Aufgaben: Synthetische Evolutionstheorie, Artbildung und Stammbäume

Birkenspanner

In einem Industriegebiet Englands wurde der Anteil dunkler Birkenspanner untersucht: 1848 betrug er 1 %, 1895 betrug er 98 %. Die Baumstämme wurden durch Industrieruß dunkel. Dunkle Falter sind auf dunklen Stämmen für insektenfressende Vögel schlechter sichtbar. Die Färbung ist erblich.

1. a) Beschreiben Sie die Veränderung im Genpool der Population.

1. b) Nennen Sie den wirkenden Selektionsfaktor und erklären Sie den Begriff reproduktive Fitness am Beispiel.

1. c) Nennen Sie weitere Evolutionsfaktoren der Synthetischen Evolutionstheorie und geben Sie an, welche davon die erbliche Variation liefern.

Homologie und Konvergenz

Die Vordergliedmaßen von Mensch, Fledermaus und Wal haben dieselbe Grundstruktur aus Oberarmknochen, Elle, Speiche, Handwurzel-, Mittelhand- und Fingerknochen, erfüllen aber unterschiedliche Funktionen. Haie (Knorpelfische) und Delfine (Säugetiere) haben eine ähnliche stromlinienförmige Körperform, aber unterschiedliche innere Baupläne.

1. a) Nennen Sie die Kriterien der Homologie und ordnen Sie den Gliedmaßen ein Kriterium begründet zu.

1. b) Erläutern Sie, warum die Körperform von Hai und Delfin eine Analogie ist.

1. c) Erklären Sie den Begriff Konvergenz.

Isolation und Artbildung

Ein Bergsturz, der einen Fluss aufstaute, trennte vor etwa 20.000 Jahren eine Fischpopulation in zwei Teilpopulationen. Heute unterscheiden sich beide in Färbung und Laichzeit; im Labor paaren sie sich nicht mehr miteinander.

1. a) Geben Sie die Definition der Art nach dem populationsgenetischen Artbegriff an.

1. b) Beschreiben Sie die Artbildung durch geografische Isolation.

1. c) Nennen Sie zwei Mechanismen der reproduktiven Isolation, die nach der Trennung entstehen können.

Flaschenhals bei Gämsen

Eine Gamspopulation von 200 Tieren hat einen Genort mit zwei Allelen A und a: 98 Tiere AA, 84 Tiere Aa, 18 Tiere aa. Durch eine Lawine überleben nur 10 Tiere, davon 2 AA, 6 Aa und 2 aa.

1. a) Berechnen Sie die Allelfrequenzen von A und a vor und nach der Lawine.

1. b) Erklären Sie die Veränderung im Genpool mit dem Evolutionsfaktor Gendrift und grenzen Sie ihn von der Selektion ab.

1. c) Beurteilen Sie die Folgen für die genetische Variation und die Überlebenschancen der Population.

Kosten und Nutzen von Gesang

Bei einer Singvogelart singen Männchen unterschiedlich häufig. Ein Forschungsteam erfasste für drei Gruppen von Männchen die mittlere Zahl der Weibchen, die sich im Revier ansiedeln, sowie die jährliche Überlebenswahrscheinlichkeit (Greifvögel jagen akustisch auffällige Vögel).

Gesangsaktivität	niedrig	mittel	hoch
Weibchen im Revier	0,6	1,4	1,8
jährliche Überlebenswahrscheinlichkeit	0,80	0,72	0,55

1. a) Berechnen Sie für jede Gruppe das Produkt aus Überlebenswahrscheinlichkeit und Weibchenzahl (gerundet auf zwei Nachkommastellen) als Maß der reproduktiven Fitness.

1. b) Führen Sie eine Kosten-Nutzen-Analyse für die Gesangsaktivität durch.

1. c) Erläutern Sie, wie sich die Gesangsaktivität in der Population langfristig entwickeln wird, wenn sie erblich ist, und erklären Sie den adaptiven Wert des Verhaltens, ohne finale Begründungen zu verwenden.

Koevolution von Orchidee und Schwärmer

Eine Orchidee hat Blüten mit einem langen Sporn, an dessen Grund der Nektar liegt. Nur Nachtfalter (Schwärmer) mit langem Rüssel erreichen den Nektar und bestäuben dabei die Blüte. Beobachtungen in zwei Gebieten:

Gebiet	mittlere Spornlänge	mittlere Rüssellänge
A	20 cm	19 cm
B	28 cm	27 cm

Innerhalb jeder Population variieren beide Merkmale erblich.

1. a) Beschreiben Sie die Daten und berechnen Sie den Unterschied zwischen Sporn- und Rüssellänge in beiden Gebieten.

1. b) Erklären Sie die Befunde als Koevolution mit den Evolutionsfaktoren Mutation, Rekombination und Selektion.

1. c) Stellen Sie begründet eine Hypothese auf, wie sich der Verlust der Schwärmerart auf die Orchideenpopulation auswirken würde.

Evolution des Auges und nicht-naturwissenschaftliche Positionen

Eine Position besagt: „Das Auge ist so komplex, dass es nicht schrittweise entstanden sein kann; eine planende Instanz muss es geschaffen haben.“ Bei heutigen Weichtieren finden sich unterschiedlich gebaute Augen: Napfschnecken haben flache Gruben mit Lichtsinneszellen; der Perlboot (Nautilus) hat eine Grube mit enger Öffnung ohne Linse (Lochkamera-Auge); Schnecken haben teilweise eine Linse; Tintenfische haben ein Linsenauge mit Iris.

1. a) Erläutern Sie, wie die Befunde mit der Synthetischen Evolutionstheorie erklärbar sind (Mutation, Selektion, Variation).

1. b) Erläutern Sie Kriterien naturwissenschaftlicher Erkenntnis (Überprüfbarkeit, Falsifizierbarkeit, natürliche Erklärungen).

1. c) Begründen Sie die Abgrenzung der Synthetischen Evolutionstheorie von der genannten Position und nehmen Sie Stellung zur Aussage „Evolution ist nur eine Theorie, also genauso gut wie jede andere Erklärung.“

Molekularer Stammbaum und Zeitabschätzung

Für das Protein Cytochrom c (104 Aminosäuren) wurde die Zahl der Aminosäureunterschiede zwischen fünf Arten bestimmt.

	Mensch	Rhesusaffe	Hund	Huhn	Karpfen
Mensch	0	1	11	13	18
Rhesusaffe	1	0	10	12	17
Hund	11	10	0	12	17
Huhn	13	12	12	0	16
Karpfen	18	17	17	16	0

Die Entwicklungslinien von Mensch und Hund trennten sich nach fossilen Befunden vor etwa 90 Millionen Jahren.

1. a) Beschreiben Sie anhand der Tabelle, wie sich ein phylogenetischer Stammbaum der fünf Arten ableiten lässt, und geben Sie die Abfolge der Verzweigungen an.

1. b) Berechnen Sie die mittlere Austauschrate pro Entwicklungslinie (Unterschiede pro Million Jahre, Zahl der Unterschiede geteilt durch die doppelte Zeit) und schätzen Sie damit die Trennungszeit von Mensch und Karpfen.

1. c) Beurteilen Sie die Aussagekraft dieser Schätzung (Voraussetzungen, Grenzen des Modells der „molekularen Uhr“) und erläutern Sie den Unterschied zwischen Homologie und Konvergenz auf molekularer Ebene.

Artwandel bei Darwinfinken (vereinfachte Daten)

Auf einer Galápagos-Insel wurde die Population des Mittleren Grundfinken (Geospiza fortis) vor und nach einer schweren Dürre untersucht. Die Samen, die in der Dürre verblieben, waren überwiegend hart und groß. Ein größerer Schnabel erleichtert das Öffnen dieser Samen.

	vor der Dürre	nach der Dürre
Zahl der Vögel	750	90
mittlere Schnabeltiefe in mm	9,2	9,7

Die im folgenden Jahr geschlüpften Nachkommen der Überlebenden hatten im Mittel eine Schnabeltiefe von 9,5 mm.

1. a) Berechnen Sie die Überlebensrate, die Selektionsdifferenz (Differenz der Mittelwerte vor und nach der Dürre bei den Elterntieren) und den Selektionserfolg (Differenz zwischen Nachkommen und der Ausgangspopulation) sowie die Heritabilität als Quotient aus Selektionserfolg und Selektionsdifferenz.

1. b) Erklären Sie den Artwandel in der Population mit Variation, Selektion und reproduktiver Fitness.

1. c) Erläutern Sie, unter welchen zusätzlichen Bedingungen aus dieser Entwicklung eine neue Art entstehen könnte, und beurteilen Sie, ob die Daten allein eine Artbildung belegen.