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Phylogenetischer Stammbaum: richtig lesen
Ein phylogenetischer Stammbaum zeigt Hypothesen über die evolutionäre Verwandtschaft von Organismen. Entscheidend ist die Reihenfolge der Verzweigungen: Je jünger der letzte gemeinsame Vorfahr zweier Gruppen ist, desto näher sind sie miteinander verwandt.
Auf dieser Seite lernst du, Knoten und Äste sicher zu deuten, Verwandtschaft zu bestimmen und die Aussagekraft eines Stammbaums kritisch einzuschätzen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Woran erkennst du die Aussage eines Stammbaums?
Ein Stammbaum besteht aus Linien und Verzweigungspunkten. Bevor du ihn auswertest, musst du feststellen, in welche Richtung die Zeit verläuft. Die Wurzel liegt in Richtung der älteren Vergangenheit, die Spitzen liegen in Richtung der jüngeren Zeit beziehungsweise Gegenwart.
Knoten
Ein Knoten ist ein Verzweigungspunkt. Er steht für den gemeinsamen Vorfahren der Linien, die aus diesem Punkt hervorgehen.
Ast
Ein Ast stellt eine evolutionäre Entwicklungslinie dar. Eine Verzweigung zeigt, dass aus einer Vorfahrenlinie getrennte Tochterlinien hervorgegangen sind.
Heute lebende Arten stehen meist an den Spitzen. Zwei solche Arten stammen nicht voneinander ab. Sie gehen auf einen gemeinsamen Vorfahren zurück.
Ein Baum zeigt drei Arten A, B und C. Am älteren Knoten K1 trennt sich die Linie von A von einer zweiten Linie. Diese zweite Linie verzweigt sich später am Knoten K2 in B und C.
B und C besitzen mit K2 einen jüngeren gemeinsamen Vorfahren. A, B und C besitzen mit K1 ebenfalls einen gemeinsamen Vorfahren, doch dieser ist älter. Deshalb sind B und C enger miteinander verwandt als jeweils mit A.
Lies einen Stammbaum von Knoten zu Knoten. Die räumliche Nähe zweier Spitzen auf der Seite beweist keine nahe Verwandtschaft.
Wie bestimmst du Verwandtschaft sicher?
Gehe bei zwei Gruppen immer in vier Schritten vor:
- Suche die beiden Spitzen im Baum.
- Verfolge ihre Äste rückwärts zur Wurzel.
- Finde den ersten Knoten, an dem sich ihre Linien treffen. Das ist ihr jüngster gemeinsamer Vorfahr.
- Vergleiche diesen Knoten mit den gemeinsamen Vorfahren anderer Gruppen.
Zwei Gruppen, die unmittelbar aus demselben Knoten hervorgehen, heißen Schwestergruppen. Sind die Enden einzelne Arten, spricht man auch von Schwesterarten.
Die Form der Zeichnung kann täuschen. Äste dürfen an einem Knoten gedreht werden, ohne dass sich die Verwandtschaft ändert. Auch das Weglassen einzelner Gruppen verändert nicht automatisch die Beziehungen der verbleibenden Gruppen.
Kanadaluchs und Rotluchs gehen in einem beschriebenen Katzenstammbaum auf einen jüngeren gemeinsamen Vorfahren zurück als auf ihren gemeinsamen Vorfahren mit den übrigen dargestellten Katzen. Deshalb sind sie Schwesterarten.
Wird der Ast mit Kanadaluchs und Rotluchs am gemeinsamen Knoten nach oben oder unten gedreht, bleiben beide weiterhin Schwesterarten. Die Reihenfolge der Spitzen ändert sich, die Verzweigungsfolge jedoch nicht.
Welche Merkmale stützen eine Verwandtschaftsgruppe?
Ähnlichkeit allein reicht nicht aus. Für einen bestimmten Vergleich musst du unterscheiden, ob ein Merkmal ursprünglich oder abgeleitet ist.
Ursprüngliches Merkmal
Ein ursprüngliches Merkmal war bereits bei einem älteren gemeinsamen Vorfahren vorhanden und kommt deshalb auch außerhalb der gerade untersuchten Gruppe vor. Es belegt für sich genommen keine besonders enge Verwandtschaft innerhalb dieser Gruppe.
Abgeleitetes Merkmal
Ein abgeleitetes Merkmal ist gegenüber dem ursprünglichen Zustand neu entstanden. Teilen mehrere Gruppen denselben abgeleiteten Merkmalszustand, spricht man von einer Synapomorphie.
Eine monophyletische Gruppe umfasst einen gemeinsamen Vorfahren und alle seine Nachkommen. Gemeinsame abgeleitete Merkmale können eine solche Verwandtschaftsgruppe stützen.
Ob ein Merkmal ursprünglich oder abgeleitet ist, hängt von der betrachteten Gruppe ab. Beim Außengruppenvergleich wird der Merkmalszustand der untersuchten Gruppen mit einer entfernter verwandten Außengruppe verglichen.
In einer Merkmalsmatrix werden Mensch, Zauneidechse, Nilkrokodil und Storch mit dem Feuersalamander als Außengruppe verglichen.
Der Wegfall eines aquatischen Larvenstadiums kommt bei den vier untersuchten Gruppen vor, beim Feuersalamander jedoch nicht. Innerhalb dieses Vergleichs wird der Wegfall daher als gemeinsames abgeleitetes Merkmal behandelt.
Ein Voraugenloch kommt in der Matrix nur bei Nilkrokodil und Storch vor. Es stützt die Hypothese, dass diese beiden innerhalb der verglichenen Gruppen Schwestergruppen sind. Federn treten dagegen nur beim Storch auf und kennzeichnen hier dessen eigene Linie.
Ein auffälliges gemeinsames Merkmal beweist nicht automatisch enge Verwandtschaft. Frage immer: Ist es für die untersuchte Gruppe gemeinsam und abgeleitet?
Wie entsteht eine Baumhypothese?
Ein phylogenetischer Stammbaum wird aus ausgewählten Daten rekonstruiert. Dafür können morphologische Merkmale wie Knochenstrukturen oder molekulare Daten wie Basenfolgen ausgewählter Gene und Aminosäurefolgen von Proteinen verglichen werden.
Bei einer kladistischen Rekonstruktion mit Merkmalen gehst du vereinfacht so vor:
- Du trägst Taxa und Merkmalszustände in eine Merkmalsmatrix ein.
- Du bestimmst mit einer Außengruppe ursprüngliche und abgeleitete Zustände.
- Du suchst nach gemeinsamen abgeleiteten Merkmalen.
- Du ordnest damit Schwestergruppen und ineinander verschachtelte monophyletische Gruppen.
- Du prüfst, ob zusätzliche Merkmale oder Taxa die Hypothese stützen oder verändern.
Bei molekularen Untersuchungen werden die Sequenzen ausgewählter Gene oder Proteine verglichen. Sequenzunterschiede können Hinweise auf Verwandtschaft und auf das relative Alter gemeinsamer Vorfahren liefern. Der Schluss gilt jedoch zunächst für die untersuchten Sequenzen. Bei widersprüchlichen Ergebnissen müssen weitere Gene oder andere Methoden einbezogen werden.
Ein Stammbaum ist eine evidenzbasierte, aber vorläufige Hypothese. Seine Aussage hängt von den ausgewählten Taxa, Merkmalen, Datensätzen und Auswertungsverfahren ab. Zusätzliche Daten können eine Beziehung bestätigen, genauer auflösen oder verändern.
Eine Analyse enthält zunächst nur wenige Katzenarten. Werden weitere lebende oder fossile Arten ergänzt, entstehen zusätzliche Verzweigungen. Die neue Darstellung widerspricht dem Grundgedanken gemeinsamer Abstammung nicht: Sie kann die bisher grob dargestellten Beziehungen genauer auflösen.
Welche Fehlinterpretationen solltest du vermeiden?
Ein Stammbaum zeigt nur die Informationen, die in die Darstellung aufgenommen wurden. Ein Ast ohne eingezeichnete Merkmalsänderung bedeutet nicht, dass in dieser Linie keine Evolution stattgefunden hat.
Auch die genaue Stelle einer Merkmalsmarkierung auf einem Ast ist meist nicht als exakter Zeitpunkt zu lesen. Sie zeigt gewöhnlich nur, dass die Veränderung zwischen den benachbarten Knoten stattgefunden hat.
Eine Verzweigung mit mehr als zwei Ästen heißt Polytomie. Sie kann anzeigen, dass die Beziehungen mit den verfügbaren Belegen noch nicht genauer aufgelöst sind. Sie beweist nicht automatisch, dass alle Linien exakt gleichzeitig entstanden.
Stammbäume zeigen außerdem keine zielgerichtete „Höherentwicklung“. Alle heute lebenden Linien haben bis zur Gegenwart Evolution durchlaufen. Eine Art an einer auffällig platzierten Spitze ist nicht das Ziel des gesamten Baums.
Ein Pferdestammbaum kann wie eine gerade Linie zum heutigen Pferd wirken, wenn viele ausgestorbene Seitenzweige fehlen oder wenig auffällig gezeichnet sind. Die Darstellung beweist dennoch keine geplante Entwicklung zum heutigen Pferd. Verzweigungen und ausgestorbene Linien zeigen vielmehr einen verzweigten Evolutionsverlauf.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Phylogenetischer Stammbaum
- Lesen: Zeitrichtung, Wurzel, Äste und Knoten bestimmen
- Verwandtschaft: jüngsten gemeinsamen Vorfahren vergleichen
- Merkmale: ursprüngliche und abgeleitete Zustände unterscheiden
- Rekonstruktion: morphologische oder molekulare Daten auswerten
- Aussagekraft: Taxa, Daten und Methode beachten
- Unsicherheit: Polytomien und alternative Hypothesen erkennen
- Fehlinterpretationen: grafische Nähe und Höherentwicklung vermeiden
Abschluss-Check
Wenn du alle vier Aufgaben begründen kannst, liest du nicht nur die Form eines Stammbaums: Du prüfst seine Verwandtschaftsaussagen und seine Grenzen.