Evolution ist der Prozess, der genetische Veränderungen innerhalb einer Population von Organismen katalysiert. Zum Beispiel könnte eine Algenart ihre lichtabsorbierenden Proteine von grün nach rot ändern, damit sie in tieferen Gewässern erfolgreicher gedeihen können. Die sichtbare Veränderung der Algeneigenschaften spiegelt jedoch eine Veränderung der Gesamthäufigkeit bestimmter Gene in der Population wider. In der Fachsprache wird dies als Allelfrequenz bezeichnet. Evolutionäre Veränderungen können also ohne Veränderungen der Allelfrequenz nicht stattfinden, während eine Veränderung der Allelfrequenz ein Hinweis darauf ist, dass Evolution stattfindet.
Phänotyp und Genotyp
Der Phänotyp bezieht sich auf die Menge beobachtbarer physischer und Verhaltensmerkmale eines Organismus. Viele dieser Merkmale sind direkte Ausdrücke der DNA eines Organismus, die als Genotyp bezeichnet wird. Obwohl einige Elemente des Phänotyps durch die Interaktion der Genotypen eines Organismus mit der Umwelt bestimmt werden, ist der Phänotyp auf die eine oder andere Weise mit dem Genotyp verbunden.
Der Genotyp eines bestimmten Organismus besteht aus einer Reihe von genetischen Anweisungen zum Aufbau von Proteinen. Diese Anweisungen sind normalerweise eine Art gemischte Tüte. Zum Beispiel kann eine Grünalge DNA enthalten, die auch die Synthese von roten Proteinen steuert. Aber andere Gene könnten das rote Protein-Gen ausschalten, oder vielleicht wird einfach viel mehr grünes Protein als rotes Protein hergestellt. Ein bestimmter Organismus könnte also einen starken grünen Genotyp und einen schwachen roten Genotyp haben.
Populationsgenetik
Obwohl die Evolution durch die Interaktion der Umwelt mit einem einzelnen Organismus angetrieben wird, kann sich ein einzelner Organismus nicht entwickeln. Es sind nur Arten, die sich entwickeln können. Genetiker betrachten also die Gesamtverteilung von Phänotyp und Genotyp innerhalb einer Population. Viele verschiedene Mischungen sind möglich.
Zum Beispiel könnte eine Population von Grünalgen grün sein, weil sie nur Gene zur Herstellung grüner Proteine haben. Aber sie könnten auch grün sein, weil sie Gene für grüne Proteine und rote Proteine haben, aber sie haben ein anderes Gen, das anweist, dass rote Proteine direkt nach ihrer Herstellung abgebaut werden sollen. Das Farbprotein-erzeugende Gen kann also entweder "grün" oder "rot" sein. Die beiden Auswahlmöglichkeiten werden Allele genannt und a Maß für die genetische Ausstattung der Art ist die Allelhäufigkeit aller Organismen in der Spezies.
Gleichgewicht
Stellen Sie sich einen Teich vor, ein paar Meter tief, in dem Algen wachsen. Die oberflächennahen Algen haben viel gelbes Licht, das ihr grünes Protein gut absorbiert. Aber die Algen, die tiefer treiben, haben nicht viel gelbes Licht – das Wasser absorbiert das Gelb und lässt mehr bläuliches Licht durch, sodass die tieferen Algen rotes Protein benötigen, um in größeren Tiefen gut zu funktionieren. Wenn Sie die Algen an der Oberfläche probieren würden, wären die gesündesten grün, während die gesündesten unter der Oberfläche rot wären. Aber die Algen vermehren sich alle miteinander, so dass der Anteil der Gene für grünes Protein und rotes Protein von Generation zu Generation ziemlich stabil wäre. Die Stabilität der Allelfrequenz wird durch das Hardy-Weinberg-Prinzip beschrieben.
Veränderung
Stellen Sie sich nun vor, es gibt ein Jahr voller schwerer Stürme. Die Algen im Teich laufen über die Ufer und breiten sich auf benachbarte Teiche aus. Einer der benachbarten Teiche ist sehr flach, der andere viel tiefer. Im flachen Teich ist das Rotprotein-Gen nicht hilfreich, daher sind mehr reine Grünproteinalgen erfolgreich. Dies führt dazu, dass das rote Protein-Gen aus dem Genpool verdrängt wird – das heißt, es wird die Allelfrequenz des roten Protein-Gens reduzieren. Das Gegenteil kann im tiefen Teich passieren. In tiefen Gewässern hilft das grüne Protein nicht weiter. Der Unterschied in der Tiefe der Grün- und Rotalgen kann dazu führen, dass die Grünprotein-Gene in der Algenpopulation, die niemals in die Nähe der Oberfläche kommt, um sich zu vermehren, abnehmen. Die Allelfrequenz ändert sich als Reaktion auf den Umweltdruck: Die Evolution ist am Werk.