Molekulare Hinweise auf Verwandtschaft

Mit den zwei Stoffgruppen der Proteine und Nucleinsäuren (meist DNA) ist es möglich, Individuen voneinander zu unterscheiden. Aufgrund von zufälligen Mutationen wird die DNA ständig verändert, wobei viele dieser Unterschiede zwischen Individuen der Selektion unterliegen. Die Selektion wird meist über die reproduktive Fitness bestimmt, wobei es auch variable Bereiche in den Molekülen gibt, die keine Auswirkung auf die reproduktive Fitness haben. Die biogenen Moleküle, wie Proteine und Nucleinsäuren, können auch dazu benutzt werden, stammesgeschichtliche Verwandtschaften zu belegen.

Molekulare Hinweise und Forschungsmethoden

Protein-Vergleich

In den $1900er$ -Jahren wurden Präzipitintests durchgeführt. Dabei wurde die Spezifität von Antikörpern zur Untersuchung der stammesgeschichtlichen Verwandtschaft genutzt. Proteinmoleküle verbinden sich sehr spezifisch mit Antigenen.

Werden Proteine aus dem Blutserum eines Lebewesens in die Blutbahn eines anderen Lebewesens übertragen, so werden Antikörper gegen diese Proteine gebildet und es kommt zu einer Ausfällung (Präzipitat).
Diese wird mit der Ausfällung verglichen, die das Blutserum von verwandten Arten ausgelöst hat. Aus der Stärke dieser Ausfällung kann auf den Verwandtschaftsgrad geschlossen werden.

In den $1950er$ -Jahren wurde die Sequenzierung von Proteinen eingesetzt. Das Cytochrom-c-Molekül kommt bei allen Lebewesen vor, die zur Zellatmung fähig sind. Manche Bereiche davon sind variabel. Im Jahr $1973$ wurden aus den Sequenzen ein.

Molekulare Uhren

Die Untersuchungen von Arten mit datierten Fossilien weisen darauf hin, dass beim Cytochrom c statistisch gesehen etwa alle 24 Mio. Jahre eine Aminosäure ausgetauscht wurde. Wird von einer konstanten Mutationsrate ausgegangen, kann anhand der Anzahl der selektionsneutralen Sequenzunterschiede auf den zeitlichen Bereich der Abtrennung einer Art oder Gruppe geschlossen werden. So wird die Evolutionsgeschwindigkeit verschiedener Proteine ermittelt.

DNA-Vergleich

Die Verwendung von Proteinen hat zwei Nachteile: Einerseits führen manche Mutationen nicht zur Veränderung der Aminosäuresequenz (stumme Mutationen). Andererseits unterliegen viele Veränderungen der Aminosäuresequenz der Selektion. Diese Nachteile können umgangen werden, indem stattdessen selektionsneutrale DNA-Bereiche untersucht werden.

Hierfür wird oft die mitochondriale DNA (mt DNA), die fast nur mütterlich weitergegeben wird, sequenziert und verglichen.
Nicht codierende und kurze DNA-Sequenzen werden zur Arterkennung verwendet und in Datenbanken gesammelt (Barcoding-Methode).
Die Anzahl und Lage der Unterschiede werden dann von Computerprogrammen verglichen.
Daraus wird dann die wahrscheinlichste Variante der evolutiven Entwicklung und der Zeitpunkt der Aufspaltung errechnet.

Bei einer Art oder verwandten Arten kann man DNA-Abschnitte aus bis zu 5 Nucleotiden verwenden, die sich bis zu 100-mal wiederholen (Mikrosatelliten). Dabei ist die Anzahl der Wiederholungen sehr variabel. Nur bei genetisch identischen Lebewesen ist die Anzahl genau gleich.