Stammbaumrekonstruktion einfach erklärt: Methodik & Parsimonie

Wenn du dich mit der Stammbaumrekonstruktion beschäftigst, stehst du oft vor der Frage: Welcher Stammbaum ist der richtige? Stell dir vor, du bist ein Detektiv und musst einen komplizierten Kriminalfall lösen. Wählst du die Theorie, die 20 extrem unwahrscheinliche Zufälle erfordert, oder diejenige, die mit nur 3 logischen Schritten alles erklärt?

In der Evolutionsbiologie stehen wir vor genau dem gleichen Problem. Wenn wir herausfinden wollen, welche Tierarten am engsten miteinander verwandt sind, gibt es oft viele mögliche Stammbäume. In diesem Artikel lernst du, wie Forscher körperliche Merkmale in einen simplen Zahlencode übersetzen und das sogenannte Sparsamkeitsprinzip anwenden, um den einzig wahren Stammbaum des Lebens zu berechnen.

Vorwissen

• Ursprüngliche und abgeleitete Merkmale: Ursprüngliche Merkmale gab es schon bei den fernen Vorfahren. Abgeleitete Merkmale sind evolutionäre Neuerungen, die durch Mutationen entstanden sind. Beispiel: Für Säugetiere ist „vier Beine“ ein ursprüngliches Merkmal, aber „Flügel“ (wie bei Fledermäusen) ist ein abgeleitetes Merkmal.
• Die Außengruppe: Eine Art, die eng mit den untersuchten Arten verwandt ist, sich aber früher im Stammbaum abgespalten hat. Sie zeigt uns, wie die ursprünglichen Merkmale aussahen. Beispiel: Wenn wir die Verwandtschaft der großen Menschenaffen untersuchen, dient der Gibbon als Außengruppe.

Aufgabentyp 1: Stammbäume bewerten mit Parsimonie

Wenn Biologen einen Stammbaum erstellen, gibt es oft mehrere Hypothesen darüber, wer mit wem verwandt ist. Um den richtigen Baum zu finden, nutzen sie das Sparsamkeitsprinzip (auch Parsimonie genannt).

Dieses Prinzip besagt: Die einfachste Erklärung ist die wahrscheinlichste.

In der Evolution sind Mutationen, die zu neuen, komplexen Merkmalen führen, seltene Zufälle. Dass exakt dieselbe zufällige Mutation bei zwei verschiedenen Arten völlig unabhängig voneinander passiert (ein sogenanntes Parallelereignis), ist extrem unwahrscheinlich.

Deshalb vergleichen wir verschiedene Stammbaum-Hypothesen und zählen, wie viele evolutionäre Schritte (Neuerungen) jeder Baum benötigt. Der Stammbaum, der die wenigsten evolutionären Schritte erfordert, gilt als der wahrscheinlichste. Er ist am „sparsamsten“ mit unwahrscheinlichen Zufällen.

Um die evolutionären Schritte zählen zu können, übersetzen wir körperliche Merkmale in Zahlen. Das machen wir mit einer Merkmalstabelle (Matrix).

Dabei vergleichen wir unsere untersuchte Gruppe (die Innengruppe) mit der Außengruppe. Wir nutzen einen einfachen Code:

• $\textcolor{#08BFFF}{0}$ steht für das ursprüngliche Merkmal (genau so, wie es bei der Außengruppe vorkommt).
• $\textcolor{#53E5D6}{1}$ steht für das abgeleitete Merkmal (eine evolutionäre Neuerung, die in der Innengruppe entstanden ist).

Wenn wir alle Merkmale codiert haben, tragen wir die Veränderungen (jeden Wechsel von $\textcolor{#08BFFF}{0}$ zu $\textcolor{#53E5D6}{1}$) als kleine Markierungen in unsere möglichen Stammbäume ein. Jeder Wechsel ist ein evolutionärer Schritt. Am Ende zählen wir einfach die Schritte zusammen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Nutze diesen Plan, um herauszufinden, welcher Stammbaum der richtige ist:

1. Schritt 1: Außengruppe als Nullpunkt setzen Schau dir die Außengruppe an. Alle ihre Merkmale bekommen automatisch den Code $\textcolor{#08BFFF}{0}$, denn sie definieren den ursprünglichen Zustand.
2. Schritt 2: Innengruppe codieren Vergleiche die anderen Arten mit der Außengruppe. Haben sie exakt das gleiche Merkmal? Dann trage eine $\textcolor{#08BFFF}{0}$ ein. Haben sie ein neues, verändertes Merkmal? Dann trage eine $\textcolor{#53E5D6}{1}$ ein.
3. Schritt 3: Mutationen in den Baum eintragen Nimm eine Stammbaum-Hypothese und markiere jeden Wechsel von $\textcolor{#08BFFF}{0}$ zu $\textcolor{#53E5D6}{1}$ auf den Ästen. Versuche, gemeinsame Neuerungen so weit unten im Baum wie möglich einzutragen, damit sie für alle Nachfahren gelten.
4. Schritt 4: Schritte zählen und vergleichen Zähle alle Markierungen in diesem Baum. Wiederhole das für andere Hypothesen. Der Baum mit der kleinsten Zahl gewinnt!

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Das Sparsamkeitsprinzip besagt: Der Stammbaum mit den wenigsten evolutionären Neuerungen (Schritten) ist der wahrscheinlichste.
• Unabhängige Parallelentwicklungen des exakt gleichen Merkmals bei verschiedenen Arten sind extrem selten.
• In einer Merkmalstabelle steht $\textcolor{#08BFFF}{0}$ für das ursprüngliche Merkmal (Außengruppe) und $\textcolor{#53E5D6}{1}$ für eine evolutionäre Neuerung (abgeleitetes Merkmal).