Biologie · Verstehen und üben
Entdecke, wie Fossilien, Körperbau und DNA gemeinsame Abstammung belegen. Vergleiche Homologie und Analogie und lerne, Verwandtschaft an einem Stammbaum richtig abzulesen.
Evolution lässt sich an vielen zusammenpassenden Befunden untersuchen: Fossilien dokumentieren früheres Leben, Körperbau und Entwicklung zeigen gemeinsame Grundstrukturen, und DNA-Sequenzen enthalten Informationen über Verwandtschaft. Auch die geografische Verbreitung von Arten trägt zum Gesamtbild bei.
Ein einzelnes ähnliches Merkmal genügt oft nicht für eine sichere Einordnung. Besonders überzeugend ist, wenn unterschiedliche, unabhängig untersuchte Befunde dieselbe Abstammungserklärung stützen. Evolutionäre Stammbäume fassen begründete Hypothesen über diese Beziehungen zusammen.
Diese Seite behandelt die Verwandtschaft von Abstammungslinien, etwa verschiedener Arten. Ein Familienstammbaum in der genetischen Stammbaumanalyse untersucht dagegen beispielsweise die Vererbung eines Merkmals innerhalb einer Familie.
Fossilien sind erhaltene Reste, Abdrücke oder Spuren früherer Organismen. Dazu können Knochen, Schalen, Blattabdrücke und versteinerte Fußspuren gehören. Sie zeigen, welche Formen früher existierten, und ermöglichen den Vergleich mit anderen ausgestorbenen oder heutigen Organismen.
In einer ungestörten Sedimentfolge liegen jüngere Schichten normalerweise über älteren. Verformung oder Umlagerung können diese einfache Deutung erschweren. Radiometrische Verfahren an geeigneten Materialien können die zeitliche Einordnung ergänzen; nicht jedes Fossil wird direkt datiert.
Manche Fossilien verbinden Merkmale, die heute bei verschiedenen Gruppen vorkommen. Solche Mosaikformen helfen, Veränderungen von Körperbau und Verwandtschaft zu rekonstruieren. Sie müssen nicht die direkten Vorfahren einer heutigen Art sein.
Fossilisation ist an besondere Bedingungen gebunden. Harte Teile bleiben oft leichter erhalten als weiche, und viele Lebensräume hinterlassen wenig gut zugängliche Fossilien. Die Überlieferung ist deshalb unvollständig.
Eine Reihe unterschiedlich alter Fossilien beweist nicht automatisch eine gerade Abfolge von Vorfahren und Nachfahren. Evolution verzweigt sich. Mehrere verwandte Linien können gleichzeitig existiert haben und unterschiedlich weiterentwickelt oder ausgestorben sein.
Homologe Merkmale gehen auf ein entsprechendes Merkmal eines gemeinsamen Vorfahren zurück. Ihre heutige Funktion oder äußere Gestalt kann verschieden sein. Ein menschlicher Arm und die Vorderflosse eines Wals dienen unterschiedlichen Bewegungen; dennoch lassen sich entsprechende Skelettabschnitte vergleichen.
↔ Schaubild bei Bedarf seitlich verschieben.
↔ Schaubild bei Bedarf seitlich verschieben.
Gleiche Farben markieren hier entsprechende Abschnitte. Verglichen wird ihre Lage und Zuordnung im Bauplan, nicht bloß eine ähnliche Außenform. Die Zeichnungen sind keine maßstabsgetreuen anatomischen Darstellungen.
Entsprechende Strukturen können dieselbe relative Position zu anderen Strukturen besitzen. Oberarm und Unterarm lassen sich zum Beispiel über ihre Verbindungen innerhalb der Vordergliedmaße vergleichen.
Komplexe Übereinstimmungen im Aufbau können auf gemeinsame Herkunft hinweisen. Eine einzelne einfache Ähnlichkeit, etwa „beides ist lang“, liefert dagegen nur wenig Information.
Vergleichende Befunde, Fossilien oder Entwicklungsabläufe können Verbindungen zwischen stark veränderten Formen erkennbar machen. Solche Hinweise müssen zusammen mit weiteren Merkmalen beurteilt werden.
Rudimente sind gegenüber dem Zustand bei Vorfahren zurückgebildete Strukturen. Sie können noch Restfunktionen besitzen oder andere Aufgaben übernehmen. „Klein“ oder „scheinbar unnütz“ allein beweist deshalb weder eine Rudimentbildung noch eine bestimmte Abstammung.
Analoge Merkmale ähneln sich in Funktion oder Gestalt, sind aber in dieser Ausprägung unabhängig entstanden. Die Entwicklung ähnlicher Lösungen unter ähnlichen Anforderungen heißt Konvergenz. So dienen Vogel- und Insektenflügel dem Fliegen, beruhen aber auf unterschiedlichen Strukturen.
Homologie und Analogie beziehen sich immer auf ein bestimmtes Merkmal und eine Vergleichsebene. Vogel- und Fledermausflügel sind als Vordergliedmaßen homolog. Ihre Ausbildung zu Flügeln für aktiven Flug entstand jedoch unabhängig; auf dieser Ebene spricht man von Analogie.
Verglichen wird der Grundbauplan der Vordergliedmaßen: Oberarm, Unterarm und die anschließenden Hand- und Fingerabschnitte.
Welche Einordnung passt?
Wähle eine Einordnung und begründe sie zunächst selbst.
Forscherinnen und Forscher vergleichen entsprechende DNA-Abschnitte oder Proteine. Übereinstimmungen und Unterschiede können gemeinsame Abstammung und Aufspaltungen sichtbar machen. Dafür müssen tatsächlich vergleichbare Abschnitte passend gegenübergestellt werden.
Die kleinste Anzahl von Unterschieden in irgendeinem kurzen DNA-Stück liefert nicht automatisch den richtigen Stammbaum. Zufall, unterschiedlich schnelle Veränderungen und mehrfache Veränderungen derselben Stelle beeinflussen den Vergleich. Mehrere geeignete Merkmale oder Sequenzbereiche machen Aussagen belastbarer.
Gemeinsame Entwicklungsstrukturen und -prozesse können Abstammungshinweise liefern. Die Entwicklung eines heutigen Organismus ist jedoch keine Wiederholung einer Reihe erwachsener Vorfahren. Menschliche Embryonen durchlaufen zum Beispiel kein Stadium als fertiger Fisch.
Die Verbreitung von Arten lässt sich im Zusammenhang mit Abstammung, Ausbreitung, geografischer Trennung und Erdgeschichte erklären. Ähnliche Lebensräume müssen nicht dieselben nah verwandten Arten beherbergen, wenn ihre Besiedlungsgeschichte verschieden ist.
Gemeinsam abgeleitete Merkmale sind für Verwandtschaftsanalysen besonders hilfreich: Das sind Merkmale, die in der betrachteten Linie gegenüber einem älteren Zustand neu entstanden und an ihre Nachfahren weitergegeben wurden. Ob ein Zustand ursprünglich oder abgeleitet ist, wird unter anderem durch geeignete Vergleichsgruppen erschlossen. Ein Merkmal, das alle untersuchten Tiere ohnehin von einem viel älteren Vorfahren besitzen, trennt die jüngeren Untergruppen weniger gut.
Der vereinfachte Stammbaum zeigt vier heutige Vertreter aus einer viel größeren Verwandtschaftsgruppe. Die Endpunkte stehen für die ausgewählten heutigen Linien. Knoten markieren gemeinsame Vorfahren beziehungsweise Aufspaltungen von Vorfahrenlinien. Die Wurzel liegt am älteren Ende des dargestellten Ausschnitts.
Verfolge zwei Linien rückwärts bis zu dem Knoten, an dem sie zuerst zusammentreffen. Dieser steht für ihren jüngsten gemeinsamen Vorfahren. Je jünger dieser gemeinsame Vorfahr im Vergleich ist, desto näher sind die Linien miteinander verwandt.
↔ Schaubild bei Bedarf seitlich verschieben.
Ihre Linien treffen zuerst bei Knoten 3 zusammen. In dieser Auswahl teilen Krokodil und Taube einen jüngeren gemeinsamen Vorfahren miteinander als jeweils mit der Eidechse oder der Maus. Das Krokodil ist dabei kein Vorfahr der heutigen Taube.
Äste können an ihren Knoten gedreht werden. Dadurch verändert sich die Reihenfolge der Endpunkte auf dem Bildschirm; die gemeinsamen Vorfahren bleiben dieselben. Entscheidend ist das Verzweigungsmuster, nicht der Abstand der Namen oder ihre Position oben und unten.
Die heutige Maus ist im Bild kein Vorfahr der Eidechse, und ein heutiges Krokodil ist kein Vorfahr der Taube. Alle dargestellten Endpunkte stehen für heute lebende Linien, die ihre eigene Evolutionsgeschichte besitzen.
Krokodile und Eidechsen können einander in manchen Merkmalen ähneln. Trotzdem teilen Krokodile mit Vögeln einen jüngeren gemeinsamen Vorfahren. Ursprüngliche Merkmale und Konvergenz können den äußeren Eindruck beeinflussen.
Manche Bäume zeigen mit Längen verstrichene Zeit oder die Menge genetischer Veränderungen. Andere zeigen nur Verzweigungen. Ohne Legende oder Maßstab darf man aus einer langen Linie keine genaue Zeit oder „stärkere Entwicklung“ ablesen.
Eine Klade umfasst einen gemeinsamen Vorfahren und alle seine Nachfahren. In einem vereinfachten Bild lässt sich das nur für den dargestellten Ausschnitt prüfen. Nicht eingezeichnete Linien sind dadurch nicht automatisch ausgeschlossen.
Du drehst in einem Stammbaum zwei Äste an ihrem gemeinsamen Knoten. Was verändert sich dadurch?
Wähle eine Antwort.
Löse zuerst selbst. Ein Tipp hilft beim Einstieg; die Lösung zeigt die fachliche Begründung.
Einstieg: Lernende vergleichen die beiden Vordergliedmaßen und beschreiben zunächst nur sichtbare Gemeinsamkeiten. Erst danach wird zwischen Beobachtung und Abstammungsdeutung unterschieden.
Erarbeitung: Im Vergleichs-Labor begründet jede Gruppe ihre Einordnung mit dem tatsächlich verglichenen Merkmal. Im Stammbaum-Labor werden Wege zum jüngsten gemeinsamen Vorfahren nachverfolgt.
Transfer: Zeichnet einen Baum mit derselben Verwandtschaft, aber anderer Reihenfolge der Endpunkte. Tauscht die Zeichnungen und prüft die Knoten.
Differenzierung: Grundniveau: Homologie, Analogie und Knoten. Vertiefung: gemeinsam abgeleitete Merkmale, Kladen und Grenzen einzelner Datensätze.
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Arbeitsblatt ansehen →Fachliche Vertiefung: UC Berkeley · Understanding Phylogenies · OpenStax · Organizing Life on Earth · OpenStax · Determining Evolutionary Relationships. Eigene Erklärungen, Aufgaben und Schaubilder. Zahlenbeispiele sind frei gewählte Unterrichtsdaten; Modelle und Körperbauzeichnungen sind bewusst vereinfacht. Klassenstufen und Vertiefung unterscheiden sich nach Bundesland und Schulart.
