Eine naturwissenschaftliche Theorie entsteht in einem mehrstufigen Prozess. Am Anfang steht meist eine Beobachtung von Phänomenen in der Natur, die Fragen aufwirft oder bestehende Erklärungen infrage stellt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler formulieren daraufhin Hypothesen, also vorläufige Annahmen, die sich durch gezielte Experimente oder weitere Beobachtungen überprüfen lassen.
Werden die Hypothesen durch wiederholte Untersuchungen und Experimente bestätigt und ergeben sich daraus allgemeingültige Zusammenhänge, so entwickelt sich daraus eine Theorie. Eine Theorie beschreibt und erklärt Gesetzmäßigkeiten der Natur und ermöglicht Vorhersagen über zukünftige Beobachtungen. Sie bleibt jedoch offen für neue Erkenntnisse und kann durch neue Daten ergänzt oder verändert werden. So ist die Entwicklung naturwissenschaftlicher Theorien ein fortlaufender, dynamischer Prozess.
Wirbeltiere (Vertebrata) sind eine Untergruppe der Chordatiere und zeichnen sich durch eine Wirbelsäule aus, die das zentrale Nervensystem schützt. Zu den Wirbeltieren zählen fünf Hauptgruppen: Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere. Jede dieser Gruppen weist charakteristische Merkmale auf, die an unterschiedliche Lebensräume und Lebensweisen angepasst sind.
- Fische: Sie leben überwiegend im Wasser, atmen meist mit Kiemen und besitzen Flossen zur Fortbewegung.
- Amphibien: Sie verbringen ihr Leben teils im Wasser, teils an Land. Ihre Haut ist meist feucht und durchlässig, und viele Arten durchlaufen eine Metamorphose vom Larven- zum Erwachsenenstadium.
- Reptilien: Diese Tiere sind an das Landleben angepasst, haben eine trockene, schuppige Haut und legen meist Eier mit lederartiger Schale.
- Vögel: Vögel besitzen Federn, einen leichten Knochenbau und sind in der Regel zum Fliegen befähigt. Sie legen hartschalige Eier.
- Säugetiere: Säugetiere sind durch Fell und das Säugen ihrer Jungen mit Milchdrüsen gekennzeichnet. Die meisten bringen lebende Jungtiere zur Welt.
Diese Vielfalt ermöglicht es den Wirbeltieren, nahezu alle Lebensräume der Erde zu besiedeln – vom Meer über Süßwasser bis zu Wüsten und Gebirgen.
Die Knochen der Vorderextremitäten, auch als Vordergliedmaßen bezeichnet, zeigen bei den verschiedenen Wirbeltiergruppen sowohl Gemeinsamkeiten als auch Anpassungen an unterschiedliche Lebensweisen. Grundsätzlich besteht das Skelett der Vorderextremität aus dem Oberarmknochen, Elle und Speiche, den Handwurzelknochen, den Mittelhandknochen und den Fingerknochen. Trotz dieser gemeinsamen Grundstruktur sind die Vorderextremitäten je nach Tiergruppe an spezielle Funktionen angepasst: Bei Vögeln sind sie zu Flügeln umgebildet, bei Säugetieren können sie als Lauf-, Grab-, Schwimm- oder Kletterwerkzeuge dienen, und bei Walen und Robben sind sie zu Flossen umgewandelt. Diese Anpassungen verdeutlichen die große Flexibilität und Vielfalt innerhalb der Wirbeltierklassen.
Die Proteinbiosynthese ist der Prozess, bei dem in den Zellen aus der genetischen Information Proteine hergestellt werden. Dieser Ablauf lässt sich in zwei Hauptschritte unterteilen: Transkription und Translation. Zuerst wird im Zellkern die DNA-Information eines Gens in eine Boten-RNA (mRNA) umgeschrieben (Transkription). Anschließend wird die mRNA aus dem Zellkern zu den Ribosomen im Zellplasma transportiert, wo sie als Vorlage dient, um mit Hilfe von tRNA und Aminosäuren das gewünschte Protein aufzubauen (Translation). So entsteht aus genetischer Information ein funktionsfähiges Eiweißmolekül.
Anhand der Aminosäuresequenz eines Proteins kann man die zugrunde liegende Basensequenz der DNA oder mRNA eines Gens nachvollziehen. Jede Aminosäure wird durch ein bestimmtes Codon, also eine Abfolge von drei Basen in der mRNA, codiert. Mithilfe des genetischen Codes lässt sich die Basenabfolge aus der Aminosäuresequenz rekonstruieren. Dabei ist zu beachten, dass es für viele Aminosäuren mehrere mögliche Codons gibt – dieses Phänomen nennt man Codon-Degeneration. So erlaubt die Rückübersetzung der Aminosäuren dennoch die Ermittlung der dazugehörigen Basensequenz, wobei für einzelne Aminosäuren verschiedene Codon-Varianten möglich sind.
Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist eine Methode, mit der ein bestimmter Abschnitt der DNA im Labor schnell und vielfach vervielfältigt werden kann. Dazu wird die DNA zunächst erhitzt, sodass die beiden Stränge sich trennen. Anschließend binden spezielle Startstücke (Primer) an die Zielabschnitte, und eine spezielle Enzym-Polymerase baut neue DNA-Stränge nach Vorlage der Einzelstränge. Durch wiederholtes Erhitzen und Abkühlen entstehen so in kurzer Zeit viele Kopien der gewünschten DNA.