DE-Abitur · BiologieT·077 / 10

Evolution — Faktoren, Artbildung und Stammbäume

Evolutionsfaktoren (Mutation, Rekombination, Selektion, Gendrift, Migration), Hardy-Weinberg-Gleichgewicht, Artbildung (allopatrisch und sympatrisch) sowie Belege und Methoden der Phylogenetik.

6Abschnitteca. 12Min Lesezeit3Kompetenzen

KMK-Bio-F4 · System: Populationen als evolutionäre Einheiten beschreibenKMK-Bio-E2 · Erkenntnisgewinnung: Belege aus Paläontologie, Morphologie, Molekulargenetik integrierenKMK-Bio-B1 · Bewertung: Schöpfungsglaube und Evolutionstheorie unterscheiden

Operatoren:beschreiben · erklären · analysieren · beurteilen · erörtern

grundlegendes Niveau

gA: Darwin-Wallace-Prinzip, fünf Evolutionsfaktoren, Hardy-Weinberg-Bedingungen, Artbegriff (biologisch).

erhöhtes Niveau

eA: Synthetische Evolutionstheorie, Selektionstypen (stabilisierend, gerichtet, disruptiv), Gendrift in kleinen Populationen, molekulare Uhr und Koaleszenz.

Inhalt · 6 Abschnitte

Evolution — Faktoren, Artbildung und Stammbäume

Evolutionsfaktoren und Hardy-Weinberg#

StandardKMK-Bio-2.6.7biologie-evolutionvielfalt-des-lebens

Kernpunkte

Mutation liefert neue Allele; Rekombination (sexuelle Fortpflanzung, Crossing-over) mischt vorhandene Allele.
Natürliche Selektion wirkt auf Phänotypen und verändert Allelfrequenzen; Fitness = relativer Fortpflanzungserfolg.
Selektionsformen: stabilisierend (extreme Phänotypen benachteiligt, z. B. Geburtsgewicht), gerichtet (eine Richtung bevorzugt, z. B. Industriemelanismus), disruptiv (zwei Extreme bevorzugt → Artbildungspotential).
Gendrift = zufällige Allelfrequenzänderung; in kleinen Populationen dramatisch (Flaschenhalseffekt, Gründereffekt).
Migration (Genfluss) gleicht Allelfrequenzen zwischen Populationen an.
Hardy-Weinberg-Gleichgewicht: p² + 2pq + q² = 1 bei großer Population, panmiktischer Paarung, ohne Selektion, Mutation, Drift und Migration; dient als Nullhypothese.
Sexuelle Selektion (Darwin 1871): Merkmale, die den Fortpflanzungserfolg steigern, auch wenn sie Fitnessnachteile haben (Pfauenrad).

HARDY-WEINBERG-GLEICHGEWICHT

p^{2} + 2pq + q^{2} = 1,\quad p + q = 1

Gleichgewicht der Allelfrequenzen einer großen, panmiktischen Population ohne Selektion, Mutation, Migration und Drift.

SELEKTIONSKOEFFIZIENT

s = 1 - \dfrac{w}{w_{\max}}

w — Fitness des betrachteten Genotyps, w_max — Fitness des am besten angepassten Genotyps.

EVOLUTIONSFAKTOREN — ÜBERSICHT

Welche drei Beschriftungen in "Evolutionsfaktoren — Übersicht" sind prüfungsrelevant?

Folgeaufgabe: Skizziere dasselbe Schema ohne Beschriftungen und ergänze sie aus dem Gedächtnis.

Mutation liefert Variabilität, Rekombination mischt; Selektion, Gendrift und Migration verändern Allelfrequenzen.

Musterlösung

Hardy-Weinberg — Albinismus

In einer Population treten 1 von 10 000 Menschen als Albinos (aa) auf. Berechnen Sie die Allelfrequenzen p, q und den Anteil heterozygoter Träger.

Schritt 1 — q² aus Phänotyp
Da Albinismus rezessiv ist, entspricht der Anteil der Betroffenen genau q².
$q^{2} = \dfrac{1}{10\,000} = 0{,}0001$
Schritt 2 — q durch Wurzelziehen
Die Allelfrequenz des rezessiven Allels ergibt sich aus q = √q².
$q = \sqrt{0{,}0001} = 0{,}01$
Schritt 3 — p aus Normierung
Wegen p + q = 1 folgt unmittelbar p = 1 − q.
$p = 1 - 0{,}01 = 0{,}99$
Schritt 4 — Anteil 2pq
Heterozygote Träger sind aufgrund der Binomialformel 2pq.
$2pq = 2 \cdot 0{,}99 \cdot 0{,}01 \approx 0{,}0198$
Schritt 5 — Interpretation
Rund 1,98 % der Bevölkerung sind heterozygote Träger — fast 200-mal mehr Menschen tragen das Allel, als phänotypisch sichtbar sind. Das erklärt, warum scheinbar verschwundene rezessive Erbkrankheiten dennoch auftreten.

Ergebnis: p ≈ 0,99; q ≈ 0,01; etwa 1,98 % heterozygote Träger.

Musterlösung

Selektionsdruck quantifizieren — Industriemelanismus

Beim Birkenspanner besitzt die helle Form in einem rußbelasteten Wald eine relative Fitness von w = 0,8 gegenüber der dunklen Form (w_max = 1,0). Bestimmen Sie den Selektionskoeffizienten und beurteilen Sie die Richtung der Selektion.

Schritt 1 — Formel anwenden
Setze die relative Fitness in die Definition des Selektionskoeffizienten ein.
$s = 1 - \dfrac{w}{w_{\max}} = 1 - \dfrac{0{,}8}{1{,}0}$
Schritt 2 — Ausrechnen
Der Bruch ergibt 0,8; die Differenz liefert den Koeffizienten.
$s = 1 - 0{,}8 = 0{,}2$
Schritt 3 — Bedeutung von s
Ein Selektionskoeffizient von s = 0,2 bedeutet, dass die helle Form pro Generation 20 % weniger zur nächsten Generation beiträgt als die dunkle Form.
Schritt 4 — Richtung der Selektion
Da die dunkle, getarnte Form auf rußgeschwärzter Rinde seltener gefressen wird, wirkt gerichtete Selektion zugunsten des dunklen Allels — die dunkle Form breitet sich aus.
Schritt 5 — Interpretation
Nach dem Rückgang der Luftverschmutzung kehrte sich der Selektionsdruck um (helle Form wieder begünstigt). Das dokumentiert Selektion als gerichteten, umweltabhängigen Prozess in Echtzeit.

Ergebnis: s = 0,2; gerichtete Selektion begünstigt die dunkle Form um 20 % pro Generation (Industriemelanismus).

Typische Fehler

Mutation wird als „zielgerichtete Anpassung" beschrieben — sie ist ungerichtet.
Hardy-Weinberg-Bedingungen werden bei realen Populationen vorausgesetzt — es ist ein Modell.
Gendrift und Selektion gleichgesetzt.
Fitness mit „körperlicher Stärke" verwechselt.

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie das Hardy-Weinberg-Gleichgewicht als Nullhypothese in Populationsgenetik und erklären Sie, warum viele menschliche Genorte mit niedriger Mutationsrate zumindest näherungsweise im HW-Gleichgewicht stehen.

Artbildung, Stammbäume und Belege#

StandardKMK-Bio-2.6.7biologie-evolutionvielfalt-des-lebens

Kernpunkte

Biologischer Artbegriff (Mayr 1942): Population, deren Individuen sich unter natürlichen Bedingungen fruchtbar fortpflanzen.
Allopatrische Artbildung: geografische Isolation → unabhängige Evolution → reproduktive Isolation (Darwinfinken, Galápagos).
Sympatrische Artbildung: ohne räumliche Trennung, z. B. durch Polyploidie (Pflanzen) oder ökologische Nischenspezialisierung.
Isolationsmechanismen prä- (zeitlich, ethologisch, ökologisch) und postzygotisch (Hybridsterilität).
Belege: Paläontologie (Fossilien, Übergangsformen wie Archaeopteryx), vergleichende Morphologie (Homologie vs. Analogie), Embryologie (Ähnlichkeit früher Embryonalstadien nach den von-Baer-Regeln — Haeckels „Biogenetisches Grundgesetz" gilt in seiner starken Form als überholt), Molekulargenetik (DNA-Sequenzvergleiche, molekulare Uhr).
Stammbaumkonstruktion über Merkmalsmatrix; Kladistik unterscheidet Synapomorphien (gemeinsam abgeleitete Merkmale) als phylogenetische Information.
Konvergenz und Divergenz: ähnliche Bedingungen führen zu ähnlichen Phänotypen aus unterschiedlichen Ursprüngen (Flügel Insekt/Vogel).

Typische Fehler

Analogie und Homologie vertauscht.
Artbildung wird mit einzelnem Mutationsereignis erklärt — sie ist ein Populationsprozess.
Stammbäume werden als Zielgerichtetheit interpretiert („höhere Tiere").

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie die molekulare Uhr, ihre Kalibrierung über Fossilien und ihre Limitationen (Rate Heterogeneity, Sättigung von Substitutionen).

Humanevolution und kulturelle Evolution#

VertiefungKMK-Bio-2.6.7biologie-evolutionvielfalt-des-lebens

Kernpunkte

Hominidenstammbaum: Australopithecus → Homo habilis → Homo erectus → Homo neanderthalensis und Homo sapiens; mehrere Arten koexistierten.
Out-of-Africa-Theorie: Homo sapiens entstand vor ca. 300 000 Jahren in Afrika und breitete sich vor 60 000–70 000 Jahren über die Welt aus.
Hybridisierung mit Neandertalern und Denisovanern hinterließ 1–4 % Erbgut in nicht-afrikanischen Bevölkerungen.
Bipedie als Schlüsselmerkmal: Skelettanpassungen (Foramen magnum mittig, S-förmige Wirbelsäule, Beckenrotation).
Gehirnvergrößerung (Encephalisation Quotient) und Werkzeuggebrauch korrelieren; Sprachentwicklung über FOXP2-Gen.
Kulturelle Evolution überlagert biologische: Wissens- und Technologietransfer, Lamarcksche Anteile (erlernte Inhalte werden weitergegeben).

Typische Fehler

Homo neanderthalensis als „Vorfahr" des Homo sapiens dargestellt — beide sind Schwesterarten mit gemeinsamem Vorfahren.
Mensch als „Krone der Evolution" — biologisch existiert keine Hierarchie, nur Anpassung an Umwelten.
Der Hominidenstammbaum wird als lineare Kette („vom Affen zum Menschen") gezeichnet, obwohl mehrere Arten zeitgleich nebeneinander existierten (verzweigter Busch statt Leiter).
Bipedie wird als Folge des Großhirnwachstums gedeutet — tatsächlich war der aufrechte Gang (Australopithecus) deutlich früher als die starke Encephalisation.

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie das Verhältnis biologischer und kultureller Evolution mit Bezug zu Dual-Inheritance-Theorie.

Selektionstypen und Fitness quantitativ#

StandardKMK-Bio-2.6.7biologie-evolutionvielfalt-des-lebens

Kernpunkte

Fitness ist der relative Fortpflanzungserfolg eines Genotyps; die relative Fitness w wird auf den erfolgreichsten Genotyp normiert (w_max = 1).
Selektionskoeffizient s = 1 − w/w_max misst die Stärke der Selektion gegen einen Genotyp.
Stabilisierende Selektion bevorzugt den Mittelwert (z. B. menschliches Geburtsgewicht) und reduziert die Varianz.
Gerichtete Selektion verschiebt den Mittelwert in eine Richtung (Industriemelanismus des Birkenspanners, Antibiotikaresistenz).
Disruptive Selektion begünstigt beide Extreme und kann zur Aufspaltung in zwei Formen und langfristig zur Artbildung führen.
Selektionsdruck wirkt auf den Phänotyp; die Reaktion der Population hängt von der vorhandenen genetischen Variabilität ab.

SELEKTIONSKOEFFIZIENT

s = 1 - \dfrac{w}{w_{\max}}

w — Fitness des betrachteten Genotyps, w_max — Fitness des am besten angepassten Genotyps.

SELEKTIONSTYPEN — WIRKUNG AUF DIE MERKMALSVERTEILUNG

Welche drei Beschriftungen in "Selektionstypen — Wirkung auf die Merkmalsverteilung" sind prüfungsrelevant?

Folgeaufgabe: Skizziere dasselbe Schema ohne Beschriftungen und ergänze sie aus dem Gedächtnis.

Stabilisierende Selektion bevorzugt den Mittelwert, gerichtete Selektion verschiebt ihn, disruptive Selektion begünstigt beide Extreme (Potential zur Artbildung).

EVOLUTIONSFAKTOREN — ÜBERSICHT

Welche drei Beschriftungen in "Evolutionsfaktoren — Übersicht" sind prüfungsrelevant?

Folgeaufgabe: Skizziere dasselbe Schema ohne Beschriftungen und ergänze sie aus dem Gedächtnis.

Mutation liefert Variabilität, Rekombination mischt; Selektion, Gendrift und Migration verändern Allelfrequenzen.

Musterlösung

Selektionsdruck quantifizieren — Industriemelanismus

Schritt 1 — Formel anwenden
Setze die relative Fitness in die Definition des Selektionskoeffizienten ein.
$s = 1 - \dfrac{w}{w_{\max}} = 1 - \dfrac{0{,}8}{1{,}0}$
Schritt 2 — Ausrechnen
Der Bruch ergibt 0,8; die Differenz liefert den Koeffizienten.
$s = 1 - 0{,}8 = 0{,}2$
Schritt 3 — Bedeutung von s
Ein Selektionskoeffizient von s = 0,2 bedeutet, dass die helle Form pro Generation 20 % weniger zur nächsten Generation beiträgt als die dunkle Form.
Schritt 4 — Richtung der Selektion
Da die dunkle, getarnte Form auf rußgeschwärzter Rinde seltener gefressen wird, wirkt gerichtete Selektion zugunsten des dunklen Allels — die dunkle Form breitet sich aus.
Schritt 5 — Interpretation
Nach dem Rückgang der Luftverschmutzung kehrte sich der Selektionsdruck um (helle Form wieder begünstigt). Das dokumentiert Selektion als gerichteten, umweltabhängigen Prozess in Echtzeit.

Ergebnis: s = 0,2; gerichtete Selektion begünstigt die dunkle Form um 20 % pro Generation (Industriemelanismus).

Musterlösung

Selektionstyp aus einer Verteilung bestimmen

Bei einer Vogelart liegt das mittlere Gelegegewicht über Generationen stabil, während sehr leichte und sehr schwere Gelege seltener erfolgreich aufkommen. Bestimmen Sie den Selektionstyp und begründen Sie Ihre Zuordnung.

Schritt 1 — Verteilung beschreiben
Die Häufigkeitsverteilung des Merkmals bleibt symmetrisch um einen konstanten Mittelwert; die Varianz nimmt ab.
Schritt 2 — Extreme bewerten
Sehr leichte (zu wenig Reserven) und sehr schwere Gelege (zu hohe Belastung der Eltern) zeigen geringeren Fortpflanzungserfolg.
Schritt 3 — Selektionstyp zuordnen
Werden beide Extreme benachteiligt und der Mittelwert begünstigt, handelt es sich um stabilisierende Selektion.
Schritt 4 — Abgrenzung
Bei gerichteter Selektion würde sich der Mittelwert verschieben, bei disruptiver Selektion würden gerade die Extreme begünstigt (Aufspaltung der Verteilung).
Schritt 5 — Interpretation
Stabilisierende Selektion ist der häufigste Selektionstyp in konstanten Umwelten; sie reduziert die genetische Variabilität und erklärt die Konstanz vieler Merkmale (z. B. menschliches Geburtsgewicht).

Ergebnis: Stabilisierende Selektion — der Mittelwert wird begünstigt, beide Extreme benachteiligt; die Varianz sinkt.

Typische Fehler

Selektionskoeffizient und Fitness werden gleichgesetzt (s = 1 − w, nicht s = w).
Stabilisierende und gerichtete Selektion werden anhand des Diagramms verwechselt.
Disruptive Selektion wird mit zwei verschiedenen Arten statt mit einer aufspaltenden Population erklärt.
Selektion wird als zielgerichteter „Wille zur Anpassung" missverstanden.

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie frequenzabhängige Selektion und balancierte Polymorphismen (Heterozygotenvorteil) als Mechanismen, die genetische Variabilität erhalten.

Belege der Evolution und vergleichende Methoden#

StandardKMK-Bio-2.6.7biologie-evolutionvielfalt-des-lebens

Kernpunkte

Paläontologie: Fossilien und Übergangsformen (Archaeopteryx, Tiktaalik) belegen Abstammung und zeitliche Abfolge; Brückentiere kombinieren Merkmale verschiedener Gruppen.
Vergleichende Anatomie: Homologie (gleiche Grundstruktur, z. B. Wirbeltierextremität als „Pentadactylie") vs. Analogie (gleiche Funktion, verschiedene Herkunft, z. B. Flügel von Insekt und Vogel).
Rudimente (menschlicher Wurmfortsatz, Beckenknochen der Wale) und Atavismen weisen auf evolutionäre Herkunft hin.
Embryologie: Ähnlichkeiten früher Embryonalstadien (von-Baer-Regeln) zeigen gemeinsame Bauplaninformation.
Molekularbiologie: DNA- und Proteinsequenzvergleiche quantifizieren Verwandtschaft; je mehr Übereinstimmung, desto näher die Verwandtschaft.
Molekulare Uhr: konstante Mutationsrate erlaubt die Datierung von Aufspaltungen, kalibriert über Fossilien.
Homologiekriterien (Lage, Kontinuität, spezifische Qualität) trennen echte Homologie von zufälliger Ähnlichkeit.

EVOLUTIONSFAKTOREN — ÜBERSICHT

Welche drei Beschriftungen in "Evolutionsfaktoren — Übersicht" sind prüfungsrelevant?

Folgeaufgabe: Skizziere dasselbe Schema ohne Beschriftungen und ergänze sie aus dem Gedächtnis.

Mutation liefert Variabilität, Rekombination mischt; Selektion, Gendrift und Migration verändern Allelfrequenzen.

Typische Fehler

Analogie und Homologie werden vertauscht.
Rudimente werden als „nutzlose Überbleibsel" ohne evolutionäre Aussage abgetan.
Embryonale Ähnlichkeit wird als „Wiederholung der Stammesgeschichte" überinterpretiert (biogenetisches Grundgesetz in starker Form).
Aus großer Sequenzunterschiedlichkeit wird auf „höhere Entwicklung" geschlossen.

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie die Grenzen der molekularen Uhr (Raten-Heterogenität, Sättigung von Substitutionen) und Methoden ihrer Kalibrierung.

Koevolution, Mimikry und Wettrüsten#

VertiefungKMK-Bio-2.6.7biologie-evolutionvielfalt-des-lebens

Kernpunkte

Koevolution: Wechselseitige Anpassung zweier Arten, die als Selektionsfaktoren aufeinander wirken (Blüte und Bestäuber, Wirt und Parasit).
Evolutionäres Wettrüsten: Räuber-Beute- und Wirt-Parasit-Paare treiben sich gegenseitig zu immer besseren Anpassungen (Red-Queen-Hypothese).
Mimese (Tarnung): Anpassung an unbelebte Umgebung (Stabschrecke als Zweig).
Bates´sche Mimikry: Eine harmlose Art ahmt eine wehrhafte/giftige Art nach und profitiert von deren Warnsignal (Schwebfliege ↔ Wespe).
Müller´sche Mimikry: Mehrere wehrhafte Arten konvergieren auf ein gemeinsames Warnsignal und teilen die „Lernkosten" der Räuber.
Symbiosen sind ein häufiges Ergebnis von Koevolution (Mykorrhiza, Knöllchenbakterien, Darmmikrobiom).

RÄUBER-BEUTE-OSZILLATION (LOTKA-VOLTERRA)

Welche drei Beschriftungen in "Räuber-Beute-Oszillation (Lotka-Volterra)" sind prüfungsrelevant?

Folgeaufgabe: Skizziere dasselbe Schema ohne Beschriftungen und ergänze sie aus dem Gedächtnis.

Schwingung der Beute- (durchgehend) und Räuberpopulation (akzent); die Räuberkurve folgt der Beute mit einer Phasenverschiebung von etwa 90°.

Typische Fehler

Mimese und Mimikry werden gleichgesetzt.
Bates´sche und Müller´sche Mimikry werden vertauscht.
Koevolution wird als einseitige Anpassung einer Art beschrieben.
Symbiose wird mit Kommensalismus gleichgesetzt (beidseitiger vs. einseitiger Nutzen).

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie die Koevolution von Blüten und Bestäubern (z. B. Schwärmer und langspornige Orchideen, Darwins Vorhersage) als Beispiel reziproker Selektion.

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Evolution — Faktoren, Artbildung und Stammbäume

Evolutionsfaktoren (Mutation, Rekombination, Selektion, Gendrift, Migration), Hardy-Weinberg-Gleichgewicht, Artbildung (allopatrisch und sympatrisch) sowie Belege und Methoden der Phylogenetik.

6Abschnitteca. 12Min Lesezeit3Kompetenzen

Operatoren:beschreiben · erklären · analysieren · beurteilen · erörtern

grundlegendes Niveau

gA: Darwin-Wallace-Prinzip, fünf Evolutionsfaktoren, Hardy-Weinberg-Bedingungen, Artbegriff (biologisch).

erhöhtes Niveau

eA: Synthetische Evolutionstheorie, Selektionstypen (stabilisierend, gerichtet, disruptiv), Gendrift in kleinen Populationen, molekulare Uhr und Koaleszenz.

Evolutionsfaktoren und Hardy-Weinberg#

StandardKMK-Bio-2.6.7biologie-evolutionvielfalt-des-lebens

Kernpunkte

Mutation liefert neue Allele; Rekombination (sexuelle Fortpflanzung, Crossing-over) mischt vorhandene Allele.
Natürliche Selektion wirkt auf Phänotypen und verändert Allelfrequenzen; Fitness = relativer Fortpflanzungserfolg.
Selektionsformen: stabilisierend (extreme Phänotypen benachteiligt, z. B. Geburtsgewicht), gerichtet (eine Richtung bevorzugt, z. B. Industriemelanismus), disruptiv (zwei Extreme bevorzugt → Artbildungspotential).
Gendrift = zufällige Allelfrequenzänderung; in kleinen Populationen dramatisch (Flaschenhalseffekt, Gründereffekt).
Migration (Genfluss) gleicht Allelfrequenzen zwischen Populationen an.
Hardy-Weinberg-Gleichgewicht: p² + 2pq + q² = 1 bei großer Population, panmiktischer Paarung, ohne Selektion, Mutation, Drift und Migration; dient als Nullhypothese.
Sexuelle Selektion (Darwin 1871): Merkmale, die den Fortpflanzungserfolg steigern, auch wenn sie Fitnessnachteile haben (Pfauenrad).

HARDY-WEINBERG-GLEICHGEWICHT

p^{2} + 2pq + q^{2} = 1,\quad p + q = 1

Gleichgewicht der Allelfrequenzen einer großen, panmiktischen Population ohne Selektion, Mutation, Migration und Drift.

SELEKTIONSKOEFFIZIENT

s = 1 - \dfrac{w}{w_{\max}}

w — Fitness des betrachteten Genotyps, w_max — Fitness des am besten angepassten Genotyps.

EVOLUTIONSFAKTOREN — ÜBERSICHT

Welche drei Beschriftungen in "Evolutionsfaktoren — Übersicht" sind prüfungsrelevant?

Folgeaufgabe: Skizziere dasselbe Schema ohne Beschriftungen und ergänze sie aus dem Gedächtnis.

Mutation liefert Variabilität, Rekombination mischt; Selektion, Gendrift und Migration verändern Allelfrequenzen.

Musterlösung

Hardy-Weinberg — Albinismus

In einer Population treten 1 von 10 000 Menschen als Albinos (aa) auf. Berechnen Sie die Allelfrequenzen p, q und den Anteil heterozygoter Träger.

Schritt 1 — q² aus Phänotyp
Da Albinismus rezessiv ist, entspricht der Anteil der Betroffenen genau q².
$q^{2} = \dfrac{1}{10\,000} = 0{,}0001$
Schritt 2 — q durch Wurzelziehen
Die Allelfrequenz des rezessiven Allels ergibt sich aus q = √q².
$q = \sqrt{0{,}0001} = 0{,}01$
Schritt 3 — p aus Normierung
Wegen p + q = 1 folgt unmittelbar p = 1 − q.
$p = 1 - 0{,}01 = 0{,}99$
Schritt 4 — Anteil 2pq
Heterozygote Träger sind aufgrund der Binomialformel 2pq.
$2pq = 2 \cdot 0{,}99 \cdot 0{,}01 \approx 0{,}0198$
Schritt 5 — Interpretation
Rund 1,98 % der Bevölkerung sind heterozygote Träger — fast 200-mal mehr Menschen tragen das Allel, als phänotypisch sichtbar sind. Das erklärt, warum scheinbar verschwundene rezessive Erbkrankheiten dennoch auftreten.

Ergebnis: p ≈ 0,99; q ≈ 0,01; etwa 1,98 % heterozygote Träger.

Musterlösung

Selektionsdruck quantifizieren — Industriemelanismus

Schritt 1 — Formel anwenden
Setze die relative Fitness in die Definition des Selektionskoeffizienten ein.
$s = 1 - \dfrac{w}{w_{\max}} = 1 - \dfrac{0{,}8}{1{,}0}$
Schritt 2 — Ausrechnen
Der Bruch ergibt 0,8; die Differenz liefert den Koeffizienten.
$s = 1 - 0{,}8 = 0{,}2$
Schritt 3 — Bedeutung von s
Ein Selektionskoeffizient von s = 0,2 bedeutet, dass die helle Form pro Generation 20 % weniger zur nächsten Generation beiträgt als die dunkle Form.
Schritt 4 — Richtung der Selektion
Da die dunkle, getarnte Form auf rußgeschwärzter Rinde seltener gefressen wird, wirkt gerichtete Selektion zugunsten des dunklen Allels — die dunkle Form breitet sich aus.
Schritt 5 — Interpretation
Nach dem Rückgang der Luftverschmutzung kehrte sich der Selektionsdruck um (helle Form wieder begünstigt). Das dokumentiert Selektion als gerichteten, umweltabhängigen Prozess in Echtzeit.

Ergebnis: s = 0,2; gerichtete Selektion begünstigt die dunkle Form um 20 % pro Generation (Industriemelanismus).

Typische Fehler

Mutation wird als „zielgerichtete Anpassung" beschrieben — sie ist ungerichtet.
Hardy-Weinberg-Bedingungen werden bei realen Populationen vorausgesetzt — es ist ein Modell.
Gendrift und Selektion gleichgesetzt.
Fitness mit „körperlicher Stärke" verwechselt.

LK-Vertiefung

Artbildung, Stammbäume und Belege#

StandardKMK-Bio-2.6.7biologie-evolutionvielfalt-des-lebens

Kernpunkte

Biologischer Artbegriff (Mayr 1942): Population, deren Individuen sich unter natürlichen Bedingungen fruchtbar fortpflanzen.
Allopatrische Artbildung: geografische Isolation → unabhängige Evolution → reproduktive Isolation (Darwinfinken, Galápagos).
Sympatrische Artbildung: ohne räumliche Trennung, z. B. durch Polyploidie (Pflanzen) oder ökologische Nischenspezialisierung.
Isolationsmechanismen prä- (zeitlich, ethologisch, ökologisch) und postzygotisch (Hybridsterilität).
Belege: Paläontologie (Fossilien, Übergangsformen wie Archaeopteryx), vergleichende Morphologie (Homologie vs. Analogie), Embryologie (Ähnlichkeit früher Embryonalstadien nach den von-Baer-Regeln — Haeckels „Biogenetisches Grundgesetz" gilt in seiner starken Form als überholt), Molekulargenetik (DNA-Sequenzvergleiche, molekulare Uhr).
Stammbaumkonstruktion über Merkmalsmatrix; Kladistik unterscheidet Synapomorphien (gemeinsam abgeleitete Merkmale) als phylogenetische Information.
Konvergenz und Divergenz: ähnliche Bedingungen führen zu ähnlichen Phänotypen aus unterschiedlichen Ursprüngen (Flügel Insekt/Vogel).

Typische Fehler

Analogie und Homologie vertauscht.
Artbildung wird mit einzelnem Mutationsereignis erklärt — sie ist ein Populationsprozess.
Stammbäume werden als Zielgerichtetheit interpretiert („höhere Tiere").

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie die molekulare Uhr, ihre Kalibrierung über Fossilien und ihre Limitationen (Rate Heterogeneity, Sättigung von Substitutionen).

Humanevolution und kulturelle Evolution#

VertiefungKMK-Bio-2.6.7biologie-evolutionvielfalt-des-lebens

Kernpunkte

Hominidenstammbaum: Australopithecus → Homo habilis → Homo erectus → Homo neanderthalensis und Homo sapiens; mehrere Arten koexistierten.
Out-of-Africa-Theorie: Homo sapiens entstand vor ca. 300 000 Jahren in Afrika und breitete sich vor 60 000–70 000 Jahren über die Welt aus.
Hybridisierung mit Neandertalern und Denisovanern hinterließ 1–4 % Erbgut in nicht-afrikanischen Bevölkerungen.
Bipedie als Schlüsselmerkmal: Skelettanpassungen (Foramen magnum mittig, S-förmige Wirbelsäule, Beckenrotation).
Gehirnvergrößerung (Encephalisation Quotient) und Werkzeuggebrauch korrelieren; Sprachentwicklung über FOXP2-Gen.
Kulturelle Evolution überlagert biologische: Wissens- und Technologietransfer, Lamarcksche Anteile (erlernte Inhalte werden weitergegeben).

Typische Fehler

Homo neanderthalensis als „Vorfahr" des Homo sapiens dargestellt — beide sind Schwesterarten mit gemeinsamem Vorfahren.
Mensch als „Krone der Evolution" — biologisch existiert keine Hierarchie, nur Anpassung an Umwelten.
Der Hominidenstammbaum wird als lineare Kette („vom Affen zum Menschen") gezeichnet, obwohl mehrere Arten zeitgleich nebeneinander existierten (verzweigter Busch statt Leiter).
Bipedie wird als Folge des Großhirnwachstums gedeutet — tatsächlich war der aufrechte Gang (Australopithecus) deutlich früher als die starke Encephalisation.

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie das Verhältnis biologischer und kultureller Evolution mit Bezug zu Dual-Inheritance-Theorie.

Selektionstypen und Fitness quantitativ#

StandardKMK-Bio-2.6.7biologie-evolutionvielfalt-des-lebens

Kernpunkte

Fitness ist der relative Fortpflanzungserfolg eines Genotyps; die relative Fitness w wird auf den erfolgreichsten Genotyp normiert (w_max = 1).
Selektionskoeffizient s = 1 − w/w_max misst die Stärke der Selektion gegen einen Genotyp.
Stabilisierende Selektion bevorzugt den Mittelwert (z. B. menschliches Geburtsgewicht) und reduziert die Varianz.
Gerichtete Selektion verschiebt den Mittelwert in eine Richtung (Industriemelanismus des Birkenspanners, Antibiotikaresistenz).
Disruptive Selektion begünstigt beide Extreme und kann zur Aufspaltung in zwei Formen und langfristig zur Artbildung führen.
Selektionsdruck wirkt auf den Phänotyp; die Reaktion der Population hängt von der vorhandenen genetischen Variabilität ab.

SELEKTIONSKOEFFIZIENT

s = 1 - \dfrac{w}{w_{\max}}

w — Fitness des betrachteten Genotyps, w_max — Fitness des am besten angepassten Genotyps.

SELEKTIONSTYPEN — WIRKUNG AUF DIE MERKMALSVERTEILUNG

Welche drei Beschriftungen in "Selektionstypen — Wirkung auf die Merkmalsverteilung" sind prüfungsrelevant?

Folgeaufgabe: Skizziere dasselbe Schema ohne Beschriftungen und ergänze sie aus dem Gedächtnis.

Stabilisierende Selektion bevorzugt den Mittelwert, gerichtete Selektion verschiebt ihn, disruptive Selektion begünstigt beide Extreme (Potential zur Artbildung).

EVOLUTIONSFAKTOREN — ÜBERSICHT

Welche drei Beschriftungen in "Evolutionsfaktoren — Übersicht" sind prüfungsrelevant?

Folgeaufgabe: Skizziere dasselbe Schema ohne Beschriftungen und ergänze sie aus dem Gedächtnis.

Mutation liefert Variabilität, Rekombination mischt; Selektion, Gendrift und Migration verändern Allelfrequenzen.

Musterlösung

Selektionsdruck quantifizieren — Industriemelanismus

Schritt 1 — Formel anwenden
Setze die relative Fitness in die Definition des Selektionskoeffizienten ein.
$s = 1 - \dfrac{w}{w_{\max}} = 1 - \dfrac{0{,}8}{1{,}0}$
Schritt 2 — Ausrechnen
Der Bruch ergibt 0,8; die Differenz liefert den Koeffizienten.
$s = 1 - 0{,}8 = 0{,}2$
Schritt 3 — Bedeutung von s
Ein Selektionskoeffizient von s = 0,2 bedeutet, dass die helle Form pro Generation 20 % weniger zur nächsten Generation beiträgt als die dunkle Form.
Schritt 4 — Richtung der Selektion
Da die dunkle, getarnte Form auf rußgeschwärzter Rinde seltener gefressen wird, wirkt gerichtete Selektion zugunsten des dunklen Allels — die dunkle Form breitet sich aus.
Schritt 5 — Interpretation
Nach dem Rückgang der Luftverschmutzung kehrte sich der Selektionsdruck um (helle Form wieder begünstigt). Das dokumentiert Selektion als gerichteten, umweltabhängigen Prozess in Echtzeit.

Ergebnis: s = 0,2; gerichtete Selektion begünstigt die dunkle Form um 20 % pro Generation (Industriemelanismus).

Musterlösung

Selektionstyp aus einer Verteilung bestimmen

Schritt 1 — Verteilung beschreiben
Die Häufigkeitsverteilung des Merkmals bleibt symmetrisch um einen konstanten Mittelwert; die Varianz nimmt ab.
Schritt 2 — Extreme bewerten
Sehr leichte (zu wenig Reserven) und sehr schwere Gelege (zu hohe Belastung der Eltern) zeigen geringeren Fortpflanzungserfolg.
Schritt 3 — Selektionstyp zuordnen
Werden beide Extreme benachteiligt und der Mittelwert begünstigt, handelt es sich um stabilisierende Selektion.
Schritt 4 — Abgrenzung
Bei gerichteter Selektion würde sich der Mittelwert verschieben, bei disruptiver Selektion würden gerade die Extreme begünstigt (Aufspaltung der Verteilung).
Schritt 5 — Interpretation
Stabilisierende Selektion ist der häufigste Selektionstyp in konstanten Umwelten; sie reduziert die genetische Variabilität und erklärt die Konstanz vieler Merkmale (z. B. menschliches Geburtsgewicht).

Ergebnis: Stabilisierende Selektion — der Mittelwert wird begünstigt, beide Extreme benachteiligt; die Varianz sinkt.

Typische Fehler

Selektionskoeffizient und Fitness werden gleichgesetzt (s = 1 − w, nicht s = w).
Stabilisierende und gerichtete Selektion werden anhand des Diagramms verwechselt.
Disruptive Selektion wird mit zwei verschiedenen Arten statt mit einer aufspaltenden Population erklärt.
Selektion wird als zielgerichteter „Wille zur Anpassung" missverstanden.

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie frequenzabhängige Selektion und balancierte Polymorphismen (Heterozygotenvorteil) als Mechanismen, die genetische Variabilität erhalten.

Belege der Evolution und vergleichende Methoden#

StandardKMK-Bio-2.6.7biologie-evolutionvielfalt-des-lebens

Kernpunkte

Paläontologie: Fossilien und Übergangsformen (Archaeopteryx, Tiktaalik) belegen Abstammung und zeitliche Abfolge; Brückentiere kombinieren Merkmale verschiedener Gruppen.
Vergleichende Anatomie: Homologie (gleiche Grundstruktur, z. B. Wirbeltierextremität als „Pentadactylie") vs. Analogie (gleiche Funktion, verschiedene Herkunft, z. B. Flügel von Insekt und Vogel).
Rudimente (menschlicher Wurmfortsatz, Beckenknochen der Wale) und Atavismen weisen auf evolutionäre Herkunft hin.
Embryologie: Ähnlichkeiten früher Embryonalstadien (von-Baer-Regeln) zeigen gemeinsame Bauplaninformation.
Molekularbiologie: DNA- und Proteinsequenzvergleiche quantifizieren Verwandtschaft; je mehr Übereinstimmung, desto näher die Verwandtschaft.
Molekulare Uhr: konstante Mutationsrate erlaubt die Datierung von Aufspaltungen, kalibriert über Fossilien.
Homologiekriterien (Lage, Kontinuität, spezifische Qualität) trennen echte Homologie von zufälliger Ähnlichkeit.

EVOLUTIONSFAKTOREN — ÜBERSICHT

Welche drei Beschriftungen in "Evolutionsfaktoren — Übersicht" sind prüfungsrelevant?

Folgeaufgabe: Skizziere dasselbe Schema ohne Beschriftungen und ergänze sie aus dem Gedächtnis.

Mutation liefert Variabilität, Rekombination mischt; Selektion, Gendrift und Migration verändern Allelfrequenzen.

Typische Fehler

Analogie und Homologie werden vertauscht.
Rudimente werden als „nutzlose Überbleibsel" ohne evolutionäre Aussage abgetan.
Embryonale Ähnlichkeit wird als „Wiederholung der Stammesgeschichte" überinterpretiert (biogenetisches Grundgesetz in starker Form).
Aus großer Sequenzunterschiedlichkeit wird auf „höhere Entwicklung" geschlossen.

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie die Grenzen der molekularen Uhr (Raten-Heterogenität, Sättigung von Substitutionen) und Methoden ihrer Kalibrierung.

Koevolution, Mimikry und Wettrüsten#

VertiefungKMK-Bio-2.6.7biologie-evolutionvielfalt-des-lebens

Kernpunkte

Koevolution: Wechselseitige Anpassung zweier Arten, die als Selektionsfaktoren aufeinander wirken (Blüte und Bestäuber, Wirt und Parasit).
Evolutionäres Wettrüsten: Räuber-Beute- und Wirt-Parasit-Paare treiben sich gegenseitig zu immer besseren Anpassungen (Red-Queen-Hypothese).
Mimese (Tarnung): Anpassung an unbelebte Umgebung (Stabschrecke als Zweig).
Bates´sche Mimikry: Eine harmlose Art ahmt eine wehrhafte/giftige Art nach und profitiert von deren Warnsignal (Schwebfliege ↔ Wespe).
Müller´sche Mimikry: Mehrere wehrhafte Arten konvergieren auf ein gemeinsames Warnsignal und teilen die „Lernkosten" der Räuber.
Symbiosen sind ein häufiges Ergebnis von Koevolution (Mykorrhiza, Knöllchenbakterien, Darmmikrobiom).

RÄUBER-BEUTE-OSZILLATION (LOTKA-VOLTERRA)

Welche drei Beschriftungen in "Räuber-Beute-Oszillation (Lotka-Volterra)" sind prüfungsrelevant?

Folgeaufgabe: Skizziere dasselbe Schema ohne Beschriftungen und ergänze sie aus dem Gedächtnis.

Schwingung der Beute- (durchgehend) und Räuberpopulation (akzent); die Räuberkurve folgt der Beute mit einer Phasenverschiebung von etwa 90°.

Typische Fehler

Mimese und Mimikry werden gleichgesetzt.
Bates´sche und Müller´sche Mimikry werden vertauscht.
Koevolution wird als einseitige Anpassung einer Art beschrieben.
Symbiose wird mit Kommensalismus gleichgesetzt (beidseitiger vs. einseitiger Nutzen).

LK-Vertiefung

eA: Diskutieren Sie die Koevolution von Blüten und Bestäubern (z. B. Schwärmer und langspornige Orchideen, Darwins Vorhersage) als Beispiel reziproker Selektion.