Stammbäume erstellen – Homologie, Analogie und molekulare Methoden

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.

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.

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.