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Name: Jana Buljan Klasse: Go21a
Inhalte/Themen für die mündliche Prüfung im Fach Biologie
Kurshalbjahr 13.1 Evolution o Kurzer Abriss: Physikalische, chemische und biologische Evolution o Entwicklung des Evolutionsgedankens: vom Schöpfungsgedanken zur synthetischen Evolutionstheorie ▪ Theorie von Darwin (Selektionstheorie) und Lamarck (Transformationstheorie): Vergleich der beiden Ansätze ▪ Synthetische Evolutionstheorie auf der Grundlage von Darwin ▪ Fitnessbegriff und Artbegriff // Kompromisse der Evolution o Evolutionsfaktoren (Ursachen der Evolution) ▪ Mutation und Rekombination (siehe auch Genetik) ▪ Selektion ➢ Selektionsfaktoren: abiotischen und biotischen Ökofaktoren ➢ Selektionsformen: stabilisierend, gerichtet, disruptiv ➢ Selektionsarten: natürliche, sexuelle, künstliche ▪ Gendrift (Gründereffekt und Flaschenhalseffekt) ▪ Isolation (Isolationsmechanismen als Reproduktionsbarrieren)
- Präzygotische Mechanismen
- Postzygotische Mechanismen o Artbildungsprozesse ▪ sympatrische Artbildung ▪ allopatrische Artbildung nach geographischer Isolation (Separation) ▪ adaptive Radiation als Sonderform bzw. Kombination der beiden Artbildungsprozesse
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a
Kurzer Abriss: Physikalische, chemische und biologische Evolution
Physikalische Evolution
- Entstehung der Erde vor 4,6 Mrd. Jahren: Urknalltheorie, Abkühlung, Entstehung von Urozeane und Kontinenten, Uratmosphäre – lebensfeindlich (ohne Sauerstoff), nur anorganische Stoffe Chemische Evolution
- Entstehung von organischen Molekülen aus anorganischen Stoffen (Aminosäuren - > Proteine, Nukleinsäure z.B. DNA, Kohlenhydrate, Lipide) Biologische Evolution
- Vor ca. 3,8 Mrd. Jahren erste Leben (Bakterienzellen im Meer)
- Entstehung von einem Vielzeller
- Landgang von Pflanzen und Tieren
- Entstehung von Wirbeltieren
- Vor 20 Mio. Jahren erster Vormensch (Proconsul)
- Vor 2 Mio. Jahren erster Frühmensch
- Entstehung des ersten homo erectus (out of Africa Theorie) Kulturelle Evolution:
- Erfindung (Feuer, Rad, Schrift, Sprache, Seehaftwerdung, Industrialisierung, Computer, …) Bis ins 18. Jahrhundert glaubten die Menschen im Wesentlichen an die Schöpfungstheorie
- Alle Arten wurden/werden von Gott oder einer Gottheit geschaffen
- Die Arten sind unveränderlich/Artkonstanz
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a Kritik:
- Konkurrenz um ökologische Nischen wird nicht berücksichtigt
- Körperliche Veränderungen können nicht das Erbgut (in den Keimzellen) verändern
- Ein ‘‘inneres Bedürfnis‘‘ kann nicht allen Lebewesen unterstellt werden Darwinismus (Selektionstheorie) ➢ Charles Robert Darwin (1809-
➢ Britischer Biologe und Naturforscher ➢ The Origin Species (1859) Grundnahme: Organismen werden passiv durch die Selektion angepasst Heutige Sicht: Theorie dient als Grundlage für die synthetische Theorie der Evolution Beobachtungen:
- Überproduktion
- Populationsgröße bleibt dennoch gleich
- Ökologische Ressourcen werden knapp – Kampf ums Überleben entsteht (struggle for life)
- Die Individuen in einer Population weisen eine ererbte Variabilität auf Schlussfolgerung: Den Kampf ums Überleben gewinnen diejenigen Varianten, die im Bezug auf die herrschenden Umweltbedingungen am besten angepasst sind (survival of the fittest) Über viele Generationen führt dies zur natürlichen Auslese (natural selection) (Passive Anpassung)
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a
Synthetische Evolutionstheorie auf der Grundlage von Darwin
… auf Grundlagen von Darwin (heute allgemein anerkannt)
- Synthese aus Darwins Selektionstheorie (Überproduktion, Variabilität, Selektion) mit modernen Wissenschaften (Molekulargenetik, Paläontologie, …)
Fitnessbegriff und Artbegriff // Kompromisse der Evolution
Biologische direkte Fitness: … wird gemessen an dem individuellen Fortpflanzungserfolg (Weitergabe eigener Gene) Indirekte Fitness: … durch Verwandtenunterstützung wird gewährleistet, dass die eigenen Gene indirekt weitergegeben werden Gesamtfitness: Summe aus direkter und indirekter Fitness Artbegriff: = Gruppe von Individuen, die zur selben Zeit im selben Raum leben, miteinander fortpflanzungsfähige Nachkommen haben, genetisch von anderen Gruppen isoliert sind und sich im Bau (morphologisch) ähneln Kompromisse der Evolution:
- Balance zwischen genetischem Krankheitsrisiko und Infektionsschutz Beispiel – Körpergröße und Fliegen bei Möwen: Die Individuen der Vogelgruppe der Möwen können verschiedene Größen erreichen. Bei den Möwen mit größerer Körpergröße ist das Volumen im Verhältnis zur Flügelfläche größer, weshalb sie im Flug absinken und höhere Geschwindigkeiten als kleinere Möwen erreichen können. Folglich können große Möwen entfernte Nahrungsquellen schneller erreichen. Kleineren Möwen ist es aufgrund ihres vergleichsweisen geringen Gewichts möglich aus dem Stand hoch zu fliegen, während größere Möwen erst mit Anlauf fliegen können. Der Start dauert für diese Möwe länger, weshalb sie vorausschauender planen müssen. Weiterhin ist ein ausreichend großer Landeplatz notwendig, da sie einige Schritte zum Abbremsen benötigen.
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a
Selektion
- Durch Selektion wird die Variabilität des Genpools verringert, dabei üben Selektionsfaktoren einen Selektionsdruck aus Selektionsfaktoren: abiotischen und biotischen Ökofaktoren Abiotisch:
- Temperatur, Gifte + Katastrophen, Klima, Boden Biotisch:
- Zwischenartlich: Konkurrenz, Parasiten, Fressfeinde, Symbionten
- Innerartlich: Artgenossen als Konkurrenz Selektionsformen: stabilisierend, gerichtet, disruptiv
- Stabilisierende Selektion: Der Selektionsdruck wirkt auf beide Extremwerte ein - der Mittelwert innerhalb des Genpools bleibt konstant
- Gerichtete Selektion: Der Selektionsdruck liegt auf einem der Extremwerte. Der andere Extremwert wird gefördert. Der Mittelwert verschiebt sich nach rechts oder links
- Aufspaltende (disruptive) Selektion: Der Selektionsdruck wirkt auf den Mittelwert ein. Beide Extremwerte werden gefördert - die Population spaltet sich auf. Diese Form kann der Beginn einer Artaufspaltung sein.
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a
Selektionsarten: natürliche, sexuelle, künstliche
Natürliche Selektion: Definition: Unter Selektion versteht man den Ausleseprozess innerhalb einer Population. Sie folgt dem Prinzip "survival of the fittest". Es überlebt also das am besten an die Umweltbedingungen angepasste Individuen. Selektionsfaktoren: Selektionsfaktoren sind Einflüsse der Umwelt, die einen Selektionsdruck auf die Individuen einer Population, d.h. auf den Genpool einer Population ausüben. Selektionsfaktoren sind biotische und abiotische Umweltfaktoren (siehe auch Ökologie!): Abiotisch :
- Klimabedingungen und - veränderungen, Umweltgifte, Bodenbeschaffenheit, … Biotisch :
- interspezifisch: Fressfeinde, Räuber, Beute, Parasiten, Symbionten, Konkurrenten
- Intraspezifisch: innerartliche Konkurrenz um Ressourcen, Fortpflanzungspartner, …
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a
Künstliche Selektion – Selektionsfaktor Mensch
- Zucht: Merkmale, die für den Menschen von Vorteil sind, werden verstärkt in den Genpool eingebracht - gerichtete Selektion
- Nutztiere (Schweine, Rinder, …)
- Nutzpflanzen (Getreide, Gemüse, Tee, Obst, …)
- Haustiere (Fische, Hunde, …)
- Zierpflanzen (Orchideen, …)
- Wilderei, Jagd, Fischfang Merkmale, die für den Menschen von Vorteil sind, werden verstärkt aus dem Genpool entfernt - gerichtete Selektion Kabeljau, Elefantenstoßzähne, Nashörner, … Zusammenfassung zur Selektion:
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a
Gendrift (Gründereffekt und Flaschenhalseffekt)
- Zufällige (nicht durch Selektion bewirkte) Veränderung der Zusammensetzung des Genpools
- Wirkt sich besonders in kleinen Populationen mit geringer Variabilität aus
- Veränderte Merkmale bieten meist keinen Fitnessvorteil (neutrale Evolution)
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a
Postzygotische Isolationsmechanismen: wirken dagegen erst nach erfolgter
Befruchtung der Eizelle. Zygotenmortalität: Die befruchtete Eizelle entwickelt sich nicht, der Embryo stirbt ab. Hybridenunterlegenheit: Nachkommen von Mischpaaren besitzen geringere Lebens- und Fortpflanzungschancen. Hybridensterilität: Die Hybriden sind steril, können sich also nicht fortpflanzen. Ursachen für geografische Isolation (Separation)
- Geologische Ereignisse:
- Kontinentaldrift und Plattentektonik, Gebirgsbildung, Inselbildung, ….
- Klimatische Ereignisse:
- Ausbreitung von Wüsten, Vergletscherung, Waldbrände, …
- Sonstige:
- Einflüsse des Menschen, Kanalbau, ….
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a
Artbildungsprozesse
sympatrische Artbildung
- Neue Arten (Artaufspaltung) in einem gemeinsamen Gebiet
- Teilpopulationen nutzen verschiedene ökologische Nischen (ökologische Isolation, Konkurrenzvermeidungsprinzip)
- Grundlage: dünne Besiedlung und viele unbesetzte ökologische Nischen
- Genpool der Teilpopulation verändert sich durch Mutation, Rekombination, Selektion
- Weitere Isolationsbarrieren verhindern den Genfluss zwischen der Teilpopulation, sodass es langfristig zur Artaufspaltung kommt allopatrische Artbildung nach geographischer Isolation (Separation)
- Neue Arten entstehen in verschiedenen Gebieten nach anfänglicher geographischer Isolation
- Geschieht häufig nach Gendrift durch Gründerindividuen
- Genpool der Teilpopulation verändert sich durch Mutation, Rekombination, Selektion
- Weitere Isolationsbarrieren verhindern den Genfluss zwischen den Teilpopulationen, sodass es langfristig zur Artaufspaltung kommt Geographische Isolation (Separation) erfolgt oft durch:
- Geologische Ereignisse: Inselbildung, Kontinentaldrift, Gebirge, …
- Klimatische Ereignisse: Eiszeit, Vergletscherung, Wüstenbildung, …
- Sonstige: Menschliche Aktivitäten, Verschleppung, …
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a Belege für Evolution … aus der Molekularbiologie Molekularbiologische Verfahren zur Untersuchung von Verwandtschaftsbeziehungen Allgemeines:
- Sind sehr aussagekräftig
- Alle Lebewesen verfügen über die DNA, daher kann sie gut verglichen werden
- Der genetische Code ist universell, dass heißt AAC codiert bei allen Lebewesen für das AS-Leucin
- Verwandtschaftsbeziehungen lassen sich auf drei Ebenen überprüfen:
- Proteinvergleich
- AS-Sequenzvergleich
- DNA-Vergleich
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a
Aufgabenstellung für den ersten Prüfungsteil:
- Erläutern Sie verschiedene Selektionsfaktoren und Selektionsformen und leiten Sie aus Material 1 ab, welche davon bei der Entstehung der flugunfähigen Vögel auf Hawaii zum Tragen kamen.
- Begründen Sie, warum die Hawaiiralle ausgestorben ist, und diskutieren Sie die vorliegende Selektionsart.
- Beschreiben Sie verschiedene Mechanismen, die zur reproduktiven Isolation führen können und leiten Sie aus Material 2 ab, welche dieser Barrieren vermutlich zur Artaufspaltung bei den Fruchtfliegen auf Hawaii geführt hat.
- Entwickeln Sie begründete Hypothesen zu den Abläufen, die zur Entstehung der Artenvielfalt bei Drosophila auf den Inseln des Hawaii-Archipels geführt haben könnten und definieren Sie den entsprechenden Artbildungsprozess. Material 1: Besonderheiten auf Inseln Auf sturmumbrausten Inseln inmitten von Meeren herrschen oft andere biotische und abiotische Ökofaktoren als auf dem Festland. Häufig fehlen die großen bodenlebenden Fressfeinde, da Inseln gewöhnlich nicht genügend ökologische Ressourcen für eine dauerhafte Population bieten. Auch die klimatischen Bedingungen unterscheiden sich vom Festland. Eine Auffälligkeit, die häufig auf Inseln zu beobachten ist, ist die Rückbildung oder der völlige Verlust von Flügeln oder Flugorganen. Dieses Phänomen lässt sich sowohl bei Insekten als auch bei Vögeln beobachten. Ein Beispiel für derartige Besonderheiten bieten die Inseln des Hawaii- Archipels, die 3.682 km südwestlich der US-Westküste im Pazifik liegen. Dort lebte lange Zeit die Hawaiiralle, ein bodenlebender Vogel aus der Ordnung der Kranichvögel. Obwohl diese Vogelart flugunfähig war, bewohnte sie in großer Zahl offenes Grasland und Buschwerk & direkt unterhalb der Regenwälder. Durch Eingriffe des Menschen ändern sich die Bedingungen auf abgelegenen Inseln oft dramatisch. So führte der Mensch jagende Katzen und Hunden auf die Inseln ein und bewirkte in vielen Bereichen ökologische Veränderungen. Auswirkungen der menschlichen Eingriffe lassen sich in vielerlei Hinsicht beobachten. So ist die flugunfähige Hawaiiralle leider heute ausgestorben.
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a Alle Drosophila-Arten sind aufgrund ihrer sehr auffälligen Flügelmuster und Flügelformen gut voneinander zu unterscheiden. Auch die Größe variiert von Art zu Art. Und auch im Balzverhalten zeigen die verschiedenen Arten Unterschiede: Die Männchen präsentieren den Weibchen eine Art Gesangsdarbietung. Diese akustischen Signale, die das Weibchen auf die Paarung einstimmen sollen, erzeugt das Männchen mit seinen Flügeln. Dieses Lied" unterscheidet sich von Art zu Art, ist für das Weibchen offenbar anziehend und entscheidet über den Paarungserfolg des Männchens. Abbildung 2: unterschiedliche Größe und Flügelmuster bei Drosophila-Arten
Name: Jana Buljan Klasse: Go21a Übungsaufgaben aus der Evolution Tipp: Fragen zur Evolution stehen sehr häufig im Zusammenhang mit ökologischen und genetischen Aspekten. Überlegen Sie daher, welche Inhalte der Genetik und Ökologie Sie jeweils anwenden können. 1.1 Stellen Sie in einem kurzen Abriss die Entwicklung des Evolutionsgedankens bzw. der Evolutionstheorien dar. 1.2 Die Stabheuschrecke ist in Insekt, das aussieht wie ein kleiner Ast: Stellen Sie vergleichend dar, wie Darwin und Lamarck die evolutionäre Entstehung dieser sogenannten Mimese erklärt haben. Nutzen Sie die typischen „Schlagwörter" der beiden Wissenschaftler. (Überlegen Sie, wo hier der Bezug zur Ökologie liegt!) 2 Nennen Sie die fünf verschiedenen Evolutionsfaktoren und erläutern Sie ihren jeweiligen Einfluss auf den Genpool und die Variabilität einer Population.
- Begründen Sie, warum Variabilität von so großer Bedeutung für das Überleben einer Art bzw. Population ist (Berücksichtigen Sie, dass sich ständig Umweltveränderungen ergeben!)
- Darwin prägte den Begriff vom ,,survival of the fittest". Begründen Sie, warum die Übersetzung, der Stärkere überlebt" nicht passend ist."!
- Erläutern Sie den Fitnessbegriff mit seinen verschiedenen Dimensionen.
- Selektion ist ein entscheidender Evolutionsfaktor: Beschreiben Sie - zwei Gruppen von Selektionsfaktoren mit entsprechenden Beispielen - drei Selektionsformen und - drei Selektionsarten.
- Die Selektionsfaktoren entsprechen den Ökofaktoren. Begründen Sie.
- Erläutern Sie die evolutive Entstehung des Fraßgiftes Nikotin bei der Tabakpflanze nach der Synthetischen Evolutionstheorie (Tipp: Gehen Sie auf Selektionsfaktoren, Selektionsformen und Selektionsarten ein!).
