Kategorie: biologie

Evolutionsfaktoren und ihr Zusammenwirken

Evolutionsfaktor Mutationen

( =sprunghafte Veränderung des Erbmaterials):

Mutationen entstehen spontan. Durch mutagene Agentien (Strahlung, Chemikalien) können sie künstlich erzeugt werden. Mutationen sind ungerichtet und nicht als spezielle Antwort aus bestimmte Umweltfaktoren zu verstehen.

Mutanten =Träger einer Mutation

Mutationsrate= Anzahl der Mutationen pro Gen und Generation

Evolutionsfaktor Rekombination

(=Neukombination von Erbanlagen bei sexueller Fortpflanzung):

Verursacht durch:

• zufällige Verteilung väterlicher und mütterlicher Chromosomen während der Meiose

• Crossing-over während der Meiose

• Zufällige Auswahl von Ei- und Samenzelle während der Befruchtung

Rekombination führt zwar nicht zur Bildung neuer Allele, wohl aber zu neuen Allelkombinationen und damit zu Individuen mit neuen Merkmalskombinationen. Lebewesen, die sich ungeschlechtlich fortpflanzen, besitzen diese Möglichkeit der Rekombination nicht. Die Entwicklung der Sexualität bildet daher einen bedeutsamen evolutionären Schritt.

Evolutionsfaktor Gendrift

(= Veränderung von Genhäufigkeiten durch zufällige Auswahl von Genotypen):

Zufällige Auswahl von Genotypen durch folgende Faktoren:

• Geringe Populationsgröße: Spielt vor allem bei kleinen Populationen eine Rolle. Beispiel: es kann vorkommen, dass der einzige Träger eines bestimmten Allels besonders viele oder keine Nachkommen hat. Dieses bedeutet eine deutliche Änderung des Genpools

• Katastrophen: Beispiel Waldbrand, einige Individuen überleben zufällig das Ereignis. Folge, ist die Verringerung der Populationsgröße und eine Änderung des Genpools.

• Gründereffekt: Einige Gründerindividuen einer großen Stammespopulation besiedeln einen neues Lebensraum. Beispiel: Die Inseln des Galapaos-Archipels: Vögel wurden aufgrund eines Ereignisse von ihrem eigentlichen Wohnsitz verschlagen. Die derart ausgewählten Individuen bringen nur eine zufällige Auswahl von Genen aus dem Genpool der Stammpopulation mit. Die Genhäufigkeit der Population hat sich gegenüber der Ausgangspopulation deutlich verändert.

Evolutionsfaktor Selektion

(= Veränderung einer Genhäufigkeit einer Population als Folge unterschiedlicher Fitness bestimmter Individuen in einer gegebenen Umweltsituation):

Ursachen dieser unterschiedlichen Fitness:

• unterschiedliche Lebenserwartung

• unterschiedliche Fortpflanzungsrate

• unterschiedliche Fähigkeiten einen Geschlechtspartner zu finden

• unterschiedliche Generationsdauer

Selektionsfaktoren: Hierunter versteht man Umwelteinflüsse, die eine unterschiedliche Fitness der Individuen bewirken

Evolutionsfaktor Abiotische Selektionsfaktoren

(= Faktoren der unbelebten Natur):

z.B: Temperatur, Gift, Wind

Evolutionsfaktor Biotische Selektionsfaktoren

(= Faktoren der belebten Umwelt):

• Fressfeinde und Beute:

  • Tarnung: Birkenspanner, die sich der Farbe der Birkenrinde angepasst haben. Die Birkenrinde wurde aufgrund der vermehrten Industralisierung dunkler, so wurden auch die Birkenspanner dunkler.

  • Warnung: durch auffällige Farben wie rot

• Parasiten: Ein klassisches Beispiel ist das Vorkommen der Malariaerreger und die Verbreitung von Sichelzellgens. Homozygote, erkrankte Träger des Sichelzellgens (ss) sterben früher an der Sichelzellanämie. Im Blut heterozygoter Erkrankter (Ss) können sich die Erreger nicht ausbreiten. In Malariagebieten besitzen diese daher einen Selektionsvorteil. Trotz starker Selektion gegen das Sichelzellgen verschwindet das entsprechende Allel in diesen Gebieten.

• Konkurrenten: Stellen zwei nicht verwandte Arten ähnlichen Ansprüche an ihren Lebensraum, kann sich nur eine Art durchsetzen.

Selektionstypen:

• Richtende Selektion: Einseitiger Selektionsdruck auf eine Population führt zur Veränderung des Genpools in Richtung auf eine bessere Anpassung. Hält dieser Druck über mehrer Generationen an, so führt dies zur Veränderung, zum Wandel der Population.

  • Änderung der Umweltbedingungen

  • Verschiebung der Phänotypen und Genotypen

  • Wirksamkeit der Selektion: Bau und Funktion sind gleich => Trotz Verwandtschaftsverhältnisse bei gleicher Umweltbedingungen

• Stabilisierende Selektion: Ist eine Population gut an einen Lebensraum angepasst, so werden extreme Varianten eliminiert. Die Selektion verhindert einen Wandel.

  • Konstante Umweltbedingungen

  • Extreme werden eliminiert

  • Variationsbreite der Phänotypen und Genotypen vermindert sich

  • Natürliche Auslese wird beschränkt

• Disruptive Selektion: Sind Teile einer Population unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt, so entwickeln sich diese verschieden. Die Population zerfällt in Teilpopulationen

  • Aufgliederung der Population

  • Bestimmte Varianten

  • Benachteiligte Formen und seltene Phänotypen mit extremen Merkmalsausprägungen = Vorteil

  • Trennung von Population verantwortlich

Isolations(mechnismen)(= Unterbindung der Panmixie zwischen Individuen oder Populationen einer Art):

• geographische Isolation: Bei der geographischen Isolation kann der Genaustausch zwischen den Teilpopulationen durch Gebirgsbildung, Inselbildung oder Meerestransgressionen unterbrochen werden. Gute Beispiele sind die Darwinfinken auf Galapagos, die Kleidervögel auf Hawai oder die Aeonien (blattsukkulente Pflanzen) auf den Kanaren.

• Ökologische Isolation: Die ökologische Isolation kann durch disruptive Selektion eingeleitet werden. Es entstehen polymorphe Populationen mit Anpassung an unterschiedliche ökologische Nischen. Bei Parasiten kann z.B. die Artbildung bei ihren Wirten zur Ausbildung einer genetischen Schranke führen.

• Fortpflanzungsbiologischer Isolation: Wird die erfolgreiche Paarung zwischen Individuen einer Population eingeschränkt, spricht man von fortpflanzungsbiologischer Isolation. Sie kann z.B. durch Veränderung von Kontaktstoffen, Balzverhalten, Paarungszeiten oder durch genetische Unverträglichkeit [Esel und Pferd] bewirkt werden.

Art:

• Biologische Artdefinition [geschlechtlichen Fortpflanzung]: Eine Art ist eine sich wirklich oder potentiell fortpflanzende natürliche Population, die von anderen reproduktiv isoliert ist. MERKSATZ: „Alles was sich schart und paart gehört zu einer Art“!!!!

• Morphologische Artdefinition [ungeschlechtliche Fortpflanzung]: Eine Art ist die Gesamtheit der Individuen, die in allen wesentlichen Merkmalen untereinander und mit ihrem Nachkommen übereinstimmen.

Evolutionsfaktor Population:

Allopatrische Artenbildung: Eine Population wird räumlich in zwei Teile zerrissen. Die Tochterpopulation entwickelt sich in geographischer getrennter Arealen unterschiedlich (geographische Isolation). Sind die Unterschiede zwischen diesen so groß, dass keine fruchtbaren Nachkommen mehr möglich sind, so liegt eine reproduktive Isolation (Fortpflanzungsisolation) vor und neue Arten entstehen.

• Ablauf der allopatrischen Artenbildung: Die Auftrennung des Genpools erfolgt hierbei durch geographische Isolation. In den isolierten Arealen sind dann vor allem drei Evolutionsfaktoren wirksam:

  • Gendrift: Die Gründerindividuen eines neu besiedelten Areal tragen nur eine zufällige Auswahl des Genpools der Stammpopulation

  • Mutation und Rekombination: In den isolierten Populationen finden diese Zufallsereignisse unabhängig von der Stammespopulation statt.

  • Selektion: Die Umweltbedingungen und damit die abiotischen und biotischen Selektionsfaktoren unterscheiden sich im isolierten Areal zumeist von denen im Ausgangsgebiet.

Ist de Genfluss zwischen dem isolierten Areal und dem Stammgebiet für lange Zeit unterbunden, so häufen sich genetische Unterschiede an. Es bilden sich zunächst lokale Rassen. Weitere Trennung kann dann über eine reproduktive Isolation zur Artenneubildung führen.

Synthetische Evolutionstheorie

• die synthetische Evolutionstheorie ist die Erweiterung von Darwin durch die Erkenntnisse der Zellforschung, Genetik und Populationsbiologie

  • Genetik: molekulare Mechanismen zur Erzeugung von genetischen Variabilitäten aufgedeckt werden

  • Populationsbiologie: liefert mathematische Modelle zur Veränderung der Allefrequenz in einer Population

1. ÖKOLOGIE

Ökologie:

• Wechselbeziehungen von Organismen untereinander und mit ihrer Umwelt

Biozönose:

• Lebensgemeinschaften

Biotop:

• Lebensraum

Biozönose + Biotop = Ökosystem  Biosphäre

Ökosysteme:

• Wald

• Meer

• Böden

 je vielgestalteter ein Ökosystem ist, desto mehr ökologische Nischen bietet es, desto stabiler ist es gegenüber Störungen des biologischen Gleichgewichts

Nahrungsbeziehungen im Ökosystem:

Produzenten  Konsumenten  Destruenten

Ökologische Planstelle:

Noch nicht besetzte ökol. Nische

Ökologische Realnische:

• Keine optimalen Bedingungen, dennoch natürliches Vorkommen (innerhalb der ökologischen Potenz)

• Ohne Konkurrenz, obwohl nicht Fundamentalnische (Kiefer)

Ökologische Fundamentalnische:

• Optimale Bedingungen  Konkurrenzausschlussprinzip (Buche vs. Kiefer)

Biotische Faktoren: Einflüsse, die von anderen Lebewesen ausgehen

• Konkurrenz

• Räuber-Beute

• Parasitismus

• Symbiose

• Krankheitserreger

• Nahrungsbeziehungen

• Partner

Abiotische Faktoren: Einflüsse der unbelebten Umwelt

• Temperatur

• Licht

• Wasser

• Wind

• Boden

Wechselwarme:

• Körpertemperatur wird von der Umgebungstemperatur bestimmt

• Halten sich in ihrer Vorzugstemperatur am liebsten auf

• Kältestarre, evtl. Kältetod

  • Wirbellose

  • Fische

  • Amphibien

  • Reptilien

Gleichwarme:

• KT wird durch Regulationszentrum gesteuert

• Unabhängig von herrschenden Temperaturverhältnissen

• Hoher Energie- und Nahrungsbedarf

• Isolierende Schichten

  • Vögel

  • Säugetiere

Winterruhe:

• Lange Schlafperioden

• Ohne wesentliches Absinken der KT

  • Dachs

  • Eichhörnchen

  • Braunbär

Winterschlaf:

• KT fällt fast auf Umgebungstemperatur

• Energieumsatz 1/10 des Grundumsatzes

  • Igel

  • Murmeltier

  • Fledermaus

 Energiesparende Verhaltensweisen der Säuger

RGT-Regel:

• Beziehung zwischen Temperatur und Lebensprozessen

  • Temperaturerhöhung von 10°C = Stoffwechselprozesse beschleunigen sich um das 2- bis 3-fache

Klimaregeln

Bergmannsche Regel: Größenregel

• Bei gleichwarmen Vögeln und Säugern  Rassen + Arten in den kälteren Klimaten Größer

  • Kühlen langsamer aus

  • Weniger Energieaufwand nötig

    • Pinguine, Tiger, Bären, Wölfe

Allensche Regel: Proportionsregel

• Körperfortsätze sind bei gleichwarmen Tieren in wärmeren Regionen größer

  • In kalten Klimaten würden sie abfrieren

  • Können überschüssige Körpertemperatur leichter an Umgebungstemperatur abgeben

Glogersche Regel: Färbungsregel

• Arten, welche in Gebieten mit mehr Sonneneinstrahlung leben haben eine dunklere Pigmentierung der Haut als Artverwandte in Gebieten mit weniger Sonneneinstrahlung

Wasser als ökologischer Faktor:

• Wasserpflanzen (Hydrophyten)  kein Verdunstungsschutz, kaum ausgebildete Wurzeln

• Trockenpflanzen (Xerophyten)  Verdunstungsschutz, sehr kleine Blätter, Dornen, verdickte Cuticula, eingesenkte Spaltöffnungen, mehrschichtige Epidermis, verzweigtes, tiefes Wurzelsystem

• Feuchtpflanzen (Hygrophyten)  große Blattfläche, sehr dünne Cuticula, viele Spaltöffnungen erleichtern Wasserabgabe

Ökologische Potenz:

• Fähigkeit einer Art, innerhalb eines bestimmten Bereichs bezüglich eines bestimmten Umweltfaktors zu gedeihen

Pessimum:

• Art überlebt noch, ist aber nicht mehr fortpflanzungsfähig

Max./Min.:

• Grenzwerte, begrenzen Toleranzbereich der Art

Optimum:

• Günstigster Wert eines Umweltfaktors

• Die meisten Individuen der Art haben die größte Überlebensquote

• Erblich festgelegt, aktiv aufgesucht

Stenöke Arten:

• Enger Toleranzbereich

• In Verbreitung beschränkt

• z.B. Koala, Bachforelle

Euröke Arten:

• großer Toleranzbereich

• oft weit verbreitet

• z.B. Ratten, Schweine

BEZIEHUNG ZWISCHEN LEBEWESEN

1

innerartliche Konkurrenz:

• Wettbewerb zwischen Individuen einer Art um biotische und abiotische Faktoren (Raum, Nahrung, Partner)  Gedrängefaktor

• Regulation durch: Revierbildung und Rangordnungsverhalten  Verminderung der Konkurrenz

• Verbände: Schwarm und Rudel

Zwischenartliche Konkurrenz:

• Groß, wenn ähnliche Ansprüche an die Umwelt gegeben sind

Konkurrenzausschlussprinzip:

• 2 Arten mit den selben Ansprüchen an die Umwelt können nicht nebeneinander existieren

  • Vermeidung durch Einnischung in ökologische Nische  spezielle Enährungsweise, jahreszeitliches spezifisches Aktivitätsmuster, Klimaansprüche, Brutverhalten

2

Parasitismus:

• Außenparasiten = Läuse, Flöhe

• Innenparasiten = Bandwürmer, Viren

• Brutparasitismus = Kuckucksvögel

3

Symbiose:

• Zusammenleben artverschiedener Lebewesen

• Beide erzielen Vorteile

• Baum – Pilze; Nilpferd – Vögel Madenhacker; Pilz – Alge

Karposen:

• Nutznießertum

• Nur für einen Partner vorteilhaft

• Fisch – Anemone

Antibiose:

• Für einen Partner vorteilhaft, für den anderen schädlich / tödlich

  • Parasitismus  Schädigung ohne Tod

  • Räuber-Beute-Beziehung

4

Wachstum und Entwicklung von Populationen:

• Nur begrenzt möglich durch biotische und abiotische Faktoren

Massenwechsel von Populationen:

• Populationsdichte ist starken Schwankungen unterworfen

• Unbegrenztes Wachstum ist nicht möglich

•  bestimmt durch Umweltkapazität (K-Wert)

5

Koexistenz:

• Zum Beispiel Paramecium Aurelia und Paramecium Bursaria  beide fressen Bakterien, aber von unterschiedlichen Orten; können nebeneinander existieren

Fortpflanzungsstrategien:

Regulation der Populationsdichte:

Durch

• Innerartliche Konkurrenz (Raum, Nahrung, Partner)

• Zwischenartliche Räuber-Beute-Beziehung

Es herrscht ein Gleichgewichtszustand durch phasenverschobene Populationszyklen

Volterrasche Regeln:

1. Ernährt sich eine Art von der anderen, so ergeben ich für Räuber und Beute phasisch gegeneinander verschobene Häufigkeitskurven

2. Die Häufigkeit sowohl des Räubers als auch die seiner Beute schwankt um einen Mittelwert  Gleichgewicht

3. nach einer gleichstarken Verminderung beiderseits nimmt die Individuenzahl der Beute schneller wieder zu; der Räuber ist geschädigt durch Nahrungsmangel. Nach Pestiziteinsatz erreicht Beutepopulation schnell wieder die alte Höhe. Höhere Pestizitkonzentrationen oder andere, da überlebende Beutetiere resistent sind

Schutzmechanismen:

• Tarnung, Gifte, Dornen, Panzer

• MIMESE  Nachahmung von Form und Farbe

• MIMIKRY  Nachahmung wehrhafter Tiere um gemieden zu werden (Schwebfliege)

Aktionspotential

• überschreitet der Reit einen bestimmte Schwelle (Schwellenwert) wird nach dem Alles- oder- Nichts-Prinzip ein Aktionspotenzial ausgelöst. Das Aktionspotenzial ist immer gleich hoch. Entweder das Aktionspotenzial findet statt oder nicht. Ein Paar Na+- Ionenkanäle sind geöffnet, erst wenn der Schwellenwert überschreitet ist, öffnen sich noch mehr spannungsabhängige Na+- Ionenkanäle , was zur Depolarisation führt.

• Depolatrisation:

  • Na+ – Ionenkanäle sind geöffnet

  • Na+ – Ionen wandern von außen nach innen => innen eine größere positive Ladung

  • Na+- Ionenkanäle schließen sich wieder und sind nach dem eintreten der Ruhephase und einer anschließenden Refraktärphase wieder aktiv

• Repolarisation:

  • spannungsabhängige K+ -Ionenkanäle öffnen sich

  • K+-Ionen strömen von innen nach außen => Zellinnere negativer bis zum erreichen des Ruhepotenzials schließen sich die K+-Ionenkanäle wieder

• Hyperpolarisation:

  • aufgrund der Trägheit der K+-Ionenkanäle bleiben diese noch für wenige Millisekunden offen uns schließen sich dann erst, so können noch wenige K+- Ionen in die Zelle diffundieren, was zu einer Hyperpolarisation führt.

 Aktionspotential Zusammenfassend:

• Ruhepotenzial: Die Natrium- und Kaliumkanäle sind geschlossen, und das Ruhepotenzial des Neurons wird aufrechterhalten

• Schwelle: Ein Reiz öffnet einige Na+ Kanäle. Sobald der Na+ – Einstrom das Schwellenpotenzial erreicht hat, öffnen sich neue Na+ – Tore, wodurch eine Aktionspotenzial ausgelöst wird

• Depolarisationsphase des Aktionspotenzials: Aktivierungstore der Natriumkanäle sind geöffnet, aber die Kaliumkanäle bleiben geschlossen. Natriumionen strömen in die Zelle, und das Zellinnere wird positiver

• Repolarisationsphase des Aktionspotenzials: Die Inkativierungstore schließen die Natriumkanäle, und die Kaliumkanäle öffnen sich. Kaliumionen verlassen die Zelle und der Verlust der positiven Ladung macht das Zellinnere negativer als die Außenseite

• Hyperpolarisation: Beide Tore der Natriumkanäle sind geschlossen, aber aufgrund ihres relativ trägen Verhaltens bleiben die Kaliumkanäle trotz vollständiger Repolarisation der Membran für kurze Zeit geöffnet. Eine oder zwei Millisekunden später ist der Ruhezustand wieder hergestellt, und das Neuron kann auf einen erneuten Reiz wieder mit einem Aktionspotenzial reagieren.

• Refraktärzeit: Der kurze Zeitraum unmittelbar nach einem Aktionspotenzial, in dem das Neuron aufgrund einer erhöhten Durchlässigkeit der Membran für Kalium nicht auf einen neuen Reiz reagieren kann.