Isabell K. Rösberg

Wer ist mit wem verwandt?

1: Fossil eines Farns
1: Fossil eines Farns , Foto: © lcrms/stock.adobe.com

Isabell K. Rösberg/Marc Rodemer/Birgit Heyduck

Modellierung phylogenetischer Stammbäume auf Grundlage molekularer Daten

Lange basierten Untersuchungen zur Verwandtschaft allein auf morphologischen Vergleichen. Heutzutage werden häufig molekulare Daten genutzt. Dank der molekularen Phylogenie sind gut erhaltene Fossilien nicht mehr nötig. In dieser Unterrichtseinheit zur Evolutionsgeschichte heimischer Pflanzen nutzen die Schülerinnen und Schüler bioinformatische Methoden, um einen phylogenetischen Stammbaum zu modellieren.

Pflanzliche Fossilien sind oftmals schwer datierbar, sodass morphologische Untersuchungen sich besonders in der Botanik als ungenau erweisen, insbesondere wenn der Lebenszeitraum einer Art bestimmt werden soll (Morris/Puttick/Clark/Edwards/Kenrick/Pressel/Wellman/Yang/Schneider/Donoghue 2018; Abb.1 ).
Bei der molekularen Phylogenie werden Arten durch den Vergleich homologer Sequenzen, wie DNA- oder RNA-Abschnitte, Genome oder Aminosäureabfolgen von Proteinen, untersucht und ein Grad evolutionärer Verwandtschaft bestimmt (Rauhut 2001). Die Evolutionsgeschichte der Sequenzen entspricht jedoch nicht immer der Evolutionsgeschichte der Arten und Genomvergleiche sind aufgrund fehlender oder großer Datenmengen sehr aufwendig. Wenn molekulare Analysen jedoch zu keinen eindeutigen Ergebnissen führen oder kein ausreichendes genetisches Material vorhanden ist, greift man weiterhin auf morphologische Untersuchungen zurück, da diese wichtige Hinweise liefern können, indem beispielsweise Stammbäume verworfen werden können, die auf morphologischer Ebene weniger wahrscheinlich sind (Bokor/Landis/Crippen, 2014).
Biologiedidaktische Bezüge
Ein großer Teil biologischer Analysen stützt sich heutzutage auf bioinformatische Methoden und Forschende verbringen einen großen Teil ihrer Arbeit vor dem Bildschirm. Im Gegensatz dazu wird der Computer im Biologieunterricht eher selten für, zum Beispiel, die Auswertung von Experimenten eingesetzt. Erhebungen zeigen, dass Lernende sich unter biologischer Forschung reine Laborarbeit vorstellen (u.a. Moseley/Norris 1999) und oftmals die konkreten Tätigkeiten von Forschenden nicht beschreiben können (Painter/Jones/Tretter/Kubasko 2006). Daher wird den Lernenden in dieser Unterrichtseinheit zu bioinformatischen Methoden der Phylogenetik ein authentischer Einblick in weitere Facetten der Wissenschaftspraxis geboten (Martins/Fonseca/Tavares 2018). Die Schülerinnen und Schüler generieren auf Grundlage molekularer Daten und mithilfe einer in der Forschung gebräuchlichen, bioinformatischen Software einen Stammbaum zu fünf heimischen Pflanzen. Diese Unterrichtseinheit kann entweder eigenständig oder anschließend an die Einheit Der Lauf der Geschichte durchgeführt werden, in der die Schülerinnen und Schüler sich mithilfe des Stadt-Laufs die Grundlagen phylogenetischer Stammbäume erschlossen und das Verwandtschaftsverhältnis fünf ausgewählter Pflanzen auf Basis von morphologischen Merkmalen modelliert haben. In diesem Artikel findet sich auch eine Liste zur Auswahl saisonaler Pflanzen (siehe Der Lauf der Geschichte – Material 1).
Software MEGA
1. Unterrichtsabschnitt
Die Software, die in der Unterrichtseinheit genutzt wird, ist das Programm MEGA (Molecular Evolutionary Genetics Analysis). Mithilfe von Video-Tutorials (https://www.fr-v.de/ub53455) lernen die Schülerinnen und Schüler, wie man Datensätze zu den zu untersuchenden Pflanzen aus der Datenbank des National Center for Biotechnology Information (NCBI) herunterlädt, miteinander vergleicht, Mutationen sowie deren Auswirkungen auf die Aminosäuren erkennt und phylogenetische Stammbäume berechnet. Die GenBank® des NCBI ist eine der drei wichtigsten internationalen Datenbanken und bezieht Daten aus Laboren und Sequenzierungskonsortien der ganzen Welt (Rauhut 2001). Für den Verwandtschaftsvergleich suchen die Lernenden möglichst große Einträge (>1000 Basenpaare (bp)) der...

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Biologie Nr. 455 / 2020

Pflanzenevolution

Friedrich+ Kennzeichnung Schuljahr 11-13
  • Thema: Evolution, Genetik
  • Autor/in: Isabell K. Rösberg, Marc Rodemer, Birgit Heyduck