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Stammbäume erstellen – Homologie, Analogie und molekulare Methoden

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Bio-Team
Stammbäume erstellen – Homologie, Analogie und molekulare Methoden
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Stammbäume erstellen – Homologie, Analogie und molekulare Methoden

Inhalt

Stammbaum – Biologie

Sicherlich kennst du Stammbäume, die die Verwandtschaftsbeziehungen in Familien darstellen. Ein solcher Stammbaum verrät uns etwas über unsere Abstammung und unsere Vorfahren. Wird ein Stammbaum über viele Generationen hinweg weitergezeichnet, so entstehen sehr große interessante Bäume mit vielen Astgabeln.
Auch in der Biologie erstellt man Stammbäume, die Aufschluss über verwandtschaftliche Beziehungen geben. Diese werden wir in diesem Text kennenlernen.

Was ist ein phylogenetischer Stammbaum?

Die Stammbäume in der Biologie sind im Grunde sehr ähnlich zu Familienstammbäumen, man nennt sie phylogenetische Stammbäume. Sie zeigen die Verwandtschaft verschiedener Einheiten, wie zum Beispiel Arten, aufgrund ihrer Evolution.

Wie wird ein Stammbaum erstellt?

Ein Stammbaum besteht aus mehreren Verzweigungspunkten mit jeweils zwei sich abzweigenden Ästen. Um Stammbäume zu zeichnen, stellt man die Verzweigungspunkte meist als Punkte oder Kreise dar, von denen gerade Linien (die Äste) abgehen.
An der Spitze, also am ersten Verzweigungspunkt, steht meist eine Art, Ordnung, Familie oder Gattung.
In diesem Text gehen wir von einer Art an der Spitze aus, denn das ist die gängigste Variante bei phylogenetischen Stammbäumen.
Diese Art teilt sich nun in zwei Äste, die sich im Laufe der Evolution getrennt voneinander weiterentwickeln. Beide Äste enden wieder in jeweils einem neuen Verzweigungspunkt: Es haben sich zwei neue Arten entwickelt.
Aus diesen können sich wiederum neue Arten entwickeln, dann bilden sich neue Äste mit neuen Verzweigungspunkten.
An dem Stammbaum kann man nun ablesen, welche Arten gemeinsame Vorfahren haben und wie sich Arten entwickelt haben. Um einen Stammbaum zu erstellen, muss man also die Evolution und die Entwicklungsgeschichten von Arten verstehen.

Die monophyletische Gruppe

Eine monophyletische Gruppe besteht aus allen Arten, die sich auf eine gemeinsame Stammart zurückführen lassen, und dieser Stammart selbst.
Dabei besitzt die Stammart mit allen nachfolgend evolutionär entwickelten Arten gemeinsame Merkmale. Dies sind ursprüngliche oder auch homologe Merkmale und sie sind häufig leicht zu erkennen. Sie wurden also über die Evolution immer weitergegeben.
Ein Beispiel für eine monophyletische Gruppe sind die Säugetiere.

Die polyphyletische Gruppe

Auch bei der polyphyletischen Gruppe besitzen Arten gemeinsame Merkmale. Hier ist der Grund für die gemeinsamen Merkmale jedoch kein gemeinsamer Vorfahr. Es handelt sich um abgeleitete Merkmale, die sich zum Beispiel durch eine ähnliche Lebensweise der Arten entwickelt haben. Die Arten haben also keine Verwandtschaftsbeziehung zueinander, sondern mussten sich an ähnliche Dinge anpassen. Diese Merkmale werden auch als analoge Merkmale bezeichnet. Sie entstehen durch konvergente Evolution aufgrund der Lebensweise oder Anpassung an Umweltbedingungen.

Stammbaum

Vergleich monophyletische und polyphyletische Gruppe

Um noch einmal einen Überblick über die Unterschiede zwischen monophyletischer und polyphyletischer Gruppe ebenso wie zwischen Homologie und Analogie zu gewinnen, sind die wichtigsten Stichpunkte hier in einer Tabelle zusammengefasst.

Monophyletische Gruppe Polyphyletische Gruppe
Gemeinsame Merkmale? ja ja
Art der gemeinsamen Merkmale homologe Merkmale analoge Merkmale
Gemeinsamer Vorfahr? ja nein
Beispiel Säugetiere Fledermäuse und Vögel

Stammbäume erstellen – Methoden zur Verwandtschaftsbestimmung

Für die Erstellung eines Stammbaums werden Lebewesen untereinander auf ihren Verwandtschaftsgrad hin verglichen. Für diesen Vergleich werden unterschiedliche Methoden angewendet, um die Ähnlichkeit zweier Lebewesen zu bestimmen.
Welche Merkmale eignen sich für die Erstellung von Stammbäumen? Grundsätzlich können alle Merkmale, die für eine Gruppe von Lebewesen charakteristisch sind, verwendet werden.

Morphologie

Für die Bestimmung von Ähnlichkeit zwischen unterschiedlichen Arten kann der Körperbau, also die Morphologie von Lebewesen genau betrachtet werden. Ein gutes Beispiel hierfür ist das Skelett.
Bei den unterschiedlichen Säugetierklassen sind die Knochen nach einem bestimmten Grundprinzip angeordnet, auch wenn die Form und Funktion teilweise variieren. Diese Ähnlichkeit des Grundaufbaus wird als Homologie bezeichnet, eine Übereinstimmung aufgrund eines gemeinsamen Vorfahren. Alle Säugetierklassen haben also diese homologen Merkmale gemeinsam.

Vorteilhaft für die Verwandtschaftsanalyse mit Knochen ist die zusätzliche Nutzung von Fossilien. So entstehen größere und komplexere Stammbäume.
Beachte aber, dass gemeinsame Merkmale nicht immer auf eine Verwandtschaft schließen lassen. Sie können sich im Laufe der Evolution auch unabhängig voneinander entwickelt haben. Ein Beispiel sind hier die Flügel bei Vögeln und Fledermäusen. Sie haben eine ähnliche Morphologie, die sich nicht auf eine gemeinsame Stammart zurückführen lässt, sondern auf die Anpassung an das Leben in der Luft.

Molekulare Methoden

Eine weitere Möglichkeit für die Bestimmung von Ähnlichkeiten zwischen Arten sind die molekularen Methoden. Im Laufe der Evolution haben sich die DNA und die Proteine durch natürliche Mutationen verändert. Bei einer molekularen Stammbaumanalyse werden diese Moleküle auf Verwandtschaft hin untersucht. Im Labor werden dazu die DNA- oder Protein-Sequenzen unterschiedlicher Organismen bestimmt und miteinander verglichen. Ähneln sich die Sequenzen sehr stark, liegt eine hohe Verwandtschaft vor. Bei einer geringen Ähnlichkeit der Sequenzen deutet dies auf eine schwache Verwandtschaft hin.
Ein Vorteil dieser Methode ist, dass man die Bildung von Arten zeitlich einordnen kann. Ausgehend davon, dass Mutationen in regelmäßiger Häufigkeit und regelmäßigen Abständen vorkommen, lässt sich der Zeitpunkt einer Abspaltung zweier Arten rechnerisch ermitteln.

Dieses Video

Stammbäume werden zum Aufzeigen der Verwandtschaft verschiedener Lebewesen verwendet. Haben mehrere Arten einen gemeinsamen Vorfahren, bilden sie eine monophyletische Gruppe, die Vertreter der monophyletischen Gruppe haben homologe Merkmale gemeinsam.
Besitzen mehrere Arten gemeinsame Merkmale, haben aber keine gemeinsame Ursprungsart, nennt man die Merkmale analoge Merkmale. Die Arten bilden eine polyphyletische Gruppe, die durch konvergente Evolution entstanden ist.
Für eine detailreiche Stammbaumanalyse werden molekulare Methoden verwendet. Mit diesen kann auch der ungefähre Zeitpunkt von Artbildungen ermittelt werden.

Du interessierst dich für den Stammbaum des Menschen? Dann schau dir das Video Stammbaum der Menschen dazu an.

Deine Kenntnisse kannst du mit unseren Übungen und Arbeitsblättern testen. Dort findest du ebenfalls Aufgaben zum Erstellen von phylogenetischen Stammbäumen.

Transkript Stammbäume erstellen – Homologie, Analogie und molekulare Methoden

Stammbäume hast du bestimmt schon viele gesehen; in deinem Biobuch oder auch an anderen Stellen. Sie spiegeln die Verwandtschaftsbeziehungen verschiedener Lebewesen wider. Aber weißt du auch, wie man solche Stammbäume überhaupt erstellt?

Dazu muss man viele Lebewesen miteinander vergleichen und dann entscheiden, ob und wie stark sie miteinander verwandt sind. In diesem Video zeige ich dir, wie man Stammbäume ermittelt und wie heute auch molekulare Methoden dafür eingesetzt werden.

Mono- und Polyphyletische Gruppen

Stammbäume drücken die Verwandtschaft zwischen verschiedenen Lebewesen aus. Ein Stammbaum setzt sich aus einzelnen Ästen zusammen, an deren Spitze immer eine Art steht. Oftmals werden Stammbäume aber auch vereinfacht gezeichnet, so dass an den Spitzen der Äste eine Ordnung, Familie oder Gattung steht. Alle Arten, die diesen Untergruppen angehören, musst du dir dann dazudenken.

An den Verzweigungspunkten gehen aus einem einzigen Ast zwei Äste hervor. Man setzt voraus, dass es an diesen Verzweigungspunkten einmal einen gemeinsamen Vorfahren gab. Im Laufe der Evolution entwickelten sich beide Äste getrennt voneinander weiter. Man spricht dann von einer monophyletischen Gruppe, wenn es einen letzten gemeinsamen Vorfahren gab oder gibt. Gab oder gibt es diesen Vorfahren nicht, ist die betrachtete Gruppe polyphyletisch.

Ursprüngliche und abgeleitete Merkmale

Aus diesen Überlegungen ergibt sich auch, dass es in monophyletischen Gruppen Merkmale gibt, die bereits bei dem gemeinsamen Vorfahren auftraten. Man nennt diese Merkmale ursprüngliche Merkmale. Auf der anderen Seite können sich Merkmale im Laufe der Evolution verändern oder sogar neu entstehen. Solche Merkmale sind abgeleitete Merkmale.

Merkmale zur Erstellung eines Stammbaums

Hast du Ideen, welche Merkmale für die Erstellung von Stammbäumen überhaupt sinnvoll sind? Das können grundsätzlich alle Merkmale sein, die charakteristisch für diese Gruppe von Lebewesen erscheinen.Schauen wir uns zunächst mal ein paar Merkmale an, die die Morphologie, also den Körperbau, betreffen.

Skelette eignen sich zum Beispiel sehr gut für eine Stammbaumerstellung. Hier kann man sehen, wie die einzelnen Knochen der verschiedenen Säugetierklasse aneinandergesetzt sind, welche Knochen fehlen oder zusätzlich vorliegen. So siehst du, dass die Abfolge der Knochen immer ähnlich verläuft. Diese Merkmale, die aus einem gemeinsamen Vorfahren entstanden sind, bezeichnet man als homologe Merkmale.

Bei der Analyse von Skeletten von bereits ausgestorbenen Tierarten, können Fossilien herangezogen werden. Dir muss aber immer klar sein, dass Merkmale im Laufe der Evolution auch unabhängig voneinander entstehen können und nicht immer auf eine Verwandtschaft schließen lassen.

Wenn sich ein Lebewesen an eine bestimmte Umweltbedingung anpasst, können sich im Laufe der Evolution also auch ähnliche Merkmale trotz unterschiedlicher Vorfahren entwickeln. Man spricht dann von analogen Merkmalen.

Das Merkmal Flügel muss nicht auf eine Verwandtschaft schließen lassen. So haben Vögel und die Fledermaus als Säugetier eine ähnliche Flügelmorphologie. Diese Flügelformen entstanden aber unabhängig voneinander. Man sagt ihre Flügelform hat sich konvergent entwickelt.

Merkmale DNA und Proteinanalysen

Auf diese Weise hat man die ersten Stammbäume erstellt. Inzwischen stehen der Wissenschaft auch molekulare Methoden zur Verfügung, die ebenfalls Auskunft über Verwandtschaftsbeziehungen geben. Wie das geht?

Man geht davon aus, dass sich Biomoleküle wie DNA und damit auch die Proteine im Laufe der Evolution aufgrund natürlich vorkommender Mutationen verändern. Die Bestimmung von DNA- und Protein-Sequenzen ist heutzutage kein Problem mehr. Wenn man diese Sequenzen miteinander vergleicht, kann man feststellen, ob und wenn ja, wie stark, zwei Organismen miteinander verwandt sind.

Ähnliche DNA- und Proteinsequenzen sprechen dabei für eine hohe Verwandtschaft, während wenig ähnliche Sequenzen für eine schwache Verwandtschaft sprechen. Der Vergleich von DNA- und Proteinsequenzen erlaubt daneben auch Aussagen über den Zeitpunkt der Abspaltung einer Gruppe in einem Stammbaum.

Wenn man nämlich davon ausgeht, dass die Veränderungen in der DNA, also die Mutationen, immer mit der gleichen Häufigkeit auftreten, kann man sagen, wann die Abspaltung einer Gruppe geschah und der letzte gemeinsame Vorfahre gelebt hat. Das war mit den vergleichenden Methoden des Körperbaus natürlich nicht möglich.

Zusammenfassung

Wenn du das nächste Mal einen Stammbaum siehst, weißt du jetzt nicht nur, dass er die Verwandtschaftsbeziehungen verschiedener Lebewesen widerspiegelt. Du hast in diesem Video gelernt, welche Merkmale für die Erstellung von Stammbäumen verwendet werden können.

Mit den modernen molekularen Methoden kann man nicht nur Verwandtschaftsbeziehungen aufklären, sondern auch Aussagen darüber machen, wann die Abspaltung einer Gruppe im Laufe der Evolution stattfand. Tschüss!

4 Kommentare

4 Kommentare
  1. Hallo Tracon,
    es tut uns leid, dass dir dieses Video nicht weiterhelfen konnte. Wir haben ein Video, welches die Evolution des Pferdes thematisiert:
    https://www.sofatutor.com/biologie/videos/stammbaum-der-pferde
    Ich hoffe, damit kannst du besser arbeiten.
    Viele Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor mehr als 3 Jahren
  2. Ich wollte mir oberstufenreife Informationen über die Evolution des Pferdes anschauen, aber leider sind die Informationen aus meinem Blickwinkel heraus nur für die Mittelstufe (bis 10. Klasse) geeignet. Es wird zu wenig auf die Veränderung der Knochen eingegangen, hier fehlen mir auch ein paar anschaulichere Bilder. Das ist schade.

    Von Tracon, vor mehr als 3 Jahren
  3. Hallo,
    das weiß ich leider nicht. Normalerweise müsste das Video über 6 Minuten gehen und bei mir ist es heute der Fall. Funktioniert es heute auch bei dir wieder?
    Viele Grüße aus der Redaktion

    Von Serpil K., vor mehr als 5 Jahren
  4. Wieso geht das Video bei mir nur eine Minute lang?

    Von N Muensterberg, vor mehr als 5 Jahren

Stammbäume erstellen – Homologie, Analogie und molekulare Methoden Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Stammbäume erstellen – Homologie, Analogie und molekulare Methoden kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, wozu ein Stammbaum dient und wie er erstellt werden kann.

    Tipps

    Es gibt mehrere Möglichkeiten, um Stammbäume zu erstellen.

    Bei Stammbäumen geht es um die Vorfahren und Verwandtschaft der Lebewesen.

    Lösung

    Stammbäume spiegeln die Verwandtschaftsbeziehungen verschiedener Lebewesen wider und klären z.B. die Frage, ob es gemeinsame Vorfahren gibt. Ein Stammbaum kann durch die Analyse von DNA- und Proteinsequenzen erstellt werden. Doch auch der Vergleich des Körperbaus lebender Tiere oder Fossilien kann zur Erstellung eines Stammbaums genutzt werden.

  • Gib die Methoden der Stammbaumforschung wieder.

    Tipps

    Vielleicht hilft dir die Wortbedeutung: Morphologie = Wissenschaft von der Gestalt und Form der Lebewesen

    Die Übersetzung der Fachbegriffe hilft dir bestimmt weiter: homolog = übereinstimmend und analog = ähnlich, entsprechend.

    Lösung

    Die Morphologie, also die Betrachtung des Körperbaus und besonders der Knochen der Tiere ist eine traditionelle Methode der Stammbaumforschung. Homologe Merkmale deuten auf gemeinsame Vorfahren hin, während analoge Merkmale zwar ähnlich aussehen, sich aber aufgrund der Anpassung an ähnliche Lebensbedingungen unabhängig voneinander entwickelt haben. Der Vergleich von DNA- und Proteinsequenzen ist eine moderne Methode der Stammbaumforschung.

  • Erläutere die molekularen Methoden zur Erstellung eines Stammbaums.

    Tipps

    Veränderungen in der DNA treten mit etwa der gleichen Häufigkeit auf.

    Eine Veränderung des Erbguts (DNA) wird auch Mutation genannt.

    Lösung

    Im Laufe der Evolution ändert sich das Erbgut der Lebewesen ständig durch zufällige Mutationen. Daher sprechen ähnliche DNA- und Proteinsequenzen für einen hohen Verwandtschaftsgrad. Auch Aussagen über den Zeitpunkt der Abspaltung einer Gruppe in einem Stammbaum sind möglich: Die Veränderungen in der DNA, also die Mutationen, treten ungefähr mit der gleichen Häufigkeit auf. Dadurch kann man sagen, wann die Abspaltung einer Gruppe geschah und wann der letzte gemeinsame Vorfahre gelebt hat.

  • Entscheide, ob das Merkmal analog oder homolog ist.

    Tipps

    Merkmale, die sich unabhängig voneinander entwickeln, nennt man analoge Merkmale.

    Merkmale, die einen gemeinsamen Ursprung haben, werden als homologe Merkmale bezeichnet.

    Lösung

    Ähnliche Merkmale, die sich aufgrund ähnlicher Umweltbedingungen entwickeln, werden analoge Merkmale genannt. Dazu gehören z.B. die Stromlinienform oder die Grabbeine von Maulwurf und Maulwurfsgrille. Homologe Merkmale haben einen gemeinsamen Ursprung. Ein Beispiel hierfür ist der Flügel der Fledermaus und die Flosse des Wals.

  • Ergänze die Begriffe zum Thema Stammbaum.

    Tipps

    Vielleicht erkennst du die Vorsilbe mono = ein, einzig, allein im Begriff monophyletisch?

    Die griechische Vorsilbe poly = viel, mehr kommt im Begriff polyphyletisch vor.

    Lösung

    Die Verbindungslinien, die bei einem Stammbaum auftreten, werden als Äste bezeichnet. An der Spitze steht die Art. An den Verzweigungspunkten gehen aus einem einzigen Ast zwei Äste hervor. An diesen Verzweigungspunkten gab es einen gemeinsamen Vorfahren. Im Laufe der Evolution entwickelten sich beide Äste getrennt voneinander weiter. Wenn es einen letzten gemeinsamen Vorfahren gab oder gibt, spricht man von einer monophyletischen Gruppe. Gab oder gibt es diesen Vorfahren nicht, ist die betrachtete Gruppe polyphyletisch. Merkmale, die bereits beim gemeinsamen Vorfahren auftraten, nennt man ursprüngliche Merkmale. Merkmale, die sich im Laufe der Evolution verändern oder sogar neu entstehen, werden als abgeleitete Merkmale bezeichnet.

  • Analysiere den unten dargestellten Stammbaum.

    Tipps

    Die Verbindungslinien geben dir Auskunft über die Verwandtschaftsbeziehungen.

    Je weiter unten sich eine Verzweigung befindet, desto früher fand die Abspaltung statt.

    Lösung

    Vögel und Reptilien haben einen gemeinsamen Vorfahren. Es handelt sich also um eine monophyletische Gruppe. Sie sind enger miteinander verwandt als z.B. mit den Amphibien. Die Fische haben sich bereits vor den Amphibien von den Säugetieren abgespalten. Anhand der Verzweigung lässt sich erkennen, dass Fische und Säugetiere einen gemeinsamen Vorfahren haben.

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