Evolutionstheorien und Grundbegriffe

Die Evolution ist der Schlüssel zum Verständnis der biologischen Vielfalt. Sie erklärt, wie aus einer Stammform durch Anpassung verschiedene Arten entstehen können. Eine Population ist eine Gruppe gleichartiger Individuen, die zur gleichen Zeit im selben Gebiet leben und sich untereinander fortpflanzen können.

Für den Evolutionsprozess sind mehrere Faktoren entscheidend:

• Genetische Variabilität: Individuen einer Art unterscheiden sich in zahlreichen vererbbaren Merkmalen
• Ressourcenknappheit: Es werden mehr Nachkommen produziert, als überleben können
• Reproduktive Fitness: Die Fähigkeit, Gene erfolgreich weiterzugeben

Der französische Naturforscher Lamarck stellte 1809 eine Theorie auf, wonach erworbene Eigenschaften vererbt werden können. Wenn ein Tier ein Organ häufig benutzt, soll dieses stärker werden und diese Veränderung an die Nachkommen weitergegeben werden. Diese Theorie gilt heute als widerlegt, da es keinen Mechanismus gibt, durch den Veränderungen im Körper ins Erbgut gelangen könnten.

Merke: Die Vererbung erworbener Eigenschaften nach Lamarck ist nicht möglich, da körperliche Veränderungen das Erbgut nicht beeinflussen.

Darwin hingegen entdeckte 1859, dass natürliche Selektion der zentrale Evolutionsmechanismus ist. In jeder Population gibt es Variationen, und Individuen mit vorteilhaften Eigenschaften haben höhere Überlebens- und Fortpflanzungschancen, wodurch ihre Gene in der Population zunehmen.

Die Synthetische Evolutionstheorie

Die moderne synthetische Evolutionstheorie vereint Darwins Prinzipien mit Erkenntnissen aus Genetik, Ökologie und Paläontologie. Sie erklärt, wie sich der Genpool – die Gesamtheit aller Gene in einer Population – von Generation zu Generation verändern kann.

Diese Veränderungen werden durch verschiedene Evolutionsfaktoren bewirkt:

1. Mutation: Zufällige Veränderungen in der DNA-Sequenz bilden die Grundlage für neue Merkmale. Diese sind vererbbar und können von vorteilhaft bis schädlich sein.

2. Rekombination: Bei der Meiose werden elterliche Erbanlagen neu kombiniert, was zu neuen Merkmalskombinationen führt.

3. Selektion: Durch unterschiedliche Überlebens- und Fortpflanzungschancen verändern sich die Häufigkeiten bestimmter Gene.

4. Gendrift: Zufällige Veränderungen der Allelhäufigkeiten, besonders in kleinen Populationen.

Ein anschauliches Beispiel sind die Hainschnirkelschnecken mit ihren verschiedenfarbigen Gehäusen. Je nach Umgebung haben bestimmte Farben Vor- oder Nachteile gegenüber Fressfeinden, was zu Veränderungen im Genpool der Population führt.

Achtung: Die Evolutionstheorie behauptet nicht, dass Organismen "besser" werden, sondern nur, dass sie sich an ihre Umwelt anpassen. In einer veränderten Umwelt können vorher vorteilhafte Anpassungen plötzlich nachteilig sein.

Populationsgenetik und Evolutionsfaktoren

Die Populationsgenetik untersucht, wie sich Allelhäufigkeiten in einer Population über Generationen verändern. Das Hardy-Weinberg-Gesetz beschreibt das theoretische Gleichgewicht bei einer idealen Population ohne Evolutionsfaktoren. Es gilt: p² + 2pq + q² = 1, wobei p und q die Häufigkeiten der Allele sind.

In der Realität wirken jedoch ständig Evolutionsfaktoren auf Populationen ein. Besonders der Gendrift kann in kleinen Populationen große Auswirkungen haben:

Beim Flaschenhalseffekt wird eine Population drastisch reduziert, etwa durch eine Naturkatastrophe. Dadurch gehen zufällig bestimmte Allele verloren, und der Genpool verarmt. Das führt zu verringerter genetischer Vielfalt und kann die Überlebensfähigkeit der Art beeinträchtigen.

Der Gründereffekt tritt auf, wenn sich eine kleine Gruppe von der Hauptpopulation abspaltet und eine neue Population gründet. Die Gründerpopulation trägt nur einen Teil der genetischen Vielfalt der Ausgangspopulation.

Hauptunterschied: Beim Flaschenhalseffekt verarmt der Genpool der ganzen Art, während beim Gründereffekt nur die neue Teilpopulation einen eingeschränkten Genpool hat.

Neben dem Gendrift spielt auch die reproduktive Isolation eine wichtige Rolle bei der Artbildung. Sie verhindert den Genfluss zwischen Populationen, was langfristig zur Entstehung neuer Arten führen kann.

Natürliche Selektion und Artbildung

Die natürliche Selektion ist der zentrale Mechanismus der Evolution. Sie wirkt durch Selektionsfaktoren aus der abiotischen (unbelebten) und biotischen (belebten) Umwelt. Diese üben einen Selektionsdruck auf Populationen aus, wodurch sich der Genpool verändert.

Je nach Art des Selektionsdrucks unterscheidet man verschiedene Selektionsformen:

1. Stabilisierende Selektion: Der Mittelwert einer Merkmalsausprägung bleibt konstant, extreme Varianten werden benachteiligt. Beispiel: Mittelbraune Schnecken auf mittelbraunem Boden haben Überlebensvorteile gegenüber helleren oder dunkleren Exemplaren.

2. Gerichtete Selektion: Eine extreme Ausprägung wird bevorzugt, der Mittelwert verschiebt sich. Beispiel: Schnecken mit dunkleren Gehäusen auf dunklem Untergrund.

3. Disruptive/Aufspaltende Selektion: Beide Extremformen werden bevorzugt, die mittlere Form benachteiligt. Dies kann zur Aufspaltung einer Population führen.

Artbildung kann auf verschiedene Weisen erfolgen:

Bei der allopatrischen Artbildung wird eine Population durch geografische Barrieren getrennt. Die Teilpopulationen entwickeln sich unabhängig voneinander, bis sie sich so stark unterscheiden, dass eine Fortpflanzung nicht mehr möglich ist.

Bei der sympatrischen Artbildung entstehen neue Arten ohne geografische Trennung, etwa durch Polyploidisierung bei Pflanzen oder Verhaltensänderungen.

Merke: Nach dem biologischen Artbegriff sind Arten Gruppen natürlicher Populationen, deren Individuen sich miteinander fortpflanzen können und von anderen solchen Gruppen reproduktiv isoliert sind.

Anpassung, Koevolution und molekulare Evolution

Das Konzept der adaptiven Radiation beschreibt, wie eine Stammart verschiedene ökologische Nischen besetzt und sich in mehrere spezialisierte Arten aufspaltet. Ein berühmtes Beispiel sind Darwins Finken auf den Galapagos-Inseln, die unterschiedliche Schnabelformen für verschiedene Nahrungsquellen entwickelten.

Koevolution bezeichnet die wechselseitige Anpassung zweier Arten aneinander. Diese kann verschiedene Formen annehmen:

• Symbiose: Beide Arten profitieren (Mutualismus)
• Parasitismus: Eine Art profitiert auf Kosten der anderen
• Räuber-Beute-Beziehung: Evolutionäres "Wettrüsten" zwischen Jäger und Gejagtem

Ein Beispiel für Koevolution ist die Beziehung zwischen Zebraraupen und Passionsblumen. Die Pflanze entwickelt Giftstoffe zum Schutz, woraufhin die Raupen Enzyme entwickeln, die das Gift neutralisieren.

Die moderne Molekularbiologie liefert wichtige Belege für die Evolution. Mittels PCR $Polymerase-Kettenreaktion$ und Gelelektrophorese können DNA-Sequenzen verschiedener Arten verglichen werden.

Beim Vergleich von Homologien (ähnliche Strukturen aufgrund gemeinsamer Abstammung) und Analogien (ähnliche Strukturen aufgrund ähnlicher Funktionen) lassen sich evolutionäre Verwandtschaftsbeziehungen nachweisen. Je ähnlicher die DNA-Sequenzen zweier Arten sind, desto näher verwandt sind sie.

Tipp: Homologien erkennt man daran, dass sie den gleichen grundlegenden Bauplan haben, auch wenn sie unterschiedlich genutzt werden (z.B. Vorderbein, Flügel, Flosse). Analogien haben unterschiedliche Baupläne, erfüllen aber ähnliche Funktionen (z.B. Flügel bei Vögeln und Insekten).

Menschliche Evolution und Primatenverhalten

Die Evolution des Menschen ist ein faszinierender Prozess, der mehrere Millionen Jahre umspannt. Der Mensch teilt mit anderen Primaten viele Merkmale, hat aber auch spezifische Anpassungen entwickelt.

Der aufrechte Gang ist eines der wichtigsten Merkmale, das Menschen von anderen Primaten unterscheidet. Dadurch ergaben sich folgende anatomische Änderungen:

• S-förmige Wirbelsäule statt einfacher Krümmung
• Schüsselförmiges Becken statt schaufelförmiges
• Standfuß statt Greiffuß
• Position des Hinterhauptlochs in der Mitte der Schädelbasis

Die menschliche Evolution umfasst mehrere Arten:

• Australopithecinen $vor 4-2 Mio. Jahren$: Erste Vormenschen mit aufrechtem Gang
• Homo habilis (vor ca. 2,4 Mio. Jahren): Erste Werkzeugnutzung
• Homo erectus (vor ca. 1,9 Mio. Jahren): Nutzung von Feuer
• Homo neanderthalensis: Anpassung an kaltes Klima
• Homo sapiens (vor ca. 300.000 Jahren): Entwicklung komplexer Kultur

Die Out-of-Africa-Hypothese besagt, dass der moderne Mensch in Afrika entstand und sich von dort aus über die Welt verbreitete. Alternative Theorien sind die Multiregionale Hypothese und die Assimilationstheorie.

Primaten zeigen komplexes Sozialverhalten, das durch exogene (Umweltfaktoren) und endogene (genetische und hormonelle) Faktoren beeinflusst wird. Die verschiedenen Paarungssysteme (Monogamie, Polygynie, Polyandrie, Polygynandrie) dienen der Maximierung der reproduktiven Fitness.

Spannend: Genetische Untersuchungen zeigen, dass moderne Menschen außerhalb Afrikas etwa 1-4% Neandertaler-DNA besitzen, was auf Vermischung zwischen den Arten hindeutet.