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1.6: Ursprünge, Evolution, Artbildung, Vielfalt und Einheit des Lebens - Biologie

1.6: Ursprünge, Evolution, Artbildung, Vielfalt und Einheit des Lebens - Biologie


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Die Frage, wie das Leben begann, begleitet uns seit den Anfängen oder der aufgezeichneten Geschichte. Es wird heute akzeptiert, dass es eine Zeit gab, egal wie kurz oder lang, die Erde ein lebloser (präbiotischer) Planet war. Das Leben Ursprünge auf der Erde vor etwa 3,7-4,1 Milliarden Jahren unter Bedingungen, die die Bildung der ersten Zelle begünstigten, der ersten Einheit mit allen Eigenschaften des Lebens. Aber hätten diese Bedingungen nicht mehrere Zellen unabhängig voneinander hervorbringen können, jede mit allen Eigenschaften des Lebens? Wenn ja, von welchem ​​stammt das Leben, wie wir es heute kennen, ab? Ob es eine oder mehrere verschiedene „erste Zellen“ gab, die Evolution (eine Eigenschaft des Lebens) begann erst mit diesen Zellen.

115 Eigenschaften des Lebens

Die Tatsache, dass es keine Hinweise auf Zellen unabhängiger Herkunft gibt, könnte darauf hinweisen, dass sie nie existiert haben. Alternativ war die Zelle, die wir unseren Vorfahren nennen, evolutionär erfolgreich auf Kosten anderer Lebensformen, die somit ausgestorben sind. Wie auch immer dieser erfolgreiche Vorfahre ausgesehen haben mag, seine Nachkommen hätten ganz unterschiedliche Erscheinungen, Chemien und Physiologien entwickelt. Diese nachkommenden Zellen hätten verschiedene genetische und biochemische Lösungen gefunden, um die Eigenschaften des Lebens zu erreichen und zu erhalten. Einer dieser Nachkommen entwickelte die Lösungen, die wir in allen heute lebenden Zellen und Organismen in Kraft sehen, einschließlich einer gemeinsamen (Universal-) genetischer Code zum Speichern der Lebensinformationen sowie ein gemeinsamer Mechanismus zum Abrufen der codierten Informationen. Francis Crick nannte diese Gemeinsamkeit das „zentrale Dogma“ der Biologie. Diese Ahnenzelle heißt unsere Letzter universeller gemeinsamer Vorfahre, oder LUCA.

116 Der universelle genetische Code 117 Ursprünge des Lebens 118 Lebensursprünge vs. Evolution

An anderer Stelle betrachten wir genauer, wie wir über die Ursprünge des Lebens denken. Im Moment liegt unser Fokus auf der Evolution, der Eigenschaft des Lebens, die die Grundlage für die Artbildung und die Vielfalt des Lebens ist.

Natürliche Auslese war Charles Darwins Theorie, wie die Evolution zur strukturell Vielfalt der Arten. Neue Arten entstehen, wenn vorteilhafte Merkmale auf natürliche Weise aus genetisch unterschiedlichen Individuen in einer Population ausgewählt werden, wobei im Laufe der Zeit weniger fitte Individuen aus Populationen ausgesondert werden. Wenn die natürliche Selektion auf Individuen einwirkt, resultiert die Evolution aus der Persistenz und Verbreitung ausgewählter, erblicher Veränderungen durch aufeinanderfolgende Generationen in einer Population. Evolution spiegelt sich wider als eine Zunahme an Vielfalt und Komplexität auf allen Ebenen der biologischen Organisation, von Spezies über einzelne Organismen bis hin zu Molekülen. Für eine einfache Lektüre über die Evolution der Augen (deren Existenz laut Kreationisten nur durch intelligentes Design eines Schöpfers entstanden sein könnte), siehe den Artikel in National Geographic von E. Yong (Feb. 2016, mit wunderschönen Fotografien von D. Littschwager).

Wiederholte Artbildung tritt mit der kontinuierlichen Divergenz von Lebensformen von einer Ahnenzelle durch natürliche Selektion und Evolution auf. Unsere gemeinsamen Zellstrukturen, Nukleinsäuren, Proteine ​​und Stoffwechselchemien (die „Einheit“ des Lebens) unterstützen unsere gemeinsame Abstammung mit allem Leben. Diese gemeinsamen Funktionen stammen aus unserem LUCA! Die meisten Lebewesen teilen sich sogar einige früh Verhaltensweisen. Nimm unser biologische Uhr, eine Anpassung an die 24-Stunden-Tageszyklen von Hell und Dunkel unseres Planeten, die es seit den Anfängen des Lebens gibt; alle bisher untersuchten Organismen scheinen einen zu haben!. Die Entdeckung der genetischen und molekularen Grundlagen von Tagesrhythmus (diese täglichen Zyklen) brachten Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young den Nobelpreis 2017 für Medizin oder Physiologie ein (klick Molecular Studies of Circadian Rhythms erhält Nobelpreisum mehr zu lernen)!

Die allen Lebewesen gemeinsamen molekularen Beziehungen bestätigen weitgehend, was wir von den im Fossilienbestand vertretenen Arten gelernt haben. Morphologische, biochemische und genetische Merkmale, die allen Arten gemeinsam sind, werden definiert als homolog, und kann verwendet werden, um Evolutionsgeschichten zu rekonstruieren. Die Biodiversität, die Wissenschaftler (insbesondere Umweltschützer) zu schützen versuchen, ist das Ergebnis von Millionen von Jahren der Artbildung und des Aussterbens. Die Biodiversität muss vor der unerwünschten Beschleunigung der Evolution durch menschliche Aktivitäten geschützt werden, einschließlich des eklatanten Aussterbens (denken Sie an die Reisetaube) und des nahezu Aussterbens (denken Sie an den amerikanischen Bison im späten 19. Jahrhundert). Denken Sie auch an die Folgen der Einführung invasiver aquatischer und terrestrischer Arten und die Auswirkungen des Klimawandels.

Schauen wir uns die biochemische und genetische Einheit der Lebewesen an. Wir haben bereits darüber nachgedacht, was passiert, wenn Zellen in der Evolution größer werden, als wir versuchten zu erklären, wie größere Zellen ihre Arbeit auf kleinere intrazelluläre Strukturen und Organellen aufteilen. Als sich eukaryotische Zellen zu vielzelligen Organismen entwickelten, wurde es für die verschiedenen Zellen notwendig, miteinander zu kommunizieren und auf Umweltreize zu reagieren.

Einige Zellen entwickelten Mechanismen, um direkt mit benachbarten Zellen zu „sprechen“, und andere entwickelten sich, um elektrische (neuronale) Signale an andere Zellen und Gewebe zu übertragen. Wieder andere Zellen produzierten Hormone, um mit Zellen zu kommunizieren, an die sie keine physische Bindung hatten. Als Arten, die sich diversifizierten, um in sehr unterschiedlichen Lebensräumen zu leben, entwickelten sie auch sehr unterschiedliche Ernährungsbedürfnisse sowie umfangreichere und ausgeklügeltere biochemische Wege, um ihre Nährstoffe zu verdauen und ihre chemische Energie einzufangen. Trotz Milliarden von Jahren offensichtlicher Evolution und erstaunlicher Diversifizierung ist die zugrunde liegende Genetik und Biochemie der Lebewesen auf diesem Planeten bemerkenswert unverändert. Anfang des 20. Jahrhunderts erkannte Albert Kluyver erstmals, dass Zellen und Organismen trotz der essentiellen biochemischen Einheit aller Organismen in ihrer Erscheinungsform variieren Albert Kluyver in Wikipedia). Diese Einheit inmitten der Vielfalt des Lebens ist ein Paradox des Lebens, das wir in diesem Kurs weiter untersuchen werden.

A. Genetische Variation, die Grundlage der natürlichen Selektion

DNA enthält die genetischen Anweisungen für den Aufbau und die Funktion von Zellen und Organismen. Wann und wo die genetischen Anweisungen einer Zelle oder eines Organismus verwendet werden (d. h. um RNA und Proteine ​​herzustellen) werden reguliert. Genetische Variation resultiert aus zufälligen Mutationen. Die genetische Vielfalt, die aus Mutationen entsteht, ist wiederum die Grundlage der natürlichen Selektion während der Evolution.

119 Die zufällige Basis der Evolution

B. Das Genom: Die vollständigen genetischen Anweisungen eines Organismus

Wir haben gesehen, dass jede Zelle eines Organismus die DNA trägt, einschließlich Gensequenzen und anderer Arten von DNA. Das Genom eines Organismus ist das Gesamtheit seines genetischen Materials (DNA oder bei manchen Viren RNA). Das Genom eines gemeinsamen experimentellen Stamms von E coli wurde 1997 sequenziert (Blattner FR et al. 1997Die vollständige Genomsequenz von Escherichia coli K-12. Wissenschaft 277: 1452-1474). Die Sequenzierung des menschlichen Genoms wurde 2001 abgeschlossen, weit vor dem vorhergesagten Zeitplan (Venter JC 2001Die Sequenz des menschlichen Genoms. Wissenschaft 291:1304-1351). Wie wir bei der Neuklassifizierung des Lebens von fünf Reichen in drei Domänen gesehen haben, können uns Nukleinsäuresequenzvergleiche viel über die Evolution sagen. Heute wissen wir, dass die Evolution nicht nur von Gensequenzen abhängt, sondern in einem viel größeren Maßstab auch von der Struktur der Genome. Die Genomsequenzierung hat nicht nur die genetische Variation zwischen Arten bestätigt, sondern auch beträchtliche Variationen zwischen Individuen derselben Art. Die genetische Variation innerhalb der Arten ist in der Tat der Rohstoff der Evolution. Aus genomischen Studien geht klar hervor, dass Genome in der Evolution geformt und modelliert (oder umgebaut) wurden. Wir werden das Genom-Remodeling an anderer Stelle genauer betrachten.

C. Genomische „Fossilien“ können evolutionäre Beziehungen bestätigen.

Es war seit einiger Zeit bekannt, dass die Gen- und Proteinsequenzierung evolutionäre Verwandtschaftsbeziehungen und sogar familiäre Verwandtschaften aufdecken könnte. Lesen Sie in Zuckerkandl E und Pauling L. (1965) über eine frühe Demonstration solcher Beziehungen basierend auf Aminosäuresequenzvergleichen im Laufe der Evolution. Moleküle als Dokumente der Evolutionstheorie. J. Theor. Biol. 8:357-366. Es ist jetzt möglich, DNA aus fossilen Knochen und Zähnen zu extrahieren, was den Vergleich von existierenden und ausgestorbenen Arten ermöglicht. DNA wurde aus den fossilen Überresten von Menschen, anderen Hominiden und vielen Tieren extrahiert. DNA-Sequenzierung enthüllt unsere Beziehung zueinander, zu unseren hominiden Vorfahren und zu Tieren, von Käfern über Frösche bis hin zu Mäusen, Schimpansen und Neandertalern… diese Zeit ist unmöglich. Jetzt in einer cleveren Wendung, mit dem, was wir aus den Gensequenzen heute lebender Arten wissen, haben die Ermittler kürzlich „konstruiert“ eine genetische Phylogenie, die auf die Gensequenzen einiger unserer längst verstorbenen Vorfahren, einschließlich Bakterien, hindeutet (klicken Sie hier, um mehr zu erfahren: Entschlüsselung genomischer Fossilien). Der Vergleich dieser „rekonstruiert“ DNA-Sequenzen der Vorfahren lassen vermuten, wann sich photosynthetische Organismen diversifizierten und unser sauerstoffreicher Planet Wirklichkeit wurde.

120 Genomische Fossilien – Molekulare Evolution


Der Evolutionsprozess treibt die Vielfalt des Lebens an

Die Evolution, die Anpassung von Organismen an ihre Umwelt, ist die treibende Kraft für die Vielfalt des Lebens. Obwohl sie nicht allgemein akzeptiert wird, ist die Evolution aufgrund religiöser Überzeugungen über den Ursprung des Lebens auf der Erde vielen Wissenschaftlern als der wichtigste Weg zum Verständnis der Biologie bekannt. Laut Theodosius Dobzhansky ist „nichts in der Biologie sinnvoll, außer im Licht der Evolution“. Obwohl dies technisch vielleicht nicht wahr ist, übertrifft diese allgemeine Aussage die Bedeutung evolutionärer Veränderungen in jedem Organismus auf dem Planeten fast. Charles Darwin sagte einmal: „Es ist nicht die stärkste Spezies, die überlebt, noch die intelligenteste, die überlebt. Es ist dasjenige, das sich am besten an Veränderungen anpasst.“ Er war einer der ersten, der so dachte. Tatsächlich glaubte Aristoteles, einer der angesehensten Zivilisationsphilosophen, im Allgemeinen, was das Alte Testament vorschlug: Organismen, die zu seiner Zeit lebten, waren seit der Erschaffung des Lebens auf der Erde vorhanden. Darwin schlug seine Evolutionstheorie vor, nachdem er die Arbeit von Paläontologen untersucht hatte, die Fossilien untersuchten. Nachdem er die Erosion von Klippen und die darin verborgenen Organismen untersucht hatte, begann Darwin anzunehmen, dass langsame Prozesse, die der Erosion ähnlich sind, biologische Veränderungen bewirken könnten. Die Vorstellung, dass die Evolution die Vielfalt und Einheit des Lebens vollständig vorantreibt, mag wie eine große Pille erscheinen, die man schlucken muss, wenn man das Konzept nicht vollständig versteht. Nach dem Studium der Fossilien begann Charles Darwin eine Reise um die Welt. Er verglich die Fossilien von Organismen auf verschiedenen Kontinenten mit ähnlichem Aussehen und Knochenstruktur und stellte ähnliche Pflanzen fest. Bald bemerkte er tierische Anpassungen und erkannte, dass die Ursprünge des Lebens mit diesem Prozess zusammenhängen könnten. Darwin kam schließlich zu dem Schluss, dass die Abstammung mit Modifikation durch natürliche Selektion die Einheit und Vielfalt des Lebens sowie die Übereinstimmung zwischen Organismen und ihrer Umgebung erklärt. Die Evolution ist eine der wichtigsten Entdeckungen in der wissenschaftlichen Welt und hat uns wirklich aufgeklärt, wie sich Organismen zu dem entwickelt haben, was sie heute sind. Ich denke jedoch, was Dobzhansky wirklich meinte, wenn er sagte: „Nichts in der Biologie macht Sinn, außer im Licht der Evolution“, war, dass wir ohne Darwins Theorie niemals wirkliche biologische Fortschritte gemacht hätten. Wissenschaftler hätten weiterhin gedacht, dass die zu untersuchenden Organismen irgendwann ausgehen würden. Unser Fortschritt bei der Behandlung von Krankheiten wäre schwer beschädigt worden, weil Wissenschaftler nie verstanden hätten, wie sich verschiedene Krankheiten zu separaten Stämmen anpassen können. Biologie ist nicht nur das Studium des Lebens, sondern das Studium des Fortschritts, denn ohne das Studium des Lebens wäre unsere Zivilisation von Anfang an dem Untergang geweiht.


Evolution: DNA und die Einheit des Lebens

Evolution: DNA und die Einheit des Lebens ist eine achtwöchige, umfassende Lehrplaneinheit, die die zugrunde liegende Rolle der Genetik in der Evolution scharf beleuchtet, indem sie durchgehend eine konzeptionelle Verbindung zu DNA und Vererbung aufrechterhält. Durch papierbasierten und interaktiven Multimedia-Unterricht orientiert sich die Einheit an den Next Generation Science Standards (NGSS), indem sie die Schüler in Fragen einbezieht, Modelle verwendet, Muster identifiziert, geeignete Daten aus veröffentlichten wissenschaftlichen Studien analysiert und evidenzbasierte Argumente konstruiert .

Der Unterricht der Einheit ist in fünf Module gegliedert, die jeweils um eine Leitfrage herum strukturiert sind. Module können einzeln oder zusammen nacheinander verwendet werden. Wenn sie in ihrer Gesamtheit und in der vorgeschlagenen Reihenfolge verwendet werden, schaffen die Module ein Verständnis der DNA als Blaupause für alle Lebewesen und wie sie Variationen von Merkmalen zugrunde liegt, auf die die natürliche Selektion einwirkt, die zur Vielfalt des Lebens führt. Ein Gerüst für die Argumentation von Ansprüchen, Beweisen und Begründungen ist in die Einheit integriert, um im Laufe der Modulsequenz schrittweise die Fähigkeit zu entwickeln, Argumente aus Beweisen zu konstruieren.


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