BIO ABI BIG 26

Biodiversität

Vielfalt

• innerhalb einer Art

• Artenvielfalt

• Ökosystem

Warum ist die Biodiversität bedroht?

• anthropogen: Lebensraumzerstörung, schneller Klimawandel, Übernutzung

• natürlich : Vulkanausbrüche, Umweltkatastrophen

Entstehung der Vielfalt (Glauben)

• Der Schöpfer hat alle Lebewesen unveränderlich geschaffen

• Wissen durch Offenbarung (z.B. Bibel, Koran, Prophet.)

• erforderte Glaubensakt

• feste Glaubenssätze

Entstehung der Vielfalt (Evolution)

• empirische: Forschung durch Beobachtung & Experimente

• Hypothesen werden üperprüft, falsifiziert => Hypothese muss ggfs. verbessert werden

• wissen ist vorläufig

• Theorie: sehr gut bestätigte & Erklärungsmächtige. Hypothese (Evolutionstheorie, Relativitätstheorie)

Lamarcks Evolutionstheorie

• beschrieb bereits eine Evolution der Lebewesen

• ging jedoch falschlich von einem “inneren Streben” aus

• nahm die vererbung erwehrbarer eigenschaften an.

• →heute widerlegt

Darwin Evolutionstheorie

• 1859: “vom Entstehen der Arten durch natürliche”

• natürliche Selektion ist der Motor der Evolution

• aus einer Vielfalt von Variationen werden die am besten angepassten ausgewählt.

Synthetische Evolutionstheorie

verbindet Darwins Selektionstheorie mit moderner Genetik

5 Evolutionsfaktoren

• Mutation

• Sexuelle Rekombination

• Selektion

  • reproduktive Fitness

  • Genpool

• Gendrift

• Isolation (→Artenentstehung)

Selektion

Nätürliche Auslese bedeute, Individuen mit bestimmten Merkmalen (Phänotyp) kommen aufgrund von bestimmten Selektionsfaktoren bevorzugt zur Fortpflanzung

Biotische Selektion

• Fressfeinde, Beute, Nahrung, Konkurrenz, Krankheitserreger

Abiotische Selektion

• Temperatur, CO2 Licht, Wasserverfügbarkeit, Sauerstoffangebot, Nährstoffangebote

Selektion Fakten

• ist nicht zufällig

• selektionsfaktoren

• selektion verändert den Genpool von Populationen

Synthetische Evolutionstheorie

→Verbindung von Darwins Evolutionstheorie mit Genetik

• Variabilität entsteht durch Mutationen (neue Allele) und Rekombination bei sexueller Fortpflanzung

• In Populationen gibt es verschiedene Gentypen und Phänotypen

  • Selektion wirkt auf den Phänotypen: besser angepasste Individuen haben höhere reproduktive Fitness→ Allelhäufigkeiten im Genpool verändern sich → Evolution = dauerhafte Veränderung des Genpools

• Reproduktive Isolation: kein Genaustausch zwischen Populationen → getrennte Entwicklung des Genpools

• →es entstehen Fortpflanzungsbarrieren (keine fruchtbaren Nachkommen), spricht man nach Ernst Mayr vom eigenem Genpool

Evolutionsfaktoren

→ Prozesse, die die Allelhäufigkeiten im Genpool verändern →Grundlage der Evolution

Evolutionsfaktoren bedeutung

• Mutation → neue Allele enstehen

• Rekombination→ neue Allelkombination

• Selektion →begünstigt gut angepasste Individuen

• Isolation → Trennung von Populationen → neuer Genpool entsteht

• Gendrift → zufällige Veränderung von Allelhäufigkeiten (z.B. durch Katastrophen)

• Migration (Genfluss) → Ein - & Austrag von Allelen zwischen Populationen

=> Zusammenspiel dieser Faktoren verändert den Genpool dauerhaft → Artveränderung oder Artenbildung

Geschwindigkeit der Evolution

• Gradualismus (Darwin):langsame stetige Evolution über längere Zeiträume

• Fossilien zeigen auch rasche Veränderungen

• Punktualismus wechsel zwischen langen, stabilen Phasen und kurzen, schnellen Evolutionsphasen

• Evolutionsgeschwindigkeit hängt von Umweltbedingungen ab.

Genpool

Gesamtheit aller allele einer Population

Veränderung des Genpools:

• Allele von Individuen ohne Nachkommen werden seltener

• allele erfolgreicher individuen verbreiten sich stärker

• Veränderung der Allelhäufigkeiten → bestimmte Genotyp Kombinationen häufiger

• häufigere genotypen→ entsprechende Phänotypen treten häufiger auf

• dauerhafte veränderung des genpools = Basis der Evolution

Veränderung durch Selektion

• Fortpflanzungserfolg bestimmt, welche Allele häufiger im Genpool werden

• Natürliche Selektion: besser angepasste Individuen haben mehr Nachkommen.

• Sexuelle Selektion: Individuen, die für Partner attraktiver sind, Pflanzen sich häufiger fort.

Mutation & Abwanderung

• Allelfrequenz kann durch Zuwanderung oder Abwanderung von Individuen verändert werden

• Mutation erzeugt neue Allele

• Nachteilige Mutationen verschwinden meist schnell aus dem Genpool

• Vorteilhafte Mutationen können schnell häufiger werden

Selektion?

Anlese von Individuen mit hoher reproduktiver Fitness

Mutation

Zufällige, um gerichtete Veränderung der DNA

Mutation Prozess

• Erzeugt neue Allele

• Ist die einzige Quelle neue, genetische Information

• Nur Keimbahnmutationen sind Evolutions wirksam

Mutation Typen

• Genmutation (zum Beispiel Basenaustausch)

• Chromosommutation

• Genom Mutation (zum Beispiel Trisomie)

Eigenschaften der Mutation

• Zufällig, nicht zielgerichtet

• Meist neutral/schädlich, selten nützlich

Rekombination

Neue Kombination vorhandener Gene

Meiose

• crossing over

• Unabhängige Verteilung der Chromosomen

Befruchtung

Zufällige Kombination zweier Gameten

→ erhöht genetische Variabilität

→Grundlage für Selektion

Selektion

Grundidee Überproduktion von Nachkommen → Konkurrenz→ Kampf um das da sein

• Individuen mit höherer Fitness geben mehr gehen weiter

Formen der Selektion

• Stabilisierende Selektion

• Transformieren (gerichtete) Selektion

• Distruptive Selektion

Stabilisierende Selektion

• mittlere Ausprägung wird begünstigt

• Extreme werden ausgesiebt

• Variabilität nimmt ab

Transformierende (gerichtete) Selektion

• Verschiebung des Mittelwerts

• Mittlere Form benachteiligt

• Kann Artbildung fördern

Sexuelle Selektion

Sonderfall der Selektion

Information zur sexuellen Selektion

• Partnerwahl

• Konkurrenz innerhalb eines Geschlechtes

• Beispiel: Pfauenschwanz

• Erhöht Paarungserfolg, auch wenn Überlebensnachteile besteht

Gendrift

Zufällige Veränderung der Allelfrequenz

besonders stark in kleinen Populationen

Formen des Gendrifts

Flaschenhalseffekt

• drastische Populationreduktion

• Zufällige Allelzusammensetzung

Gründereffekt

• Kleine Gründerpopulation

• Eingeschränkter Genpool

Biologische Artbegriff

Arten sind Population, die sich untereinander fortpflanzen und fruchtbare nachkommen erzeugen können

Allopathische Artbildung

• geographische Trennung

• Unterschiedliche Selektion Bedingungen

• Genetische Divergenz

Sympatrische Ausbildung

• Ohne geographische Trennung

• Ökologische Einnischung

• Reproduktive Evolution

Adaptive Radiation

• Aufspaltung einer Stammart in viele spezialisierte Arten→ zum Beispiel Darwinfinken

KoEvolution

Gegenseitige evolutionäre Anpassung zweier (oder mehrere) eng interagierender Arten

Beispiel: Stein,korallen und zooxanthellen

Selektionsdruck

Einwirkung von Umweltfaktoren auf eine Population

Druck hier: dass sich wandelnde Klima – > weniger schützender Wald, härteres Futter

Anpassung: nur die Vorfahren, die zufällig Mutation für längere Beine/härtere Zähne hatten, konnten in der Steppe überleben. Die angepassten sterben aus, weil der Druck zu hoch war.

Analogie

• Bestimmte Umweltbedingungen begünstigen ähnliche Anpassungen (Selektion Vorteil)

• Beispiel: schaufel,artige Vorderbeine bei graden Tieren)

• Maulwurf und Maulwurfsgrille: äußerlich ähnliche Grabbeine, aber unterschiedliche innerer Bau

• Ähnlichkeit nicht auf gemeinsame Verfahren zurückzuführen

• Auch: stromlinienförmige Körper bei Hai und Delfin

• Ursache: gleiche Lebensweise/ähnliche Umweltbedingungen

• Ergebnis: konvergente Evolution und analoge Organe

Definition Analogie

Analoge Strukturen (zum Beispiel Organe) beziehungsweise Merkmale, haben kleinen gemeinsamen Ursprung, weisen aber aufgrund von Lebensräumen ähnlicher Funktion auf (konvergente Entwicklung) – > als Verwandtschaftskriterium ungeeignet

Homologie

= Ähnlichkeit von Merkmal aufgrund gemeinsamer Abstammung

• Strukturen gehen auf einen gemeinsamen Vorfahren zurück

• Homologe Organe müssen nicht gleich aussehen. Entscheidend ist der gleiche Ursprung ( dient als eindeutiger Hinweis auf Verwandtschaft.)

Homologiekriterien

1. Kriterium der Lage: Strukturen sind im Körper gleich angeordnet

2. Kriterium der spezifischen Qualität: Strukturen besitzen ähnlich komplexen Bau, auch bei unterschiedlicher Form ist der Aufbau gleich

3. Kriterium der Kontinuität: Übergangsformen lassen sich durch Fossilien belegen

   = je mehr Kriterien erfüllt sind, desto sicherer handelt es sich um homologe Organe–> Hinweis auf Verwandtschaft

Divergenz

Auseinander Entwicklung, Verwandter Arten im Verlauf der Evolution

Ursprüngliches Merkmal (plesiomorph)

• Merkmal, dass bereits der gemeinsame Vorfall hatte

• Kommt oft in vielen Gruppen vor

• Nicht geeignet, um enge Verwandtschaft zu bestimmen

• Beispiel Wirbelsäule bei Wirbeltieren

Abgelegtes Merkmal (apomorph)

• Evolutionären neu entstanden

• Unterscheidet eine Gruppe von anderen

• Beispielfedern bei Vögeln, Haare bei vielen Säugetieren

Synapormophie

→ gemeinsames, abgeleitetes Merkmal mehrerer Arten

→ zeigt nahe Verwandtschaft

Nur Synamorphien werden zur Bildung von Gruppen im Stammbaum verwendet

Homolog, morphologische Merkmale

• Gleicher evolutionärer Ursprung

• Lage Kriterium spezifische Qualität, Continuity Beispiel vor der Extremitäten bei Mensch, Fledermaus, was nicht homolog ist. Flügel von Vögel und Insekt (Analogie → Konvergenz)

Molekulare Homologie (DNA)

Verglichen werden

• DNA – Sequenzen

• Aminosäuresequenzen

• Bestimmte Gene

• Grundlage: je ähnlicher, die DNA, desto näher verwandt

• Beispiel

• Mensch und Schimpanse besitzen über 98 % DNA übereinstimmung → nahe Verwandtschaft

• (Es geht nicht um sichtbare Merkmale, sondern um genetische Synapormophien)

Archepteryx vor circa 150 Millionen Jahren

Besitzt:

Reptilienmerkmale:

• zähne

• Langer, knöcherner Schwanz

• Krallen an den Flügeln

Vogelmerkmale:

• Federn

• Flügel

• Gabelbein

Kombination aus Merkmalen bei der Gruppen deshalb Mosaik Form

Proximate Ursache

Wirkursache, beziehen sich auf die unmittelbaren Mechanismen im Organismus fragen, nach dem, „wie“

Ultimate Ursache

Zweck Ursache beziehen sich auf den Evolutionsbiologischen Nutzen

Fragen nachdem „wozu“ (Selektionsvorteil)

Beispiel Schwänzeltanz der Bienen

Proximat (Mechanismen)

• Auslösung des Verhaltens durch Pfund hochwertiger Futterquelle zur Mitteilung anderer

Ultimate (nutzen)

• Effizienz,koordination des Volkes zur schnellen Nahrungfindung

• Erhöhung der Überlebenschancen der gesamten

  Bevölkerung

• Vermeidung unnötiger Flüge (Kosten – nutzen – Analyse)

Kosten-Nutzen-Analyse

Die aufgewendete Energie zum Beutefang wird der aufgenommenen Energie, die die Beute bereitstellt, gegenübergestellt

: Selektion begünstigt nur solche Verhaltensweisen, deren nutzen die Kosten überwiegen

Altruismus

Helfer unterstützen selbstlos die Eltern bei der Aufzucht der jungen

Also erkennbarer Vorteil in Verhaltensweise

Also Helfer sind oft mit Eltern verwandt

Verwandtenselektion

Reproduktive Altruismus, Anteile der allele eines Lebewesens im Genpool der nächsten Generationen können durch Fortpflanzung aber auch durch die Hilfe eines Individuums gegenüber eines Verwandten zunehmen.

Also bei gleichen Eltern ist die Hälfte der Allee mit dem Bruder gemein, aber genauso viel werden an die eigenen Nachkommen weitergegeben.

Territoriales Verhalten

Wenn der Nutzen durch Nahrung und Paarung die Kosten der Verteidigung übersteigt, bis eine Revieröse erreicht wird, bei der die Kosten den Nutzen überwiegen

Individuen, deren Verhaltensweise zu einem höheren Nutzen führen, erzielen eine höhere reproduktive Fitness

Vergleich Mensch und Schimpanse Schädel/Gebiss

Hinter Hauptloch:

• Bei Menschen unterm Schwerpunkt

• Bei Schimpansen hinter dem Schwerpunkt

Gesicht:

• Bei Menschen: spitzes Kinn, hohe Stirn

• Bei Schimpansen: fliehendes Kinn, flache Stirn

Gebiss:

• Bei Menschen: Zahnreihe, V-förmig

• Bei Schimpansen: Zahnreihe, U-förmig

Mensch und Schimpanse Skelett

Bei Menschen

• Aufrechter Gang

• Knie unter dem Schwerpunkt

• Oberschenkel schräg

• Wirbelsäule doppelt S-förmig

• Schüsselförmiges Becken

Bei Schimpansen

• Vier füßiger Gang

• Knie außen

• Oberschenkel parallel

• Wirbelsäule gewölbt

• Längliches Becken

Vergleich Mensch, Schimpanse Hand

Bei Menschen: Daumen lang, Präzisionsgriff möglich

Bei Schimpansen: Daumen, kurz, lange Finger = Kraft Griff

Mensch Schimpanse, Gehirn

Bei Menschen: eher groß und komplexer

Bei Schimpansen: vergleichsweise klein

Stammbaum der menschenartigen Primaten

Wichtige Schritte zum Jetztmensch

1. Opponierbarer Daumen

2. Stereoskopes sehen

3. Lange Arme

4. Zentrales Hinterhauptsloch

5. Fußgewölbe

6. Freie Hände

7. Gehirn

Opponierbarer Daumen

Ermöglicht Greifhand

Stereoskopes sehen

Nach vorn gerichtete Augen erlauben, räumliches fixieren und exakte Abstand Schätzungen beim klettern

Lange Arme

Ursprünglich zum hangeln, begünstigen später das Gehen auf dicken Ästen als Vorstufe zum aufrechten Gang

Zentrales Hinterhaupstloch

Liegt bei Menschen unter dem Schädel

Fußgewölbe

Er setzt den Greiffuß, dient als Stoßdämpfer, erleichtert ab abholen beim gehen

Freie Hände

Durch die zweibeinige Fortbewegung wurden die Hände frei für den Werkzeug Brauch und den Transport von Nahrung

Gehirn:

Reduktion des Kaumuskels erleichterte Vergrößerung des Gehirn Schädels → Selektion fördert großes Gehirn durch die gute Nahrung, Versorgung und den verfeinerten Gebrauch von Werkzeug

Entwicklung in kleinen Schritten

• Merkmale wie aufrechter Gang oder großes Gehirn entstanden schrittweise über viele Generationen

• Heutige Strukturen sind aus früheren Strukturen hervorgegangen und entwickeln sich weiter

• Selektion wirkt als Richtgeber→ begünstigt, vorteilhafte Anpassungen

• Grundlage: genetische Variabilität der Nachkommen

• Individuum mit vorteilhaften gehen haben höhere reproduktive Fitness → Adele werden häufiger weitergegeben

Auf dem Weg zum Jetztmensch

1. Vormensch, V. a.. Australopithecus afarensis

2. Urmenschen, Homo ergaster, Homo Habilis

3. Homo Erectus

4. Moderner Mensch

Vormensch, vor allem Australopithecus afarensis

• Skelett Lucy vor, ungefähr 3,5 Millionen Jahre

• Ausgeprägtes Sozialverhalten

• Aufrechter Gang (konnte noch gut klettern)

Sexual Morphismus: Männer ungefähr 65 Kilo, 1,70 m , Weibchen 30 Kilo, 1 m

Geringes Hirnvolumen (circa 400 ml)

Homo Ergaster und Homo Habilis

• Steinwerkzeuge, Herstellung

• Übergang Pflanzenfresser→ Aas-/Allesfresser

• Gehirnvolumen, nimmt zu

• Hilflose Kinder

• Soziale Verbände und Kommunikation

• Reduktion der Behaarung

Homo Erectus

• Großer guter Läufer

• Großes Gehirnvolumen

• Unreife Babys mit langer Entwicklung

• Komplexe Steinwerkzeuge

• Aktive Nutzung von Feuer (1. Million Jahre)

Moderner Mensch

• Intelligenz

• Sprache

• Kulturelle Evolution

Out of Afrika

1. Homo Erectus hat sich aus Afrika über die gesamte (alte) Welt ausgebreitet. In Europa hat sich daraus Homo neanderthalensis entwickelt.

2. Homosapien hat sich später aus Homo Erectus in Afrika entwickelt und über die Welt ausgebreitet. Dabei wurde der Neandertaler in Europa „verdrängt.“

Evolution des Menschen aufrechter Gang

Anpassung von Schädel (Gesichtsform, hinterhauptsloch), Becken, Knie, Wirbelsäule, Füße

Präzisionsgriff

Aus kurzen Daum entwickelte sich später mit dem aufrechten Gang der Präzisionsgriff weiter

Kulturelle Entwicklung

Werkzeuggebrauch

• erste Steinwerkzeuge: vor circa 2,5 Millionen Jahre→ Beginn der Oldowankultur

• Einfache Geröllsteine mit mindestens einem Abschlag

• Markier den Beginn der Steinzeit

Konzept der Menschen Rassen

Widerlegt, da:

• Über 99,9 % der DNA bei allen identisch

• Keine Grenzen/Trennlinien, Hautfarbe, unter anderem gehen geographische fließend ineinander über

• Oberflächlichkeit: Merkmale wie Hautfarbe sind nur Anpassungen an das Klima

Erhöhte Proteinsynthese vs. -abbau:

• Belastung aktiviert Signalwege, die die Translation (Proteinsynthese) anregen.

• Gleichzeitig wird der Proteinabbau (über das Ubiquitin-Proteasom-System) vorübergehend gehemmt.

• Nettoeffekt: Akkumulation von kontraktilen Proteinen.

Organisationsebene des Lebens

• Zelle: die kleinste lebensfähige und vermehrungsfähige Einheit (z. B. eine einzelne Kieselalge oder eine Leberzelle).

• Gewebe: Verband von gleichartigen Zellen mit ähnlicher Funktion (z. B. Lebergewebe, Palisadengewebe im Blatt).

• Organ: funktionelle Einheit im Organismus, die aus verschiedenen Geweben zusammengesetzt ist (z. B. Leber, Blatt, Wurzel).

• Organismus: Das gesamte Lebewesen (z. B. Mensch, Buche, Moospflanze).

Kennzeichen aller Zellen

• Biomembranen schaffen abgeschlossene Räume (Kompartimentierung).

• Zellplasma

• Genetisches Material

• Energiebedarf: Für Lebensfunktionen (Transport, Bewegung, Stoffwechsel) wird Energie benötigt.

• Reproduktion: Zellen gehen immer aus bereits existierenden Zellen hervor.

Tierzelle Merkmale

keine Zellwand, Keine Chloroplasten nicht vorhanden,Meist keine/ kleine vesikel, Zellform Variabel, meist eingebettet in EZM, Verbindung über extrazelluläre Matrix

Merkmale Pflanzenzelle

• Zellwand: Vorhanden, (stabilität & Form)

• Chloroplast: Vorhanden (Ort der Fotosynthese)

• Vakuole: Große Zentralvakuole (Speicher/Verdauung)

• Zellform: Eher starr/geometrisch durch Zellwand

• Über Plasmodesmen (Kanäle in der Wand)

Tierzelle

Pflanzenzelle

Zellkern (Nucleus) Funktion

Enthält den Großteil der DNA; Steuerzentrum der Zelle.

Ribosomen Funktion

Ort der Proteinbiosynthese (verknüpfen Aminosäuren zu Ketten).

Endoplasmatisches Reticulum Merkmal

• Raues ER: Mit Ribosomen besetzt, stellt Proteine her.

• Glattes ER: Ohne Ribosomen, Lipidsynthese und Giftabbau (besonders stark in Leberzellen ausgeprägt).

Golgi-Apparat (Dictyosomen): Merkmal

Speichert und verändert Proteine; schnürt Vesikel für den Transport ab.

Mitochondrien: Merkmal

"Kraftwerke"; wandeln Energie um (Zellatmung); besitzen eigene DNA.

Chloroplasten (nur in Pflanzen): Merkmal

Ort der Fotosynthese; besitzen ebenfalls eigene ringförmige DNA.

Vesikel (Lysosomen/Peroxisomen):

kleine Membranbläschen für Transport oder Abbau von Stoffen.

Die Extrazelluläre Matrix (EZM) Erklärt

• Zusammenhalt: Hält die Zellen im Gewebe zusammen.

• Schutz & Signal: Dient als Barriere gegen Erreger und ermöglicht Immunzellen die Bewegung zum Infektionsort.

• Beispiel Knorpel: Die druckelastische Substanz zwischen den Knorpelzellen besteht aus Stoffen, die von den Zellen nach außen abgegeben wurden.

Semipermeabel

Eine halbdurchlässige Trennwand. Biomembranen sind für bestimmte Substanzen durchlässig, für andere jedoch nicht (= selektive Permeabilität).