Stammbäume aus Sequenzdaten: Datenauswertung im Evolutionsunterricht
Stammbäume aus Sequenzdaten lassen sich im Unterricht ohne Software erstellen: Die Lernenden vergleichen kurze Protein- oder DNA-Abschnitte Position für Position, tragen die Unterschiede in eine Differenzmatrix ein und verbinden zuerst die beiden ähnlichsten Arten. Der Aufwand liegt bei einer Doppelstunde, der Ertrag ist ein Stammbaum, den die Klasse mit eigenen Daten begründen kann.
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Das Wichtigste in Kürze
- Sequenzvergleich, Differenzmatrix und Baumkonstruktion sind drei klar trennbare Arbeitsschritte.
- Fünf bis sechs Arten und 20 bis 30 Sequenzpositionen reichen für ein auswertbares Ergebnis.
- Die Auswertung gelingt mit Papier, Lineal und Taschenrechner, Spezialsoftware ist nicht nötig.
- Der eigentliche Kompetenzzuwachs liegt im Begründen: Der Baum ist eine Hypothese, keine Tatsache.
- Typische Fehlerquellen sind Zählfehler in der Matrix und die Verwechslung von Ähnlichkeit und Verwandtschaft.
- Der Vergleich mit morphologischen Merkmalen macht Konvergenz und Homologie sichtbar.
Sequenzvergleich Schritt für Schritt
Geben Sie den Gruppen ausgedruckte Sequenzabschnitte homologer Proteine, etwa Cytochrom c oder Hämoglobin, für fünf bis sechs Arten aus. Die Sequenzen liegen untereinander, die Positionen sind durchnummeriert. Der erste Auftrag lautet: Markieren Sie jede Position, an der sich mindestens zwei Arten unterscheiden. Alle übrigen Positionen können abgedeckt werden, was den Datensatz für die Auswertung deutlich verkleinert.
Anschließend zählt jede Gruppe die Unterschiede für jedes Artenpaar und trägt die Zahlen in eine leere Dreiecksmatrix ein. Zwei Gruppen sollten dieselben Arten bearbeiten, damit Zählfehler beim Abgleich auffallen. Fachlich vorbereitetes Material dafür bietet das Unterrichtsmaterial Evolution des Menschen und molekulare Homologien, das die Sequenzarbeit an Beispielen aus der Primatenevolution durchspielt.
Vom Zahlenraster zum Baum
Die Konstruktion folgt einer einfachen Regel: Suchen Sie den kleinsten Wert der Matrix und fassen Sie die beiden zugehörigen Arten zu einer Gruppe zusammen. Für diese neue Gruppe wird der Abstand zu allen übrigen Arten gemittelt, die Matrix schrumpft um eine Zeile und eine Spalte. Der Vorgang wiederholt sich, bis nur noch eine Gruppe übrig ist.
Lassen Sie die Lernenden bei jedem Schritt notieren, welche Arten sie zusammengefasst haben und warum. Diese Protokollzeilen sind später die Begründung für den fertigen Baum. Wer die molekularen Grundlagen dahinter vertiefen möchte, findet in der Unterrichtsreihe Molekulargenetische Grundlagen des Lebens die passenden Bausteine zu Mutation, Codesonne und Konservierung von Genabschnitten. Wie sich der Zugang über Homologien insgesamt in eine Reihe einfügt, beschreibt der Beitrag Evolution des Menschen: Molekulare Homologien im Biologieunterricht.
Argumentieren mit Daten
Der Baum allein ist noch kein Lernergebnis. Stellen Sie im Anschluss drei Aufgaben: Begründen Sie die Position einer bestimmten Art mit konkreten Zahlen aus Ihrer Matrix. Nennen Sie eine Stelle im Baum, an der Ihre Daten keine eindeutige Entscheidung zulassen. Vergleichen Sie Ihren Baum mit dem einer anderen Gruppe und erklären Sie die Abweichung.
Damit üben die Lernenden genau die Operatoren, die in Klausuren und im Abitur verlangt werden. Hilfreich ist eine kurze Vorübung zum Lesen von Diagrammen und Matrizen, wie sie im Artikel Diagramme und Grafiken im Biologie-Abitur richtig auswerten beschrieben ist. Für Kurse, die die Methode über die gesamte Oberstufe hinweg wiederholen sollen, bündelt das XXL-Sparpaket Biologie Sek II die Bereiche Genetik, Zellbiologie, Neurobiologie, Stoffwechsel und Evolution in einem Paket.
Fehlerquellen und Grenzen der Methode
Drei Punkte sollten Sie im Unterrichtsgespräch ansprechen. Erstens sagt eine geringe Zahl an Unterschieden nur etwas über Ähnlichkeit aus; ob diese auf gemeinsame Abstammung zurückgeht, ist eine Interpretation. Zweitens hängt das Ergebnis vom gewählten Molekül ab, unterschiedliche Proteine liefern teils unterschiedliche Bäume. Drittens setzt die einfache Mittelwertmethode eine gleichmäßige Mutationsrate voraus, die real nicht gegeben ist.
Diese Einschränkungen schwächen die Methode nicht, sie machen sie erst wissenschaftlich. Lassen Sie die Klasse am Ende formulieren, welche zusätzlichen Daten den Baum absichern würden. Fossilfunde, weitere Gene und morphologische Merkmale sind die erwartbaren Antworten, und sie führen direkt in die nächste Stunde.
Häufige Fragen
Welche Sequenzen eignen sich für den Unterricht in der Oberstufe?
Gut geeignet sind stark konservierte Proteine wie Cytochrom c oder Hämoglobin, weil sie in vielen Arten vorkommen und genügend, aber nicht zu viele Unterschiede zeigen. Verwenden Sie Ausschnitte von 20 bis 30 Positionen. Längere Abschnitte erhöhen nur den Zählaufwand und kosten die Zeit, die Sie für die Auswertung brauchen.
Wie lange dauert die Auswertung ohne Software?
Für fünf Arten und 25 Positionen benötigen Gruppen erfahrungsgemäß etwa 25 Minuten für Vergleich und Matrix sowie weitere 20 Minuten für die Baumkonstruktion. Eine Doppelstunde reicht damit aus, wenn die Materialien vorbereitet sind und die Zählregeln vorher an einem Minibeispiel mit drei Arten gemeinsam geübt wurden.
Wie gehe ich damit um, wenn Gruppen unterschiedliche Stammbäume erhalten?
Abweichungen sind ein Gesprächsanlass, kein Problem. Lassen Sie die betroffenen Gruppen zuerst ihre Matrizen abgleichen, denn meist steckt ein Zählfehler dahinter. Bleiben die Unterschiede bestehen, liegen sie an dicht beieinanderliegenden Werten. Genau hier lässt sich zeigen, dass ein Stammbaum eine begründete Hypothese ist und keine eindeutig ablesbare Tatsache.
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