Biologie · Verstehen und üben
Warum verändern sich genetische Anteile auch ohne einen Selektionsvorteil? Untersuche Zufall und genetischen Austausch, vergleiche Populationen und rechne mit Allelhäufigkeiten.
Ein Allel ist eine Variante eines Gens. Mit Allelhäufigkeit ist der Anteil einer solchen Variante unter allen Kopien des betrachteten Gens gemeint. Sie beschreibt nicht automatisch den Anteil der Individuen, die ein bestimmtes Merkmal zeigen.
Wir betrachten hier diploide Organismen und ein Gen auf einem Autosom, also keinem Geschlechtschromosom. Jedes Individuum besitzt dafür zwei Genkopien. Bei N Individuen gibt es somit 2N Genkopien.
Vier Individuen haben die Genotypen AA, Aa, Aa und aa. Zusammen sind das acht Genkopien: vier A und vier a. Die Häufigkeit von A beträgt 4/8 = 50 %, obwohl drei der vier Individuen mindestens eine A-Kopie tragen. Aus A und a allein folgt keine Aussage über Dominanz oder einen Vorteil.
Allelhäufigkeiten können sich durch unterschiedliche Mechanismen verändern. Selektion hängt mit erblich bedingten Unterschieden im Fortpflanzungserfolg zusammen. Auf dieser Seite geht es um Zufall und den Austausch genetischer Varianten zwischen Populationen.
Gendrift ist die zufällige Veränderung von Allelhäufigkeiten durch die begrenzte Zahl von Genkopien, die an folgende Generationen weitergegeben werden. Auch bei gleichen durchschnittlichen Chancen tragen nicht alle Individuen und Genkopien tatsächlich gleich viel zur nächsten Generation bei.
Eine Variante kann dadurch häufiger werden, obwohl sie keinen Vorteil besitzt. Eine andere kann zufällig verschwinden. Der Zufall hat keine feste Richtung und arbeitet nicht auf ein bestimmtes Anpassungsziel hin.
Wenige Zufallsereignisse können in einem kleinen Bestand einen großen Anteil der Nachkommen betreffen. In größeren idealisierten Populationen gleichen sich viele einzelne Zufallsereignisse eher aus. Auch dort gibt es Drift.
Verschwindet A am betrachteten Genort, beträgt sein Anteil 0 %. Erreicht A 100 %, ist es dort fixiert; die Alternative a ist verschwunden. Das bedeutet nicht, dass alle Individuen im gesamten Erbgut identisch sind.
Drei gedachte Populationen starten mit derselben Größe und demselben Anteil von A. Keine Variante hat einen Selektionsvorteil. Für jede neue Generation zieht das Modell 2N Genkopien mit Zurücklegen aus dem vorherigen Genpool. Ein Ziehen von A ist so wahrscheinlich wie sein aktueller Anteil.
Vergleiche die Populationsgrößen und erzeuge mehrere neue Durchläufe. Drei einzelne Kurven können vom typischen Muster abweichen; beurteile deshalb mehrere Wiederholungen.
↔ Diagramm bei Bedarf seitlich verschieben.
Lauf 1: 50 % · Lauf 2: 50 % · Lauf 3: 50 %
In jeder Generation werden 20 Genkopien zufällig weitergegeben. Keine Variante hat einen Selektionsvorteil.
Die Population bleibt gleich groß, die Generationen überlappen nicht und die Genkopien werden unabhängig gezogen. Selektion, Mutation und Genfluss fehlen. Bei 0 % oder 100 % bleibt der Anteil deshalb an dieser Grenze. In der Natur hängt die Stärke der Drift auch davon ab, wie viele Individuen tatsächlich und wie ungleich sie zur Fortpflanzung beitragen; die bloße Kopfzahl reicht nicht immer aus.
Eine Population wird stark verkleinert, etwa durch ein Ereignis, das unabhängig vom betrachteten Allel zufällig viele Individuen trifft. Die Überlebenden können andere Allelhäufigkeiten besitzen als der frühere Bestand. Manche Varianten können verloren gehen.
Wenige Individuen begründen eine neue Population. Sie tragen nur einen Ausschnitt der genetischen Variation der Herkunftspopulation mit sich. Dieser Ausschnitt kann zufällig anders zusammengesetzt sein; die Herkunftspopulation muss dabei nicht schrumpfen.
↔ Schaubild bei Bedarf seitlich verschieben.
Wächst ein kleiner Bestand später wieder an, kehren verlorene Allele dadurch nicht automatisch zurück. Dafür braucht es beispielsweise neue Mutation oder Genfluss. Ein Flaschenhals und ein Gründereffekt können die weitere Entwicklung beeinflussen, sind aber kein automatischer Beleg für eine neue Art.
Ein reales Ereignis kann zugleich selektiv wirken. Wenn etwa ein bestimmtes erbliches Merkmal die Überlebenschance bei einer Dürre erhöht, muss zusätzlich Selektion berücksichtigt werden. „Wenige Überlebende“ allein beweist keine ausschließlich zufällige Erklärung.
Genfluss ist der Austausch genetischer Varianten zwischen Populationen durch einen Beitrag zum dortigen Genpool. Tiere können zuwandern und sich fortpflanzen; Pollen kann eine andere Pflanzenpopulation erreichen und erfolgreich an der Befruchtung beteiligt sein.
Eine bloße Bewegung beweist noch keinen dauerhaften genetischen Beitrag. Ein Vogel, der ein Gebiet überfliegt, zeigt damit allein keinen Genfluss. Der Austausch kann neue Varianten in eine Population bringen und genetische Unterschiede zwischen verbundenen Populationen verringern.
Genfluss kann genetische Vielfalt ergänzen. Er kann aber auch Varianten einbringen, die unter den lokalen Bedingungen nachteilig sind, oder lokaler Anpassung entgegenwirken. Welche Wirkung überwiegt, hängt von den Varianten, ihrer Häufigkeit und den Bedingungen ab.
Ein Anteil m der Genkopien des neu zusammengesetzten Zielgenpools stammt aus einer Quelle. Der Rest stammt aus der bisherigen Zielpopulation. m beschreibt hier den genetischen Beitrag, nicht automatisch den Anteil zugewanderter Tiere. Das Modell betrachtet einen einzigen Mischschritt ohne Selektion, Mutation oder Zufallsdrift.
↔ Diagramm bei Bedarf seitlich verschieben.
0,80 × 20 % + 0,20 × 80 % = 32,0 %
Das Ziel bewegt sich durch den genetischen Beitrag in Richtung des A-Anteils der Quelle.
Rechenregel: Neuer A-Anteil = (1 − m) × bisheriger A-Anteil im Ziel + m × A-Anteil in der Quelle. Bei m = 0 bleibt der Zielwert unverändert; bei m = 1 stammen alle berücksichtigten Genkopien aus der Quelle.
Haben Ziel und Quelle denselben A-Anteil, ändert sich dieser Anteil auch bei Genfluss nicht. Eine unveränderte Häufigkeit an einem einzelnen Genort beweist deshalb nicht, dass überhaupt kein genetischer Austausch stattfindet.
Zufällige Weitergabe verändert Anteile. Der Effekt ist in kleinen idealisierten Populationen stärker. Es muss kein Merkmalsvorteil bestehen.
Genetische Beiträge kommen aus einer anderen Population. Häufigkeiten können sich dadurch verschieben und Populationen ähnlicher werden.
Erbliche Unterschiede sind mit unterschiedlichem Fortpflanzungserfolg verbunden. Welche Variante begünstigt ist, hängt von der Umwelt ab.
In realen Populationen können alle Mechanismen gleichzeitig wirken. Eine einzelne Häufigkeitskurve reicht meist nicht aus, um die Ursache eindeutig zu bestimmen.
Zwei Populationen haben denselben A-Anteil. Einige zugewanderte Individuen tragen erfolgreich zum Genpool der Zielpopulation bei. Was folgt daraus?
Wähle eine Antwort.
Löse zuerst selbst. Ein Tipp hilft beim Einstieg; die Lösung zeigt die fachliche Begründung.
Einstieg: Vier Karten mit AA, Aa, Aa und aa auslegen. Erst Träger von A zählen lassen, dann A-Kopien – so wird der Unterschied der Bezugsgrößen sichtbar.
Erarbeitung: Gruppen vergleichen im Drift-Labor mehrere Durchläufe bei N = 10 und N = 250. Notiert, was typischerweise passiert, und welche Aussagen ein einzelner Lauf nicht erlaubt.
Transfer: Das Genfluss-Labor mit gleichen und verschiedenen Ausgangshäufigkeiten untersuchen. Vor jeder Änderung eine Vorhersage formulieren.
Vertiefung: Erklärt, weshalb kleine, voneinander getrennte Populationen auseinanderdriften können und welche Bedeutung das für Isolation und Artbildung hat.
Kostenlos · PDF mit LösungenWende die Begriffe und Zusammenhänge in passenden Aufgaben an.
Arbeitsblatt ansehen →
Kostenlos · PDF mit LösungenWende die Begriffe und Zusammenhänge in passenden Aufgaben an.
Arbeitsblatt ansehen →Fachliche Vertiefung: UC Berkeley · Genetic Drift · UC Berkeley · Gene Flow · OpenStax · Population Genetics. Eigene Erklärungen, Aufgaben und Schaubilder. Zahlenbeispiele sind frei gewählte Unterrichtsdaten; Modelle und Zeichnungen sind bewusst vereinfacht. Klassenstufen und Vertiefung unterscheiden sich nach Bundesland und Schulart.
