• Keine Ergebnisse gefunden

Evolution und Phylogenetischer Stammbaum der Organismen

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Aktie "Evolution und Phylogenetischer Stammbaum der Organismen"

Copied!
17
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

Evolution und

Phylogenetischer Stammbaum der Organismen

Evolution:

Veränderung in der Abstammungslinie über die Zeit, die zur Entstehung neuer Arten oder zur Variation innerhalb einer Art führt.

Phylogenie:

Einordnung von Arten in übergeordnete Taxa und die Erstellung von evolutionären Bäumen basierend auf evolutionären Beziehungen.

Fragen:

Wann und wie ist das Leben entstanden?

Woher wissen wir, dass es Evolution gibt?

W ie ordnen wir Organismen in Stammbäume ein?

(2)

Fossiles Cyanobakterium aus Heutiges Cyanobakterium (Oscillatoria) Nord-Australien

(ca. 1 Milliarde Jahre alt)

Fossile Beweise für mikrobielles Leben auf der Erde Cyanobakterien („Blau-Grün Algen“) aus dem Präkambrium (ca. 3,5 Milliarden Jahre alt), älteste bekannte Fossilien

Stromatolite

Cyanobakterien können Stromatolite bilden:

Geschichtete Struktur, die Sedimente einschließt;

Bakterien produzieren z.T. Calciumcarbonat

Sehr dünn geschnittene Fossilien zeigen Cyanobakterien und Algen

(3)
(4)

Evolution des Lebens auf der Erde

Hinweise durch geologische und fossile Belege Millionen Jahre

vor heute

4600 Entstehung des Planeten Erde 3500 Mikrobielles Leben (Stromatolite)

2800 O2-produzierende Photosynthese durch Cyanobakterien 2000-1800 O2 beginnt in der Atmosphäre zu akkumulieren

Millionen Jahre vor heute

2000 Enstehung von eukaryotischem Leben (?)

1400 Fossile Ansammlungen von relativ großen Zellen (25-200 µm), die Hinweise auf eukaryotisches Leben liefern 800 Fossile Hinweise auf ca. 20 verschiedene Eukaryoten

(Protozoen, Grünalgen)

640 O2 erreicht ca. 3 % der heutigen Konzentration 650-570 Älteste Hinweise auf multizelluläre Tiere

570 Erste Hinweise für massives Vorkommen von Leben 400 Entwicklung der Landpflanzen

(5)

Bedingungen auf der frühen Erde

Reduzierende Atmosphäre. Kein Sauerstoff (O2) Vorhandene Gase: H2O, CH4, CO2, N2, NH3,

CO, H2, H2S

Oberflächentemperatur z.T. höher als 100°C Starke UV-Strahlung, elektrische Endladungen

Simulierung dieser Bedingungen im Labor (Miller-Urey Experiment) führt zur Bildung von biochemisch relevanten Molekülen (Zucker, Aminosäuren, Purine und Pyrimidine, Nucleotide, Thioester, Fettsäuren) und deren Polymerisierung.

Fehlender Abbau durch Organismen führte zur Akkumulation dieser Verbindungen

Offene Frage: Wie entstand daraus ein Organismus?

Miller-Urey Experiment (1953) Verwendete Gase:

Methan (CH4), Ammoniak (NH3), Wasserstoff (H2), Wasser (H2O ) Simulierung von Gewittern (elektrischen Entladungen) Kondensator kühlt die Gase ab Wassertropfen transportieren die Moleküle in den heißen „Ozean“

Dauer: Eine Woche

Danach 10 – 15% des Kohlenstoffs als organische Verbindungen

(6)

Frühe Organismen

vermutlich vor 3,6 bis 4,0 Milliarden Jahren entstanden

-Stoffwechsel: Fähigkeit Nährstoffe zu sammeln, umzuformen und Energie daraus zu gewinnen

-Vererbungsmechanismen: Fähigkeit die eigenen Eigenschaften zu replizieren und auf die Nachkommen zu übertragen

Beides erfordert eine zelluläre Struktur.

(7)

Stoffwechsel musste anaerob ablaufen, da kein O2 in der Atmosphäre.

chemoorganotroph (Energiegewinn durch Oxidation organischer Verbindungen),

chemolithotroph (Oxidation anorganischer Verb.) oder phototroph (Energiegewinn aus Licht) Vermutlich einfacher Stoffwechselweg z.B.

F e C O3 + 2 H2S

à

FeS2 + H2 + H2O + C O2 FeS + H2S

à

FeS2 + H2

nur wenig Enzyme notwendig

Highlight in Evolution des Stoffwechsels:

Synthese des Porphyrins (Leitstruktur) Voraussetzung für Bildung

von Cytochromen (Elektronentransportkette) und für Bakteriochlorophyll (Photosynthese)

à

Nutzung von Sonnenenergie

(8)

Endosymbiontentheorie

Große Prokaryoten verschlangen kleinere Prokaryoten, verdauten diese aber nicht.

Die kleineren Prokaryoten entwickelten sich zu Zellorganellen (Mitochondrien, Chloroplasten).

Beweise:

Größe von Mitochondrien und Chloroplasten entspricht der von kleinen Prokaryoten

Haben ähnliche Enzyme wie moderne Prokaryoten

Teilen sich ähnlich wie moderne Prokaryoten (binäre Teilung) Haben ringförmige DNA (wie Bakterien)

Sind auf molekularer Ebene Prokaryoten ähnlich (z.B 16S rRNA)

(9)

Endosymbiontentheorie:

Proteobacteria

à

M itochondrien Cyanobacteria

à

Chloroplasten

Neue Theorie: Es gab nicht DIE Urzelle, aus der sich alles Leben entwickelt hat, sondern eine Vielfalt ursprünglicher Zellen.

Einige konnten sich durchsetzen und wurden zu Vorfahren von Bakterien, Archaeen und Eukaryoten.

Horizontaler Gentransfer (HGT) zwischen Organismen (auch verschiedener Domänen) spielte grosse Rolle in der Evolution.

„Darwinsche Schwelle“: Vorher horizontaler Gentransfer (Systeme der Zellen noch sehr offen), danach

Etablierung der Zellbestandteile und viel geringerer HGT.

(10)

- Vielfalt ursprünglicher Zellen

- Horizontaler Gentransfer zwischen den Organismengruppen

Bakterielle Morphologie ist nur sehr begrenzt zur Unterscheidung verwendbar

(11)

Identifizierung eines Bakteriums mit mikrobiologischen Methoden Isolierung aus Säugetier

Gram-Färbung

Gram-negativ Gram-positiv

stäbchenförmig nicht stäbchenförmig fakultativ aerob obligat aerob

Fermentation von Lactose, Säureproduktion, Gasproduktion

keine Fermentation von Lactose

weitere Tests auf Stoffwechselleistungen

Identifizierung als Escherichia coli

“It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic Die DNA als Träger der Erbinformation

MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS

A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid J. D. WATSON F. H. C. CRICK

(12)

Analyse von ribosomalen Nukleinsäuren

Prokaryoten (70 S)

50 S 30 S

RNA und Protein

rRNA: 23 S 16 S 5 S

Orte der Proteinbiosynthese Nukleinsäuren-Protein Komplex

Bakterien: 70 S, Eukaryoten 80 S (S = Svedberg-Einheit, beschreibt das Sedimentationsverhalten)

In Bakterien zwei Untereinheiten: 30S and 50S [Eukaryoten 40S und 60S]

Kleine Untereinheit (small subunit) à 16S rRNA und 21 verschiedene Proteine Große Untereinheit à zwei rRNA's, 5S und 23S und 32 verschiedene Proteine Hochkonserviert, da essentiell für alle Organismen

(13)

V2

V1 V3

V5 V6

V7

V8

V9

5’

3’

Yves Van de Peer (1996), modifiziert

hoch variabel absolut konserviert

E. coli, aber nicht in > 75% aller Bakterien D i e p r o k a r y o t i s c h e 1 6 S r R N A

L ä n g e v o n c a . 1 5 0 0 B a s e n i s t a u s r e i c h e n d u m U n t e r s c h i e d e e r k e n n e n z u k ö n n e n

( 5 S r R N A ~ 1 2 0 ,

2 3 S r R N A ~ 2 9 0 0 àà zu gro ß ) H o c h k o n s e r v i e r t e S t r u k t u r ( B e r e i c h e d i e e i n d e u t i g vergleichbar sind),

a b e r a u c h v a r i a b l e A b s c h n i t t e I n a l l e n P r o k a r y o t e n v o r h a n d e n ( 1 8 S r R N A i n E u k a r y o t e n ) F u n k t i o n e l l h o m o l o g ( i d e n t i s c h e F u n k t i o n i n a l l e n O r g a n i s m e n ) V e r w e n d u n g a l s e v o l u t i o n ä r e r C h r o n o m e t e r

1 % S e q u e n z - A b w e i c h u n g i n 5 0 M i l l i o n e n J a h r e n

16S rRNA Sequenzen aus Umweltproben können benutzt werden, um Bakterienpopulationen zu analysieren, ohne die

(14)

Bakterielle Morphologie ist nur sehr begrenzt zur Unterscheidung verwendbar

V2 V1 V3

V5 V6

V7

V8

V9

5’

3’

Yves Van de Peer (1996), modifiziert

hoch variabel absolut konserviert

E. coli, aber nicht in > 75% aller Bakterien

Moderne Bakterien-Taxonomie basiert auf 16S rRNA-Vergleich

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/

Gen-Datenbanken im Internet

http://rdp.cme.msu.edu/html/

(15)

Phylogenetischer Überblick über die Bacteria 12 Hauptlinien innerhalb der Bacteria

Aquifex-Hydrogenobacter-Gruppe: hyperthermophil (Opt. >80°C), chemolithotroph, Aquifex vermutlich ähnlichster

Verwandter zur Urzelle der Bacteria

Thermotoga: hyperthermophil, chemoorganotroph Grüne-Nichtschwefel-Bakterien/Chloroflexus-Gruppe:

z.T. phototroph, thermophil (Opt. 45-80°C), chemoorganotroph

Deinococcus-Gruppe: z.T.sehr Strahlungsresistent gegen UV- und Gamma-Strahlung (D.radiodurans sehr

effektive DNA-Reparaturmechannismen), z.T. thermophil

(16)

Spirocheten: auffallende Morphologie, besonderer Bewegungsapparat; z.T Krankheitserreger

Grüne Schwefelbakterien: strikt anaerob, obligat phototroph, können einfache organische Verbindungen verwerten, vorausgesetzt, dass reduzierte Schwefelverbindungen vorhanden sind Bacteroides-Flavobacteria: aerob und anaerob, Polymer-

abbauer, einige gleitende Bakterien Planctomyces: Vermehrung duch Knospung, kein

Peptidoglycan in der Zellwand, aerob, überwiegend aquatisch

Chlamydia-Gruppe: obligat intrazelluläre Parasiten, viele Krankheitserreger

Gram-positive Bakterien: große heterogene Gruppe mit einer Vielzahl von Eigenschaften. Zwei Untergruppen:

Hoch GC- und Niedrig GC-Grampositive Cyanobakterien: oxygen, phototroph

Proteobacteria: größte Gruppe, sehr große physiologische Vielfalt. Fünf Untergruppen (alpha, beta, gamma, delta, epsilon)

(17)

Hierarchische Struktur in der Taxonomie

Bacteria Domäne

Proteobacteria Phylum

Gammaproteobacteria Klasse

Enterobacteriales Ordnung

Enterobacteriaceae Familie

Escherichia Gattung

Escherichia coli Art

Escherichia coli K12 Stamm

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

[r]

Lese dir die Aufgabenstellung genau durch und beginne erst, wenn du diese verstanden hast!. Lese das

Male die unten abgebildeten Kästchen mit passender Farbe an, schneide sie aus und klebe Sie passend in das

Eine dieser „philosophischen Annahmen“ ist das so genannte Aktualitätsprinzip, welches davon ausgeht, dass sich die Naturkonstanten, die wir heute im

Die Glückwünsche der Ministerpräsidentin und der Stadt überbringt Ortsvorsteher Udo Scheuermann am Montag, 18.. August 2014, um

Mit finanzieller Unterstützung des Bundesministeriums für wirtschaftliche Zu- sammenarbeit und Entwicklung (BMZ) und von Brot für die Welt – Evangelischer Entwicklungsdienst. Für

„Ich halte es für unverantwortbar in einer sozialen Marktwirtschaft, die auch nach Ihren eigenen Aussagen zu einer ökologisch-sozialen Marktwirtschaft weiterentwickelt werden

So sollte zum Beispiel ein rotes Tape nie auf eine akute Entzündung ge- klebt werden, sondern eher ein kühlendes Blau oder ein heilen- des Grün. Und auch die Farb- gestaltung