Evolution

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Verändern ein schon funktionierendes System Ob eine Mutation positive, negative oder neutrale Auswirkungen hat, hängt von den Umweltfaktoren ab. Populationsgenetik Es gibt verschiedene Allele, die in Kombination bestimmte phänotypische Eigenschaften bilden. - homozygot dominant: AA - homozygot rezessiv: aa - heterozygot: Aa Der Großbuchstabe ist jeweils das dominante Allel und bestimmt so die Zustandsform. Allelfrequenz: Die Häufigkeit der Allele in einer Population Hardy-Weinberg-Gleichgewicht 1. Phäno- und genotypische Variabilität bleibt durch Rekombination erhalten 2. Allelhäufigkeit ändert sich nicht, sie befinden sich in einem Gleichgewicht Achtung: Hardy-Weinberg-Gleichgewicht gilt nur bei idealen Populationen, die es nicht gibt: - keine Mutation keine Zu-/Abwanderung - gleichhäufige Paarung Zufallsschwankungen haben keine Auswirkungen keine Unterschiede im Fortpflanzungserfolg Bei realen Populationen sind all diese Faktoren nicht gegeben. Gendrift Zufällige plötzliche Veränderung der Allelfrequenzen im Genpool. Flaschenhalseffekt Form von Gendrift, die sich aus einer drastischen Verkleinerung einer Population, z. B. durch eine Naturkatastrophe in Folge dessen fast die komplette Population ausstirbt. Massive Minimierung der genetischen Variabilität. Aus den wenigen Individuen entwickelt sich eine neue Population, mit einer kleineren genetischen Vielfalt. neues verbreitungsgebiet neue Population ursprüngliches Verbreitungsgebiet Ursprungspopulation. Ausgangs- population. Flaschenhals- ereignis. überlebende Population Gründereffekt Form von Gendrift, die sich aus einer Abwanderung einiger Individuen ergibt. Die Ursprungspopulation bleibt dabei erhalten. Selektionsformen Natürliche Selektion Aufgrund veränderter Umweltfaktoren sind einige Tiere besser an ihre Umweltfaktoren, als andere Artgenossen. Sie werden z. B. weniger von Fressfeinden gesehen und haben dadurch stärkere Überlebenschancen. Sie kommen vermehrt zur Fortpflanzung und geben mehr Allele in den Genpool. Die Fortpflanzung ist größer -> reproduktive Fitness Die Selektion ist ein gerichteter Prozess, die dafür sorgt, dass nur die am besten angepassten Lebewesen ihre Gene vermehrt weitergeben -> Angepasstheit ein Merkmal betreffend Man unterscheidet: - gerichtete Selektion - monohybridisch -> Verschiebung der Merkmalshäufigkeit stabilisierende Selektion -> extreme Abweichungen vom Durchschnitt werden ausselektiert - Verringerung der Population disruptive Selektion -> Lebewesen mit extremen Merkmalsabweichungen haben einen Selektionsvorteil gerichtete Selektion Individuenanzahl Sexuelle Selektion Sexualdimorphismus: Unterschiede in den sekundären Geschlechtsmerkmalen disruptive Selektion boo Ursprüngliche Population intrasexuelle Selektion: -> innerhalb des selben Geschlechts Intersexuelle Selektion -> Wahl des Partners des anderen Geschlechts ← Flügelgrößen stabilisierende Selektion zwischen den Geschlechtern Auffällige sekundäre Merkmale sind eigentlich ein Selektionsnachteil, da man von Feinden leichter gesehen werden kann. Die sexuelle Selektion geht davon aus, dass die Tiere, die die auffälligeren Merkmale haben vermehrt zur Fortpflanzung kommen und der Vorteil daher überwiegt. Man unterscheidet: Good-Genes-Hypothese Weibchen wählen daher die Tiere aus, bei denen sie meinen, dass er „gute" Gene hat. Also gesunde, starke Nachkommen zeugt. Paarungssysteme -> sexuelle Beziehung zwischen Männchen und Weibchen Weibchen sind bei der Partnerwahl oft wählerisch -> Bateman Zeigte, dass der Fortpflanzungserfolg generell bei Männchen größer ist, als bei Weibchen -> Männchen produzieren in kurzer Zeit viele Spermien mit wenig Energie -> Weibchen eine Eizelle im Monat und innerhalb der Schwangerschaft hohe Energie Das heißt, dass es sich für ein Weibchen nicht lohnt sich mit mehreren zu paaren. Sie achten bei der Partnerwahl auf gute Gene. Dadurch erzielen sie einen Fortpflanzungserfolg. ,,Weibchen setzen auf Qualität, Männchen auf Quantität" Paarungssysteme im Überblick Monogamie - Männchen und Weibchen paaren sich temporär oder dauerhaft -> Nachteilig für Männchen reproduktive Fitness sinkt -> Weibchen vorteilig, wenn sich das Männchen an der Aufzucht beteiligt Polygamie -> häufigste Form Dabei unterscheidet man: Polygynie - Ein Männchen paart sich mit mehreren Weibchen Polyandrie - Ein Weibchen paart sich mit mehreren Männchen -> Hilfe bei der Aufzucht -> selten Promiskuität - Beide Geschlechter paaren sich mit mehren -> Weibchen profitieren von der vermehrten Paarung -> Männchen verlieren Revierkämpfe Verwandtenselektion Ein Idividuum verzichtet auf seinen eigenen Vorteile zugunsten anderer. Nimmt dadurch in Kauf gefressen zu werden -> bspw. altruistisches (selbstloses) Verhalten Eigentlich ein Widerspruch zur natürlichen Selektion, da das Verhalten einen Nachteil darstellt. -> scheinbare Verringerung der reproduktiven Fitness Theorie der Verwandtenselektion von W. Hamilton - Wenn sich Individuen für Verwandte opfern, steigern sie dadurch indirekt ihre eigene reproduktive Fitness -> Verwandte besitzen die selben oder sehr ähnliche Gene -> Sicherung ihrer Fortpflanzung -> indirekte Steigerung der reproduktiven Fitness Man geht davon aus, dass ein Individuum eine Gesamtfitness hat. -> direkte Fitness (eigene Fortpflanzung) -> indirekte Fitness (Förderung der Verwandtenfortpflanzung). Man kann nur dann von einem Gewinn sprechen - bspw. altruistuschen Verhalten - wenn der Gewinn an indirekter Fitness den Verlust an der direkten Fitness ausgleicht. Artbildung Artbegriff und Isolation morphologischer Artbegriff: Eine Art ist eine Lebensform, die sich äußerlich anderen unterscheidet von biologischer Artbegriff: Arten sind Individuen, die sich untereinander fortpflanzen können und ihrerseits fruchtbare Nachkommen zeugen (fertil) Arten sind durch die reproduktive Isolation voneinander getrennt. Sie können entweder garkeine Nachkommen zeugen oder sterilisierte Nachkommen -> Hybridsterilität Man unterscheidet: Präzygotische Barrieren: 1. Habitatsisolation Selbes Biotop, aber unterschiedliche Habitate, kommen daher so nicht miteinander in Kontakt 2. Verhaltensisolation Artspezifische Paarungssignale (z.B. Duftstoffe, Balzgesang) 3. Zeitliche Isolation Unterschiedliche Paarungszeiten 4. Mechanische Isolation unterschiedliche Begattungsorgane (anatomisch betreffend) 5. Gametische Isolation Artfremde Keimzellen passen nicht zusammen Postzygotische Barrieren: 1. Hybridsterblichkeit Die entstandene Zygote entwickelt sich nicht weiter, oder direkter Tod nach der Geburt. Formen der Artbildung Separation Ein Teil einer Population wird durch eine Barriere (z. B. eine geografische Barriere) getrennt. Die getrennte Art entwickelt sich unabhängig von der Ausgangspopulation, da ein Allelaustausch nicht mehr möglich ist. - Mutation - Rekombination - Gendrift - Selektion -> führen zu neuen Unterarten. Diese wären (theoretisch) noch in der Lage mit der Ausgangspopulation fertile Nachkommen zu zeugen. Weitere Veränderungen machen dies allerdings irgendwann unmöglich Allopatrische Artbildung (Bei einer geografischen Aufspaltung) Sympatrische Artbildung Plötzliche Veränderungen in einer Population, die zu einer Artbildung innerhalb einer bereits bestehenden Population ohne geografische Trennung führt. -> tritt meist bei Pflanzen auf -> Polyploidisierung -> Bei der Keimzellbildung bleibt der diploide Chromosomensatz diploid. Normal wäre ein haploider Chromosomensatz. Es entstehen nun Pflanzen, die einen tetraploiden Chromosomensatz haben (4n) und von den (2n) Pflanzen isoliert sind. -> denn 4n führt zu 2n und 2n führt zu n -> 3n ungerade, daher nicht möglich Bei den Tieren ist es die Partnerwahl, die zu einer reproduktiven Isolation führen kann. Adaptive Radiation Aufspaltung einer Art in zahlreiche neue Arten unter Anpassung an verschiedene ökologische Bedingungen. Wenn eine Art eine neue Ökologische Nische und einen neuen Lebensraum besiedelt (z. B. eine Insel), dann können sie sich exponentiell vermehren. Mit jeden neuen Individuum steigt die intraspezifische Konkurrenz. Durch Mutationen, Rekombination und geografische Isolation entwickeln Arten neue Angepasstheiten für ökologische Nischen; sie können so coexistieren. Coevolution Das häufigste Beispiel ist der Brutparasit. Ein Vogel, der seine Eier in fremde Nester legt und von anderen Vögeln aufziehen lässt. Da diese Vögel früher schlüpfen, schmeißen sie die eigentlichen Eier aus dem Nest und verringern dadurch die reproduktive Fitness des Wirts. Die Eier des Brutparasiten sehen dabei zum verwechseln ähnlich aus -> Ei-Mimikry Die Wirtsvögel passen jedoch ihre Eifarbe denen der Brutparasiten an und verändern sie. Sie stehen in wechselseitigen Spezialisierungen zueinander -> Coevolution Mimikry Bei der Mimikry handelt es sich um die Nachahmung von Gestalt, Farbe, Haltung und Signalen. Meist tragen eigentlich ungefährliche Tiere Merkmale von ,,gefährlichen" Tieren, um ihre Fressfeinde zu täuschen. -> Warntracht Bsp: Schwebfliegen Mimese Bei der Mimese handelt es sich um die Nachahmung von Gestalt, Farbe und Haltung, um eine optische Tarnung zu erreichen. Diese dient meist zum Schutz vor Fressfeinden. -> Tarntracht Belege für die Evolution Paläontologie Fossilien: Überreste von ausgestorbenen oder verstorbenen Lebewesen rezente Lebewesen: heute noch lebende Tiere/Lebewesen Unter Ausschluss von Luftsauerstoff wird der Verwesungsprozess gestoppt. Meistens bleiben ausschließlich die Knochen in versteinerter Form zurück. Leitfossilien: Fossilien, die für eine Gesteinsschicht charakteristisch sind Somit ist eine relative Artbestimmung möglich. Weiterhin gilt das: Gesetz der Irreversibilität -> Tiere/Lebewesen die einmal ausgestorben sind, kommen kein zweites mal auf der Erde vor Mosaikformen: Merkmale unterschiedlicher Gruppen, wie Reptil und Vogel vereint in einem Tier Morphologie und Anatomie Es ist davon auszugehen, dass die heute lebenden Tiere einen Vorfahren gehabt haben. Auch Tiere unterschiedlicher Gattungen. Geht die Verwandschaft auf ein und den selben Vorfahren zurück (unterschiedliche Gattungen) spricht man von Homologie (selbe Struktur). Um zu überprüfen, ob die Arten homolog entstanden sind, bezieht man sich auf die Homologie Kriterien: 1) Kriterium der Lage Strukturen, die in unterschiedlichen Organismen (vergleichbare Gefügesysteme), die selbe Anordnung und Lage haben oder eine Vielzahl an Übereinstimmungen in Einzelmerkmalen haben, sind homolog. Kriterium der spezifischen Qualität Aufbau aus den gleichen Bestandteilen (z. B. menschl. Zahn und Hai- Schuppe) 3) Kriterium der Stetigkeit/Kontinuität/ Verknüpfung Verknüpfung von Zwischenformen durch einen erworbenen Funktionswechsel (z.B. Progressionsreihe Herzkreislauf bei versch. Wirbeltierklassen) Konvergenz/ Analogie Wenn es Strukturen bei Tieren/Lebewesen gibt, die gleich sind, aber unabhängig voneinander entstanden sind, spricht man von Konvergenz oder Analogie (z.B. Maulwurf und Maulwurfsgrille). Divergenz Wenn sich Strukturen von homologen Lebewesen unterscheidlich verändern (z. B. durch Umwelt) spricht man von Divergenz Progression Wenn die Strukturen in der Komplexität zugenommen haben spricht man von Progression. Biogeografie Plattentektonik - Kontinentalverschiebung Durch Plattenverschiebung kann es zur Isolation von Arten kommen. Unabhängig von den anderen Arten entwickeln sich hier durch natürliche Selektion, Mutation endemische (heimische) Arten Rudimente: Zurückgebliebene Strukturen (z.B. Weisheitszähne). Es können auch unvollständig ausgebildete Strukturen sein. Atavismus: Rückschläge: Strukturen, die bei einer Art eigentlich schon lange verloren gegangen sind, aber wieder plötzlich auftreten (z.B. Behaarung, zusätzliche Finger). Radiometrie Technisches Verfahren zur Altersbestimmung gefundener Überreste: -> Radiocarbon-Methode -> Kalium-Argon-Methode Radiocarbon-Methode - Isotopen Messung - Isotop "C - Halbwertszeit 5730 Jahre Gemessen wird organisches Material, da "C-Isotope natürlich in der Atmosphäre vorkommen und sich in Pflanzen anreichern und sich schlussendlich in Tieren absetzten. Untersuchung von organischen Überresten Kalium-Argon-Methode - Isotopen Messung 40 - Isotop Ca/ "Ar - Halbwertszeit: 1,3 Mrd. Jahre Gemessen wird das Gestein, da sich das Edelgas nicht in Organischem hält. Es liegt in der Erde in kristalliner Form vor-> Leitfossilien Untersuchung von versteinerten Überresten Belege aus der Molekularbiologie Alle Lebewesen benutzen den gleichen Code zum Leben: Die DNA. Die Abfolge, also welche Basen was codieren ist bei allen Lebewesen gleich. Nur bei sehr wenigen Lebewesen gibt es verschiedene Bedeutungen -> Universalhomologie Tests zur Verwandschaftsbestimmung Cytochrom-C-Test Lässt sich auf folgende Erkenntnis zurückführen: In allen Lebewesen dient ATP in den Zellen als Energielieferant. Der Code für diese Synthese ist bei allen Lebewesen gleich. Es handelt sich um eine bestimmt Aminosäuresequenz. Alle 23 Millionen Jahre verändert sich nur eine Aminosäure. So kann man einen Cytochrom-C-Stammbaum erstellen. Um einen solchen Stammbaum zu erstellen vergleicht man die Unterschiede in der Aminosäurenabfolge. Je größer sie sind, desto weiter liegt die Artaufspaltung zurück. Die Anzahl der Unterschiede kann so als molekulare Uhr verwendet werden und der ungefähre Zeitpunkt der Artaufspaltung bestimmt werden. Serum-Präzipitin-Test Ziel: Mittels des Präzipitin-Tests kann ermittelt werden, wie sehr ein Tier mit dem anderen verwandt ist. Problem: Der Test ist störanfällig, da sich Arten auch konvergent entwickeln, kann es sein, dass es im Test zu Übereinstimmung kommt, obwohl die Tiere nie richtig miteinander verwandt waren. Ablauf: Der Test beruht auf einer Antigen-Antikörper-Reaktion. Einem Lebewesen (z. B. Mensch) wird eine Blutprobe entnommen. Aus diesem wird das Serum (Blutplasma ohne Gerinnungsstoffe) gewonnen und einem Probanden (meist Hase) injeziert. Innerhalb des Serums befinden sich verschiedene Proteine. Wenn der Körper des Hasen diese als fremd identifiziert, kommt es zu einer sogenannten Antikörperreaktion. Die Antikörper bin den an bestimmten Proteinrezeptoren, die sich an der Oberfläche des Proteins befinden (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Nach einigen Tagen wird dem Hasen Blut entnommen und das Serum gewonnen in dem nun Antikörper gegen den Menschen befinden (Anti-Human-Serum). Wenn sich nun Antigen, also Proteine des Menschen und die vom Hasen gebildeten Antikörper aufeinader treffen, kommt es zu einer Verklumpung, einer sogenannten Präzipitation. Die Ausfällung die bei der Vermischung von Human- und Anti-human-Serum entsteht, wird als 100% festgelegt. Um die Verwandschaftsverhältniss mit anderen Lebewesen zu testen wird nun das Anti-Human-Serum mit dem Serum des zu testenden Lebewesen vermischt und die Ausflockung mit den 100% verglichen. Stammbäume erstellen -> Einordnung von Lebewesen in ein System mit willkürlich gewählten Kategorien -> Einordnung in einer Hierarchie: 1. Domäne 2. Reich etc. Wichtig: Lebewesen in einem Stammbaum können der... 1. monophyletischen Gruppe: Stammbaumzweige, die sich auf einen gemeinsamen Ast zurückführen lassen. 2. paraphyletischen Gruppe: Fast Arten oder Zweige zusammen, die zwar eine gemeinsame Stammart haben, aber nicht alle Verzweigungen gemeinsam haben. 3. polyphyletischen Gruppe: Arten oder Zweige werden zusammen- gefasst, die keine direkte Stammart besitzen. angehören und auch Vorfahren haben. Der Ausgangspunkt ist immer die Feststellung von homologen und analogen Strukturen. Bei einer Homologie muss man jedoch noch unterscheiden zwischen: 1. plesimorphen Strukturen -> Merkmal, dass von weit entfernten Vorfahren vererbt wurde 2. apomorphen Strukturen -> Merkmal, dass direkt von Vorfahren aus jüngster Vergangenheit stammt ähnliche Merkmale ㅅ Analogie Homologie Schritte der Merkmalsprüfung 1. Homologie-Vermutung 2. Außengruppenvergleich -> Abgrenzung gemeinsamer abgeleiteter Merkmale 3. Prinzip der einfachsen Erklärung -> Lösung mit den wenigsten Widersprüchen plesiomorph apomorph Systematik: Taxonomie - Ordnung nach Bestehenden Kriterien, Merkmalen -> Reiche, Domänen, etc. Taxon - einfache systematische Gruppierungen, Gruppen von Lebewesen, die sich durch gemeinsame Merkmale von anderen Gruppen unterscheiden lassen. Domänen Die Domäne ist die höchste Klassifizierungsstufe und wird in drei Kategorien gegliedert: 1. Bakterien (Bacteria) 2. Eukaryoten (Eukarya) 3. Archaea (Archaebakterien) -> Bakterien und Archaea werden zu den Prokaryoten gezählt kleine Organellen Zellkernlos -> dennoch unterscheiden sie sich in der ribosomalen DNA und einzigartigen Membran voneinander -> einschichtig, keine Phospholipid-Doppelschicht Bakterien Prokaryoten Archaeen Der Stammbaum des Lebens Eukaryoten Tiere Domäne Pflanzen Pilze Reich Die Evolution des Menschen Der Mensch und seine nächsten Verwandten Menschen und Menschenaffen haben die gleichen Vorfahren -> Ordnung: Primaten Charakteristika -> opponierbarer Daumen -> nach vorn gerichtete Augen -> gutes Sehvermögen -> in der Regel 5 Finger und Zehen pro Hand/Fuß -> lange Schwangerschaft -> wenige Junge -> späte Geschlechtsreifung Die heutigen Menschen gehören zu den Altweltaffen. Phylogenese meint Entwicklung menschlich-anatomische Eigenschaften Affe - kleiner Schädel Hinterhauptsloch hinten - Körperschwerpunkt (ILS): oberer Beckenbereich - Greiffuß (O-Beine) - Affenlücke Wichtig: Die Beine des Menschen sind länger als die Arme -> beim Affen andersherum Stammesgeschichte des Menschen Ausgangspunkt ist die Gangveränderung -> aufrechter Gang (Umweltanpassung) Mensch - großer Schädel - Hinterhauptsloch zentral - Körperschwerpunkt (ILS): am unteren Becken - Zehen stehen nebeneinander ->Standfuß Klimaveränderungen wandelten den Regenwald in eine Savanne um. (Afrika). Aufrechter Gang hier als Vorteil, da: -> Mensch kann weiter in die Ferne sehen Beute Feinde -> Schützt den Körper vor direkter Sonneneinstrahlung -> schnellere Fortbewegung -> Hände frei - Waffen - Beute Entwicklung des Gehirns Der moderne Mensch hat das größte Gehirn von allen und ist das intelligenteste Lebewesen auf der Welt. -> neue Nahrungserschließung verursachte eine Volumenzunahme Verlauf des homo .... homo habilis Nachweis durch mt-DNA heute Out-of-Africa-Modell -> bestätigt Die Out-of-Africa-Theorie geht davon aus, dass der moderne Mensch ursprünglich aus Afrika stammt und in die ganze Welt ausgewandert ist. vor 1,8 Millionen Jahren -> zwischen Afrikanern und den übrigen Menschen gibt es die größten Unter- schiede Asien Afrika Europa homo ergaster Auswanderung Homo sapiens Homo ergaster homo neaderthalensis Europa homo erectus Asien homo sapies Europa Asien Afrika Europa Homo sapiens Homo ergaster heute vor 1,8 Millionen Jahren Multiregionale Theorie -> falsch Kritiker zweifeln die Zuverlässigkeit der mt-DNA an. Sie stellten die Theorie auf, dass sich der homo sapiens in Europa, Asien etc. unabhängig voneinander von homo ergaster/erectus entwickelt hat. Herkunft und Vielfalt des modernen Menschen Out-of-Africa-Theorie durch mt-DNA und autosomaler DNA weitgehend sicher: Menschen wanderten immer nur wenige Kilometer in einer Generation -> Verlagerung von Sammelplätzen -> 10.000 Jahre machten große Entfernungen Von der Ursprungspopulation spaltet sich zunächst ein kleiner Teil ab, der einen anderen Weg einschlug -> getrennte Teilpopulationen - repräsentieren nur einen kleinen Teil des Genpools - Unterschiede zu Afrikanern am größten Die unterschiedlichen Phänotypen sind das Ergebnis von Angepasstheiten an die jeweiligen Umweltbedingungen. Hautfarbe - Kopfform Geistige und kulturelle Evolution des Menschen Die biologische Entwicklung schuf die Grundlage -> Vormenschen konnten bestimmt Verhaltensweisen durch Immitation erlernen Kultur entstand durch die Weitergabe von nicht erblichen Informationen -> Informationen, die über mehrere Generationen erhalten bleibt -> kulturelle Tradition Wichtigste Veränderung: Informationsvermittlung über Sprache -> größeres Gehirn -> Verlagerung des Kehlkopfes nach unten Sozialisierung: Das Leben in einer Gemeinschaft bedeutet: -> Organisation -> Planung -> Arbeitseinteilung -> Erhöhung der Überlebenschance Wichtige Ereignisse: Allzweckwerkzeuge 1,5 Mio. J. Steinwerkzeuge 2,5 Mio. J. Feuer unbekannt Kunst 40.000 J. Malerei 32.000 J. Sesshaftigkeit 5.500 J. Schrift 3.200 J. Unterschied zwischen kultureller und biologischer Evolution kulturell - Information: Mem Weitergabe durch Lernvorgänge Veränderung: Innovation - - ist ein zielgerichteter Prozess biologisch - Information: Gen - Weitergabe durch Vererbung Veränderung: Mutation - zielloser Prozess, der durch Zufall passiert -