Evolution – Wie die Giraffe ihren langen Hals bekam PDF

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Wintersemester 16/17...

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Evolution – Wie die Giraffe ihren langen Hals bekam Abstammung mit Modifikation: Eine darwinistische Sicht des Lebens • Zwei Hauptaussagen Darwins: o Entwicklung altertümlicher Arten zu den heute auf der Erde lebenden Arten o Natürliche Zuchtwahl/Selektion § Veränderung von Organismen § Ergebnis: evolutionäre Anpassung • Vorherrschen vererbter Merkmale, die Überlebenschancen und Fortpflanzungsfähigkeit in einer bestimmten Umwelt erhöhen Gemeinsame Abstammung mit fortwährender Modifikation • Biologische Vielfalt als Produkt der Evolution • Darwinismus: o Evolution als Erklärungsmöglichkeit für Gemeinsamkeiten und Vielfalt der Organismen o Natürliche Auslese als Ursache der Evolution • Fortwährende Modifikation = Evolution = Deszendez • Abkömmlinge eines Urlebewesens verteilten sich über verschiedene Lebensräume o Verschiedene Modifikationen o Anpassung an spezielle Lebensräume • Stammesgeschichte (Phylogenie) o Arten haben gemeinsamen Vorfahren/Stamm • 99% aller lebenden Arten sind ausgestorben • taxonomische Kategorien o Reich o Stamm o Klasse o Ordnung o Familie o Gattung o Art • Arten, die einer Familie angehören à gemeinsame Vorfahren • Arten, die gleicher Klasse angehören (bspw. Säugetiere) à nicht unbedingt gemeinsame Vorfahren Natürliche Auslese und Anpassung • Ernst Mayr: o Beobachtung 1: alle Arten besitzen hohes Fortpflanzungspotenzial à Populationsgröße müsste exponentiell zunehmen o Beobachtung 2: meisten Populationen bleiben in der Regel in ihrer Größe stabil (Ausnahme: saisonale Schwankungen) o Beobachtung 3: Umweltressourcen sind begrenzt o Folgerung 1: zu viele Nachkommen à Kampf ums Überleben à nur ein Bruchteil des Nachwuchses jeder Generation überlebt o Beobachtung 4: Individuen einer Population variieren enorm in ihren Merkmalen (keine sind exakt gleich)

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o Folgerung 2: Überleben im Existenzkampf hängt von Erbanlagen ab à durch ererbte Merkmale am besten an die Umwelt angepasste Individuen hinterlassen mehr Nachkommen o Folgerung 3: Ungleichheiten in Überleben/Fortpflanzung à gradueller Wandel in einer Population Natürliche Selektion o Unterschiedlicher Fortpflanzungserfolg o Anpassung von Organismenpopulationen an ihre Umwelt Zusammenhang zwischen natürlicher Selektion, Kampf ums Dasein und der Fähigkeit der Überproduktion Malthus: Großteil menschlicher Leiden als Folge des Potenzials der menschlichen Bevölkerung rascher anzuwachsen als die Nahrungsvorräte und Ressourcen In jeder Generation filtern Umweltfaktoren erbliche Varianten (begünstigen einige gegenüber anderen) Unterschiedlicher Fortpflanzungserfolg o Begünstigten Merkmale in den folgenden Generationen überdurchschnittlich repräsentiert o Zunehmende Häufigkeit begünstigter Merkmale in einer Population = Evolution Vorteilhafte Varianten häufen sich nach vielen Generationen natürlicher Selektion an Weniger begünstigte Varianten werden eliminiert Grundzüge Darwins: o Verschiedene Lebensformen leiten sich durch allmähliche Modifikation aus altertümlichen Arten ab o Mechanismus der Abwandlung = natürliche Auslese Population o Sich untereinander fortpflanzend o Gehören bestimmter Art an o Gemeinsames geographisches Verbreitungsgebiet Individuen evolvieren nicht o Natürliche Auslese verstärkt/verringert ausschließlich erbliche Variationen (vererbte Anpassungen) o Anpassungen durch eigenes Handeln à keine Evolution/Selektion Anpassung kann je nach Situation des Ortes etc. sogar nutzlos/nachteilig sein

Beispiele für natürliche Selektion liefern Hinweise auf eine Evolution • Natürliche Selektion à adaptive Evolution (beobachtbare Phänomene) Natürliche Selektion in Aktion: Die Evolution von insektizidresistenten Insekten • Insektizide = Gifte zum Abtöten von Schadinsekten • Zu Beginn des Einsatzes: Ermutigender Erfolg • Bei wiederholter Anwendung: immer weniger effizient o Natürliche Selektion als Ursache der Evolution der Insektizidresistenz o Die wenigen Überlebenden haben Gene, die sie widerstandsfähig gegen die chemischen Angriffe machen o So bleiben nur noch die resistenten Individuen übrig und diese pflanzen sich fort

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o Anteil der der insektizidresistenten Individuen in den Insektenpopulationen nimmt zu o Population hat sich demnach an die Veränderung ihrer Umwelt angepasst Insektizid selektiert resistente Individuen Natürliche Selektion ist zeit- und ortsabhängig à Merkmale, die am besten für die gegenwärtige lokale Umgebung geeignet sind (in anderen Umgebungen eventuell nutzlos/nachteilig)

Überall in der Biologie finden sich weitere Belege für die Evolution • Rasche natürliche Selektion (Insektizide etc.) à direkt beobachtbar • Manche über Hunderte von Millionen Jahren hinweg à gilt zu erforschen • Vielfalt des Lebens als Produkt der Evolution Homologien • Neue Arten aus urtümlichen Arten o Weil bei Anpassung an die Umwelt immer mehr Veränderungen dazu kommen o Neuartige Merkmale sind veränderte Merkmale, die bereits bei Vorfahren vorhanden waren o Weisen alle grundlegende Ähnlichkeiten auf § Auch wenn diese Merkmale nicht mehr die gleiche Funktion haben § Merkmalsähnlichkeit infolge gemeinsamer Abstammung = Homologie • Anatomische Homologien o Anatomische Ähnlichkeiten zwischen Arten, die derselben taxonomischen Gruppe angehören § Katze, Wale, Menschen, Fledermäuse etc. à gleiche Skelettelemente in den Extremitäten (aber unterschiedliche Funktionen dieser) § Grundlegende Struktur wurde modifiziert • Erfüllte bei jeder Art eine andere Funktion • Variation eines gemeinsamen Bauplans § Anatomische Anzeichen für Evolution = homologe Strukturen o Vergleichende Anatomie bestätigt Umbauprozesse im Laufe der Evolution o Anatomische Mängel gibt es auch § Kniegelenk und Wirbelsäule des Menschen entwickelten sich aus vorhandenen Strukturen vierbeiniger Säugetiere • Wären Strukturen an aufrechte, zweibeinige (bipede) Haltung neu geschaffen worden à kaum Knie- oder Rückenprobleme im Alter • Einschränkung durch unsere Stammesgeschichte o Rudimentäre Organe § Organe, die, weil sie geringfügigen oder gar keinen erkennbaren Nutzen haben, zurückgebildet werden § Historische Überbleibsel von Körperteilen § Beispiel Schlange: Rudimente des Beckens/der Beinknochen à vierbeinige Vorfahren • Embryologische Homologien

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o Homologien bei adulten Organismen nicht offensichtlich o Deshalb Betrachtung der Embryonalentwicklung § Beispiel Wirbeltiere: Entwicklungsstadium, in dem sie seitlich an ihrer Kehle so genannte Kiementaschen aufweisen Molekulare Homologien o Pflanzen und Tiere weisen beispielsweise auf molekularer Ebene Gemeinsamkeiten auf § Alle Organismen nutzen gleiche grundlegende genetische Maschinerie aus DANN und RNA § Genetischer Code ist universell o Neue Hilfsmittel, um die evolutionären Beziehungen der biologischen Vielfalt zu erforschen Homologien und der Stammbaum des Lebens o Homologien spiegeln taxonomische Hierarchie des Stammbaums des Lebens wider o Unterste Schicht ist allen Lebensformen gemeinsam o Für kleiner Gruppen: neue Homologien, die sie mit größeren Gruppen gemeinsam haben o Hierarchie = Stammbaum o Homologien spiegeln die Entwicklungsgeschichte wider (man müsste immer ähnliche Muster finden à bei Vergleichen) o Stimmen Genbibliothek und Proteinsequenz zweier Arten miteinander überein à wahrscheinlich, dass sie diese von gemeinsamen Vorfahren übernommen haben § Beziehungen zwischen Arten sind in der DNA und ihren Proteinen dokumentiert o Verschiedenartige Homologien ergeben die gleichen hierarchischen Muster

Biogeographie • Biogeographie = geographische Verbreitung von Arten • Arten sind in der Regel näher mit Spezien aus dem gleichen Gebiet verwandt o Als mit anderen Spezien anderer Gebiete mit gleicher Lebensweise (Beispiel Beuteltier) o Arten mit ähnlicher Lebensweise können sich von unterschiedlichen Arten entwickelt haben o Ähnlichkeit von Gleitbeutlern (Australien) und Gleithörnchen (Nordamerika) = konvergente Evolution • Inseln geben biogeographische Hinweise auf Evolution o Hier leben viele endemische Arten (leben nirgendwo sonst auf der Welt) o Zwei Inseln mit ähnlicher Umwelt in unterschiedlichen Teilen der Welt § Sind nicht von nahe verwandten Arten besiedelt § Sondern von Arten, die taxonomisch den Arten des nächstgelegenen Festlands zuzuordnen sind • Obwohl unterschiedliche Umweltbedingungen herrschen o Wandert eine Art vom Festland auf eine Insel § Siedelt sie sich erfolgreich an § Dann können aus ihr mehrere neue Spezies entstehen • Wenn sich die Populationen auf andere Inseln des Archipels ausbreiten

Fossilbelege • Frühere Prokaryoten als Vorfahren allen heutigen Lebens • Im Fossilnachweis sollten also Bakterien eukaryotischen Lebens vorausgehen • Älteste bekannte Fossilien à Prokaryoten • Chronologisches Auftreten der verschiedenen Wirbeltierklassen im Fossilnachweis à stimmt mit Geschichte überein • Es gibt evolutionäre Übergänge zwischen Arten (lassen sich durch Fossilien bestätigen) Welche Fakten bilden die Grundlage für unser Verständnis der Evolution? • Welt der Organismen unterliegt stetigem Wandel • Man kann natürliche Selektion und Evolution direkt beobachten o Geschwindigkeit der Entstehung neuer Mutationen o Ausbreitung neuer genetischer Varianten o Auswirkung genetischer Veränderung auf die Gestalt und Funktion von Organismen • Evolutionstheorie o Verständnis von Mechanismen, die im Laufe der Zeit zu biologischen Veränderungen in Populationen führen o Interpretation des Wandels und der Wechselbeziehung lebender Organismen Charles Darwin formulierte das Prinzip der natürlichen Selektion • Arten sind nicht unveränderlich à unterliegen einem Wandel • Verschiedene Arten gehen auf gemeinsamen Vorfahren zurück • Mechanismus, der Veränderung hervorbringt = natürliche Selektion/natürliche Zuchtwahl • Unterschiedliche Überlebenswahrscheinlichkeiten und abweichende Fortpflanzungserfolg aufgrund von Variationen in ihren Merkmalen • Organismen sind nie identisch o Leichte Abweichungen unter den Nachkommen wirken sich darauf aus, ob sie überleben können und sich fortpflanzen • Nicht Individuen evolvieren, sondern Populationen • Population o Gruppe, die zum gleichen Zeitpunkt in einem bestimmten geographischen Verbreitungsgebiet in einer Fortpflanzungsgemeinschaft leben o Mitglieder werden an die Umwelt, in der sie leben, angepasst Anpassung hat zwei Bedeutungen • Anpassung/Adaption à Prozesse, die vorteilhafte Merkmale evolvieren • Anpassung ist ein phänotypisches Merkmal à erhöht Chancen • Erfolgreiche Fortpflanzung à Nachkommen, die überleben und sich wieder fortpflanzen Die Populationsgenetik untermauert Darwins Theorie • Gregor Mendel: Populationsgenetik • Synthetische Evolutionstheorie

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Damit Population evolvieren kann à Mitglieder müssen erbliche genetische Variabilität aufweisen Phänotypen à physische Expression der Gene von Organismen Eigenschaften von Phänotypen sind Merkmale (bspw. Augenfarbe) Spezifische Form eines Merkmals (bspw. braun) ist Merkmalsausprägung/Merkmalsform Erbliches Merkmal als charakteristische Eigenschaft (durch Gene bestimmt) Genetische Zusammensetzung, die für ein Merkmal verantwortlich ist = Genotyp Eine Population kann evolvieren à wenn Individuen mit verschiedenen Genotypen durch unterschiedliche Überlebens- oder Fortpflanzungsraten gekennzeichnet sind Ziele der Populationsgenetik: o Muster und Organismen genetischer Variabilität erklären o Entstehung und Aufrechterhaltung genetischer Variabilität erklären o Mechanismen verstehen, die Veränderungen von Allelfrequenzen in Populationen bewirken An einem bestimmten Genort (Locus) können unterschiedliche Formen eines Gens existieren à Allele o Wegen dem diploiden Chromosomensatz à höchstens zwei verschiedene Allele besitzen o Jedes Individuum trägt daher nur eine bestimmte Auswahl an Allelen, die in seiner Population vorkommen Genpool einer Population à sämtliche Kopien aller Allele an allen Loci o Quelle der genetischen Variabilität

Die meisten Populationen sind genetisch variabel • Erforschung genetischer Grundlage der Evolution schwierig o Nicht alle Phänotypen werden von nur einem Genotyp bedingt o AA und Aa haben aufgrund von Dominanz des As den gleichen Phänotyp o Ein und derselbe Genotyp kann aber auch unterschiedliche Phänotypen bewirken à passen sich an Umwelt an...