Zusammenfassung Evolution und Biodiversität PDF

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Zusammenfassung Evolution und Biodiversität für Lehramt...

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Zusammenfassung Evolution und Biodiversität Vorlesung 1 Schlüsselkonzept:

Evolutionsbiologie erklärt die Geschichte, Anpassung und die Komplexität von Leben

die

Diversität,

die

Hauptaspekte der Evolution Mikroevolution – der Prozess der Evolution: Die Änderung der genetischen Zusammensetzung von Populationen von Generation zu Generation (inklusive adaptiver und neutraler Evolution) Makroevolution – Muster und Geschichte der Evolution Die Entstehung des Lebens, der verschiedenen Arten, ihre Veränderung im Laufe erdgeschichtlicher Zeiträume und ihr Aussterben, d.h. die stammesgeschichtliche Entwicklung. Makroevolution umfasst das Muster der Evolution auf Artebene und höher inklusive der Fossilgeschichte und der Systematik Homologie:

Die Hypothese, dass gleiche Merkmale von Arten auf die Abstammung von einer gemeinsamen Stammart und somit auf stammesgeschichtliche Verwandtschaft hinweisen.  z.B. Homologie der 5 Finger (z.B. Fledermäuse, Delphine etc.)  Synapomorphie:

Syn(gemeinsam) Apo(ableiten) Morphie(Gestalt) = gemeinsame Neubildung, z.B. Säugetier Milchdrüsen, Haare

Mirkoevolution: Selektion und Drift Natürliche Selektion:

Unterschiedliches Überleben und unterschiedlicher Fortpflanzungserfolg von Individuen, die sich in vererbbaren Merkmalen unterscheiden. Merkmale, die den Fortpflanzungserfolg verbessern, steigen in ihrer Frequenz innerhalb einer Population über die Zeit.

 Unterschiedlich viele

Kinder bedeutet unterschiedliche Anzahl an weitergegebenen Genen. Bei einem Kind 50%, bei zwei Kindern etwa 75%

1

Erhöhung der genetischen Variation: -

Durch Mutation (sehr selten, 10 hoch -6)

-

Durch Crossing-Over

-

Durch Rekombination (bei jeder Meiose, Haupttriebkraft)

-

Durch Epigenetik (Vorgänge die auch vererbt werden, keine Änderung der Nukleotidsequenz, sondern Inaktivierung von Nukleotidsequenzen)

Bedingungen für Selektionen: 1. Variation von Merkmalen 2. Vererbbarkeit der Merkmale 3. Variation im Fortpflanzungserfolg 4. Korrelation zwischen Merkmal und Fortpflanzungserfolg

Alle diese Bedingungen müssen erfüllt sein, damit Selektion stattfinden kann. Selektion „Non-survival oft he non-fittest“, der am schlechtesten Angepasste überlebt nicht Adaptive Evolution: Der Veränderungsprozess in der genetischen Zusammensetzung von Populationen, der durch Variation im Fortpflanzungserfolg getrieben wird mit der Variation eines vererbbaren Merkmals korreliert. Eine Population ist eine Gruppe von Individuen der gleichen Art, die: -

Aufgrund ihrer Entstehungsprozesse miteinander verbunden sind

-

Eine Fortpflanzungsgemeinschaft bilden

-

Zur gleichen Zeit in einem einheitlichen Areal zu finden sind

Neutrale Evolution Zufällige Veränderungen in der genetischen Zusammensetzung von Populationen, die auftreten, weil Gene, die nicht mit Fortpflanzungserfolg korreliert sind, trotzdem durch zufällige Prozesse in ihrer Frequent beeinflusst werden. Diesem Prozess liegt die genetische Drift. Genetische Drift

2

Zufällige Veränderung der Allelfrequenz innerhalb einer Population oder einer Teilpopulation. Makroevolution/Artbildung/Taxonomie/Adaptive Radiation/Synthetische Evolutionstheorie/Schlüsselkonzepte der Biologie aus VL 1 ergänzen

Vorlesung 2 Ein Merkmal unterliegt natürlicher Selektion, wenn es variiert und vererbt wird und mit dem Fortpflanzungserfolg korreliert. -

Natürliche Selektion  Reproduktionserfolg mit Merkmal gekoppelt (negativ oder positiv)

-

Random Drift  keine Korrelation zwischen Reproduktionserfolg und Merkmal = Drift (neutrale Evolution) z.B. eine AS geändert, aber keine Änderung des Phänotyps

Die Korrelation zwischen Merkmal und Reproduktionserfolg bestimmt, ob Evolution adaptiv oder neutral ist. Beispiel schneller Evolution: Guppies -

Männchen speichern Farbstoffe der im Leben gegessenen Krebse im Schwanz als Merkmal  auffällig für Paarung, kein Nachteil da kein Prädator vorhanden

-

Nach zusetzen von Buntbarsch (Prädator) wird auffälliges Merkmal negativ auf Paarungserfolg

-

Guppies werden kleiner (bessere Verstecke, weniger Ressourcenbedarf), frühere Geschlechtsreife, verlieren auffällige Färbung und mehr Nachkommen (Evolution)

Beispiel langsame Evolution: Quastenflosser

3

-

„lebende Fossilien“ seit 150 Mill Jahren

-

Seit dieser Zeit nahezu gleich  konstante Bedingungen im Meer, kein Selektionsdruck, keine Prädatoren

-

Entwickeln sich trotzdem nicht nach dem Cope´s Law (Tendenzielle Zunahme der Körpergröße bei optimalen Bedingungen)

Regel: Evolution kann sehr stark sein, wenn Population groß und Selektion stark ist. Große Populationen haben meist große genetische Variation. Kleine Populationen haben geringere genetische Variation  Starke Selektion bei kleinen Populationen kann in der Evolution zur

Extinktion der Population führen, da enorme Reduktion der genetischen Variation durch Selektionsdruck Selektionstypen -

Direktionale, stabilisierende und disruptive Selektion

-

Natürliche und sexuelle Selektion

-

Frequenz-abhängige Selektion

-

Individuelle, verwandtschaftliche, Gruppen- und Arten-Selektion

Direktionale, stabilisierende und disruptive Selektion -

Direktional: o

-

-

lebende Fossilien (Quastenflosser)

Ein Merkmal wird stabilisiert. Individuen mit nicht optimalen Merkmalen haben weniger/keine Fitness. Es entwickelt sich ein Merkmalswert, der über längeren Zeitraum bestehen bleibt

Disruptiv: o

4

Verschiebung der Population vom Mittelwert, durch unterschiedliche Merkmalswert und Fitnesskopplung

Stabilisierend: o

Guppies, Antibiotikaresistenzen

Entwicklung von Ei und Spermium, sympatrische Artbildung

Über lange Zeit führt es zur Bildung von 2 Arten -> sympatrisch

Sexuelle Selektion: Kriterien für Partnerwahl -

Direkter Nutzen: z.B. bei Löwen, großer Löwe schützt das Harem und somit die Weibchen, Dadurch haben Weibchen den Schutz als Nutzen und einen Zugriff auf hohe Nahrungsressourcen

-

Sexy-Son-Hypothese: Attraktive Merkmale sollen an die Kinder weitergegeben werden, damit diese die Merkmale weitergeben können  hoffen, dass Nachkommen ein Merkmal ausprägen (z.B. Größe, Farbe usw.)

-

Good genes-Hypothese: Wenn ein Individuum unter Prädatorendruck zu guten auffälligen Merkmalen neigt, zeigt dies gute Gene (z.B. Kosten große Federn beim Pfau viel Energie und Gefahr durch Prädatoren)

Frequenz-abhängige Selektion -

5

Der Vorteil etwas zu tun, hängt davon ab, was schon präsent ist

o

Z.B. 50:50 Geschlechterverhältnis

o

Diversität der Immun-Gene  viele können dazu führen, dass man gegen mehr Krankheiten immun ist

Gruppenselektion und Selektion auf Art-Ebene -

Gruppenselektion: Gefahr der Invasion durch selfish-Mutationen, selffishMutation  keine Beteiligung mehr an der Gruppe (als Beispiel)

-

Selektion auf Artebene findet nicht statt, sondern nur innerhalb einer Art

Trade-Offs (Kompromisse) -

Eine bessere Anpassung (Adaption) an einen Umweltfaktor führt oft zu Fitnessnachteilen in Bezug auf Umweltfaktoren. Der Vorteil in einem Bereich ist also durch einen nicht vermeidbaren Nachteil in einem anderen Bereich „erkauft“

-

Anpassungen bringen oft Kosten und Nutzen für die Fitness mit sich

-

Etwa 99% der Mutationen sind negativ. Dadurch das Mutationen sehr selten sind, dauert Evolution enorm lang (Bildung einer positiven Mutation)

-

Nutzen > Kosten als Kompromiss

Entstehung einer neuralen Evolution -

Viele Genotypen erzeugen den gleichen Phänotyp

-

Viele Phänotypen haben die gleiche Fitness

-

Genotypen, die den gleichen Phänotyp erzeugen, unterliegen nicht der Selektion, sondern sind untereinander neutral im Hinblick auf die Fitness.

Weshalb genetische Variation nicht immer eine Fitnessvariation erzeugt -

Synonyme Substitution in DNA-Sequenzen (Tripletcode) o

-

Pseudogene und andere nicht transkribierte DNA o

6

Neuer Tripletcode für gleiche AS  keine Änderung im Phänotyp

Sind Gene die nicht exprimiert werde  keinen Einfluss auf den Phänotyp

o

-

Neutrale Aminosäure-Variation o

-

Pseudogene werden nicht transkribiert und unterliegen deshalb keine Selektion

Aminosäure-Substitution, die keine signifikante Veränderung in der Funktion des Proteins hervorrufen, sind neutral

Kanalisierung von Entwicklung (Ontogenese) o

Kanalisierung: die Begrenzung Entwicklungsmechanismen

phänotypischer

Variation

durch

o

Gene, deren Einfluss auf den Phänotyp durch Kanalisierung reduziert oder eliminiert wurde, unterliegen ehr neutraler Variation

Ursachen für zufällige genetische Veränderungen -

Mutation

-

Mendelsche Regeln – Meiose

-

Gründereffekt o

-

Genetischer Flaschenhals o

-

Wenige Individuen gründen eine neue Population, geringere genetische Variation als in Ursprungspopulation

Eine Population bricht zusammen, nur wenige Individuen überleben und damit wenige Allele

Variation im Reproduktionserfolg in allen Populationsgrößen o

Genetische Drift 

Zufällige Veränderung in den Frequenzen von (neutralen) Genen



Erfolgt durch Zufall Reproduktionserfolg

in

der

Meiose

kombiniert

mit

Was passiert mit neutralen Allelen? -

Viele neutrale Allele erreichen keine hohe Frequenz

-

Fixiert neutrale Allele brauchen in großen Populationen länger  große Populationen auch mehr Mutationen  kompensiert die lange Fixierungszeit

Zusammenfassung zur natürlichen Selektion einfügen VL 2

7

Vorlesung 3 Entwicklung und Evolution -

Entwicklung ist der Prozess der Bildung mehr- oder vielzelliger Organismen aus einer einzigen Zelle

-

Entwicklung umfasst den Prozess von der Bildung der Keimzellen bis zum Lebensende (Lebenszyklus)

-

Entwicklung erfordert Koordination vieler Zelltypen

-

o

Zell-Zell-Kommunikation

o

Positionsinformation

o

Differenzierung

Ontogenese o

Von Keimzelle bis zum Tod

Bauplan von Tieren: Keimblätter -

-

Diploblasten (Zwei Keimblätter  Ekto- und Entoderm o

Cnidaria (Nesseltiere)

o

Cnetophora (Rippenquallen)

Triploblasten (Drei Keimblätter)  Ekto- Meso- und Entoderm o

Eumetazoa (höhere Vielzeller)

Entwicklungsphasen -

-

Furchung (schnelle Teilung der befruchteten Eizelle) o

Zygote (Keimling mit Dotter)

o

Blastomere (2,4,8,16… Zellstadium)

o

Morula (Maulbeerkeim)

Blastula (Blasenkeim) o

8

Blastomeren (außen) und Blastocoel (primäre Leibeshöhle) innen

Gastrulation

o

Invagination (Einstülpung)

o

Epibolie (Umwachsen)

o

Immigration (Einwanderung)

o

Delaination (Abblätterung)

o

Ektoderm und Entoderm bilden sich um 

Gastrocoel (Urdarm) und Blastoporus (Urmund) entstehen

Gastrulation: zelluläre Umgestaltung der Blastula bis zur Bildung von drei Keimblättern, in der die Grundorganisation des Embryos aufgebaut wird Blastoporus: =Urmund, Ort der Einwanderung von Blastomeren in den Keimling während der Gastrulation Archenteron: durch die Gastrulation gebildeter Urdarm Gastrula:

Embryonalstadium während der Gastrulation

Protostomia -

Urmundtiere, Gastroneuralia

-

After bricht sekundär durch (spätere Bildung)

-

Ventrales Nervensystem

-

Platt-, Rund-, Ringelwürmer, Weichtiere, Gliedertiere

Deuterostomia -

Neumundtiere, Notoneuralia

-

Urmund=Afteröffnung

-

Mund bricht sekundär durch (spätere Bildung)

-

Dorsales Nervensystem

-

Chordatiere, Wirbeltiere

Organentwicklung = Organogenese -

-

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Ektoderm o

Epidermis, Hautdrüsen, Zahnschmelz, Nervensystem

o

Vorder- und Enddarm

Mesoderm

-

o

Bindegewebe, Muskulatur, Blutgefäße

o

Gonaden, Exkretionsorgane

Entoderm o

Mitteldarm, Harnblase, Leber, Pankreas, Lunge, Schwimmblase

Organentwicklung z.B. Auge -

Durch PAX-6 Gene

-

Sind Transkriptionsfaktoren für die homologe Bildung der Augen

-

Aktivieren Genkaskaden, die die Gestaltung der Augen steuern

Genetische Steuerung der Entwicklung -

Maternale Polaritätsgene (bicoid, nanos) o

-

Gap Gene (hunchback, krüppel, knirps, giant) o

-

Bildung von Parasegmenten

Segmentpolaritäts-Gene (engrailed, wingless, hedghog) o

-

Bildung von großen Bereichen mit je mehreren Parasegmentanlagen

Parregelgene (even-skipped, fushi tarazu) o

-

Bildung der anteroposterioren Achse

Festlegung der Polarität innerhalb der Segmente

Homöotische Gene (antennapedia, bithorax) o

Festlegung der Identität der Segmente

Hox-Gene -

Kontrollieren die Morphologie der Segmente bei Tieren

Hauptaspekte der Kontrolle von Entwicklung

10

-

Konzentrationsgradienten liefern Positionsinformationen

-

Transskriptionsfaktoren definieren spezifische Untergruppe von Genen exprimiert wird

-

Genexpression durch Aktivatoren und Repressoren gesteuert

Regionen,

in

denen

eine

-

Gleiche Gene können in verschiedenen Entwicklungsstadien unterschiedliche Funktionen ausüben

-

Gene für den Grundbauplan werden zuerst angeschaltet, dann die für Teilstrukturen, dann für Details

Exaptation -

Entfremdete Funktionsübernahme, die sich als vorteilhaft erweist oder nicht stört o

Flügelmusterbildung bei Schmetterlingen

o

Extremitäten-Entwicklung bei Drosophila

Entwicklung und Evolution -

Entwicklung beeinflusst die Variation von Strukturen und Bauplänen, die der Selektion ausgesetzt sind

-

Entwicklungsmechanismen, die verwandten Organismen gemeinsam sind, beschränken und kanalisieren die Antwort auf Selektion

-

Deshalb ähneln Arten ihren gemeinsamen Vorfahren hinsichtlich Grundbauplans und deshalb beeinflusst die Stammesgeschichte auch die Reaktion auf Selektion

-

Ökologie und Verhalten reduziert die Zahl neugeborener Organismen auf diejenigen, die überleben und sich fortpflanzen und bestimmt damit die Variation im Reproduktionserfolg

-

Genetik transformiert die Genotypen der Eltern in die der Nachkommen und damit Informationen in die nächste Generation

-

Entwicklung konvertiert die Genotypen in Phänotypen und beschränkt die Variation, die der Selektion unterliegt

-

Die Evolution von Entwicklung muss erfolgen, ohne die Funktion des Organismus zu beeinträchtigen

-

Entwicklung beschränkt und verlangsamt Evolution und erlaubt trotzdem Weiterentwicklung

-

Entwicklung wird heute als wichtiger Einflussfaktor für die Evolution von Organismen angesehen

Vorlesung 4 11

Genetischer Einfluss von Selektion auf Population Hauptsysteme der Vererbung -

-

-

-

Sexuelle Haploide o

Crossing-Over währende der Meiose, wodurch Variation erzeugt wird

o

Rotalgen, Grünalgen, Pilze, Moose

Sexuelle Diploide o

Echte Neukombination (Rekombination und Crossing-Over) als wichtigste Prozesse für Evolution

o

Metazoa, Farne, Konifere, Blütenpflanzen, Pilze, Algen

Asexuelle Haploide o

Evolution durch Mutationen. Sehr langsamen, da im Prinzip Klone erstellt werden

o

Bakterien, Cyanobakterien, Schleimpilze

Asexuelle Diploide o

Fähigkeit der Anhydrobiose  können Trockenheit überstehen aufgrund eines DNA- Reparatursystems

o

Dinoflagelatten, einige Einzeller, Pilze, Metazoa

Generationswechsel -

Wechsel zwischen sexueller und asexueller Fortpflanzung

-

z.B. Meduse (sexuell) und Polyp (asexuell)

Evolution der Fortpflanzung -

Ursprünglichste Form vermutlich asexuell haploid

-

Diploide und Meiose evolvierten später

-

Typus Bakterium vermutlich ursprünglich

Terminologie der Beschreibung von Allelfrequenzen und Hardy-Weinberg Gesetz -

VL 4 Seite 14

Konsequenzen aus Hardy-Weinberg Gesetz

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-

Keine Veränderung der Genfrequenzen in großen Populationen

-

Replikation ist präzise und Meise ist fair auf zellulärer Ebene

-

Replikation ist auch präzise und fair auf der Ebene von Populationen

-

Zufällige Paarung in großen Populationen erhält die genetischen Informationen von dem, was in der Vergangenheit funktioniert hat

Fitness-Konzept -

Fitness ist der Einfluss einzelner Allele auf den Reproduktionserfolg

-

Inklusive Fitness (Gesamtfitness) = direkte Fitness + indirekte Fitness o

Persönlicher Reproduktionserfolg (direkte Fitness)

o

Steigerung des Reproduktionserfolgs, der aus der Hilfe durch Verwandten erwächst (indirekte Fitness)

Altruismus

-

o

Verhalten eines Individuums, dass den Reproduktionserfolg anderer Individuen auf Kosten des eigenen Reproduktionserfolgs erhöht (Bienen, Helferverhalten bei Vögeln)

Vorlesung 5 Evolution von Sex / Evolution sexueller Fortpflanzung Rekombination -

Ist der Prozess, der genetische Unterschiede zwischen Nachkommen/Geschwistern ausmacht

-

Ausnahme eineiige Zwillinge, Gürteltiere, Schlupfwespen

Reproduktion (Fortpflanzung) -

Produktion von Nachko...