Ausgewählte Grundlagen der biologischen Evolution

Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren
K2: Ausgewählte Grundlagen der biologischen Evolution
Ausgewählte
Grundlagen der biologischen Evolution
 Grundlagen der biologischen Evolution
 Chromosome und Gene
 Genotyp und Phänotyp
 Evolutionsfaktoren
 Epigenetik und was wir sonst noch nicht verstanden haben
 Gene und Umwelt
 Prinzipien der Informationsverarbeitung der Evolution
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Studiengang Wirtschaftsinformatik
Dr. W. Jakob
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Grundlagen d. biol. Evolution - Chromosome und Gene
Biologische Evolution
Der Genetische Code ist der „Bauplan“ aller Lebewesen auf der Erde
Alphabet = { Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin } (Nukleotide)
Ein Chromosom besteht aus Nukleotiden:
A-G-C-A-T-A- C-G-T-G-A-G-A-A-G-T-C-C-T-G-T-...
Gene sind Nukleotidsequenzen mit zuordenbarer phänotypischer Bedeutung.
Bakterien haben ca. 4*106 Nukleotide (ca 4.500 Gene)
Der Mensch hat ca. 3*109 Nukleotide (ca. 20.000- 25.000 Gene)
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Grundlagen d. biol. Evolution - Chromosome und Gene
Evolution und Zeit:
Mensch
Känozoikum
Mesozoikum
Paläozoikum
Eozoikum
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Grundlagen d. biol. Evolution
Evolutionstheorie:
 Darwin (~1860): Evolution = stufenweiser Prozess des Zusammenwirkens zufälliger
Variationen und Selektion (natürliche Zuchtwahl)
„survival of the fittest“ NICHT „Überleben des Stärkeren“!
 Mendel (~1860): Vererbungslehre, Kreuzungsexperimente, Mendelsche Regeln,
Dominante und rezessive Vererbung (späte Rezeption der Arbeiten)
 Populationsgenetik (ab ca. 1900): Vererbung, Individuum und Population
 Molekularbiologie (ab ca. 1944): DNA als Erbsubstanz, molekularbiologische
Mechanismen der Vererbung, Genetik
 Craig Venter (2000): Sequenzierung des menschlichen Genoms
 Epigenetik (aktuell): Einfluss von Umweltfaktoren auf Erbinformation und Vererbung
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Grundlagen d. biol. Evolution - Genotyp und Phänotyp
Genotyp und Phänotyp:
Allel
Mutation
Ausprägung eines Gens
hier: G-T-G-A
A-G-C-A-T-A- C-G-T-G-A-G-T-C
T
Phänotyp
Gen
Genotyp
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Grundlagen d. biol. Evolution - Genotyp und Phänotyp
Zuordnung zwischen Gen und Merkmal:
Eine direkte Zuordenbarkeit ist eher selten.
 Pleiotropie: Ein Gen bestimmt mehrere phänotypische Merkmale
 Polygenie: Mehrere Gene bestimmen ein phänotypisches Merkmal
Bei höheren Lebewesen häufig
 Gene liegen doppelt vor und ihre Allele können sich unterscheiden!
 Dominanz oder Rezessivität entscheidet über Durchsetzung
 beide rezessiv:  phänotypische Auswirkung des rezessiven Merkmals
 unvollständige Dominanz: nur ein stärkerer Einfluss auf das Merkmal
 intermediäre Vererbung: beide Gene schließen eine Art „Kompromiss“
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Grundlagen d. biol. Evolution - Evolutionsfaktoren
Evolutionsfaktoren:





Mutation
Rekombination und Crossover
Selektion und Population
Isolation und Migration
Epigenetik
 Mutation
Spontane Veränderung des Erbmaterials, phänotypisch ungerichtet
 Genmutation
Veränderung des Allelzustands eines Gens
 Chromosomenmutationen
Veränderung der Chromosomenstruktur
 Genommutation
Veränderung der Anzahl einzelner Chromosomen oder ganzer Sätze
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Grundlagen d. biol. Evolution - Evolutionsfaktoren
 Rekombination und Crossover
Rekombination: Weitgehend zufällige Vermischung der einfachen
elterlichen Chromosomensätze bei der Bildung der
diploiden Keimzelle
Crossover:
Austausch erfolgt bei der Keimzellenbildung durch
Brücken und Kreuzungen der homologen Chromosome
(gleichartige Chromosome, unterschiedliche Allele möglich).
Bewirkt meist nur Allel-Austausch.
Wenn nicht, erfolgt Chromosomenmutation:
 Löschung von Chromosomenabschnitten
 Verdopplung von Chromosomenabschnitten
 Verschiebung von Chromosomenabschnitten (Translokation)
 Inversion eines Chromosomenabschnittes
(Umkehrung der Reihenfolge)
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Grundlagen d. biol. Evolution - Evolutionsfaktoren
 Selektion und Population
Selektion:
Bewirkt, dass die im Sinne der Umweltbedingungen
Bestangepassten ihre Erbanlagen mit höherer
Wahrscheinlichkeit an die Folgegeneration weitergeben.
Population: Menge an Individuen, die Nachkommen erzeugen können.
Das eigene Genmaterial ist aus Sicht eines Individuums fixiert.
Das Genmaterial einer Population (Genpool) variiert und ändert sich.
Die genotypische Varianz einer Population ist wesentlich für die
Anpassungsfähigkeit einer Art an Umweltänderungen.
Mutationen sorgen für genotypische Varianz.
Bei hinreichender genotypischer Varianz bewirkt die Rekombination eine
schnellere Anpassung einer Art als die reine Mutation.
(Daher dominiert bei höheren Lebewesen die geschlechtliche Vermehrung)
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Grundlagen d. biol. Evolution - Evolutionsfaktoren
 Isolation und Migration
Geographische Trennung bewirkt Aufteilung einer Population:
Entstehung von Teilgruppen oder Demes (Isolation).
Vermehrung findet in den Teilgruppen statt und
nicht in der Gesamtpopulation (keine Panmixie).
Höhere Chance für Mutanten, sich zu behaupten.
Wechsel einzelner Individuen zu anderen Demes (Migration) bewirkt
Austausch von stärker differenziertem Erbmaterial.
Ermöglicht bessere oder schnellere Anpassung.
Isolation und Migration fördern die Herausbildung
unterschiedlich gut angepasster Individuen,
deren Mischung eine verbesserte Qualität hervorbringen kann.
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Grundlagen d. biol. Evolution - Epigenetik und Unverstandenes
Epigenetik und was wir sonst noch nicht verstanden haben:
Das Erbmaterial ist der Bauplan der Zellen und der Lebewesen.
Was aber steuert die Entwicklung eines Lebewesens?
 das Wachstum?
 die Differenzierung der Organe?
 die Heilung?
 das Nachwachsen von Gefäßen, Organteilen, … ?
Beeinflusst die Umwelt das Erbmaterial?
JA! Siehe Epigenetik
Wie ist das Verhältnis zwischen Umwelt und Genen?
 Bestimmen die Gene unseren Charakter, unsere geistigen Fähigkeiten?
gewaltige sozialpolitische, ethische und
 oder die Umwelt?
philosophische Implikationen:
 oder beides??
 Ist Faulheit angeboren?
 Lohnt Bildung für „dumme Familien“?
 Gibt es ein Verbrecher-Gen?
 Gibt es genetisch bessere Rassen?
 Lohnt Resozialisierung?
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Grundlagen d. biol. Evolution - Epigenetik und Unverstandenes
Epigenetik:
„jenseits konventioneller Genetik“ (genaue Definition steht noch aus)
An- und Abschalten von Genen bei unveränderter DNA-Sequenz,
Regulierung der Intensität ihres Einflusses (Promotor-Abschnitte).
Methylierung, ein wichtiger biochemischer Mechanismus beim Schalten:
Andocken von Methylgruppen bei unveränderter DNA
 Methylierung unterliegt Umwelteinflüssen
 Methylierung ist (vergleichsweise leicht) umkehrbar
 Methylierung kann vererbt werden und unterliegt dann auch den
Mechanismen der Genetik
 Vererbte Methylierung kann sich über Generationen abschwächen
Epigenetische Mechanismen sind auch ein Wirkprinzip der
Entwicklungssteuerung von Zellen und Lebewesen.
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Grundlagen d. biol. Evolution - Gene und Umwelt
Gene und Umwelt:
Sequenzierung des menschlichen Genoms in den 90-igern (Craig Venter)
Start einer intensiven Suche nach
 Krankeitsgenen
(ohne Erbkrankheiten)
 Herzinfarkt
 Krebs
...
 Methusalemgen
 Charaktergen
 Kettenrauchergen
 Körpergewichtsgen
 Intelligenzgen
...
Die Suche blieb letztlich erfolglos!
Es gibt nicht DAS Gen für Intelligenz, Charaktereigenschaften, …
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Grundlagen d. biol. Evolution - Gene und Umwelt
Einige Ergebnisse des Genom-Projekts:
 Bei Begabungen und ähnlichem spielen viele Gene eine Rolle
(polygenetische Vererbung), vor allem aber die Umwelt
(Neurogenetik: Ohne Umweltreize verkümmert das Gehirn)
 Alle Ethnien tragen die „out of Africa-Genes“
(… wir sind letztendlich alle Afrikaner)
 Dies gilt auch für die Chinesen
(keine Abstammung von den Neandertalern, wie von Teilen der chinesischen
Wissenschaft behauptet)
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Grundlagen d. biol. Evolution - Informationsverarbeitung
Prinzipien der Informationsverarbeitung der Evolution:
Bezogen auf das einzelne Lebewesen:
 zufällige Mischung der elterlichen Erbinformation
 zufällige Veränderung von (kleinen) Teilen der Erbinformation
 Je größer die Fitness, desto höher die Wahrscheinlichkeit zur Reproduktion
 Umwelteinflüsse können die Erbinformation verändern.
Bezogen auf die Population:
 Räumliche Einschränkung bei der Partnerwahl
 Partnerwahl gemäß Fitness
 Anpassung erfolgt langsam im Verlauf der Generationen
Bezogen auf die kulturelle Evolution:
 Weitergabe von erlernbaren Fähigkeiten an die nächste Generation
 Weiterentwicklung erlernbarer Fähigkeiten im Laufe einer Lebensspanne
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Grundlagen d. biol. Evolution – Das Wichtigste in Kürze
 Die Evolution braucht (und hat) Zeit
F3
 Zuordnung zwischen Genen und Merkmalen:
Geno- und Phänotyp
F5 – F6
 Evolutionsfaktoren: Vererbung, Selektion und Population,
Isolation und Migration, Epigenetik
F7 – F12
 Prinzipien der Informationsverarbeitung
der biologischen Evolution
F15
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