Beschreiben Sie Isolationsmechanismen, die zur Aufrechterhaltung einer „biologischen Art" beitragen. Welche Isolationsmechanismen gibt es? Geben Sie jeweils ein Beispiel. (3P)
prägame Isolation —> Verhaltensisolation
postgame & präzygotische Isolation —> Inkompatibilität Spermium & Ei
postzygotische Isolation —> Hybrideninkompatibilität
Weshalb ist sexuelle Fortpflanzung a priori nicht zu erwarten? Begründen Sie anhand der Red-Queen-Hypothese weshalb sexuelle Fortpflanzung dennoch vorteilhaft sein könnte. (3P)
sexuelle Fortpflanzung mit hohen Kosten verbunden (Partnersuche, Austragen & Pflege des Nachwuchs)
asexuelle Fortpflanzung schneller & mehr Nachkommen (z.B. bei Bakterien & Parasiten)
—> jedes Individuum kann sich fortpflanzen —> mehr Nachkommen
—> kürzere Lebensspanne und schnellere Anpassung an Wirt
aber: sexuelle Fortpflanzung hat entscheidenden Vorteil
—> Rekombination der Gene ==> entsch. Vorteil im Wettrüsten
—> erschwert Parasien das Angreifen, da ständig neue Umstände ==> Wettrüsten
laut Red-Queen-Hypothese stehen 2 konkurrierende Arten im ständigen Wettbewerb
Was könnten die Vorteile davon sien, dass Blattschneidearmeisen mit Hilfe eines Bakteriums den von ihnen gezüchteten asexuellen Pilz (von dem sie sich ernähren und den sie mit dem von ihnen gesammelten Blattmaterial züchten) vor einem sexuellen Parasiten schützen? Diskutieren Sie dies mit Hilfe der Red Queen Hypothese. (3P)
sexuelle Organismen können sich schneller anpassen
—> asexuelle möglicherweise anfälliger für Aussterben —> müssen kontinuierlich & schnell Abwehrmechanismen (usw.) gegen Parasiten (usw.) entwickeln
==> Wirt-Parasit-Hypothese (Red-Queen-Hypothese)
[von ChatGPT]
sexuelle Parasiten können durch genetische Variabilität schneller auf asexuellen Pilz abgestimmt werden
—> durch Schutz des Bakteriums wird Evolution des Parasiten jedoch eingeschränkt, da Interaktion mit Pilz blockiert wird
Bakterium fungiert als dynamische Komponente im "Wettrüsten" gegen Parasiten im Sinne der Red Queen Hypothese mitzuhalten
—> Pilz muss weniger Ressourcen & Energie in Abwehrmechanismen investieren
—> Ko-evolutionäres Gleichgewicht
—> verbessert Überleben der Ameisenkolonie
—> verbessert langfristige Stabilität des mutualistischen Systems
Nehmen Sie aufgrund der Basis der Erkenntnisse der modernen Evolutionsbiologie Stellung zu folgenden Aussagen. Bewerten Sie die Aussagen (stimmt sie oder nicht) und begründen Sie ihre Antwort. Es werden nur begründete Antworten gewertet! (3P)
a) Komplexe Merkmale wie das Linsenauge können nicht durch zufällige Änderungen entstehen.
b) Evolution kann nicht beobachtet werden.
c) Evolution führt immer zur bestmöglichen Anpassung eines Merkmals.
a) —> stimmt nicht —> Evolution findet in kleinen Schritten statt. Auch kleine zufällige Veränderungen können zu komplexen Merkmalen führen.
b) —> stimmt nicht —> Experiment von Lenski mit E. coli lässt Veränderungen wie bspw. Antibiotikaresistenz schon nach einigen Generationen nachweisen.
c) —> stimmt nicht —> Evolution sorgt nur für bestmögliche Anpassung eines Individuums zu einem bestimmten Zeitpunkt, bspw. durch Umwelteinflüsse
Wie lautet Hamilton's Regel? Geben Sie die Formel an und erklären sie sie. Erklären Sie den Zusammenhang zwischen Verwandtenselektion und dem Auftreten steriler Arbeiterinnen bei sozialen Insekten. (3P)
rb - c > 0
r = Verwandtenkoeffizient
b = Nutzen
c = Kosten
Arbeiterinnen bei Bienen sind steril. Sie bekommen keine eigenen Nachkommen & ziehen dafür den Nachwuchs der Königin auf.
Durch Haplodiploidität sind die Arbeiterinnen unterinander & mit Königin zu 75% verwandt; zu ihren eigenen Kindern wären sie nur zu 50% verwandt
ihr Verhalten führt zu Verminderung der direkten Fitness (eigene Reproduktion)
wird durch Erhöhung der Gesamtfitness (direkte + indirekte) kompensiert
In einer Population von 100 Individuen untersuchen Sie ein Gen, von dem zwei Allele A1 und A2 vorliegen. A1 erzeugt eine blaue Körperfarbe und verhält sich gegenüber A2 dominant. Die Frequenz von A1 liegt bei p = 0,3. Sie finden 53 weiße Individuen. Ist diese Population in Hardy-Weinberg-Gleichgewicht? (Erwartete und gefundene Genotypen und erwarteten und gefundenen Heterozygotiegrad berechnen, Rechenweg und Uberlegungen darstellen!) (4P)
Definieren Sie die Begriffe “Adaptation” und “Fitness” im evolutionsbiologischen Sinne. (2P)
Adaption = Merkmal trägt (relativ) zu Fitness(-erhöhung) bei
Fitness = Fähigkeit eines Organismus, in seiner Umwelt zu überleben & sich erfolgreich fortzupflanzen
Durch eine Mutation entsteht ein neues Allel, welches die Fitness eines Organismus negativ beeinflusst. (3P)
Was passiert mit der Frequenz des Alles über die Zeit wenn es
a) dominant ist.
b) rezessiv ist.
Begründen Sie ihre Antwort!
a) Allel verschwindet durch starken Selektionsdruck
Anfangs stark ausgeprägt —> neg. Einfluss auf Fitness —> Individuen pflanzen sich nicht fort ==> nicht weiter vererbt
b) Allel bleibt, da es nur schwachem Selektionsdruck unterliegt —> kaum vererbt —> kaum Einfluss auf Fitness
(2/3P)
Begründung: Sexuelle FP zwar mit Kosten verbunden, die Rekombination macht das aber wieder gut
Die Tabelle gibt Genotypfrequenzen für 5 Populationen an:
Geben Sie für jede Population die Allelfrequenzen an.
Welche dieser Populationen sind im Hardy-Weinberg-Gleichgewicht? Geben Sie für die Populationen, die nicht in Hardy-Weinberg-Gleichgewicht sind, eine Erklärung an, was zu dieser Abweichung geführt haben könnte. (5P)
[AA = p^2 ; Aa = 2pq ; aa = q^2]
Warum kann die Abspaltung weniger Individuen von einer Hauptpopulation (z.B. Besiedelung einer Insel von einer Festlandpopulation) relativ rasch zur Artbildung führen, ohne dass dabei natürliche Selektion eine große Rolle spielt? Nennen Sie 2 wichtige Faktoren und erklären Sie wie diese jeweils wirken. (3P)
Gendrift: Allelhäufigkeit unterschiedlich zu Gründerpopulation
—> seltenere Allele können kombiniert werden
—> kommt zu Verarmung der Genvielfalt
neutrale Evolution: Variabilität von Merkmal, was sonst keinen Einfluss auf Fitness hat, kann hier vorteilhaft sein (kann an neuem Ort vllt. Fitness erhöhen)
Auffällige Merkmale wie lange Schwanzfedern des Pfaus stehen scheinbar im Widerspruch zur natürlichen Selektion. Wie kann man die Evolution solcher dennoch Merkmale erklären?
Nennen und erklären Sie 3 Mechanismen, wie solche Merkmale evolvieren können. (6P)
Fisher’s runaway selection
—> Weibchen präferieren attraktive Männer (Präferenz genetisch bedingt)
—> Söhne sind auch attraktiv ==> mehr Nachkommen / höhere Fitness
Sensory bias
—> Männchen nutzen sensorische Präferenz der Weibchen aus
(4/6P)
Chase-away selection
—> Männchen nutzen sensory bias aus
—> Weibchen verpaaren sich suboptimal ==> Reduktion der weibl. Sensibilität für Merkmale
—> Anpassung des männl. Merkmals
Eine Mutation führt bei einer annuellen Pflanzenart dazu, dass mehr in chemische Abwehr investiert wird. Diese Mutation führt aber auch dazu, dass weniger in Blüten und Samen investiert wird (Allokations-trade-off). Was müsste man in einer Feldstudie messen, um vorhersagen zu können ob sich die Mutation ausbreiten wird oder nicht? (2P)
Pflanzen im Feld beobachten
Pflanzen mit (höherer Fitness oder) mehr reproduktive Nachkommen breiten sich aus
wenn Mutation die Fitness fördert => breitet sich aus
Warum sollte man erwarten, dass Kooperation nicht evolviert, bzw. nicht stabil in einer Population vorkommt? Nennen und erklären Sie 3 Mechanismen, die trotzdem die Evolution von
Kooperation ermöglichen. (4P)
——————————
Erklären Sie warum man erwarten sollte, dass Kooperation nicht evolviert, bzw. nicht stabil in einer Population vorkommt. Nennen und erklären Sie 3 Mechanismen, die trotzdem die Evolution von Kooperation ermöglichen. (4P)
“Betrüger” breiten sich in Population immer besser aus als kooperierende Individuen —> höhere Fitness
Mechanismen:
direkte Reziprozität —> 2 Individuen bewachen gleiches Territorium ==> mehr Nahrung
indirekte Reziprozität —> bspw. Putzerfische: werden durch Bestrafung zu kooperativem Verhalten gezwungen
Verwandtenselektion —> Hilfe für Verwandte bei bspw. Brutpflege
Beschreiben Sie wie nach dem Biologischen, dem Phylogenetischen und dem Morphologischen (bzw. Typologischen) Artkonzept jeweils eine Art definiert ist.
Geben Sie für jedes der drei Artkonzepte an, wo es Probleme gibt bzw. unter welchen Bedingungen Taxa nur schwer einer Art zugeordnet werden können. (9P)
Wie sind Arten nach dem folgenden Artkonzepten definiert?
a) biologisches Artkonzept
b) phylogenetisches Artkonzept
Biologisches Artkonzept:
Eine Art ist eine Gruppe von Individuen, die sich tatsächlich oder potenziell unter natürlichen Bedingungen kreuzen & fruchtbare Nachkommen erzeugen können. Arten sind also durch reproduktive Isolation voneinander getrennt.
Phylogenetisches Artkonzept:
Eine Art ist die kleinste monophyletische Gruppe von Individuen, die einen gemeinsamen Vorfahren teilen und sich durch bestimmte genetische, morphologische oder molekulare Merkmale unterscheiden lassen.
Morphologisches Artkonzept:
Eine Art ist definiert auf Basis von gemeinsamen physischen Merkmalen & der Ähnlichkeit im Erscheinungsbild der Individuen.
Definieren sie eine Art nach dem “biologischen Artkonzept” nach Ernst Mayr. Welche Limitierung hat das Artkonzept?
Arten sind Gruppen sich miteinander kreuzender natürlicher Populationen, die hinsichtlich ihrer Fortpflanzung von anderen derartigen Gruppen getrennt sind
Limitierung:
Arten die sich ungeschlechtlich fortpflanzen werden nicht erfaßt (Pflanzen, Pilze, Bakterien, einige Echsenarten, einige Fischarten…) —> „Agamospecies“
Hybride treten bei Pflanzen sehr häufig auf, aber auch bei Tieren sind Hybridzonen nicht selten
Geben Sie jeweils ein Beispiel für Merkmale, die durch inter- bzw. intrasexuelle Selektion evolviert sind. Begründen Sie weshalb gerade das von Ihnen genannte Merkmal evolvieren sollte.
intrasexuell: Evolvierung von Waffen wie z.B. Geweih bei Hirschen
intersexuell: Grille mit nahrhafter Spermatophore als Brautgeschenk
[Begründungen fehlen!]
Erklären Sie wie durch intersexuelle Selektion Merkmale evolvieren, und zwar durch folgende Mechanismen:
a) Fisher’s runaway selection (2P)
b) sexuellen Konflikt (Chase-away selection) (2P)
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c) Sensory bias (2P)
a) Antagonostisches Interesse von den beiden Geschlechtern. ♂♂nutzen sensory bias aus
→ ♀♀verpaaren sich suboptimal → Reduktion der ♀Sensibilität für Merkmal →Anpassung des ♂Merkmals
→ Koevolution sensibilität und Merkmalsausbildung
b) die Attraktivität der Männchen ist entscheiden für die Partnerwahl bei den Weibchen. Da so auch attraktivere Nachkommen entstehen, die dann von anderen Weibchen bevorzugt gewählt werden und es so zu einer erhöhten Fitness kommen kann. Bevorzugt werden also optische Merkmale, wie lange Schwanzfedern, die selber gar keinen unbedingten Vorteil haben müssen (Merkmal kann auch nachteilig sein)
c) sensorische Präferenz ♀ von M ausgenutzt —> ♀ hat keinen Vorteil
—> bsp. Zebrafische mit künstlicher Feder (♀♀wählen bestimmte Merkmale auf Grund einer vorhandenen Präferenz z.B. gut ausgeprägte Sinneswahrnehmung)
b) Antagonostisches Interesse von den beiden Geschlechtern. ♂♂nutzen sensory bias aus
Definieren Sie zunächst den Begriff “Altruismus” in der Biologie. Geben Sie die Hamilton-Regel an und erklären Sie wie altruistische Handlungen mit Hilfe dieser Regel erklärt werden können. Erklären sie dies anhand der reproduktiven Arbeitsteilung sozialer Insekten.
Altruistische Handlung: Eine Handlung, durch die der Altruist den Lebensfortpflanzungserfolg eines anderen Tieres auf Kosten des eigenen Überlebens und der eigenen Reproduktion erhöht.
Hamilton-Regel:
Was ist eine alternative Paarungsstrategie (zu was??)? Geben Sie ein Beispiel und erklären Sie die unterschiedlichen Strategien. Welche Bedingung muss gegeben sein, damit alternative Paarungsstrategien evolvieren können? (4P)
Ist die Art und Weise, wie der Kampf um Partner bei der intrasexuellen Selektion erfolgen kann. Sie ist genetisch bedingt. Z.B. Seitenfleckleguan: einige Männchen tarnen sich als Weibchen, wodurch sie Terretorium der Männchen unbemerkt betreten können.
Wichtig beide “Morphe” müssen diesselbe Fitness besitzen, um evolvieren zu können.
a) Definieren Sie den Begriff “Adaption” im evolutionsbiologischen Sinn.
b) Bewerten und begründen Sie entsprechend dieder Definition, ob eine Mutation, die Resistenz gegen ein Insektizid vermittelt eine Adaption ist:
wenn es sich um das erste Allel in einer Population handelt, da es nur in einem Individuum durch Mutation aufgetreten ist.
wenn alle Individuen einer population diese Allel tragen
a) Adaption = Merkmal trägt (relativ) zu Fitness(-erhöhung) bei
b) wenn es sich um das erste Allel in einer Population handelt, da es nur in einem Individuum durch Mutation aufgetreten ist
-> dadurch gesteigerte Fitness dieses Individuums im Verhältnis zu den anderen
-> dadurch hätten alle eine verbesserte Anpassung jedoch keine gesteigerte Fitness im Verhältnis zueinander
In einer Schmetterlingspopulation ist braune Körperfarbe (Allel B) dominant gegenüber weißer Körperfarbe (Allel b). Sie finden 40 % weiße Schmetterlinge. Berechnen Sie nachvollziehbar:
a) den prozentualen Anteil heterozygoter Individuen
b) die Allelfrequenz für “B” und “b”
Welche Vorraussetzungen müssen gegeben sein, damit natürliche Selektion wirken kann?
Variabilität von Merkmalen
Erblichkeit der Merkmale
Reproduktion
Unterschiedlicher Fortpflanzungserfolg von Phänotypen der auf alternativen Allelen basiert
Seneszenz könnte bedingt sein durch Mutation, die sich spät im Leben eines Organismus schädlich auswirken. Erklären Sie weshalb sich solche schädlichen Mutationen trotzdem in einer Population ausbreiten können.
Weil Mutationen, die sich erst spät im Leben auswirken, nur schwacher Selektion unterliegen. Da die Mutation erst später Auswirkungen zeigen wird, kann man sich vorher dennoch vermehren und so bleibt die Mutaion in der Population.
Dagegen unterliegen Mutation, die zum Tod vor reproduktiven Alter führen einer starken Evolution.
a) Erklären Sie was man unter “neutraler Evolution” versteht und wie diese abläuft.
b) Schildern sie ein Experiment, in dem man neutrale Evolution mit lebenden Organismen im Labor nachweisen kann.
a) = Variabilität von Merkmal, was sonst keinen Einfluss auf Fitness hat, kann hier vorteilhaft sein (kann an neuem Ort vllt. Fitness erhöhen)
b) Aus einem E. coli strain wurden (1988) zwölf gleiche Kulturen in Glucose-limitiertem Medium angesetzt.
Jeden Tag werden die Kulturen geteilt und mit frischem Medium versehen.
Alle 75 Tage (ca. 500 Generationen) wird aus jeder der 12 Kulturen eine Probe entnommen und eingefroren.
—> Nach 2000 Generation: 35% höhere Fitness - schnellere Wachstumsrate und größere Zellen in allen 12 Kulturen.
Transfer aller 12 Kulturen in neue Umwelt: unterschiedliche Mangelmedien mit Maltose und Lactose statt Glucose.
—> Bis zu 100-fache Fitness-Unterschiede können zwischen den strains beobachtet werden!
In einem Experiment konnte die Lebensspanne von Drosophila-Fliegen selektiert und damit verlängert werden. Welche Gründe könnte es geben, dass die Fliegen unter natürlichen Bedingungen trotzdem eine kürzere Lebensspanne haben. Nennen Sie mindestens zwei Gründe und argumentieren Sie! (4P)
unter natürlichen Bedingungen hat Drosophila Feinde (unvollständig?)
durch die verlängerte Lebensspanne können die Fliegen entscheiden, ob sie sich relativ früh reproduzieren wollen oder erst spät
—> spätere Reproduktion kann die Qualität & Quantität der Nachkommen steigern (Wann?)
==> wenn der Partner eine verkürzte Lebensspanne hat, kann es jedoch nicht zur Reproduktion kommen
(2/4P)
Erläutern sie den Begriff “Inzuchtdepression” und erklären sie wie diese zustande kommt.
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Nennen und erklären Sie ein Beispiel.
Inzuchtdepression: Reduktion der Fitness (z. B. Krankheitsresistenz, Fruchtbarkeit etc.) von ingezüchteten Populationen
Ohne Inzucht werden leicht schädliche, rezessive Mutationen nur langsam ausselektiert -> Phänotyp bleibt unbeeinflusst
Bei Inzucht Schädliche Allele können leichter homozygot vorliegen -> kommen in Phänotyp zu Ausprägung
beschreibt die Fixierung von (schädlichen) Allelen in einer Population durch Inzucht
-> Homozygotiegrad steigt & zuvor rezessive (schadhafte) Allele werden stärker fixiert
-> häufung eines homozygoten Geno- & Phänotyps
Bsp. englisches Königshaus —> Bluterkrankheit
Stellen sie sich vor die Menschheit ist von einer globalen Coronavirus-Pandemie betroffen. Es wird in kurzer Zeit ein wirksamer Impfstoff gegen das Coronavirus entwickelt.
a) Erklären sie warum es für die Bekämpfung der Pandemie wichtig ist, dass sich möglichst viele Menschen möglichst schnell impfen lassen.
b) Erklären sie welche Folgen es potentiell haben könnte, wenn ein Land trotz hoher Inzidenzzahlen sämtliche Maßnahmen gegen die Ausbreitung des Virus aufhebt (Abstandsregeln, Hygienevorschriften, Tragen von Masken). Gehen sie davon aus, dass eine Impfung zwar den schweren Verlauf einer Krankheit verhindert und die Wahrscheinlichkeit einer Infektion reduziert.
a) Herdenimmunität möglichst schnell erreichen
b) Es werden sich sehr viele Menschen anstecken, die mit einem schwachen Immunsystem sterben, natürliche Selektion, allerdings werden durch die Impfung mehr Menschen überleben
Definieren sie Bates´sche Mimikry und Müller´sche Mimikry. Unter Beschreiben sie welche Voraussetzungen jeweils für deren Evolution gegeben sein müssen.
Bates´sche:
harmlose Individuen ahmen wehrhafte nach-> Räuber abgeschreckt
bsp. Hainschwebefliege und Wespe
Bedingung: Wehrhaftes Modell muss im Ökosystem vorhanden sein
Müller´sche:
wehrhafte Individuen haben ähnliche Körperfarbe wie andere wehrhafte
Räuber lernen schneller was schlecht für sie ist
Schildern Sie ein Experiment, in dem man neutrale Evolution mit lebenden Organismen im Labor nachweisen kann.
Lenski
E.Coli Bakterien in Medium
alle 10 Tage Medium fraktionieren & in neues Medium überführen
nach x Generationen können Unterschiede in Bezug auf bsp. Antibiotikaresistenz beobachtet werden
Zwei Arten haben sich auseinander entwickelt, weil sie geografisch voneinander getrennt wurden. Diese Trennung wurde wieder aufgehoben, bevor die reproduktive Isolation abgeschlossen war. Nehmen sie an, dass sich die beiden Arten wahllos miteinander kreuzen. Was passiert, wenn die entstehenden Hybriden
a) einen geringen Fortpflanzungserfolg
b) den gleichen Fortpflanzungserfolg
wie die Kreuzungen innerhalb ihrer Ursprungsaten haben.
a) Individuen kreuzen sich weiter miteinander bis Hybridsterilität /-sterblichkeit eintritt
-> neue Art gebildet
-> reproduktive Isolation abgeschlossen
b) keine Artbildung
-> durch Kreuzung der Individuen werden Arten wieder zu einer
-> reproduktive Isolation noch nicht abgeschlossen
Beschreiben Sie den Unterschied zwischen intersexueller und intrasexueller Selektion.
intersexuell: zwischen M & W
intrasexuell: zwischen gleichen Geschlecht (meist MM)
Erklären Sie Altruismus anhand des Helfer-Phänomens bei Vögeln.
indirekte Vorteile:
größere Gruppe (Feindabwehr)
Erfahrung in Brutpflege
direkte Vorteile:
später auch Pflege der Nachkommen von zuvor gepflegten individuen
In welcher Weise wird die Häufigkeitsverteilung der Phänotypen durch die Selektion verschoben? Zeichen sie dies im unteren Teil der Graphik ein. (Die ursprüngliche Häufigkeitsverteilung ist als Normalverteilt dargestellt.)
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