Grundsätzlich kann man die Beweise für die Richtigkeit der Evolutionstheorie in drei Gebiete unterteilen. Man unterscheidet :
Diese drei Möglichkeiten werden wir uns etwas genauer anschauen.
Fossilien sind Belege aus dem Bereich der Paläontologie und somit Belege der Evolution aus vergangenen Erdzeitaltern.
Die meisten Fossilien entstehen aus Überresten von Lebewesen, also von Pflanzen oder Tieren – aber auch Eier, Kot oder Fußspuren können zu Fossilien werden.
Diese Belege beziehen sich auf versteinerte Zellen, Mehrzeller und natürlich auch auf komplexere Lebensformen wie Fische, Amphibien, Reptilien und Säugetiere.
Aber welche Informationen lassen sich anhand von Fossilien über den Prozess der Evolution gewinnen?
Man bestimmt das Alter des Steins und kann so das Fossil einem bestimmten Erdzeitalter zuordnen.
So wurde auch bewiesen, dass die Entstehung der Säugetiere viel später als die der Einzeller gewesen sein muss.
Zudem zeigen Fossilien Übergangsstufen zwischen urzeitlichen und gegenwärtigen Arten. Diese Tiere werden auch als Brückentiere oder Mosaikformen bezeichnet. Bekannte Brückentiere sind zum Beispiel viele Arten der Quastenflosser (einige Arten werden außerdem als sogenannte lebende Fossilien bezeichnet) oder der Archäopteryx.
Betrachtet man den Archäopteryx, kann man die Verbindung zwischen dem urzeitlichen Dinosaurier und den gegenwärtigen Vögeln erkennen.
Als Brückentier besitzt der Archäopteryx die sowohl für Dinosaurier typischen Zähne als auch die für Vögel typischen Federn.
Damit lassen sich Rückschlüsse zum Ablauf der Evolution der Vögel ziehen.
Diese Beobachtungen unterstützen die Theorie, dass alle Lebewesen von dem gleichen Vorfahren abstammen und sich im Laufe der Evolution voneinander weg entwickelten.
Viele Arten besitzen einen ähnlichen Körperbau.
Die Körperteile besitzen jedoch oft unterschiedliche Funktionen.
Beispielsweise ist der Knochenaufbau der Vordergliedmaßen von Hasen, Walen, Vögeln und Eidechsen sehr ähnlich.
Allerdings unterscheiden sie sich deutlich in ihrem Aussehen.
Die Ähnlichkeit zwischen Arten kann man auch durch sogenannte homologe Organe erkennen. Diese anatomischen Beweise sind zusätzliche Belege für die Evolution.
Grundsätzlich werden die Unterschiede der Morphologie und Anatomie sowie des Verhaltens für Belege der Evolution herangezogen.
Die größte Ähnlichkeit zwischen den Arten ist in ihren Genen zu finden.
Der genetische Code zeigt die Ähnlichkeit zwischen verschiedenen Arten.
Zum Beispiel stimmt der genetische Code des Menschen zu 99 % mit dem eines Schimpansen überein. Die genetischen Unterschiede deuten auf einen gemeinsamen Stammbaum hin und lassen Rückschlüsse auf die Abstammung des Menschen und damit auch die Evolution des Menschen zu.
Anhand solcher Informationen lassen sich auch Stammbäume erstellen. Diese Belege für die Evolution beruhen auf der Molekularbiologie.
Arten passen sich dauerhaft an.
Diese Veränderungen sichern das Überleben der Arten bei sich verändernden Umweltbedingungen.
Die Anpassung ist auch direkt mit der Selektion verbunden.
Die Theorie dazu nennt sich Selektionstheorie.
Ein sehr bekanntes Beispiel für die beobachtbare Anpassung ist die Färbung der Birkenspanner. Der Birkenspanner ist ein Falter, der sich zu Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert an die veränderten Umweltbedingungen angepasst hat.
Die Farbe der Flügel änderte sich von hell zu dunkel.
Da die dunkel gefärbten Falter an den nun durch die Industrialisierung verrußten Birkenstämmen besser getarnt waren, konnte sich diese Farbvariante durchsetzen.
Wenn Biologen herausfinden wollen, ob zwei Arten miteinander verwandt sind, ist eine wichtige Herangehensweise, die Ähnlichkeiten zwischen den beiden Arten zu untersuchen. Hier schauen sie sich zum Beispiel an, ob die Lebewesen im Körperbau (Anatomie), im Stoffwechsel, im Verhalten oder im Erbgut (DNA ) übereinstimmen. Du unterscheidest dann zwei Formen der
Ähnlichkeit: Homologie und Analogie.
Merkmale, die einen gleichen Grundbauplan aufgrund eines gemeinsamen Vorfahren besitzen, bezeichnest du als Homologien / homologe Organe.
Ein Beispiel sind die Gliedmaßen der verschiedenen Wirbeltiere wie Menschen, Wale oder Vögel.
Besteht eine Ähnlichkeit bestimmter Merkmale ohne gemeinsamen Ursprung, nennst du das Analogien / analoge Organe. Sie unterscheiden sich deshalb im Grundbauplan. Analoge Organe weisen aber aufgrund ähnlicher Umwelteinflüsse eine gleiche Funktion auf.
Ein Beispiel sind die Vorderbeine der Maulwurfsgrille und des Maulwurfs.
Unter Homologie verstehst du Ähnlichkeiten biologischer Strukturen bei verschiedenen Lebewesen aufgrund von gemeinsamer Abstammung. Das bedeutet, dass die Arten von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen und miteinander verwandt sind. Die ähnlichen Merkmale bezeichnest du als homologe Organe.
Sie weisen alle denselben Grundbauplan auf.
Du solltest dir unbedingt merken, dass nur homologe Merkmale ein Kriterium für eine Verwandtschaft sind.
Ein Beispiel für homologe Organe sind die Vordergliedmaßen von Wirbeltieren wie der Arm des Menschen, das Bein von Hund, die Flügel von Vögeln oder die Flosse der Wale. Sie besitzen alle den gleichen anatomischen Grundaufbau, wie du an der Abbildung gut erkennen kannst.
Allerdings können sich die homologen Organe in ihren Funktionen durchaus unterscheiden.
Wir greifen mit unseren Armen, Hunde laufen mit ihren Beinen, Vögel fliegen mit ihren Flügeln und Wale schwimmen mit ihren Flossen.
Die homologen Organe können sich also von einer Grundform / Ausgangsform in verschiedene Richtungen entwickeln.
Das nennst du in der Biologie divergente Entwicklung / Divergenz oder divergente Evolution. Dabei können je nach Lebensweise Abweichungen im Grundbauplan oder der Funktion entstehen.
Die homologen Organe sind also ein Beleg für die Evolution. Die anatomischen Ähnlichkeiten bei rezenten Arten – also Arten die heute leben – sind auf einen gemeinsamen Vorfahren in der Evolution zurückzuführen.
Durch Kenntnis von Homologien und mithilfe anderer Methoden wie der Analyse des Erbguts (DNA Sequenzierung ), können Stammbäume erstellt werden. In ihnen kannst du dann die Stammesgeschichte und die Verwandtschaftsbeziehungen der Arten nachvollziehen.
Homologie Definition
Homologie (griech: homologia für Übereinstimmung / engl. homology) ist eine Ähnlichkeit zweier Strukturen, die auf eine Abstammung von gemeinsamen Vorfahren zurückzuführen ist. Die Strukturen nennt man homologe Organe.
Oft ist Homologie nicht auf den ersten Blick erkennbar, da viele Strukturen im Laufe der Evolution unterschiedliche Funktionen entwickelt haben. Hier gibt es drei Kriterien – die Homologiekriterien – des Biologen Adolf Remane, die bei der Unterscheidung helfen sollen:
Kriterium der Lage
Kriterium der spezifischen Qualität / der speziellen Struktur
Kriterium der Stetigkeit (Kontinuität)
Trifft eines der drei Homologiekriterien zu, dann ist ein Merkmal homolog
Nach dem Kriterium der Lage sind Organe homolog, wenn sie dieselbe Lage in einem vergleichbaren Gefüge-System haben.
Ein Beispiel hierfür sind wieder die Vorderextremitäten der verschiedenen Wirbeltiere.
Die Reihenfolge der einzelnen Knochen ist bei jedem Tier immer gleich: Oberarm, Unterarm, Handwurzel, Mittelhand und Finger.
Du erkennst hier aber schön, dass die Zahl der Knochen nicht immer zwangsweise übereinstimmen muss. Zum Beispiel haben ein Vogelflügel oder der Fuß eines Pferdes weniger Fingerknochen als die fünf Knochen des Grundbauplans.
Die Rückbildungen oder Verschmelzungen einzelner Organe können aufgrund von unterschiedlicher Entwicklung oder Spezialisierung entstehen.
Übrigens: Das Kriterium der Lage gilt natürlich nicht nur für Knochen, sondern auch für Organe. Ein Beispiel sind die Verdauungsorgane der Wirbeltiere, die immer in der gleichen Reihenfolge angeordnet sind: Mund – Speiseröhre – Magen – Darm – After.
Laut dem Kriterium der spezifischen Qualität sind Strukturen / Organe auch unabhängig von ihrer Lage homolog. Hier ist aber die Voraussetzung, dass sie in vielen Einzelmerkmalen übereinstimmen.
Auf dem ersten Blick hat der Zahn des Menschen mit einer Haischuppe absolut nichts gemeinsam, oder? Sie stimmen aber in vielen baulichen Merkmalen und Materialien überein. Beide Strukturen sind zum Beispiel innen hohl. Außerdem ist die erste Schicht unseres Zahns und die der Haischuppe aus demselben Material – nämlich (Zahn)schmelz.
Auch die Schwimmblasen der Knochenfische sind zu den Lungen der Säugetiere homolog, da sie in vielen Einzelmerkmalen übereinstimmen.
Nach dem Kriterium der Stetigkeit (Kontinuität) sind Organe auch dann homolog, wenn sie sich durch Zwischenformen / Übergangsformen miteinander verbinden lassen. Das bedeutet, dass hier auch unähnliche Organe mit unterschiedlicher Lage als homolog definiert werden.
Ein Beispiel ist der Blutkreislauf von Fischen, Amphibien, und Säugetieren:
Wenn du den Blutkreislauf der Säuger mit dem der Fische vergleichst, würdest du wahrscheinlich kaum eine Ähnlichkeit erkennen können.
Säuger besitzen eine Trennung zwischen Körper- und Lungenkreislauf und dementsprechend auch kein „Mischblut“.
Hier wird nämlich sauerstoffarmes und sauerstoffreiches Blut getrennt transportiert.
Bei Fischen hingegen gibt es nur einen Kreislauf. Wenn du dir aber jetzt den Kreislauf der Amphibien anschaust, dann kannst du eine Zwischenform zwischen den Fischen und den Säugern erkennen.
Im Laufe der Evolution fand eine Trennung von Lungen- und Körperkreislauf statt.
Analogien entstehen, wenn sich Lebewesen mit unterschiedlicher Abstammung an den gleichen Lebensraum anpassen. Die Ähnlichkeit der Strukturen bzw. analogen Organen ist also nicht auf eine Verwandtschaft zwischen den Arten zurückzuführen. Daher besitzen Analogien auch im Gegensatz zu Homologien keinen gemeinsamen Grundbauplan. Die Ähnlichkeit in Aufgaben und Funktionen ist nur aufgrund von Anpassung an die gleichen Umweltbedingungen oder Lebensweisen zurückzuführen. Das bezeichnest du in der Biologie auch alsKonvergenz / konvergente Entwicklung oder konvergente Evolution.
Ein Beispiel für analoge Organe sind die Grabbeine des Maulwurfs – ein Säugetier- und die der Maulwurfsgrille – ein Insekt. Sie unterscheiden sich in ihrem anatomischen Grundbauplan und Material völlig. Allerdings leben beide unter der Erde und haben daher Ähnlichkeiten entwickelt. Bei beiden sind die Beine verkürzt und verdickt und besitzen Krallen an ihren Enden.
Analogie Definition
Analogie (griech: analogia für „Übereinstimmung“) ist eine Übereinstimmung zweier Strukturen in ihrer Funktion und häufig auch im Erscheinungsbild (= analoge Organe). Die Ähnlichkeit ist nicht auf einen gemeinsamen Vorfahren, sondern auf konvergente Evolution zurückzuführen.
Weitere Beispiele für analoge Organe sind:
Lungen der Wirbeltiere / Tracheen der Insekten : Beide Organe sind für den Gasaustausch zuständig, sind aber komplett unterschiedlich aufgebaut.
Flügel von Insekten und Vögeln: Beide Strukturen dienen zum Fliegen, sind aber auch völlig unterschiedlich aufgebaut.
Dornen (z.B. Rose) und Stacheln (z.B. Berberitze) bei Pflanzen: Beide Strukturen dienen der Verteidigung, besitzen aber einen unterschiedlichen Bauplan.
Du siehst also, dass nicht alle ähnlichen Merkmale Anzeichen einer Verwandtschaft sind. In
Auch in der Genetik verwendest du den Begriff „Homologie“. Und zwar für jeweils zwei Chromosomen , die in unseren Körperzellen vorkommen.
Diese Chromosomenpaare, von denen eines vom Vater und eines von der Mutter stammt, bezeichnest du als homologe Chromosomen.
Sie gleichen sich (mit Ausnahme der männlichen Geschlechtschromosomen) in Gestalt, Größe und Abfolge der einzelnen Genen.
Unter einer Evolutionstheorie verstehst du eine Herangehensweise, um die Entstehung und den Wandel von Arten zu erklären. Diese Veränderungen von Arten entstehen während der Evolution (lat. für „entwickeln”). Dabei entwickeln sich Populationen von Lebewesen über Generationen hinweg.
Das Ziel der Evolution ist eine bessere Angepasstheit an die Umwelt. Beim Menschen ist so über Millionen von Jahren hinweg zum Beispiel ein aufrechter Gang entstanden.
Im Laufe der Zeit wurden unterschiedliche Evolutionstheorien entwickelt. Besonders bekannt ist dabei die Charles Darwin Theorie. Insgesamt unterscheidest du folgende Evolutionstheorien:
Schöpfungstheorie von Carl von Linné
Katastrophentheorie von Georges Cuvier
Evolutionstheorie von Jean Baptiste de Lamarck
Selektionstheorie von Charles Darwin
Synthetische Evolutionstheorie von Ernst Mayr und Theodosius Dobzhansky
Evolutionstheorie Definition
Die Evolutionstheorie (engl. evolution theory) ist eine wissenschaftliche Herangehensweise zur Erklärung der Veränderung und Entstehung von Arten. Diese Entwicklungen basieren dabei auf der Evolution.
Die erste der fünf Evolutionstheorien ist die Schöpfungstheorie.
Im 18. Jahrhundert war Carl von Linné nur einer von vielen Biologen und Theologen, die diese Ansicht vertreten haben.
Laut der Schöpfungstheorie hat Gott die Erde mitsamt allen Tier- und Pflanzenarten in einem einmaligen „Akt” erschaffen.
Seit dieser Schöpfung hat es keine Veränderung der Arten mehr gegeben.
Sie haben sich also nicht im Rahmen einer Evolution weiterentwickelt. Linné ging daher von einer Konstanz der Arten aus.
Der französische Naturforscher Georges Cuvier vertrat ebenfalls den Ansatz der Konstanz der Arten.
Er integrierte aber zusätzlich Fossilienfunde in seine Evolutionstheorie.
Cuvier erkannte: Je älter die Funde waren, desto weniger ähnelten sie den heute lebenden Arten.
So nahm er an, dass der Artenwechsel auf einzelne Katastrophen zurückzuführen ist. Cuvier formulierte daraufhin die sogenannte Katastrophentheorie.
Dabei ging er davon aus, dass es im Laufe der Erdgeschichte immer wieder zu großen Katastrophen kam.
Das konnten zum Beispiel Eiszeiten oder Überschwemmungen sein.
Sie sorgten für ein Massensterben unter den Lebewesen.
Die dabei überlebenden Organismen vermehrten sich weiter und breiteten sich auf der Erde aus, bis wieder eine nächste Katastrophe eintrat.
Jean Baptiste de Lamarck war der erste Wissenschaftler, der eine Inkonstanz der Arten annahm. Er ging davon aus, dass sich alle Organismen im Laufe ihres Lebens verändern. Sie würden sich dabei aktiv und schrittweise an wechselnde Umweltbedingungen anpassen.
In seiner Evolutionstheorie stellte Lamarck deshalb drei Thesen auf:
Alle Organismen besitzen einen eigenen inneren Antrieb zur „Vervollkommnung”. Jedes Individuum will sich somit perfekt an die Umwelt anpassen.
Durch den Gebrauch oder Nichtgebrauch von Organen prägen sich diese aus oder verkümmern. Das führt zu Veränderungen im Bauplan der Lebewesen, die wir auch beobachten können.
Die so im Laufe des Lebens erworbenen Merkmale und Eigenschaften (Modifikationen) können jeweils an die Nachkommen weiter vererbt werden.
Ein bekanntes Beispiel für Lamarcks Evolutionstheorie ist der Hals von Giraffen. Laut Lamarck besaß die „Urgiraffe“ nämlich einen kurzen Hals, da sie sich von Gras auf dem Boden ernährte. Irgendwann wurde dort aber die Nahrung zu knapp und die Giraffe musste ihren Hals strecken, um an die Blätter auf den Bäumen zu gelangen.
Durch das Strecken und Dehnen des Halses wurde er immer länger. Diese erworbene Eigenschaft wurde an die Nachkommen vererbt. Nach vielen Generationen entstand so die Tierart „Giraffe”.
Der Naturforscher Charles Darwin ging in seiner Evolutionstheorie ebenfalls von einer Inkonstanz der Arten aus.
Im Gegensatz zu Lamarck beschrieb Darwin die Evolution aber als passiven Prozess.
In seiner Evolutionstheorie geht Charles Darwin davon aus, dass sich Lebewesen allmählich an ihre Umweltweltbedingungen anpassen. Zu solchen Umweltbedingungen zählen zum Beispiel die Temperatur oder Konkurrenz. Die „Triebkraft“ der Artwandlung ist dabei die sogenannte Selektion, die „natürliche Auslese“. Du bezeichnest Darwins Evolutionstheorie deshalb auch als Selektionstheorie.
Das bedeutet, dass sich die am besten an die Umwelt angepassten Individuen mit vorteilhaften Merkmalsausprägungen gegen weniger gut angepasste Individuen mit unvorteilhaften Merkmalsausprägungen durchsetzen. Diese Beobachtungen hat Darwin vor allem auf seiner Reise auf den Galapagos Inseln an den „Darwin-Finken“ gemacht und in seinem Buch „The Origin of Species“ festgehalten.
Die wesentlichen Inhalte von Darwins Evolutionstheorie sind:
Überproduktion von Nachkommen Alle Lebewesen produzieren mehr Nachkommen, als zur Erhaltung der Art notwendig wären.
Variabilität Individuen einer Population sind untereinander nicht gleich, sondern unterscheiden sich in ihrem Aussehen. Die Unterschiede können an die Nachkommen weitergeben werden. Zum Beispiel haben Giraffen unterschiedlich lange Hälse.
Selektion Lebewesen, die besser an ihre Umwelt angepasst sind, überleben häufiger als nicht so gut angepasste Lebewesen („Survival of the Fittest“). Sie können sich deshalb auch häufiger fortpflanzen und ihre Erbanlagen an die Nachkommen weitergeben. Langhalsige Giraffen überleben aufgrund der besseren Erreichbarkeit der Nahrung häufiger als Giraffen mit kurzen Hälsen.
Artwandel Im Laufe der Zeit kann eine schrittweise immer bessere Angepasstheit der Lebewesen einer Population zu einem Artwandel führen.
Darwin vs. Lamarck — Evolutionstheorie
Am Beispiel der Giraffe lässt sich der Unterschied zwischen der Evolutionstheorie von Darwin und Lamarck gut erkennen. Laut Darwin gab es Giraffen mit langen und mit kurzen Hälsen, wobei nur die besser angepassten langhälsigen Individuen überlebt haben.
Nach Lamarck wurden die Giraffenhälse länger, weil sie stark gestreckt wurden.
Die synthetische Evolutionstheorie ist die modernste der Evolutionstheorien. Als ihre Begründer gelten vor allem Ernst Mayr und Theodosius Dobzhansky. Dabei vereinigt sie Darwins Evolutionstheorie mit Erkenntnissen aus zahlreichen Fachrichtungen wie der Genetik , Biochemie oder Ökologie.
Zentraler Bestandteil der modernen Evolutionstheorie sind die fünf Evolutionsfaktoren:
Mutation
Rekombination
Selektion
Gendrift
Isolation
Diese Mechanismen sorgen für Evolution, indem sie die genetische Struktur von Populationen verändern.
Was ist die synthetische Evolutionstheorie? Die synthetische Evolutionstheorie basiert auf der Evolutionstheorie Darwins und wurde durch moderne Erkenntnisse der Genetik, Ökologie und Systematik weiterentwickelt. Sie beschreibt die neue Artenentstehung und den Artenwandel innerhalb einer Population (= fortpflanzungsfähige Gruppe von gleichartigen Individuen im gleichen Lebensraum).
Was besagt die synthetische Evolutionstheorie? Laut der synthetischen Evolutionstheorie wird die Evolution durch sechs Evolutionsfaktoren bestimmt. Dazu gehören: – Mutation – Rekombination – Selektion – Gendrift – Migration – und Isolation.
Es gibt einige Belege, die eine Evolution von Lebewesen und somit Evolutionstheorien beweisen. Dazu gehören unter anderem:
Fossilienfunde
Brückentiere ( Schnabeltier, hat Eigenschaften von Vögeln, Säugetiere und Reptillien )
Rudimente: Im Verlauf der Evolution zurückgebildete Organe
Atavismen : Wieder auftretende Merkmale, die im Verlauf der Evolution reduziert oder verschwunden waren
Homologien und Analogien
Im Laufe der Stammesgeschichte haben sich die Organismen verändert. Wir Menschen zum Beispiel haben einen aufrechten Gang entwickelt. Um die Entwicklungsvorgänge zu ermöglichen, greifen verschiedene Mechanismen – die sogenannten Evolutionsfaktoren. Durch ihr Zusammenspiel erfolgen laut der synthetischen Evolutionstheorie alle evolutionären Veränderungen.
Wichtige Evolutionsfaktoren sind:
Du verstehst unter Evolutionsfaktoren also Prozesse, welche die genetische Struktur einer Population verändern können – genauer gesagt ihren Genpool. Er beschreibt die Gesamtheit aller genetischen Variationen (Allele) einer Population.
Das Zusammenspiel der Evolutionsfaktoren/ Evolutionsmechanismen sorgt also für evolutionäre Veränderungen innerhalb von Populationen. Aber was sind Populationen eigentlich genau?
Eine Population ist eine Gruppe von Individuen einer Art, die den gleichen Lebensraum haben und sich miteinander fortpflanzen können. Sie alle besitzen einen unterschiedlichen Genotyp (genetische Zusammensetzung). Alle Gene bzw. Genvarianten (Allele ) einer Population bilden den Genpool. Er enthält also den Gesamtgenbestand einer Population.
Ein Gen kann in verschiedenen Zustandsformen (Allelen) vorkommen. So sorgt ein Allel für die Ausbildung einer roten Federfarbe, eins für eine gelbe Federfarbe und ein anderes für eine grüne Federfarbe. Die ausgeprägten Merkmale – also hier die Federfarbe – nennst du dann Phänotyp .
Die fünf Evolutionsfaktoren verändern nun den Genpool einer Population. Das machen sie, indem sie die Häufigkeit der einzelnen Allele – Allelfrequenz oder Allelhäufigkeit – ändern.
Schauen wir uns einmal an, wie die fünf Evolutionsfaktoren miteinander in Wechselwirkung treten:
Der Ausgangspunkt ist die Mutation: Sie liefert verändertes genetisches Material (Gene ).
Über die Rekombination werden die Gene dann auf unterschiedliche Weise kombiniert. Dadurch entstehen neue Genotypen und Phänotypen. Mutation und Rekombination erzeugen also genetische Variabilität (Vielfalt).
Die Selektion gibt jetzt der Evolution die Richtung vor und orientiert sich bei der „Auslese“ an den Phänotypen. Hier findet quasi eine gerichtete Selektion („Sortierung“) anhand der Angepasstheit an die Umwelt statt. Die Phänotypen, die sich am besten an die Umwelt anpassen, setzen sich gegen nicht so angepasste Phänotypen durch.
Zwei weitere Evolutionsfaktoren spielen bei der Auslese eine Rolle: Gendrift und Isolation.
Gendrift sorgt für eine zufällige Veränderung der Allelhäufigkeit im Genpool. Dafür können zum Beispiel Naturkatastrophen verantwortlich sein.
Isolation bedeutet eine Trennung einer Population in Teilpopulationen. Dadurch können neue Arten entstehen (Artbildung).
Unter Mutationen verstehst du eine Änderung der genetischen Information einer Zelle.
Wichtig: Mutationen erfolgen zufällig und ungerichtet. Du kannst also nicht vorhersagen, ob und wann bestimmte Gene mutieren werden.
Mutationen können entweder spontan auftreten oder durch äußere Faktoren – sogenannte Mutagene – ausgelöst werden.
Ein Mutagen kann zum Beispiel die UV-Strahlung der Sonne sein.
Für die Evolution spielen vor allem Gen – oder Punktmutationen eine Rolle. Darunter verstehst du eine Veränderung in nur einem Gen. Findet die Mutation in den Zellen statt, aus denen Keimzellen (Eizelle, Spermium) hervorgehen, können die Mutationen an die Nachkommen weitergeben werden. Nur dann spielen die Mutationen auch als Evolutionsfaktor eine Rolle.
Bringt eine Mutation einem Individuum Vorteile, ist es den anderen Individuen gegenüber, die diese Mutation nicht besitzen, sozusagen überlegen.
Ein Beispiel für eine vorteilhafte Mutation ist die verbesserte Wasseraufnahme eines Kaktus in der Wüste. Er besitzt dadurch eine höhere Überlebenschance.
Durch die Mutationen kommt es dazu, dass in einer Population mehrere Allele für ein Merkmal vorkommen. Zum Beispiel gibt es bei uns Menschen ein Allel für eine braune, blaue oder grüne Augenfarbe. Mutationen können also für genetische Variabilität sorgen.
Bei Lebewesen, die sich geschlechtlich fortpflanzen, kommt es dabei zu einer neuen Kombination der vorhandenen Erbanlagen.
Das bezeichnest du als Rekombination. Auch dieser Evolutionsfaktor ist ein zufälliger und ungerichteter Prozess. Die Rekombination führt zu neuen Allelkombinationen. Diese können dann zu neuen Phänotypen führen.
Die Rekombination kann also auch dazu führen, dass du und deine Geschwister völlig unterschiedlich ausseht, obwohl ihr dieselben Eltern habt.
Hier solltest du aber unbedingt beachten, dassim Gegensatz zum Evolutionsfaktor Mutation keine neuen genetischen Variationen entstehen. Die Rekombination sorgt für eine Andersverteilung des vorhandenen genetischen Materials. Der Genpool an sich bleibt also unverändert.
Folgende Vorgänge sorgen für eine Rekombination und dadurch für genetische Variabilität:
Die zufällige Verteilung der homologen Chromosomen vom Vater und der Mutter bei der Meiose (=interchromosomale Rekombination). Bei uns Menschen sind das 2 23 Kombinationsmöglichkeiten.
Der Austausch bestimmter Gene vom Vater und der Mutter durch Crossing over während der Meiose (=intrachromosomale Rekombination).
Das zufällige Aufeinandertreffen der Keimzellen bei der Befruchtung.
Die Evolutionsfaktoren Mutation und Rekombination sorgen also für die genetische Variabilität in einer Population. Sie sind die Voraussetzung für den Evolutionsfaktor Selektion. Darunter verstehst du die „natürliche Auslese“ durch die Umwelt.
Doch nach welchem Prinzip erfolgt jetzt die Auslese? Die am besten angepassten Individuen mit vorteilhaften Merkmalsausprägungen setzen sich gegen weniger gut angepasste Individuen mit unvorteilhaften Merkmalsausprägungen durch. Das bezeichnest du auch als „survival of the fittest„. Die Fitness oder biologische Fitness wird hier durch eine hohe Überlebens- und Fortpflanzungsrate der Individuen mit den betrachteten Merkmalen bestimmt.
Konkret bedeutet das: Gut angepasste Individuen mit vorteilhaften Merkmalsausprägungen überleben und pflanzen sich fort. Selektion wirkt also primär nicht auf die Gene, sondern auf das Aussehen (Phänotyp). Bei der Fortpflanzung geben sie ihre Gene an ihre Nachkommen weiter. Sie liefern damit einen Beitrag zum Genpool der nächsten Generation.
Die Auslese findet über sogenannte Selektionsfaktoren statt. Du unterscheidest zwischen:
abiotischen (unbelebten) Faktoren wie Temperatur, Licht oder Wind und
biotischen (belebten) Faktoren wie Nahrung oder Konkurrenz .
Wirkt jetzt ein Selektionsfaktor auf eine Population bezeichnest du das als Selektionsdruck. Selektion ist also ein gerichteter Evolutionsfaktor. Er gibt die Richtung der Evolution vor.
Beispiel : Birkenspanner
Schauen wir uns die Selektion am Beispiel des Birkenspanners an. Von dem Schmetterling gibt es zwei Formen – eine heller gefärbte und eine dunkler gefärbte. Birkenspanner leben vor allem auf Birkenstämmen, die normalerweise eine helle Färbung aufweisen. Hier sind die hellen Birkenspanner gut getarnt vor Fressfeinden. Deshalb gibt es in Gebieten mit hellen Birken auch vorwiegend helle Birkenspanner.
In Regionen mit viel Industrialisierung sind die Birkenstämme oft durch die Ruß- oder Staubablagerungen dunkel gefärbt. In den Gebieten findest du vermehrt Birkenspanner der dunkler gefärbten Sorte.
Hier gilt also: Die Birkenspanner, die sich jeweils am besten angepasst haben und somit vor ihren Fressfeinden getarnt sind, überleben und vererben ihre Eigenschaften an die Nachkommen.
Je nachdem, wie der Selektionsdruck auf die Populationen wirkt, unterscheidest du drei Selektionstypen:
Stabilisierende Selektion
Transformierende Selektion
Disruptive Selektion
Wie entstehen neue Arten?
Wichtig ist, dass sich neue Arten immer nur aus bestehenden Arten bilden können.
Die wesentliche Voraussetzung für Artbildung ist die „Auftrennung“ einer Ursprungsart in zwei oder mehr Teilpopulationen. Zum Beispiel könnte ein Fluss eine Fuchspopulation trennen.
Die Teilpopulationen entwickeln sich unabhängig voneinander, bis sie sich nicht mehr miteinander fortpflanzen können (reproduktive Isolation). Ab dem Zeitpunkt haben sich neue Arten gebildet. Die Artentstehung kann vor allem über drei Wege ablaufen:
die allopatrische Artbildung,
die sympatrische Artbildung,
und die parapatrische Artbildung
Artbildung Definition
Die Artbildung (Speziation) ist ein Vorgang, bei dem sich eine Art in zwei oder mehr Tochterarten aufspaltet. Zwischen ihnen findet kein Genfluss mehr statt.
Die Voraussetzung, damit sich neue Arten bilden können, ist also die Auftrennung einer Ursprungspopulation in zwei oder mehr Teilpopulationen. Schauen wir uns zunächst aber einmal an, was Arten in der Biologie überhaupt sind.
Art Definition
Eine Art in der Biologie ist eine Gruppe von Populationen, die eine Fortpflanzungsgemeinschaft bildet. Sie können sich also untereinander fortpflanzen und fruchtbare Nachkommen gebären: Das funktioniert jedoch nicht jedoch mit Mitgliedern anderer Arten.
Betrachten wir nun allgemein, wie Artbildung funktioniert:
Schritt 1: Artgleiche Lebewesen können ihre Gene bei der Fortpflanzung untereinander austauschen. Das bezeichnest du auch als Genfluss. Das ist möglich, da Populationen einer Art ähnliche Genpools besitzen. Du kannst dir vorstellen, dass im Genpool sozusagen alle Gene einer Population „umher schwimmen“.
Beispiel: Eine Vogelpopulation lebt auf einer Insel. Die Vögel haben eine blaue Federfarbe. Die Erbanlagen für die blaue Federfarbe schwimmen also im Genpool.
Schritt 2: Durch die Auftrennung einer Population (Stammpopulation) in Teilpopulationen kann also der Genaustausch eingeschränkt oder ganz unterbrochen werden. Die Trennung (Isolation) voneinander kann zum Beispiel räumlich erfolgen.
Ein Sturm weht nun einen Teil der Vogelpopulation auf eine andere Insel.
Schritt 3: In beiden Populationen treten spontane Änderungen im genetischen Material (Mutationen ) auf. Durch die Trennung können die Mutationen nicht mehr untereinander ausgetauscht werden.
In einer Teilpopulation entsteht zum Beispiel eine Genvariante für braune Federn, in der anderen eine für grüne Federn.
Schritt 4: Die beiden Genpools der Populationen können sich nun durch unterschiedliche Umweltbedingungen (Selektionsfaktoren ) wie Nahrung oder Temperatur weiterentwickeln. Am besten angepasste Lebewesen können ihre Gene am erfolgreichsten an ihre Nachkommen weitergeben.
Die Vögel mit der grünen Federfarbe leben auf einer Insel mit viel Regen, die deshalb sehr grün ist. Sie können sich daher zum Beispiel besser im Gras tarnen und sind dadurch vor Fressfeinden gut geschützt. Die Vögel mit der braunen Federfarbe leben auf einer trockenen, sehr kahlen Insel. Sie können sich dadurch auch besser in ihrem Lebensraum tarnen. Die Vögel mit den braunen und grünen Federn haben jeweils einen Vorteil gegenüber den Vögeln mit den blauen Federn.
Schritt 5: Haben sich die getrennten Populationen soweit voneinander weg entwickelt, dass sie sich nicht mehr miteinander kreuzen können, sind neue Arten entstanden (genetische / reproduktive Isolation).
Eine neu entstandene Vogelart hat also braune Federn, die andere grüne Federn. Die Vögel aus den zwei neuen Arten können keine Nachkommen miteinander zeugen.
Eine Form der Artbildung ist die allopatrische Artbildung (Allopatrie). Hier wird eine Population durch eine räumliche Trennung aufgespalten. Das nennst du auch Separation oder geographische Isolation. Es handelt sich hierbei wahrscheinlich um die häufigste Form der Artentstehung.
Die geographischen Barrieren können sich zum Beispiel bilden durch:
Kontinentaldrift: Gräben und Gebirge entstehen
Klimawandel: Anstieg des Meeresspiegels, Austrocknen von Seen
Zufällige Naturereignisse: Stürme, Überschwemmungen
Dadurch kommt es zur Aufspaltung einer Population in Teilpopulationen. Beide Teilpopulationen entwickeln sich nun zum Beispiel durch Mutationen und Selektion (natürliche Auslese durch die Umwelt) unterschiedlich voneinander. Irgendwann ist schließlich keine Fortpflanzung mehr zwischen den Teilpopulationen möglich (reproduktive Isolation). Auch wenn die geographische Barriere wieder wegfällt, können sich die neu entstandenen Arten nicht wieder kreuzen.
Beispiel Darwinfinken: Durch einen Sturm wurden einige Vögel einer Finkenart auf die Galapagosinseln verweht. Die Finken auf den unterschiedlichen Inseln entwickelten sich alle unterschiedlich voneinander, da sie sich zum Beispiel von unterschiedlichen Nahrungsquellen ernähren.
Im Gegensatz zur allopatrischen Artbildung findet bei der sympatrischen Artbildung keine Trennung durch eine geographische Barriere statt. Das bedeutet, dass die Ursprungsart in einem Gebiet lebt und die neuen Arten im gleichen Gebiet entstehen.
Die sympatrische Artbildung ist relativ selten in der Natur beobachtbar und kommt vor allem bei Pflanzen vor.
Aber wie können Arten reproduktiv voneinander isoliert sein, obwohl sie jederzeit die Möglichkeit hätten sich zu begegnen und miteinander zu kreuzen?
Am häufigsten erfolgt die sympatrische Artbildung durch eine Polyploidie. Darunter verstehst du die Vervielfältigung des kompletten Chromosomensatzes durch eine Genomutation .
Das führt dazu, dass keine Fortpflanzung zwischen der genetisch veränderten Art mit der ursprünglichen Art mehr möglich ist oder entstehende Nachkommen unfruchtbar sind.
Neben der Polyploidie (genetische Isolation) können auch verschiedene Lebens- und Verhaltensweisen zur Bildung neuer Arten beitragen. Einzelne Lebewesen passen sich zum Beispiel unterschiedlich an sich ändernde Lebensbedingungen wie Kälte oder mehr Niederschlag an als andere
Die Parapatrische Artbildung findet statt, wenn Teilpopulationen geographisch aneinandergrenzende Gebiete – sogenannte Verbreitungsgebiete – besiedeln. Sie sind also räumlich nicht vollständig getrennt, leben aber auch nicht im gleichen Gebiet. Die Parapatrische Artbildung wird deshalb häufig als „Mittelweg“ zwischen den allopatrischen und sympatrischen Artbildungsprozessen bezeichnet.
Bei der parapatrischen Artbildung gehst du von einer Ursprungspopulation aus, die in einem relativ großen Gebiet vorkommt. Zum Beispiel eine Population aus Echsen. Auf einer Seite des Gebiets sind viele dunkle Felsen, auf der anderen Seite viele helle Felsen.
Es herrschen also unterschiedliche Umweltbedingungen. Dadurch kommt es zu einer sogenannten disruptiven („aufspaltenden“) Selektion. Hier haben also extreme Varianten Selektionsvorteile, während die Durchschnittsform benachteiligt ist. Dunkle Echsen sind also in einem Bereich besser an die dunklen Felsen angepasst, während helle Echsen besser an die hellen Felsen angepasst sind. Das führt dazu, dass in einem Gebiet vorwiegend dunkle Echsen und im anderen vorwiegend helle Echsen vorkommen.
Zunächst existiert noch eine Hybridzone. Das ist ein Überlappungsgebiet, in dem sich beide Teilpopulationen paaren können. Im Laufe der Zeit können sich daraus verschiedene Echsenarten entwickeln.
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