Lektion 4

 

Methoden der Evolutionsforschung

Neben den geologischen und anatomischen Belegen für Evolution spielen heute vor allem biochemische und genetische Methoden eine wichtige Rolle bei der Aufdeckung von Verwandschaftsverhältnissen. Im folgenden sollen einige dieser Methoden kurz erläutert werden. Alle Verfahren beruhen auf der folgenden Erkenntnis: Je näher die Verwandtschaft, desto ähnlicher das Erbgut d.h. desto ähnlicher ist die DNA Sequenz bzw. die Sequenz der durch sie kodierten Proteine. 

Aminosäuresequenzanalyse

Hier untersucht man die Aminosäuresequenz eines Proteins, das bei sehr vielen Lebewesen vorkommt. Cytochrom C ist beispielsweise ein Protein, dass sich für eine solche Verwandschaftsanalyse eignet. Als Teil der Atmungskette  kommt bei allen Lebewesen vor, die Zellatmung betreiben. Das Protein und damit seine Sequenz sind hochkonserviert. Hierdurch wird seine Struktur und damit seine Funktionalität gewährleistet. Vergleicht man jedoch die Aminosäuresäure-sequenz des Cytochrom C aus verschiedenen Organismen miteinander, beobachtet man (abgesehen von individuellen Mutationen) dennoch einzelne Unterschiede zwischen den verschiedenen Spezies, die jedoch eine geringe Auswirkung auf die Struktur und damit auf die Funktionalität des Proteins haben. Anhand der Anzahl dieser Unterschiede kann man Schlüsse auf den Verwandschaftsgrad verschiedener Organismen ziehen und einen molekularen Stammbaum aufstellen:

Die folgende Abbildung zeigt einen Ausschnitt der Aminosäuresequenz des Cytochroms C aus verschiedenen Organismen: 

Unterschiede der Cytochrom C - Aminosäuresequenz aus verschiedenen Organismen (Quelle: http://www.scheffel.og.bw.schule.de)

 
Zählt man nun alle Unterschiede in den verschiedenen Cytochrom C - Aminosäuresequenzen bezogen auf den Menschen, kommt man zu folgendem Ergebnis: 

Unterschiede in der Aminosäuresequenz des Cytochrom C verschiedener Organsimen (Quelle: http://www.scheffel.og.bw.schule.de)

Hieraus wird deutlich, dass sich die Aminosäuresequenzen von Rhesusaffe und Mensch lediglich in einer Position unterscheiden, wohingegen zwischen Mensch und Huhn deutlich mehr Unterschiede bestehen. Hieraus kann man schliessen, dass sich im Stammbaum des Lebens Vorfahren von Mensch und Huhn bereits sehr früh getrennt haben und der Rhesusaffe näher verwandt mit dem Menschen ist als z.B. Pferd oder Huhn. Anhand solcher Daten lässt sich ein molekularer Stammbaum nach dem folgenden Schema aufstellen:

Molekularer Stammbaum des Cytochrom C   (Quelle: http://www.scheffel.og.bw.schule.de)

 

Serum-Präzipitin-Test

Der Serum-Präzipitin-Test ist ein serologischer Verwandtschaftsnachweis, der auf der Präzipitation von  Eiweissen (Proteinen) mit Antikörpern im Blutserum beruht. Hierzu wird einem Tier (z.B einem Pferd) Blut entnommen und daraus das Serum isoliert. Dieses Serum wird z.B. einem Kaninchen injiziert, das daraufhin Antikörper gegen die im Serum befindlichen Proteine produziert.  Anschliessend wird das Serum mit den produzierten Antikörpern aus dem Kaninchen isoliert und für die Testreihe verwendet. Als Positivkontrolle wird dieses Kaninchenserum mit dem Pferdeserum vermischt. Aufgrund der hohen Affinität der (pferdespezifischen) Antikörper mit dem Pferdeproteinen kommt es zur Verklumpung. Der Grad der Verklumpung wird als Maximum (100%) gesetzt.

Auch die Vermischung des Kaninchenserums mit den Blutserum führt zur Verklumpfung, jedoch fällt diese bei geringerem Verwandschaftsgrad schwächer aus, da die Antikörper eine geringere Affinität zu den im Serum enthaltenen Eiweissen haben. 

Der Test basiert also auf einer spezifischen Antigen-Antikörper-Reaktion, die zum Feststellen der antigenen Übereinstimmung zweier Organismen im Hinblick auf ihre Proteine dient.  Je ähnlicher sich die Aminosäuresequenzen der verwendeten Serumproteine sind, umso größer ist die genetische Übereinstimmung, woraus eine größere Verwandtschaft und eine stärkere Verklumpung (Präzipitation, Fällung) durch das Serum folgt. 

Neben der Untersuchung von stammesgeschichtlichen Verwandtschaften (Phylogenie) wurde dieser Test auch zum Nachweis von Beimischungen nicht-deklarierter Tierarten in Fleisch und Wurst angewandt.

Beispiel für einen Serum Präzipitin Test  (Quelle Wikipedia)

Durchführung:

• Es wird Blutserum vom Menschen entnommen und einem Kaninchen injiziert.
• Nach einiger Zeit bildet das Kaninchen Antikörper gegen die Eiweiße des Menschen (genauer: gegen antigene Proteine und Kohlenhydrate).
• Nun wird Blut vom Kaninchen entnommen und daraus Testserum hergestellt.
• Das Testserum wird zu Blutproben von Mensch, Schimpanse und Orang-Utan gegeben.
• Es erfolgt eine Verklumpung (Ausfällung/Präzipitation) des Blutes im Testserum je nachdem, wie stark die Antikörper zu den Antigenen passen.

Ergebnis

• Mensch: 100 %
• Schimpanse: 83 %
• Gorilla: 64 %
• Orang-Utan: 42 %
• Pavian: 29 %
• Rind: 10 %
• Schaf: 18 %
• Hirsch: 7 %
• Pferd: 3 %
• Beuteltier: 0 %
• Vogel: 0%

DNA-Basensequenzvergleich (Quelle: http://www.scheffel.og.bw.schule.de)

Ähnlich wie beim Aminosäurensequenzvergleich kann man auch die DNA-Sequenzen eines häufig vorkommenden Gens in unterschiedlichen Organsismen vergleichen. Je ähnlicher die Abfolge der Basen, desto enger verwandt sind die Organismen. Jede abweichende Base ist die Folge einer Mutation.  Je mehr Mutationen, desto früher muss die getrennte Entwicklungslinie begonnen haben. Jedoch muss man hierbei folgendes beachten:

• Vergleicht man nur einen kurzen Gen-Abschnitt, dann kann die Aussage über Verwandtschaft nur sehr ungenau sein!
• Da die Mutationshäufigkeit in manchen Genen sehr unterschiedlich ist, müssen viele Gene untersucht werden! 
 

 

 

 

 

DNA-Hybridisierung

Die DNA- Doppelhelix „schmilzt“ bei ca. 80° - 90° C. Hierbei werden H-Brücken gespalten und die DNA-Einzelstränge trennen sich. Messbar ist dies z.B. durch Veränderung der „Zähflüssigkeit“ (= Viskosität). Durch den Vergleich der Schmelzpunkte von gebildeten Hybrid-DNAs lassen sich Aussagen bezüglich des Verwandschaftsgrades ziehen. Hybrid-DNA, d.h. DNA-Doppelstränge aus artverschiedener DNA schmilzt früher, da nicht alle Basen sich paar können. Aufgrund weniger H-Brücken ist eine "leichtere" Trennung der Doppelhelix in Einzelstränge durch Erhitzen möglich. Je näher der „Hybrid-Schmelzpunkt“ dem „Schmelzpunkt“ der artreinen DNA, desto ähnlicher die DNA, desto näher verwandt die untersuchten Organismen.

Verwandschaftsanalyse mittels DNA-Hybridiserung (Quelle: http://www.scheffel.og.bw.schule.de)

Embryologie

Die Zeichnung von Ernst Haeckel von 1866 zeigt drei Embryonalstadien verschiedener Wirbeltiere. Haeckel leitete daraus die These ab, dass sich in der Embryonalentwicklung die Entstehung der Art wiederholt. Die These ist inzwischen widerlegt, allerdings können aus der Embryonalentwicklung Informationen gewonnen werden über die Homologie und Analogie von Organen und Gliedmassen (siehe Kapitel 3).

Zeichnungen dreier Embryonalstadien verschiedener Wirbeltiere von Ernst Haeckel 1866 als Konzeptbeleg der biogenetischen Grundregel

(Quelle: Wikipedia)

Die biogenetische Grundregel ist die 1866 aus diesen Beobachtungen abgeleitete, von Ernst Haeckel aufgestellte These in der Biologie, die einen bestimmten Zusammenhang zwischen der Entwicklung des einzelnen Lebewesens (Ontogenese) und seiner Stammesentwicklung (Phylogenese) behauptet. Sie besagt: „Die Ontogenese rekapituliert die Phylogenese.“

Eine strikte Umsetzung der postulierten Rekapitulation ist aufgrund vielfacher Anpassungen von Larven und anderen Entwicklungsstadien an die jeweilige Umwelt sowie an die Anforderungen der Zell- und Organdifferenzierung jedoch nicht gegeben. Daher spricht man – wenn überhaupt – auch nicht mehr vom biogenetischen Grundgesetz, sondern von der biogenetischen Grundregel, im nicht-deutschen Sprachraum nur von der Rekapitulationstheorie. Sie gilt nicht für den Genotypus, das heißt die genetische Bestimmtheit eines Lebewesens, sondern – falls man sie überhaupt akzeptiert – nur für den Phänotypus, das heißt für das äußere Erscheinungsbild. 
Die von Karl Ernst von Baer 1828 formulierte Baer-Regel ist ein Vorläufer der von Ernst Haeckel 1866 aufgestellten biogenetischen Grundregel. Von Baer erkannte bei Wirbeltieren, dass deren Embryonen verschiedener Arten immer schwerer zu unterscheiden sind je jünger sie angetroffen werden. Baer nannte dies das Gesetz der Embryonenähnlichkeit. Baer glaubte also in dieser Beobachtung eine Gesetzmäßigkeit zu erkennen. Genauso wie die weitergehende biogenetische Grundregel Ernst Haeckels, die aus der Ähnlichkeit den Schluss der Verwandtschaft und der (umstrittenen) Entwicklungsrekapitulation zieht, musste auch dieses „Gesetz“ später relativiert werden. Beide werden nur noch als Regel bezeichnet.

(Quelle: Wikipedia)