Variation sammelt sich bei der Fortpflanzung an
Wenn sich Lebewesen fortpflanzen, wird die DNA nie ganz perfekt kopiert. Jede neue Generation trägt also kleine Veränderungen. Bei der ungeschlechtlichen Fortpflanzung (zum Beispiel wenn sich Bakterien teilen) sind die Unterschiede winzig. Bei der geschlechtlichen Fortpflanzung kommt die Hälfte der Gene von jedem Elternteil und sie werden neu gemischt. Darum ist die Variation viel größer.
Diese Variationen häufen sich von Generation zu Generation an. Nicht jede hilft, aber manche geben in einer sich verändernden Umwelt bessere Überlebenschancen. Deshalb ist Variation der Rohstoff für die Evolution.
Vererbung und vererbte Merkmale
Vererbung heißt, dass Merkmale (Eigenschaften) von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben werden. Ein Merkmal ist alles, was man sehen oder messen kann: Körpergröße, Augenfarbe, Blutgruppe, Form der Ohrläppchen. Kinder bekommen von den Eltern den Grundbauplan des Körpers, dazu kleine Variationen.
Ein vererbtes Merkmal wird von Genen gesteuert und an die nächste Generation weitergegeben. Ein Merkmal, das du im Leben erwirbst (eine Narbe, Muskeln durch Training), ist erworben und wird nicht vererbt.
Mendels Beitrag: Regeln der Vererbung
Gregor Johann Mendel, ein Mönch, untersuchte in den 1860er Jahren Gartenerbsen. Erbsen waren eine kluge Wahl: Sie wachsen schnell, geben viele Samen, können sich selbst bestäuben oder von Hand fremdbestäubt werden und haben klar gegensätzliche Merkmale (groß/klein, runder/runzeliger Samen, gelber/grüner Samen, violette/weiße Blüte).
Die versteckten Einheiten nannte er Faktoren; heute heißen sie Gene. Verschiedene Formen eines Gens heißen Allele (T und t). Eine Pflanze mit zwei gleichen Allelen (TT oder tt) ist reinerbig / homozygot; mit zwei verschiedenen (Tt) ist sie mischerbig / heterozygot.
Dominante und rezessive Merkmale
Das Merkmal, das sich beim Mischling zeigt, ist dominant (groß, T). Das Merkmal, das verborgen bleibt, ist rezessiv (klein, t). Ein rezessives Merkmal zeigt sich nur, wenn beide Kopien rezessiv sind (tt). Die Erbanlage (TT, Tt, tt) heißt Genotyp; das, was man sieht (groß oder klein), heißt Phänotyp.
Monohybride Kreuzung: ein Merkmal, 3:1
Eltern (P): reinerbig groß TT × reinerbig klein tt. Keimzellen: T und t. F1: alle Tt, alle groß. Bestäube F1 selbst (Tt × Tt): Von jeder Seite gibt es die Keimzellen T und t.
| T | t | |
|---|---|---|
| T | TT | Tt |
| t | Tt | tt |
Phänotyp-Verhältnis in F2: 3 groß : 1 klein. Genotyp-Verhältnis: 1 TT : 2 Tt : 1 tt. Das Merkmal "klein" verschwand in F1 und tauchte in F2 wieder auf. Das beweist, dass der Faktor nie verloren ging und sich auch nicht vermischte. Das ist die Dominanzregel und die Spaltungsregel: Die zwei Kopien trennen sich, wenn Keimzellen entstehen.
Dihybride Kreuzung: zwei Merkmale, 9:3:3:1
Eltern: rund gelb (RRYY) × runzelig grün (rryy). F1: alle RrYy, rund und gelb (rund und gelb sind dominant). F1 × F1: Jede Pflanze bildet vier Arten von Keimzellen (RY, Ry, rY, ry). Das Punnett-Quadrat hat also 4 × 4 = 16 Felder.
F2: 9 rund gelb : 3 rund grün : 3 runzelig gelb : 1 runzelig grün. Es entstehen zwei ganz neue Mischungen (rund grün und runzelig gelb). Also werden Samenform und Samenfarbe unabhängig voneinander vererbt: das ist die Unabhängigkeitsregel (freie Kombinierbarkeit). Probe: Jedes Merkmal für sich ergibt wieder 12:4 = 3:1.
Wie entstehen Merkmale? Gene, DNA und Proteine
Im Zellkern ist die DNA zu Chromosomen verpackt. Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, der die Bauanleitung für ein Protein enthält. Proteine leisten die Arbeit, die ein Merkmal aufbaut.
Beispiel: Die Wuchshöhe einer Pflanze hängt von einem Wachstumshormon ab. Ein Gen stellt ein Enzym (ein Protein) her, das dieses Hormon bildet. Arbeitet die Genkopie gut, gibt es viel Enzym, viel Hormon, und die Pflanze wird groß. Arbeitet die Kopie schlechter, gibt es weniger Hormon, und die Pflanze bleibt klein. Also: Gen → Protein (Enzym) → Hormon → Merkmal.
Jede Körperzelle hat zwei Kopien jedes Chromosoms, eine von jedem Elternteil. Keimzellen haben nur einen Satz. Wenn Eizelle und Spermium verschmelzen, ist das Paar wieder da, und die Chromosomenzahl bleibt über alle Generationen gleich.
Schwerpunkte für die Prüfung
- 1 Punkt: dominant/rezessiv, Genotyp/Phänotyp erklären; F2-Verhältnisse.
- 3 Punkte: monohybride Kreuzung mit Punnett-Quadrat zeichnen; zeigen, dass Merkmale unabhängig vererbt werden.
- 5 Punkte: dihybride Kreuzung mit Verhältnis und Schlussfolgerung; wie Gene Merkmale steuern.
Auch die Geschlechtsbestimmung gehört zu diesem Kapitel: siehe Geschlechtsbestimmung beim Menschen.
Wichtige Formeln und Definitionen
- Gen: ein Abschnitt der DNA, der den Code für ein Protein enthält
- Allel: eine Form eines Gens (T oder t)
- Genotyp: Erbanlage (TT, Tt, tt); Phänotyp: was man sieht (groß/klein)
- Homozygot: TT oder tt; heterozygot (Mischling): Tt
- Monohybrid F2: Phänotyp 3 : 1, Genotyp 1 : 2 : 1
- Dihybrid F2: 9 : 3 : 3 : 1 (16 Kombinationen)
- Anzahl der Keimzellarten = 2^n (n = Anzahl der mischerbigen Genpaare)
Gelöste Beispiele
1. Eine reinerbige Erbse mit violetter Blüte (VV) wird mit einer reinerbigen Erbse mit weißer Blüte (vv) gekreuzt. Wie sieht F1 aus?
Keimzellen: V vom einen Elternteil, v vom anderen. F1 = Vv. Violett ist dominant, also haben alle F1-Pflanzen violette Blüten.
2. Zwei Tt-Erbsenpflanzen werden gekreuzt und 400 Samen werden ausgesät. Wie viele davon sind ungefähr klein?
Punnett-Quadrat: TT, Tt, Tt, tt. Klein = tt = 1 von 4. 400 × 1/4 = 100 kleine Pflanzen (und 300 große).
3. Eine große Pflanze mit unbekanntem Genotyp wird mit einer kleinen Pflanze (tt) gekreuzt. Die Hälfte der Kinder ist klein. Was war der große Elternteil?
Die kleinen Kinder sind tt, also bekam jedes ein t vom großen Elternteil. Der große Elternteil muss Tt sein. (Wäre er TT, wären alle Kinder Tt, also groß.) Das nennt man eine Rückkreuzung (Testkreuzung).
4. Bei einer dihybriden Kreuzung RrYy × RrYy entstehen 160 Samen. Wie viele sind erwartungsgemäß runzelig und grün?
Runzelig grün = rryy = 1 von 16. 160 × 1/16 = 10 Samen.
5. Erkläre, warum das Merkmal "klein" in F1 verschwindet, in F2 aber wieder auftaucht.
F1 ist Tt. T ist dominant und verdeckt t, also sehen alle groß aus. In F2 kann jede der beiden Tt-Pflanzen t weitergeben, und 1 von 4 Kindern bekommt t + t = tt, ist also klein. Der Faktor t war versteckt, nie verloren.
Häufige Fehler
- Genotyp und Phänotyp verwechseln: Tt ist ein Genotyp; "groß" ist der Phänotyp.
- Denken, das rezessive Merkmal sei schwächer oder seltener. Rezessiv heißt nur, dass es verdeckt ist, wenn eine dominante Kopie da ist.
- Keimzellen mit zwei Buchstaben aufschreiben. Eine Keimzelle trägt nur eine Kopie: T oder t, nicht Tt.
- 1:2:1 als Phänotyp-Verhältnis nennen. 1:2:1 ist das Genotyp-Verhältnis; das Phänotyp-Verhältnis ist 3:1.