralien übersättigte Wasser aus der Tiefe an die Oberfläche des Ozeanbodens aufsteigt. Der poröse Aufbau dieser Schlote inspirierte Dieter Braun und seine Kollegen dazu, die Porenräume genauer zu studieren und die Auswirkungen von Temperaturgradienten in Röhren mit kleinen Querschnitten zu modellieren. Sie konnten zeigen, dass durch Thermophorese, also einem durch die Temperaturunterschiede verursachten Transport, kurze Nukleinsäuremoleküle in kapillaren Röhren angereichert werden können (Baaske et al. 2007). Diese Erkenntnisse wurden ebenso zur Entwicklung technischer Geräte genutzt wie auch zum Etablieren von Mechanismen zur Anreicherung von Biomolekülen im Zusammenhang mit der Chemie zur Lebensentstehung (Binder 2011, Imming 2015).
Nun hat eine Gruppe von Wissenschaftlern ein solches thermophoretisches System in einer Modellrechnung genutzt, um die Anreicherung von Formamid (NH2CHO) zu modellieren (Niether et al. 2016). Formamid hat in den Spekulationen zu präbiotischen Synthesen von Biomolekülen eine lange Tradition. Es lässt sich zwar analytisch fast überall nachweisen, jedoch in so geringen Konzentrationen, dass nicht nachvollziehbar ist, wie es bei der Synthese von Biomolekülen von Bedeutung sein kann. Die numerischen Modellierungen ergeben wie für die Nukleinsäuremoleküle unter entsprechenden Randbedingungen eine Anreicherung aus sehr verdünnten Formamidlösungen (10-3 Gewichts-%) auf 85 Gewichtsprozent. Bei Konzentrationen dieser Größenordnung scheint die Synthese z.B. von Stickstoffheterozyklen wie den Basen der Nukleinsäuren vorstellbar, wie die Autoren das im Titel ihrer Arbeit zum Ausdruck bringen.
Damit kann man die Veröffentlichung als ein weiteres Beispiel dafür betrachten, dass nur in begrenztem Umfang neue Erkenntnisse dokumentiert werden, diese aber durch die Verknüpfung mit dem die Fantasie anregenden Themenfeld der präbiotischen Lebensentstehung an prominenter Stelle erscheinen und damit die Chance haben, große Öffentlichkeitswirkung zu erzielen.
Bei einer kritischen Reflexion der Bedeutung der Thermophorese in porösen Schloten von heißen Tiefseequellen für die präbiotische Synthese von Biomolekülen bleibt eine Reihe von Fragen bisher unbeantwortet. Inwieweit spiegeln die modellierten Prozesse reale Abläufe in den Tiefseeschloten wieder? Ist thermophoretische Anreicherung von Stoffen im Allgemeinen und organischer Verbindungen im Besonderen dort nachweisbar? Sollte das der Fall sein, dann erhebt sich weiter die Frage, ob dieser Anreicherungsprozess irgendwelche Selektivität zeigt. Sollten sich die bisherigen Modellrechnungen bestätigen, dann scheint die Anreicherung eher allgemeinen Charakter zu haben. Das aber würde zu einer Lösung führen, die eine höhere Konzentration an vielen vorhandenen Chemikalien enthält und damit wenig zu einer spezifischen Synthese von erforderlichen Biomolekülen beitragen kann.
Insofern bleibt festzuhalten, dass thermophoretische Anreicherung in kapillaren Systemen ein sehr interessantes Phänomen ist, das technisch manche interessante Anwendung zu ermöglicht. Ob dieser Prozess tatsächlich in der Natur abläuft, bleibt ebenso zu zeigen wie auch, ob er das Potential hat, präbiotische Synthesen in irgendeiner Weise nachhaltig und spezifisch zu beeinflussen.
Literatur
Baaske P, Weinert FM, Duhr S, Lemke KH, Russell MJ & Braun D (2007) Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 9346-9351.
Binder H (2012) Wurde die RNA-Welt am Grunde des Ozeans etabliert? Stud. Int. J. 19, 61-62.
Imming P (2015) Schritte ungeplanter, ungelenkter Entstehung von DNA und RNA? Stud. Int. J. 22, 42-45.
Niether D, Afanasenkau D, Dhont JKG & Wiegand S (2016) Accumulation of formamide in hydrothermal pores form prebiotic nucleobases. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113, 4272-4277.


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Di 14 Jun 2016, 20:19

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13.06.16 
Stasis: Wie viel Stillstand verträgt die Evolutionstheorie?

Stasis – evolutionärer Stillstand – wird „klassisch“ erklärt durch stabile Umweltbedingungen und daraus resultierend gleichbleibende Selektionsdrücke. Es gibt jedoch systematische Befunde, die dem widersprechen: Markante Umweltänderungen führen regelmäßig nicht zu nennenswerten evolutiven Veränderungen. Das ist einer von vielen Fällen dafür, dass die Beobachtungsdaten evolutionstheoretischen Erwartungen widersprechen.
Von Paläontologen vielfach beschrieben wird die Beobachtung, dass bestimmte fossil überlieferte Arten über einen längeren Zeitraum bzw. in einer umfangreichen Abfolge von Sedimenten im Wesentlichen unverändert bleiben. Wenn solche Arten heute noch leben, nennt man sie „lebende Fossilien“. Dieses Phänomen wird als evolutionäre „Stasis“ (Stillstand) bezeichnet. Manchmal werden solche Befunde als Argumente gegen Evolution gewertet. Allerdings gibt es auch unter Annahme einer evolutiven Entstehung der Arten keinen „Evolutionszwang“; daher steht Stasis nicht notwendigerweise im Widerspruch zu einer Evolutionsgeschichte der Lebewesen.
Stasis kann dennoch zum Problem für die Theorie von einer allgemeinen Evolution werden, wenn sie 1. vorherrschend ist und 2. auch dann beobachtet wird, wenn es massive Umweltänderungen gegeben haben muss. Denn üblicherweise wird Stasis damit erklärt, dass die betreffenden Arten in konstanten Umwelten leben bzw. gelebt haben, folglich ohne nennenswerten Wechsel von Selektionsbedingungen, und es daher keinen Druck zur Veränderung gegeben hat. Unter stark wechselnden Umweltbedingungen wird evolutionär dagegen eher ein Formenwandel erwartet.
Von einem ausgesprochen hartnäckigen Fall von Stasis berichtet der Paläontologe Donald R. Prothero auf dem Blog skeptic.com (Prothero 2012; dort finden sich Angaben zu Fachartikeln). Er schreibt (in teilweise freier Übersetzung): „Bei vier der größten Veränderungen von Klima und Vegetation der letzten 50 Millionen Jahre zeigen die Säugetiere und Vögel keine beobachtbare Veränderung als Antwort auf das veränderte Klima. Wo immer ich diese Daten vorstelle, hat bisher niemand (ich eingeschlossen) eine gute Erklärung für eine solche verbreitete Stasis trotz der offensichtlichen Selektionsdrücke durch verändertes Klima.“1
Das letzte Beispiel von den vieren, die Prothero anführt, sind die letzten 2 Millionen (radiometrischen) Jahre der Eiszeit mit dramatischen Klimaänderungen, die jedoch nicht zu Artbildungen führten, sondern zu Wanderungen der betroffenen Tiere in andere Gegenden. Eine detaillierte Analyse der fossilen Fauna von La Brea bei Los Angeles ergab: „Keines der allgemein vorkommenden eiszeitlichen Säugetiere und Vögel reagierte auf irgendwelche Klimaänderungen bei La Brea während der letzten 35 000 Jahre.“
Das sind eindrucksvolle Bestätigungen für die Aussagen des 1972 veröffentlichten Klassikers von Niles Eldredge und Stephen Jay Gould über die Hypothese des „unterbrochenen Gleichgewichts“ („punctuated equilibrium“; auch als Punktualismus bekannt). Prothero schrieb seinen Beitrag anlässlich des 40-jährigen Jubiläums der Veröffentlichung dieses Artikels. Gould & Eldredge (1977) machten fünf Jahre nach der Veröffentlichung ihres bahnbrechenden Artikels eine erste Bestandsaufnahme und kamen – in den Worten von Prothero – zu folgendem Ergebnis: „Die erste große Entdeckung war, dass Stasis weitaus vorherrschender im Fossilbericht war als es zuvor vorausgesagt worden war. Viele Paläontologen meldeten sich und zeigten auf, dass die geologische Literatur ein einziges gewaltiges Monument der Stasis sei, und es nur relativ wenige Fälle gebe, in denen jemand eine graduelle Evolution beobachtet hätte“ (Hervorhebung nicht im Original).
Gould & Eldredge (1993) nahmen auch das 20-jährige Jubiläum ihres Artikels von 1972 zum Anlass für eine weitere Bilanz und resümieren: „Weil Arten während so intensiver klimatischer Änderungen wie eiszeitlichen Abkühlungen oft stabil bleiben, muss Stasis als aktives Phänomen betrachtet werden, nicht als eine passive Antwort auf unveränderte Umwelten.“3 Das ist das Gegenteil von dem, was mit dem Konzept der Stasis ursprünglich verknüpft wurde.
Für Prothero ist dieser komplett unerwartete, weit verbreitete Befund übrigens kein Grund zur Irritation. Es sei gut, wenn wir statt Antworten mehr Fragen hätten. Wissenschaft komme voran, wenn wir bisher unbekannte Dinge entdecken und merken, dass unsere bisherigen einfachen Antworten nicht funktionieren. Soweit Prothero. Aber es besteht auch die Möglichkeit, dass eine falsche Spur verfolgt wird. Hat der systematische Befund der Stasis den Grund darin, dass der Evolvierbarkeit Grenzen gesetzt sind und außerdem eine Fehleinschätzung der real verflossenen Zeit vorliegt?
Quellen
Prothero DR (2012) Darwin壮 Legacy. http://www.skeptic.com/eskeptic/12-02-15/#feature
ldredge N & Gould SJ (1972) Punctuated equilibria: an alternative to phyletic gradualism. In: Schopf T (ed) Models in paleobiology. Freeman, Cooper and Co., San Francisco, pp 82-115.
Gould SJ & Eldredge N (1977) Punctuated equilibria: the tempo and mode of evolution reconsidered. Paleobiology 3, 115-151.
Gould SJ & Eldredge N (1993) Punctuated equilibrium comes of age. Nature 366, 223-227.
Originalzitate
1 „In four of the biggest climatic-vegetational events of the last 50 million years, the mammals and birds show no noticeable change in response to changing climates. No matter how many presentations I give where I show these data, no one (including myself) has a good explanation yet for such widespread stasis despite the obvious selective pressures of changing climate.“
2 „The first major discovery was that stasis was much more prevalent in the fossil record than had been previously supposed. Many paleontologists came forward and pointed out that the geological literature was one vast monument to stasis, with relatively few cases where anyone had observed gradual evolution.“
3 „Moreover, because species often maintain stability through such intense climatic change as glacial cooling, stasis must be viewed as an active phenomenon, not a passive response to unaltered environments.“


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