Stammbaum basteln 1.1

Evolution ist ein beliebtes Abiturprüfungsthema

Der Themenbereich Evolution ist ein sehr beliebtes Abiturthema. Ob in der schriftlichen oder mündlichen Prüfung und fast in jedem Bundesland „zuhause“.

Nun der Themenbereich Evolution hat den Vorteil, dass mit viel Text gearbeitet werden kann. Trotzdem: das Erstellen oder Auswerten eines Stammbaums stellt hin und wieder Probleme dar.

Hier eine kleine Anleitung wie ein phylogenetischer Stammbaum erstellt werden kann.

Stammbäume werden nach drei Prinzipien entwickelt:

• Homologie-Vermutung
In der Genetik und Evolutionsbiologie wird der Begriff der Homologie auch auf Gene angewandt, die in unterschiedlichen Spezies ähnliche oder identische Funktionen haben und in ihrer Sequenz auf einen gemeinsamen Vorläufer zurückzuführen sind.
• Außengruppenvergleich

(also etwas wählen was nicht dazu passt; z.B. der Wal zu den Fischen:-), fotosynthetische Spinatpflanze zu fotosynthetisch aktiven Cyanobakterien)

• Prinzip der einfachsten Erklärung
Stammbäume können auf den unterschiedlichsten Merkmalen basieren, makroskopisch (morphologisches Merkmal), mikroskopisch und mehr und mehr genetische Merkmale (DNA- oder Proteinsequenzen).

Der Vergleich mehrerer Basen- oder Aminosäuresequenzen führt zu einer großen Datenmenge, in denen Ähnlichkeiten nur schwer zu entdecken sind. Algorithmen beschreiben diese Ähnlichkeiten mit Hilfe der Mathematik. Ein simples Beispiel dafür ist folgende Abschätzung:
• Abschätzen der Ähnlichkeiten mit Hilfe eines Dendrogramms
o Grundlage dafür ist eine Analyse der Differenzen innerhalb dieser Sequenzen (Schmelztemperatur, DNA-Sequenz, Aminosäuresequenz…)

Bsp: Vergleich einer kurzen DNA-Sequenz, die Tabelle zeigt die Unterschiede zwischen den einzelnen Sequenzen A- D, wobei A – D verschiedene Arten darstellen

A B C D
A 2 3 1
B 2 5 2
C 3 5 3
D 1 2 3

Im folgenden Schritt werden die Unterschiede für jede Sequenz zu einem Distanzwert aufsummiert.

Distanzwert 6 9 11 6

Für A ist dieser Distanzwert 6; aufsummiert aus den Differenzen zu B-D, also 2 + 3 + 1.

Die Sequenzen werden nun nach diesem Distanzwert sortiert und dann wie folgt weiter behandelt:
A und D haben denselben Distanzwert. Sie werden deshalb als sehr ähnlich angesehen und in einem gemeinsamen Cluster zusammengefasst. Zwischen den Sequenzen B und C besteht nun – im Vergleich zu allen anderen Sequenzen –  die geringste Distanz (siehe Tabelle), sie werden zu einem Cluster mit dem Mittelwert 10 zusammengefasst. Beide bereits gebildeten Cluster werden im nächsten Schritt zusammengefasst, der Gesamtcluster umschließt den Wert 8.

Stammbaum erstellen

Phylogenetischer Stammbaum: Die baumartige Darstellung wird das Dendrogramm bezeichnet. Eine alternative Darstellung ist das Cladogramm, gezeichnet wird ein langer Strich von links unten nach rechts oben, von diesem ausgehend werden alle weiteren Beispiele eingeordnet.

Was bedeuten Knoten und Kantenlängen?

In einem phylogenetischen Baum repräsentiert jeder Knoten mit Vorfahren den nächsten gemeinsamen Verwandten dieser Vorfahren.

Die Kantenlänge entspricht meist der geschätzten Zeit, in der sich die Arten separiert haben, oder der Anzahl der Mutationen, die während dieser Entwicklung passierten. Diese Angabe ist aber sehr unsicher und im eigentlichen Sinne nur gültig, wenn der Vorläufer durch einen Fossilienfund belegt werden kann.

Jeder Knoten in einem phylogenetischen Baum wird als taxonomische Einheit bezeichnet, wobei man innere Knoten oft als hypothetische taxonomische Einheiten bezeichnet, wenn die entsprechenden Arten oder Einheiten nicht beobachtet werden können.

Weitere wichtige Begriffe:

Klade:

als Klade können die Vorläuferart und alle ihre Nachkommen bezeichnet werden. Eine monophyletische Gruppe im phylogenetischen Stammbaum entspricht einer Klade.

monophyletisch:

abgeleitet von gr. „Einzelstamm“ => aus einer Vorgängerart entstanden.

polyphyletisch:

umfasst Gruppen mit verschiedenen Vorgängerarten

paraphyletisch:

nicht alle Nachkommen gehören zu einer Gruppe. So sind zwar alle Nachkommen aus einem Vorläufer entstanden, aber gehören nun zu mehr als einer Gruppe.

maximale Parsimonie:

oder das Prinzip der einfachsten Erklärung => der Stammbaum wird so konstruiert, dass die Zuordnung der verschiedenen Arten innerhalb des Stammbaums (und innerhalb der Gruppen) die geringste Anzahl an Evolutionsereingnissen benötigt.

maximale Wahrscheinlichkeit:

Zur Erstellung des Stammbaums werden die DNA-Evolutionsmodelle berücksichtigt. Was ist wahrscheinlicher? Eine Punktmutation oder der gleichzeitige Austausch verschiedener Basen? Hierfür gibt es Algorithmen, die dies in der Berechnung des phylogenetischen Stammbaums berücksichtigen.

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