PHYLOGENETISCHER BAUM: TYPEN UND IHRE EIGENSCHAFTEN, BEISPIELE - BIOLOGIE - 2025

Ein phylogenetischer Baum ist eine mathematische grafische Darstellung der Geschichte und der Beziehungen zwischen Vorfahren und Nachkommen von Gruppen, Populationen, Arten oder anderen taxonomischen Kategorien. Theoretisch können alle phylogenetischen Bäume im Baum des Lebens zusammengefasst werden und bilden den universellen Baum.

Diese grafischen Darstellungen haben das Studium der Evolutionsbiologie revolutioniert, da sie es ermöglichen, eine Art zu etablieren und zu definieren, verschiedene Evolutionshypothesen (wie die endosymbiotische Theorie) zu testen, den Ursprung von Krankheiten (wie HIV) zu bewerten usw.

Quelle: John Gould (14.Sep.1804 - 3.Feb.1881)

Bäume können unter Verwendung von morphologischen oder molekularen Zeichen oder beidem rekonstruiert werden. Auf die gleiche Weise gibt es verschiedene Methoden, um sie zu erstellen, die häufigste ist die kladistische Methodik. Dies versucht, gemeinsam abgeleitete Zeichen zu identifizieren, die als Synapomorphie bekannt sind.

Eigenschaften

Eines der von Charles Darwin entwickelten Prinzipien ist die gemeinsame Abstammung aller lebenden Organismen - das heißt, wir alle teilen einen entfernten Vorfahren.

In "Der Ursprung der Arten" wirft Darwin die Metapher des "Baumes des Lebens" auf. Tatsächlich verwendet er einen hypothetischen grafischen Baum, um seine Idee zu entwickeln (seltsamerweise ist dies die einzige Illustration des Ursprungs).

Die Darstellung dieser Metapher ist das, was wir als phylogenetische Bäume kennen, die es uns ermöglichen, die Geschichte und die Beziehungen einer bestimmten Gruppe von Organismen grafisch darzustellen.

Anatomie eines phylogenetischen Baumes

In phylogenetischen Bäumen können wir die folgenden Teile unterscheiden - weiter mit der botanischen Analogie:

Zweige: Die Linien des Baumes werden als "Zweige" bezeichnet und repräsentieren die Studienpopulationen im Zeitverlauf. Abhängig von der Art des Baumes (siehe unten) kann die Länge des Zweigs eine Bedeutung haben oder nicht.

An den Spitzen der Zweige finden wir die Organismen, die wir bewerten möchten. Dies können Entitäten sein, die gegenwärtig leben, oder ausgestorbene Wesen. Die Art wären die Blätter unseres Baumes.

Wurzel: Die Wurzel ist der älteste Ast des Baumes. Einige haben es und werden Wurzelbäume genannt, andere nicht.

Knoten: Die Verzweigungspunkte von Verzweigungen in zwei oder mehr Linien werden als Knoten bezeichnet. Der Punkt stellt den letzten gemeinsamen Vorfahren der Nachkommengruppen dar (beachten Sie, dass diese Vorfahren hypothetisch sind).

Die Existenz eines Knotens impliziert ein Speziationsereignis - die Schaffung neuer Arten. Danach folgt jede Art ihrem Evolutionsverlauf.

Zusätzliche Terminologie

Neben diesen drei Grundkonzepten gibt es weitere notwendige Begriffe für phylogenetische Bäume:

Politomie: Wenn ein phylogenetischer Baum mehr als zwei Zweige in einem Knoten hat, wird gesagt, dass es eine Polytomie gibt. In diesen Fällen ist der phylogenetische Baum nicht vollständig aufgelöst, da die Beziehungen zwischen den beteiligten Organismen nicht klar sind. Dies geschieht häufig aufgrund fehlender Daten und kann nur behoben werden, wenn ein Forscher mehr sammelt.

Externe Gruppe: In phylogenetischen Fragen ist es üblich, das Konzept der externen Gruppe zu hören - auch als Außengruppe bezeichnet. Diese Gruppe wird ausgewählt, um den Baum rooten zu können. Es sollte als Taxon gewählt werden, das zuvor von der Studiengruppe abwich. Wenn ich zum Beispiel Stachelhäuter studiere, können Sie Seespritzer ausgruppieren.

Typen

Es gibt drei Grundtypen von Bäumen: Cladogramme, additive Bäume und ultrametrische Bäume.

Cladogramme sind die einfachsten Bäume und zeigen die Beziehung von Organismen in Bezug auf gemeinsame Vorfahren. Die Informationen dieses Baumtyps befinden sich in den Verzweigungsmustern, da die Größe der Verzweigungen keine zusätzliche Bedeutung hat.

Die zweite Baumart ist das Additiv, auch metrische Bäume oder Phylogramme genannt. Die Länge der Zweige hängt vom Ausmaß der evolutionären Veränderung ab.

Schließlich haben wir ultrametrische Bäume oder Dendogramme, bei denen sich alle Baumspitzen im gleichen Abstand befinden (was im Phylogramm nicht der Fall ist, wenn eine Spitze niedriger oder höher als ihr Partner erscheint). Die Länge des Zweigs hängt mit der Evolutionszeit zusammen.

Die Wahl des Baumes steht in direktem Zusammenhang mit der evolutionären Frage, die wir beantworten möchten. Wenn wir uns beispielsweise nur mit den Beziehungen zwischen Individuen befassen, reicht ein Cladogramm für die Studie aus.

Häufigste Fehler beim Lesen von phylogenetischen Bäumen

Obwohl phylogenetische Bäume in der Evolutionsbiologie (und der allgemeinen Biologie) häufig verwendete Graphen sind, gibt es viele Studenten und Fachleute, die die Botschaft falsch interpretieren, dass diese scheinbar einfachen Graphen dem Leser vermitteln sollen.

Es gibt keinen Kofferraum

Der erste Fehler besteht darin, sie seitwärts zu lesen, vorausgesetzt, Evolution impliziert Fortschritt. Wenn wir den Evolutionsprozess richtig verstehen, gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass sich die Ahnenarten links und die fortgeschritteneren Arten rechts befinden.

Obwohl die botanische Analogie eines Baumes sehr nützlich ist, kommt ein Punkt, an dem sie nicht mehr so ​​genau ist. Es gibt eine entscheidende Baumstruktur, die im Baum nicht vorhanden ist: den Stamm. In phylogenetischen Bäumen finden wir keine Hauptäste.

Insbesondere könnten einige Menschen den Menschen als das ultimative "Ziel" der Evolution betrachten, und daher sollte die Homo sapiens-Art immer als endgültige Einheit lokalisiert werden.

Diese Ansicht steht jedoch nicht im Einklang mit den Evolutionsprinzipien. Wenn wir verstehen, dass phylogenetische Bäume mobile Elemente sind, können wir Homo an einer beliebigen Endposition des Baums platzieren, da diese Eigenschaft in der Darstellung nicht relevant ist.

Knoten können sich drehen

Ein wichtiges Merkmal, das wir über phylogenetische Bäume verstehen müssen, ist, dass sie nicht statische Graphen darstellen.

In ihnen können sich alle diese Zweige drehen - genau wie ein Mobiltelefon. Wir meinen nicht, dass wir die Zweige nach Belieben bewegen können, da einige Bewegungen das Ändern des Musters oder der Topologie des Baums beinhalten würden. Was wir drehen können, sind die Knoten.

Um die Botschaft eines Baumes zu interpretieren, dürfen wir uns nicht auf die Spitzen der Zweige konzentrieren, sondern auf die Verzweigungspunkte, die der wichtigste Aspekt des Diagramms sind.

Darüber hinaus müssen wir berücksichtigen, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, einen Baum zu zeichnen. Oft hängt es vom Stil des Buches oder der Zeitschrift ab, und Änderungen in Form und Position der Zweige wirken sich nicht auf die Informationen aus, die sie uns übermitteln möchten.

Wir können nicht auf die Existenz aktueller Vorfahren oder "alter" Arten schließen

Wenn wir uns auf aktuelle Arten beziehen, sollten wir keine Konnotationen der Vorfahren auf sie anwenden. Wenn wir zum Beispiel über die Beziehungen zwischen Schimpansen und Menschen nachdenken, können wir falsch verstehen, dass Schimpansen Vorfahren unserer Linie sind.

Der gemeinsame Vorfahr von Schimpansen und Menschen war jedoch keiner von beiden. Zu denken, dass der Schimpanse ein Vorfahr ist, würde bedeuten, dass seine Entwicklung gestoppt wurde, sobald sich beide Linien trennten.

Nach der gleichen Logik dieser Ideen sagt uns ein phylogenetischer Baum auch nicht, ob es junge Arten gibt. Da sich die Allelfrequenzen ständig ändern und sich im Laufe der Zeit neue Charaktere ändern, ist es schwierig, das Alter einer Art zu bestimmen, und ein Baum gibt uns sicherlich keine solchen Informationen.

Die "Veränderung der Allelfrequenzen im Laufe der Zeit" definiert die Populationsgenetik die Evolution.

Sie sind unveränderlich

Wenn wir einen phylogenetischen Baum betrachten, müssen wir verstehen, dass dieser Graph einfach eine Hypothese ist, die aus konkreten Beweisen generiert wurde. Wenn wir dem Baum weitere Zeichen hinzufügen, wird möglicherweise seine Topologie geändert.

Das Fachwissen der Wissenschaftler bei der Auswahl der besten Charaktere zur Aufklärung der Beziehungen der betreffenden Organismen ist von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus gibt es sehr leistungsfähige statistische Tools, mit denen Forscher Bäume bewerten und die plausibelste auswählen können.

Beispiele

Die drei Lebensbereiche: Archaea, Bacteria und Eukarya

1977 schlug der Forscher Carl Woese vor, lebende Organismen in drei Bereiche einzuteilen: Archaea, Bacteria und Eukarya. Dieses neuartige Klassifizierungssystem (zuvor gab es nur zwei Kategorien, Eukaryota und Prokaryota) basierte auf dem ribosomalen RNA-Molekülmarker.

Bakterien und Eukaryoten sind weithin bekannte Organismen. Archaeen werden oft mit Bakterien verwechselt. Diese unterscheiden sich jedoch stark in der Struktur ihrer zellulären Komponenten.

Obwohl es sich um mikroskopisch kleine Organismen wie Bakterien handelt, sind die Mitglieder der Archaea-Domäne daher enger mit Eukaryoten verwandt - weil sie einen engeren gemeinsamen Vorfahren haben.

Quelle: Erstellt von Mariana Gelambi.

Phylogenie von Primaten

In der Evolutionsbiologie ist die Evolution des Menschen eines der umstrittensten Themen. Für die Gegner dieser Theorie ist eine Entwicklung, die von einem apelischen Vorfahren ausgeht, der den modernen Menschen hervorgebracht hat, nicht logisch.

Ein Schlüsselkonzept ist das Verständnis, dass wir uns nicht aus aktuellen Affen entwickelt haben, sondern einen gemeinsamen Vorfahren mit ihnen geteilt haben. Im Baum der Affen und Menschen fällt auf, dass das, was wir als "Affen" kennen, keine gültige monophyletische Gruppe ist, da es Menschen ausschließt.

Quelle: Erstellt von Mariana Gelambi.

Phylogenie von Cetartiodactylen (Cetartiodactyla)

Evolutionär gesehen stellten Wale eine Gruppe von Wirbeltieren dar, deren Beziehung zum Rest ihrer Mitsäugetiere nicht sehr klar war. Morphologisch gesehen haben Wale, Delfine und andere Mitglieder wenig Ähnlichkeit mit anderen Säugetieren.

Derzeit konnte dank der Untersuchung verschiedener morphologischer und molekularer Merkmale geschlossen werden, dass die Schwestergruppe der großen Wale von den Artiodactylen gebildet wird - Huftieren mit gleichmäßigen Hufen.

Quelle: Erstellt von Mariana Gelambi.

Verweise

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