Evolutionsfaktoren: Natürliche Selektion & Hardy-Weinberg-Gleichgewicht

3.3Evolutionsfaktoren; natürl.
Selektion, Hardy-Weinberg-Gleichgewicht
Nach diesem überwältigenden Überblick über paläontologische
Fakten versuchen wir mal wesentliche Prinzipien herauszufiltern:

  1. Die Evolution der Organismen verlief vom Wasser
    zum Land.
  2. Zunächst traten einfache, dann komplizierte
    Lebewesen auf.
  3. Die Enwicklung verlief von Wirbellosen
    über Fische, Amphibien, Reptilien zu den Säugern und Vögeln.
    Man kennt sehr viele Zwischenstufen der Entwicklung.
  4. Fossilien lassen sich zwanglos ins natürliche
    System einordnen
    .
  5. Alle Organismen aller Zeiten besaßen den bekannten
    Zellaufbau
    , bestanden aus den bekannten biologisch relevanten
    Substanzen und führten die bekannten Stoffwechselwege
    aus. Wichtige Stoffwechselwege wie Photosynthese und Zellatmung sind
    sehr alt.
  6. Die jüngsten Organismen besitzen Merkmale der ältesten.
  7. Die Evolution benötigt genügend lange
    Zeit
    ( z. B. Millionen Jahre)
  8. Evolution ist zunächst nicht gerichtet
    sondern radiativ.
  9. Während der Evolution gab es mehrere große, weltumspannende
    Katastrophen

Wie wir durch die Fakten der Paläontologie gesehen haben, ist Evolution
ein Prozess, der zu vererbbaren Veränderungen in einer Population
führt und sich über viele Generationen hinzieht.

Eine Population ist eine
Gruppe von Individuen, die zur selben Zeit am selben Ort lebt und
sich miteinander fortpflanzen kann. (z.B. ein Rudel Wölfe)
Alle Gene innerhalb der Population nennt man Genpool.

An der Ausbreitung von Viren mit ihren extrem
hohen Vermehrungsraten und schnellen Generationszeiten kann man heute
evolutionäre Prinzipien beobachten
.

Normalerweise kann innerhalb von 10 000 Jahren (dh.
ca. 400 menschlichen Generationen) kaum Evolution beobachtet werden, in
100 000 Jahren (= 4000 Generationen) schon!

 


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Charles Darwin
(1809-1882)

Die Idee, daß
das sich das Leben auf der Erde langsam entwickelt hat wurde im Europa
des späten 17. und frühen 18. Jahrhundert oft diskutiert.
Charles Darwin beobachtete auf einer seiner vielen Reisen im
Hochland der Anden Fossilien und die Bildung der Korallenriffe in
der Südsee. Zusammen mit den Erkenntnissen von Lyell gewann er
die Einsicht, daß die Evolution sehr langsam und stufenweise
stattgefunden haben muß.
1859 präsentierte er einen Mechanismus, genannt: natürliche
Selektion
, der erklären konnte, wie Evolution entsteht.
Darwins Theorie der natürlichen Selektion half die meisten Leute
zu überzeugen, daß sich das Leben entwickelt hat und dies
hat sich in letzten 140 Jahren nicht geändert.

 

3.3.1 Darwin’s Theorie der
natürlichen Selektion.
nselekt1Tatsache Nr. 1Die
Spezies produzieren mehr Nachkommen als zum Überleben nötig

Tatsache Nr. 2Individuen
sind einzigartig. Es gibt jedoch eine phänotypische Variation
der Individuen.

Tatsache Nr. 3
Einige Ursachen der Variation sind erblich,
nicht alle.

Tatsache Nr. 4In
der realen Welt sind die Resourcen knapp. Deshalb muß es einen
Kampf ums Dasein geben. Die an die Umgebung besser angepaßten
Individuen überleben.

Tatsache Nr. 5 Neue
Arten bilden sich durch Isolation

Diese Tatsachen brachten Darwin dazu, zu folgern, daß Evolution
langsam durch natürliche
Selektion
geschieht.

Die Selektion bevorzugter Varianten erklärt viele Beobachtungen
der Tier und Pflanzengeographie, z.B. warum Mitglieder derselben Vogelspezies
größer oder dunkler im nördlicheren Verbreitungsgebiet
sind .

Seit Darwin haben wir jedoch viel gelernt. Neue Wissenschaften, wie
die Biochemie, Genetik und Populationsbiologie haben in diesem Jahrhundert
neue Horizonte eröffnet, so daß es zu der gefälligen Selektionstheorie
inzwischen Ergänzungen gibt. Diese Neodarwinistischen Theorien
verweisen auf die Mutation, Rekombination
und die Variation in einer Population
als wichtige Evolutionsfaktoren hin.

3.3.2 Moderne Theorien

1937 veröffentlichte Dobzhansky, der mit T. H Morgan
zusammengearbeitet hat( beide entdeckten Gen- und Chromosomenmutationen
bei Drosophila) “Genetics and the Origin of Species”. Ein weiterer
Meilenstein war 1943 die Entdeckung von S. E. Luria und M. Delbrück
über zufällige Resistenzmutationen bei Bakterienpopulation.

Durch Mutation einstehen also neue Genvarianten.
Die Rekombination der Gene durch die
Meiose sorgt so für eine unbegrenzte Anzahl von Genotypen und Phänotypen.
Zufall und kleine Variationen bei dieser Rekombination sind notwendig
für die natürliche Selektion.


Danach ist Evolution eine Änderung der Genfrequenzen
im Genpool einer Population.

3.3.2.1 Ursachen der genetischen Variation:

Warum ist die genetische Variation so wichtig? Weil neues genetisches
Material die Chance zum evolutiven Wandel ermöglicht.

Falls dabei Individuen mit besserer Anpassung ( bessere Überlebenschance
und Nachkommensproduktion) entstehen, sorgt die Selektion für mehr
Nachkommen und Evolution geschieht. Das Vorhandensein neuen genetischen
Materials ist eine der ersten Voraussetzungen für die Evolutionsrate.

3.3.2.2Kräfte, die eine Änderung der Genfrequenzen (= Mikroevolution)
in einer Population hervorrufen


(Genfrequenz = Häufigkeit eines Gens in der Population)
genepop
Mit dieser Frage beschäftigt sich seit ca. 1920 die Populationsgenetik.

Beispiel:
Ein Beispiel sind die menschlichen Blutgruppen: A,
B, AB
und O. Wir wissen, daß diese
Blutgruppen durch 3 Allele an einem einzigen Genort bestimmt werden. (siehe
hier
)


Blutgruppen
PhänotypABABO
GenotypAA oder AOBB oder BOABOO

Durch den Präzipitationstest können wir die Frequenz
jedes Allels bestimmen. In verschiedenen Populationen treten sie in unterschiedlichen
Frequenzen auf.. Z. B.:

 


A

B

O

Russen

23.8%

17.2%

59.0%

US weiß

24.6%

7.3%

68.2%

Navahos

16.7%

0.1%

83.2%

BRD

43%

9,7%

43,6 %

Dieses Beispiel zeigt 2 wichtige Konzepte der Populationsgenetik:

Die Population istpolymorph,
d.h. die Population besitzt mehr als ein Allel am Genort.

Die Allelfrequenzen sind ungleich und variieren von
geographischem Bereich zu Bereich.
Daraus resultiert die Frage, was für die geographische Variation
der Allelfrequenzen verantwortlich sein könnte.

3.3.2.3 Hardy-Weinberg Gleichgewicht

Ein grundsätzliches Prinzip der Populationsgenetik ist das Hardy-Weinberg
Prinzip. Dieses sagt folgendes aus:


In einer großen Population mit zufälliger
Paarung und ohne populationsverändernde Einflüsse bleibt das
Allelverhältnis eines gegebenen Genortes konstant.

(keine Mutation, keine Zu- und Abwanderung, keine natürliche
Selektion)

Das HARDY-WEINBERG Gesetz, 1908 entwickelt, ist eine algebraische
Formel, um die relative Häufigkeit eines dominanten oder rezessiven
Gens in einer Population zu berechnen.


p2 + 2pq + q2=1
mit

  • p = Genfrequenz des dominanten Allels in einer Population


In einem solchen idealen System
gibt es keine Evolution!
Beispiel: Angenommen wir beginnen mit einem 2-Allelsystem mit
den Allelfrequenzen p und q.

Allele

B

b

p2 (BB) + 2pq (Bb) + q2
(bb) = 1
Frequenz

p

q

 

hwpIn diesem einfachen Fall ist p + q = 1.
p = 0.7, q = 0.3, und lassen wir mal die Individuen
sich zufällig paaren. Wie viele Individuen jeden Genotyps erwarten
wir?

BB

    • = 0.7 x 0.7 = 0.49

aa

    = 0.3 x 0.3 = 0.09

Und was ist mit Bb? Es gibt 2 Möglichkeiten diesen
Genotyp zu erzeugen: B x b oder b x B

Bb

    = (0.3 x 0.7) + (0.7 x 0.3) = 0.42

Die Summe der 3 Frequenzen ist: 0.49 + 0.09 + 0.42 = 1.0

Die Gesamtfrequenz muß 1,0 sein, egal ob Allel-Frequenz oder Genotyp-Frequenz.
In der nächsten Generation ist die Genotyp-Frequenz:

 

BBAaaaSumme
0.490.420.091.0

Wie ist die Allelfrequenz dieser Generation? Die Frequenz von
A ist 0.49 + 1/2 (0.42) = 0.7, genau wie in der vorigen Generation.
Und die Frequenz von b ist 0.09 + 1/2 (0.42) = 0.3.

Tatsächlich bleiben die Genfrequenzen immer
konstant
(zufällige Paarung).

Beispiel 2:

allthreeAlbinismus ist eine rezessive Erbkrankheit (siehe links).
Von 20,000 Individuen ist 1 ein Albino.
Deshalb ist q2 = 1/20,000 und so q
=ca. 1/141=0,007 = Albino-Allelfrequenz (rezessiv).
Nach dem Hardy-Weinberg Gleichgewicht
trägt 1 von 141 Spermas oder Eizellen das rezessive Gen für
Albinismus
.

da p = 1 – q —> p = 1 – 0,007 —->
p = .993 Gesunde-Allelfrequenz (dominant)

p² + 2pq + q² = 1
(0,993)² + 2 (0,993)(0,007) + (0,007)² = 1
0,98605 + 0,01399 + 0,00005 = 1

 

Durch Einsetzten in die Hardy-Weinberg-Formel ergibt sich Frequenz
der 3 Genotypen der Population:

p² = homozygot dominante Individen = .98605
= 98.6%
2pq = Frequenz der heterozygote Individuen = .01399 = 1.4%
q² = Frequenz der homozygot rezessiven Individuen (
Albinos) = .00005 = .005%


(Übungen mit der Klasse zum Hardy-Weinberg-Gleichgewicht : http://www.accessexcellence.org/AE/AEPC/WWC/1995/hardyweinberg.html
oder
http://www.accessexcellence.org/AE/AEPC/WWC/1994/easy.html)
 

Weiterführende Quellen:

Evolutionhttp://books.nap.edu/html/evolution98/
http://rainbow.ldeo.columbia.edu/courses/v1001/6.html
http://www.iup.edu/~rgendron/bi112-a.htmlx
http://www.nap.edu/readingroom/books/evolution98/contents.html
HTTP://biology.fullerton.edu/courses/biol_404/web/hol/hol_ch1.html
http://bioinfo.med.utoronto.ca/~lamoran/Evolution_home.shtml
Anthropologiehttp://www.mc.maricopa.edu/anthro/origins/asm97.html
Charles Darwin: Vom Ursprung der Artenhttp://www.talkorigins.org/faqs/origin.html
Natürliche Selektionhttp://atheism.about.com/culture/atheism/gi/dynamic/offsite.htm?site=
http://www.bbc.co.uk/education/darwin/origin/index.htm
http://fig.cox.miami.edu/Faculty/Tom/bil160/bil160s97.html
Mechanismen der Evolutionhttp://blitzen.sprl.umich.edu/GCL/paper_to_html/genetic.html
Online Simulation Selektionhttp://www.zoology.ubc.ca/~bio336/Bio336/Simulations/DiploidSelection/GeneticModel.html
http://www.zoology.ubc.ca/~bio336/Bio336/Lectures.html
Hardy-Weinberg

 

http://www.woodrow.org/teachers/bi/1994/equilibrium.html
http://grunthos.sci1.ubc.ca/~aliza/hardy.html
http://daphne.palomar.edu/synthetic/synth_2.htm
http://library.thinkquest.org/18258/noframes/hweinberg.htm
Simulationsprogrammhttp://cc.oulu.fi/~jaspi/popgen/popgen.htm
Populationsgenetikhttp://genetics.about.com/education/genetics/gi/dynamic/offsite.htm?site=
http://piopio.school.nz/popgen.htm
http://fig.cox.miami.edu/Faculty/Tom/bil160/04_popgen.html
http://www.micro.utexas.edu/courses/levin/bio304/evol.html
Galapagoshttp://www.terraquest.com/galapagos/
Panspermiehttp://www.panspermia.org/
Karten der Erde der Vorzeithttp://www.scotese.com/
Erdgeschichte, Geologiehttp://pubs.usgs.gov/gip/geotime/contents.html
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