Biologie II: Baupläne und Evolution - Exam

Aufgabe 1)

Konzept der homologen und analogen Strukturen: Homologe Strukturen sind Merkmale bei verschiedenen Arten, die auf eine gemeinsame Abstammung zurückzuführen sind, obwohl sie unterschiedliche Funktionen haben können. Beispiele dafür sind die Vordergliedmaßen von Wirbeltieren. Analoge Strukturen hingegen sind Merkmale, die bei verschiedenen Arten ähnliche Funktionen erfüllen, aber aus unterschiedlichen Abstammungen hervorgegangen sind, wie die Flügel von Vögeln und Insekten. Homologie wird durch gemeinsame Vorfahren erklärt und wird durch Basiskriterien wie Lage, spezifische Qualität und Kontinuität bestimmt. Analogie entsteht durch konvergente Evolution, ohne dass gemeinsame Vorfahren beteiligt sind. Wichtige Konzepte in diesem Zusammenhang sind Divergenz (Homologie) und Konvergenz (Analogie).

a)

A. Analyse von Gliedmaßen: Wähle zwei Tierarten aus, beispielsweise ein Mensch und ein Delfin, und beschreibe die homologen Strukturen ihrer Vordergliedmaßen. Gehe dabei auf die Kriterien Lage, spezifische Qualität und Kontinuität ein und erkläre, inwiefern sie trotz unterschiedlicher Funktionen auf eine gemeinsame Abstammung hinweisen.

Lösung:

• Analyse von Gliedmaßen:

Für diese Analyse wählen wir den Menschen und den Delfin. Wir konzentrieren uns auf die homologen Strukturen ihrer Vordergliedmaßen, die jeweils in Form von Armen/Händen beim Menschen und Flossen beim Delfin vorliegen.

• Lage: Beide Tiere haben ihre Vordergliedmaßen im vorderen Teil des Körpers. Sie sind an vergleichbaren Positionen im Skelettsystem angebracht und von ähnlichen Muskelgruppen gesteuert.
• Spezifische Qualität: Trotz der unterschiedlichen äußeren Erscheinung sind die spezifischen Knochenstrukturen bemerkenswert ähnlich. Sowohl der menschliche Arm als auch die Delfinflosse bestehen aus einem Oberarmknochen (Humerus), zwei Unterarmknochen (Radius und Ulna), einer Handwurzel (Carpalia), Mittelhandknochen (Metacarpalia) und Fingerknochen (Phalangen).
• Kontinuität: Die Evolution lässt sich durch fossile Funde und embryonale Entwicklungsstudien zurückverfolgen. Diese Studien zeigen, dass die Entwicklung der Vordergliedmaßen bei beiden Arten von ähnlichen genetischen und embryologischen Mechanismen gesteuert wird.

Aufgrund dieser drei Kriterien (Lage, spezifische Qualität und Kontinuität) können wir schlussfolgern, dass die Vordergliedmaßen von Menschen und Delfinen homologe Strukturen sind. Sie weisen darauf hin, dass beide Arten einen gemeinsamen Vorfahren hatten, von dem diese Gliedmaßenstruktur ursprünglich abstammt. Im Laufe der Evolution haben sich diese Strukturen an die unterschiedlichen Lebensräume und Funktionen angepasst – menschliche Arme für Greifen und Werkzeuggebrauch, Delfinflossen für das effiziente Schwimmen.

b)

B. Vergleich von Flugstrukturen: Vergleiche die Flügel eines Vogels und eines Insekts im Hinblick auf analoge Strukturen. Beschreibe die Funktion der Flügel bei beiden Arten und erkläre, warum diese Strukturen als analog und nicht als homolog angesehen werden. Diskutiere die Rolle der konvergenten Evolution bei der Entwicklung dieser strukturellen Ähnlichkeiten.

Lösung:

• Vergleich von Flugstrukturen:

In diesem Teil der Übung vergleichen wir die Flügel eines Vogels und eines Insekts. Diese Strukturen werden als analog angesehen, da sie ähnliche Funktionen erfüllen, aber aus unterschiedlichen evolutionären Linien stammen.

• Funktion der Flügel:
  • Vogelflügel: Die Flügel von Vögeln bestehen aus Knochen, Federn und Muskeln. Sie ermöglichen aktiven Flug durch das Erzeugen von Auftrieb und Vortrieb. Die Muskulatur und die Federn spielen eine wesentliche Rolle bei der Kontrolle und dem Manövrieren während des Fluges.
  • Insektenflügel: Die Flügel von Insekten sind dünne Auswüchse der Exoskelettstruktur und bestehen hauptsächlich aus einer doppelten Membran, die durch versteifende Adern verstärkt wird. Sie ermöglichen ebenfalls aktiven Flug, jedoch durch Schläge und Bewegungen, die durch spezielle Flugmuskeln geführt werden.
• Warum als analog und nicht homolog?Die Flügel von Vögeln und Insekten werden als analoge Strukturen betrachtet, weil sie ähnliche Funktionen (Flugfähigkeit) erfüllen, jedoch unabhängig voneinander aus verschiedenen evolutionären Ursprüngen entwickelt wurden. Diese Unabhängigkeit wird durch das Fehlen eines gemeinsamen Vorfahren mit Flügeln belegt.
• Konvergente Evolution:Die konvergente Evolution spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung dieser strukturellen Ähnlichkeiten. Beide Arten (Vögel und Insekten) entwickelten Flügel als Anpassung an die Umweltanforderungen, um effizienter in der Luft zu navigieren. Obwohl die evolutionären Wege unterschiedlich waren, führten ähnliche Selektionsdrücke (wie die Notwendigkeit, Feinden zu entkommen oder Nahrung zu finden) zu der Entwicklung von Flügeln.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Flügel von Vögeln und Insekten als analoge Strukturen angesehen werden, da sie durch konvergente Evolution entstanden sind, um ähnliche Funktionen zu erfüllen, ohne dass ein gemeinsamer Vorfahre involviert war.

Aufgabe 2)

Ein Biologe untersucht eine Gruppe von Reptilien, um ihre evolutionären Beziehungen zueinander zu bestimmen. Er erstellt einen Kladogramm basierend auf morphologischen Merkmalen. Die Reptilienarten A, B und C haben die folgenden Merkmale:

• Merkmal 1: Schuppen (gemeinsames Merkmal aller Reptilien)
• Merkmal 2: Besitz eines einzigen Kieferknochens (bei Arten B und C)
• Merkmal 3: Vorhandensein eines Horns auf dem Kopf (nur bei Art C)
• Merkmal 4: Beinstummel (nur bei Art A)

a)

Zeichne das Kladogramm basierend auf den gegebenen Merkmalen und kennzeichne monophyletische, paraphyletische und polyphyletische Gruppen, falls vorhanden. Stelle sicher, dass Du die Outgroup korrekt positionierst.

Lösung:

Um das Kladogramm basierend auf den gegebenen Merkmalen zu zeichnen, beginnt man mit der Identifizierung der Gruppen und ihrer Merkmale. Es ist wichtig, dabei eine klare Hierarchie der Merkmale und Arten zu erstellen. Hier sind die Schritte, um ein Kladogramm zu zeichnen:

• Identifizierung der Merkmale: 1. Schuppen - Merkmal aller Reptilien (auch Outgroup D) 2. Ein einziger Kieferknochen - Merkmal der Arten B und C 3. Horn auf dem Kopf - Merkmal nur der Art C 4. Beinstummel - Merkmal nur der Art A
• Bestimmung der Outgroup: Art D wird als Outgroup festgelegt, da sie das ursprünglichste gemeinsame Merkmal, die Schuppen, besitzt.
• Erstellung des Kladogramms:
  • Beginne mit der Outgroup (Art D), die nur Merkmal 1 besitzt:
  • Trennung der Klade, um zu den gemeinsamen Vorfahren der Arten A, B und C zu gelangen:
  • Art A trennt sich als nächstes, da sie nur das zusätzliche Merkmal 4 (Beinstummel) besitzt:
  • Art B und Art C teilen sich ein gemeinsames Merkmal, den Kieferknochen (Merkmal 2), wobei Art C zusätzlich das Horn auf dem Kopf hat (Merkmal 3):

Basierend auf diesen Merkmalen sieht das Kladogramm wie folgt aus:

 D (Outgroup)  /  --| | \t  | - (A - Beinstummel)  | - | | - (B - Kieferknochen) --| | | - (C - Kieferknochen + Horn) 

Die verschiedenen Gruppen können wie folgt gekennzeichnet werden:

• Monophyletische Gruppen: - B und C bilden zusammen eine monophyletische Gruppe, da sie einen gemeinsamen Vorfahren haben und alle Nachkommen dieses Vorfahren einschließen, die das Merkmal des einzelnen Kieferknochens haben. - Eine weitere monophyletische Gruppe umfasst A, B und C, da sie alle den gemeinsamen Vorfahren ohne D, mit Schuppen als Merkmal, teilen.
• Paraphyletische Gruppen: - Die Artengruppe (A, B) ohne C ist paraphyletisch, da sie zwar einen gemeinsamen Vorfahren haben, aber nicht alle Nachkommen dieses Vorfahren umfassen (in diesem Fall ist C ausgeschlossen). - Die Gruppe, die nur D und A einschließt, ist ebenfalls paraphyletisch, da sie den gemeinsamen Vorfahren mit allen Merkmalen außer dem Horn berücksichtigt, aber B und C ausschließt.
• Polyphyletische Gruppen: - Eine Gruppe, die A und C einschließt, wäre polyphyletisch, da ihre gemeinsame Merkmalsbasis nicht durch einen unmittelbaren, jüngeren gemeinsamen Vorfahren verlinkt ist.

b)

Erkläre den Unterschied zwischen homologen und analogen Merkmalen in Bezug auf die angegebenen Reptilienarten. Nutze dafür konkrete Beispiele aus dem Kladogramm und den Merkmalen, die Du gezeichnet hast.

Lösung:

Um den Unterschied zwischen homologen und analogen Merkmalen in Bezug auf die angegebenen Reptilienarten zu erklären, müssen wir zunächst die Definitionen dieser Begriffe klären:

• Homologe Merkmale: Diese Merkmale stammen von einem gemeinsamen Vorfahren ab und zeigen daher eine gemeinsame evolutionäre Herkunft, auch wenn sie heute unterschiedliche Funktionen haben können.
• Analoge Merkmale: Diese Merkmale haben ähnliche Funktionen, aber keine gemeinsame evolutionäre Herkunft. Sie sind das Ergebnis konvergenter Evolution, wo verschiedene Arten ähnliche Anpassungen entwickeln.

Betrachten wir die angegebenen Reptilienarten und ihre Merkmale:

• Merkmal 1: Schuppen Schuppen sind ein gemeinsames Merkmal aller Reptilien (einschließlich der Outgroup D). Dieses Merkmal ist homolog, da es auf einen gemeinsamen Vorfahren aller Reptilien zurückzuführen ist. Die Schuppenstruktur ist also ein Hinweis auf eine gemeinsame evolutionäre Herkunft.
• Merkmal 2: Ein einziger Kieferknochen Dieses Merkmal findet sich bei den Arten B und C. Da es wahrscheinlich von einem gemeinsamen Vorfahren von B und C abstammt, kann dieses Merkmal ebenfalls als homolog betrachtet werden. Es handelt sich um eine evolutionäre Neuerung, die B und C von anderen Reptilien (wie A und D) unterscheidet.
• Merkmal 3: Horn auf dem Kopf Das Vorhandensein eines Horns auf dem Kopf ist spezifisch für die Art C. Da es sich hier um ein einzigartiges Merkmal handelt, kann es als eine autapomorphe (einzigartige abgeleitete) Eigenschaft spezifisch für C betrachtet werden. Dieses Merkmal ist homolog, wenn andere nahe verwandte Arten (außerhalb des gegebenen Beispiels) ebenfalls Hörner haben und dies auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgeführt werden kann.
• Merkmal 4: Beinstummel Die Beinstummel sind nur bei Art A vorhanden. Dieses Merkmal ist eine weitere autapomorphe Eigenschaft, die spezifisch für A ist und als homolog betrachtet werden kann, wenn verwandte Arten ähnliche Strukturen haben und dies auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgeführt werden kann.

Zusammengefasst:

• Die Schuppen (Merkmal 1) sind homologe Merkmale, die auf den gemeinsamen Vorfahren aller Reptilien zurückgehen.
• Der einzige Kieferknochen (Merkmal 2) bei B und C ist ein homologes Merkmal, das auf einen gemeinsamen Vorfahren von B und C hinweist.
• Das Horn auf dem Kopf (Merkmal 3) bei C und die Beinstummel (Merkmal 4) bei A sind Beispiele für autapomorphe, homologe Merkmale, die spezifisch für diese Arten sind.

Ein Beispiel für analoge Merkmale könnte unter anderen Umständen auftreten, wenn beispielsweise andere Reptilien (nicht in diesem Beispiel enthalten) unabhängig voneinander vergleichbare Anpassungen entwickelt hätten, wie flügelartige Strukturen für das Gleiten, die keine gemeinsame evolutionäre Herkunft haben, sondern durch konvergente Evolution entstanden sind.

Aufgabe 3)

Die Morphogenese und Organbildung sind zentrale Prozesse in der Entwicklung von Organismen. Morphogene wirken als Signalmoleküle, die Positionsinformationen während der Embryogenese vermitteln. Diese Signalmoleküle erzeugen Konzentrationsgradienten, die dazu führen, dass Zellen unterschiedliche Schicksale annehmen, je nach ihrer Position im Embryo. Zu den wichtigsten Prozessen der Morphogenese gehören Zellproliferation (Zellvermehrung), Zelldifferenzierung (Spezialisierung), Apoptose (programmierter Zelltod) und Zellbewegung. Die Genetische Steuerung dieser Prozesse wird durch Hox-Gene und andere Transkriptionsfaktoren gewährleistet, die die regionale Identität der Zellen regulieren. Zu den häufig verwendeten Modellorganismen für die Untersuchung der Morphogenese gehören Drosophila (Fruchtfliege), Zebrafisch und Arabidopsis (Ackerschmalwand). Zu den verwendeten Verfahren gehören In-situ-Hybridisierung, Immunhistochemie und genetische Manipulationen.

a)

Teilaufgabe 1: Erkläre, wie Konzentrationsgradienten von Morphogenen zur Spezifizierung der Zellschicksale führen. Verwende ein Beispiel eines bekannten Morphogens und beschreibe dessen Wirkungsweise in einem Modellorganismus Deiner Wahl.

Lösung:

Teilaufgabe 1: Erkläre, wie Konzentrationsgradienten von Morphogenen zur Spezifizierung der Zellschicksale führen. Verwende ein Beispiel eines bekannten Morphogens und beschreibe dessen Wirkungsweise in einem Modellorganismus Deiner Wahl.

Antwort:

Konzentrationsgradienten von Morphogenen spielen eine entscheidende Rolle bei der Spezifizierung der Zellschicksale während der Embryogenese. Morphogene sind Signalmoleküle, die von einer Quelle abgesondert werden und sich in einem Gewebe ausbreiten, wobei sie einen abnehmenden Konzentrationsgradienten bilden. Die Zellen im Embryo nehmen die Konzentration des Morphogens wahr und reagieren darauf, indem sie unterschiedliche Schicksale annehmen.

Ein bekanntes Beispiel für ein Morphogen ist Decapentaplegic (Dpp), ein Mitglied der TGF-β-Familie, das in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster untersucht wurde. Dpp ist ein wichtiger Regulator für die Entwicklung der Drosophila-Flügel.

In diesem Modellorganismus wird Dpp von einer zentralen Region, dem sogenannten anteroposterioren (A/P) Kompartimentgrenze des Flügelimaginalscheiben anfänglich exprimiert. Dieses Morphogen diffundiert dann von dieser Quelle weg und bildet einen Konzentrationsgradienten über das Flügelgewebe. Die Zellen in der Flügelimaginalscheibe erkennen verschiedene Konzentrationsstärken von Dpp und aktivieren daraufhin spezifische Zielgene in Abhängigkeit von der Dpp-Konzentration, die sie wahrnehmen.

Der Dpp-Gradient führt zu einer Differenzierung der Zellen in verschiedene Zelltypen entlang der Drosophila-Flügel. Zellen, die einer hohen Dpp-Konzentration ausgesetzt sind, können bestimmte Transkriptionsfaktoren aktivieren, die zur Entwicklung von Flügelzellen führen, während Zellen in Bereichen mit niedrigerer Dpp-Konzentration andere Zellschicksale entwickeln.

Zusammenfassend spezifizieren Konzentrationsgradienten von Morphogenen wie Dpp die Zellschicksale, indem sie die Zellen je nach ihrer Position und der empfangenen Morphogenkonzentration unterschiedlich reagieren lassen. So können durch eine präzise Regulation der Morphogenverteilung komplexe Gewebestrukturen und Organe im Entwicklungsprozess gebildet werden.

b)

Teilaufgabe 2: Diskutiere die Rolle von Hox-Genen in der regionalen Identität der Zellen während der Embryogenese. Warum sind Hox-Gene entscheidend für die Musterbildung in der Morphogenese?

Lösung:

Teilaufgabe 2: Diskutiere die Rolle von Hox-Genen in der regionalen Identität der Zellen während der Embryogenese. Warum sind Hox-Gene entscheidend für die Musterbildung in der Morphogenese?

Antwort:

Hox-Gene sind eine Gruppe von Transkriptionsfaktoren, die eine Schlüsselrolle in der Festlegung der regionalen Identität von Zellen während der Embryogenese spielen. Sie sind in Clustern auf den Chromosomen organisiert und werden in einer sequentiellen und räumlichen Weise exprimiert, was als Hox-Gen-Cluster bezeichnet wird. Diese geordnete Expression führt zur Festlegung von anterior-posterioren Körperschablonen in sich entwickelnden Embryonen.

Die Hauptfunktion der Hox-Gene besteht darin, die Identität und das Schicksal der Zellen in verschiedenen Regionen des Embryos zu bestimmen. Jedes Hox-Gen wird in einem bestimmten Segment des Embryos exprimiert und steuert die Expression von Zielgenen, die für die Entwicklung spezifischer Strukturen in diesem Segment verantwortlich sind.

Ein bekanntes Beispiel für die Rolle von Hox-Genen lässt sich bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster beobachten. Hier bestimmen die Hox-Gene, welche Strukturen entlang des anterior-posterioren Achse des Embryos gebildet werden. Zum Beispiel steuert das Hox-Gen Antennapedia die Entwicklung der Beine im thorakalen Bereich, während ein anderes Hox-Gen, Ultrabithorax, die Entwicklung des Hinterleibs beeinflusst. Mutationen in diesen Genen können zu dramatischen Veränderungen in der Struktur des Körpers führen, wie z.B. die Umwandlung von Antennen in Beine.

Warum sind Hox-Gene entscheidend für die Musterbildung in der Morphogenese?

• Positionsinformation: Hox-Gene vermitteln der Zelle Informationen darüber, wo sie sich im Embryo befindet und welche Entwicklungsroute sie einschlagen soll. Diese Information ist entscheidend für die korrekte Musterbildung entlang der Körperachse.
• Spezifische Genexpression: Durch die Regulation einer Vielzahl von Zielgenen kontrollieren Hox-Gene die Expression von Proteinen, die für spezifische Entwicklungsprozesse verantwortlich sind, wie z.B. Zellproliferation, Zelldifferenzierung und Zellmigration.
• Regulierung der Segmententwicklung: Hox-Gene tragen dazu bei, dass verschiedene Körpersegmente unterschiedliche Strukturen und Organe entwickeln. Dies ist wichtig, um die funktionelle Vielfalt der verschiedenen Segmente zu gewährleisten.
• Evolutionäre Konservierung: Hox-Gene sind in einer Vielzahl von Organismen konserviert, was ihre fundamentale Rolle in der Embryonalentwicklung und Musterbildung unterstreicht. Diese Konservierung ermöglicht es Wissenschaftlern, Erkenntnisse aus Modellorganismen auf andere Spezies zu übertragen.

Zusammenfassend sind Hox-Gene entscheidend für die Musterbildung in der Morphogenese, da sie die regionale Identität von Zellen festlegen und die korrekte Entwicklung der Körperstruktur und -segmente sicherstellen. Ihre präzise Regulation und konservierte Funktion unterstreichen ihre zentrale Rolle in der Entwicklung von Organismen.

c)

Teilaufgabe 3: Beschreibe den Einsatz von In-situ-Hybridisierung und Immunhistochemie zur Untersuchung der Expression von Morphogenen in einem Modellorganismus. Welche Vor- und Nachteile bieten diese Techniken?

Lösung:

Teilaufgabe 3: Beschreibe den Einsatz von In-situ-Hybridisierung und Immunhistochemie zur Untersuchung der Expression von Morphogenen in einem Modellorganismus. Welche Vor- und Nachteile bieten diese Techniken?

Antwort:

In-situ-Hybridisierung und Immunhistochemie sind zwei wichtige Techniken zur Untersuchung der Expression von Morphogenen in Modellorganismen. Beide Methoden erlauben es, die räumliche und zeitliche Verteilung von Genprodukten in Geweben zu visualisieren, was entscheidend für das Verständnis der Morphogenese ist.

1. In-situ-Hybridisierung (ISH)

Die In-situ-Hybridisierung wird verwendet, um die Lokalisation und die Expression spezifischer mRNAs in Geweben oder Zellen nachzuweisen. Diese Technik nutzt komplementäre RNA- oder DNA-Sonden, die an die Ziel-mRNA binden und durch verschiedene Detektionsmethoden visualisiert werden können.

Einsatz:

• Design von Sonden: Spezifische Sonden werden synthetisiert, die komplementär zur Ziel-mRNA sind.
• Fixierung und Permeabilisierung: Gewebeproben werden fixiert und permeabilisiert, um die Penetration der Sonden zu ermöglichen.
• Hybridisierung: Die Sonden werden auf die Gewebeproben aufgebracht und hybridisieren mit der Ziel-mRNA.
• Detektion: Die gebundenen Sonden werden durch markierte Antikörper oder chemilumineszente Substrate sichtbar gemacht.
• Analyse: Die Expression der mRNA wird unter einem Mikroskop analysiert.

Vorteile:

• Hochspezifisch für Ziel-mRNA.
• Zeitliche und räumliche Expression kann genau visualisiert werden.
• Nützlich zur Untersuchung von Entwicklungsprozessen und Genexpressionsmustern.

Nachteile:

• Aufwendig und zeitintensiv.
• Erfordert genaueste Optimierung der Hybridisierungsbedingungen.
• Kann schwierig sein, bei niedrig exprimierten Transkripten.

2. Immunhistochemie (IHC)

Die Immunhistochemie wird verwendet, um spezifische Proteine in Geweben oder Zellen nachzuweisen. Diese Technik nutzt Antikörper, die spezifisch an die Zielproteine binden und durch verschiedene Detektionsmethoden visualisiert werden können.

Einsatz:

• Produktion von Antikörpern: Spezifische Antikörper, die gegen das Zielprotein gerichtet sind, werden hergestellt.
• Fixierung und Permeabilisierung: Gewebeproben werden fixiert und permeabilisiert, um die Penetration der Antikörper zu ermöglichen.
• Primärantikörper: Der Primärantikörper wird auf die Gewebeproben aufgebracht und bindet an das Zielprotein.
• Sekundärantikörper: Ein markierter Sekundärantikörper, der an den Primärantikörper bindet, wird aufgebracht.
• Detektion: Das gebundene Protein wird durch fluoreszierende oder enzymatische Marker sichtbar gemacht.
• Analyse: Die Expression des Proteins wird unter einem Mikroskop analysiert.

Vorteile:

• Spezifisch für Zielproteine.
• Visualisierung von Proteinlokalisation und -verteilung.
• Schnellere und einfachere Durchführung im Vergleich zu ISH.

Nachteile:

• Erfordert hochspezifische Antikörper.
• Kreuzreaktionen können zu unspezifischen Signalen führen.
• Quantitative Analyse kann schwierig sein.

Zusammenfassend bieten sowohl die In-situ-Hybridisierung als auch die Immunhistochemie wertvolle Einblicke in die Expression von Morphogenen in Modellorganismen. ISH ist besonders nützlich zur Untersuchung der mRNA-Verteilung, während IHC die Proteinexpression visualisieren kann. Die Wahl der Technik hängt von der jeweiligen Forschungsfrage und den verfügbaren Ressourcen ab.

Aufgabe 4)

Natürliche Selektion und Anpassung sind fundamentale Mechanismen in der Evolution. Natürliche Selektion führt zu evolutionärer Anpassung, indem förderliche Merkmale über Generationen hinweg häufiger werden. Anpassung ist der Prozess, bei dem Organismen sich durch Selektion besser an ihre Umweltbedingungen anpassen. Dabei spielen Variation, Vererbung und Differenzielle Reproduktion eine entscheidende Rolle. Die Fitness eines Individuums wird als relativer Fortpflanzungserfolg betrachtet, welcher die Wahrscheinlichkeit beeinflusst, dass seine Gene in der nächsten Generation vertreten sind.

a)

Erkläre den Begriff 'Fitness' in Bezug auf die natürliche Selektion. Wie könnte Fitness mathematisch ausgedrückt werden, und welche Rolle spielt sie in der natürlichen Selektion? Nutze dabei das Beispiel von zwei imaginären Populationen von Käfern: Population A hat eine durchschnittliche Fitness von 0,75 und Population B von 0,60. Wie könnte sich die Zusammensetzung dieser beiden Populationen nach mehreren Generationen entwickeln, wenn beide denselben Raum teilen und sich nicht gegenseitig befruchten können?

Lösung:

Begriffserklärung des Begriffs 'Fitness' in Bezug auf die natürliche Selektion:

• Die Fitness eines Individuums beschreibt seinen relativen Fortpflanzungserfolg im Vergleich zu anderen Individuen derselben Population. Sie misst die Fähigkeit eines Organismus, seine Gene erfolgreich an die nächste Generation weiterzugeben. Individuen mit höherer Fitness haben eine höhere Wahrscheinlichkeit, Nachkommen zu zeugen, die wiederum ähnliche förderliche Merkmale besitzen.

Mathematische Ausdrucksweise von Fitness:

• Die Fitness kann mathematisch als der erwartete Reproduktionserfolg eines Individuums oder einer Genotyp-Klasse ausgedrückt werden:

F = \frac{\text{Anzahl Nachkommen eines Individuums}}{\text{maximale Anzahl Nachkommen in der Population}}

Wenn wir nun die Käferpopulationen betrachten:

• Für Population A mit einer durchschnittlichen Fitness von 0,75 gilt:

F_A = 0,75

• Für Population B mit einer durchschnittlichen Fitness von 0,60 gilt:

F_B = 0,60

Rolle der Fitness in der natürlichen Selektion:

• Individuen und Populationen mit höherer Fitness haben mehr Nachkommen und setzen sich somit langfristig gegenüber solchen mit geringerer Fitness durch. Wenn also beide Populationen denselben Raum teilen, bedeutet dies, dass Population A (mit einer Fitness von 0,75) eine höhere Wahrscheinlichkeit hat, sich stärker zu vermehren und einen größeren Anteil der Gesamtpopulation zu stellen als Population B (mit einer Fitness von 0,60).

Entwicklung der Zusammensetzung der Populationen nach mehreren Generationen:

• Zu Beginn sind beide Populationen im selben Raum vorhanden, aber sie können sich nicht gegenseitig befruchten.
• Aufgrund der höheren Fitness wird Population A im Laufe der Zeit einen größeren Anteil der gemeinsamen Ressourcen nutzen und ihre Anzahl wird steigen.
• Population B wird dagegen langsamer wachsen und einen geringeren Anteil der Population ausmachen.
• Die relativen Häufigkeiten der beiden Populationen werden sich also zugunsten von Population A verschieben.

Mathematisch lässt sich auch vorhersagen, dass der relative Anteil einer Population über viele Generationen exponentiell anwächst bzw. abnimmt.

• Wenn wir die Anzahl der Generationen mit 'n' bezeichnen und annehmen, dass beide Populationen zu Beginn gleich groß sind, wird Population A den Anteil 'P_A' und Population B den Anteil 'P_B' an der Gesamtpopulation wie folgt entwickeln:

P_A = \frac{F_A^n}{F_A^n + F_B^n}

P_B = \frac{F_B^n}{F_A^n + F_B^n}

Nach mehreren Generationen n, wobei n groß ist, wird

• P_A selbstverständlich die Population dominieren, da 0.75^n > 0.60^n.
• Dies führt zu einer nahezu vollständigen Dominanz von Population A über Population B.

b)

Betrachte eine Population von Organismen, bei denen ein bestimmtes Merkmal (z.B. Größe) variieren kann und unter natürlicher Selektion steht. Leite eine Gleichung her, die beschreibt, wie sich die Frequenz dieses Merkmals in der Population über die Zeit ändern könnte. Nehme dabei an, dass die Vererbung nach den Mendelschen Regeln geschieht und dass die Fitness für größere Individuen höher ist. Diskutiere die möglichen langfristigen Auswirkungen auf die Population, falls dieser Selektionsdruck über viele Generationen hinweg bestehen bleibt.

Lösung:

Problemstellung:

Wir betrachten eine Population von Organismen, bei denen ein Merkmal wie beispielsweise die Größe variieren kann und unter dem Einfluss der natürlichen Selektion steht. Die Fitness für größere Individuen ist höher, und die Vererbung erfolgt gemäß den Mendelschen Regeln. Unser Ziel ist es, eine Gleichung herzuleiten, die beschreibt, wie sich die Frequenz dieses Merkmals in der Population über die Zeit ändern könnte, und die langfristigen Auswirkungen auf die Population zu diskutieren.

Herleitung der Gleichung:

• Erste Annahme: Wir verwenden ein einfaches Modell mit zwei Allelen: 'A' (groß) und 'a' (klein).
• Die Frequenzen der Allele in der Population in Generation t sind:

p_t = \text{Frequenz von A} q_t = \text{Frequenz von a}

• Wir wissen, dass p_t + q_t = 1.
• Die Fitness der Genotypen wird wie folgt angenommen:

W_{AA} = 1.1 \ W_{Aa} = 1.0 \ W_{aa} = 0.9

• Die relativen Häufigkeiten der Genotypen in der nächsten Generation (t+1) werden durch die Fitness und die Frequenzen der entsprechenden Allele bestimmt. Die Frequenz der Allele A und a in der nächsten Generation ist gegeben durch:

p_{t+1} = \frac{p_{t}^2 \times W_{AA} + p_{t} \times q_{t} \times W_{Aa}}{ \bar{W} } \ q_{t+1} = \frac{q_{t}^2 \times W_{aa} + p_{t} \times q_{t} \times W_{Aa}}{ \bar{W} }

• Hierbei ist \bar{W} die durchschnittliche Fitness der Population:

 \bar{W} = p_{t}^2 \times W_{AA} + 2 \times p_{t} \times q_{t} \times W_{Aa} + q_{t}^2 \times W_{aa} 

Langfristige Auswirkungen des Selektionsdrucks:

• Auf lange Sicht führt der höhere Fitnessvorteil von größeren Individuen (hier repräsentiert durch das Allel A) dazu, dass die Frequenz des Allels A in der Population steigt.
• Bei konstantem Selektionsdruck wird die Population immer größere Individuen bevorzugen, was sich in einer höheren Frequenz des Allels A niederschlägt.
• Langfristig könnte diese Selektion dazu führen, dass das Allel A die Population dominiert und das Allel a vollständig verdrängt wird.

Schlussfolgerungen:

• Natürliche Selektion kann die Allelfrequenzen in einer Population erheblich verändern.
• Im Fall unseres Beispiels führt die höhere Fitness der größeren Individuen dazu, dass deren Genotypen (mit dem Allel A) in der Population häufiger werden.
• Über viele Generationen hinweg kann dieser Selektionsdruck dazu führen, dass die Population fast ausschließlich aus größeren Individuen besteht.