Auf den ersten Blick haben der Hai und der Mensch nichts gemeinsam. Trotzdem kann anhand noch heute vorkommender Merkmale der beiden Arten bewiesen werden, dass sie gemeinsame Vorfahren teilen. In der Biologie spricht man bei ähnlichen biologischen Strukturen von Homologie.
Die Definition für Homologie, nach welchen Kriterien Homologie beurteilt werden kann und wie homologe Merkmale Aufschluss zur Evolution zulassen, erfährst Du einfach erklärt in dieser Erklärung.
Homologie – Definition
Homologie beschreibt die Ähnlichkeit biologischer Strukturen bei verschiedenen Lebewesen aufgrund gemeinsamer Abstammung. Erkennbar ist die Homologie anhand von sogenannten 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.
Was genau eine divergente Entwicklung ist, kannst Du im Abschnitt Homologie – Evolution dieser Erklärung herausfinden!
Homologie einfach erklärt
Einfach erklärt verstehst Du unter einer Homologie die Ähnlichkeit biologischer Strukturen verschiedener Lebewesen aufgrund von gemeinsamer Vorfahren.
So ähnelt sich etwa der Aufbau Deiner Handknochen dem Aufbau der Handknochen von Hunden. Der Mensch und der Hund sind beiden Landwirbeltiere und gehen aus der gleichen Abstammungslinie hervor, daher treten hier homologe Organe auf.
Die Handknochen von Mensch und Hund können eindeutig als homologe Organe beschrieben werden, da hier das Homologiekriterium Kriterium der Lage zuzuordnen ist. Was genau das ist, erfährst Du im Abschnitt Homologie – Kriterien dieser Erklärung!
Homologie – Evolution
Im Zuge der Evolution entwickeln sich Arten immer weiter und verändern sich konstant. Wird die Entwicklung einer Art im Vergleich zu anderen Arten betrachtet, kann in zwei Entwicklungsrichtungen unterschieden werden: Divergenz und Konvergenz.
Eine konvergente Entwicklung beschreibt die zunehmende Ähnlichkeit von Organismen verschiedener Entwicklungslinien und bewirkt die Ausbildung analoger Organe. Möchtest Du mehr über Analogie und Konvergenz erfahren? Dann schau bei der StudySmarter Erklärung Analogie vorbei!
Eine divergente Entwicklung beschreibt eine Auseinanderentwicklung im Laufe der Evolution, allerdings bleiben einige Merkmale häufig weiterhin vergleichbar, die Homologien. So sind homologe Organe verschiedener Lebewesen ein Beweis für eine vorangegangene divergente Entwicklung und damit auch ein Beweis für eine gemeinsame Abstammung.
Homologie – Divergenz
Die Divergenz beschreibt in der Evolutionsbiologie das Auseinanderlaufen evolutionärer Entwicklungslinien.
Dabei entwickeln sich Merkmale (etwa Organe, Organsysteme, Körperstrukturen, physiologische Prozesse oder auch Verhaltensweisen) zwischen verschiedenen Arten oder zwischen verschiedenen Populationen der gleichen Art auseinander.
Einfach erklärt bewirkt eine divergente Entwicklung, dass sich zuvor gemeinsam geteilte Merkmale immer weiter voneinander unterscheiden, da sich die Lebewesen 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 etwa 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 und es bleiben Ähnlichkeiten bestehen – es entstehen homologe Organe.
Homologie – Kriterien
Um eine Homologie beweisen zu können, wurden Homologiekriterien aufgestellt, wovon mindestens eins erfüllt werden muss:
- Kriterium der Lage: beschreibt, dass einzelne Strukturen stets in gleicher Lage im komplexen Gefüge anderer Strukturen liegen.
- Kriterium der spezifischen Qualität: beschreibt, dass Komplexe aus mehreren Strukturen homolog sind, auch wenn sich die Lage im Gefügesystem veränderte, aber in zahlreichen Sondermerkmalen übereinstimmen.
- Kriterium der Stetigkeit: beschreibt, dass eine Homologie vorliegt, wenn Zwischenformen erkennbar sind (stetiger Übergang erkennbar).
Wie sich diese Homologiekriterien am Beispiel abbilden können, wird Dir im anschließenden Abschnitt vorgestellt.
Homologie – Beispiele
Zur besseren Veranschaulichung von Homologien und den Homologiekriterien, werden Dir hier ein paar Beispiele homologer Organe vorgestellt:
Beispiel 1: Handknochen verschiedener Säugetiere
Wie Du bereits erfahren hast, sind die Handknochen von Hund und Mensch homolog. Hierbei kannst Du eine deutliche anatomische Ähnlichkeitder Handknochen nicht nur bei Hund und Mensch, sondern auch bei weiteren Säugetieren feststellen.
Abb. 2: Homologe Handknochen bei Säugetieren (I-Mensch, II-Hund, III-Schwein, IV-Kuh, V-Tapir, VI-Pferd)
Für jedes Lebewesen erfüllt der Handknochen andere spezifische Funktionen. So nutzt der Mensch diesen etwa zum Greifen oder Schreiben, während das Pferd ihn zum Laufen benutzt. Die Hufe des Pferds und die menschliche Hand haben auf den ersten Blick also zunächst wenig gemeinsam. Allerdings weisen sie große Ähnlichkeiten im Aufbau auf und die einzelnen Strukturen sind stets in gleicher Lage zueinander.
So kann das Homologiekriterium der Lage zugeordnet und auf gemeinsame Vorfahren geschlossen werden.
Beispiel 2: Haischuppe und Zahn des Menschen
Die Haischuppe und der Schneidezahn des Menschen sind zwar an verschiedenen Lagen und haben deutlich unterschiedliche Funktionen, jedoch stimmen sie in vielen baulichen Merkmalen und Materialien überein.
Beide biologischen Strukturen sind 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 das Homologiekriterium der spezifischen Qualität anwenden und eine Verwandtschaft der beiden Arten feststellen.
Beispiel 3: Blutkreislauf von Fischen, Amphibien und Säugetieren
Das Kriterium der Stetigkeit ist am Blutkreislauf von Fischen, Amphibien 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.
Betrachtest Du jedoch gleichzeitig der Blutkreislauf der Amphibien, kannst Du eine Zwischenform zwischen den Säugetieren und den Fischen erkennen, bei der die Trennung noch nicht vollständig abgeschlossen ist. Somit kann geschlussfolgert werden, dass die Trennung vom Lungen- und Körperblutkreislauf erst im Laufe der Evolution entstanden ist und es sich bei den Blutkreisläufen der Organismen um homologe Organe handelt.
Beispiel 4: Embryonale Homologien
Während der embryonalen Entwicklung des Menschen werden Homologien zu spezifischen Arten sichtbar, welche allerdings mit der fortschreitenden Entwicklung des Embryos wieder verschwinden.
Der Begriff Embryo wird in der Zeit von der dritten Schwangerschaftswoche bis etwa zum dritten Monat verwendet. Bis dahin wird der Begriff Zygote (beschreibt die befruchtete Eizelle) angewandt. Ab dem dritten Monat bis zur Geburt spricht man dann vom Fötus.
Insbesondere Ernst Haeckel hatte erkannt, dass jeder Mensch in seiner pränatalen Entwicklung eine vollständige, erdgeschichtliche Mikroevolution durchläuft. So formulierte er das Naturgesetz, welches besagt, dass die Entwicklung des Individuums, die sogenannte Ontogenese, eine kurze Wiederholung seiner Stammesgeschichte (Phylogenese) darstellt.
Folgendes sind Beispiele für embryonale Homologien:
- In einem bestimmten Entwicklungsstadium weist der menschliche Embryo eine Kiemenspalte auf, welche eine Ähnlichkeit zu den Fischen darstellt. Diese verschwindet allerdings wieder nach kurzer Zeit.
- Auch die Flügel von Vögeln sind innerhalb einer kurzen Zeitspanne homolog zu den Händen des Menschen. Vogelembryos weisen für kurze Zeit eine Hand mit fünf Fingern auf, welche dann aber durch Verschmelzung und Reduktion wieder verschwinden.
Homologie – Prüfung des Verwandtschaftsgrads
Liegt Homologie vor, so 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 und desto höher ist ihr Verwandtschaftsgrad.
Zu den Methoden zur Klärung des Verwandtschaftsgrads gehören unter anderem:
- Serumreaktion
- Aminosäuresequenzvergleich
- DNA-DNA-Hybridisierung
- Analyse der DNA (vollständige Sequenzierung (/Entschlüsselung) der DNA beider Organismen und anschließender Vergleich)
Bei der DNA-DNA-Hybridisierung wird jeweils ein Strang der DNA beider Organismen zur Hybridisierung gebracht. Dabei paaren sich nur Basenpaare, die zueinanderpassen, d. h. je mehr Basenpaare entstehen, desto ähnlicher sind die beiden DNA-Stränge.
Um herauszufinden, wie viele Basenpaare bei der Hybridisierung entstanden sind, wird die hybridisierte DNA anschließend geschmolzen. Dabei gilt: 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.
So kann vom Schmelzpunkt der hybridisierten DNA aus der DNA beider Organismen auf ihren Verwandtschaftsgrad geschlossen werden.
Homologie – Das Wichtigste
- Homologie – Definition: beschreibt die Ähnlichkeit biologischer Strukturen bei verschiedenen Lebewesen aufgrund gemeinsamer Abstammung. Erkennbar ist die Homologie anhand von homologen Organen.
- Homologe Organe sind Organe, die wegen einer gemeinsamen Abstammung den gleichen Grundbauplan haben, aber oft unterschiedliche Funktionen und unterschiedliches Aussehen besitzen.
- Homologie – Kriterien: Um eine Homologie zu beweisen, muss mindestens eines von drei Homologiekriterien zutreffen
- Kriterium der Lage: beschreibt, dass einzelne Strukturen stets in gleicher Lage im komplexen Gefüge anderer Strukturen liegen.
- Kriterium der spezifischen Qualität: beschreibt, dass Komplexe aus mehreren Strukturen homolog sind, auch wenn sich die Lage im Gefügesystem veränderte, aber in zahlreichen Sondermerkmalen übereinstimmen.
- Kriterium der Stetigkeit: beschreibt, dass eine Homologie vorliegt, wenn Zwischenformen erkennbar sind.
- Homologie – Evolution: Eine divergente Entwicklung beschreibt eine Auseinanderentwicklung im Laufe der Evolution, wobei allerdings einige Merkmale als Homologien weiterhin vergleichbar bleiben und somit einen Beleg für Verwandtschaft gelten.
- Homologie – Beispiele: Durch eine deutliche anatomische Ähnlichkeit der Handknochen von Hund und Mensch findet hier das Kriterium der Lage Anwendung und es kann auf eine gemeinsame Abstammungslinie von Hund und Mensch geschlossen werden.
- Homologie –Prüfung des Verwandtschaftsgrads: Der Grad der Verwandtschaft zweier Individuen wird durch die Ähnlichkeit der DNA bestimmt.
Nachweise
- Fitch (2000). Homology: a personal view on some of the problems. Trends in Genetics
- Boenigk (2021). Boenigk Biologie. Springer.
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