Population

Evolutionsbiologie
„Nichts in der Biologie macht Sinn
außer im Licht der Evolution.”
Theodosius Dobzhansky (1900 – 1975), einer der
bedeutendsten Evolutionsbiologen des 20. Jahrhunderts
Überblick
• Allgemeines
• Geschichte der Evolutionsbiologie
• Bedeutung Darwins
• Hilfsmittel der Evolutionsforschung
• Mechanismen der Evolution
• Die Entstehung der Arten
Allgemeines
• Evolvere bedeutet entfalten, abwickeln
• Evolution bezieht sich immer auf jene
•
•
Vorgänge, die das Leben auf der Erde von seinen
frühesten Formen bis zu der gewaltigen Vielfalt, die
wir heute vorfinden, umgeformt haben
„Warum?“ und „Wozu?“ Fragen
Hilft uns:
–
–
–
–
die biologischen Vielfalt
die Krankheiten der Tiere und Menschen
Landwirtschaft, Biotechnologie
Naturschutz
– Uns selbst besser zu verstehen
Allgemeines
• Wie bei allen Wissenschaften, geht es auch hier
um eine Ansammlung von Theorien, die
heutzutage sehr weit akzeptiert sind
Schlüsselbegriffe:
• Population: artgleiche Individuen auf einem
bestimmten geographischen Gebiet
• Variation: Mannigfaltigkeit, die Eigenschaften
ändern sich
• Natürliche Selektion: Auslese/Zuchtwahl der
besser Angepaßten
Geschichte der Evolutionsbiologie
• Bis zur 19. Jh.: „Arten evolvieren nicht”, „ die Erde
•
•
•
ist nur wenige tausend Jahre alt”
Linné (1707-1778): hielt die Arten für dauerhaften
Schöpfungen Gottes
Newton (1643-1727): trug viel bei, das
wissenschaftliche Denken zu verbreiten
Cuvier (1769-1832):
– entdeckte, daß je tiefer ein Schicht von Fossilien ist, desto
weniger ähneln Flora und Fauna dem heutigen Leben
– Seine Begründung: periodische Katastrophen führten zu
Massensterben
• Lamarck (1744-1829):“Fossile Arten leben mit uns
nur sie sind verändert“
Charles Robert Darwin (1809-1882)
• Vielleicht der bedeutendste
•
•
•
Naturwissenschaftler
Begeisterter Lieber der Natur
Obwohl er sehr erfolgreich war, fand die
medizinische Ausbildung langweilig, und
wollte Priester werden
War 22 Jahre alt, als er mit der Beagle
von Großbritannien lossegelte
– Weltreise (z.B. Galapagos Inseln,
Südamerika)
– Machte Zeichnungen und Noten von alles
Darwin: Die Entstehung der Arten
durch natürlichen Zuchtwahl
• Feldforschungen brachten Darwin darauf,
seine Sicht des Lebens zu entwickeln
• Dieses Buch veränderte das ganze
westliche Denken
• Heute lebende Arten
aus altertümlichen
Arten entwickelt
(evolviert)
• Natürliche Selektion
als Mechanismus für
die Evolution
Darwin: Die Entstehung der Arten
durch natürlichen Zuchtwahl
• Beobachtung 1:
nicht alle Nachkommen überleben
• Beobachtung 2: Die meisten Populationen
bleiben in der Regel in ihrer Größe stabil
• Beobachtung 3:
Umweltressourcen sind begrenzt
• Folgerung 1: Die Produktion von mehr
Nachkommen, als die Umwelt tragen kann, führt
unter den Individuen einer Population zu einem
Kampf ums Überleben, wobei in jeder
Generation nur ein Bruchteil des Nachwuchses
überlebt.
• Beobachtung 4: Die Individuen einer Population
variieren sehr in ihren Merkmalen, keine zwei Individuen
sind exakt gleich.
• Beobachtung 5: Ein Großteil der Variabilität ist erblich.
• Folgerung 2: Die durch die ererbten Merkmale am besten
an die Umwelt angepaßten Individuen hinterlassen
wahrscheinlich mehr Nachkommen als weniger gut
angepaßte.
• Folgerung 3: Die ungleichen Überlebens- und
Fortpflanzungsfähigkeiten von Individuen führen zu einem
graduellen Wandel in einer Population, wobei sich
vorteilhafte Merkmale im Laufe der Generationen
anhäufen.
• Darwins Hauptideen:
– Abstammung mit fortwährender Modifikation
– Die Hauptgrund der Modifikation: natürliche
Selektion: der unterschiedliche
Fortpflanzungserfolg (die ungleiche Überlebensund Fortpflanzungsfähigkeit von Individuen)
– Natürliche Selektion erfolgt durch eine
Wechselwirkung zwischen der Umwelt und
der unter den Einzelnen Organismen einer
Population vorhandenen Variabilität
– Die Produkt der natürlichen Selektion ist die
Anpassung von Populationen an ihre Umwelt
Galapagos-finken
Samenfresser
Insektenfresser
Termitenfresser
Durch natürliche Auslese
herausgebildete evolutionäre
Anpassung: Tarnung der
Fangschrecken aus Malaysia
http://bcs.whfreeman.com/phelan1e/default.asp#498639__499449__
• Wichtigste Konklusionen:
– Die Welt ist nicht statisch
– Die heutige Form der Welt ist nicht durch die
Schöpfung entstanden (es widerspricht aber
nicht dem Glauben!)
– Die Eigenschaften der einzelnen Organismen
sind durch ihre Abstammung zu verstehen
– Es gibt keine essentielle Eigenschaften, die
Änderung oder Variation ist grundsätzlich
Die Hilfsmittel der Evolutionsforschung
1. Morphologie
•
•
Homologie: die Herkunft
und der Grundbauplan ist
ähnlich
Analogie: Grundbauplan
oder Funktion wegen der
selben Lebensweise
ähnlich, aber
unterschiedliche Herkunft
2. Molekularbiologische
Beweise:
• Aminosäurensequenzen:
– mit der Vergleich
verschiedener Gruppen
– Z.B. von Cytochrom-C:
Atmungskettenprotein
• DNA-Nukleotidsequenzen:
– sehr häufig untersucht
– Die mitochondriale DNA ist
sehr geeignet für evolutionäre
Untersuchungen
– Genomprojekte,
– Next Generation Sequencing
3. Fossilien
•
•
•
•
•
•
•
Überbleibsel von Lebewesen aus der Vergangenheit
In Gesteinen hermetisch geschlossen
Paläontologie: Erforschung von Fossilien
Datierung mit der Hilfe von radioaktiven Isotope
Es gibt sehr viele Lücke bei den meisten Lebewesen,
aber
Viele wichtige Übergangsformen wurden gefunden
Evolutionäre Trends können festgestellt werden
Schichtung der Fossilien
Ausgestorbene Walart
Die Wale entwickelten sich aus
landlebenden Vorfahren
4. Untersuchung der Geographische
Verbreitung
• Z.B. endemische
Arten: auf kleineren
Gebieten beschränkt
–
–
Madagaskar
Darwin-Finken auf
Galapagos
• Menschen tendieren
auch dazu, sich in
lokalen Populationen
zu konzentrieren
5. Embryonalentwicklung
• Jüngere Individuen
verschiedener Gruppen
ähneln sich besser
aneinander
• Haeckel: „Die
Ontogenese eines
Organismus ist die
Rekapitulation seiner
Phylogenese“
4 Wochen alter menschlicher Embryo
(spätere
Eustachische
Röhre)
Mechanismen der Evolution
• Individuen mit guter Anpassungsfähigkeit überleben
• Es gibt ein ständiger Konkurrenz um die:
– Nahrung
– Lebensraum
– Paarung
• Die Individuen der Population sind unterschiedlich
•
(genetische Variabilität)  die natürliche Auslese
(Selektion) begünstigt die Bestangepassten  ihre
Gene werden weitergegeben
Evolution ist also die fortwährende genetische
Änderung der Populationen (diese war noch für
Darwin unbekannt)
Mechanismen der Evolution
1. Evolutionsfaktoren
1.1. Mutation
• Veränderung der genetischen Substanz
• Rohmaterial der genetischen Variabilität
• Eine seltene Ereignis, aber während langer
Zeit und mit vielen Genen beobachtet: große
Bedeutung
1.2. Rekombination
• Wechselung von Erbanlagen während
geschlechtlicher Fortpflanzung
• Sehr wichtige Faktor der Mannigfaltigkeit,
die sich mit der sexuellen Fortpflanzung
entstand
• Ermöglicht u.a. das evolutionäre Wettrüsten
gegen Krankheitserreger
Rekombination
Die Evolution der Mikroben ist häufig schneller als die vom
Immunsystem
Mechanismen der Evolution
2. Selektion
• Bestimmte Genotypen werden gefördert,
• Andere werden eliminiert
• Ergebnis: bessere Adaptation (Anpassung)
der Individuen, die vererbt wird
• Selektionsarten:
– Stabilisierende S.
– Einseitig gerichtete S.
– Aufspaltende (disruptive) S.
Animationen: http://bcs.whfreeman.com/thelifewire9e/default.asp#542578__591871__
http://bcs.whfreeman.com/thelifewire9e/default.asp#542578__591873__
Mechanismen der Evolution
3. Genfluß
• Änderung der
Erbanlage (Genpool)
einer Population
durch In- und
Auswanderungen
• Langsamer und
ständiger Prozeß
4. Genetische Drift
Veränderungen in einem kleinen Genpool aufgrund von
Zufallereignissen („Stichprobenfehler“)
In der Regel verringert die genetische Variabilität
Genetischer Drift
Wichtig auch bei Erbkrankheiten
5. Isolation
Unterbindung von Genaustausch zwischen Populationen
6. Koevolution
• wechselseitig beeinflussende
Entwicklungsprozesse
– Pflanzen und Landwirbeltiere
– Parasiten und Wirte
Kleiderlaus der Menschen
Die Entstehung der
Arten
Biologischer Artbegriff
• Potentielle oder
faktische
Fortpflanzungsgemeinschaft in reproduktiver
Isolation von anderen
Populationen
• Geeignet nur für sich
sexuell vermehrenden
Populationen
Die Entstehung
der Arten
Mechanismen der Isolation
1. Geographische Isolation
• Sog. Inselpopulationen entstehen
2. Mutation kann auch zur Aufspaltung der
Teilpopulationen führen
Animation: http://bcs.whfreeman.com/thelifewire9e/default.asp#542578__591876__
3. Ökologische Isolation
• Räumlich: z.B. Parasiten können verschiedene
Lebensräume besiedeln (Endo- und
Ektoparasiten)
• Zeitlich: sexuelle Aktivität beschränkt sich auf
verschiedenen Jahreszeiten bei verschiedenen
Populationen
4. Verhaltensisolation
• Artspezifische Signale bei Partnerauswahl
– Gesang von Vögel, Grillen…
5. Mechanische Isolation
• Kopulationsorgane bei Insekten: SchlüßelSchloß Prinzip
6. Gametische Isolation
• Die Spermien des artenfremden Männchen
können inaktiviert werden (molekulare
Erkennungsmechanismen)
• Wenn trotzdem Befruchtet,
– Sterbliche oder
– Sterile Bastarde werden geboren (Maultier)
Pferdestute
Eselhengst
Maultier