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Phylogenetik
Der Paläontologe Heinrich Georg Bronn publizierte 1858 erstmals das Aussterben und Neuauftreten von Arten im Stammbaum. Im gleichen Jahr wurde die …
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Gegenstand und Vorgehen
Die Phylogenetik ist eine Fachrichtung der Genetik und Bioinformatik. Sie erforscht Abstammungen und bestimmt Verwandtschaftsgrade zwischen verschiedenen Arten oder zwischen Individuen derselben Art. Ihr zentrales Ergebnis kann ein phylogenetischer Baum sein: eine Darstellung der Abstammungs- und Verwandtschaftsbeziehungen.
Heute werden dafür meist DNA-Sequenzen verglichen, die zuvor durch DNA-Sequenzierung ermittelt wurden. Algorithmen werten die Übereinstimmungen und Unterschiede der Sequenzen aus und leiten daraus mögliche Verwandtschaftsverhältnisse ab. Phylogenetik wird unter anderem genutzt, um Taxonomien zu erzeugen, also Einordnungen von Lebewesen in systematische Gruppen.
Methoden und Abgrenzung
Zu den verwendeten Verfahren gehören Parsimony, die Maximum-Likelihood-Methode (ML-Methode) und die MCMC-basierte Bayesische Inferenz. Parsimony bevorzugt eine Erklärung mit möglichst wenigen notwendigen Veränderungen. Die Maximum-Likelihood-Methode bewertet, welcher Stammbaum unter einem Modell am wahrscheinlichsten zu den beobachteten Daten passt. Die MCMC-basierte Bayesische Inferenz verwendet ein rechnerisches Verfahren, um Wahrscheinlichkeiten für mögliche Stammbäume abzuschätzen.
Vor der Entwicklung von DNA-Sequenzierung und Computern wurde Verwandtschaft aus Phänotypen über eine Distanzmatrix abgeleitet; dieses Vorgehen heißt Phänetik. Ein Phänotyp sind beobachtbare Merkmale eines Organismus. Die Kriterien waren jedoch teilweise nicht eindeutig: Phänotypen können sich selbst in kurzen Zeiträumen durch viele weitere Faktoren verändern. DNA-Sequenzen liefern daher eine andere Grundlage für die Bestimmung von Verwandtschaft.
Entwicklung wichtiger Konzepte
Wichtige Grundlagen reichen von Wilhelm von Ockhams Abstammungsprinzip lex parsimoniae im 14. Jahrhundert über Thomas Bayes’ Grundlagenwerk zur Bayesschen Statistik von 1763 bis zu Pierre Simon Laplaces Form des Maximum-likelihood-Ansatzes im 18. Jahrhundert. Charles Darwin publizierte 1837 die Evolutionstheorie mit einer Darstellung eines Stammbaums. Richard Owen unterschied 1843 erstmals Homologie und Analogie. Homologie bezeichnet dabei die Ähnlichkeit aufgrund gemeinsamer Abstammung, Analogie eine Ähnlichkeit ohne diese gemeinsame Abstammung.
Ernst Haeckel prägte 1866 die Bezeichnung Phylogenie. Seine Rekapitulations-Theorie, die einen Zusammenhang zwischen Phylogenese und Ontogenese postulierte, gilt heute nicht mehr als haltbar. Weitere zentrale Schritte waren die Einführung des Begriffs Klade durch Lucien Cuénot 1940, die Entwicklung kladistischer Verfahren und Computerprogramme ab den 1960er Jahren sowie die Veröffentlichung von PHYLIP als erster Software für phylogenetische Analysen durch Joseph Felsenstein 1980. Die erste MCMC-basierte Anwendung der Bayesschen Inferenz wurde 1996 unabhängig von Li, Mau sowie Rannalla und Yang entwickelt.
Evolution von Karzinomen
Seit der Entwicklung von Next Generation Sequencing lässt sich die Evolution von Krebszellen auf molekularer Ebene verfolgen. Ein Tumor entsteht zunächst durch eine Mutation in einer einzelnen Zelle. Unter bestimmten Bedingungen sammeln sich weitere Mutationen an; die Zelle teilt sich unbeschränkt und ihre DNA-Reparatur wird weiter eingeschränkt.
Dadurch kann ein Tumor mit verschiedenen Zellpopulationen entstehen. Diese Populationen können jeweils unterschiedliche Mutationen besitzen; dies wird Tumor-Heterogenität genannt. Sie ist für die Behandlung von Krebspatienten von enormer Bedeutung. Phylogenetische Methoden ermöglichen einen Stammbaum des Tumors. An ihm lässt sich erkennen, welche Mutationen in welcher Subpopulation vorhanden sind.
Anwendung in der Linguistik
Cavalli-Sforza beschrieb erstmals die Ähnlichkeit zwischen der Phylogenetik von Genen und der Entwicklung von Sprachen aus Ursprachen. Deshalb werden phylogenetische Methoden auch eingesetzt, um Abstammungen von Sprachen zu bestimmen. Eine solche Anwendung führte unter anderem dazu, die sogenannte Urheimat der indoeuropäischen Sprachfamilie in Anatolien zu verorten.
Die Übertragung phylogenetischer Methoden auf Sprachen ist in der Wissenschaft jedoch grundsätzlich umstritten. Sprachen verbreiten sich nicht nach biologisch-evolutionären Mustern, sondern folgen eigenen Gesetzmäßigkeiten.
