Biologische Ähnlichkeiten in den Bereichen Gestalt (Morphologie), Anatomie, Stoffwechsel und im Erbgut werden als Belege für die Verwandtschaft von Organismen und die Evolution genutzt. Dabei wird in zwei Formen der Ähnlichkeit unterschieden - Homologie und Analogie.
Homologie – Homologe Organe
Homologie beschreibt die Ähnlichkeit biologischer Strukturen bei verschiedenen Lebewesen aufgrund übereinstimmender DNA. Erkennbar ist die Homologie an homologen Organen.
Bei einer Homologie treten homologe Organe auf. Dabei handelt es sich um Organe, die wegen einer gemeinsamen Abstammung den gleichen Grundbauplan haben, aber oft unterschiedliche Funktionen und unterschiedliches Aussehen besitzen. Sie sind ein Beleg für die Verwandtschaft der Organismen. Wenn sich die homologen Organe der verschiedenen Arten immer mehr in Aussehen und Funktion unterscheiden, ist das ein Merkmal einer divergenten Entwicklung.
Mehr zur divergenten und konvergenten Entwicklung erfährst du am Ende des Artikels
Ein Beispiel für homologe Organe sind die Handknochen der folgenden verschiedenen Säugetiere
(I-Mensch, II-Hund, III-Schwein, IV-Kuh, V-Tapir, VI-Pferd).
Abbildung 1: Homologe Organe bei Säugetieren - Handknochen
Hier ist eine deutliche anatomische Ähnlichkeit (Kriterium der Lage) der Handknochen festzustellen, weshalb geschlussfolgert werden kann, dass die Tiere gemeinsame Vorfahren haben. Dabei können homologe Organe wie hier, im Gegensatz zu analogen Organen, unterschiedliche Funktionen haben - Der Handknochen erfüllt für den Menschen eine andere Aufgabe, als für das Pferd.
Homologiekriterien
Um eine Homologie beweisen zu können, wurden Homologiekriterien aufgestellt, wovon mindestens eins erkannt werden muss:
- Kriterium der Lage: beschreibt, dass einzelne Strukturen stets in gleicher Lage im komplexen Gefüge anderer Strukturen liegen (Bsp.: Aufbau des Herzens ist bei fast allen Säugetieren identisch; Aufbau Handknochen von Säugetieren (siehe Abbildung 1)).
- Kriterium der spezifischen Qualität: beschreibt, dass Komplexe aus mehreren Einzelelementen homolog sind, auch wenn sich die Lage im Gefügesystem veränderte (wenn sie in vielen Einzelteilen übereinstimmen).
- Kriterium der Stetigkeit: beschreibt, dass eine Homologie vorliegt, wenn Zwischenformen erkennbar sind (stetiger Übergang erkennbar).
Ein Beispiel für das Kriterium der spezifischen Qualität ist eine Haischuppe und ein Schneidezahn des Menschen.
Die Haischuppe und der Schneidezahn des Menschen sind zwar an verschiedenen Lagen, jedoch stimmen sie in vielen baulichen Merkmalen und Materialien überein. Beide biologischen Strukturen sind von innen hohl und die erste Schicht von außen besteht beim Zahn und bei der Schuppe aus Schmelz. Auch der restliche Aufbau der beiden Strukturen ist gleich - Somit lässt sich eine Verwandtschaft der beiden Arten feststellen.
Das Kriterium der Stetigkeit ist am Blutkreislauf von Fischen, Reptilien und Säugetieren zu erkennen.
Betrachtet man den Blutkreislauf der Säugetiere erkennt man, dass eine Trennung zwischen Körper- und Lungenkreislauf vorliegt und sauerstoffarmes von sauerstoffreichem Blut getrennt transportiert wird.
Bei Fischen hingegen wird "Mischblut" in nur einem Kreislauf transportiert. Die beiden Kreisläufe unterscheiden sich also stark.
Wird jedoch gleichzeitig der Blutkreislauf der Reptilien betrachtet, kann man eine Zwischenform zwischen den Säugetieren und den Fischen erkennen, bei der die Trennung noch nicht vollständig abgeschlossen ist. Somit lässt sich schlussfolgern, dass die Trennung vom Lungen- und Körperblutkreislauf erst im Laufe der Evolution entstanden ist.
Prüfung des Verwandtschaftsgrads bei Homologien
Wenn eine Homologie vorliegt sind die beiden zu prüfenden Organismen miteinander verwandt. Zur Klärung des Verwandtschaftsgrads gibt es verschiedene Methoden. Zurückgegriffen wird dabei auf das Erbgut der Organismen - wenn sie gemeinsame Vorfahren haben, dann sind sie aus der gleichen DNA entstanden, welche sich nur mit der Zeit durch Mutation und Rekombination verändert hat.
Das bedeutet, dass sie Gemeinsamkeiten in ihrem Erbgut haben müssen - dabei gilt: Je mehr Gemeinsamkeiten die DNA der beiden Organismen hat, desto näher sind sie miteinander verwandt.
Zu den Methoden zur Klärung des Verwandtschaftsgrads gehören:
- Serumreaktion
- Aminosäuresequenzvergleich
- DNA-DNA-Hybridisierung
- Jeweils ein Strang (entgegengesetzte) der DNA beider Organismen werden zur Hybridisierung gebracht
- Dabei paaren sich nur Basenpaare die zueinander passen - je mehr Basenpaare entstehen, desto ähnlicher sind die beiden DNA-Stränge
- Die hybridisierte DNA wird dann geschmolzen - je höher der Schmelzpunkt desto mehr Gemeinsamkeiten liegen in der DNA vor, da dann die Anzahl der gebildeten Wasserstoffbrücken zwischen den Basen höher ist, welche geschmolzen werden müssen
- Analyse der DNA
- Vollständige Sequenzierung der DNA beider Organismen und anschließender Vergleich
Mehr Informationen zu den Methoden findest du im Artikel zur vergleichenden Molekularbiologie und im Artikel Aminosäuresequenzvergleich
Analogie – Analoge Organe
Analogie beschreibt die Funktionsähnlichkeit biologischer Strukturen bei unterschiedlichen Lebewesen unabhängig von Verwandtschaft. Erkennbar ist die Analogie an analogen Organen.
Bei einer Analogie treten analoge Organe auf. Analoge Organe sind Organe, die in der Funktion übereinstimmen aber unterschiedliche Grundbaupläne haben.
Analogien entstehen, wenn sich verschiedene Arten an die gleichen Umweltbedingungen oder Lebensweisen anpassen (konvergente Entwicklung). Sie liefern keinen Hinweis auf eine enge Verwandtschaft.
Ein Beispiel für eine Analogie sind die Grabstrukturen des Maulwurfs und der Maulwurfsgrille.
Abbildung 4: Maulwurf mit seinen zwei Vorderpfoten
Abbildung 5: Großaufnahme des Kopfes und der vorderen Gliedmaßen einer Maulwurfsgrille
Beide Strukturen sehen sich sehr ähnlich und erfüllen den gleichen Zweck: das Graben. Jedoch liegt keine enge Verwandtschaft vor. Die Ähnlichkeit ihrer Graborgane entstand dadurch, dass sie sich an ähnliche Umweltbedingungen anpassen mussten - es kam zu einer konvergenten Entwicklung.
In der Verteidigung von Pflanzen findet man ebenfalls Analogien.
Abbildung 6: Berberitze im Winter
Abbildung 7: Dorniger Stängel einer Rose
Die Dornen der Rose und die Stachel der Berberitze dienen beide dem Schutz gegen Feinde. Trotz der gleichen Funktion besitzen die Strukturen einen unterschiedlichen Bauplan. Somit handelt es sich um eine Analogie in Folge einer konvergenten Entwicklung.
Ein weiteres Beispiel für analoge Organe sind die Flügel der Insekten und der Vögel.
Beide Strukturen dienen dem Fliegen, jedoch sind sie völlig unterschiedlich aufgebaut. Deshalb lässt sich hierbei auf keine enge Verwandtschaft schließen.
Entwicklungsrichtungen
Im Zuge der Evolution entwickeln sich Arten immer weiter und verändern sich konstant. Im Vergleich zu anderen Arten wird dabei in zwei Entwicklungsrichtungen unterschieden: Divergenz und Konvergenz.
Abbildung 7: Divergente und konvergente Entwicklung im Verlauf der Evolution
Divergente Entwicklung
Eine divergente Entwicklung beschreibt das Auseinanderlaufen evolutionärer Entwicklungslinien.
Die Merkmale (z.B.: Organe, Organsysteme, Körperstrukturen, Verhaltensweisen, usw.) zwischen verschiedenen Arten oder verschiedenen Populationen der selben Art entwickeln sich auseinander. Das heißt ihre Merkmale unterscheiden sich im Laufe der Evolution immer weiter voneinander, da sie sich an unterschiedliche Umweltbedingungen anpassen, bis sie nicht mehr zu einer gemeinsamen Art gehören oder kaum noch miteinander vergleichbar sind.
Dabei ist der Grad der Divergenz (Größe der Unterschiede) abhängig von der Länge, seit der die Populationen/ Arten getrennt sind.
Auslöser für eine divergente Entwicklung können z.B. starke Konkurrenzbedingungen sein, wodurch sich Populationen aufspalten oder in verschiedene ökologische Nischen ausweichen. So verändern sich die Umweltbedingungen, die auf die verschiedenen Gruppen wirken und die Merkmale entwickeln sich im Zuge der Evolution unterschiedlich.
Die Divergenz führt zur Aufspaltung einer Art in viele Schwesternarten bzw. zur Bildung neuer Arten.
Einige der dadurch unterschiedlich entwickelten Merkmale bleiben jedoch, aufgrund der gemeinsamen Abstammung, vergleichbar - es entstehen Homologien.
Von Schwesternarten ist die Rede, wenn die betrachteten Arten füreinander die nächsten Verwandten sind und unmittelbare gemeinsame Vorfahren haben. Je weiter die Divergenz jedoch fortschreitet, desto weiter entfernt sind die daraus entstehenden Arten - es kann dann nicht mehr von Schwesternarten gesprochen werden.
Konvergente Entwicklung
Eine konvergente Entwicklung beschreibt die zunehmende Ähnlichkeit von Organismen verschiedener Entwicklungslinien. Diese kann durch Zufall entstehen oder durch den Einfluss ähnlicher (oder der gleichen im selben Lebensraum) Umweltbedingungen ausgelöst werden. Wegen des gleichen Selektionsdrucks entstehen ähnliche Anpassungen, wodurch verschiedene biologische Strukturen mit der Zeit die gleichen Funktionen erfüllen.
Somit entstehen über die Konvergenz Analogien (keine Hinweise auf enge Verwandtschaft).
Beispiele für die Ergebnisse einer konvergenten Entwicklung findest du unter den Beispielen der analogen Organe.
Homologie und Analogie – Das Wichtigste auf einen Blick
- Homologie ist die Ähnlichkeit biologischer Strukturen verschiedener Lebewesen aufgrund übereinstimmender DNA
- homologe Organe sind Organe mit gleichem Grundbauplan aber oft verschiedener Funktion und verschiedenem Aussehen
- homologe Organe müssen mindestens eines der drei Homologiekriterien erfüllen um ein Beleg für gemeinsame Vorfahren zu liefern
- Kriterium der Lage
- Kriterium der Stetigkeit
- Kriterium der spezifischen Qualität
- Analogie ist die Funktionsähnlichkeit biologischer Strukturen unterschiedlicher Lebewesen unabhängig von Verwandtschaft
- analoge Organe sind Organe, die gleiche Funktionen haben aber unterschiedliche Grundbaupläne, entstanden durch die Einwirkung ähnlicher Umweltbedingungen
- Divergenz beschreibt das Auseinanderlaufen evolutionärer Entwicklungslinien - dabei entstehen Homologien
- Konvergenz beschreibt die zunehmende Ähnlichkeit von Organismen verschiedener Entwicklungslinien, durch die Einwirkung ähnlicher oder gleicher Umweltbedingungen - es entstehen Analogien
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