Die Grundlagen der Evolution, Faktoren und Artbildung

Die Evolution ist ein komplexer Prozess, der durch verschiedene Faktoren gesteuert wird und zur Entstehung neuer Arten führt. Darwins Theorie der natürlichen Selektion erklärt, wie sich Arten über Generationen hinweg durch passive Anpassung entwickeln. Diese Anpassung basiert auf der Variabilität von Merkmalen und deren Vererbung.

Definition: Eine Art bezeichnet Gruppen von Populationen, deren Individuen sich untereinander kreuzen können und fruchtbare Nachkommen hervorbringen.

Die Artenumwandlung durch genetische Variabilität erfolgt durch verschiedene Evolutionsfaktoren wie Mutation, Rekombination, Selektion, Isolation und Gendrift. Diese Faktoren beeinflussen den Genpool einer Population und führen zu Veränderungen der Allelfrequenzen.

Highlight: Der "Struggle for Life" beschreibt die Konkurrenz zwischen Individuen einer Art um begrenzte Ressourcen. Besser angepasste Individuen haben höhere Überlebenschancen und mehr Nachkommen.

Evolutionsfaktoren und Selektionsformen

Die natürliche Selektion kennt drei Hauptformen: stabilisierende, gerichtete und aufspaltende Selektion. Bei der stabilisierenden Selektion werden extreme Merkmalsausprägungen benachteiligt, während bei der gerichteten Selektion eine Entwicklung in eine bestimmte Richtung erfolgt.

Beispiel: Bei der aufspaltenden Selektion werden extreme Merkmalsausprägungen bevorzugt, während mittlere Ausprägungen benachteiligt werden. Dies kann zur Entstehung neuer Arten führen.

Die Gendrift verändert den Genpool durch Zufallsprozesse, besonders in kleinen Populationen. Dabei unterscheidet man zwischen dem Flaschenhalseffekt und dem Gründereffekt.

Sexuelle Selektion und Fortpflanzungsstrategien

Die sexuelle Selektion umfasst intersexuelle und intrasexuelle Selektion. Bei der intersexuellen Selektion wählen typischerweise Weibchen ihre Fortpflanzungspartner nach bestimmten Merkmalen aus.

Fachbegriff: Geschlechtsdimorphismus bezeichnet die unterschiedliche äußere Erscheinung von männlichen und weiblichen Individuen einer Art.

Verschiedene Paarungssysteme haben sich entwickelt: Monogamie, Polygynie, Polyandrie und Promiskuität. Jedes System bietet spezifische Vor- und Nachteile für den Fortpflanzungserfolg.

Fitness und Artbildung

Die reproduktive Fitness beschreibt den Fortpflanzungserfolg eines Individuums und setzt sich aus direkter und indirekter Fitness zusammen. Die direkte Fitness bezieht sich auf die eigenen Nachkommen, während die indirekte Fitness die Unterstützung verwandter Individuen bei der Fortpflanzung umfasst.

Definition: Der Genpool bezeichnet die Gesamtheit aller Gene in einer Population.

Die Artbildung kann allopatrisch (durch geografische Trennung) oder sympatrisch (innerhalb eines Lebensraums) erfolgen. Dabei spielen verschiedene Isolationsmechanismen eine wichtige Rolle, die sich in präzygotische und postzygotische Mechanismen unterteilen lassen.

Artbildung und Isolationsmechanismen in der Evolution

Die Evolution Faktoren und Artbildung werden maßgeblich durch verschiedene Isolationsmechanismen bestimmt. Diese Mechanismen unterteilen sich in präzygotische und postzygotische Barrieren, die eine Fortpflanzung zwischen verschiedenen Arten verhindern.

Präzygotische Barrieren wirken bereits vor der Befruchtung. Dazu gehören die Habitatisolation, bei der potenzielle Sexualpartner zwar im selben Biotop leben, aber unterschiedliche Mikrohabitate besiedeln. Die Verhaltensisolation verhindert die Paarung durch artspezifische Paarungssignale. Bei der mechanischen Isolation passen die Begattungsorgane anatomisch nicht zusammen.

Definition: Die adaptive Radiation beschreibt die Aufspaltung einer Art in zahlreiche neue Arten unter Anpassung an unterschiedliche ökologische Bedingungen.

Die genetische Variabilität einer Population kann durch verschiedene Effekte eingeschränkt werden. Beim Gründereffekt etabliert ein kleiner Teil einer Population eine neue Population, wodurch die genetische Vielfalt reduziert wird. Der Flaschenhalseffekt tritt ein, wenn durch eine Katastrophe ein Großteil der Population vernichtet wird. Die wenigen Überlebenden führen zu genetischer Verarmung.

Pflanzenanpassungen an verschiedene Standorte

Pflanzen haben im Laufe der Evolution Faktoren und Artbildung verschiedene Anpassungsstrategien an ihre Umwelt entwickelt. Man unterscheidet zwischen poikilohydren Pflanzen, die Wasser über die Oberfläche aufnehmen, und homoiohydren Pflanzen, die ihren Wasserhaushalt selbst regulieren.

Highlight: Sukkulente Wüstenpflanzen haben besondere Anpassungen zur Wasserspeicherung in Blatt, Stamm oder Wurzel entwickelt.

Je nach Standort haben sich verschiedene Pflanzengruppen entwickelt: Mesophyten an mäßig feuchten Standorten, Hydrophyten an nassen Standorten, Xerophyten an trockenen Standorten und Hygrophyten an feuchten Standorten. Halophyten sind speziell an salzhaltige Böden angepasst.

Die Anpassungen zeigen sich in verschiedenen morphologischen Merkmalen wie der Ausbildung der Cuticula, der Epidermis und der Verteilung der Spaltöffnungen. Xerophyten beispielsweise besitzen eine dicke Cuticula und eingesenkte Spaltöffnungen zum Schutz vor Wasserverlust.

Blattanatomie und Stofftransport

Die Blattanatomie spiegelt die Artenumwandlung durch genetische Variabilität wider. Der Blattquerschnitt zeigt verschiedene spezialisierte Gewebeschichten, die jeweils bestimmte Funktionen erfüllen.

Vokabular: Die Cuticula ist eine wachsartige Schicht auf der Epidermis, die das Verdunsten von Wasser verhindert.

Die Epidermis bildet die äußere Schutzschicht und enthält keine Chloroplasten. Das Palisadengewebe darunter besteht aus zylindrischen Zellen mit vielen Chloroplasten für die Photosynthese. Das Schwammgewebe enthält luftgefüllte Interzellularen und ist für den Gasaustausch wichtig.

Die Leitbündel mit Xylem und Phloem sorgen für den Ferntransport von Wasser und Nährstoffen. Die Spaltöffnungen (Stomata) regulieren den Gas- und Wasseraustausch durch spezielle Schließzellen, die Chloroplasten enthalten und auf Umweltbedingungen reagieren.

Stoffwechselprozesse und Wachstumsfaktoren

Das Liebigsche Minimumgesetz erklärt, wie das Pflanzenwachstum durch den jeweils knappsten Wachstumsfaktor begrenzt wird - ein wichtiges Prinzip in Darwins Theorie der natürlichen Selektion.

Beispiel: Selbst wenn alle anderen Nährstoffe im Überfluss vorhanden sind, wird das Wachstum durch den Mangel eines einzigen Elements limitiert.

Die Transpiration über Stomata und Cuticula ist essentiell für die Wasserversorgung und Temperaturregulation der Pflanze. Bei der Assimilation werden körperfremde in körpereigene Stoffe umgewandelt, wobei zwischen autotropher (Photosynthese) und heterotropher Assimilation unterschieden wird.

Die Dissimilation umfasst den Abbau von Stoffen unter Energiefreisetzung, entweder durch aerobe Zellatmung oder anaerobe Gärung. Die aerobe Zellatmung läuft in drei Schritten ab (Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette) und erzeugt insgesamt 38 ATP-Moleküle.

Absorptionsspektrum und Wirkungsspektrum der Fotosynthese

Das Absorptionsspektrum und Wirkungsspektrum sind fundamentale Konzepte zum Verständnis der Fotosynthese. Diese Spektren zeigen, wie Pflanzen verschiedene Wellenlängen des Lichts für die Fotosynthese nutzen.

Das Absorptionsspektrum wird mithilfe eines Fotometers gemessen und zeigt, welche Wellenlängen des Lichts von den Photosynthese-Pigmenten aufgenommen werden. Die wichtigsten Pigmente sind dabei Chlorophyll a, Chlorophyll b und die Carotinoide. Diese Pigmente absorbieren besonders stark im blauen $400-500 nm$ und roten $600-700 nm$ Bereich des Lichtspektrums.

Definition: Das Absorptionsspektrum zeigt die Lichtaufnahme der Photosynthese-Pigmente bei verschiedenen Wellenlängen. Das Wirkungsspektrum gibt an, bei welchen Wellenlängen die Fotosynthese am effektivsten abläuft.

Interessanterweise wird grünes Licht $500-650 nm$ kaum absorbiert, sondern von den Blättern reflektiert. Dies erklärt die charakteristische grüne Farbe der Pflanzen. Das Wirkungsspektrum korreliert stark mit dem Absorptionsspektrum und zeigt Maxima bei denselben Wellenlängen. An diesen Stellen ist die Sauerstoffproduktion und damit die Fotosyntheserate am höchsten.

Beispiel: Eine Fadenalge zeigt besonders hohe Fotosyntheserate im blauen und roten Spektralbereich, während im grünen Bereich die Fotosyntheseleistung deutlich geringer ist.

Photosynthese-Pigmente und ihre Bedeutung

Die verschiedenen Photosynthese-Pigmente haben sich im Laufe der Evolution optimal an die verfügbaren Lichtbedingungen angepasst. Chlorophyll a ist das wichtigste Pigment und kommt in allen photosynthetisch aktiven Organismen vor.

Chlorophyll b und Carotinoide fungieren als Hilfspigmente, die zusätzliche Wellenlängenbereiche des Lichts aufnehmen und die Energie an Chlorophyll a weitergeben. Diese Arbeitsteilung ermöglicht eine effizientere Nutzung des verfügbaren Lichts.

Highlight: Die unterschiedlichen Absorptionsmaxima der Pigmente ermöglichen es den Pflanzen, einen größeren Bereich des Lichtspektrums für die Fotosynthese zu nutzen.

Bakterien haben im Laufe der Evolution spezielle Pigmente entwickelt, die es ihnen ermöglichen, auch in extremen Lebensräumen Fotosynthese zu betreiben. Diese bakteriellen Pigmente können beispielsweise auch infrarotes Licht nutzen, das für Pflanzen nicht zugänglich ist.