VL 9 Phylogenie/ Entstehungsgeschichte des Lebens

Question 1

Bewerten Sie Apomorphien, Plesiomorphien und Analogien (Konvergenzen) in ihrer Bedeutung für die Erkennung von phylogenetischer Verwandtschaft.

Answer 1

1. Apomorphien sind abgeleitete Merkmale (neu erworben), die in einer bestimmten Gruppe von Organismen auftreten und nicht in ihren Vorfahren. Sie sind wichtige Hinweise auf gemeinsame Abstammung und können verwendet werden, um Verwandtschaftsbeziehungen zwischen verschiedenen Gruppen zu identifizieren.
2. Plesiomorphien sind ursprüngliche Merkmale, die in den Vorfahren einer Gruppe vorhanden waren und auch in den Mitgliedern dieser Gruppe vorkommen. Da sie nicht informativ für die Identifizierung von Verwandtschaftsbeziehungen sind, werden sie bei phylogenetischen Analysen oft ignoriert.
3. Analogien (Konvergenzen) sind Merkmale, die bei verschiedenen Arten aufgrund ähnlicher Selektionsdrücke entstanden sind, anstatt aufgrund gemeinsamer Abstammung. Sie können zu falschen Schlussfolgerungen führen, wenn sie fälschlicherweise als Hinweis auf Verwandtschaft interpretiert werden.
   -> Bei der Erkennung von phylogenetischer Verwandtschaft spielen Apomorphien eine wichtige Rolle, da sie darauf hindeuten, dass eine Gruppe von Organismen gemeinsame evolutionäre Veränderungen teilt, die auf eine gemeinsame Abstammung zurückzuführen sind.

Question 2

Was bedeutet monophyletisch/paraphyletisch/ polyphyletisch? Nennen Sie Beispiele.

Answer 2

Monophyletisch: Eine monophyletische Gruppe umfasst einen gemeinsamen Vorfahren und alle seine Nachkommen. Diese Gruppe wird als natürliche Gruppe angesehen, die alle Mitglieder einer bestimmten Abstammungslinie enthält.
z.B. Vögel bilden ein Monophylum

Paraphyletisch: Eine paraphyletische Gruppe umfasst einen gemeinsamen Vorfahren und einige, aber nicht alle seine Nachkommen. Diese Gruppe schließt einige, aber nicht alle Mitglieder einer bestimmten Abstammungslinie ein und wird daher in phylogenetischen Analysen oft vermieden.
z.B. Reptilien als Gruppe waren traditionell paraphyletisch, da sie einige Nachkommen eines gemeinsamen Vorfahren (Amnioten) enthielten, aber nicht alle, da Vögel ausgeschlossen wurden.

Polyphyletisch: Eine polyphyletische Gruppe umfasst verschiedene Arten, die nicht denselben gemeinsamen Vorfahren haben. Diese Gruppe ist keine natürliche Abstammungslinie und wird in phylogenetischen Analysen ebenfalls vermieden.
z.B. Greifvögel und „Zweibeiner“ (bipeder Gang) sind polyphyletisch

Question 3

Auf welchen Optimalitätskriterien basieren Maximum Parsimony- bzw. Maximum-Likelihood-Verfahren?

Answer 3

Maximum Parsimony: Dieses Verfahren basiert auf der Annahme, dass die phylogenetische Hypothese mit der geringsten Anzahl von evolutionären Schritten die wahrscheinlichste ist. Es sucht den Stammbaum, der den geringsten Aufwand an evolutionären Veränderungen (Mutationen) erfordert, um die beobachteten Merkmalsdaten zu erklären.
Maximum-Likelihood: Dieses Verfahren basiert auf statistischen Modellen und sucht den Stammbaum, der die beobachteten Merkmalsdaten am wahrscheinlichsten erklärt, unter Annahme eines bestimmten Modells der evolutionären Veränderung.

Question 4

Wann etwa ist das Leben entstanden? Wann und wie Eukaryoten?

Answer 4

• Im Präkambrium (vor 4 Milliarden Jahren) entwickelten sich die ersten Lebewesen, von denen aber nur wenige Fossilien erhalten sind, z. B. Bakterien wie die Cyanobakterien.
• Metazoa sind seit dem Kambrium fossil nachweisbar, aber bereits vorher entstanden. (Kalibrierte DNA Stammbäume reichen weit ins Proterozoikum zurück.)
• Vor 1.4 Mrd. Jahren die ersten Eukaryoten warscheinlich durch Aufnahme von Aufnahme von prokaryotischen Organismen entstanden -> Endosymbiontentheorie

Question 5

Nennen Sie Major Transitions in der Evolution? Welche lassen sich prinzipiell mit adaptiven Punktmutationen erklären, welche nicht?

Answer 5

Major Transitions in der Evolution sind wichtige Ereignisse in der Geschichte des Lebens, bei denen sich die biologische Komplexität und die Organisationsstrukturen auf evolutionärer Ebene dramatisch verändert haben. Beispiele sind:
1. Seprate replicators (genes) and formations of cell membranes -> genomes within cell
2. Seperate unicells -> symbiotic unicells
3. Asexual unicells -> sexual unicells
4. Unicells -> multicellular organism
5. Multicellular organisms -> eusocial societies
6. Seperate species -> interspecific mutualistic associations

1. Trennung von Replikatoren (Genen) und Formationen von Zellmembranen -> Genome in der Zelle
2. Getrennte Einzeller -> symbiotische Einzeller
3. Ungeschlechtliche Einzeller -> sexuelle Einzeller
4. Einzeller -> mehrzelliger Organismus
5. Mehrzellige Organismen -> eusoziale Gesellschaften
6. Getrennte Arten -> interspezifische mutualistische Gesellschaften

Mindestens die ersten beiden Major Transitions lassen sich nicht alleine durch mikroevolutionäre Prozesse erklären.

Question 6

Beschreiben Sie die Evolution der frühen Tetrapoden.

Answer 6

Die Evolution der frühen Tetrapoden war ein wichtiger Schritt in der Geschichte der Wirbeltiere. Vor etwa 360 bis 370 Millionen Jahren entwickelten sich die ersten Tetrapoden (vierbeinige Wirbeltiere) aus lungenatmenden Fischen der Sarcopterygii-Gruppe. Einige wichtige Merkmale dieses Übergangs waren die Entwicklung von Gliedmaßen, die es den Tetrapoden ermöglichten, sich an das Leben an Land anzupassen, und die Evolution von Lungen, um mit den veränderten Umweltbedingungen umzugehen.

Ein bekanntes Beispiel für einen frühen Tetrapoden ist Acanthostega, ein fossiler Vertreter, der sowohl Merkmale von Fischen (wie Kiemen) als auch von Tetrapoden (wie Gliedmaßen) aufweist. Die Evolution der frühen Tetrapoden hat zu einer vielfältigen und erfolgreichen Gruppe von Tieren geführt, die heute die terrestrischen Lebensräume dominie