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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 Di 13 Dez 2016, 20:04

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13.12.16  Dino-Federn in Bernstein?
Ein neuer Bernsteinfund sorgt für Furore: Erstmals wurden federähnliche Strukturen zusammen mit Knochenstrukturen in Bernstein entdeckt. Die Zuordnung des eingeschlossenen Schwanzwirbelsäulenfragments zu einem Dinosaurier aus der Gruppe der Coelurosaurier erscheint allerdings nicht gesichert. Der Federaufbau entspricht keiner bekannten Federstruktur und passt nicht gut zum derzeit favorisierten Federentstehungsmodell. Mit 99 Millionen radiometrischen Jahren (mittlere Kreide) ist der Fund viel zu jung, um Auskunft über eine hypothetische Evolution von Federn zu geben, da bereits der berühmte „Urvogel“ Archaeopteryx und andere Gattungen aus dem Oberjura und der Unterkreide moderne Federn besaßen.
Bernstein-Einschlüsse (Inklusen) bieten faszinierende Einblicke in die frühere Lebewelt. Ungezählte Insekten, Spinnentiere, Pflanzenteile, Mikroorganismen und in selteneren Fällen sogar Fröschchen, kleine Echsen oder Federn sind dadurch erhalten. Nun wurde erstmals ein kurzer Abschnitt (ca. 36 mm) eines (Dinosaurier-?)Schwanzes, an dem sich Wirbel abzeichnen, in einem Bernstein beschrieben (Xing et al. 2016a); das Stück wurde auf einem Bernsteinmarkt in Myanmar erworben und stammt aus einer der dortigen Bernsteinminen. Das Besondere an dieser Inkluse: Der Schwanz ist nicht nur von Wirbeln durchzogen; an seiner Oberfläche ist auch ein Besatz von federähnlichen Anhängen erhalten. Damit wurden erstmals federähnliche Strukturen zusammen mit Knochen in Bernstein entdeckt. Außerdem bietet der Fund Einblicke in die räumliche Anordnung der fiederigen Strukturen. Auch in dieser Hinsicht ist der detailreiche Fund aus Schichten der mittleren Kreide Myanmars, die radiometrisch auf 99 Millionen Jahre datiert werden, interessant.
Bei den zahlreichen bisher beschriebenen Dinosaurierfosssilien mit flaumartiger Körperbedeckung sind wegen schlechter Erhaltung die Details der Körperanhänge oft nicht genau rekonstruierbar, außerdem handelt es sich dabei um Kompressionsfossilien, d. h. deren Überreste sind zusammengedrückt und quasi nur 2-dimenional erhalten.
Aufgrund von wenigen und wenig spezifischen Merkmalen der erkennbaren Wirbel wagen die Autoren eine Zuordnung des Fossils zu den Coelurosauriern („Hohlschwanzechsen“); die abgeleitete geringe Größe interpretieren sie als Hinweis ein Jugendstadium. Xing et al. vermuten, dass  das Tier  spatzengroß war; wie groß es in ausgewachsenem Zustand war, ist schwer abzuschätzen. Coelurosaurier sind eine größere Gruppe unter den Dinosauriern; sie werden in zahlreiche Untergruppen unterteilt, zu denen auch die Deinonychosauriden gehören, die als nächstverwandt mit den Vögeln gelten (sie werden von den meisten Forschern als Schwestergruppe der Vögel angesehen). Auch die Tyrannosauriden gehören zu den Coelurosaurier; diese Gruppe ist also sehr vielseitig. Eine präzisere Zuordnung zu einer Familie innerhalb der Coelurosaurier ist nicht möglich.
Aus Größe und Form der Wirbel des erhaltenen Bruchstücks schließen die Autoren, dass das Tier mindestens 15, wahrscheinlich über 25 Wirbel besaß. Zum Vergleich: Der berühmte „Urvogel“ Archaeopteryx besaß 23 Schwanzwirbel, der Urvogel Jeholornis bis zu 27 (Zhou & Zhang 2003); deren Schwänze waren daher als Fiederschwänze ausgebildet. Die Autoren halten es aufgrund morphologischer Details der Wirbel allerdings für unwahrscheinlich, dass der Fund zu solchen Fiederschwanz-Vögeln gestellt werden könnte. (Heutige Vögel besitzen einen Fächerschwanz, der an einem Pygostyl – einige verwachsene Schwanzwirbel – ansetzt; das trifft auch auf die meisten fossilen Vögel aus der Kreide zu.)
Das Schwanzfragment ist an beiden Seiten dicht mit Reihen von wenige Millimeter langen Federn besetzt (http://www.cell.com/action/showImagesData?pii=S0960-9822%2816%2931193-9; Figure 1). Sporadisch sind Weichgewebe, vermutlich Muskeln, Bänder und Haut erkennbar.
Die Federn wurden mikroskopisch analysiert sowie einer computertomographischen Untersuchung unterzogen und weisen einen Aufbau auf, der in dieser Form bisher nicht bekannt war. Ein Schaft ist nur undeutlich ausgebildet, im Durchmesser kaum verschieden von den Federästen; die Federäste sind wechselständig (alternierend) und nur an der Basis fast gegenständig, zur Spitze hin ist die Verzweigung fast dichotom (gabelig) (http://www.cell.com/action/showImagesData?pii=S0960-9822%2816%2931193-9; Figure 3). Die ebenfalls gut erhaltenen, ca. 0,1 mm langen Federstrahlen sitzen nicht nur an den Ästen, sondern in gleicher Ausprägung auch an der Rachis; das kennt man bei heutigen Federn nur von der Basis des Schafts.
Die Autoren erwähnen mehrmals auch Follikel; das ist der in die Körperhülle eingesenkte Bereich der Federn. Eine nähere Beschreibung findet sich dazu nicht in ihrer Arbeit; auch aus den Abbildungen geht nicht hervor, woran deren Existenz erkennbar ist.
Ist die Bezeichnung „Feder“ für die fiederigen Strukturen gerechtfertigt? Es hat sich eingebürgert, jeglichen Körperbesatz von Dinosauriern als Federn oder Vorfedern zu bezeichnen. In vielen Fällen ist das nicht gerechtfertigt, sondern ausschließlich evolutionstheoretisch motiviert, wonach Vögel von Dinosauriern abstammen. Einfache Körperanhänge von Dinosauriern wiederum als Belege für diese populäre These zu verwenden, stellt einen Zirkelschluss dar.
Die Federn des von Xing et al. (2016a) beschriebenen Bernsteinfundes sind allerdings deutlich komplexer strukturiert als alle bekannten flaumartigen Strukturen bei Kompressionsfossilien. Denn immerhin gibt es zwei Ordnungen von Verzweigungen, wenn auch nicht in einer Ausgestaltung wie bei eindeutig flächigen Federn. Chuong et al. (2003) definieren Federn als komplexe Integumentanhänge, die hierarchisch verzweigt sind, aus Rachis, Federästen und Federstrahlen bestehen, aus einem Follikel heraus wachsen und besondere biochemische, morphologische und entwicklungsbiologische Eigenschaften besitzen. Die neu beschriebenen Bernsteinfedern erfüllen diese Kriterien nur zu einem kleinen Teil oder es ist unsicher, ob die Kriterien erfüllt sind. Klar ist, dass die Federn nicht flugtauglich waren. Über ihre Funktion kann nur spekuliert werden und die Funktion dürfte ohne Kenntnis des ganzen Tieres nicht bestimmbar sein.
Ist die Zuordnung des Fundes zu einem Dinosaurier gesichert? Xing et al. (2016, 3) stellen fest, dass nur zwei Wirbelkörper gut zu erkennen seien, da das erhaltene Weichgewebe so hoch verdichtet ist, dass es nur schwer von den weiteren Skelettelementen unterscheidbar ist. Daher blieben viele diagnostische Details der Knochen unklar. Der Schluss auf die Existenz von acht oder neun Wirbeln im erhaltenen Bernsteinstück erscheint daher unsicher und die Extrapolation auf die Existenz von wahrscheinlich mehr als 25 Wirbeln steht somit auf schwachem Fundament.
Dass die Form der Wirbel auf einen Theropoden hinweise, begründen die Autoren mit dem Nachweis einer bauchseitigen Kerbe auf dem Centrum (Wirbelzentrum) der Wirbelkörper, was typisch für Theropoden sei; im online-Zusatzmaterial merken die Autoren allerdings an, dass nicht ausgeschlossen werden könne, dass eine solche Kerbe auch bei Archaeopteryx und Jeholornis ausgebildet war. Auch die sehr geringe Größe des Tieres ist für einen Theropoden ungewöhnlich. Die Bestimmung des Fossils als Coelurosaurier-Theropode kann daher nicht als sicher gelten.
Was trägt der Fund zur Klärung der Entstehung von Vogelfedern bei? Xing et al. (2016a) ordnen die Federstruktur des neuen Fundes in das derzeit favorisierte Federentstehungsmodell von Prum (1999) ein. Die Struktur der beschriebenen „Schwanzfedern“ passen aber zunächst einmal zu keiner der dort hypothetisch angenommenen Formen; die Autoren ordnen sie in die Nähe von Stadium IIIB dieses Modells ein (vgl. http://www.cell.com/action/showImagesData?pii=S0960-9822%2816%2931193-9; Figure 4). Dieses Stadium ist durch Ausbildung von Federästen und Federstrahlen gekennzeichnet. Die Autoren sehen die Bernsteinfedern als Beleg dafür, dass zuerst Federstrahlen entstanden sind, bevor die Federn flächig wurden. Allerdings sind die Federn wie beschrieben einzigartig ausgebildet und passen nicht in jeder Hinsicht in Prums Modell, sie stehen eher im Zwischenbereich der als Alternativen beschriebenen hypothetischen Stadien IIIA und IIIB. Xing et al. (2016a, 7) halten es daher für möglich, dass es sich um eine spezialisierte Federform handelt, die außerhalb der Federevolutionslinie steht.
Die Bedeutung des neuen Fundes für Hypothesen zur Entstehung von Vogelfedern muss aber ohnehin als sehr gering eingestuft werden. Denn der Fund ist nach gängiger zeitlicher Einordnung ca. 60 Millionen Jahre (radiometrisch) jünger als die älteste Vogelgattung, die unzweifelhaft flächige Federn heutiger Bauart besaß (Anchiornis) und ca. 50 Millionen radiometrische Jahre (MrJ) jünger als Archaeopteryx, dessen Federn von Federn heutiger Vögel kaum zu unterscheiden sind. Aus der Unterkreide sind ab etwa 130 MrJ mit den sogenannten Gegenvögeln (Enantiornithes) und den Ornithurae („Vogelschwänze“) Dutzende von Vogelgattungen mit „fertigen“ Federn bekannt. Daher kann dem auf 99 MrJ datierten Bernsteinfund kaum eine Bedeutung für die Federevolution zugemessen werden. Darstellungen in der Wissenschaftspresse, wonach der Fund zeige, dass der Federschaft später entstand als die feinsten Federhärchen (http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-20926-2016-12-09.html), sind daher fehl am Platz.
Problematisch ist auch, dass nur ein kleines Bruchstück erhalten ist, das zudem vermutlich von einem noch nicht ausgewachsenen Tier stammt. Rekonstruktionen eines ganzen Tieres, wie sie in Pressmeldungen verbreitet werden, sind nicht seriös. Hatte das Tier vielleicht an anderen Körperstellen „moderne“ Federn wie sie bei einer anderen Gattung aus denselben Schichten gefunden wurden (Xing et al. 2016b)? Wie waren die Federn beim ausgewachsenen Tier ausgebildet? Angesichts der Existenz verschiedenster Mosaikformen ist auch die Frage angebracht, ob es sich wirklich um einen Dinosaurier handelt. Acht oder neun Schwanzwirbel sind zu wenig, um auf den Körperbau und die Befiederung des ganzen Tieres schließen zu können.
Literatur
Chuong CM, Wu P, Zhang FC, Xu X, Yu M. Widelitz RB, Jiang TX & Hou L (2003) Adaptation to the sky: Defining the feather with integument fossils from Mesozoic China and experimental evidence from molecular laboratories. J. Exp. Zool. 298B, 42-56.
Prum RO (1999) Development and evolutionary origin of feathers. J. Exp. Zool. 285, 291-306.
Xing L, McKellar RC et al. (2016a) A feathered dinosaur tail with primitive plumage trapped in mid-Cretaceous amber. Curr. Biol. 26, 1-9, http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.10.008
Xing L, McKellar RC, et al. (2016b) Mummified precocial bird wings in mid-Cretaceous Burmese amber. Nat. Comm. 7:12089, doi: 10.1038/ncomms12089.
Zhou Z & & Zhang F (2003) Jeholornis compared to Archaeopteryx, with a new understanding of the earliest avian evolution. Naturwissenschaften 90, 220-225.
Bilder:
http://www.cell.com/action/showImagesData?pii=S0960-9822%2816%2931193-9
http://www.zeit.de/wissen/2016-12/dinosaurier-bernstein-fund-myanmar


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Sa 24 Dez 2016, 19:41

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23.12.16  Entstehung evolutionärer Neuheiten – ungelöst!
Zentrale Fragen zur Aufklärung der Entstehung evolutionärer Neuheiten und ihrer Ursachen sind unbeantwortet. Die zunehmende Kenntnis über die Details lebender Organismen und ihrer Konstruktionen lässt die Unzulänglichkeit der bisherigen kausalen Evolutionstheorien umso deutlicher hervortreten. Die Kontroverse darüber wird innerhalb der Evolutionsbiologie offen ausgetragen.
In populären Darstellungen über Evolution, in Schul- und Lehrbüchern oder auch in interdisziplinär-theologischen Abhandlungen wird schon seit Jahrzehnten  behauptet, dass ein evolutionärer Ursprung der Lebewesen eine Tatsache sei. Darüber hinaus könne auch als geklärt gelten, dass und wie Evolution nach rein natürlichen Mechanismen – d. h. ohne zielgerichteten, schöpferischen Input – abgelaufen sei. In einem kirchlichen Text wird folgende Einschätzung gegeben: „Die Frage ist, ob das Wechselspiel von genetischen Veränderungen und Selektion eine hinreichende naturwissenschaftliche Erklärung für die Evolution der irdischen Lebenswelt liefert! Die gegenwärtige Biologie beantwortet diese Frage mit Ja“ (Hemminger 2007, 22).
Eine wachsende Zahl von Evolutionsbiologen würde dieser Einschätzung bezüglich den „Wie“ allerdings nicht zustimmen. Im Jahr 2003 listeten der Wiener Entwicklungsbiologe Gerd B. Müller und der Zellbiologe und Anatom Stuart A. Newman eine große Anzahl ungelöster Fragen der kausalen Evolutionsforschung auf (vgl. Mikroevolution, Makroevolution und „ID“); die ersten sechs davon lauten:
1. Burgess shale-Effekt: Weshalb entstanden die Baupläne der Vielzeller explosionsartig?
2. Homoplasie: Weshalb entstehen ähnliche Gestalten unabhängig und wiederholt?
3. Konvergenz: Weshalb produzieren entfernt verwandte Linien ähnliche Designs?
4. Homologie: Weshalb organisieren sich Bauelemente als fixierte Baupläne und Organformen?
5. Neuheit: Wie werden neue Elemente in bestehende Baupläne eingeführt?
6. Modularität: Weshalb werden Design-Einheiten wiederholt verwendet?
Es ist leicht zu sehen, dass es sich nicht um Randfragen oder spezielle Details handelt, sondern um zentrale Fragen der evolutionsbiologischen Forschung: Wie können Neuheiten und die Organisation der Lebewesen entstehen? In der Folgezeit wurde in Fachartikeln von verschiedenen Autoren immer wieder zum Ausdruck gebracht, dass diese Fragen nach wie vor auf Antworten warten. Nachfolgend einige Beispiele (in Übersetzung des Autors; die z. T. längeren Originalzitate finden sich im Anhang:

  • „Die Prozesse, die evolutionären Innovationen zugrunde liegen, sind bemerkenswert wenig verstanden. … [W]ir haben relativ wenig Fortschritt erzielt im Verständnis, wie neue Eigenschaften erstmals entstehen“ (Moczek 2008, 432).
  • „Eines der bedeutendsten ungelösten Probleme der Biologie ist das Verständnis, wie neue, komplexe Phänotypen entstehen, sowohl in der individuellen Entwicklung als auch in der Stammesgeschichte“ (Ledon-Rettig et al. 2008, 316).
  • „Die Skelettarchitektur von Wirbeltieren ist sehr unterschiedlich, doch die Basis für Veränderungen im groben Skelettbau bleibt fast völlig unbekannt“ (Rudel & Sommer 2003, 21).
  • „[D]ie Kernfrage – der genetische Ursprung neuer und komplexer Merkmale – ist wahrscheinlich eine der hartnäckigsten und fundamentalen unbeantworteten Fragen in der Evolutionsforschung heute“ (Monteiro & Podlaha 2009, 215).
  • „[D]ie genetischen Änderungen, die erklären, wie komplexe Formen entstehen, sind immer noch unklar“ (Martin et al. 2012, 12632).
  • „Der Ursprung und die Diversifizierung neuer Eigenschaften ist eine der spannendsten ungelösten Probleme in der evolutionären Entwicklungsbiologie“  (Saenko et al. 2011, 1).
  • „Wie Körperbaupläne in der Natur evolvieren, bleibt weitgehend unbekannt“ (Cleves et al. 2014, 13912).
  • „Wir sind uns noch nicht sicher, welches die Erklärung für Neuheiten ist. … Ich vermute, dass der Ursprung von Neuheiten auch natürliche Selektion benötigt, ebenso wie zusätzliche Mechanismen, aber worin diese bestehen, muss erst noch durch weitere empirische Forschung herausgefunden werden“ (Wagner 2014, 125).

Im Jahr 2010 veröffentlichten Jerry Fodor und Massimo Piattelli-Palmarini das viel beachtete und auch viel gescholtene Buch „What Darwin got wrong“. Darin behaupten (und begründen) sie, dass (und warum) die Selektionstheorie darin scheitere, die Entstehung neuer Formen zu erklären, und dass es derzeit auch keine alternative Erklärung gebe  ([vgl. Lag Darwin falsch?). Als bekennende Atheisten sind sie aber überzeugt, dass es eine rein naturalistische Erklärung geben muss, die derzeit jedoch nicht bekannt sei. (Für seine Kritik wurde Jerry Fodor von David Sloan Wilson als „säkularer Kreationist“ bezeichnet, siehe http://www.suzanmazur.com/?p=20)
Und der in den USA bekannte und renommierte atheistische Philosoph Thomas Nagel veröffentlichte im Jahr 2012 das Buch „Mind and Cosmos“, in Deutsch 2013 veröffentlicht mit dem Untertitel „Warum die materialistische neodarwinistische Konzeption der Natur so gut wie sicher falsch ist“. Darin thematisiert Nagel u. a. die „immensen Schwierigkeiten, die Entstehung des Lebens und der Arten allein durch nichtgerichtete Prozesse verständlich zu machen“ (Widenmeyer 2013).
Die Kontroverse wird offen ausgetragen. Die Zahl der Kritiker der Standard-Evolutionstheorie (Neodarwinismus, Synthetische Evolutionstheorie, Erweiterte Synthese u. a.) war schließlich so stark angeschwollen, dass die bedeutende Wissenschaftszeitschrift Nature im Oktober 2014 unter der Überschrift „Does evolutionary theory need a rethink?“ ein Pro & Contra von zwei Wissenschaftler-Gruppen veröffentlichte (deutsche Übersetzung: http://www.spektrum.de/news/brauchen-wir-eine-neue-evolutionstheorie/1320620). Die eine Gruppe plädierte für ein „dringendes Ja“, also  für ein Umdenken (Laland et al. 2014), während für die andere Gruppe alles in bester Ordnung ist (Wray et al. 2014) (vgl. „Brauchen wir eine neue Evolutionstheorie?“).
Der letzte Höhepunkt dieser Entwicklung war eine wissenschaftliche Tagung der britischen Royal Society Anfang November 2016, auf der die Kontroverse zwischen den beiden Lagern drei Tage lang ausgetragen wurde. Siegfried Scherer berichtet: „Die Kritiker meinen, dass der Neodarwinismus ‚dringend überdacht‘ werden müsse, unter anderem um Höherentwicklung im Evolutionsprozess zu erklären. Die Neodarwinisten halten dagegen, dass die Kritiker eigentlich nichts grundsätzlich Neues vorzutragen hätten, mit der herrschenden Lehre sei ‚alles gut‘.“ Es stand nicht weniger als die Frage im Raum, ob alle bisher vorgeschlagenen Erklärungsversuche unzureichend sein könnten (Bericht unter https://www.pro-medienmagazin.de/kultur/veranstaltungen/detailansicht/aktuell/hatte-darwin-doch-nicht-recht-98445/). Die Streitpunkte waren dieselben wie beim o. g. Pro & Contra in Nature – in Kurzform:

  • Der genzentrierte Ansatz (Genänderungen als Initialzündungen) müsse ergänzt werden durch die Berücksichtigung zahlreicher Wechselwirkungen mit äußeren und inneren Einflüssen während der ontogenetischen Entwicklung.
  • Die Umweltbedingungen haben nicht nur eine passive Rolle als Selektionsfaktoren, vielmehr werde die Umwelt durch die Lebewesen aktiv mitgestaltet (Nischenkonstruktion); dadurch beeinflussen die Lebewesen selbst auch ihre eigene Evolution.
  • Durch die Plastizität der Lebewesen (Änderungen infolge von Umweltreizen – ohne Genänderungen) sei eine schnelle Anpassung und sogar die Offenlegung bisher verborgener Merkmale möglich, die nachfolgend durch Genvariationen (Mutationen) dauerhaft sichtbar fixiert werden können.
  • Extragenetische Veränderungen (Epigenetik) in der Gen-Regulation könnten wie die Gene selber ebenfalls vererbt werden und Einfluss auf Evolution nehmen.

Im Beitrag wird „Brauchen wir eine neue Evolutionstheorie?“ wird erläutert, warum diese Vorschläge für die Erklärung evolutionärer Neuheiten nicht zielführend sind.
Fazit. Von einer Klärung der Evolutionsmechanismen, die zu neuartigen Bauplänen von Organismen führen, kann nicht die Rede sein – im Gegenteil: Je mehr die Details lebender Konstruktionen aufgeklärt werden, desto deutlicher zeigt sich die Unzulänglichkeit der bisherigen kausalen Evolutionstheorien. In Bezug auf die Frage nach den Mechanismen der Makroevolution – der Entstehung von Neuheiten – hat der Wissensfortschritt die Erklärungsdefizite nicht kleiner gemacht, sondern deutlicher hervortreten lassen. Solange die Diskussion sich freilich nur im Rahmen naturalistischer Antwortmöglichkeiten bewegt und – ohne klare Sachargumente und ohne zwingende methodologische Begründung – die Option „Schöpfung“ aus dem Rennen um die zutreffende Antwort herausgehalten wird, kann es – allein aus wissenschaftstheoretischer Sicht – sein, dass nur um die beste Hypothese im Rahmen eines falschen Ansatzes gestritten wird.
Literatur
Cleves PA, Ellis NA, Jimenez MT, Nunez SM, Schluter D, Kingsley DM & Miller CT (2014) Evolved tooth gain in sticklebacks is associated with a cis-regulatory allele of Bmp6. Proc. Natl. Acad. Sci. 111, 13912-13917.
Fodor J & Piattelli-Palmarini (2010) What Darwin got wrong. News York
Hemminger H (2007) Mit der Bibel gegen die Evolution. EZW-Texte 195.
Ledon-Rettig CC, Pfennig DW & Nascone-Yoder H (2008) Ancestral variation and the potential for genetic accommodation in larval amphibians: implications for the evolution of novel feeding strategies. Evol. Dev. 10, 316-325.
Martin A, Papa R, Nadeau NJ, Hill RI, Counterman BA, Halder G, Jiggins CD, Kronforst MR, Long AD, McMillan WO & Reed RD (2012) Diversification of complex butterfly wing patterns by repeated regulatory evolution of a Wnt ligand. Proc. Natl. Acad. Sci. 109, 12632-12637.
Moczek AP (2008) On the origins of novelty in development and evolution. BioEssays 30, 432-447.
Monteiro A & Podlaha O (2009) Wings, horns, and butterfly eyespots: How do complex traits evolve? PLoS Biology 7:2, 0209-0216; doi: 10.1371/journal.pbio.1000037.
Müller GB & Newman SA (2003) Origination of organismal form: The forgotten cause in evolutionary theory. In: Müller GB & Newman SA (eds) Origination of organismal form. Beyond the gene in developmental and evolutionary biology. Vienna Series in Theoretical Biology. Cambridge, MA, pp 3-12.
Laland K et al. (2014) Does evolutionary theory need a rethink? Yes, urgently. Nature 514, 161-164.
Moczek AP (2008) On the origins of novelty in development and evolution. BioEssays 30, 432-447.
Rudel D & Sommer RJ (2003) The evolution of developmental mechanisms. Dev. Biol. 264, 15-37.
Saenko SV, Maralva MSP & Beldade P (2011) Involvement of the conserved Hox gene Antennapedia in the development and evolution of a novel trait. EvoDevo 2011, 2:9; doi: 10.1186/2041-9139-2-9.
Wagner GP (2014) Homology, genes, and evolutionary innovation. Princeton University Press.
Widenmeyer M (2013) Rezension von: Geist und Kosmos. Warum die materialistische neodarwinistische Konzeption der Natur so gut wie sicher falsch ist. Studium Integrale Journal 20, 124-126. www.wort-und-wissen.de/sij/sij202/sij202-r1.html
Wray G et al. (2014) Does evolutionary theory need a rethink? No, all is well. Nature 514, 161-164.
Anhang: Originalzitate
„Given its importance and pervasiveness, the processes underlying evolutionary innovation are, however, remarkably poorly understood, which leaves us at a surprising conundrum: while biologists have made great progress over the past century and a half in understanding how existing traits diversify, we have made relatively little progress in understanding how novel traits come into being in the first place“ (Moczek 2008, 432).
„One of biology’s most significant unresolved issues is to understand how novel, complex phenotypes originate, both developmentally and evolutionarily“ (Ledon-Rettig et al. 2008, 316),
„The skeletal architecture of vertebrates is widely divergent, yet the basis for change in gross skeletal morphology remains almost entirely unknown“ (Rudel & Sommer 2003, 21).
„This work is difficult and time consuming, but the question at its core—the genetic origin of new and complex traits—is probably still one of the most pertinent and fundamental unanswered questions in evolution today“ (Monteiro & Podlaha 2009, 215).
„Although animals display a rich variety of shapes and patterns, the genetic changes that explain how complex forms arise are still unclear“ (Martin et al. 2012, 12632).
„The origin and diversification of novel traits is one of the most exciting unresolved issues in evolutionary developmental biology“ (Saenko et al. 2011, 1).
„How body pattern evolves in nature remains largely unknown“ (Cleves et al. 2014, 13912).
„The explanation for adaptation is natural selection. We are not yet sure what the explanation for novelties is. ... I suspect that the origin of novelties also requires natural selection as well as additional mechanisms, but what they are will have to be determined by more empirical research“ (Wagner 2014, 125).


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Sa 11 Feb 2017, 16:23

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02.02.17  Urvogel Confuciusornis unerwartet „modern“
Der „Konfuzius-Vogel“ – Confuciusornis sanctus – gehört aufgrund zahlreicher fossiler Funde zu den am besten bekannten Vögeln der Unterkreide und nach Archaeopteryx auch zu den stratigraphisch ältesten. Neue Untersuchungstechniken brachten neue Einsichten in die Weichteilanatomie des Flugapparats. Confuciusornis war demnach ein besserer Flieger als bisher gedacht – angesichts der zahlreichen Anforderungen an aktiven Flug ist das letztlich nicht überraschend.
Die Vogelgattung Confuciusornis gehört nach dem berühmten oberjurassichen „Urvogel“ Archaeopteryx zu den stratigraphisch ältesten Vögeln. Im Jahr 1995 wurden gut erhaltene fossile Exemplare dieser Gattung in großer Zahl in Süßwasserablagerungen der unteren Kreide im Nordosten Chinas gefunden. Während manche Merkmale (z. B. Becken, Finger, Schädel mit zwei Schläfenfenstern) als „ursprünglich“ eingestuft werden, besaß Confuciusornis – anders als Archaeopteryx und viele andere „Urvögel“ – einen Hornschnabel und eine Reihe weiterer „fortschrittlicher“ Merkmale. So hatte er keinen langen, reptilienähnlichen Schwanz, sondern wie heutige Vögel ein Pygostyl (mehrere verschmolzene Schwanzwirbel), an dem die Schwanzfedern fächerförmig ansitzen. Bei einigen Exemplaren ist auf dem Brustbein ein niedriger Kiel in der hinteren Hälfte zu erkennen; das Rabenbein ist ähnlich wie bei heutigen Vögeln lang und strebenförmig. Wie bei heutigen Vögeln dürften Ellbogen- und Handwurzelgelenk mechanisch gekoppelt gewesen sein, was ebenso wie das gut ausgebildete Federkleid mit asymmetrischen Flugfedern für eine Fähigkeit zu aktivem Flug spricht.
Die Lebensweise und die Art der Flugfähigkeit von Confuciusornis wurden dennoch kontrovers diskutiert (Wang et al. 2011, 1229). Peters & Ji (1998) hielten den Konfuzius-Vogel wegen der großen Schwingen für einen ausdauernden Segler; ob Confuciusornis klettern konnte, war bisher ebenfalls umstritten (z. B. Feduccia 2001, 143; Chiappe et al. 1999, 1). Nudds & Dyke (2010) hatten eine Studie veröffentlicht, wonach die Schäfte der Federn von Confuciusornis zu schwach für eine Tauglichkeit zu aktivem Flug gewesen seien, doch ihre Schlussfolgerungen wurden wegen methodischer Fehler zurückgewiesen (Paul 2010; Longrich et al. 2012; Lingham-Soliar 2015).
Neue Einsichten zu diesen Fragen und weitere Erkenntnisse über die Flug- und Kletterfähigkeit brachten nun Untersuchungen mit Laser-unterstützter Fluoreszenzmikroskopie (Falk et al. 2016). Damit konnten bisher unbekannte Details der Weichteilanatomie (Bänder, Muskeln, Sehnen) gewonnen werden. Sie zeigen, dass Confuciusornis „moderner“ gebaut war als bisher angenommen. Die Autoren stellen fest, dass Confuciusornis „eine Reihe relativ moderner Weichgewebe-Strukturen besaß, die fortschrittlicher waren als erwartet werden konnte“ (Falk et al. 2016, 6).1 Außerdem konnten gut entwickelte und widerstandsfähige Flughäute (Pro- und Postpatagium an Innen- und Außenseite der Flügel) nachgewiesen werden, was laut Falk et al. enormen Auftrieb ermöglicht haben müsse und zusammen mit den robusten Federschäften für die Fähigkeit zum aktiven Flug spreche. Die Autoren schließen unter evolutionstheoretischen Voraussetzungen, dass das Flughautsystem früh entstand und ein gemeinsames Merkmal (Synapomorphie) aller Vögel sein könnte (Falk et al. 2016, 8 ).2
Auch zur Flügelform konnten neue Erkenntnisse gewonnen werden; diese sei einzigartig gewesen, folgern Falk et al. aus dem erhaltenen Federkleid. Die Breite des Flügels unterstreiche einen anderen Flugstil als bisher angenommen und sei typisch für Vögel, die in einem dicht bewachsenen Lebensraum vorkommen und daher ein hohes Maß an Manövrierbarkeit benötigen, oder auch für Segler. Sie schließen aus der Flügelstreckung (aspect ratio), dass Confuciusornis in seinem Lebensraum eher Manövrierbarkeit als Geschwindigkeit benötigte.3
Netzförmige Schuppen auf den Beinen, kräftige Fingerpolster und stark gebogene Klauen an den Zehen unterstützen nach Falk et al. nachhaltig die Rekonstruktion als baumlebender Vogel. Die netzförmigen Schuppen sind mehr abgerundet als schildförmig, was die Flexibilität der Zehen verbessert.
Aus den neuen Befunden schließen die Forscher insgesamt, dass Confuciusornis Kurzstrecken gut fliegen konnte und dass dieser Urvogel viele relativ „fortschrittliche“ („advanced“) vogeltypische anatomische Merkmale besaß. Insgesamt war der Konfuzius-Vogel also keinesfalls primitiv, weshalb die Autoren evolutionstheoretisch mutmaßen, dass seine modernen Merkmale viel früher als bisher angenommen entstanden sein müssten; ältere Gesteinsschichten könnten vielleicht entsprechende Antworten über Vorstufen bringen.4
Erst kürzlich waren bei einem anderen Vogel aus Schichten der Unterkreide ebenfalls Weichteilmerkmale identifiziert worden, die als überraschend modern charakterisiert wurden und für eine sehr gute Flugfähigkeit sprechen (Navalón et al. 2015), so dass auch in diesem Fall eine Revision bezüglich der Flugfähigkeit vorgenommen wurde: Die Gegenvögel, zu welchen der Fund gerechnet wird, werden nun als gute Flieger angesehen. (Vgl. Alte Vögel mit moderner Flugkunst)
Diese Befunde und Interpretationen sind letztlich aber nicht überraschend. Der Besitz asymmetrischer Federn wie bei Confuciusornis und anderen Vögeln aus Kreideschichten macht nur Sinn, wenn die betreffenden Arten flugfähig wären; dafür aber benötigen sie zugleich auch eine ausgefeilte passende Weichteilanatomie. Flugfähigkeit erfordert einen Komplex an Merkmalen und Fähigkeiten – vom geeigneten „Baummaterial“ für die Federn bis zum Verhalten mit den dafür erforderlichen Gehirnleistungen und Rückkopplungsmechanismen. Eine schrittweise Entstehung einer Grundausstattung ist hier kaum denkbar. Die neuen Daten zu Confuciusornis bestätigen diese Sicht.
Literatur
Chiappe LM, Ji SA, Ji Q & Norell MA (1999) Anatomy and systematics of the Confuciusornithidae (Theropoda, Aves) from the late Mesozoic of northeastern China. Bull. Amer. Mus. Nat. Hist. 242, 1-89.
Falk AR, Kaye TG, Zhou Z & Burnham DA (2016) Laser fluorescence illuminates the soft tissue and life habits of the Early Cretaceous bird Confuciusornis. PLoS ONE 11(12): e0167284. doi:10.1371/journal.pone.0167284
Feduccia A (2001) The problem of bird origins and early avian evolution. J. Ornithol. 142 Sonderheft 1, 139-147.
Hou, L, Zhou Z, Gu Y & Zhang H (1995a) Confusiusornis sanctus, a new late Jurassic sauriurine bird from China. Chinese Sci. Bull. 40, 1545-1551.
Hou L, Zhou Z, Martin, LD & Feduccia A (1995b) A beaked bird from the Jurassic of China. Nature 377, 616-618.
Lingham-Soliar T (2014) Feather structure, biomechanics and biomimetics: the incredible lightness of being. J. Ornithol. 155, 323-336.
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.
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.
Paul GS (2010) Comment on „Narrow Primary Feather Rachises in Confuciusornis and Archaeopteryx Suggest Poor Flight Ability“. Science 330, 320b.
Peters D & Ji Q (1998) The diapsid temporal construction of the Chinese fossil bird Confuciusornis. Senckenbergiana lethaea 78, 153-155.
Wang X, Nudds RL & Dyke GJ (2011) The primary feather lengths of early birds with respect to avian wing shape evolution. J . Evol. Biol. 24, 1226-1231
Originalzitate
1 „This new information indicates that Confuciusornis has a suite of relatively modern soft tissue structures that are more advanced than may be expected.“
2 „This suggests that the patagial system in birds developed early in their evolution and, when available for study, may be a uniting synapomorphy. … The extensive and robust propatagium in Confuciusornis would have generated a large amount of lift.“
3 The wider, broader wing in Confuciusornis confirms a flight style different than previously suggested (see [6]) (Fig 6). Wide, broad wings are found in 1) birds that live in a densely vegetated area requiring high maneuverability and 2) broad-winged soaring birds such as hawks and vultures. … implies Confuciusornis required more maneuverability and stability than speed in flight“ (FALK et al. 2016, 6). „The aspect ratio of Confuciusornis is between 6.4 (including tertial feathers) and 7.7 (excluding tertial feathers), indicates that it was not a dynamic soarer (e.g., seabirds), long-distance migrant (e.g., shorebirds), or a long-duration fast flyer (FALK et al. 2016, 6f.).
4 „If Confuciusornis, a primitive bird quite basal on the avian tree (e.g. see [39]), possessed a suite of characters so modern, it suggests that these features arose much earlier than perhaps previously implied. If that is so, then earlier rocks may contain the answers to many questions about the origin and early evolution of birds“ (FALK et al. 2016, 13).


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Mi 08 März 2017, 00:33


 
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02.03.17 
Anfangs explosiv – dann nur noch Fine-Tuning: Vielfalt der Vogelschnäbel

Eine umfangreiche Analyse mittels 3D-Scans von Schnäbeln von etwa 2000 heutigen Vogelarten legt den Schluss nahe, dass am Anfang der fossilen Überlieferung der heutigen Vogelordnungen (Neornithes) sehr rasch eine enorme Vielfalt von Schnabelformen etabliert war. Danach erfolgte im Wesentlichen – von wenigen Ausnahmen abgesehen – eine Art Fine-Tuning. Dieser Befund ermöglicht die Deutung im Rahmen eines Schöpfungsansatzes mit programmierter Variabilität.
Die heute existierenden Vogelordnungen (Neornithes) erscheinen im Fossilbericht plötzlich in großer Vielfalt in den ältesten Schichten des Tertiärs. Wie bei vielen anderen Tier- und Pflanzengruppen ist von einer explosiven Entfaltung oder Radiation die Rede. In den letzten Jahren wurde zwar immer wieder über Funde von Vertretern der Neornithes auch in der Oberkreide berichtet, doch ändern diese nichts daran, dass die Vielfalt der Vogelbaupläne – gemessen an den Fossilfunden – nach der berühmten Kreide-Tertiär-Grenze abrupt und in einem geologisch kurzen Zeitraum zunimmt. Ein gemeinsamer Vorfahr ist nicht bekannt und der Fossilbericht gibt über die Anfänge der Neornithes fast keine Auskunft (Zhou 2004, 456, 467).1 Vergleichend-biologische Studien der heutigen Vogelordnungen bestätigen dieses Bild: Cladogramme (Ähnlichkeitsbäume) lassen sich auf der Ebene der Ordnungen kaum auflösen (vgl. z. B. Thomas 2015). Sie gleichen daher in den unteren Teilen eher einem Busch als einen Baum.
Eine solche vergleichende Studie führen Cooney et al. (2017) anhand von 3D-Scans von Schnäbeln von 2028 heutigen Vogelarten aus 194 Familien durch, die im Natural History Museum Tring (England) und im Manchester Museum archiviert sind und einen Großteil des Systems der Vögel abdecken. Das charakteristische Merkmal des Vogelschnabels ist für seine faszinierende Vielfalt von Gestaltungen bekannt. Die unterschiedlichen Schnabelformen ermöglichen den Vögeln, sehr verschiedene Nahrungsquellen zu nutzen. Durch die Kombination der Ergebnisse der Untersuchungen der Schnabelformen mit neueren DNA-basierten Cladogrammen ergab sich, dass die Vielfalt der Schnäbel sehr schnell in der mutmaßlichen evolutionären Geschichte aufgetreten ist, also innerhalb kurzer Zeit stark zunahm. Evolutionstheoretisch folgt daraus, dass ein extrem schneller evolutiver Wandel angenommen werden muss – die Autoren sprechen von „früher schneller Quanten-Evolution“ (Cooney et al. 2017, 345), das bedeutet eine anfänglich sehr schnelle Divergenz (Aufspaltung und Verschiedenwerden) in neue Formen und Funktionen. Von wenigen Ausnahmen abgesehen änderten sich die Schnabelformen nach der Anfangsdivergenz nur noch relativ geringfügig in der Art eines Fine-Tunings und durch ökologische Anpassungen (vgl. Bhullar 2017).
Fossilfunde wurden in die Untersuchung nicht einbezogen. Bhullar (2017) weist aber darauf hin, dass der Fossilbericht den Befund von Cooney et al. unterstützt, dass eine große Vielfalt von Schnabelformen nach der Kreide-Tertiär-Grenze rasch präsent war, ja dass es anfangs noch weitere Schnabelformen gab, die heute nicht mehr vertreten sind. Die Gründe für dieses Muster mutmaßlicher evolutionärer Sprünge und anschließender Stabilität seien nicht bekannt.

Mikroevolution, Makroevolution und Schöpfung.
Die Autoren stellen fest, dass es einen qualitativen Unterschied zwischen Mikroevolution (z. B. Fine-Tuning) und Makroevolution (neuartige Baupläne oder Bauplan-Elemente) gibt. Sie schreiben: „Auf welche Weise mikroevolutive Prozesse addiert werden, um die Ausweitung der gestaltlichen Vielfalt über viel größere evolutionäre Zeiträume hinweg zu formen, ist unklar“ (Cooney et al. 2017, 344). Und weiter: „Untersuchungen an kleineren (evolutiven) Zweigen haben Einsichten in die Rolle der natürlichen Auslese als verändernde Kraft ermöglicht, sie können aber nicht den Prozess erhellen, der die Vielfalt und Diskontinuitäten von Radiationen über längere evolutionäre Zeiträume formen“ (ebd.).2 Das entspricht vielen ähnlich lautenden Einschätzungen zum Unterschied von Mikro- und Makroevolution (vgl. Entstehung evolutionärer Neuheiten – ungelöst!).
Das Muster der Entfaltung der Schnabelformen kann bei Zugrundelegung eines Schöpfungsansatzes mit programmierter Variabilität gut erklärt und eingeordnet werden. Dass innerhalb einer Formengruppe eine große Vielfalt relativ plötzlich auftaucht und Cladogramme an der Basis kaum auflösbar sind bzw. anfangs sehr enge Verzweigungen beinhalten, könnte als Indiz dafür gewertet werden, dass es gar keine Abstammung der größeren Einheiten gab, sondern dass diese in fertiger Form durch Schöpfungsakte ins Dasein kamen und sich anschließend ein anfangs bereits angelegtes Potential an Ausprägungs- und Spezialisierungsmöglichkeiten entfaltet hat.
Für die biblische Schöpfungslehre bleibt jedoch die Frage offen, warum zum einen Vögel heutiger Grundtypen fossil weitgehend erst ab dem unteren Tertiär überliefert sind, aber auch, weshalb Vögel, die im älteren geologischen System der Kreide fossil überliefert sind, andere Baupläne besitzen als die tertiären und heute lebenden Vögel.
Anmerkungen
1 „[R]elatively little is known about the origin and the immediate ancestor of all extant avian groups“ (Zhou 2004, 456). „[Y]et there is still no fossil evidence indicating the origin of modern groups in the Mesozoic“ (Zhou 2004, 467).
2ut how microevolutionary processes scale up to shape the expansion of phenotypic diversity over much longer evolutionary timescales is unclear“ (Cooney et al. 2017, 344).
„Studies of small clades have provided insights into the role of natural selection as a diversifying force, but cannot illuminate the processes that shape the diversity and discontinuities of radiations over longer evolutionary time frames“ (ebd.).
Literatur
Bhullar BAS (2017) Catastrophe triggers diversification. Nature 542, 304-305.
Cooney CR, Bright JA et al. (2017) Mega-evolutionary dynamics of the adaptive radiation of birds. Nature 542, 344-347.
Zhou Z (2004) The origin and early evolution of birds: discoveries, disputes and perspectives from the fossil record. Naturwissenschaften 91, 455-471.
Thomas GH (2015) An avian explosion. Nature 526, 516-517.


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Mo 13 März 2017, 23:35

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13.03.17  Mikrofossilien: Hinweis auf sehr frühe Lebensspuren?
Eine jüngst erschienene Publikation von Geowissenschaftlern zu mikroskopischen Strukturen in einer der vermutlich frühesten Gesteinsformation, die auf der Erde verfügbar ist, ist von den Tagesmedien aufgenommen worden. Dabei wurden die fachliche Interpretation der Befunde und die Überlegungen zu deren möglicher Entstehung in einer Weise popularisiert, als wären Fossilien mit spektakulärem Alter entdeckt worden. Im Folgenden soll verdeutlicht werden, dass die Interpretation durchaus nicht trivial ist und dass sie weitreichende Fragen eröffnet, die weder in den Medien noch im Original angesprochen werden.  
Das Gestein des Nuvvuagittuq-Gürtels in der Nähe von Quebec (Kanada) birgt nach derzeitigen Erkenntnissen eine der ältesten eisenhaltigen Strukturen unserer Erde. Das Alter dieser Formation wird von Fachleuten kontrovers diskutiert – manche geben aufgrund von radiometrischen Uran-Blei (U-Pb)-Messungen an Zirkonkristallen ein Alter von 3,774-3,751 Milliarden radiometrischen Jahren an, während andere aufgrund von Samarium-Neodym (146Sm-142Nd)-Daten für bestimmte Einheiten von einem Alter von bis zu 4,280 Milliarden radiometrischen Jahre ausgehen. Die Zusammensetzung der Mineralien unterstützt eine Vorstellung, nach welcher der Ursprung dieser Gesteine im Meerwasser in der Nähe von hydrothermalen Quellen liegt sowie unter dem Einfluss von Vulkanismus gestanden hat.
Dodd et al. 2017 haben aus dieser Formation Proben genommen und untersucht. Sie dokumentieren Befunde, die sie als fossile Hinweise auf sehr frühe mikrobische Lebensformen interpretieren. So fanden sie mikroskopische faserartige Strukturen aus Hämatit, einem Eisenoxid (Fe2O3), 2 bis 14 µm breit und bis zu 0,5 mm lang, in einer Jaspis-Matrix. Ähnliche Strukturen sind aus dem Phanerozoikum („Zeitalter sichtbarer Lebewesen“, ca. 541 Millionen rad. Jahre bis heute) bekannt: aus Lokken, Norwegen (ca. 480 Millionen rad. Jahre) und dem Franciscan-Komplex in Kalifornien (ca. 180 Millionen rad. Jahre). Die beschriebenen Filamente ähneln ebenso Strukturen in heutigen Ablagerungen an hydrothermalen Quellen mit niedriger Temperatur, bei denen diese Strukturen bekanntermaßen von Eisen-oxidierenden Bakterien gebildet werden.
Weiter dokumentieren die Autoren zylindrische Röhren aus feinkörnigem Hämatit, die von Quarzkörnern umgeben und ausgefüllt sind. Ähnliche Röhren finden sich auch in Jaspis aus anderen fossilen Überresten von hydrothermalen Quellen, wo sie Eisen-oxidierenden Bakterien zugeschrieben werden. Dodd et al. fassen die Beobachtungen an den mikroskopischen Strukturen in Jaspis in 5 Punkten zusammen:
1. Die Röhren enthalten im Inneren Hämatit-Filamente,
2. am Ende mancher Röhren finden sich Hämatitknoten, wie sie von Röhren, die von Mikroben gebildet werden, in der geologischen Überlieferung  bekannt sind,
3. der Röhrendurchmesser ist mit 16-30 µm relativ gleichförmig, vergleichbar mit anerkannten fossilen Mikrofossilien,
4. wie bei heutigen Eisen-oxidierenden Bakterien weisen die Röhren ungefähr dieselbe Ausrichtung auf und
5. die Röhren treten zusammen mit unterschiedlichen Mineralien wie Apatit und Karbonat auf.
Um zu prüfen, ob diese mikroskopischen Strukturen tatsächlich biogenen Ursprungs sind (also von Lebewesen stammen), suchten die Autoren nach rein abiogenen Mechanismen für deren Entstehung (d. h. sie wählten als Nullhypothese, dass die beschriebenen Strukturen nicht von Lebewesen stammen). Doch keiner der  heute bekannten Prozesse oder deren Kombination, wie z. B. Fließsysteme, Fällungsreaktionen, Selbstanordnungen, Diagenese konnten die Entstehung der beschriebenen Strukturen befriedigend erklären. Daraufhin verwarfen die Autoren die Nullhypothese der rein anorganischen Entstehung der mikroskopischen Strukturen.
Gründe für Deutung als Lebensspuren. Dodd et al. schreiben, dass sie aufgrund des Aktualismus davon ausgehen, dass auch die von ihnen beschriebenen fossilen Strukturen mineralisierte Überreste mikrobiologischer Aktivitäten sind.1 Sie begründen dies mit vielen Beispielen in der ganzen geologischen Überlieferung und auch aus der Gegenwart, dass Mikroorganismen Hämatitröhren in der Umgebung hydrothermaler Quellen verursachen.
Die Entscheidung, dass es sich um Lebensspuren handelt, wird aus Sicht der Autoren durch weitere Befunde gestützt: Organischer Kohlenstoff von  Mikroorganismen kann durch bio- und geochemische Prozesse zu Karbonat oxidiert werden. So kann man in entsprechenden Formationen kleine, ringförmige Plättchen (Rosetten) aus Karbonatmineralien finden, in die noch kohlenstoffhaltige (graphitartige) Partikel eingestreut sind. Dodd et al. beschreiben mikroskopische Kalzit-Rosetten, in denen sie durch Raman-Spektroskopie auch Graphitpartikel nachweisen konnten. Auch die Isotopenverteilung von 13C in Karbonaten und Graphit sind verträglich mit der Vorstellung eines mikrobiologischen Ursprungs der Fossilien. Die Autoren führen auch das Vorkommen von Phosphaten – biochemisch bedeutsame Verbindungen – in Form von Apatit an. Die einzelnen Phänomene können aber unter bestimmten geochemischen Bedingungen auch ohne Beteiligung von Organismen, also rein anorganisch entstehen.
In jüngeren Ablagerungen sind kleine Graphitpartikel, die mit Magnetit, einem Eisenoxidmineral (Fe3O4) überzogen sind, bekannt (z. B. aus der Mozaan-Gruppe in Südafrika; Progolum: 2,9 Milliarden rad. Jahre). Für deren Entstehung werden Eisen-oxidierende Mikroben angenommen. Ähnliche Partikel mit einem Durchmesser von 100-500 µm finden sich auch in den von Dodd et al. untersuchten Jaspis-Proben. Die Autoren fügen ihrem Artikel eine Vielzahl von mikroskopischen Aufnahmen bei, anhand derer sie Vergleiche zu jüngeren Fossilien anstellen, bei denen eine Beteiligung von Organismen bei der Entstehung angenommen wird.
Die Erfahrung zeigt, dass mikroskopische Strukturen für unterschiedliche Interpretationen offen sind und so ist damit zu rechnen, dass dieser Befund kontrovers diskutiert werden wird, vor allem auch  aufgrund seines angegebenen spektakulären Alters von 3,77 (oder vielleicht sogar 4,28) Milliarden rad. Jahren.
Bewertung. Zunächst einmal soll hier festgehalten werden, dass die vorgelegten Belege keineswegs zwingend oder unwiderleglich für eine Beteiligung von Lebewesen bei der Entstehung der untersuchten Proben sprechen. Die Versuchung, spektakulär alte fossile Hinweise auf Leben zu präsentieren, kann den Blick trüben für Aspekte, die dem eher widersprechen. Die zu erwartende kritische Diskussion der Fachleute wird diese Aspekte – vermutlich weniger spektakulär – ans Licht bringen. Die Diskussion um die Interpretation der vorgelegten mikroskopischen Gesteinsstrukturen hat erst begonnen und ist nicht zuletzt auch von der Faszination gefährdet, etablierte Grenzen mutig und öffentlichkeitswirksam zu überschreiten (wobei der Effekt durch grenzwertig plakative Formulierungen und Darstellungen in populären Medien noch verstärkt wird2).
Worin liegt eigentlich die Brisanz dieses Befundes und seiner Interpretation als derzeit ältester fossiler Beleg für Leben auf der Erde? Die derzeitigen lehrbuchmäßigen Modelle gehen davon aus, dass die Erde ca. 4,6 Milliarden Jahre alt ist. Angesichts der gängigen Vorstellungen zur Planetenentstehung ist es sehr erstaunlich und bisher nicht verstanden, wie bereits zu einem so frühen Zeitpunkt in der Geschichte der Erde Leben vorkommen und fossil erhalten bleiben kann. Das würde bedeuten, dass in den ältesten Gesteinsformationen bereits vorhandenes Leben fossil dokumentiert ist. Es wäre quasi von Anfang an da! Wenn einige der Autoren in Interviews, von denen Ausschnitte in Zeitungen3 und per Video4 weite Verbreitung finden, sich dahingehend äußern, dass der Befund auch so verstehbar sei, dass Leben ganz einfach entstehen kann und deshalb vielleicht auch an anderen Orten im Universum zu erwarten sei, dann gibt es dafür derzeit keinen empirischen Beleg; solche Aussagen sind unbegründet und von Zirkelschlüssen geprägt. Zum anderen ist die Behauptung, dass Leben womöglich ganz einfach entsteht, ein Schlag ins Gesicht derer, die sich seit den ersten naturalistischen Spekulationen von Oparin (1938) vergeblich bemühen, Möglichkeiten der Entstehung von Leben im Labor nachzuvollziehen. Es ist erstaunlich und aufgrund etablierter Vorstellungen schwer verständlich, dass fossile Lebensspuren sehr früh auftauchen. Woher kommt dieses Leben? Wie könnte es zustande gekommen sein? Das bleiben offene und zu erforschende Fragen! Jedenfalls ist es wünschenswert, dass Proben dieser Art weiter intensiv  untersucht werden. Sollte sich der bisherige Trend bestätigen, dass sehr früh in der Erdgeschichte Lebensspuren auftreten, dann sind etablierte Vorstellungen herausgefordert und gezwungen, eine wie auch immer geartete „natürliche“ Entstehung des Lebens von der Erde weg an einen andern Ort im Universum zu verlegen. In einem an biblischen Texten orientierten schöpfungstheoretischen Ansatz dagegen sind Gegebenheiten, wie sie durch die hier vorgestellten Interpretationen nahegelegt werden, zu erwarten.
Literatur
Dodd MS, Papineau D, Grenne T, Slack JF, Rittner M, Pirajno F, O´Neil J & Little CTS (2017) Evidence for early life in earth´s oldest hydrothermal vent precipitates. Nature 543, 60-64.
Anmerkungen
1 „Uniformitarianism, epitomised by younger examples of microbially produced haematite tubes in hydrothermal vent precipitates throughout the geological record, leads us to conclude that the haematite tubes and filaments within the NSB jaspers are the mineralized remains of bacterial sheats and extracellular  filaments.“
2 Spektrum: Sind das die ältesten Spuren des Lebens? http://www.spektrum.de/news/sind-das-die-aeltesten-spuren-des-lebens/1440080
NZZ: Hinweis auf Leben vor 4 Milliarden Jahren. https://www.nzz.ch/wissenschaft/biologie/fossilienfund-hinweis-auf-leben-vor-vier-milliarden-jahren-ld.148740
FAZ: Fossilienfund deutet auf Leben vor vier Milliarden Jahren hin. http://www.faz.net/aktuell/wissen/erde-klima/revolutionaerer-fossilienfund-deutet-auf-leben-vor-vier-milliarden-jahren-hin-14904999.html
Spiegel online: http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/fossilien-sollen-mindestens-3-7-milliarden-jahre-alt-sein-a-1136922.html 
3 Video von University College, London, z.B.: https://www.youtube.com/watch?v=3E83c8yoID0 (9.3.2017)
4 Z.B.: Washington Post vom 1.3.2017 (dort ist ebenfalls das oben genannte Video verlinkt): https://www.washingtonpost.com/news/speaking-of-science/wp/2017/03/01/newfound-3-77-billion-year-old-fossils-could-be-earliest-evidence-of-life-on-earth/?utm_term=.9afad26a4308
Die Journalisten Sarah Kaplan schreibt dort: „If their results are confirmed, they will boost a belief that organisms arose very early in the history of earth – and may find it just as easy to evolve on worlds beyond our own.” Weiter zitiert sie Matthew Dodd: „The process to kick-start life may not need significant length of time or special chemistry, but could actually be a relatively easy process to get started” said Matthew Dodd, a biogeochemist at University College London and lead author of the paper. „It has big implications for whether life is abundant or not in the universe.”
 
 


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Sa 25 März 2017, 17:45

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22.03.17 
Mosaikform der Gegenvögel passt erneut nicht ins evolutionäre Bild

Erneut wurde eine fossile Vogelgattung mit einem ungewöhnlichen Merkmalsmosaik entdeckt. Die zu den Gegenvögeln (Enantiornithes) gestellte Art Cruralispennia multidonta besitzt auch Merkmale, die typisch sind für die andere große Vogelgruppe aus der Kreide, den Ornithurae („Vogelschwänze“). Obwohl Cruralispennia eine abgeleitete Stellung unter den Gegenvögeln einnimmt und nicht als Übergangsform deutbar ist, gehört diese Gattung nach Archaeopteryx zu den ältesten Vögeln – eine „stratigraphisch-phylogenetische Diskrepanz“ (Wang et al. 2017).
Einleitung. In den letzten 30 Jahren wurden ungewöhnlich viele fossile Gattungen von Vögeln in den geologischen Schichten der Unterkreide entdeckt. Nach dem berühmten oberjurassischen Urvogel Archaeopteryx gehören diese Formen zu den stratigraphisch ältesten Gattungen. Die meisten von ihnen lassen sich zwei deutlich unterscheidbaren Gruppen zuordnen, den sogenannten Gegenvögeln (Enantiornithes) und den „Vogelschwänzen“ (Ornithurae). Letztere haben ihren Namen daher, dass sie wie heutige Vögel eine kurze Schwanzwirbelsäule mit einem Pygostyl besaßen (das sind mehrere verschmolzene Schwanzwirbel), an dem ein Fächerschwanz ansetzt. Dagegen besaßen Archaeopteryx und einige andere Gattungen von „Urvögeln“ eine lange Schwanzwirbelsäule und entsprechend einen Fiederschwanz.
Wie so oft zeigt sich auch bei den Vögeln der Unterkreide, dass mit der Zunahme von Funden mögliche Abstammungsverhältnisse nicht klarer werden, sondern immer schwieriger zu rekonstruieren sind. Die Anzahl der evolutionstheoretisch anzunehmenden Konvergenzen von wichtigen Merkmalen nimmt zu, so dass sich Merkmalswidersprüche häufen. Das heißt es muss mehrfache Entstehung weitgehend baugleicher Merkmale angenommen werden – evolutionstheoretisch problematisch.

Der neue Fund.

Ein jüngst beschriebener Fund aus der Huajiying-Formation Nordwestchinas (Unterkreide, 131 Millionen radiometrische Jahre), der aufgrund zahlreicher anatomischer Merkmale zu den Gegenvögeln gestellt wurde (Wang et al. 2017, 6), trägt weiter zu diesen Merkmalswidersprüchen bei. Die Huajiying-Formation ist die geologisch älteste Schicht, in der fossile Vögel geborgen wurden, nur übertroffen vom fränkischen Oberjura mit seinen Archaeopteryx-Fossilien. Der neue Fund wurde aufgrund seiner ungewöhnlich befiederten Beine Cruralispennia genannt (crus = Schenkel, pennae = Federn). Außerdem handelt es sich trotz seines geologischen Alters um eine abgeleitete („höherentwickelte“) Form. Das heißt: Sie steht gemäß phylogenetischer Analysen nicht im Bereich der Basis der Gruppe, sondern tief eingeschachtelt weiter oben im Dendrogramm (Ähnlichkeitsbaum). Nach Auffassung der Bearbeiter ist dies „unerwartet“ (Wang et al. 2017, 1), weil evolutionär an der Basis einer Gruppe natürlich mit „primitiven“ Formen gerechnet wird. Die Autoren sprechen von einer „stratigraphisch-phylogenetischen Diskrepanz“ (Wang et al. 2017, 7).
Besonders überraschend ist der Besitz eines pflugförmigen Pygostyls, dessen Form für Ornithurae typisch ist (Gegenvögel haben sonst ein längliches Pygostyl).1 Wang et al. nehmen an, dass es konvergent zu den Ornithurae entstanden ist, was die homoplastische Natur der frühen Vogelevolution aufzeige. (Homoplasie ist ein Sammelbegriff für Konvergenzen, Parallelismus und Rückentwicklungen.) Ebenfalls bisher nicht bekannt unter den Gegenvögeln der Unterkreide war die Ausbildung eines extrem schlanken Coracoids (Rabenbein) bei Cruralispennia; bisher war diese Form des Coracoids nur bei Formen aus der Oberkreide bekannt. Übergangsformen zwischen Formen mit Fiederschwanz und den Pygostylia sind nicht bekannt (Wang et al. 2017, Cool.2
Ungewöhnlich sind auch die bereits erwähnten Federn an den Schenkeln, die im körpernahen Bereich drahtartig sind und distal fädige Spitzen besitzen. Diese Federform war bisher unbekannt und erweitert das ohnehin bereits reichhaltige Spektrum von Federformen bei frühen Vögeln, das die Vielfalt heutiger Federtypen noch übersteigt.  Wang et al. bezeichnen sie als als „PWFDTs“ – „proximally wire-like part with a short filamentous distal tip“. Ansonsten ist fast das ganze Skelett von verkohlten Federresten umgeben, neben haarartigen Körperfedern sind auch flächige asymmetrische Schwungfedern erhalten.
Auffällig ist schließlich der Besitz von 14 Zähnen auf dem Dentale, was den Artnamen C. multidonta motiviert hat. Fast alle Gegenvögel besitzen weniger Zähne (einzige Ausnahme ist Eopengornis mit 12-14 Zähnen). Interdentalplatten (dreieckige Zwischenzahnwände), wie sie bei Archaeopteryx und theropoden Dinosauriern und z. T. auch bei anderen Sauriern  bekannt sind, wurden nicht nachgewiesen. Histologische Befunde an den Knochen deuten darauf hin, dass Cruralispennia schnell wuchs und vermutlich binnen eines Jahres ausgewachsen war; für die Gegenvögel ein weiteres ungewöhnliches, als abgeleitet interpretiertes Merkmal.
Der neue Fund trägt zum Bild eines plötzlichen fossilen Erscheinens einer erheblichen Formenvielfalt in der Unterkreide bei. Auch unter den Ornithurae (ebenfalls Unterkreide) findet sich eine abgeleitete Gattung – Archaeornithura – ausgerechnet unter den geologisch ältesten Formen (vgl. Wang et al. 2015; Der älteste „echte“ Vogel: überraschend modern).
Literatur
Wang M (2015) et al. The oldest record of ornithuromorpha from the early cretaceous of China. Nat. Comm. 6:6987, doi: 10.1038/ncomms7987
Wang M, O’Connor JK, Pan Y & Zhou Z (2017) A bizarre Early Cretaceous enantiornithine bird with unique crural feathers and an ornithuromorph plough-shaped pygostyle. Nat. Comm. 8:14141, doi: 10.1038/ncomms14141
Anmerkungen
1„Although detailed features are obscured by compression and two-dimensional preservation, the general shape of the pygostyle of Cruralispennia is indistinguishable from that of ornithuromorphs, particularly with regards to the upturned distal end“ (Wang et al. 2017, Cool.
2 „Unfortunately, little is known about this dramatic transition, and it is unclear when this feature evolved.“


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Sa 29 Apr 2017, 20:50

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28.04.17  „Wunderwerk Feder“
Neue Untersuchungen eröffnen neue Einblicke in den komplizierten Feinbau von Vogelfedern. Eine ausgeklügelte Anordnung von Keratinfasern ermöglicht die besonderen Eigenschaften der Federn – die Kombination von Leichtheit, Stabilität, Flexibilität und Robustheit. In den Beschreibungen wird die Genialität des Federfeinbaus hervorgehoben. Für die ebenfalls geäußerte Auffassung, es handle sich um eine Perfektionierung im Laufe einer langen Evolution, werden dagegen keinerlei Gründe genannt.
„Wunderwerk Feder“ – diese Überschrift stellt Verena Dietrich-Bischoff über eine Zusammenfassung neuer Studien zum Feinbau von Vogelfedern. Im Text ist dann von „Wunderwerken der Evolution“ die Rede; wenn man sich aber die erforschten Details vor Augen hält, kommen Zweifel, ob die genialen Strukturen ein Evolutionsprodukt sein können.
immt man eine Vogelfeder in die Hand, überrascht immer wieder, wie leicht dieses Gebilde ist. Es heißt nicht umsonst „federleicht“. Gleichzeitig sind Vogelfedern ausgesprochen robust und dennoch biegsam und kombinieren damit sehr unterschiedliche Eigenschaften. Diese Kombination stellt besondere Anforderungen an den Feinbau der Federn. Es wird geeignetes Baumaterial benötigt– lange Proteinfasern aus beta-Keratin –, außerdem gibt es anspruchsvolle Anforderungen an die Art und Weise, wie das Material in Federschaft, -ästen und -strahlen „verbaut“ wird, und schließlich sind auch die Anforderungen an die Struktur der reißverschlussartig ineinandergreifenden Federstrahlen (Bogen- und Hakenstrahlen) alles andere als trivial. Denn bei aller Robustheit müssen die Federn auch kontrolliert nachgeben können, wenn starke Kräfte auf sie wirken, damit irreparable Risse vermieden werden; dafür ist der „Reißverschluss“ sehr praktisch. Materialeigenschaften, Feinbau und Federstrukturen sind also genau aufeinander abgestimmt. Es ist leicht einzusehen, dass diese besonderen Eigenschaften der Federn zum einen komplett vorhanden sein müssen, damit Federn flugtauglich sind, und dass sie zum anderen nicht oder nur in sehr viel einfacherer Ausprägung benötigt würden, wenn Federn nur irgendwelche anderen Funktionen wie Wärme- und Kälteschutz, Signalgebung oder Schutz vor Verletzungen erfüllen müssten, nicht aber zum Fliegen gebraucht würden.
Tatsächlich ist der Feinbau von Schaft und Federästen so kompliziert, dass bis vor kurzem viele Details nicht bekannt waren. Die Fasern sind nämlich mit einer Matrix zementartig verbunden, was die Aufklärung ihrer Anordnung erschwert, aber zugleich zu ihrer Stabilität beiträgt (vgl. Lingham-Soliar 2017, 1). Erst in jüngerer Zeit wurden durch neue Untersuchungstechniken hier größere Fortschritte erzielt. Durch Computertomographie (Laurent et al. 2014) und mithilfe federzersetzender Pilze (Lingham-Soliar et al. 2010), durch die die Keratinfasern und Faserbündel freigelegt werden können, wurden ganz neue Einblicke in die Anordnung der Fasern und damit in den Feinbau gewonnen (Lingham-Soliar 2014; 2017).
Dabei hat sich Folgendes gezeigt: Die beta-Keratin-Fasern bestehen aus feineren Fäserchen und sind selbst in Bündeln angeordnet. Diese können verschiedene Schichten bilden, in denen die Fasern unterschiedlich orientiert sein können. Dietrich-Bischoff (2014) fasst die weiteren Befunde wie folgt zusammen: „Nun sind zwei verschiedene Fasersysteme mit unterschiedlicher Orientierung nachgewiesen worden, die unterschiedliche mechanische Eigenschaften verleihen. Im größten Teil des Federschafts laufen die Keratinfasern in Längsrichtung, wodurch die Feder verdreht werden kann, ohne zu brechen. In den Seitenwänden des Schafts hingegen liegen die Fasern über Kreuz, was der Feder größere Steifheit verleiht. ů Die Keratinfasern weisen zudem in gewissen Abständen Knötchen auf, die zu denen benachbarter Fasern versetzt angeordnet sind. Diese Anordnung trägt dazu bei, dass sich ein Riss im Federschaft schlecht ausbreiten kann. Zudem konnte gezeigt werden, dass Federschaft und -äste keineswegs hohl sind, sondern ein éschaumähnlichesĹ Inneres aufweisen – ein poröses Netzwerk von Fasern, die mit einem Polymer beschichtet sind, das Gase bindet. So steht die Feder unter schwachem Druck, was dazu beiträgt, dass sie weniger leicht einknickt. Der Schaum wirkt wie ein Energieabsorber und sorgt vermutlich dafür, dass die Feder nach Verbiegen oder Verdrehen wieder in ihre ursprüngliche Position zurückspringt.“
In einer neueren Arbeit legt Lingham-Soliar (2017) weitere interessante Befunde zur Anordnung der Keratinfasern in den sich verjüngenden Federschäften vor. Er konnte zeigen, wie die Verjüngung erfolgt, ohne dass die Faserverläufe in den Wänden (Cortex) des Schafts auslaufen. Die Keratinfasern biegen vielmehr links und rechts in die Wände der Federäste ab, wodurch die Äste tief im Schaft gleichsam „verwurzelt“ sind. Das ermöglicht Reißfestigkeit und verringert gleichzeitig die Gefahr von Brüchen oder Knicken im Schaft; die Kräfte, die beim Flug auf die Federn wirken, werden so auf die Federn gleichmäßig verteilt. Ein Auslaufen (bzw. ein Abbruch) der Fasern im Cortex würde – so Lingham-Soliar – aus mechanischen Gründen die Gefahr von Beschädigungen erhöhen.[1] Diese Grundstruktur des Abzweigens in die Federäste erwies sich bei den verschiedenen untersuchten Arten als sehr ähnlich (S. 4). Lingham-Soliar (2017, 7f.) lobt diese Lösung als „biomechanisch genial“ („ingenious“); durch diese neu entdeckte Architektur des Cortex der Schaftes und der Äste, wo Hunderte von Fasern in die Äste abzweigen statt beendet zu werden, würden auf einen Schlag viele Sollbruchstellen vermieden.
Kommentar
Diese Details machen deutlich, wie fein abgestimmt verschiedene Aspekte der Federfeinstruktur sein müssen, damit die Feder die für ihre Funktion erforderlichen Eigenschaften besitzt. Angesichts dieser Tatsache überrascht es, wenn Verena Dietrich-Bischoff (2014) abschließend zu den damals bereits bekannten Details schreibt, dass die vorgestellten Befunde zur Feinstruktur von Federn möglicherweise dazu beitragen würden, ein evolutionäres Rätsel, die Entstehung des Vogelflugs, zu lösen. Oder dass Lingham-Soliar (2017, 6) meint, es sei klar, dass die außergewöhnliche Mikrostruktur des Wand des Schafts und der Äste über die Millionen Jahre der Vogelevolution perfektioniert worden sei.[2] Jedenfalls zeigen die neuen Befunde, dass das Rätsel größer ist als je zuvor, denn die Federn erweisen sich als komplizierter gebaut als bisher bekannt. Und man kann durchaus nachvollziehen, dass die Details auch allesamt in der verwirklichten Form ausgeprägt sein müssen, damit die Federn ihren Teil zur Ermöglichung des Fluges leisten können. Die dafür erforderlichen höchst anspruchsvollen Materialeigenschaften sind notwendige Voraussetzungen. Es handelt sich auch um weit mehr als um „Perfektionierung“, sondern vielmehr um eine ausgeklügelte, anspruchsvolle Konstruktion.
Zudem ermöglichen auch die allerbesten Federn noch keinen Flug. Es wird auch eine zweckmäßige Verankerung im Körper benötigt, ein Muskelgeflecht an den Federspulen zur Bewegung der Federn, Blutgefäße, Nervenbahnen und Sinnesorgane, die die Positionen der einzelnen Federn registrieren und ans Gehirn melden, und die passenden Reaktionen darauf, die Einbettung der Federn in ein hydraulisches System von Fett- und Bindegewebe und weitere anatomische Details. Die Anforderungen an die Federn und ihre Steuerung sind wiederum nur ein Teil der Voraussetzungen für die Flugfähigkeit, denn es muss auch ein passendes Federkleid ausgebildet sein, weiterhin dessen koordinierte Steuerung; zahlreiche Muskelpartien sind beim Flug beteiligt; es gibt Anforderungen an den Skelettbau; die Federn bedürfen ständiger Pflege usw.
Es ist daher alles andere als klar, dass und wie die Federstrukturen evolutiv entwickelt und „perfektioniert“ wurden. Das Problem besteht neben zahlreichen Details vor allem auch in der Notwendigkeit vielfacher Abstimmung verschiedenster Aspekte. Dietrich-Bischoff (2014) kommentiert einen kurzen Überblick zum groben Aufbau einer Feder wie folgt: „All diese einzelnen Elemente sind hervorragend an ihre jeweilige Funktion angepasst und wirken zusammen, um der Feder die notwendigen Gesamteigenschaften zu verleihen.“ Zukunftsblinde Prozesse wie Mutation und Selektion sind nach allem, was wir wissen, völlig überfordert, solche Abstimmungen über mehrere Ebenen der Organisation zu ermöglichen.

Natur und Technik.
Lingham-Soliar (2017, 10) zieht einen Vergleich mit technischen Materialien; diese seien vergleichsweise einfach strukturiert und die technischen Strukturen seien monofunktional. Ganz anders dagegen die biologischen Strukturen, die viele Funktionen zugleich erfüllen und so kompliziert aufgebaut sind, dass es schwierig ist, sie in die einzelnen Komponenten aufzuspalten, um daraus etwas für die technische Anwendung zu lernen. Von einer Nachahmung in der Technik ist man daher weit entfernt. Auch dieser Sachverhalt spricht zusätzlich mehr dafür, dass die Entstehung von Vogelfedern eines enormen geistigen Inputs bedurfte, während Komplexität und Multifunktionalität sicher nicht für eine natürlich-evolutive Entstehung sprechen.

Vergleich mit anderen Strukturen.
Interessant ist auch der Befund, dass es Ähnlichkeiten im Aufbau der Federn mit anderen biologischen Strukturen gibt. Dietrich-Bischoff (2014) weist darauf hin, dass auch der Chitinpanzer von Insekten aus mehreren Schichten besteht, in denen die Chitinfasern auf verschiedene Weise orientiert sein können, wodurch der Panzer an manchen Stellen hart, an anderen biegsam wird. Was das schaumartige Innere des Federschafts betrifft, so sind ähnliche Strukturen auch von Pflanzenstängeln und Stacheln von Tieren bekannt. Lingham-Soliar (2017, 8f.) sieht weiterhin Ähnlichkeiten in der Anordnung von Fasern in der Rücken- und Schwanzflosse des Weißen Hais (Carcharodon carcharias) und im Verlauf von Leitungssystem und Fasern bei der Verbindung von Ästen mit Stämmen von Pflanzen, die ähnlichen Kräften ausgesetzt seien wie die Federäste. Auch hier stellt sich die Frage: Sind zukunftsblinde Prozesse in der Lage, unabhängig voneinander in ganz verschiedenen Systemen dieselbe anspruchsvolle Lösung für schwierige Aufgaben zu finden?

Literatur
Dietrich-Bischoff V (2014) Wunderwerk Feder. Die Vogelwarte 52, 59.
Laurent CM, Palmer C, Boardman RP, Dyke G & Cook RB (2014) Nanomechanical properties of bird feather rachises: exploring naturally occurring fibre reinforced laminar composites. J. R. Soc. Interface 11: 20140961; doi:10.1098/rsif.2014.0961
Lingham-Soliar T (2014) Feather structure, biomechanics and biomimetics: the incredible lightness of being. J. Ornithol. doi:10.1007/s10336-013-1038-0.
Lingham-Soliar T (2017) Microstructural tissue-engineering in the rachis and barbs of bird feathers. Sci. Rep. 7:45162; doi:10.1038/srep45162.
Lingham-Soliar T, Bonser RHC & Wesley-Smith J (2010) Selective biodegradation of keratin matrix in feather rachis reveals classic bioengineering. Proc. R. Soc. 277B, 1161-1168. 


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Mi 01 Nov 2017, 01:01

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27.10.17  Die „ältesten“ Bäume waren die komplexesten
Bäume der ausgestorbenen Pflanzengruppe der Cladoxylopsida sind schon lange bekannt. Kürzlich wurden in China Baumstümpfe dieser Gruppe entdeckt, die aufgrund besonderer Ablagerungsbedingungen sehr gut erhalten waren und neue Erkenntnisse ermöglichten. Dabei zeigte sich: Die Stämme waren komplexer gebaut als die Stämme aller anderen fossil bekannten oder heutigen Bäume. Kein Wunder, dass einer der Bearbeiter, Christopher M. Berry von der Cardiff University, die Frage stellt:Warum waren die ältesten aller Bäume auch die kompliziertesten?“1
Man könnte meinen, dass der mutmaßlich erste Wald regelrecht aus dem Boden gestampft wurde. So jedenfalls stellt sich der geologisch älteste Auftritt von Bäumen in der Fossilüberlieferung dar. Denn aus evolutionstheoretischer Sicht müsste die Entstehung von Bäumen ausgehend von krautigen Landpflanzen im Unter- bis zum oberen Mitteldevon ausgesprochen schnell verlaufen sein – vermutlich viel zu schnell für die bekannten evolutionären Mechanismen. Zudem treten sehr verschiedene Baumgestalten und Baupläne ab dem mittleren bis oberen Mitteldevon in der fossilen Überlieferung auf: Mit den Cladoxylopsida und den Progymnospermen dominierten im Mitteldevon zwei sehr verschiedene Formen die ältesten fossil bekannten Wälder, und ab dem Oberdevon gesellten sich die Bärlappbäume dazu, die einen weiteren Baumtyp mit nochmals einem ganz anderen Bauplan repräsentieren.
Die Cladoxylen-Bäume waren schon seit 1920 durch mächtige, stark verbreiterte, mit Sediment gefüllte hohle Stümpfe mit einem Durchmesser von bis zu einem Meter bekannt. Nach dem Fundort im US-Bundesstaat New York wurde der „erste Wald“ als „Gilboa-Wald“ bezeichnet; es waren hunderte Baumstümpfe entdeckt worden. Vor einigen Jahren stellte sich heraus, dass der Gilboa-Wald mit der darin dominierenden Gattung Wattieza deutlich komplexer zusammengesetzt war als bis dahin angenommen, denn es wurden auch Reste strauchartiger Aneurophyten (einer Untergruppe der Progymnospermen) und von Bärlappbäumen nachgewiesen (Stein et al. 2012).

Neue hervorragend erhaltene Funde.

Über den Aufbau der Gilboa-Bäume war bisher allerdings wenig bekannt. Erst im Jahr 2007 gelang der Nachweis, dass Äste der Formgattung2 Wattieza zu den Stümpfen der Formgattung Eospermatopteris gehören (Stein et al. 2007). Deren Aufbau konnte nun durch hervorragend erhaltene, in China entdeckte Baumstümpfe detailliert aufgeklärt werden. Die Stümpfe wurden in Xinjiang-Schichten des unteren Oberdevon (Frasnium) Chinas entdeckt, die auf 374 Millionen radiometrische Jahre datiert wurden3, und in die neue Gattung Xinicaulis gestellt (Xu et al. 2017). Die exzellente Erhaltung wurde durch Einbettung in glasartige Kieselerde (Silizifizierung) möglich, wodurch sogar einzelne Zellen erkennbar sind.4
Untersucht wurden zwei Stämme von 8 bzw. 70 cm Durchmesser. Es stellte sich heraus, dass die bis ca. 12 Meter hohen Bäume das komplizierteste Holz bilden, das sowohl von fossilen als aus heute lebenden Bäumen bekannt ist – der Bauplan des Stammes unterscheidet sich markant vom Aufbau anderer Bäume. Während normalerweise das Leitsystem aus Xylem (für Wassertransport nach oben) bei den Bäumen als Zylinder ausgebildet ist, der nach außen wächst und für die Verbreiterung des Stammes sorgt, bestand der Stamm der Cladoxylen-Bäume gleichsam aus vielen einzelnen Mini-Stämmen mit jeweils eigenem Xylem und eigenen Wachstumsringen. Dieses System von Mini-Stämmen befand sich allerdings nur in den äußeren ca. 5 Zentimetern des Stammes, der ansonsten hohl war (siehe http://cdn.sci-news.com/images/2017/10/image_5364_2-Xinicaulis-lignescens.jpg). Bei dem größeren Stamm waren mehrere hundert Xylem-Stränge ausgebildet und durch Querverbindungen miteinander wie die Drähte eines Maschendrahtzauns zu einem Leitungsnetz verknüpft. Außen gingen an der Basis Adventivwurzeln ab.
Diese ungewöhnliche und bisher unbekannte Anordnung ermöglicht auch eine Erklärung für die charakteristische knollenförmige Basis der Stämme und ihren Eiffelturm-artigen Aufbau. Die Forscher erklären diese Form dadurch, dass aufgrund des Drucks des eigenen Gewichts das Gewebe an der Stammbasis nach außen gedrückt und die einzelnen Stränge auseinandergerissen wurden. Dieser Vorgang verlief offenbar kontrolliert; die auseinandergerissenen Xylemstränge wurden repariert und die Lücken durch Wachstum von Parenchym ausgefüllt.5 Die Autoren sprechen von einem „kontrollierten Kollaps der Struktur an der sich verbreiternden Basis“ (Xu et al. 2017, 1).
Xu et al. (2017, 5) stellen fest, dass es trotz der Einzigartigkeit des Wachstums doch auch Ähnlichkeiten mit einkeimblättrigen Bäumen wie den Palmen gebe, und zwar in der Art der Bildung des Xylems in Strängen und in der Wuchsform, was als Konvergenzen interpretiert werden müsse.

Evolutionstheoretische Betrachtungen.

Die Verwandtschaftsverhältnisse der Cladoxylopsida sind unklar, da Affinitäten zu verschiedenen Gruppen bestehen, die eine widerspruchsfreie Einordnung in einen Stammbaum nicht erlauben (Junker 1996, 41). Stewart & Rothwell (1993, 217) sehen in ihnen erfolglose evolutionäre Experimente. Berry wird in Pressemeldungen zitiert, dass der Grund des Aussterbens dieser ungewöhnlichen Bäume unklar sei.6 Ein Verdrängen durch größere Arten scheint nicht plausibel, da dies in vergleichbaren Fällen auch nicht zum Aussterben geführt hat. Eher liegt der Verdacht nahe, dass das Aussterben damit zu tun hat, dass die Cladoxylen-Bäume mit ihren hohlen Stämmen in besonderen Biotopen gelebt haben, die es später nicht mehr gab.
Dass die geologisch ältesten Bäume den kompliziertesten Bau ihrer Stämme haben, kommt evolutionstheoretisch unerwartet. Verbunden mit dem – im Rahmen der Historischen Geologie – plötzlichen Auftreten von Bäumen in der Überlieferung fossiler Landpflanzen sind die Schwierigkeiten einer Einordnung im evolutionstheoretischen Modellrahmen umso größer.
Literatur
Junker R (1996) Evolution früher Landplanzen. Eine kritische Diskussion fossiler Funde. Studium Integrale. Neuhausen-Stuttgart.
Stein WE, Mannolini F, VanAller Hernick L, Landing E & Berry CM (2007) Giant cladoxylopsid trees resolve the enigma of the Earth’s earliest forest stumps at Gilboa. Nature 446, 904-907.
Stein WE, Berry CM, VanAller Hernick L & Mannolini F (2012) Surprisingly complex community discovered in the mid-Devonian fossil forest at Gilboa. Nature 483, 78-81.
Stewart WN & Rothwell GW (1993) Palaeobotany and the evolution of plants. 2nd edition. Cambridge: Cambridge University Press.
Xu HH, Berry CM, Stein WE, Wang Y, Tang P & Fu Q (2017) Unique growth strategy in the Earth’s first trees revealed in silicified fossil trunks from China. PNAS, doi: 10.1073/pnas.1708241114
Video mit Erläuterungen von Prof. Ch. Berry:
https://www.youtube.com/watch?v=e7fZehmBCy8
Anmerkungen
1 http://www.wissenschaft.de/erde-weltall/palaeontologie/-/journal_content/56/12054/20526642
2 Als Formgattungen bezeichnet man in der Paläobotanik einzelne Organe oder Organsysteme, wenn große Teile der Pflanzen fossil nicht überliefert sind.
3 Die Autoren schreiben im Online-Zusatzmaterial, dass die Basis fehlte und die Fossilstücke sich lose im Sediment befanden; es kann sich also um allochthones (eingeschwemmtes) Material handeln. Die Stratigraphie und das abgeleitete Alter (über die geologische Zeitskala) ergeben sich aus den überlagernden, marinen (!) Sedimenten, einer definierten Conodonten-Zone des Grenzbereichs Frasnium/Famennium; der Übergang sei kontinuierlich; es liegt also keine unmittelbare Altersbestimmung von z. B. vulkanischem Material (Zirkone) vor.
4 „The fossilised trunk obtained from Xinjiang was huge and perfectly preserved in glassy silica as a result of volcanic sediments, allowing us to observe every single cell of the plant.”  (http://www.cardiff.ac.uk/news/view/981090-worlds-oldest-and-most-complex-trees)
„Thanks to volcanic sediments, tiny grains of silica were able to penetrate deep into the trees’ tissues, preserving their structure on a cellular level — and allowing scientists to study it in unprecedented detail.“ (http://www.latimes.com/science/sciencenow/la-sci-sn-oldest-trees-forest-20171023-story.html)
5 „The tree simultaneously ripped its skeleton apart and collapsed under its own weight while staying alive and growing upwards and outwards to become the dominant plant of its day.“ (http://www.telegraph.co.uk/news/2017/10/23/ancient-tree-tore-apart-regrow-complicated-ever-found/).
„In order to expand this trunk, all those interconnections have to slowly rip apart in order to accommodate the growth of the plant — and that was what we saw in the specimen,” Berry said. “As they were being pulled apart to make the tree bigger, they were also repairing themselves at the same time.” (http://www.latimes.com/science/sciencenow/la-sci-sn-oldest-trees-forest-20171023-story.html)
6 http://www.latimes.com/science/sciencenow/la-sci-sn-oldest-trees-forest-20171023-story.html
19.06.17  Spannendes Buch über die grundlegende Krise von Evolutionstheorien
In seinem im Jahr 2016 erschienenen Buch „Evolution: Still a theory in crisis“ formuliert der Biochemiker Michael Denton grundlegende Kritik an (neo-)darwinistischen Evolutionstheorien und untermauert sie mit einer großen Anzahl von verschiedensten Beispielen. Seine Kritik spielt dem Schöpfungsgedanken in die Hände.
30 Jahre nach der Veröffentlichung seines vielbeachteten Werks „Evolution: A theory in crisis“ veröffentlichte der britisch-australische Biochemiker Michael Denton ein Nachfolgewerk: „Evolution: Still a theory in crisis“ (Seattle: Discovery Institute Press). Schon der Titel macht deutlich, dass er seine im Jahr 1985 formulierte Kritik an Evolution auch nach vielen neuen Erkenntnissen und vielen neuen Fossilfunden bestätigt sieht. Die Hauptthese lautete damals:  Die Natur ist im Wesentlichen diskontinuierlich; es gibt systematische Sprünge. Höhere Taxa und Taxa-definierende homologe Merkmale sind deutlich abgrenzbar.
Wenn Denton Recht hat, ist das ein fundamentales Problem für (neo-)darwinistische Vorstellungen von einer graduellen Evolution, die durch das Wechselspiel von zukunftsblinden Mutationen und gegenwartsbezogener natürlicher Auslese vorangetrieben wird – auch wenn Denton das Evolutionsparadigma als Rahmen akzeptiert.

Strukturalismus und Funktionalismus.

Die Problematik für Evolution wird nach Denton durch die Gegenüberstellung von Strukturalismus und Funktionalismus deutlich. Nach dem Strukturalismus sind wesentliche Teile des Bauplans von Lebewesen (Homologien, höhere Taxa definierende Merkmale) durch grundlegende interne Zwänge oder durch physikalische Faktoren bestimmt. Die Strukturen sind primär und ermöglichen Funktionen.
Dagegen sind nach dem Funktionalismus die Funktionen der Organe primär. Diese Sicht ist für die (neo-)darwinistische Theorie grundlegend: Die Organe seien während der Evolution aufgrund funktioneller Notwendigkeiten durch kumulative Selektion und Anpassung entstanden – in vielen kleinen Schritten, wie Darwin betonte. Nicht physikalische Gesetzmäßigkeiten und innere Zwänge sind entscheidend, sondern von Beginn an und jederzeit Anpassung an die Umwelt und die Funktion des jeweiligen Organs. Der Gegensatz beider Anschauungen kann in einer Frage so gefasst werden: Bestimmt die Struktur die Funktion oder bestimmt die Funktion die Struktur?
Dentons Buch ist ein Plädoyer für den Strukturalismus und somit eine Kritik des Darwinismus und der darauf aufbauenden neueren Synthesen. Das zeigt er anhand einer großen Anzahl verschiedenster Beispiele und Phänomene und auch durch Zitate zeitgenössischer Wissenschaftler. Denton legt dar, dass die wesentlichen Bauplan-Merkmale weder durch heutige funktionelle Erfordernisse verstanden werden können noch durch die Annahme, dass ursprünglich (bei ihrer Entstehung) ihre Funktion entscheidend war. Anpassungsvorgänge und Selektion spielen nur eine untergeordnete Rolle bei der mikroevolutiven Feinabstimmung von Organen auf unterschiedliche Umweltbedingungen
Das Auftreten von Neuheiten sei also nicht primär durch funktionelle Notwendigkeit begründet, wie von (neo-)darwinistischen Ansätzen angenommen, sondern durch interne und naturgesetzliche Zwänge bedingt; nur deren spezielle Anpassungen könnten darwinistisch erklärt werden.
Interessant sind Dentons Ausführungen zur Wissenschaftsgeschichte. Er zeigt, dass Charles Darwin und seine Nachfolger in der Sache zu Unrecht als Sieger im Theorienwettstreit zur Entstehung der Baupläne erklärt wurden. Die nach Darwin übliche Darstellung, die Biologen vor Darwin hätten ihre Überzeugungen auf ihren metaphysischen Glauben gegründet, stelle die Realität auf den Kopf und sei ein Mythos, den die Neodarwinisten geschaffen hätten. Denn in Wirklichkeit hätten die Biologen vor Darwin ihre Sicht von Typen des Lebens als unveränderliche Bestandteile der Weltordnung gerade nicht aus metaphysischen Vorgaben abgeleitet, sondern aus empirischen Befunden.

Kritik.

Dentons Grundthese lautet: Das Leben und seine Bauelemente sind integrale Bestandteile der Natur bzw. der kosmischen Ordnung und entstehen wie die Atome oder Kristalle letztlich aufgrund der Eigenschaften der Materie  mit Notwendigkeit. Diese Grundthese versucht er mit einer Analogie aus dem anorganischen Bereich zu untermauern: den Formen, die Wasser bilden kann. Doch eine solche Argumentation ist höchst fragwürdig. Denn den anorganischen Beispielen fehlt eine entscheidende Eigenschaft, die die Strukturen von Lebewesen aufweisen: funktionale Komplexität. Lebewesen machen sich aktiv die Naturgesetzmäßigkeiten zunutze; sie sind mit Möglichkeiten ausgestattet, dies tun zu können. Ihre Organe und ihr ganzer „Betrieb“ arbeiten den natürlichen Zerfallstendenzen entgegen. Im nicht-lebenden Bereich der Schöpfung fehlt genau das.
So bleibt vage und unklar, inwiefern die Grundstrukturen der Lebewesen eine Folge von Gesetzmäßigkeiten und internen Zwängen seien, sprich wie diese die Strukturen der Lebewesen hervorbringen. Denton zeigt mit vielerlei Argumenten und gut begründet, dass kleinschrittige Anpassungen keinen Weg zu den Basisstrukturen des Lebens ebnen, da zahlreiche morphologische, physiologische und genetische Änderungen en bloc neu auftreten und aufeinander abgestimmt sein müssen, und dass somit die (neo-)darwinistische Erklärung nicht zielführend ist. Aber die strukturalistische Alternative bleibt im Ungefähren. Gelegentlich spricht Denton von „Vor-Arrangements“ oder Prädispositionen. Nur wenn die Natur speziell bzw. gezielt vor-arrangiert war für die Verwirklichung von Neuheiten, sei deren sprunghafte Entstehung denkbar. Aber woher kommt dann dieses Vor-Arrangement?
Dentons Kritik am funktionalistischen Ansatz erscheint zwar gut begründet, doch kann er seinen strukturalistischen Ansatz genau so wenig empirisch begründen. Seine Kritik spielt jedoch dem Schöpfungsdenken in die Karten und die von ihm vorgetragenen Befunde können als klare Hinweise auf einen Schöpfer gewertet werden, so wie es die Typologen (wie Cuvier, Owen und von Baer) im 18. und 19. Jahrhundert vertreten haben.
Eine ausführliche Buchbesprechung ist unter www.wort-und-wissen.de/info/rezens/b56.html frei verfügbar.


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