Ausgewählte Grundlagen Der Biologischen Evolution

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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 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 1 K2_Evo-Grundlagen.ppt 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) Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 2 K2_Evo-Grundlagen.ppt 1 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren K2: Ausgewählte Grundlagen der biologischen Evolution Grundlagen d. biol. Evolution - Chromosome und Gene Evolution und Zeit: Mensch Känozoikum Mesozoikum Paläozoikum Eozoikum Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 3 K2_Evo-Grundlagen.ppt 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 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 4 K2_Evo-Grundlagen.ppt 2 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren K2: Ausgewählte Grundlagen der biologischen Evolution 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 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 5 K2_Evo-Grundlagen.ppt 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“ Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 6 K2_Evo-Grundlagen.ppt 3 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren K2: Ausgewählte Grundlagen der biologischen Evolution 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 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 7 K2_Evo-Grundlagen.ppt 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) Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 8 K2_Evo-Grundlagen.ppt 4 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren K2: Ausgewählte Grundlagen der biologischen Evolution 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) Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 9 K2_Evo-Grundlagen.ppt 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. Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 10 K2_Evo-Grundlagen.ppt 5 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren K2: Ausgewählte Grundlagen der biologischen Evolution 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? ... Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Dr. W. Jakob Studiengang Wirtschaftsinformatik 11 K2_Evo-Grundlagen.ppt 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. Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 12 K2_Evo-Grundlagen.ppt 6 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren K2: Ausgewählte Grundlagen der biologischen Evolution 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, … Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 13 K2_Evo-Grundlagen.ppt 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) Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 14 K2_Evo-Grundlagen.ppt 7 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren K2: Ausgewählte Grundlagen der biologischen Evolution 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 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 15 K2_Evo-Grundlagen.ppt 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 Planung und Optimierung mit evolutionären Verfahren Studiengang Wirtschaftsinformatik Dr. W. Jakob 16 K2_Evo-Grundlagen.ppt 8