1 Selektion

Selektion bedeutet Auswahl (engl. Selection). Wer wählt hier was aus? Erst mal ganz wichtig: Es handelt sich um einen passiven Auswahlvorgang. Die Natur wählt aus. Da die Natur aber kein Bewusstsein hat, kann sie keinen aktiven Auswahlprozess treffen. Es wird immer das am besten an seine Umgebung angepasste Individuum ausgewählt (s. FW 7.5 für genauere Erläuterung zur Anpassung). Je besser es angepasst ist, desto höher ist seine eigene Überlebenschance und die Überlebenschance der eigenen Nachkommen (das wird als die "biologische Fitness" des Individuums bezeichnet). Das Individuum mit der höchsten biologischen Fitness ist also das "Stärkste", das "best Angepasste" oder eben das "Fitteste" (s. FW 7.6: Darwin: Survival of the Fittest / Überleben des Stärksten). Durch die Gegebenheiten der Umwelt wird also passiv ausgewählt.

Bsp: Der Schwarzspecht hat im Schnitt einen 5,5 cm langen Schnabel. Im Schnitt bedeutet, dass es Schwarzspechte mit kürzeren und längeren Schnäbeln als 5,5 cm gibt. Diese Verschiedenartigkeit der Schnabellängen ist eine Beispiel für Variabilität (Verschiedenartigkeit) von Merkmalen. In einer Umwelt, in der die Beuteinsekten des Schwarzspechtes im Schnitt 6 cm tief unter der Ringe sind, haben Schwarzspechte mit einem mindestens 6 cm langen Schnabel einen Selektionsvorteil. Sie können mehr Insekten fangen und haben mehr zu essen für sich und die Nachkommen. Im Schnitt werden also mehr Schwarzspechte mit längerem Schnabel überleben. Eigenschaften werden vererbt. Auch die Nachkommen werden also wahrscheinlich im Schnitt einen längeren Schnabel haben. Auch hier gilt, dass die Nachkommen mit einem zu kurzen Schnabel ausselektiert werden, da sie einen Selektionnachteil haben, die mit einem längeren Schnabel aufgrund ihres Selektionsvorteils aber wiederrum mehr Nachkommen ernähren können. Über viele Genereationen kommt es so zu einer Verschiebung Richtung eines längeren Schnabels (gerichtete Selektion in Richtung einer längeren Schnabellänge).
Jetzt könnte man meinen, dass der Schnabel immer länger werden müsste im Laufe der Selektion. Das ist aber aus mehreren Gründen nicht so. Zum einen bringt ein längerer Schnabel irgendwann keinen genügend großen Vorteil mehr beim Beutefang. Wenn nur noch sehr wenige Insekten tiefer als z.B. 8 cm im Baum leben, bringt auch ein längerer Schnabel keinen wirklichen Vorteil mehr. Trotzdem müsste der Vogel mehr Essen, da das Wachsen lassen und stetige "Reparieren" des Schnabels Energie kostet. Auch kann es sein, das die Beweglichkeit des Vogels unter der Schnabellänge leidet und auch das zusätzliche Gewicht erfordert mehr Muskelmasse im Halsbereich zur Stablisation. Die Kosten-Nutzen-Relation (Die Vorteile müssen größer als die Nachteile sein) ist dann nicht mehr gegeben.

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Stammbäume verstehen und wichtige Begriffe

Stammbäume verstehen

Stammbäume sind dazu da, um Verwandtschaftsbeziehungen zwischen Arten darzustellen. Es gibt immer eine Stammart, die sich in zwei neue Arten aufspaltet. Im Stammbaum wird so ein "Aufspaltpunkt" Knoten genannt. An einem Stammbaum kann man ablesen welche Arten sich in welcher Reihenfolge voneinander getrennt haben, da ein Stammbaum immer einen zeitlichen Verlauf darstellt. Dabei ist es egal, ob der Stammbaum von unten nach oben oder von rechts nach links gezeichnet wird. Je näher man an die rezenten (heute lebenden Arten) am Ende des Stammbaum kommt, desto näher ist man an der Gegenwart. Die Länge der Linien gibt beim Kladogramm keine Zeitspannen o.ä. an. Beim Phylogramm dagegen steht die Länge der Äste für die Unterschiede zwischen den Arten und beim Chronogramm entsprechen die Astlängen den Zeitabschnitten. Wird keine Angabe gemacht, handelt es sich (zumeist) um ein Kladogramm.

Die beiden Stammbäume sind zwar unterschiedlich gezeichnet, haben aber die selbe Aussage. Von unten kommt die Stammart, die sich in Knotenpunkt 1 in zwei Unterarten aufspaltet. Die eine Unterart (A) ist bis heute (mit evtl. Veränderungen) existent. Die andere Art hat sich zu einem späteren Zeitpunkt (Knotenpunkt 2) wieder in zwei Unterarten aufgespalten (B und C). Übrigens ist es egal, ob man zuerst B oder C an die Endpunkte schreibt. Man darf jeden Knoten beliebig drehen. Daher sind auch die folgenden drei Stammbäume alle inhaltsgleich:

wichtige Begriffe

• Knoten: Ein Knoten(-punkt) stellt den letzten Zeitpunkt dar an dem die nachfolgenden Arten noch einen gemeinsamen Vorfahren hatten. Die Äste des Stammbaumes dürfen am Knoten beliebig gedreht werden.
• Endpunkte des Stammbaumes mit Artnamen oder Buchstaben: Heute lebende (rezente) Arten.
• Taxon: Gruppe von Arten, die aufgrund gemeinsamer Merkmale eine Einheit bilden (z.B. das Taxon der Säugetiere)
• monophletische Gruppe: Ein Taxon, dass ALLE stammesgeschichtlichen Abkömmlinge eines Vorfahren erfasst. (1. Knoten entspricht dann der Stammart der Gruppe)
• Schwesternarten: Zwei Arten, die am nächsten miteinander verwandt sind. Im Beispiel oben z.B. die Arten B und C
• Schwesterngruppe: Gruppen von Arten, die sich ein Merkmal teilen, das weiter zurückliegt als das Merkmal, dass sich die Schwesternarten teilen.
• ursprüngliche (plesiomorphe) Merkmale: treten bereits bei einer sehr frühen Stammart auf. Alle nachfolgenden Arten weisen dieses Merkmal auf. Ursprüngliche Merkmale treten auch bei anderen Gruppen auf und sind daher zur Untersuchung der Verwandtschaft mittels Stammbaum nicht geeignet.
• abgeleitete (apomorphe) Merkmale: Merkmale, die erst bei der gemeinsamen Stammart auftraten. z.B. das Fell bei Säugetieren, es kommt nur bei diesen vor und kennzeichnet diese Arten somit. abgeleitete Merkmale eignen sich zur Stammbaumauswertung

Die Begriffe werden im nächsten Kapitel "Stammbaumerstellung" an dem Erstellungs-Beispiel erklärt.

Stammbaum aus Merkmalstabelle erstellen (inkl. Beispiel)

Als erstes sollte eine Innengruppe festgelegt werden. In userem Fall wollen wir die Verwandtschaftsbeziehungen kieferbesitzende Wirbeltiere (Kiefermünder) untersuchen. Sie gehören zur Gruppe der Wirbeltiere.

Als zweites legt man dann eine Außengruppe fest, die zwar nah mit der zu untersuchenden Gruppe verwandt ist aber nicht zum selben Taxon (Kieferbesitzer) zählen. Wir wählen aus dem übergeordneten Taxon (Wirbeltiere) die kieferlosen. Ein kieferloses Tier ist z.B. das Neunauge. Das Neunauge ist somit unsere Außengruppe. Das ursprüngliche Merkmal, welches sich Außen- und Innengruppe teilen ist die Wirbelsäule. Das heißt, dass die Wirbeltiere eine monophyletische Gruppe bilden, da alle Nachfahren der Stammart, die als erstes eine Wirbelsäule aufweisen, ebenfalls eine Wirbelsäule aufweisen. Innerhalb dieser monophyletischen Gruppe der Wirbeltiere gibt es die monophyletische Gruppe der Kieferbeitzer. Alle Arten, die nach der Stammart, die als erstes einen Kiefer besaß ebenfalls einen Kiefer besitzen, gehören zu dieser monophyletischen Gruppe der Kieferbesitzer.

Als Kieferbesitzer sollen hier nun Forelle, Kröte, Eidechse, Krokodil, Taube, Maus und Schimpanse auf ihre Verwandtschaftsbeziehungen hin untersucht werden. Dazu erstellt man zunächst eine Merkmalstabelle

Alle Tiere gehören zur Monophyletischen Gruppe der Wirbeltiere und weisen somit eine Wirbelsäule auf. Das Neunauge (Taxon der Kieferlosen) hat aber als einzige Art keinen Kiefer, es ist ja schließlich Stellvertreter unserer Außengruppe. Es weißt auch keine anderen Merkmale auf, die sich innerhalb der monophletischen Gruppe der Kierfermünder entwickelt hat. Alle anderen Tiere sind unsere Innengruppe

Um nun den Stammbaum zu erstellen geht man immer mit der gleichen Methode vor. Man sucht erstmal Tiere heraus, die nur ein Merkmal aufweisen. Hier die Taube, die als einzige Federn aufweist. Nur bei der Taube steht hier ein Plus, alle anderen in der Tabelle haben hier ein Minus.

Dann sucht man die Schwesternarten, also alle Artenpaare, die sich ein Merkmal teilen (Zwei Arten haben ein Plus bei dem Merkmal). Hier Maus und Schimpanse (Fell, Milchdrüsen) und Taube und Krokodil (Kropf). Da die Taube schon da ist, fankgen wir mit Krokodil und Taube an. Beide haben als einzige einen Kropf, sind also Schwesterarten.

Als nächstes kommt die zweite Schwesterart, Maus und Schimpanse (nur diese beiden haben Fell und Milchdrüsen).

Es gibt keine weiteren Schwesterarten. Also schauen wir jetzt auf Schwestergruppen und zwar zuerst auf die mit möglichst wenig gemeinsamen Arten. Hier sind es drei. Eidechse, Krokodil und Taube weisen alle drei Schuppen aus ß-Kreatin auf. Es muss also einen gemeinsame Stammart gegeben haben, die diese drei Merkmale aufweist aber die früher als die Stammart der Schwesterarten existiert hat. Da die drei Arten Krokodil, Eidechse und Taube eine Schwestergruppe bilden, muss Schimpanse und Maus auf einen seperaten Zweig kommen. Wir müssen den Stammbaum also etwas auseinander ziehen und die Eidechse in Ihre Gruppe bringen.

Da keine weiteren Tiere zur Schwesternart Maus/Schimpanse dazukommen, bleibt diese eine Zweiergruppe. Die Gruppen müssen sich zeitlich vorher voneinander getrennt haben, also verlängern wir den Ast zu Maus und Schimpanse und verbinden unseren Stammbaum wieder.

Eine weitere Schwesterngruppe mit drei Arten, die ein abgeleitetes Merkmal teilen gibt es nicht, auch keine mit vier Arten. Aber bei Krallen und Nägeln gibt es fünf Pluse. Also eine Schwesterngruppe mit fünf Arten. Es handelt sich hier um die fünf Arten, die wir schon haben. Der gemeinsame Vorfahr dieser Schwesterngruppe liegt aber wiederum zeitlich länger zurück, also wird der Stammbaum um einen weiteren gemeinsamen Vorfahren (Knoten) ergänzt.

Eine weitere Schwesterngruppe mit fünf Arten, die ein abgeleitetes Merkmal teilen gibt es nicht, aber bei Lunge gibt es sechs Pluse. Also eine Schwesterngruppe mit sechs Arten. Es handelt sich hier um die fünf Arten, die wir schon haben und die Kröte. Diese sechs Arten bilden die monophyletische Gruppe der Lungentiere, da sie alle eine Lunge aufweisen.

Nun bleibt von den abgleiteten Merkmalen nur noch der Kiefer. Die Forelle hat einen Kiefer aber keine Lunge. Somit können wir die Innengruppe vervollständigen. Die phylogenetische Gruppe der Kiefermünder (Arten, die einen Kiefer aufweisen) ist in unserem Stammbaum komplett.

Es fehlt nur noch die Außengruppe. Wir hatten hier als phylogenetische Außengruppe die Wirbeltiere festgelegt. Also brauchen wir ein Wirbeltier, das keinen Kiefer hat. Eine bekannter Vertreter ist der Fisch Neunauge. Dieser Fisch hat einen kieferlosen Saugmund.

Eigentlich ist unser Stammbaum fertig. Nur die Reihenfolge der Arten ist nicht schön. Fische - Amphibien ist gut. Dann aber Säugetiere und dann erst Reptilien und Vögel? Weniger schön. Aber man darf ja jeden Ast um seinen Knoten drehen. Wir drehen also um den rot markierten Knoten und...

Fische - Amphibien - Vögel - Reptilien - Säugetiere. Schon nicht schlecht. Drehen wir noch mal um den Knoten (rot markiert) von Vögeln und Reptilien...

und fertig ist der Stammbaum (die Drehungen sind aber nicht nötig!)

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Zelldifferenzierung

Prinzipiell befindet sich in jeder Zelle das gesamte Erbgut. Daher kann man beim Klonen aus z.B. einer Hautzelle auch den gesamten Organismus heranwachsen lassen. Bei vielzelligen Organismen übernehmen Zellen aber verschiednste Aufgaben und können, einmal differnziert (diferre: sich unterscheiden), nicht wieder ein anderer Zelltyp werden. Um beim Beispiel zu bleiben: Teilt sich eine Hautzelle, dann entstehen zwei Tochter-Hautzellen und keine Leberzelle. Im Körper gibt es durchaus undifferenzierte Zellen, die sogenannten Stammzellen (bei Erwachsenen sind diese allerdings nicht mehr omnipotent (omni=alles; potent: befähigt -> befähigt zu jedem Zelltyp zu werden)). Und wir alle sind aus der Verschmelzung von Samenzelle und Eizelle hervorgegangen. Diese erste befruchtete Zelle (Zygote) ist offensichtlich omnipotent. Sie kann sich noch zu jedem Zelltyp ausdifferenzieren. Schließlich haben wir alle Augen, Arme oder Herzen, hierfür werden verschiedneste Zelltypen (auch innerhalb eines Organs) benötigt.

Differentielle Genaktivität und Vielfalt der Zellen

Durch die differentielle Genaktivität kommt es zur Zelldifferenzierung. Zwar ist in jeder Zelle das gesamte Erbgut vorhanden, allerdings ist nicht jegliches Erbgut in jeder Zelle gleich aktiv. In differnzierten Zellen sind bestimmte Gene "ein-", andere "ausgeschaltet". In einer Hautzelle sind also nur solche Gene aktiv, die für Hautzellen benötigt werden. Und zwar zum einen Gene für den (Nach-)Bau von Hautzellen und zum anderen Gene, die Funktion der Hautzellen betreffen. So können z.B. nur Proteine von Hautzellen durch Genexpression gebildet werden. Innerhalb der Zelle wird diese Ausdifferenzierung durch sogenannte Transkriptionsfaktoren, innerhalb des Organismus durch Hormone und andere Signalstoffe bestimmt.

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