Hämoglobin als Zeitmesser
AFB I–IIDie β-Kette des Hämoglobins besteht beim Menschen aus 146 Aminosäuren. M1 zeigt, an wie vielen Positionen die β-Kette anderer Wirbeltiere von der des Menschen abweicht, M2 das Alter der Trennung der Linien nach Fossilfunden.
| Art | Gorilla | Rhesusaffe | Maus | Huhn | Frosch | Neunauge |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Unterschiede | 1 | 8 | 27 | 45 | 67 | 125 |
| Art | Gorilla | Rhesusaffe | Maus | Huhn | Frosch | Neunauge |
|---|---|---|---|---|---|---|
| vor … Mio. Jahren | etwa 9 | etwa 28 | etwa 90 | etwa 320 | etwa 350 | etwa 500 |
- Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen den Daten in M1 und M2.
- Erläutern Sie, wie die Unterschiede in der β-Kette entstanden sind und warum sie als Maß für Verwandtschaft dienen können.
- Bestimmen Sie aus dem Wertepaar für die Maus die Substitutionsrate je Linie und schätzen Sie damit die Trennung vom Rhesusaffen ab. Vergleichen Sie mit M2.
- Erklären Sie, warum ein Vergleich der β-Ketten kaum klären kann, ob der Mensch näher mit dem Gorilla oder dem Schimpansen verwandt ist, und welcher Vergleich dafür besser geeignet ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Je länger die Trennung vom Menschen zurückliegt (M2), desto mehr Aminosäuren der β-Kette weichen ab (M1): vom Gorilla mit 1 Unterschied nach etwa 9 Mio. Jahren über Rhesusaffe (8) und Maus (27) bis zum Neunauge mit 125 Unterschieden nach etwa 500 Mio. Jahren. Die Zahl der Unterschiede steigt also mit der Zeit seit der Trennung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die β-Ketten aller Wirbeltiere werden von homologen Genen codiert, die auf ein Globin-Gen eines gemeinsamen Vorfahren zurückgehen. Nach der Trennung zweier Linien traten in jeder Linie unabhängig voneinander Mutationen auf; Substitutionen, die zu einer anderen Aminosäure führten und die Funktion nicht störten, blieben erhalten. Je länger zwei Linien getrennt sind, desto mehr solcher Veränderungen haben sich angesammelt. Die Zahl der Unterschiede ist daher ein Maß dafür, wie weit der gemeinsame Vorfahr zurückliegt, also für den Verwandtschaftsgrad.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
r = d : (2t) = 27 : (2 · 90 Mio. Jahre) = 0,15 Unterschiede pro Mio. Jahre je Linie.
Rhesusaffe: t = d : (2r) = 8 : 0,3 ≈ 27 Mio. Jahre. Das stimmt gut mit dem Fossilbefund von etwa 28 Mio. Jahren überein; für nicht zu weit zurückliegende Trennungen arbeitet die Uhr in diesem Gen also brauchbar.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Zwischen Mensch, Gorilla und Schimpanse liegen nur wenige Millionen Jahre getrennter Entwicklung. Bei einer Rate von etwa 0,15 Unterschieden pro Mio. Jahre je Linie erwartet man nur 0 bis 2 Unterschiede; zufällige Schwankungen sind dann größer als die Unterschiede zwischen den Paaren (Mensch und Schimpanse haben sogar identische β-Ketten). Besser geeignet ist ein Vergleich von DNA-Sequenzen: Wegen der Redundanz des genetischen Codes erfasst er auch stumme Mutationen, und nicht codierende, schnell veränderliche Abschnitte sowie sehr lange Sequenzen liefern genügend Unterschiede für eine sichere Aussage.
Die Klapperschlange passt nicht ins Bild
AFB II–IIIIn den 1960er-Jahren erstellten FITCH und MARGOLIASH einen der ersten Stammbäume allein aus Aminosäuresequenzen des Cytochrom c. M3 zeigt einige der verwendeten Werte, M4 die Verwandtschaft nach anatomischen und fossilen Befunden.
| Mensch | Schnappschildkröte | Klapperschlange | |
|---|---|---|---|
| Mensch | – | 15 | 14 |
| Schnappschildkröte | 15 | – | 22 |
| Klapperschlange | 14 | 22 | – |
Schildkröten und Schlangen gehören zu den Reptilien. Ihre Linien trennten sich vor etwa 280 Mio. Jahren, die Linie der Säugetiere hatte sich schon vor etwa 320 Mio. Jahren von der gemeinsamen Linie der Reptilien getrennt. Vergleiche vieler Tausend Gene bestätigen diese Verzweigungsfolge. Bei Schlangen verändern sich einige Gene der Atmungskette auffällig schnell.
- Werten Sie M3 im Hinblick auf die Verwandtschaft der drei Arten aus.
- Vergleichen Sie dieses Ergebnis mit den Befunden in M4.
- Erklären Sie mögliche Ursachen für die Abweichung der Cytochrom-c-Daten.
- Eine Mitschülerin folgert: „Molekulare Stammbäume sind unzuverlässig, man sollte sich weiter nur auf anatomische Merkmale stützen.“ Diskutieren Sie diese Aussage.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die wenigsten Unterschiede bestehen zwischen Mensch und Klapperschlange (14), knapp dahinter zwischen Mensch und Schildkröte (15), die meisten zwischen Schildkröte und Klapperschlange (22). Nimmt man die Zahlen als Maß der Verwandtschaft, wären Mensch und Klapperschlange am nächsten verwandt und Schildkröte und Klapperschlange am entferntesten — die beiden Reptilien bildeten keine gemeinsame Gruppe.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Nach M4 sind Schildkröte und Klapperschlange als Reptilien näher miteinander verwandt als jede von ihnen mit dem Menschen; die Säugerlinie zweigte zuerst ab. Nach M3 müsste dagegen die Klapperschlange mit dem Menschen näher verwandt sein als mit der Schildkröte. Die Ergebnisse widersprechen sich in der Stellung der Klapperschlange; übereinstimmend zeigen beide nur, dass alle drei Arten entfernt verwandte Wirbeltiere sind.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die molekulare Uhr setzt eine konstante Rate in allen Linien voraus. Laut M4 verändern sich Atmungsketten-Gene bei Schlangen besonders schnell; in der Linie der Klapperschlange haben sich also mehr Unterschiede angesammelt, sodass ihr Abstand zur Schildkröte stark vergrößert ist. Zugleich können einzelne Substitutionen in der Schlangenlinie zufällig zu derselben Aminosäure geführt haben wie in der Säugerlinie; solche Parallelen täuschen Ähnlichkeit vor und verringern den Abstand zum Menschen.
Hinzu kommt der kleine Datenumfang: Bei nur 104 Positionen und Unterschieden von 14 bis 22 wirken sich wenige zufällige Mutationen stark aus, und Mehrfachtreffer an derselben Position bleiben unerkannt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für die Aussage spricht, dass ein einzelnes Protein zu einem falschen Ergebnis führen kann, wenn seine Rate in einer Linie abweicht; die Cytochrom-c-Daten allein ordnen die Klapperschlange falsch ein.
Dagegen spricht: Auch anatomische Merkmale können täuschen, etwa durch Konvergenz. Molekulare Daten sind zahlreich, zählbar und bei allen Lebewesen vergleichbar, auch dort, wo es kaum gemeinsame anatomische Merkmale gibt (Pflanzen, Pilze, Bakterien). Laut M4 bestätigen die Vergleiche vieler Tausend Gene gerade die anatomisch begründete Verzweigungsfolge — der Fehler lag am zu kleinen Datensatz, nicht an der Methode.
Fazit: Die Aussage ist zu pauschal. Molekulare Stammbäume sind zuverlässig, wenn sie auf vielen Genen mit geeigneter Geschwindigkeit beruhen und mit anatomischen und fossilen Befunden abgeglichen werden; einzelne Gene sollten nicht allein entscheiden.