Die Evolution der Giraffen: Welchen Anteil an den langen Hälsen hatte sexuelle Selektion?

Der Spiegel berichtet über eine Theorie, nach der der lange Hals der Giraffe auch etwas mit sexueller Selektion zu tun haben könnte:

Doch möglicherweise müssen die Biologiebücher bald ergänzt werden. Nach einer neuen Studie geht der extrem lange Hals der Giraffen womöglich auf das rabiate Kampfverhalten der Tiere zurück. Das schließt ein internationales Forscherteam aus der Untersuchung fossiler Überreste einer Urgiraffe.

Diese Tiere schlugen bei Kämpfen wohl ihre Köpfe gegeneinander und entwickelten in der Folge eine schützende Haube auf dem Kopf und äußerst robuste Halswirbel, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin »Science«  berichten. Auf ähnliche Weise könnten auch die extrem langen Hälse heutiger Giraffen entstanden sein. Diese schlagen zwar nicht ihre Köpfe gegeneinander, wohl aber ihre beeindruckend langen und muskulösen Hälse.

»Die gängige Vorstellung, dass sich die langen Hälse im Verlauf der Evolution nur entwickelten, weil die Tiere damit Blätter im oberen Bereich der Bäume erreichten, greift womöglich zu kurz«, erläutert Co-Autorin Manuela Aiglstorfer vom Naturhistorischen Museum Mainz und der Landessammlung für Naturkunde Rheinland-Pfalz. »Womöglich ist das nur ein Nebeneffekt und die Kampfstrategie der vorrangige Grund für die Entwicklung des langen Halses.«

Giraffen sind evolutionär hoch interessant. Nicht nur wegen Lamarck und dem Lamarckismus, bei dem sie ein Standardbeispiel sind, sondern weil ihr Körperbau besonders ist und eine Vielzahl von Anpassungen notwendig machte.

So haben Giraffen ein für ihren Körper enorm großes Herz, weil es eben das Blut bis in den Kopf hinaus pumpen muss und dazu noch besondere Klappen in den Blutgefäßen, die verhindern, dass ihnen der Kopf platzt, wenn sie den Kopf zB zum Wassertrinken absinken und dann der hohe Blutdruck nicht mehr gegen die Gravitation kämpfen muss. Sie haben zudem einen enorm langen „rückläufigen Kehlkopfnerv“ einen Nerv, der bei Fischen noch einen recht geraden Weg hatte, aber dann durch die Evolution des Halses und seine Lage einmal einen sehr langen Weg nach unten machen muss um dann auf der anderen Seite wieder den gleichen Weg nach oben zu machen, weil die Evolution eben nicht gerade mal eben etwas neu vernetzen kann, sondern stets im „laufenden Betrieb“ umbauen muss, was ein guter Beleg dafür ist, dass es da keinen intelligenten Schöpfer gab.

Ich empfehle dazu (auch insgesamt, nicht nur zur Giraffe) die Serie „Inside natures Giants„, hier die Giraffenfolge.

Aber genug der Abschweifung,.  Hier geht es darum, dass man meint einen besonderen Vorfahren der Giraffen gefunden zu haben, der ebenfalls sehr stabile Halsknochen aufwies, aber bei einem kürzeren Hals und damit dafür sprechen könnte, dass der Hals durch sexuelle Selektion entstanden ist

Structured Abstract
INTRODUCTION
Extreme evolution of animal organs, such as elongation of the giraffe’s neck, has been the focus of intensive research for many decades. Here, we describe a fossil giraffoid, Discokeryx xiezhi, from the early Miocene (~16.9 million years ago) of northern China. This previously unknown species has a thick-boned cranium with a large disklike headgear, a series of cervical vertebrae with extremely thickened centra, and the most complicated head-neck joints in mammals known to date. The peculiar head-neck morphology was most probably adapted for a fierce intermale head-butting behavior, comparable to neck-blowing in male giraffes but indicative of an extreme adaptation in a different direction within giraffoids. This newly identified giraffoid increases our understanding the actual triggers for the giraffe’s head-neck evolution.
RATIONALE
The comparative anatomical studies of osteological structures, including the bony labyrinth morphology, the headgear genesis and histology, and dentitions, provide the basis for the giraffoid affinity of D. xiezhi, which was further supported by phylogenetic analyses and reconstructions of the fauna. Finite element analyses explain the mechanical predominance for the peculiar head-neck morphology in various head-butting modeling. Tooth enamel isotope analyses indicate the distinctiveness of the ecological niche occupied by D. xiezhi. Diversity of headgear within different pecoran groups reveals the different evolutionary selection pressure on these groups.
RESULTS
Finite element analysis reveals that the enlarged atlanto-occipitalis and intercervical articulations are essential for high-speed head-to-head butting. D. xiezhi appears to exhibit the most optimized head-butting adaptation in vertebrate evolution when compared with the models of extant head-butters. Tooth enamel isotope data show that D. xiezhi had the second highest average δ13C value among all herbivores and a large range of δ18O values, with some individuals occupying an isotopic niche differing substantially from others in the fossil community. This indicates that D. xiezhi was an open-land grazer with multiple sources of water intake, and their habitats likely included areas that were difficult for other contemporary herbivores to make use of.
CONCLUSION
The morphology and inferred ecology of D. xiezhi provide another example for understanding the neck evolution in giraffoids. Fossil giraffoids exhibit a higher degree of diversity in headgear morphology than any other pecoran group; such a diversity, associated with the complex head-neck morphology, likely indicates the intensive sexual combats between males in the evolution of giraffoids. For interspecific relationship, one possible strategy of early giraffoids is that they might have avoided competition with coeval bovids and cervids by taking advantage of other niches in the ecosystem. Giraffa,with its long neck, did not appear until the early Pliocene in savannah areas, when C4 ecosystems started being vastly established. “Necking” combat was likely the primary driving force for giraffes that have evolved a long neck, and high-level browsing was likely a compatible benefit of this evolution. The ecological positioning on the marginal niches promoted the intensive sexual competition, and the fierce sexual combats fostered extreme morphologies to occupy the special niches in giraffoids.

Was nun genau die treibende Kraft war ist im nachhinein bei Evolution immer schwer zu überprüfen.

Ich kann mir aber vorstellen, dass beides sich wunderbar ergänzt.

Zum einen kommt man mit dem langen Hals an höhere Zweige.
Zum anderen kann sich ein besonders langer Hals beim Kämpfen lohnen.

Aber: Die Verstärkungen und Verlängerungen zum kämpfen können eben einen guten Zusatzantrieb gegeben haben, den das einfache Erreichen eines etwas höheren Asts alleine vielleicht nicht gegeben hat. Wenn durch eine einfache kleinere Verlängerung des Halses die jeweilige Giraffe keinen so großen Vorteil hatte, dann konnte die sexuelle Selektion bzw der Vorteil innerhalb der intrasexuellen Konkurrenz dennoch die Verlängerung vorteilhaft sein lassen und die dann ohne reinen Futtervorteil länger gewordenen Hälse konnten dann wieder einen Futtervorteil darstellen, weil es eben nicht um einen cm mehr ging, sondern dann vielleicht schon wieder um 10 cm. Zu bedenken ist, dass jede Verlängerung des Halses nicht einfach nur bedeutete, dass sich ein oder mehrere Halswirbel verlängern, das Herz musste angepasst werden, andere Veränderungen/Absicherungen gegen den gestiegenen Bluthochdruck mussten umgesetzt werden und der längere Hals musste auch verstärkt werden, damit man mit ihm noch effektiv kämpfen konnte.

Insofern sehe ich gute Chancen, dass sich beide Aspekte wunderbar ergänzt haben. Dafür spricht aus meiner Sicht auch, dass es nicht zu einem deutlichen Unterschied zwischen Männchen und Weibchen gekommen ist, denn wenn der Hals nur einen Kampfvorteil gegeben hätte, dann hätte es sich angeboten, dass nur die Männer die Zusatzkosten eines langen Halses tragen, die Frauenhälse aber deutlich kürzer bleibem.

 

Evolution: Biolehrkräfte erkennen falsche Vorstellungen oft nicht

Ich hatte neulich in dem Artikel „Fehlvorstellungen zur Evolution“ ein paar Szenarios und die Versuche diese zu erklären dargestellt.

Diese stammten aus dieser Studie:

Students possess alternative conceptions of many science topics, and these conceptions can act as obstacles for learning scientific concepts. In the field of biology education, students‘ alternative conceptions of evolution have been widely investigated. However, there is little research on how teachers diagnose and deal with these alternative conceptions, although these abilities are a crucial part of teachers‘ pedagogical content knowledge. Additionally, little is known about how these abilities are connected to professional experience and content knowledge. Thus, our study investigated how (prospective) biology teachers at various points in their teaching careers diagnosed and reported dealing with alternative conceptions. Therefore, 182 preservice biology teachers, biology teachers in practical training, and in-service biology teachers were surveyed using a questionnaire. The participants were confronted with students‘ explanations of evolutionary phenomena, most of them based on common student conceptions, such as anthropomorphism, teleology, and essentialism. These student conceptions are rooted in cognitive biases and are common in evolutionary and other contexts. We found that the participants diagnosed only approximately half of the alternative conceptions, with the in-service teachers diagnosing significantly more of the alternative conceptions than the preservice teachers. Furthermore, the analyses revealed a variety of ways to deal with student conceptions. The in-service teachers more often suggested scientifically correct approaches that address student conceptions, whereas the preservice teachers more often did not respond or responded incorrectly. Moreover, the ability to diagnose and deal with alternative conceptions correlated with teachers‘ content knowledge regarding the topic of evolution and their acceptance of evolution.

Quelle: Teachers‘ ability to diagnose and deal with alternative student conceptions of evolution

Aus einem Bericht über die Studie:

Aber nicht immer wird wie im plakativen Beispiel so schnell deutlich, dass viele Schülerinnen und Schüler sich falsche Vorstellungen von der Evolution machen. Oft verkennen sie dabei das Prinzip von zufälligen Variationen, die einen Überlebensvorteil darstellen, und unterstellen stattdessen eine Zielrichtung evolutionärer Prozesse, unveränderliche Wesenszüge einer Art, die Vererbung nützlicher Eigenschaften oder vermenschlichen die Organismen, indem sie ein bewusstes Agieren annehmen. „Im Alltag sind solche Konzepte mitunter hilfreich, aber wissenschaftlich sind sie unzutreffend“, stellt die Bochumer Biologin Nina Minkley fest. „Lehrkräfte müssen sie im Biologieunterricht erkennen und gezielt gegensteuern, denn sie stehen dem fachlich korrekten Verständnis des Unterrichtsinhalts sonst im Weg.“

Um herauszufinden, wie gut Biologielehrerinnen und -lehrer darin sind, solche falschen Auffassungen zu identifizieren und zu adressieren, führte Biologiestudent Tim Hartelt unter Leitung von Minkley im Frühjahr 2020 eine Onlineumfrage durch. 182 Lehramtsstudenten, angehende Lehrkräfte im Referendariat und Lehrerinnen und Lehrer im Beruf nahmen daran teil. Sie wurden mit Aussagen von Schülerinnen und Schülern zur Evolution konfrontiert und sollten angeben, ob sie diesen Aussagen zustimmen oder nicht. Falls nicht, sollten sie auch angeben, welches wissenschaftlich falsche Konzept der Aussage zugrunde lag und wie sie damit umgehen würden.

Lehrerfahrung hilft
„In der Studie haben wir nachweisen können, dass die Fähigkeit, falsche Vorstellungen zu diagnostizieren und angemessen damit umzugehen, je nach Ausbildungsstand unterschiedlich gut ausgeprägt ist“, berichtet Nina Minkley. Teilnehmerinnen und Teilnehmer ohne Lehrerfahrung in dem Thema erkannten rund die Hälfte der falschen Konzepte korrekt. Erfahrene Lehrkräfte erkannten rund 60 Prozent, was dafür spreche, dass erwartungsgemäß Erfahrung dabei hilft, diese komplexe Aufgabe zu meistern. „Überrascht hat uns, dass viele der Teilnehmenden die falschen Vorstellungen gar nicht erkennen“, so Nina Minkley. „Zudem würden weniger als die Hälfte aus lerntheoretischer Sicht sinnvoll auf die falschen Vorstellungen reagieren, was zur Verfestigung der falschen Vorstellungen oder gar zu neuen Fehlvorstellungen führen kann.“

Die Forscherinnen und Forscher plädieren aufgrund der Ergebnisse dafür, Lehrkräften durch ein spezielles Training zu helfen, angemessen auf inkorrekte Vorstellungen bei Schülerinnen und Schülern einzugehen. (zab, pm)

Aus der Studie:

he participants in our study were recruited by sending letters to 100 high schools and 30 training seminars for beginning teachers (Studienseminare/Zentren für schulpraktische Lehrerausbildung) in Northwest Germany and via social media. Consequently, participation was voluntary. The participants were invited to complete an online questionnaire through the SoSci Survey tool. To increase the participation rate, potential participants were informed that they could win books. A total of 182 online questionnaires were fully completed (= less than 5% missing values) between February and April 2020 and thus included in the data analysis (for more information, see Table 1).

Wenn ich es richtig verstanden habe, dann waren es allgemein Referendare und nicht unbedingt solche für das Fach Biologie. Das hätte ich interessanter gefunden.

Aus den Fragen:

U1
Cheetahs are able to run faster than 60 miles per hour when chasing prey. How would a biologist explain how the ability to run fast evolved in cheetahs, assuming their ancestors could only run 20 miles per hour?

A biologist could explain that through the years and generations that the need for a faster speed was there so each following generation was slightly faster than the previous one.

Teleological conception

Question from (Bishop & Anderson, 1990); student’s statement from (Settlage, 1994)

U2
How can a population of initially mostly white mice change under appropriate selection pressure to a population of exclusively brown mice?
Drawing: A uniform mouse population changes its coat color gradually over several generations.

Essentialist and transformational conception

Question and drawing from (S. Fischer, 2014)

U3
Ducks are waterfowl. They have webbed feet. This characteristic makes them fast swimmers. Biologists believe that ducks developed from land birds without webbed feet. How does the theory of evolution explain the development of webbed feet?
The duck notices that it moves badly in the water if it paddles with three toes. It notices that it moves better if it has a larger surface…and so it developed webbed feet.

Anthropomorphic conception

Question originally from (Bishop & Anderson, 1990), refined by (Lammert, 2012); student’s statement from (Baalmann et al., 2004)

U4
Cave salamanders are blind (they have eyes which are nonfunctional). How would a biologist explain how blind cave salamanders evolved from sighted ancestors?
The salamanders started living in caves where they didn’t use their eyes. So their eyes weren’t used. Each generation the salamander’s eyesight got worse until finally they were blind.

Lamarckian conception

Question from (Bishop & Anderson, 1990); student’s statement from (Settlage, 1994)

 

Ich hatte die Fragen und Erklärungsversuche einfach durch deepl gejagt.

Es wäre interessant, welche Theorien zur Evolution im Unterricht so besprochen werden und wie tief man in die Materie reingeht. In meiner Schulzeit war das nicht sehr tief. Und viele wichtige Konzepte wurden gar nicht angesprochen, etwa sexuelle Selektion beim Menschen. Ich denke sowieso, dass die Anwendung der Theorien auf den Menschen für viele viel zu politisch wäre.

Fehlvorstellungen zur Evolution

Hier ein paar Fragen zur Evolutionsbiologie und entsprechende Antworten. Was ist an den Antworten falsch? Wie wäre eure Antwort auf die Fragen?

Frage 1: Geschwindigkeit von Geparden

Geparden können bei der Verfolgung von Beutetieren schneller als 60 Meilen pro Stunde laufen. Wie würde ein Biologe erklären, wie sich die Fähigkeit, schnell zu rennen, bei Geparden entwickelt hat, wenn man annimmt, dass ihre Vorfahren nur 20 Meilen pro Stunde rennen konnten?

Antwort: 

Ein Biologe könnte erklären, dass im Laufe der Jahre und Generationen das Bedürfnis nach einer höheren Geschwindigkeit vorhanden war, so dass jede nachfolgende Generation etwas schneller war als die vorherige

Frage2: Veränderung der Fellfarbe 

Wie kann sich eine Population von ursprünglich überwiegend weißen Mäusen unter entsprechendem Selektionsdruck in eine Population von ausschließlich braunen Mäusen verwandeln?

Antwort:

Eine einheitliche Mäusepopulation verändert ihre Fellfarbe allmählich über mehrere Generationen.

Frage 3: Füße von Enten

Enten sind Wasservögel. Sie haben Schwimmhäute an den Füßen. Diese Eigenschaft macht sie zu schnellen Schwimmern. Biologen glauben, dass sich Enten aus Landvögeln ohne Schwimmhäute entwickelt haben. Wie erklärt die Evolutionstheorie die Entwicklung der Schwimmfüße?

Antwort:

Die Ente merkt, dass sie sich im Wasser schlecht bewegt, wenn sie mit drei Zehen paddelt. Sie merkt, dass sie sich besser bewegt, wenn sie eine größere Oberfläche hat … und so entwickelte sie Schwimmfüße.

Frage 4: Blinde Salamander

Höhlensalamander sind blind (sie haben Augen, die nicht funktionsfähig sind). Wie würde ein Biologe erklären, wie sich blinde Höhlensalamander aus sehenden Vorfahren entwickelt haben?

Antwort:

Die Salamander begannen in Höhlen zu leben, in denen sie ihre Augen nicht benutzen konnten. Also wurden ihre Augen nicht benutzt. Mit jeder Generation wurde die Sehkraft der Salamander schlechter, bis sie schließlich blind waren.

 

„10 Punkte, die man über die menschliche Evolution wissen sollte“

Razib Khan führt „10 Punkte über die menschliche Evolution an, die man man wissen sollte“:

1. The expansion/development of modern humans occurred within Africa for tens of thousands of before their expansion „Out of Africa.“ Most of the ancestors of non-African humanity seem to have started expanding rapidly from a small founder group of 100-1,000 50-75 thousand years years ago.

African humanity has a different and more complex historical pattern, with lineages which began diverging as early as 200,000 years before the present, and then mixing back with each other.

2) Related to #1, we’re one species, so rather than an expanding „tree“ from common ancestors, it’s better to think of a mesh which keeps coming back together, as some branches are pruned, and the whole pulses out periodically.
All major human populations seem to be the product of relatively recent fusions between diverged branches.
Africa was the source of modern humanity, but clearly there has been „back migration“ from Eurasia.

3) Many of the phenotypes we define as characteristic of various human populations are relatively recent.
E.g., the depigmented look of Northern Europeans, or the thick straight hair of East Asians.

4) The Denisovan version of EPAS1 which is found in Tibetans illustrates a general trend: we have adaptations from other very diverged human lineages through low levels of gene flow[2].

5) The transition to agriculture and complex „civilization“ seems correlated to pulses of highly fecund male paternal lineages.
Many of the common Y chromosomes today exhibit a pattern of diversification indicative of explosive population growth.

6) It seems unlike there is one singular genetic change which makes us sui generis or distinctive in relation to our hominin cousins.
This is less certain than 1-5, but I’m pretty sure that this is so.
Researchers have been looking for years, and not finding anything definitive, and I think there’s a reason.
There isn’t anything definitive.
Many genetic changes come together to make our lineage distinctive.

7) A lot of adaptation occurs through reemergence of old variation which is floating around in the human population.
For example, the lightening of skin across parts of Eurasia co-opt common mammalian pigmentation pathways.

8) Cultural flexibility does not negate biological evolution.
On the contrary, strong shifts in cultural norms seem to drive biology.
Lactase persistence is a clear case, but even something like malaria adaptation is ultimately due to anthropogenic environmental changes.

9) We are all equally descended from common ancestors.
There are no „most ancient“ human lineages.
We’re all equally recent by definition.

10) There are evolutionary genetic events in our history which are hinted at in the most recent data, so there are major lacunae in our knowledge.
The picture is well formed, but not complete.
E.g., there is evidence of pulses out of Africa ~100,000 years ago into Eurasia in both genetic and fossil data.
These lineages may have gone extinct, or, their contribution may be difficult to detect with current data sets.
But there is clearly more to be told in this story.

Farbensehen als Verbesserung der sozialen Kommunikation

Auf dem Blog „was wissen“ stellt die Autorin eine Theorie zum Farbensehen dar, die darauf abstellt, dass es insbesondere wichtige Informationen im sozialen Zusammenleben bot:

Wir erkennen Gemüts- und Gesundheitszustand ganz ohne Erklärung, Gestik oder Mimik: ein großer Vorteil im sozialen Leben. Vielleicht ist unsere Farbwahrnehmung sogar deswegen entstanden. Das ist zumindest die Theorie des Neurobiologen Dr. Mark Changizi. Seine Erklärung: Unser Farbsehen ist perfekt auf die Farbspektren unserer Haut abgestimmt.

Denn die farblichen Untertöne unserer Haut entstehen durch den Sauerstoffgehalts des Bluts und der Blutmenge. Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, desto röter erscheint die Haut, je weniger, desto grüner. Und: Je stärker durchblutet, desto bläulicher, je weniger Blut, desto gelblicher

(…)

Tatsächlich sind die Augen aller Trichromaten perfekt, um den Unterschied zwischen sauerstoffreichem und sauerstoffarmen Blut zu erkennen. Das heißt den Unterschied zwischen roter und grün-bläulicher Hautfarbe, die sich je nach Affenart entweder im haarlosen Gesicht oder dem blanken Hintern zeigt. Changizi folgerte daraus, dass die Evolution das Farbsehen nicht etwa hervorbrachte, damit die Tiere reife rote Früchte an grünen Bäumen erkennen und essen können. Sondern, da die in sozialen Verbänden lebenden Tiere eine neue Ebene der Kommunikation aufgebaut haben. Ein Beispiel dafür sind Weibchen, die ihre Paarungsbereitschaft mit einem feuerrot gefärbten Hinterteil anzeigen – etwa bei Pavianen oder Schimpansen.

Die Studie dazu:

We investigate the hypothesis that colour vision in primates was selected for discriminating the spectral modulations on the skin of conspecifics, presumably for the purpose of discriminating emotional states, socio-sexual signals and threat displays. Here we show that, consistent with this hypothesis, there are two dimensions of skin spectral modulations, and trichromats but not dichromats are sensitive to each. Furthermore, the M and L cone maximum sensitivities for routine trichromats are optimized for discriminating variations in blood oxygen saturation, one of the two blood-related dimensions determining skin reflectance. We also show that, consistent with the hypothesis, trichromat primates tend to be bare faced.

Quelle: Bare skin, blood and the evolution of primate colour vision

Aus der Studie:

We should emphasize that the idea that colour vision is important for colour signalling is not new (e.g. Hingston 1933; Wickler 1967; Regan et al. 2001; Liman & Innan 2003; Waitt et al. 2003; Zhang & Webb 2003), except that typically it is assumed that colour vision was originally selected for some other reason. One of the main contributions we make here is the argument that colour vision is near-optimal for discriminating skin colour modulations, something that increases the prima facie plausibility of the hypothesis that trichromacy was originally selected for the perception of skin colour signalling. Other adaptive explanations have been put forth to explain primate colour vision, including advantages for frugivory (Allen 1879; Mollon 1989; Osorio & Vorobyev 1996; Regan et al. 2001; Surridge & Mundy 2002), and for folivory (Lucas et al. 2003). Our discussion here provides no answer as to which of these may more likely have been the original selection pressure for trichromacy, or whether all these hypotheses may be important contributors (Regan et al. 2001). One advantage of the skin colour-signalling hypothesis is that, whereas there is a wide variety of trichromat frugivory and folivory behaviour, skin colour modulation is due to fundamental properties of blood shared by all primates, and this could be key in understanding the universal M and L cone sensitivities of routine trichromats. There are other phenomena that colour signalling can explain but these others cannot, including the high degree of perceptual discriminability and colour-uncategorizability of skin tones (see electronic supplementary material, §2), the bareness of trichromat faces, and the close affinity of colour to blood, skin colour and emotional states

Finde ich durchaus interessant. Natürlich können auch schlicht eine Vielzahl von Faktoren zusammengespielt haben. Zu Geschlechtsunterschieden im Bereich des farblichen Sehen verweise ich noch auf diesen Artikel hier