Von der Mikro- zur Makroevolution... (2)

Transkript

1 Von der Mikro- zur Makroevolution... (2)

2 Biologische Strukturbildung im Ausleseprozeß Aus der Erkenntnis heraus, daß man durch kleine, zufällige Änderungen am Erbgut über viele Generationen hinweg durch natürliche Auslese (survival of the fittest) komplexe und für sich allein gesehen extrem unwahrscheinliche Anpassungsleistungen erzielen kann (z.b. das Linsenauge der Wirbeltiere und der Tintenfische), lassen sich mathematische Algorithmen zur Lösung von Optimierungsproblemen entwickeln Genetische Algorithmen Beispiel: Biomorphe Prinzip: Akkumulation kleiner Veränderungen Im Computer wird z.b. rekursiv eine Grafik nach einer einfachen Verzweigungsregel erzeugt, wobei jeder Rekursionsschritt eine Generation ist. Liegt die Verzweigungsregel fest (beginnend mit einem Strich verzweigt sich seine obere Hälfte mit jeder Generation in zwei Teilstriche mit einem Innenwinkel von 90 ), dann entsteht nach n Generationen ein genau determiniertes graphisches Gebilde.

3 Dieser Algorithmus läuft im Prinzip auch bei jedem echten Baum durch die Gene gesteuert ab: Während des Wachstums (Leben) des Baumes werden immer wieder kleinskalig neue Zellen gebildet, die dann in ihrer Gesamtheit die Gestalt des Baumes ergeben.

4 Bäume lassen sich im Winter anhand ihrer Gestalt /Silhouette bestimmen Eiche Weißbuche Esche Stichwort: Lindemayer-System-Fraktale Nur ein kleiner Satz von Zahlen in Verbindung mit einem rekursiven Zeichenalgorithmus läßt die Struktur von Pflanzen entstehen, die überaus realistisch sind...

5 Algorithmus zur rekursiven Erzeugung einer Computerpflanze Dieser Algorithmus ist streng determiniert. Man kann aber Evolution simulieren, wenn man bei jedem Rekursionsschritt einen freien Parameter (z.b. den Winkel Theta) geringfügig zufällig ändert und auf diese Weise n Nachkommen erzeugt. Durch künstliche Zuchtwahl wird davon einer ausgewählt, den man dann als Ausgangspunkt für eine weitere Generation verwendet Biomorphe Im Folgenden sollen diese Parameter Gene genannt werden.

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7 26 GENE

8 Genetische Algorithmen Der typische Genetische Algorithmus umfaßt die folgenden Schritte: 1. Initialisierung: Erzeugen einer ausreichend großen Menge unterschiedlicher Individuen, Lösungskandidaten genannt. Diese bilden die erste Generation. 2. Evaluation: Für jeden Lösungskandidaten der aktuellen Generation wird anhand einer Zielfunktion (auch Fitneß-Funktion genannt) ein Wert bestimmt, der seine Güte angibt. 3. Selektion: Zufällige Auswahl von Lösungskandidaten aus der aktuellen Generation. Dabei werden Lösungskandidaten mit besseren Zielfunktionswerten mit einer höheren Wahrscheinlichkeit ausgewählt. 4. Rekombination: die Daten (Genome) der ausgewählten Individuen werden gemischt und daraus neue Individuen erzeugt (Vermehrung) 5. Mutation: Zufällige Veränderung der neuen Individuen. (beachte: geeignete Diversifikation) 6. Aus den neuen Individuen und eventuell, je nach Gestaltung des Verfahrens, auch aus den Individuen der aktuellen Generation werden die Mitglieder der neuen Generation ausgewählt, die dann zur aktuellen wird. 7. Wenn ein Abbruchkriterium erfüllt ist, wird der beste gefundene Lösungskandidat als Ergebnis ausgegeben und der Algorithmus beendet. Sonst wird er mit Schritt 2 fortgesetzt.

9 Die Evolution des Flugvermögens In erster Näherung können alle Tierarten fliegen... (ja, weil die meisten Tierarten Insekten sind) Die Entwicklung des Flugvermögens ist für sehr kleine Tiere kein Problem. Ihre Aerodynamik verbessert sich durch Ausstülpungen sukzessive, so daß Flügelstummel gute Ausgangspunkte für die Evolution von Flügeln sind. Nach ihrer Entstehung ist eine Größenzunahme ohne Verlust der Flugfähigkeit möglich geworden. Das aktive Flugvermögen wurde 4x in der Evolution unabhängig voneinander erworben.

10 Flugvermögen ist ein enormer Evolutions-Vorteil... Insekten erwarben vor mehr als 300 Millionen Jahren (Karbon) die Flugfähigkeit Reptilien schwangen sich zuerst vor ~ 230 Millionen Jahre (Trias) in die Lüfte (Flugsaurier) Vögel entstanden vor ~150 Millionen Jahren (Oberjura) aus kleinen Raub-Dinosauriern Fledertiere entstanden vor ~50 Millionen Jahren (Eozän)

11 Flugvermögen bei Wirbeltieren Beispiele für passives Fliegen ( Gleiten )

12 Baumfrosch Rhacophorus nigropalmatus

13 Gewöhnlicher Flugdrache Draco volans

14 Schmuckbaumnatter (Chrysopelea paradisi)

15 Gleitbeutler

16 Malaien-Gleitflieger

17 Entwicklung von Gleitflugfähigkeiten Man geht davon aus, daß sich der aktive Flug (aerodynamisches Gleiten + aktiver Vortrieb) bei Reptilien und Säugetieren aus der Fähigkeit des passiven Gleitfluges entwickelt hat. Bei Vögeln, wenn man den Archaeopteryx als Vorbild nimmt, scheint eher ein Herumflattern am Boden mit der Fähigkeit, dabei schräge Böschungen zu erklimmen, der Ausgangspunkt gewesen zu sein.

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19 Was war zuerst da: die Federn oder das Fliegen? In Kanada konnten in Bernstein Einschlüsse von Federn gefunden werden, die aus der Kreidezeit stammen. In China wurden kleine Raub-Dinosaurier ausgegraben, deren Körper statt mit Schuppen mit Federn bedeckt waren. Federn sind zuerst zur thermischen Isolierung (Kälteschutz) aus Schuppen entstanden. Das sie einmal den Vogelflug ermöglichen sollten, ergab sich erst später...

20 Sinosauropteryx - ein Raubsaurier (etwas über m groß) aus der Unterkreide (~125 Ma)