Entstehung des Lebens
Das Universum ist etwa 20 Milliarden Jahre alt (Urknall). Die Erde entstand vor etwa 4,5 Milliarden Jahren. Die frühe Atmosphäre enthielt Wasserdampf, Methan, Kohlendioxid und Ammoniak, aber keinen freien Sauerstoff. UV-Licht und Blitze lieferten Energie.
- Spezielle Schöpfung: Das Leben wurde durch einen göttlichen Akt geschaffen (nicht überprüfbar).
- Panspermie: 'Samen' des Lebens kamen aus dem Weltraum.
- Spontanzeugung (Urzeugung): Leben entsteht aus faulender Materie. Louis Pasteur widerlegte sie mit Schwanenhalskolben: Abgekochte Brühe blieb frei von Mikroben.
- Chemische Evolution (Oparin-Haldane): einfache anorganische Moleküle → organische Moleküle (Aminosäuren, Zucker, Basen) → größere Moleküle → erste zellähnliche Formen.
Miller-Urey-Experiment (1953)
Stanley Miller schloss CH₄, H₂, NH₃ und Wasserdampf bei 800 °C in einen Kolben ein und ließ elektrische Funken überspringen. Nach einer Woche fand er Aminosäuren. Andere fanden in ähnlichen Versuchen Zucker, Basen, Farbstoffe und Fette. Das erste nichtzelluläre Leben entstand wohl vor etwa 3 Milliarden Jahren als sich selbst kopierende Moleküle (RNA), und die ersten Zellen vor etwa 2000 Millionen Jahren im Wasser.
Belege für die Evolution
- Paläontologie (Fossilien): Gesteine verschiedenen Alters enthalten verschiedene Lebensformen; ältere Schichten haben einfachere Formen. Fossilien zeigen ausgestorbenes Leben und Verbindungen zwischen Gruppen.
- Homologe Organe (gleicher Bauplan, verschiedene Aufgaben) zeigen divergente Evolution: Vordergliedmaßen von Wal, Fledermaus, Gepard und Mensch (Oberarmknochen, Speiche, Elle, Handwurzelknochen …); Herzen und Gehirne der Wirbeltiere; der Dorn der Bougainvillea und die Ranke des Kürbisgewächses Cucurbita (beides umgewandelte Sprosse).
- Analoge Organe (anderer Bauplan, gleiche Aufgabe) zeigen konvergente Evolution: Flügel von Schmetterling und Vogel; Auge von Krake und Säugetier; Flossen von Pinguin und Delfin; Süßkartoffel (Wurzel) und Kartoffel (Spross).
- Embryologie: Alle Wirbeltierembryonen zeigen Kiemenspalten. Haeckels Idee, dass Embryonen die erwachsenen Vorfahren nachspielen, wurde von von Baer widerlegt: Embryonen durchlaufen nie die Erwachsenenstadien anderer Tiere.
- Molekulare Ähnlichkeit: ähnliche Proteine und Gene (z. B. Cytochrom c, DNA) bei verwandten Lebewesen.
- Evolution heute sichtbar: Industriemelanismus bei Birkenspannern in der Nähe englischer Fabriken; Resistenz gegen Herbizide, Pestizide und Antibiotika; künstliche Selektion bei Hunden, Rindern und Nutzpflanzen.
Darwin, Lamarck und de Vries
Lamarck sagte, Organe verändern sich durch Gebrauch und Nichtgebrauch und diese Veränderungen werden vererbt (z. B. die Giraffe, die ihren Hals streckt). Das ist nicht belegt: Erworbene Veränderungen werden nicht vererbt.
Charles Darwin reiste auf der H.M.S. Beagle und sah Finken, Riesenschildkröten und Fossilien. Zusammen mit Alfred Wallace (Malaiischer Archipel) formulierte er die Theorie der natürlichen Selektion:
- Lebewesen erzeugen viel mehr Nachkommen, als überleben können (Überproduktion).
- Die Ressourcen sind begrenzt, also gibt es einen Kampf ums Dasein.
- Individuen unterscheiden sich; manche Variationen sind erblich.
- Wer nützliche Variationen hat, überlebt und pflanzt sich stärker fort (Fitness = Fortpflanzungserfolg).
- Über viele Generationen breiten sich nützliche Variationen aus und neue Arten entstehen (verzweigte Abstammung).
Hugo de Vries arbeitete mit der Nachtkerze und sagte, große plötzliche Veränderungen, Mutationen, verursachten die Evolution (Saltation), anders als Darwins kleine, gerichtete Variationen.
Synthetische Evolutionstheorie
Darwin kannte keine Gene. Die moderne Synthetische Evolutionstheorie verbindet Darwins natürliche Selektion mit Mendels Genetik und der Populationsforschung. Evolution = Veränderung der Allelhäufigkeiten im Genpool einer Population über die Generationen.
Fünf Faktoren verändern Allelhäufigkeiten: Mutation, genetische Rekombination, Genfluss (Migration), Gendrift und natürliche Selektion. Isolation (geografisch oder fortpflanzungsbiologisch) hält die Gruppen dann getrennt, sodass sie zu neuen Arten werden.
Mutation, Rekombination und Typen der natürlichen Selektion
- Mutation: Ein neues Allel entsteht durch eine Veränderung der DNA. Sie ist die erste Quelle aller neuen Variation. Lederbergs Replikaplattierung zeigte, dass Mutationen bei Bakterien entstehen, bevor sie mit dem Medikament in Kontakt kommen; das Medikament selektiert sie nur.
- Rekombination: Crossing-over in der Meiose und zufällige Befruchtung mischen Allele zu neuen Kombinationen.
Drei Typen der natürlichen Selektion (stell dir eine Glockenkurve vor)
- Stabilisierend: Der Durchschnittstyp wird begünstigt; beide Extreme verschwinden. Die Kurve wird schmaler und höher. Beispiel: Menschliches Geburtsgewicht um 3-3,5 kg überlebt am besten.
- Gerichtet: Ein Extrem wird begünstigt; der Gipfel verschiebt sich. Beispiel: dunkle Motten in der Nähe von Fabriken, Antibiotikaresistenz.
- Disruptiv: Beide Extreme werden begünstigt, die Mitte verschwindet; es entstehen zwei Gipfel. Beispiel: Vögel mit sehr kleinen oder sehr großen Schnäbeln auf Inseln, wo es nur kleine oder harte Samen gibt.
Genfluss und Gendrift
Genfluss (Migration): Individuen wandern zwischen Populationen und bringen Allele mit. Dadurch werden Populationen einander ähnlicher.
Gendrift: zufällige Veränderung der Allelhäufigkeit durch Zufall, am stärksten in kleinen Populationen. Sie hängt nicht davon ab, ob etwas nützlich ist.
- Gründereffekt: Wenige Individuen gründen eine neue Population (z. B. auf einer Insel); ihre Allele werden zufällig häufig.
- Flaschenhalseffekt: Eine Katastrophe tötet den Großteil einer Population; die Überlebenden tragen eine zufällige, kleinere Auswahl an Allelen (z. B. haben Geparden eine sehr geringe genetische Vielfalt).
Hardy-Weinberg-Prinzip
In einer großen Population mit zufälliger Paarung und ohne Mutation, Genfluss, Drift oder Selektion bleiben Allel- und Genotyphäufigkeiten von einer Generation zur nächsten gleich. Das ist das genetische Gleichgewicht.
Hat das Allel A die Häufigkeit p und das Allel a die Häufigkeit q, gilt:
- p + q = 1
- (p + q)² = p² + 2pq + q² = 1, wobei p² = AA, 2pq = Aa, q² = aa.
So löst du eine Aufgabe
- Bestimme q² aus dem Anteil der Rezessiven (aa).
- q = √q². Dann ist p = 1 − q.
- Träger (Aa) = 2pq. Dominant reinerbig (AA) = p².
Weichen die beobachteten Zahlen von diesen Vorhersagen ab, entwickelt sich die Population weiter: Einer der fünf Faktoren wirkt.
Adaptive Radiation
Wenn sich eine Vorfahrengruppe in viele verschiedene Lebensräume ausbreitet und viele Arten hervorbringt, die jeweils zu ihrem Ort passen, nennt man das adaptive Radiation (eine Form der divergenten Evolution).
- Darwinfinken (Galápagos): Aus samenfressenden Vorfahren entstanden insektenfressende und sogar pflanzenfressende Finken mit unterschiedlichen Schnabelformen.
- Australische Beuteltiere: Aus einem Vorfahren entstanden Känguru, Koala, Wombat, Beutelmull, Beutelwolf, Zuckergleiter und mehr.
- Wenn zwei getrennte Radiationen auf verschiedenen Kontinenten ähnlich aussehende Formen hervorbringen (Plazenta-Wolf und Beutelwolf, Gleithörnchen und Gleitbeutler), zeigt das konvergente Evolution.
Eine kurze Geschichte des Lebens
Kieferlose Fische (vor etwa 350 Mio. Jahren) → Quastenflosser wie der Quastenflosser Latimeria (Coelacanth) → Amphibien → Reptilien (vor etwa 200 Mio. Jahren, Dinosaurier) → Vögel und Säugetiere. Pflanzen gingen vom Wasser an Land: Tange → Farne → Nacktsamer → Bedecktsamer.
Menschwerdung
| Form | Zeit (vor Jahren) | Gehirn (cm³) | Besonderheit |
|---|---|---|---|
| Dryopithecus, Ramapithecus | ~15 Millionen | — | behaart, gingen wie Affen; Ramapithecus menschenähnlicher |
| Australopithecus | ~2 Millionen | ~450 | ostafrikanische Grasland, Steinwaffen, aß Früchte |
| Homo habilis | ~2 Millionen | 650-800 | erstes menschenähnliches Wesen, aß wahrscheinlich kein Fleisch |
| Homo erectus | ~1,5 Millionen | ~900 | aß Fleisch |
| Neandertaler | 100.000-40.000 | ~1400 | bestattete die Toten, lebte im Nahen Osten und in Zentralasien |
| Homo sapiens | 75.000-10.000 | ~1450 | entstand in Afrika, breitete sich über die Kontinente aus, Höhlenmalerei vor ~18.000 Jahren, Ackerbau vor ~10.000 Jahren |
Der Mensch stammt nicht von den heutigen Schimpansen ab; beide haben einen gemeinsamen Vorfahren. Die wichtigsten Trends: größeres Gehirn, aufrechter Gang, kleinere Kiefer und Zähne, Werkzeuge, Sprache und Kultur.
Wichtige Formeln und Definitionen
- p + q = 1
- p² + 2pq + q² = 1 (AA + Aa + aa)
- q = √(Anteil der rezessiven aa-Individuen)
- Häufigkeit der Träger (Aa) = 2pq
- Allelhäufigkeit von A = (2 × AA + Aa) ÷ (2 × Gesamtzahl der Individuen)
Gelöste Beispiele
1. In einer Population ist p = 0.7. Bestimme q sowie die Anteile von AA, Aa und aa.
Schritt 1: q = 1 − 0.7 = 0.3. Schritt 2: AA = p² = 0.49. Schritt 3: Aa = 2pq = 2 × 0.7 × 0.3 = 0.42. Schritt 4: aa = q² = 0.09. Kontrolle: 0.49 + 0.42 + 0.09 = 1.
2. In einer Gruppe von 1000 Menschen können 90 die Zunge nicht rollen (rezessiv, aa). Bestimme q und p.
Schritt 1: q² = 90/1000 = 0.09. Schritt 2: q = √0.09 = 0.3. Schritt 3: p = 1 − 0.3 = 0.7.
3. Wie viele der 1000 Menschen aus dem letzten Beispiel sind Träger (Aa)?
Schritt 1: 2pq = 2 × 0.7 × 0.3 = 0.42. Schritt 2: 0.42 × 1000 = 420 Träger.
4. Eine Population besteht aus 360 AA, 480 Aa und 160 aa. Bestimme die Allelhäufigkeit von A.
Schritt 1: Alle Allele = 2 × 1000 = 2000. Schritt 2: A-Allele = 2 × 360 + 480 = 1200. Schritt 3: p = 1200/2000 = 0.6, also q = 0.4.
5. Befindet sich die Population mit 360 AA : 480 Aa : 160 aa im Hardy-Weinberg-Gleichgewicht?
Schritt 1: Aus p = 0.6, q = 0.4 erwartet man AA = 0.36, Aa = 0.48, aa = 0.16. Schritt 2: Beobachtet sind 0.36, 0.48, 0.16, also gleich. Antwort: Ja, sie ist im Gleichgewicht.
6. Eine rezessive Erkrankung tritt bei 1 von 10.000 Babys auf. Welcher Anteil der Menschen sind Träger?
Schritt 1: q² = 1/10000, also q = 0.01. Schritt 2: p = 0.99. Schritt 3: 2pq = 2 × 0.99 × 0.01 = 0.0198 ≈ 2 %, also etwa 1 von 50 Menschen.
7. Eine Population hat 16 % aa. Im nächsten Jahr hat sie 9 % aa, ohne Migration. Was zeigt das?
Schritt 1: q hat sich von √0.16 = 0.4 auf √0.09 = 0.3 verändert. Schritt 2: Die Allelhäufigkeit hat sich verändert, also ist die Population nicht im Gleichgewicht. Schritt 3: Etwas wie Selektion gegen aa (oder Drift, wenn sie klein ist) wirkt: Die Population entwickelt sich weiter.
Häufige Fehler
- Zu sagen, 'Survival of the fittest' heiße, dass der Stärkste überlebt. Fitness bedeutet, mehr Nachkommen zu hinterlassen, nicht Stärke.
- Die Wurzel aus dem dominanten Anteil zu ziehen, um p zu bekommen. Beginne immer beim rezessiven Anteil aa: q = √q².
- Zu glauben, der Mensch stamme vom Schimpansen ab. Beide haben einen gemeinsamen Vorfahren.
- Homologe und analoge Organe zu verwechseln. Gleicher Bau, andere Aufgabe = homolog (divergent); anderer Bau, gleiche Aufgabe = analog (konvergent).