Principles of Evolution

Hoofdstuk 14

2010/2011

"Nothing in biology makes sense except in the light of evolution."

-- Theodosius DobzhanskyMaart 1973

Geneticus, Columbia University

(1900-1975)

ONSTAAN VAN LEVEN EN

LEVENSVORMEN

Deel 1

3

1. Spontane generatie

• Het leven ontstaat vanzelf

– Aristoteles

• “ palingen en vliegen uit kadavers, muizen uit het graan en bladluizen uit

dauwdruppels”

4

Louis Pasteur (1860)

5

Abiogenese - Miller & Urey

6

Andere theorieën

7

TINTORETTO The Creation of the Animals 1550

2. Schepping

8

3. Evolutie

1. Jean Baptiste de Lamarck

2. Charles Darwin

9

Jean Baptiste de Lamarck

• Organismen aangepast aan hun omgevingdoor verworven eigenschappen– veranderingen tijdens het leven

• Ongebruikorganismen verliezen organen die zij niet gebruiken

• Perfectionering door gebruikcontinue gebruik van een orgaan leidt ertoe dat dit orgaan groterwordt – de spieren van een gewichtheffer, de grote oren van eennachtactieve vleermuis

• Verworven eigenschappen worden doorgegeven aan de volgendegeneratie

10

Charles Darwin

• 1809-1882

• Britse naturalist

• Evolutie door natuurlijke selectie

• Verzamelde veel bewijsmateriaal om zijn ideeën te ondersteunen

11

Reis met de HMS Beagle

• Uitgenodigd om de wereld rond te reizen

– 1831-1836 (22 jaar oud!)

• missie van de Beagle was de kustlijn van Zuid-Amerika in kaartte brengen

12

Reis van de HMS Beagle

• Gestopt op de Galapagos eilanden

13

Opeenvolging van soorten

• Armadillos komen alleen voor in Noord- en Zuid-Amerika.

• Glyptodont fossielen worden alleen in Zuid-Amerikaaangetroffen

14

Opeenvolging van soorten

• Mylodon fossielen en luiaards in Zuid-Amerika

“This wonderful relationship in the same continent between the dead and the living

will…throw more light on the appearance of organic beings on our earth,

and their disappearance from it, than any other class of facts.”

15

Unieke soorten

16

Darwin vond… vogels

• Hij verzamelde veel verschillende vogels op de Galapagos eilanden

Vink? Spreeuw? Specht? Karekiet?

17

Darwin vond… vinken

• Alle 14 soorten die hij vond waren vinken

– maar op het vaste land leeft maar een soort vink…

Grote grondvink Kleine grondvink Spechtvink Boszangervink

18

Darwins boom

• Een als een boom vertakkende evolutie van organismen

Grote grondvink Kleine grondvink Spechtvink Boszangervink

19

Correlatie snavel en voedselbron

Adaptieve radiatie

Zaadeters Bloemeneters Insecteneters

20

Warbler finch

Woodpecker finch

Small insectivorous

tree finch

Large

insectivorous

tree finch

Vegetarian

tree finch

Cactus finch

Sharp-beaked finch

Small ground

finch

Medium

ground finch

Large

ground finch

Insect eaters

Bud eater

Seed eaters

Cactus

eater

Darwins vinken

• Verschillen in snavels

– gerelateerd aan de voedselbron

– overleving en voortplanting van nuttige adaptaties

21

Darwins vinken

• Darwins conclusies

– kleine populatie van de Zuid-Amerikaanse vink belandde op de eilanden

• variatie in snavels zorgde ervoor dat individuen succesvol voedselkonden verzamelen in verschillende milieus

– na vele generaties veranderden de populaties vinken, zowelin gedrag als in lichaamsbouw

• ophoping van nuttige eigenschappen in een populatie

• ontstaan van nieuwe soorten

22

Meer observaties

• Correlatie soorten en voedselbron

23

Andere invloeden

24

De publicatie

25

De essentie

• Natuurlijke selectie

– variatie bestaat binnen populaties

– teveel nakomelingen

• meer nakomelingen dan overeenkomt met de draagkracht van het milieu

– competitie

• voedsel, partner, territorium, ontsnappen aan predators

– verschil in overlevingskans

• succesvolle eigenschappen = adaptaties

– verschil in voortplanting

• adaptaties komen meer voor in de populatie

26

• Lamarck– door hun nek te strekken

richting hoge vegetatiewordt de nek langer. Dezeverworven eigenschap geeft de giraffe door aan nakomelingen

• Darwin

– giraffen geboren met een relatieflange nek hebben een hogere kansop overleving. Zij krijgen meernakomelingen die op hun beurt de genen voor een lange nek erven

Lamarck vs. Darwin

27

EVOLUTIONAIRE KRACHTEN

Deel 2

28

Evolutionaire krachten

• Natuurlijke selectie

– eigenschappen die overleving en voortplanting bevorderen vermeerderenzich in een populatie

• adaptieve verandering

• Genetic drift

– frequentie van eigenschappen in eenpopulatie kan veranderen door een toevalige gebeurtenis

• willekeurige verandering

29

Natuurlijke selectie

• Selectie op elke eigenschap die overleving en/of voortplanting beïnvloedt

– predatie

– fysiologie

– sexuele selectie

30

Predatie

• Selectie op zowel prooi alspredator

• gedrag

• camouflage & mimicry

• snelheid

• verdediging (fysisch en chemisch)

31

Fysiologie

• Selectie op lichaamsfuncties

– resistentie tegen ziekten

– efficiëntie (gebruik zuurstof, water, voedsel)

– bescherming tegen verwonding

32

Sexuele selectie

• Selectie op succesvolle voortplanting

– aantrekkingskracht op potentiële partner

– vruchtbaarheid

– succesvol opvoeding van nageslacht

33

Sexuele selectie

34

De manen van een leeuw

• Vrouwtjes vinden lange, donkeremanen aantrekkelijk

• Correlatie met hoger testosteronniveau– betere gezondheid

– meer spieren & aggressie

– vruchtbaarder

– langer leven

• Maar…. HEET!!– Is dat het waard??

35

Sexy = tekenen van fitness

36

Sexuele selectie

• In alle soorten met geslachtelijkevoortplanting

– eigenschappen die je een partner opleveren

– beïnvloedt uiterlijk en gedrag

– kan in tegengestelde richting werkenvan natuurlijke selectie

37

Co-evolutie

• Twee of meer soortenbepalenelkaars evolutie

– predator-prooi

• ziekteverwekker & gastheer

– mutualisme

• bestuivers & bloemen

38

Effecten van selectie

39

Genetic drift

• Per toeval verandert de frequentie van een eigenschapin een populatie

– geen adaptatie aan het milieu

• geen selectie

– founder effect

• kleine groep individuen start een nieuwe populatie

– bottleneck

• door een bepaalde factor (ramp) wordt depopulatie zeer sterk gereduceerd. De populatie herstelt zich weer, maar met een zeer beperkte genenpool

40

Verspreiding bloedgroepen

• Verspreiding allel voor bloedgroep O in oorspronkelijke bewoners verraadt de oorsprong/migratiepatronen van deze bewoners

41

Verspreiding bloedgroepen

• Verspreiding allel voor bloedgroep B in oorspronkelijke bewoners verraadt de oorsprong/migratiepatronen van deze bewoners

42

Out of Africa

50.000 jaar

10-20.000 jaar

10-20.000 jaar

43

Bottleneck - Cheetahs

• Alle cheetahs delen een beperkt aantal allelen

– < 1% diversiteit

– alsof ze allemaal eeneiïgetweelingen zijn

• 2 bottlenecks

– 10.000 jaar geleden

• laatste ijstijd

– laatste 100 jaar

• stroperij en verlies habitat

44

BEWIJS EVOLUTIE

Deel 3

45

Bewijs evolutie• Fossielen

– overgangsvormen

• Anatomie

– homologe & rudimentaire organen

– embryologie & ontwikkeling

• Bouwstoffen

– eiwitten & DNA

• Kunstmatige selectie

– fokken / veredelen

46

Fossielen• Lagen sedimentaire gesteenten bevatten fossielen

– nieuwe lagen bedekken oude lagen

– fossielen in die lagen tonen dat een opeenvolgendereeks organismen gedurende lange tijd de aardehebben bewoond

47

Fossielen

48

Fossielen

• Tonen dat hedendaagse organismen zijnvoortgekomen uit eerdere soorten

49

Evolutie van vogels

• Archaeopteryx

– 150 miljoen jaar oud

– verbindt reptielen & vogels

50

?

?

?

?

Land Mammal

51

Tiktaalik

• “Missing link” tussen land en zeedieren

– 375 miljoen jaar oud

52

Voetsporen…

53

Anatomie

• Homologe organen

– overeenkomst in eigenschappen duidt op gemeenschappelijke voorouder

54

Homologe organen

• Vergelijkbare structuur

• Vergelijkbare ontwikkeling

• Verschillende functies

• Bewijs voor een evolutionairerelatie

55

Analoge organen

• Aparte evolutie van organen

– vergelijkbare functie

– vergelijkbare externe vorm

– verschillende interne vorm & ontwikkelingt

– verschillende oorsprong

– geen evolutionaire relatie

56

Convergente evolutie

• Vliegen evolueerde in drie aparte diergroepen

– vergelijkbare “oplossing” voor een vergelijkbaar “probleem”

– analoge organen

57

Convergente evolutie

• Vissen:aquatische vertebraten

• Dolfijnen: aquatische zoogdieren

– vergelijkbare aanpassingen aan het leven in zee

– niet sterk verwant

58

Rudimentaire organen

• Hedendaagse dieren kunnen organen bezitten die weinigtot geen nut hebben– overblijfselen van organen die functioneel waren in

vooroudersoorten

– schadelijke mutaties hopen zich op in genen van minder belangrijke organen. Geen negatief effect op fitness

• slangen & walvissen — overblijfselen van bekken en achterpoten

• overblijfselen van ogen in blinde holenvis

• staartbot in de mens

59

Rudimentaire organen

• Achterpoten in fossielen walvis

60

Ontwikkeling

• Vergelijkbare ontwikkeling in nauwverwante soorten

– alle vertebrate embryos hebben vergelijkbare structuren in verschillende stadia van hun ontwikkeling

• kieuwbogen in vis, kikker, slang, vogel, mens, etc.

61

Bouwstoffen

• Vergelijking DNA & eiwitstructuur– universele genetische code!

• DNA & RNA

– vergelijking genen• cytochroom C (respiratie)

• hemoglobine (gaswisseling)

620 25 50 75 100 125

0

25

50

75

100

Millions of years ago

Horse/donkey

Sheep/goat

Goat/cow

Llama/cow

Pig/cow

Rabbit/rodent

Horse/cow

Human/rodent

Dog/cow

Human/cow

Human/kangaroo

Nucleotide substitutions

Structuur hemoglobine

Aantal verschillen in aminozuren tussen hemoglobine van vertebraten en de mens

100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

LampreyFrogBirdDogMacaqueHuman

328 45 67 125

63

Kunstmatige selectie

• Creëren van verschillende rassen en variëteiten

64

PRAKTIJKVOORBEELDEN

Deel 4

65

Resistentie

• Resistentie tegen insecticide & medicijnen

– insecticide dood niet alleindividuen

– resistente overlevenden plantenzich voort

– resistentie is erfelijk

– insecticide wordt steedt mindereffectief

66

Biston betularia

• Berkenspanner

– donkere en lichte variant

Jaar % donker % licht

1848 5 95

1895 98 2

1995 19 8167

Biston betularia

• Selectiedruk?

– begin 19e eeuw

• weinig vervuiling

• korstmos groeit op boom= lichtgekleurde boomstam

– eind 19e eeuw

• fabrieken = roet op bomen

• korstmos dood = donkere boomstam

– halvewege 20e eeuw

• vervuiling vermindert

• terugkeer korstmos = lichtgekleurde boomstam

– industrieel melanisme

68

Voor wie nog twijfelt…

69

Einde