Biologie: Hoofdstuk 7 (Evolutie)

Ontstaan van de mens

Veel religies geloven in een bovennatuurlijke schepper (een god) die het leven heeft laten ontstaan: creationisme.
Evolutie is het ontwikkelen van leven door veranderingen en het ontstaan van nieuwe soorten.
De paleontologie is de wetenschap die fossielen (resten van organismen) bestudeert. Georges Cuvier merkte op dat de fossielen die hij vond, niet leken op organismen die in dat gebied leefden. Om zijn vondsten te kunnen plaatsen binnen het scheppingsverhaal, kwam Cuvier met de catastrofetheorie: een grote natuurramp zou de oorzaak zijn geweest waardoor alle levende organismen in een gebied stierven. Na de natuurramp zouden er nieuwe soorten zijn verschenen.
Jean-Baptiste de Lamarck kwam als eerste met een evolutietheorie die beschreef hoe soorten veranderen en nieuwe soorten ontstaan. Hij ging ervan uit dat organismen zich aanpasten aan hun omgeving en die aanpassingen doorgaven aan hun nakomelingen.
Charles Darwin publiceerde in 1859 een andere evolutietheorie. Volgens hem kwam evolutie voort uit verschillen in eigenschappen tussen individuen, en een natuurlijke selectie op gunstige eigenschappen (survival of the fittest).
Aanvullingen op de theorie van Darwin (onder andere DNA-onderzoek) vormen de neodarwinistische theorie.

Theorieën over het ontstaan van de mens komen vooral tot stand aan de hand van fossielen. Deze fossielen geven aan welke soorten wanneer en waar leefden, maar ook hoe ze leefden.

De meeste wetenschappers zijn het erover eens dat de moderne mens (Homo sapiens) ongeveer 200.000 jaar geleden in Afrika is ontstaan: out-of-Africa-hypothese. We kunnen DNA-onderzoek gebruiken om te bepalen hoe de mens vervolgens de gehele aarde heeft gekoloniseerd. Door te kijken naar haplogroepen en mutaties is informatie te achterhalen over de recentste gemeenschappelijke voorouder.

Nieuwe soorten

Het veranderen van een populatiesamenstelling door natuurlijke selectie hangt af van de selectiedruk (de noodzaak die er voor organismen is om een bepaalde eigenschap te hebben).

Je spreekt van co-evolutie als het succes van de ene soort een selectiedruk oplevert voor een andere soort, en andersom. Denk aan de voedselrelaties.

Langdurige onderlinge scheiding (denk aan een zee, een berg of een vallei) kan leiden tot aparte soorten: allopatrische soortvorming.
Sympatrische soortvorming ontstaat als organismen zich alleen maar voortplanten in kleine deelgroepen, zoals bij seksuele selectie: de selectie die plaatsvindt bij het uitkiezen van een voortplantingspartner.

Klassieke veredeling van planten en van dieren is een vorm van kunstmatige selectie: evolutie gestuurd door mensen.

Fossielen

Er zijn verschillende oorzaken waardoor fossilisatie kan optreden:

• Verstening: als een gewerveld dier sterft, vergaan de zachte delen sneller dan de tanden en botten. Deze delen verstenen vervolgens met de lagen sedimentgesteente. Daarna worden de resten door mineralen vervangen. Dit kan ook gebeuren bij planten, blad-, poot- en huidafdrukken, nesten en eieren.
• Verdroging: in droge klimaten blijven resten langer goed, omdat er minder micro-organismen leven.
• Lage temperatuur: hetzelfde geldt voor koude klimaten. Denk aan de ijsmens Ötzi.
• Lage pH en zuurstofgebrek: zure en zuurstofarme omgevingen zijn ongunstig voor veel micro-organismen. Denk aan het meisje van Yde.
• Barnsteen: vooral veel insecten zijn gefossiliseerd in barnsteen. Barnsteen is afkomstig van de gestolde hars van naaldbomen.

Gidsfossielen zijn fossielen van soorten die slechts een beperkte tijd hebben bestaan, maar wel met een grote geografische verspreiding. Deze fossielen worden gebruikt om de relatieve leeftijd (dus relatief ten opzichte van elkaar) van een bepaalde aardlaag vast te stellen.
De absolute leeftijd (in jaren) van een rotslaag of fossiel is met isotopenonderzoek te bepalen. Er wordt dan gekeken naar hoeveel er van een bepaalde instabiele isotoop aanwezig is. Aan de hand van de halveringstijd (de tijd waarna nog precies de helft over is) kan vervolgens de leeftijd worden bepaald.

Er zijn twee soorten overeenkomsten in de lichaamsbouw tussen verschillende soorten organismen:

• Bij homologe structuren hebben delen van organismen hetzelfde bouwplan. Dit is divergente evolutie: homologe organen met hetzelfde bouwplan, maar met verschillende functies bij verschillende soorten. Deze overeenkomsten kunnen de verwantschap tussen soorten aantonen.
• Bij analoge structuren gaat het om structuren met dezelfde functie, maar een ander bouwplan. De soorten hebben dan het vermogen voor die functie onafhankelijk van elkaar ontwikkeld: convergente evolutie.

Evolutie in ontwikkeling

Er zijn veel theorieën over hoe de bouwstenen van het leven op aarde zijn ontstaan.
Wetenschappers denken dat de eerste cellen zijn ontstaan in de oersoep (een mengsel van organische stoffen in de oceanen). Energie uit vulkanen en de zon zorgde voor chemische reacties die vetzuren opleverden. Hierdoor ontstonden vetbolletjes die organische stoffen insloten, die samen een eerste cel vormden. Hieruit ontstond RNA.
Uit die primitieve prokaryoten ontstonden de eerste bacteriën. Na deze heterotrofe (energie uit organische stoffen) bacteriën kwamen de foto-autotrofe (energie uit zonlicht) bacteriën. Door deze bacteriën kwam er zuurstof in de atmosfeer.

Volgens de endosymbiosetheorie zijn prokaryoten een symbiose aangegaan met andere prokaryoten. Via fagocytose zouden ze andere bacteriën hebben opgenomen, die tot een organel evolueerden (zoals de chloroplasten). Ook andere organellen zouden op deze manier zijn ontstaan.

Na de simpele bacteriën ontstonden meercellige organismen. Zij vormden vervolgens weefsels, organen en eenvoudige organismen.

Cladistiek

Cladistiek is een methode voor het weergeven en analyseren van evolutionaire relaties tussen organismen. Je deelt dan soorten in clades in: groepen met een gemeenschappelijk uniek homoloog kenmerk.
Een evolutionaire stamboom, gebaseerd op clades, is een cladogram. Je verbindt de takken van de verschillende soorten op basis van een gemeenschappelijke voorouder met hetzelfde kenmerk.

Allelen

Populatiegenetica gaat over het bestuderen van de genetische samenstelling van een populatie.
De genotypefrequentie van een bepaald genotype geeft aan hoeveel personen van het totaal dat genotype hebben. Hieruit zijn de allelfrequenties af te leiden.

Door mutaties kunnen nieuwe allelen ontstaan. De genenpool (alle genen in een populatie) wordt dan groter.
Door natuurlijke selectie kan de allelfrequentie toenemen (bij een positieve eigenschap) of afnemen (bij een negatieve eigenschap).

Door genetic drift (bijvoorbeeld door seksuele selectie) kan de allelfrequentie sterk verschillen in kleine populaties. Ook het founder-effect kan invloed hebben op de allelfrequentie. Het flessenhalseffect kan effect hebben op de grootte van de genenpool.
Voortplanting met soortgenoten uit andere populaties vergroot de genenpool en voorkomt inteelt.

De migratie van allelen van de ene populatie naar een andere heet gene flow.

In een stabiele populatie is er geen sprake van evolutie. Dit komt echter zelden voor, want er is sprake van mutaties, natuurlijke selectie, seksuele selectie en gene flow.
De Britse wiskundige Hardy en de Duitse natuurkundige Weinberg ontwikkelden berekeningen voor de genotypefrequentie en de allelfrequentie.

De eerste regel van Hardy-Weinberg (voor het berekenen van allelfrequenties):

Hierin is $p$ de allelfrequentie van het dominante allel en $q$ de allelfrequentie van het recessieve allel.

De tweede regel van Hardy-Weinberg (voor het berekenen van genotypefrequenties):

Hierin is $p$ de allelfrequentie van het dominante allel en $q$ de allelfrequentie van het recessieve allel. Dus:

• $p^2$ is de genotypefrequentie van de dominante homozygoot
• $2pq$ is de genotypefrequentie van de heterozygoot
• $q^2$ is de genotypefrequentie van de recessieve homozygoot

Als uit deze berekeningen blijkt dat de frequenties in de loop van generaties gelijk blijven, spreek je van een Hardy-Weinberg-evenwicht.