Variation
Nicht alle Individuen sind gleich. Mutationen können neue genetische Varianten hervorbringen. Bei sexueller Fortpflanzung kombiniert Rekombination bereits vorhandene Varianten neu.
Biologie · Verstehen und üben
Evolution und natürliche Selektion
Verstehe, wie sich Populationen über Generationen verändern. Erkunde ein Selektionsmodell, berechne Variantenanteile und unterscheide Anpassung von anderen Evolutionsmechanismen.
Das kannst du danach
Evolution und Selektion verständlich erklärenFortpflanzungserfolg und Umwelt zusammen denkenModellkurven lesen und kritisch beurteilen
1 · Evolution: Populationen verändern sich über Generationen
In einer Population unterscheiden sich Individuen, zum Beispiel in Körperbau, Stoffwechsel oder Verhalten. Ein Teil dieser Unterschiede ist erblich. Wenn sich die Häufigkeiten erblicher Varianten über Generationen ändern, findet Evolution statt. Über lange Zeiträume können sich Abstammungslinien auseinanderentwickeln und neue Arten entstehen.
Eine Population umfasst Individuen derselben Art in einem bestimmten Gebiet. Bei sexuell fortpflanzenden Arten ist zwischen ihnen grundsätzlich Fortpflanzung möglich. Bei der genetischen Beschreibung betrachtet man häufig Allele: unterschiedliche Varianten eines Gens. Evolution muss nicht immer sofort als auffällige Veränderung des Aussehens erkennbar sein.
Wachstum ist etwas anderes
Ein einzelner Mensch wächst oder trainiert seine Muskeln. Das ist für sich genommen keine evolutionäre Veränderung einer Population. Natürliche Selektion wirkt über Unterschiede zwischen Individuen; evolutionär verändert sich die Häufigkeit erblicher Varianten über Generationen.
Vererbung
Für eine dauerhafte evolutionäre Antwort auf Selektion müssen die relevanten Unterschiede eine erbliche Grundlage haben. Nicht jeder Unterschied im Aussehen ist erblich: Ernährung und andere Umweltbedingungen wirken ebenfalls mit.
2 · Wie funktioniert natürliche Selektion?
Natürliche Selektion bedeutet, dass sich Varianten wegen ihrer Merkmale unterschiedlich erfolgreich an der nächsten Generation beteiligen. In einer bestimmten Umwelt können manche Individuen beispielsweise leichter Nahrung finden, länger überleben oder mehr fortpflanzungsfähige Nachkommen haben. Sind die dafür relevanten Unterschiede erblich, können entsprechende Varianten häufiger werden.
Unterschiede sind vorhanden
Die Umwelt muss eine passende Variante nicht erst absichtlich erzeugen. Selektion kann auf bereits vorhandene Unterschiede wirken; neue Mutationen und Rekombination können weiterhin Variation liefern.
Der Fortpflanzungsbeitrag unterscheidet sich
Überleben ist oft wichtig, aber nicht die ganze Erklärung. Wer lange lebt und keine Nachkommen hat, trägt direkt keine Allele zur nächsten Generation bei. Entscheidend ist der Beitrag zu späteren Generationen.
Nachkommen erben Varianten
Erbliche Unterschiede können weitergegeben werden. In einem einfachen Fall hinterlässt eine Variante im Mittel mehr überlebende Nachkommen als eine andere.
Häufigkeiten verschieben sich
Über mehrere Generationen kann die begünstigte Variante zunehmen. Dabei verwandeln sich nicht alle Individuen gezielt in eine neue Form. Die Zusammensetzung der Population verändert sich.
Charles Darwin und Alfred Russel Wallace formulierten die Erklärung durch natürliche Selektion im 19. Jahrhundert unabhängig voneinander. Die moderne Evolutionstheorie verbindet diese Idee unter anderem mit Genetik und Populationsbiologie. Selektion ist ein wichtiger Evolutionsmechanismus, aber nicht der einzige.
3 · Fitness bedeutet Fortpflanzungserfolg
In der Evolutionsbiologie beschreibt Fitness den Beitrag eines Individuums oder einer Variante zu folgenden Generationen. Gemeint ist nicht einfach Kraft, Ausdauer oder Gesundheit. Welche Eigenschaften vorteilhaft sind, hängt von der konkreten Umwelt ab.
Eine helle Färbung könnte auf hellem Untergrund die Entdeckung durch bestimmte Räuber erschweren. Auf dunklem Untergrund kann derselbe Vorteil wegfallen oder sich umkehren. Außerdem wirken oft mehrere Faktoren gleichzeitig, etwa Nahrung, Temperatur, Krankheitserreger und Partnerwahl.
Angepasstheit ist kein bewusster Plan
Ein vorteilhaftes erbliches Merkmal kann durch Selektion häufiger werden. Organismen verändern ihr Erbgut aber nicht gezielt, weil sie ein bestimmtes Merkmal brauchen. Mutationen entstehen nicht vorausschauend passend zu einem zukünftigen Bedarf.
4 · Selektions-Labor: Was wird über Generationen häufiger?
Das Labor betrachtet zwei gedachte, erblich stabile Farbvarianten: hell und dunkel. Die Modellorganismen vermehren sich ungeschlechtlich; Nachkommen behalten hier die Variante ihres Elternorganismus. So lässt sich die Wirkung unterschiedlicher Fortpflanzungsbeiträge ohne ein zusätzliches Kreuzungsschema untersuchen.
Wähle eine Umwelt und den Startanteil. Der Generationsregler liest einen Punkt der Kurve ab. Wenn du Umwelt oder Startanteil änderst, wird der gesamte Modellverlauf neu berechnet.
Umwelt im Modell
↔ Diagramm bei Bedarf seitlich verschieben.
Generation 0: hell 50,0 % · dunkel 50,0 %
Die helle Variante hat im Modell den höheren mittleren Fortpflanzungsbeitrag und nimmt zu, wenn beide Varianten vorhanden sind.
Modellbeiträge: hell 1,2 · dunkel 0,8.
Was das Modell ausblendet
Es beschreibt erwartete Anteile in einer großen Population. Zufallsschwankungen kleiner Bestände, neue Mutationen, Zu- und Abwanderung sowie sexuelle Fortpflanzung fehlen. Die Zahlen 1,2 und 0,8 sind frei gewählte relative Beiträge, keine gemessenen Überlebenswahrscheinlichkeiten. Bei 0 % oder 100 % Startanteil entsteht die fehlende Variante in diesem Modell nicht neu.
5 · Eine Generation Schritt für Schritt berechnen
Starten beide Varianten mit je 50 %, werden ihre Anteile mit dem jeweiligen Fortpflanzungsbeitrag gewichtet. Für hell ergibt sich 0,5 × 1,2 = 0,6; für dunkel 0,5 × 0,8 = 0,4. Der Anteil von hell unter den Nachkommen ist deshalb 0,6 ÷ (0,6 + 0,4) = 60 %.
In der folgenden Generation wird mit diesen neuen Anteilen weitergerechnet. Der Zuwachs beträgt also nicht immer zehn Prozentpunkte. Die Berechnung aktualisiert Anteile, ohne eine feste Anzahl von Individuen vorauszusetzen.
↔ Schaubild bei Bedarf seitlich verschieben.
Vertiefung: die allgemeine Rechenregel
p ist der Anteil der hellen Variante zwischen 0 und 1. wH und wD sind die mittleren relativen Fortpflanzungsbeiträge von hell und dunkel. Zuerst werden p und 1 − p gewichtet; danach wird durch den Gesamtbeitrag geteilt.
Neuer Anteil = p · wHp · wH + (1 − p) · wD
Sind beide Beiträge gleich, bleibt p in diesem deterministischen Modell konstant. Beim Umweltwechsel werden zehn Schritte mit 1,2/0,8 und danach zehn mit 0,8/1,2 berechnet. Nach zwanzig Schritten ergibt sich hier wieder der Startanteil. Das ist eine Folge der gewählten symmetrischen Modellwerte und keine allgemeine Regel für reale Populationen.
6 · Selektion an Beispielen erklären
Tarnung und Fressfeinde
Bei erblich verschiedener Färbung kann ein Räuber eine Variante häufiger entdecken. Wenn sich dadurch der Beitrag zu den Nachkommen unterscheidet, kann Selektion stattfinden. Der Untergrund allein färbt die Nachkommen dabei nicht gezielt um.
Resistenz bei Bakterien
Resistente Varianten können bereits vorhanden sein oder während der Vermehrung entstehen; Resistenzgene können auch übertragen werden. Unter einem wirksamen Antibiotikum sind empfindliche Bakterien gegenüber resistenten oft im Nachteil. Die Population kann sich dadurch zugunsten resistenter Varianten verschieben. Nicht der behandelte Mensch wird dabei „gegen das Antibiotikum resistent“.
Zucht als Vergleich
Bei künstlicher Selektion wählen Menschen aus, welche Organismen sich vermehren sollen. Auch hier braucht es erbliche Unterschiede. Bei natürlicher Selektion ergeben sich Unterschiede im Fortpflanzungserfolg aus den Lebensbedingungen und Wechselwirkungen.
Umweltwechsel
Ein zuvor günstiges Merkmal kann unter anderen Bedingungen neutral oder nachteilig sein. Evolution ist keine Stufenleiter hin zu immer größeren, stärkeren oder komplizierteren Lebewesen.
7 · Evolution ist mehr als Selektion
Mutation und Rekombination
Mutationen können neue Allele schaffen. Rekombination ordnet vorhandene Allele neu an und beeinflusst die genetischen Kombinationen von Individuen. Rekombination allein muss die Häufigkeit eines einzelnen Allels nicht verändern.
Gendrift
Zufällige Unterschiede darin, welche Individuen Nachkommen hinterlassen, können Allelhäufigkeiten verändern. Dieser Zufallseffekt ist besonders in kleinen Populationen bedeutsam. Eine häufigere Variante muss daher nicht automatisch vorteilhafter sein.
Genfluss
Wenn genetische Varianten durch erfolgreiche Fortpflanzung zwischen Populationen ausgetauscht werden, spricht man von Genfluss. Bloße Bewegung ohne genetischen Beitrag genügt dafür nicht.
Isolation und Artbildung
Wird der Austausch zwischen Populationen eingeschränkt, können sie sich auseinanderentwickeln. Dauerhafte Fortpflanzungsbarrieren können zur Entstehung neuer Arten beitragen. Eine geografische Trennung allein erzeugt nicht sofort neue Arten.
Kurzer Begriffscheck
Eine erbliche Variante wird in einer Population häufiger. Was ist damit allein noch nicht bewiesen?
Wähle eine Antwort.
12 Aufgaben: verstehen, anwenden und begründen
Löse zuerst selbst. Ein Tipp hilft beim Einstieg; die Lösung zeigt die fachliche Begründung.
1 · Erkläre Evolution auf Populationsebene.
Tipp anzeigen
Denke an erbliche Varianten und Generationen.
Lösung anzeigen
Evolution umfasst Veränderungen erblicher Eigenschaften von Populationen über Generationen, beispielsweise veränderte Allelhäufigkeiten. Ein Individuum muss dabei nicht im Laufe seines Lebens sichtbar umgebaut werden.
2 · Warum ist Muskeltraining allein kein Beispiel für Evolution?
Tipp anzeigen
Unterscheide Individuum und Population.
Lösung anzeigen
Training verändert zunächst den trainierenden Menschen. Es zeigt weder eine Veränderung von Allelhäufigkeiten über Generationen noch, dass die erworbene Muskelmasse genetisch an Nachkommen weitergegeben wird.
3 · Nenne drei Voraussetzungen für eine evolutionäre Antwort auf Selektion.
Tipp anzeigen
Welche Unterschiede bestehen, was wird vererbt und wer hinterlässt Nachkommen?
Lösung anzeigen
Es gibt Variation, die relevanten Unterschiede sind erblich, und sie sind mit unterschiedlichem Beitrag zu folgenden Generationen verbunden. So können Varianten unterschiedlich häufig weitergegeben werden.
4 · Ein kräftiges Tier hat keine Nachkommen; ein kleineres hat viele. Welches hat den höheren direkten Fortpflanzungserfolg?
Tipp anzeigen
Fitness bedeutet hier nicht Körperkraft.
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Unter den beschriebenen Bedingungen das kleinere Tier. Für diese Aussage wird sein Beitrag über die eigenen Nachkommen betrachtet. Körperkraft allein ist kein Maß für evolutionäre Fitness.
5 · Berechne den ersten Schritt bei 50 % hell und Beiträgen von 1,2 und 0,8.
Tipp anzeigen
Gewichte beide Anteile und teile durch ihre Summe.
Lösung anzeigen
Hell: 0,5 × 1,2 = 0,6. Dunkel: 0,5 × 0,8 = 0,4. Neuer heller Anteil: 0,6/(0,6 + 0,4) = 0,6 = 60 %.
6 · Berechne den folgenden Schritt ausgehend von 60 % hell.
Tipp anzeigen
Die dunkle Variante hat dann einen Anteil von 40 %.
Lösung anzeigen
Hell trägt 0,6 × 1,2 = 0,72 bei, dunkel 0,4 × 0,8 = 0,32. 0,72/(0,72 + 0,32) ≈ 0,6923. Der neue Anteil beträgt etwa 69,2 %, der Zuwachs etwa 9,2 Prozentpunkte.
7 · Was passiert im Labor bei gleichen Beiträgen und 35 % Startanteil?
Tipp anzeigen
Beide Varianten werden mit derselben Zahl gewichtet.
Lösung anzeigen
Der Anteil bleibt bei 35 %. Das Modell enthält keine Gendrift, Mutation oder Migration. In einer realen endlichen Population kann deshalb trotz gleicher Beiträge eine andere Entwicklung auftreten.
8 · Warum steigt eine fehlende helle Variante bei 0 % Startanteil nicht an?
Tipp anzeigen
Welche Quellen neuer Varianten fehlen im Modell?
Lösung anzeigen
Selektion verändert hier nur die Anteile vorhandener Varianten. Ohne Mutation oder Zuwanderung entsteht die helle Variante nicht neu, selbst wenn sie in der gewählten Umwelt vorteilhaft wäre.
9 · Erkläre den Umweltwechsel nach zehn Generationen.
Tipp anzeigen
Unterscheide günstiges Merkmal und feste Eigenschaft.
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Zunächst steigt der Anteil der hellen Variante, danach ist die dunkle im Vorteil. Die Richtung ändert sich, weil der relative Fortpflanzungsbeitrag von der Umwelt abhängt. Im speziellen symmetrischen Modell ergibt sich nach zwanzig Schritten wieder der Startanteil.
10 · Korrigiere: „Bakterien brauchen Resistenz und mutieren deshalb passend.“
Tipp anzeigen
Trenne die Entstehung einer Variante von ihrer Ausbreitung.
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Genetische Varianten entstehen nicht vorausschauend passend zum Bedarf. Unter Antibiotikaeinfluss können resistente Varianten einen höheren Fortpflanzungsbeitrag haben und häufiger werden. Auch die Übertragung von Resistenzgenen kann eine Rolle spielen.
11 · Beweist jede Häufigkeitsänderung einen Anpassungsvorteil?
Tipp anzeigen
Denke an weitere Evolutionsmechanismen.
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Nein. Gendrift kann Häufigkeiten zufällig ändern, und Genfluss kann Varianten zwischen Populationen austauschen. Ein Selektionsvorteil braucht zusätzliche Belege, etwa Unterschiede im erblich mitbedingten Fortpflanzungserfolg.
12 · Plane eine Untersuchung zu einer vermuteten Selektion.
Tipp anzeigen
Welche Daten helfen, die Erklärung von Alternativen abzugrenzen?
Lösung anzeigen
Über mehrere Generationen die Variantenhäufigkeiten erfassen, die erbliche Grundlage prüfen und Überleben sowie Fortpflanzungsbeiträge vergleichen. Umweltbedingungen, Zuwanderung und mögliche Zufallseffekte berücksichtigen. Vergleichspopulationen und Wiederholungen stärken die Aussage.
Für den Unterricht: vorhersagen, ausprobieren, begründen
Einstieg: Zwei erblich unterschiedliche Varianten zeigen. Die Lernenden vermuten zuerst, welche unter einer beschriebenen Umweltbedingung häufiger werden könnte, und begründen ihre Vermutung.
Erarbeitung: Gruppen vergleichen die vier Laborfälle. Vor jeder Änderung wird eine Vorhersage notiert; danach werden Kurve und Erklärung abgeglichen.
Transfer: Besprecht, was eine flache Kurve, ein Umweltwechsel und eine fehlende Startvariante zeigen – und was das Modell nicht abbildet.
Differenzierung: Grundniveau: Mechanismus in eigenen Worten. Vertiefung: zwei Generationen berechnen und Selektion von Drift oder Genfluss abgrenzen.
Passende Materialien zum Weiterlernen
Kostenlos · PDF mit LösungenEvolution durch natürliche Selektion
Wende die Begriffe und Zusammenhänge in passenden Aufgaben an.
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Kostenlos · PDF mit LösungenEvolution im Alltag: Resistenz und Zucht
Wende die Begriffe und Zusammenhänge in passenden Aufgaben an.
Arbeitsblatt ansehen →Fachliche Vertiefung: UC Berkeley · Natural Selection · OpenStax · Understanding Evolution · OpenStax · Adaptive Evolution. Eigene Erklärungen, Aufgaben und Schaubilder. Zahlenbeispiele sind frei gewählte Unterrichtsdaten; Modelle und Körperbauzeichnungen sind bewusst vereinfacht. Klassenstufen und Vertiefung unterscheiden sich nach Bundesland und Schulart.