Molekulare Verwandtschaft

Nicht nur Knochen werden von Generation zu Generation weitergegeben, sondern vor allem Gene. Verwandte Arten tragen deshalb Abwandlungen desselben Gens, die auf ein Gen ihres gemeinsamen Vorfahren zurückgehen.

• Molekulare Homologie:Gene und Proteine verschiedener Arten, die auf dasselbe Gen eines gemeinsamen Vorfahren zurückgehen; Beispiel: Cytochrom c, ein Protein der Atmungskette (Kapitel 1), das fast alle Lebewesen besitzen.
• Sequenzvergleich:Basen- bzw. Aminosäuresequenzen werden so untereinandergeschrieben, dass sich einander entsprechende Positionen gegenüberstehen (Alignment); dann zählt man die abweichenden Positionen.
• Ursache der Unterschiede:Nach der Trennung zweier Linien sammeln sich in jeder Linie unabhängig voneinander Mutationen an, vor allem Substitutionen (Kapitel 3).
• Abgestufte Ähnlichkeit:Je weniger Unterschiede zwei homologe Sequenzen zeigen, desto kürzer liegt ihre Trennung zurück und desto näher sind die Arten verwandt.
• Distanzmatrix:Tabelle mit der Zahl der Unterschiede für alle Artpaare; fasst man darin schrittweise die ähnlichsten Arten zusammen, entsteht ein Stammbaum.
• DNA genauer als Protein:Wegen der Redundanz des genetischen Codes ändern stumme Mutationen die Aminosäure nicht; DNA-Vergleiche zeigen daher mehr Unterschiede und trennen auch nahe verwandte Arten.

Katze, Hund, Bär und Robbe besitzen dasselbe Gen — gezeigt ist ein ausgedachter Abschnitt daraus (Modellsequenzen). Wähle ein Artpaar und klicke jede Position an, an der sich die beiden Sequenzen unterscheiden (Tastatur: Position mit Tab anwählen, ←/→ wandern, Enter markiert). Richtig gezählte Paare wandern in die Distanzmatrix. Wechsle danach auf die DNA-Ebene und vergleiche.

Halte fest: Bär und Robbe unterscheiden sich am wenigsten, die Katze von den drei anderen am stärksten; daraus ergibt sich die Verzweigungsfolge ((Bär, Robbe), Hund), Katze — so ordnet sie auch die heutige Systematik. Auf DNA-Ebene findest du mehr Unterschiede als bei den Aminosäuren, weil stumme Mutationen die Aminosäure nicht verändern: DNA-Vergleiche lösen Verwandtschaft feiner auf.

Sammeln sich Mutationen in einem Gen annähernd gleichmäßig an, verrät die Zahl der Unterschiede nicht nur die Reihenfolge der Verzweigungen, sondern auch ungefähr ihren Zeitpunkt.

• Substitutionsrate:mittlere Zahl der Unterschiede, die sich in einer Linie pro Zeiteinheit in einem bestimmten Gen ansammeln; Formelzeichen r.
• Molekulare Uhr:Annahme, dass die Substitutionsrate eines Gens über lange Zeit annähernd konstant ist; die Zahl der Unterschiede d wächst dann proportional zur Zeit t seit der Trennung.
• Eichung:Die Rate wird an einer Trennung bestimmt, die durch datierte Fossilien bekannt ist, und dann auf andere Artpaare übertragen.
• Gene ticken verschieden schnell:Gene mit strenger funktioneller Bindung wie Cytochrom c verändern sich langsam und eignen sich für entfernte Verwandtschaft, schnell veränderliche, nicht codierende Abschnitte für nahe verwandte Arten.
• Grenzen:Raten schwanken zwischen Linien und Zeiträumen (Generationsdauer, Selektion); mehrere Mutationen an derselben Position bleiben unerkannt, sodass weit zurückliegende Trennungen unterschätzt werden.
• DNA-Hybridisierung:Einzelstränge zweier Arten werden zu Doppelsträngen gemischt; je mehr Basen fehlpaaren, desto niedriger ist die Temperatur, bei der sich der Hybrid wieder trennt — ein Maß für die Ähnlichkeit des ganzen Genoms.