op_wandel_met_walvissen.cwk (TV)

Vliebergh-Sencie Biologie 2009
Op Wandel met Walvissen
Evolutie in het Museum voor Dierkunde
I. Het “evolutieparcours” in het museum
De brochure “I think... Evolutie in het Museum voor Dierkunde” kan je downloaden op
www.kuleuven.be/bio/museum/index.html
II. Opdracht
Overgangsvormen in het fossiel archief zijn een belangrijk bewijs voor het
concept van afstamming van een gemeenschappelijke voorouder. Fossielen tonen aan
dat de viervoeters ontstaan zijn uit een bepaalde groep beenvissen (de Actinistia),
vogels uit een groep van dinosauriërs, en walvissen uit op het land levende zoogdieren
met vier poten. Paleontologen vonden in de VS, Egypte en Pakistan uitgestorven
walvissensoorten (Basilosaurus) waarvan sommige achterpoten met kniegewrichten
hadden. Alle fossiele walvissen die tot voor kort bekend waren, waren evenwel volledig
aquatische soorten, uitgezonderd Ambulocetus, die een amfibische levenswijze kende
(zoals zeeleeuwen). Recent werden in Pakistan fossiele resten ontdekt van Pakicetus,
de oudst gekende walvissensoort (50 miljoen jaar oud) die bovendien volledig
terrestrisch was.
In deze opdracht stellen we ons de vraag: “Aan welke zoogdierengroep zijn de
walvissen het meest verwant?”. De recente walvissen zijn door divergente evolutie
uiterlijk zo verschillend geworden van de andere zoogdieren, dat deze vraag moeilijk te
beantwoorden is. Bovendien verschilt de schedel- en skeletstructuur van walvissen
sterk van die van andere zoogdieren, en zijn fossielen van primitieve walvissen vrij
zeldzaam en meestal onvolledig. Op basis van de structuur van de tanden en het oor,
gingen paleontologen ervan uit dat de Mesonychia, een groep van uitgestorven, grote,
carnivore hoefdieren die leefden in het vroege Tertiair, de nauwste verwanten van de
walvissen waren. De recent ontdekte Pakicetus-fossielen werpen een nieuw licht op
deze kwestie.
Pakicetus, de oudst gekende walvis,
was volledig terrestrisch. Ambulocetus
kende een amfibische levenswijze.
Dorudon was een volledig aquatische
primitieve walvis, maar behield toch
een scharnierend ellebooggewricht en
rudimentaire achterpoten. Balaena is
een recente walvis. De skeletten zijn
niet op schaal getekend.
Homologe en rudimentaire structuren bij walvisachtigen. De voorpoot van walvisachtigen (hier de Irrawaddydolfijn, Orcaella brevirostris) gelijkt uiterlijk op een vin, maar bestaat uit gelijkaardige (homologe)
beenderen als de voorpoten van andere viervoeters. Achteraan in het lichaam heeft de dolfijn nog
restanten van de bekkengordel. Bij voorouders van de walvisachtigen, zoals de uitgestorven Dorudon
atrox, waren de bekkengordel en de achterpoten nog sterker ontwikkeld. In de loop van de evolutie zijn
ze gedegenereerd tot de rudimentaire structuren zonder functie bij de huidige walvisachtigen. (uit “De
Wetenschap van het Leven. Over eenheid in biologische diversiteit.”, B. De Groef & P. Roels, Uitgeverij Acco)
2
Op Wandel met Walvissen
• Bekijk de structuur van de enkelbeentjes (astragali) van fossiele en levende hoefdieren en walvissen (zie figuur hieronder).
Astragali van fossiele en levende hoefdieren en walvissen. Phenacodus was een primitieve
onevenhoevige (63 miljoen jaar geleden); Pachyaena een mesonychide (55 miljoen jaar geleden);
Pakicetus een primitieve walvis (50 miljoen jaar geleden); Diacodexis de oudst gekende
evenhoevige (55 miljoen jaar geleden); Sus het huidig levende varken, een evenhoevige. Tot de
huidig levende onevenhoevigen, hoefdieren met een oneven aantal tenen (1, 3 of 5), behoren
paarden, neushoorns en tapirs. Tot de huidig levende evenhoevigen, hoefdieren met een even
aantal tenen (2, 4 of 6), behoren ondermeer runderen, herten, giraffen, varkens en nijlpaarden.
• Schrap wat niet past:
- De enkels van Mesonychia lijken op die van EVENHOEVIGEN / ONEVENHOEVIGEN.
- De enkels van primitieve walvissen (Pakicetus) lijken het meest op die van
ONEVENHOEVIGEN / MESONYCHIA / EVENHOEVIGEN.
- Afgaand op deze observaties, delen de walvissen waarschijnlijk het recentst een
gemeenschappelijke voorouder met de ONEVENHOEVIGEN / MESONYCHIA /
EVENHOEVIGEN.
Gelijkenissen tussen organismen zijn niet beperkt tot de anatomie; ook op het
moleculair niveau vertonen organismen overeenkomsten. Sommige homologieën, zoals de universele genetische code, komen bij alle organismen voor omdat ze teruggaan
tot een zeer verre gemeenschappelijke voorouder. Homologieën die recenter evolueerden, worden door kleinere takken van de stamboom gedeeld. DNA-sequenties van
verschillende organismen kunnen met elkaar vergeleken worden. Wanneer een bepaalde sequentie wordt overgeërfd van een voorouder, zal die in de loop van de tijd mutaties
accumuleren, meestal zonder significant effect op de genfunctie. Naarmate twee
organismen langer afgesplitst zijn van hun gemeenschappelijke voorouder, des te meer
mutaties zullen er opgetreden zijn en des te meer verschillen zullen we terugvinden in
hun DNA-sequenties. In het algemeen wijst een grotere gelijkenis in deze sequenties
op een nauwere verwantschap.
• Op de volgende pagina vind je 11 sequenties die (een deel van) de basensequentie
van het gen voor β-caseïne (een melkeiwit) bij verschillende zoogdieren weergeven.
De noordkaper, potvis en bruinvis zijn walvisachtigen. De neushoorn is een onevenhoevige en dient als vergelijkingspunt of “outgroup”; alle overige dieren zijn evenhoevigen. Pekari’s of navelzwijnen zijn evenhoevigen verwant met varkens. Vergelijk de
Op Wandel met Walvissen
3
sequenties twee aan twee en noteer het aantal verschillende baseparen in de tabel.
Noordkaper:
Potvis:
Bruinvis:
Giraf:
Nijlpaard:
Koe:
Kameel:
Hert:
Varken:
Pekari:
Neushoorn:
AATCCCCAAAGCTAAGGAGACTATCCTTCCTAAGCATAAAGAAATGCCCTTCCCTATATC
AGTCCCCAAAGCTAAGGAGACTCTCCTTCCTAAGCATAAAGAAATGCCCTTCCCTAAATC
AGTCCCCAAAGCTAAGGAGACTATCCTTCCTAAGCATAAAGAAATGCGCTTCCCTAAATC
AGTCTCCAAAGTGAAGGAGACTATGGCTCCTAAGCACAAAGAAATGCCCTTCCCTAAATA
AGTCCCCAAAGCAAAGGAGACTATCCTTCCTAAGCATAAAGAAATGCCCTTCTCTAAATC
AGTCCCCAAAGTGAAGGAGACTATGGTTCCTAAGCACAAGGAAATGCCCTTCCCTAAATA
TGTCCCCAAAACTAAGGAGACCATCATTCCTAAGCGCAAAGAAATGCCCTTGCTTCAGTC
AGTCTCCGAAGTGAAGGAGACTATGGTTCCTAAGCACGAAGAAATGCCCTTCCCTAAATA
AGATTCCAAAGCTAAGGAGACCATTGTTCCCAAGCGTAAAGGAATGCCCTTCCCTAAATC
AGACCCCAAACCTAAGGAGACCGTTGTTCACAAGCGTAAAGGAATGTCCTCCCCTAAATC
AGTCCTCCAAACTAAGGAGACCATCTTTCCTAAGCTCAAAGTTATGCCCTCCCTTAAATC
potvis
bruinvis
giraf
nijlpaard
koe
kameel
hert
varken
pekari
neushoorn
noordkaper
potvis
bruinvis
giraf
nijlpaard
koe
kameel
hert
varken
pekari
• Welke soorten verschillen slechts 2 tot 4 basenparen in de DNA-sequentie?
4
2 bp
........................................................................................................................................
3 bp
........................................................................................................................................
3 bp
........................................................................................................................................
3 bp
........................................................................................................................................
3 bp
........................................................................................................................................
3 bp
........................................................................................................................................
Op Wandel met Walvissen
3 bp
........................................................................................................................................
4 bp
........................................................................................................................................
4 bp
........................................................................................................................................
• Merk op dat er in deze lijst 4 soorten voorkomen die in alle mogelijke combinaties met
elkaar voorkomen. Welke 4 soorten zijn dit?
.............................................................................................................................................................
• Daarnaast zijn er nog 3 soorten die in hun eigen 3 mogelijke combinaties voorkomen.
Welke 3 soorten zijn dit?
.............................................................................................................................................................
• Verschillen van 5-6 basenparen vinden we niet terug. Welke soorten verschillen 7
basenparen van elkaar?
.............................................................................................................................................................
• Alle andere soortencombinaties hebben tussen de 8 en 18 basenparen verschillend in
dit DNA-fragment. Welke 2 soorten zijn nu nog niet opgesomd?
.............................................................................................................................................................
• Wat vertellen deze gegevens je over de verwantschappen van de evenhoevigen en
walvissen?
.............................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
• Om terug te komen op onze oorspronkelijke vraag: welk van de huidig levende
evenhoevigen is volgens deze moleculaire analyse het nauwst verwant met de walvissen?
.............................................................................................................................................................
Omwille van de nauwe verwantschap tussen evenhoevigen (Artiodactyla) en walvissen (Cetacea), stellen sommige onderzoekers voor om beide orden te laten versmelten tot één enkele orde, “Cetartiodactyla”.
• Tracht zelf een stamboom van de Cetartiodactyla te schetsen.
Op Wandel met Walvissen
5
• Waar ondervond je moeilijkheden bij het tekenen van de stamboom? Hoe zou je dit
trachten op te lossen?
.............................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
Samenstelling: Bert De Groef; gebaseerd op:
- Whale Ankles and DNA. L. Flammer (2007) ENSI, Evolution and the Nature of
Science Institute. www.indiana.edu/~ensiweb/lessons/wh.a%26d.les.html
- Walking with Whales. C. de Muizon (2001) Nature 413, 259-260.
6
Op Wandel met Walvissen
Verschijnt najaar
2009:
Bert De Groef en Peter Roels
De wetenschap van
het leven
Over eenheid in biologische diversiteit
Uitgeverij acco
Ons verhaal begint zo'n 3,8 miljard jaar geleden. Niets deed vermoeden dat de primitieve oercellen van
toen aanleiding zouden geven tot de gigantische biodiversiteit van vandaag. Daarbij komen de meest
wonderbaarlijke aanpassingen voor. Zo overtreffen planten, die hele ecosystemen van energie voorzien,
de efficiëntie van elk zonnepaneel, hebben runderen complexe magen met micro-organismen die hen
toelaten op gras te overleven, en omzeilen bacteriën steeds weer nieuwe antibiotica. De wetenschap die
de verwondering over zoveel “vernuft” vertaalt naar concrete wetenschappelijke vragen en
experimenten, is de biologie, de studie van het leven.
Omdat alle levensvormen een gemeenschappelijke oorsprong delen, vertonen ze een opmerkelijke
uniformiteit. Dat ze opgebouwd zijn uit één of meerdere cellen, DNA gebruiken als erfelijk materiaal en
eenzelfde genetische code hanteren, zijn maar enkele voorbeelden die we onder de loep nemen.
Vervolgens gaan we dieper in op de diversiteit van het leven: hoe passen organismen zich aan hun
omgeving aan, tot welke verscheidenheid aan soorten leiden de evolutieprocessen, en hoe treden al die
soorten met elkaar in interactie? Ten slotte beantwoorden we de vraag waarom de impact van de mens eigenlijk slechts een jong twijgje aan de Stamboom van het Leven - zo ingrijpend is.
BERT DE GROEF is onderzoeker aan de Afdeling Dierenfysiologie en Neurobiologie binnen het Departement
Biologie van de K.U.Leuven. Hij is betrokken bij verschillende projecten omtrent wetenschapsverspreiding.
PETER ROELS werkt als studiebegeleider biologie op het monitoraat van de Faculteit Wetenschappen van de
K.U.Leuven. Hij publiceerde meerdere wetenschapspopulariserende artikels voor leraren biologie.
Dit boek kwam tot stand op initiatief van de Onderwijscommissie Biologie en met de medewerking van
verschillende leden van het Departement Biologie van de K.U.Leuven.
Op Wandel met Walvissen
7