Evolution

Evolution ist die Naturwissenschaft, die an der Veränderung von vererbbaren Merkmalen einer Population von Lebewesen, die mittels Mutationen von Generation zu Generation weitergegeben werden, forscht.

Wie konnte sich ein Einzeller irgendwann zu einem solchen Wesen, wie es der Mensch ist, weiterentwickeln? Und warum haben sich gewisse Merkmale durchgesetzt, während andere Gene ausgestorben sind?

Wie entstand Leben auf der Welt? Das ist eine Frage, auf die es noch keine konkrete Antwort gibt. Man geht davon aus, dass Leben, also organisches Material, aus anorganischen Materialien entstanden ist. Zu organischen Materialen zählen Kohlenstoffverbindungen wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffe. Anorganische Materialen hingegen umfassen Verbindungen ohne Kohlenstoff wie etwa H2O und O2. Kohlenstoffdioxid sowie Kohlenstoffmonoxid und Kohlensäure enthalten zwar auch Kohlenstoff, gehören aber zu den anorganischen Kohlenstoffverbindungen. Bezüglich der Entstehung des Lebens wird angenommen, dass irgendwann aus anorganischen Stoffen organische entstanden sind. Das bedeutet, dass chemische Reaktionen mit unbelebter Materie zu Leben geführt haben.

Die chemische Evolution besagt, dass durch chemische Reaktion in der Uratmosphäre der Urerde organische Verbindungen entstanden sind. In dieser Ursuppe waren diverse Elemente zu finden. Wasser in Form von Dampf, Kohlenstoffdioxid, Ammoniak, Spuren von Schwefelwasserstoff und so weiter. Ein Element fehlte allerdings: Sauerstoff. Die Energie für Reaktionen zwischen diesen Stoffen kam aus der Sonne, die mit ihren extrem starken, radioaktiven UV-Strahlen auf die Erde einstrahlte, sowie aus vulkanischer Aktivität und aus den Blitzen heftiger Gewitter.

Die ersten einfachen Lebensformen, sind im damaligen Ozean entstanden, in der sogenannten Ursuppe. Diese Hypothese wurde bei dem Miller-Urey-Experiment getestet.

Bei diesem Experiment haben zwei Wissenschaftler, Stanley Miller und Harold Urey, ein die Bedingungen der Uratmosphäre nachgeahmt, um die Entstehung biologischer Moleküle zu erforschen.

Stanley Miller und Harold Urey waren US-amerikanische Chemiker, die beide starkes Interesse an dem Frühstadium des Planeten und der Uratmosphäre hatten. Sie führten das Experiment in einem Glaskolben durch, dem acht Tage lang kontinuierlich ein Gasgemisch aus Methan, Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid, Ammoniak und einer großen Menge Wasserdampf zugeführt wurde. Während dieser acht Tage fanden ständig elektrische Entladungen statt, die die Blitze der Uratmosphäre nachahmten. Unter keinen Umständen wurde dem System Sauerstoff zugefügt, denn in der Ursuppe gab es auch keinen Sauerstoff.

Die kondensierende Flüssigkeit in dem Glaskolben wurde mittels Gaschromatographie untersucht. Als Ergebnis haben Miller und Urey festgestellt, dass sie aus anorganischen Molekülen organische Stoffe wie Harnstoff, Milchsäure und sogar Aminosäuren hergestellt hatten.

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Unter Biogenese versteht man die Entstehung von biologischen Stoffen aus schon bestehenden Lebensformen. Das Experiment von Miller und Urey basiert hingegen auf der Abiogenese – einem Vorgang, bei dem aus unbelebter Materie unter bestimmten Bedingungen Lebensformen entstehen können.

Bis ins 19. Jahrhundert glaubte man, dass Leben aus toter Materie entsteht, wie z. B. Maden oder Schimmelpilze, die sich auf Fleisch bilden. Diese Hypothese widerlegte Louis Pasteur mit seinen Experimenten und bewies, dass Leben nur aus lebenden Stoffen hervorgehen kann.

Der Unterschied zwischen dem Experiment von Miller/Urey und jenem von Pasteur ist, dass Pasteur gezeigt hat, dass keine Organismen aus unbelebter Materie entstehen, wobei Miller und Urey bewiesen haben, dass sich organische Stoffe in der richtigen Umgebung aus unbelebter Materie entwickeln können – für vollständige Lebewesen braucht es hingegen eine sehr lange Zeit, bis diese enstehen.

Protobionten sind Vorläufer von Prokaryoten. Sie sind ein abgeschlossener Reaktionsraum mit organischen Molekülen. Bedingt durch den abgeschlossenen Raum sind sich die chemischen Stoffe im Protobionten sehr nahe, sodass sich Stoffwechselwege bilden können. Dadurch werden Probionten als Verbindungsstück zwischen losen organischen Stoffen der Ursuppe und der Entstehung der ersten prokaryotischen Zellen gesehen.

Die Endosymbiontentheorie ist eine Theorie zur Beschreibung der Entstehung der Organellen von eukaryotischen Zellen. Mittels der Endosymbiontentheorie versucht man zu erklären, wie Eukaryoten aus prokaryotischen Vorläuferzellen entstanden sind.

Vorweg: man geht davon aus, dass es zwei Arten von Ernährungstypen bei Prokaryoten gab. Die chemotrophe Ernährung und die phototrophe Ernährung. Bei der chemotrophen Ernährung wird Energie durch chemische Reaktionen gewonnen, bei der phototrophen Ernährung hingegen durch Licht.

Der wichtigste Aspekt der Endosymbiontentheorie ist, dass die phototrophen und chemotrophen Zellen von anderen prokaryotischen Zellen mittels Phagozytose aufgenommen wurden. Nach der Phagozytose wurden die Zellen nicht lysiert oder verdaut, sondern sie haben ihr Tagewerk weitergetrieben und es entstand eine Symbiose.

Symbiose beschreibt eine Beziehung, in der beide Partner voneinander profitieren. Da diese Symbiose im Zellinneren abläuft, nennt man den Vorgang Endosymbiose. Diesen funktionellen Komplex aus zwei prokaryotischen Zellen nennt man eukaryotische Vorläuferzelle. Bei tierischen Zellen sind die Endosymbionten die Mitochondrien, bei pflanzlichen Zellen sind es die Plastiden.

Hinweise für diese Theorie sind folgende Umstände:

1. Mitochondrien und Plastiden verfügen über eine eigene DNA, welche der DNA von Bakterien sehr ähnelt.
2. Ein weiterer Hinweis ist, dass Mitochondrien eine Doppelmembran besitzen.
3. Diese könnte während der oben erwähnten Phagozytose entstanden sein.
4. Das letzte Indiz ist für die Endosymbiontentheorie ist, dass die Reproduktion der Plastiden und Mitochondrien losgelöst von der Replikation der Zelle abläuft – ergo autonom und durch Teilung stattfindet.

Es gibt sechs grundlegende Kennzeichen des Lebens.

1. Zum einen verfügen Lebewesen über die Möglichkeit der Vererbung von Merkmalen, also der Weitergabe des Erbgutes an Nachfahren.
2. Der nächste Punkt ist die Reproduktion, diese lässt sich anhand des ersten Punktes erschließen und bedeutet, dass eine Fortpflanzungsmöglichkeit der Lebewesen besteht.
3. Der dritte Punkt ist die Reizbarkeit von Lebewesen – d. h. sie können auf Reize von außen reagieren.
4. Weiters sind die Homöostase und der Besitz von Struktur, Organisation und die Selbstregulation ein Kennzeichen des Lebens.
5. Der nächste Punkt ist die Fähigkeit zum Energie- und Stoffwechsel und somit die Möglichkeit, in einer Wechselwirkung mit der Umwelt zu sein.
6. Als letzten Punkt haben Lebewesen die Fähigkeit zu wachsen und sich zu entwickeln.

Wenn eine Zelle oder eine Ansammlung von Zellen diese Kennzeichen besitzt, gilt sie als Lebewesen.

Die Evolutionstheorie beschäftigt sich mit der Entwicklung der Vielzeller in der gesamten Welt der Pflanzen und Tiere im Zuge der Zeit.

Der Naturforscher Charles Darwin hat mit seinem Buch Über die Entstehung der Arten den Grundbaustein für das Verständnis über die Evolution gelegt. Obwohl er seekrank war, verbrachte er fast 5 Jahre auf dem Schiff HMS Beagle und erkundete Landschaften sowie die Lebewesen und die Fossilien in den von ihm bereisten Regionen. Nach dem Aufenthalt auf dem Schiff verfasste er ein Buch mit seinen Ideen, das wie bereits oben erwähnt den Titel trägt: Origin of species – zu Deutsch: Über die Entstehung der Arten.

Seine Ideen beinhalteten die natürliche Selektion und das Konzept: survival of the fittest; was so viel bedeutet wie das Überleben des am besten Angepassten. Er traf bei einigen Ökosystemen auf eine große Zahl von Lebewesen sowie Fossilien, die viele Gemeinsamkeiten zwischen den verschiedenen Lebensformen aufzeigten.

Anhand dieser Funde bildete sich die Theorie zur Anpassung an Lebensräume durch Variation und natürliche Selektion. Auf dieser Theorie basiert die Grundidee der heutigen Evolutionslehre: Lebewesen entwickeln sich genetisch durch Mutationen weiter. Von der Natur begünstigte Mutationen, die die Anpassung fördern, werden weitergeben, andere Mutationen, die keinen Vorteil bringen, werden nicht weitergegeben.

Eine Spezies reproduziert sich natürlicherweise so oft, dass eine gewisse Anzahl an Nachkommen überlebt und ihre Population somit wächst. Ressourcen sind jedoch begrenzt – somit herrscht laut Darwin ein Kampf um das Überleben.

Merkmale und Fähigkeiten von Individuen innerhalb einer Population sind deutlich voneinander zu unterscheiden. Diese intraspezifische Variabilität ist erblich. Sie ist auch der Grund, warum manche Merkmale weitervererbt wurden und manche nicht. Denn hier gilt wieder das Überleben des am besten Angepassten.

Die Nachkommen eines besser angepassten Individuums werden mit höherer Wahrscheinlichkeit überleben und selbst Nachkommen zeugen. Diesen Umstand nennt man natürliche Selektion. Wenn man diesen Prozess längerfristig beobachtet, ergeben sich durch räumlich getrennte Population und Anpassung an den neuen Lebensraum irgendwann neue Arten, die sich nicht mehr mit der früheren Stammart fortpflanzen können. So kommt es zur Artbildung.

Der Artbegriff wird dahingehend definiert, dass die Individuen einer Art grundlegend gleiche Merkmale haben und eine Fortpflanzungsgemeinschaft bilden. Zwei Individuen gehören zur selben Art, wenn sie sich fortpflanzen und fruchtbare Nachkommen zeugen können. Durch diese geschlechtliche Fortpflanzung kommt es zur Durchmischung der Gene. Die Gesamtheit der Gene wird Genpool genannt.

Darüber hinaus gibt es verschiedene Fortpflanzungsschranken, die einer Art innewohnen. Durch diese Schranken wird eine Vermischung mit anderen Arten vermieden.

Diese Fortpflanzungsschranken sind zum Beispiel geographisch oder physiologisch. Manche Arten treffen nie aufeinander, da sie an verschiedenen Stellen der Erde wohnen, andere Arten können sich nicht paaren, da ihre Geschlechtsteile nicht zueinander passen oder weil sie auf das Paarungsverhalten des anderen nicht reagieren. 

Bei der Artenbildung kommt es zu einem Stillstand des Austauschs genetischen Materials zwischen zwei oder mehreren Teilpopulation. Dieser Austausch wird auch Genfluss genannt.

Es gibt zwei Formen der Artenbildung:

1. allopatrische Artenbildung
2. sympatrische Artenbildung

Allopatrische Artenbildung bedeutet, dass es durch räumliche Trennung zu Teilpopulation kommt, welche sich anhand von Mutation und Anpassungen in unterschiedliche Arten entwickeln. 

Die sympatrische Artenbildung  ist durch das Auftreten einer Fortpflanzungsschranke bedingt. 

Den Vorgang der Aufteilung des Genpools in zwei Teilpopulationen nennt man genetische Separation.

Es gibt verschiedene Evolutionsfaktoren:

• Mutationen
• Rekombination
• Selektion
• Gendrift

Zu einer Veränderung im Rahmen der Evolution kommt es nur, wenn der Genpool nicht mehr konstant ist. Der Genpool bleibt konstant, wenn:

1. es eine sehr große Anzahl von Individuen in der Gruppe gibt.
2. alle Individuen eine gleich große Wahrscheinlichkeit für Fortpflanzung haben.
3. es keinerlei Mutationen gibt.
4. alle Individuen dieselbe Fitness besitzen.

In der Realität ist so eine „Idealpopulation“ nicht vorzufinden, da der Genpool nie konstant bleibt. Nimmt man diese Voraussetzung jedoch modellhaft an, wäre das Hardy-Weinberg-Gesetz anwendbar. Mit diesem Gesetz kann die Häufigkeit gewisser Allelkombinationen in einer Population berechnet werden. 

Lebewesen können mittels vorteilhafter Mutationen, die zu einer besseren Anpassung des Organismus an die Umwelt führen, eine bessere Fitness entwickeln.

Diese Mutationen müssen aber in einer gewissen Waage gehalten werden, denn wenn Individuen starke phänotypische Veränderungen aufweisen, kann dies bei der sexuellen Selektion Probleme verursachen und somit ihre Fortpflanzungsmöglichkeit mindern.

Bei der sexuellen Selektion ist nicht alles mit der natürlichen Selektion zu erklären. Manchmal gibt es Eigenschaften, die die natürliche Selektion nicht begünstigt, jedoch die sexuelle.

Das beste Beispiel dafür ist der blaue Pfau. Der männliche Pfau mit den schönsten und prächtigsten Federn ist der beliebteste bei den weiblichen Pfauen. Die Federpracht bringt aber negative Aspekte für die natürliche Selektion mit sich, da Pfauen dadurch leichte Beute für Raubtiere werden.

Dennoch ist dieses Merkmal von Bestand, somit muss die sexuelle Selektion bei den Pfauen eine stärkere Wirkung als die natürliche Selektion haben.

In der Evolution spielt der Zufall eine gewisse Rolle und kann zu einer sogenannten Gendrift führen.

Wenn zum Beispiel durch eine Naturkatastrophe eine Population lokal getrennt wird, kommt es zur Gendrift. Durch diese zufällige Aufteilung werden manche Gene aus der Vorläuferpopulation, auch Gründerpopulation genannt, zum Hauptbestandteil der neuen Population. Das bedeutet: wenn die genetische Variabilität in der Gründerpopulation z. B. ein Gen nicht begünstigt hat, kann es zufällig in der neuen Population das „Hauptgen“ werden.

Diesen Prozess nennt man auch Flaschenhalseffekt. Die Gendrift ist somit stärker in kleineren Population, als in großen, da die genetische Variabilität von der Gruppengröße abhängt.

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Wenn ein Teil einer Population isoliert wird, zum Beispiel durch Auswandern auf eine Insel, kommt es zum sogenannten Gründereffekt.

Weil nur ein paar Individuen der ursprünglichen Stammpopulation eine neue Population gründen, sind in dieser neuen Gründerpopulation weniger verschiedene Allele vorhanden. Der Genpool der Stammpopulation wird also nur teilweise repräsentiert. Dieser Mangel an genetischer Variabilität ist meist kein Vorteil. Der Gründereffekt trägt dazu bei, dass kleine, abgeschottete Population häufiger vom Aussterben bedroht sind.

Die Rekombination der Gene bei der Fortpflanzung von Individuen ist auf das Crossing over zurückzuführen. Die Rekombination von Genen, die bei der Meiose passiert, führt zu verändertem Erbgut und neuen Kombinationen im Vergleich zu den Vorfahren und somit längerfristig zu Veränderung in der Population.

Während der evolutionären Entwicklung von Lebewesen haben sich die unterschiedlichsten Tiere aus den oben beschriebenen Prozessen herausgebildet – eines davon war im Rahmen der Menschwerdung der Homo sapiens sapiens.

Die Menschwerdung soll vor etwa 5 – 8 Millionen Jahren in Afrika begonnen haben – diese Vermutung basiert auf der sogenannten „Out-of-Africa“-Theorie. Alle anderen Mitglieder der Gattung Homo, also unsere Vorfahren, sind nur noch in fossiler Form zu finden.

Der uns nächste Vorfahr, der meist als Cousin des Menschen beschrieben wird, ist der Homo neandertalensis. Vor ihm gab es einen gemeinsamen Vorfahren namens Homo erectus. Der Vorfahre des Homo erectus war der Homo rudolfensis, dessen Cousin der Homo habilis ist.

Der Homo habilis ist der älteste Vertreter der Gattung Homo – vor ihm gab es die Australopithecus-Gattung. Das Bindeglied zwischen den Australopithecinen und der Homo Gattung ist der Australopithecus afarensis.

Das bekannteste Fossil zu dieser Art ist Lucy. Sie weist wie alle Zwischenformen der Merkmale beider Gattungen auf. Sie hat z. B. das Hirnvolumen der Gattung Homo, aber die Backenzähne der Gattung Australopithecus.

Den Menschen, Homo sapiens sapiens, ordnet man in der Klassifikation der Lebewesen bestimmten Kategorien zu:

Als Stamm werden wir in den Stamm der Chordatiere bzw. dem Unterstamm der Wirbeltiere eingeordnet. Neben dem Stamm gehören wir der Klasse der Säugetiere an – genauer der Unterklasse der höheren Säugetiere. Die Ordnung, in der unsere Spezies kategorisiert ist, ist die der Primaten, genauer der Trockennasenaffen (Unterordnung). Unsere Familie ist die der Menschenaffen bzw. unsere Unterfamilie ist die der Homininae. Zu guter Letzt gehören wir der Gattung Homo an, sowie unsere Art der Mensch bzw. der Homo sapiens ist.

Was unterscheidet uns nun von unseren nahen Verwandten in der Ordnung der Primaten? Hier nur einige Punkte:

1. Zum einen der hochentwickelte Verstand. Dieser ist möglich aufgrund des größeren Volumens unserer Schädel.
2. Ein weiterer markanter Entwicklungspunkt ist der aufrechte Gang. Dieser wird bedingt durch viele verschiedene Faktoren wie z. B. die Verlagerung des großen Hinterhauptslochs (Foramen magnum) weiter in den mittleren Part des Schädels. Der wichtigste Aspekt des aufrechten Ganges ist die Verlagerung des Körpermittelpunkts in die Körpermitte und nicht mehr vor den Körper.
3. Der opponierbare Daumen ist ebenfalls ein Unterscheidungsmerkmal, so wie unsere hochentwickelte Auge-Hand-Koordination.
4. Eines der wichtigsten Merkmale ist unsere hochentwickelte Sprache.
5. Es gibt im Tierreich auch andere Tiere, die Werkzeuge verwenden, aber es wird trotzdem als Unterscheidungsmerkmal für Menschen gesehen, dass unsere Vorfahren sehr präzise mit Werkzeugen umgehen konnten und diese weiterentwickelt haben.
6. Ein weiteres Merkmal ist das frühe Gebären von Kindern.