Evolution (BIO-Evo)

In einer Bakterienkultur überleben nach Antibiotikagabe nur wenige Zellen; nach einigen Generationen ist fast die ganze Kultur resistent. Erkläre den Befund mit Darwins Mechanismus - und nicht mit Lamarck.

1. 01Variation VOR der Selektion

   Durch zufällige Mutationen tragen einige Zellen bereits ein Resistenzallel - unabhängig davon, ob je ein Antibiotikum auftaucht.

2. 02Selektionsdruck

   Das Antibiotikum tötet die empfindlichen Zellen; nur die zufällig resistenten überleben.

3. 03Differenzielle Reproduktion

   Die Überlebenden vermehren sich und geben das Resistenzallel weiter - bei Bakterien zusätzlich horizontal über Plasmide.

4. 04Verschiebung der Allelfrequenz

   Nach wenigen Generationen dominiert das Resistenzallel die Population.

Ergebnis: Die Resistenz war nicht die Antwort auf das Antibiotikum (Lamarck), sondern bestand zufällig schon vorher und wurde nur selektiert (Darwin). Das ist ein direkter Beleg für Evolution durch natürliche Selektion - und die Grundlage des klinischen Resistenzproblems.

In einer Population sind 1 von 10000 Personen Albinos (Genotyp aa). Berechne die Allelfrequenz und den Anteil heterozygoter Träger.

1. 01q² bestimmen

   $q^{2} = 1/10000 = 0{,}0001$.

2. 02q

   $q = \sqrt{0{,}0001} = 0{,}01$.

3. 03p

   $p = 1 - q = 0{,}99$.

4. 042pq

   $2\cdot 0{,}99\cdot 0{,}01 \approx 0{,}0198 \approx 1{,}98\,\%$.

Ergebnis: Etwa 2 % der Bevölkerung sind heterozygote Träger - viel häufiger als die phänotypisch Betroffenen.

Ordne ein: (a) Vorderbein von Mensch, Wal und Fledermaus, (b) Flügel von Vogel und Insekt, (c) Auge von Wirbeltier und Tintenfisch. Jeweils homolog oder analog?

1. 01Kriterium klären

   Homolog = gleicher Bauplan/gleiche Abstammung (ggf. andere Funktion); analog = gleiche Funktion, aber verschiedene Abstammung (konvergente Evolution).

2. 02(a) Wirbeltier-Vorderbeine

   Gleicher Grundbauplan (Oberarm, Unterarm, Hand) trotz verschiedener Funktion (Greifen, Schwimmen, Fliegen) -> homolog.

3. 03(b) Vogel- vs. Insektenflügel

   Gleiche Funktion (Flug), aber völlig verschiedener Bauplan und Ursprung -> analog (konvergent).

4. 04(c) Wirbeltier- vs. Tintenfischauge

   Ähnliche Linsenfunktion, aber unabhängig entstanden (Tintenfisch ohne blinden Fleck) -> analog.

Ergebnis: Nur Homologien (a) belegen Verwandtschaft und taugen für Stammbäume; Analogien (b, c) zeigen, dass ähnliche Selektionsdrücke unabhängig zu ähnlichen Lösungen führen.

Ordne Australopithecus afarensis, Homo erectus, Homo habilis und Homo sapiens zeitlich und ordne jeder Art ihr Schlüsselmerkmal zu.

1. 01Australopithecus afarensis (~3,2 Mio. J.)

   Bipedie - aufrechter Gang ("Lucy"); Hirnvolumen noch klein (~400-500 ccm).

2. 02Homo habilis (~2,4 Mio. J.)

   Erster systematischer Werkzeuggebrauch (Oldowan-Geröllgeräte).

3. 03Homo erectus (~1,9 Mio. J.)

   Hirnvolumen ~1000 ccm, Feuernutzung, erstes "Out of Africa".

4. 04Homo sapiens (~0,3 Mio. J.)

   Hirnvolumen ~1400 ccm, symbolisches Denken, komplexe Sprache.

Ergebnis: Die Reihenfolge belegt die Mosaik-Evolution: Bipedie kam zuerst, die starke Hirnzunahme erst deutlich später - die Merkmale entstanden also nicht gleichzeitig.

In einer Population beträgt die Frequenz des rezessiven Allels a zunächst q = 0,5. Der Genotyp aa ist letal (Selektionskoeffizient s = 1, vollständige Selektion). Wie groß ist die Allelfrequenz q in der nächsten Generation?

1. 01Ausgangsgenotypen

   Hardy-Weinberg: $AA = p^{2} = 0{,}25$, $Aa = 2pq = 0{,}5$, $aa = q^{2} = 0{,}25$.

2. 02Selektion

   aa (0,25) fällt vollständig aus; übrig bleiben $AA = 0{,}25$ und $Aa = 0{,}5$, Summe 0,75.

3. 03Neue a-Allele

   a steckt nur noch in Aa: Anteil $a = \dfrac{0{,}5\cdot \tfrac{1}{2}}{0{,}75} = \dfrac{0{,}25}{0{,}75}$.

4. 04Ergebnis

   $q\,' = \dfrac{q}{1+q} = \dfrac{0{,}5}{1{,}5} \approx 0{,}33$.

Ergebnis: Die Frequenz des rezessiven Allels sinkt von 0,5 auf etwa 0,33; rezessive Allele verschwinden bei Selektion nur langsam, weil sie in heterozygoten Trägern verborgen bleiben.

Ein homologes Protein mit 200 Aminosäurepositionen wird verglichen. Die Aufspaltung von Art A und Art B liegt fossil datiert 50 Mio. Jahre zurück; ihre Sequenzen unterscheiden sich an 10 Positionen. Art A und Art C unterscheiden sich am selben Protein an 16 Positionen. Schätze den Trennungszeitpunkt von A und C.

1. 01Kalibrierung (A vs. B)

   Sequenzunterschied $= \dfrac{10}{200} = 0{,}05 = 5\,\%$ über 50 Mio. Jahre.

2. 02Uhrrate bestimmen

   Rate $= \dfrac{0{,}05}{50\ \mathrm{Mio.\,a}} = 0{,}001\ \mathrm{pro\ Mio.\,a}$ (also $0{,}1\,\%$ Divergenz pro Mio. Jahre, summiert über beide Äste).

3. 03Divergenz A vs. C

   Sequenzunterschied $= \dfrac{16}{200} = 0{,}08 = 8\,\%$.

4. 04Zeit berechnen

   $t = \dfrac{\text{Divergenz}}{\text{Rate}} = \dfrac{0{,}08}{0{,}001} = 80\ \mathrm{Mio.\,Jahre}$.

Ergebnis: Der gemeinsame Vorfahr von A und C lebte vor rund 80 Mio. Jahren - die molekulare Uhr liefert hier nur eine kalibrierte Schätzung, keine exakte Datierung.