Evolutieparcours

© Katholieke Universiteit Leuven, 2009!
Samenstelling: Bert De Groef!
Lay-out: Sylvia Grommen & Bert De Groef!
Met de financiële steun van!
vzw!
➎
➓
➎
➏
➏
➑
Benedenverdieping!
➒
➍
➐
➊
➏
➋
➌
Bovenverdieping!
Plattegrond!
Plattegrond!
10
Aanwijzingen uit de
populatiegenetica!
Darwin besefte dat een gebrek aan inzicht in de
erfelijkheid een zwak punt in zijn theorie was.
Inmiddels werden inzichten uit de genetica in de
evolutietheorie ingebouwd. Zo spreken we nu
enkel van evolutie wanneer de veranderingen een
genetische basis hebben. Evolutie wordt dan
gedefinieerd als een verandering in allelfrequentie
in een populatie doorheen de tijd (een allel is een
variant van een gen, bvb. een gen voor oogkleur
kan in verschillende vormen of allelen bestaan:
groen, bruin, blauw,...). In natuurlijke populaties
komen vaak verschillende allelen van gen voor;
denk bvb. aan de allelen die bij de mens de verschillende bloedgroepen bepalen (of kijk naar de
variatie binnen deze vlindersoorten). Een verandering in allelfrequenties, en dus evolutie, kan op
drie manieren tot stand komen: door immigratie,
genetische drift (toeval) en uiteraard selectie.
Variatie binnen enkele vlindersoorten
van de witjesfamilie.
Maak kennis met Charles!
1a
Charles Darwin werd in 1809 geboren in Shrewsbury, Engeland. Zelfs als kleine jongen al was hij
geïnteresseerd in de natuur: wanneer hij geen
natuurboeken aan het lezen was, was hij aan het
vissen, jagen of insecten aan het verzamelen.
Darwins vader, een gegoede arts, zag geen toekomst voor zijn zoon als bioloog en stuurde hem
naar de universiteit van Edinburgh om geneeskunde te studeren. Charles vond de opleiding
echter saai en kon niet tegen bloed. Hij verliet
Edinburgh zonder diploma en schreef zich in aan
de universiteit van Cambridge om theologie te
studeren. In die tijd waren heel wat wetenschappers geestelijken. In Cambridge werd Darwin de
protégé van dominee John Henslow, professor in
de plantkunde. Darwin had nog maar net zijn diploma van Bachelor of Arts behaald, toen Henslow hem aanbeval
bij kapitein Robert FitzRoy, die een
wereldreis met het schip HSM
Beagle aan het voorbereiden was.
In 1831 vertrok de toen 22-jarige
Darwin aan boord van de Beagle
voor een reis die 5 jaar zou duren.
Charles Darwin (1809-1882).
1
b
Reis rond de wereld!
Terwijl het schip de kusten verkende, spendeerde Darwin het merendeel van zijn tijd aan land,
met het observeren en verzamelen van duizenden planten en dieren. Hij was gefascineerd door
de Zuid-Amerikaanse fauna en die van de Galápagoseilanden in het bijzonder. De soorten die
daar leefden, leken sterk op die van het ZuidAmerikaanse vasteland, maar verschilden sterk
van de soorten die hij zag op de Kaapverdische
eilanden, ondanks het feit dat de milieu-omstandigheden op de Galápagos eerder die van de
Kaapverdische eilanden benaderden dan die van
het vasteland. Bovendien kwamen op elk eiland
van de archipel unieke soorten voor die sterk op
elkaar geleken, maar toch verschillend waren.
Darwin vond in Argentinië ook fossielen die sterk
leken op de “moderne” Zuid-Amerikaanse dieren.
Zijn idee dat organismen afstammen van een
voorouder, begon stilaan vorm
te krijgen.
Darwin was als student lid van een club
die vreemde zaken opat. Hij proefde in
Zuid-Amerika ook van de gordeldieren
(links), die hij “a most excellent dish
when roasted in its shell” vond.
Aanwijzingen uit de
moleculaire genetica!
9
Ook op moleculair niveau (DNA en eiwitten) bestaan er homologieën. Niet alleen gebruiken alle
levende wezens DNA als erfelijk materiaal en is
de genetische code van het DNA universeel,
bovendien vinden we homologe genen terug bij
soms sterk verschillende soorten. Sommige menselijke genen hebben zelfs een homoloog bij bacteriën! Dergelijke genen wijzen opnieuw op gemeenschappelijke afstamming. In de loop van de
evolutie accumuleren de genen echter wel veranderingen (mutaties). Er zijn aanwijzingen dat het
tempo waaraan deze veranderingen zich voordoen ongeveer constant is, m.a.w. het aantal verschillen in het DNA van twee wezens is een maat
voor de tijd die verlopen is sinds beide wezens
een gemeenschappelijke voorouder deelden.
Daardoor kunnen we de verschillen in genen
gebruiken om stambomen van levende wezens
op te stellen.
De Stamboom van het Leven die in het museum
te zien is, toont de verwantschap van een 3000tal levende wezens, opgehelderd op basis van
een bepaald gen.
8
Aanwijzingen uit de
biogeografie!
Darwins evolutietheorie biedt een verklaring voor
de opmerkelijke geografische verspreiding van
sommige dieren, zoals de papegaaien en de
loopvogels die alleen op het zuidelijk halfrond
voorkomen. Onder meer door de verspreiding van
bepaalde fossielen weten we dat de continenten
van het zuidelijk halfrond ooit verenigd waren in
het reuzencontinent Gondwana. De voorouder
van de loopvogels ontwikkelde zich op Gondwana, waardoor we geen loopvogels vinden op het
noordelijk halfrond. Wanneer ook Gondwana in
stukken scheurde, ontwikkelden de loopvogels
zich onafhankelijk van elkaar op elk van deze
stukken. In Zuid-Amerika evolueerden ze tot de
nandoes, in Afrika tot de struisvogel, op Madagascar tot de (nu uitgestorven) olifantvogel, in Australië tot de emoe en de kasuaris,
en in Nieuw-Zeeland tot de kiwi’s en
de uitgestorven moa’s.
De emoe (Dromaius novaehollandiae),
een loopvogel die leeft in Australië.
Survival of the Fittest!
1c
De evolutietheorie die Darwin uit zijn observaties
extraheerde, omvat o.a. de volgende belangrijke
principes:
• Afstamming met aanpassing: Alle wezens
stammen af van een gemeenschappelijke voorouder. Naarmate de nakomelingen andere milieus
gingen bevolken, stapelden ze aanpassingen op
om in die milieus te overleven.
• Natuurlijke selectie: Organismen zijn verwikkeld in een struggle for existence omdat er meer
individuen geboren worden dan het milieu kan
dragen. De individuen met kenmerken die een
grotere kans op overleven bieden, zullen meer
nakomelingen voortbrengen dan minder “geschikte” individuen. Deze ongelijke overlevingskansen
zullen leiden tot een geleidelijke verandering in de
populatie waarbij “aangepaste” kenmerken accumuleren en minder aangepaste kenmerken verdwijnen (survival of the fittest). De
omgeving selecteert als het ware
die kenmerken in de populatie die
de individuen een hogere overlevingskans bieden.
Schedel van Pananthropus boisei, een
“doodlopende” tak in de stamboom van de
mensachtigen (replica).
2
Het ontstaan van
soorten!
Er zijn in principe twee manieren waarop nieuwe
soorten tot stand kunnen komen: door toeval of
door selectie. Waarschijnlijk is soortvorming in de
meeste gevallen een combinatie van beide. Het
meest klassieke model er één waarbij geografische isolatie een belangrijke drijfveer is voor
soortvorming. Dat geografische isolatie belangrijk
is voor soortvorming, wordt o.a. geïllustreerd door
het feit dat op eilanden vaak andere soorten
worden aangetroffen dan op het vasteland. Door
geografische isolatie evolueren verschillende populaties gedurende een bepaalde tijd onafhankelijk van elkaar: wanneer - door toeval of door
selectie - sterke verschillen tussen beide populaties ontstaan, kan dit tot gevolg hebben dat de
individuen van de ene populatie de individuen van
de andere populatie na verloop van tijd niet meer
"herkennen" als potentiële voortplantingspartners,
of zo sterk genetisch verschillen dat de nakomelingen er nadeel van ondervinden. De twee populaties zijn dan twee verschillende
soorten geworden.
Eén van de vele soorten cichliden.
Aanwijzingen uit de!
embryologie!
7
Wanneer we de vroege embryonale stadia van
dieren vergelijken, komen tal van homologieën
aan het licht die we niet meer zien bij de volwassen dieren. Op de modellen van de vroege
menselijke embryo’s kan je zien hoe de mens in
dit stadium, zoals de embryo’s van alle gewervelde dieren, beschikt over kieuwzakjes en een
staart. Bij de mens verdwijnt de staart grotendeels (op een staartbeentje na) en de kieuwzakjes ontwikkelen tot homologe organen van de
kieuwen bij vissen, namelijk delen van het oor en
de keel. De sterke overeenkomsten in de vroege
embryonale ontwikkeling van de gewervelde dieren wijzen erop dat al deze dieren geëvolueerd
zijn uit een gemeenschappelijke voorouder. Hoe
nauwer twee diersoorten verwant zijn, hoe langer
hun embryonale ontwikkeling parallel loopt.
Model van een menselijk embryo;
bemerk de staart en de kieuwzakjes.
6
Aanwijzingen uit de
anatomie: rudimentaire
structuren!
Enkele van de meest intrigerende homologe
structuren, zijn rudimentaire structuren die geen
of weinig functie hebben voor het dier. Rudimentaire structuren zijn overblijfselen van structuren
die een belangrijke rol speelden bij een voorouder, maar die functie in de loop van de evolutie
verloren hebben. Zo vinden we nog onderontwikkelde vleugels terug bij de loopvogels die niet
meer kunnen vliegen (bvb. de kiwi en de emoe),
of treffen we restanten aan van een bekkengordel
en achterpoten in het skelet van walvissen. Bij de
mens komen ook verschillende rudimentaire
structuren voor: de appendix (een overblijfsel van
een grotere blinde darm), het staartbeentje (een
restant van een volledige staart) en onze nietfunctionele oorspieren (waarmee onze voorouders hun oorschelpen konden bewegen).
De kiwi (Apteryx owenii), een loopvogel
uit Nieuw-Zeeland.
Aanwijzingen uit de
paleontologie!
3
De paleontologie, de studie van fossielen, toont
aan dat vele levensvormen uitstierven en nieuwe
levensvormen ontstonden in de loop van de tijd,
zoals deze tijdslijn met fossiele zeebewoners
weergeeft. Vaak kan een opeenvolging van soorten gevonden worden die een mooi beeld geven
van “afstamming met verandering”. Darwins evolutietheorie voorspelt dat evolutionaire overgangen terug te vinden moeten zijn in het fossiel archief. Er zijn inderdaad tal van fossiele overgangsvormen ontdekt die kenmerken vertonen
van twee verwante groepen. Het bekendste voorbeeld is allicht de juravogel Archaeopteryx, een
primitieve vogel met veren die nog enkele duidelijke dinosauriërkenmerken (zoals klauwen aan
de voorpoten en tanden in de mond) vertoonde.
Een fossiele ammoniet. Ammonieten waren
inktvissen die samen met de dinosauriërs
65 miljoen jaar geleden uitstierven.
4
Levende fossielen!
Viervoeters (amfibieën, reptielen, vogels en zoogdieren) ontwikkelden zich uit een groep van
beenvissen die de Actinistia genoemd worden.
Deze vissen hebben beentjes in hun vinnen die
lijken op de beenderen in de poten van viervoeters. De meeste van deze vissen zijn uitgestorven, op één soort na: de coelacanth (Latimeria
chalumnae). Vóór de ontdekking van de coelacanth kende men de Actinistia alleen maar van
fossiele vondsten en dacht men dat deze vissen
aan het eind van het Krijt volledig uitgestorven
waren. De coelacanth wordt daarom een “levend
fossiel” genoemd. In het stadspark van Leuven
kan je nog een ander levend fossiel terugvinden:
aan de rand van de eendenvijver, aan de kant
van de oude toren, groeien twee ginkgo’s (Ginkgo
biloba). De ginkgo is de enige overblijver van een
groep primitieve zaadplanten.
Links: de
coelacanth;
rechts: fossiel
van Ginkgo
adiantoides
(Eoceen).
Aanwijzingen uit de
anatomie: homologe
structuren!
5
Darwins concept van “afstamming met verandering” verklaart waarom sommige kenmerken bij
verwante dieren gelijkenissen vertonen, zelfs al
hebben die kenmerken verschillende functies.
Dergelijke gelijkenissen, die het resultaat zijn van
afstamming van een gemeenschappelijke voorouder, noemen we homologieën. Een klassiek
voorbeeld is de opbouw van de voorpoten bij
verschillende zoogdieren zoals mensen, katten,
walvissen en vleermuizen. Hoewel de voorpoten
van deze dieren op het eerste gezicht sterk
verschillen, leert een nauwkeurige vergelijking dat
ze zijn opgebouwd uit gelijkaardige (homologe)
beenderen. Het verschillend uiterlijk is te wijten
aan de aanpassing aan verschillende functies:
grijpen (mens), lopen (kat), zwemmen (walvis) of
vliegen (vleermuis).
Skelet van een egel.