Homologie (Biologie): 7 Fragen und Antworten + Beispiele

Homologe Organe gehen auf einen gemeinsamen Ursprung zurück

Die Homologie (altgriechisch: homos = gleich) ist die Lehre von der Gleichartigkeit. Diese vergleicht in verschiedenen Wissenschaften die Ausprägungen bestimmter Merkmale, um Übereinstimmungen festzustellen, gleiche Funktionen der Merkmale auszumachen oder um die Merkmalsträger einem gemeinsamen Ursprung zuzuordnen.

In der Biologie bedeutet Homologie, dass Organismen eine gewisse Ähnlichkeit in bestimmten Merkmalen aufweisen, wodurch eine gemeinsame Abstammung erklärbar wird. Diese Feststellung beruht auf Vergleiche in der Anatomie und Physiologie von Organen, Organsystemen, Körperabschnitten oder physiologischen Einzelprozessen. Auch Verhaltensweisen der Organismen können homolog sein.

Durch die Ähnlichkeiten können die verschiedenen Spezies in gleiche Abstammungslinien eingeordnet werden, wodurch eine Einteilung in Gattungen, Familien, Ordnungen, Klassen, Stämme, Reiche und Domänen möglich wird. Homologie ist somit Grundlage der biologischen Systematik, beruht auf eine gemeinsame Stammesgeschichte und wird durch Erkenntnisse aus der Molekularbiologie und Genetik gestützt.

Was bedeutet Homologie: Definition und Bedeutung

In der Biologie hat Homologie verschiedene Bedeutungen. Von homologen Merkmalen des Phänotyps spricht man, wenn Organe, Organsystem, Verhaltensweisen und Körperteile der Spezies sich derart ähneln, dass man auf einen gemeinsamen Vorfahren schließen kann. Und obwohl einige Organe der Organismen im Laufe ihrer Stammesgeschichte einen Funktionswechsel erfahren haben, sind diese in ihrer Beschaffenheit und Struktur so ähnlich, dass man von homologen Organen spricht.

Aber es gibt auch homologe Merkmale im Genotyp. In diesem Zusammenhang werden Zellen hinsichtlich bestimmter Merkmale untersucht und verglichen. Homologe Zellen enthalten die gleichen Gene. Bei einer geschlechtlichen Fortpflanzung kommt es immer zu einer Befruchtung der Eizelle durch eine Samenzelle, wodurch zwei Chromosomensätze miteinander verschmelzen. Eines der homologen Chromosomen stammt dann vom Vater, das andere von der Mutter. Beide sind in der befruchteten Eizelle (Zygote) vereint und werden als Homologenpaar bezeichnet.

Gene, Allele oder Proteine sind zueinander homolog, wenn sie den gleichen Vorläufer haben. Dadurch lässt sich Abstammung auch genetisch nachweisen. So lassen sich Proteine des Menschen in ihrer größten Übereinstimmung beim Schimpansen finden. Daraus lässt sich schließen, dass die Schimpansen die nächsten Verwandten des Menschen sind.

Aus dieser Erkenntnis lässt sich – auf Grundlage gleicher Gene und Proteine – eine Entwicklungslinie nachbilden, in welcher Mensch, Schimpanse und Gorilla hineinpassen. Zusammen bilden sie die Homininae, eine Unterfamilie der Menschenaffen.

Da Orang-Utans einige der menschlichen Gene und Proteine nicht haben, kann man daraus schließen, dass diese die gemeinsame Stammeslinie früher als Schimpanse und Gorilla verlassen haben.

Warum sind Homologien auch Belege für die Verwandtschaft, Abstammung und Evolution

(siehe Hauptartikel: 4 Gründe, warum homologe Organe als Beleg für die Evolution gelten)

Im 19. Jahrhundert setzte sich der Darwinismus als anerkannte Evolutionstheorie durch. Laut der Lehre von Charles Darwin erfahren alle Lebewesen einen permanenten Selektionsdruck, indem sie sich an ihre vorherrschenden Umweltbedingungen anpassen müssen. Denn jede Organismenart erträgt einen Umweltfaktor, wie bspw. Feuchtigkeit, Temperatur oder auch Sonnenlicht nur in einem bestimmten Ausmaß und ist gleichzeitig auf ein Mindestmaß dieser Umweltbedingungen angewiesen. Dadurch ergibt sich ein Toleranzbereich für jeden Umweltfaktor, in welchem die Organismen ihre ökologischen Nischen bilden können.

Zwischen den unterschiedlichen Organismenarten existiert außerdem eine Konkurrenz um Nahrung, Nistplätze, Lebensraum und Umweltfaktoren, wie bspw. Wasser oder Sonnenlicht – welche lebensnotwendig sind. Auf Dauer können zwei unterschiedliche Spezies nicht in der gleichen ökologischen Nische existieren.

Somit ist Nischenkonkurrenz auf Dauer nicht möglich. Ein Lebewesen muss die Nische verlassen, indem es bspw. nachtaktiv wird. Dafür müssen die Augen dieser Spezies an das Nachtleben angepasst werden, wodurch die Organe der Organismen neue Fähigkeiten entwickeln müssen. Im Laufe der Evolution entstanden so neue evolutionäre Adaptationen, die durch den Anpassungsdruck entstanden und den Organismen die Möglichkeit verschaffen, ihre ökologischen Nischen zu bilden.

Durch diese Adaptationen können die Lebewesen ihre einwirkenden Umweltfaktoren besser ertragen bzw. auch nutzen. Diese Eigenschaften finden sich in den Organen der Organismen wieder. Und Lebewesen, welche bspw. Flügel besitzen, können fliegen und bilden somit eine andere ökologische Nische als vierbeinige Landwirbeltiere (Tetrapoden). Die Eigenschaften der Organismen werden vererbt. Somit besitzt eine ganze Abstammungslinie anstelle von herkömmlichen Vordergliedmaßen diese Flügel.

Aber auch die Flügel der Vögel sind lediglich Organe, welche sich aus Vordergliedmaßen herausgebildet haben. Somit sind alle Lebewesen, welche Gliedmaßen besitzen, in einer Abstammungslinie zu sehen. Denn die Tiere mussten Gliedmaßen ausbilden, um zu fliegen, zu laufen oder zu schwimmen. Durch die Fortbewegung konnten sie Nahrung finden, Sexualpartner aufsuchen, Lebensräume besiedeln usw. – wodurch sie gegenüber Tieren ohne Gliedmaßen einen entscheidenden Vorteil hatten.

Die Mobilität sorgte dafür, dass sich dieser Vorteil durchsetzen konnte, da diese Tiere nicht verhungern mussten, andere Lebensräume erschließen und mehr fortpflanzen konnte. Eine höhere Fortpflanzungsrate erhöht die Wahrscheinlich auf Weitervererbung der Merkmale, wodurch sich diese auch in der nächsten Generation zeigen könnte.

Letztlich hat sich Mobilität in fast allen Tierstämmen durchgesetzt. Nur wenige Stämme, wie bspw. die Schwämme sind an einen Ort gebunden. Somit stammen alle Tierarten, welche Gliedmaßen besitzen von einem Vorfahren ab – welcher sich von Vertretern anderer Tierstämme unterschied, dieses Merkmal weitervererbte und eine neue Abstammungslinie begründete.

Wo können sich Homologien zeigen

Homologe Organe sind nicht nur Gliedmaßen, sondern auch die Wirbelsäule der Wirbeltiere, die Lungenatmung der Landwirbeltiere, der aufrechte Gang der Menschenaffen, die Opponierbarkeit des Daumens beim Jetztmenschen und einigen anderen bereits ausgestorbenen Menschenarten.

Letztlich lassen sich diese Organfähigkeiten sehen und erkennen, sind somit phänotypische Eigenschaften – welche allerdings auf Gemeinsamkeiten der Erbinformation schließen lassen. Und in den Proteinen und Genen lassen sich Gemeinsamkeiten zwischen den Spezies erkennen, wodurch Datensätze und Vergleichsdatensätze angelegt werden können. Durch den Vergleich des Genoms zweier Arten lässt sich ein genetischer Abstand feststellen, wodurch eine gemeinsame Abstammungslinie rekonstruiert werden kann.

Neben den Organen lässt sich Homologie auch im Verhalten der Lebewesen feststellen. Doch oftmals ist Verhalten auch nur eine Konsequenz, welche sich aufgrund der Fähigkeiten ihrer Organe ergibt. Und so erfolgt die Zuordnung zu den Großkatzen, einer Unterfamilie der Katzen, nicht an der Größe der Tiere, sondern am Bau des Zungenbeins.

Zu den Großkatzen gehören Jaguar, Tiger, Löwe, Leopard, Schneeleopard und Nebelparder. Andere Katzenarten, wie Puma und Gepard, sind durchaus größer als der Nebelparder – gehören allerdings zur Unterfamilie der Kleinkatzen. Der Grund dafür sind die Unterschiede im Bau des Zungenbeins, welche eine gemeinsame Abstammungslinie der Großkatzen erkennen lassen.

Puma und Gepard besitzen eine gemeinsame Linie mit den Katzen, genauso wie die Großkatzen diese besitzen. Allerdings sind Merkmalsunterschiede im Zungenbein so gravierend, dass weitergehenden Abstammungslinie mit oben genannten als unmöglich erscheint. Diese Homologie kann man daran erkennen, dass Puma und Gepard nicht brüllen können. Alle Großkatzen, auch der kleinere Nebelparder, sind aufgrund des typischen Zungenbeins, in der Lage zu brüllen.

Wie erkennt man Homologien

Für das Vorhandensein einer Homologie gibt es bestimmte Kriterien, wie Lage, Qualität und Stetigkeit. Von diesen drei Kriterien muss mindestens eins zutreffen, damit eine Homologie vorliegt.

Gleiche Lage

Beginnen wir mit der Lage. Alle Landwirbeltiere besitzen Gliedmaßen, wie Arme und Beine – welche am Schultergürtel oder am Beckengürtel ansetzen. Bei Schlangen und Blindschleichen sind diese zwar zurückgebildet, waren aber bei ihren Vorfahren durchaus vorhanden. Somit besitzen alle Landwirbeltiere homologe Gliedmaßen an gleicher Stelle, was auf eine gemeinsame Abstammung schließen lässt.

Bei Insekten sitzen diese Organe bspw. am Thorax – wodurch zwar das Vorhandensein gleicher Organe auf eine weiter entfernte Abstammung schließen lassen, aber deren Physiologie so unterschiedlich ist, dass Homologie nicht vorliegt.

Die Vorfahren der Wale waren Landwirbeltiere, eng verwandt mit Paarhufern – die sich vor 50 Millionen Jahren (Eozän) abspalteten und fortan einen eigenen Evolutionsweg bestritten. Wahrscheinlich um einer zunehmenden Konkurrenzsituation zu umgehen, gingen die Vorfahren der Wale zurück ins Meer. So ein Rückgang ins Meer ist nichts Ungewöhnliches und fand in der Evolutionsgeschichte auch mehrfach statt.

Das gemeinsame Merkmal zwischen Walen und Paarhufern findet sich im Sprungbein, einem Knochen im Sprunggelenk, welcher typisch für beide Säugetierordnungen ist. Man geht deshalb davon aus, dass die Flusspferde die nächsten Verwandte der Wale sind.

Gleicher Aufbau, Qualität und Struktur

Der Aufbau bzw. der Bauplan aller Wirbeltiere ist im Grunde genommen gleich. So besitzen alle Wirbeltierklassen – egal ob Fische, Amphibien, Kriechtiere, Vögel oder Säugetiere – ein Hautorgan mit einer mehrschichtigen Epidermis.

Um Gehirn und Sinnesorgane befindet sich der Schädel, um diese empfindlichen Stellen zu schützen, kurze Informationswege zu ermöglichen und um eine Fortbewegung besser koordinieren zu können.

Zum Vergleich bei Insekten und anderen Gliederfüßern bildet das Außenskelett ein Gegenstück zur Haut. Eine komplexere Sinneswahrnehmung, wie das Sehen, ist für die meisten Gliederfüßer über die Augen möglich. Auch Hören ist möglich, da Vibrationen des Außenskeletts wahrgenommen werden. Aber Fähigkeiten der Wirbeltiere, wie das Riechen, den Gleichgewichtssinn im Innenohr oder das räumliche Sehen einiger höhere Wirbeltiere ist nicht möglich.

Auch die Physiologie und Anatomie des Nervensystems der Wirbeltiere ist einzigartig. Denn während der Embryonalentwicklung der Wirbeltiere entsteht die Neuralleiste. Aus dieser entsteht das Neuralrohr, eine Vorform des Nervensystems. Andere Zellen der Neuralleiste wandern im Embryo zu bestimmten Stellen, wo sie dann als Gewebezellen sich zu verschiedenen Organen entwickelt. Aus dem Neuralrohr entsteht schließlich ein Zentralnervensystem, an welchem Rückenmark und Gehirn als Hauptorgane tätig sind.

Auch das Blutgefäßsystem mit Herz, Arterien, Venen und dem Blut als Transportmittel ist ein typisches Organsystem der Wirbeltiere, da es in sich geschlossen ist. Als geschlossenen Blutkreislauf bezeichnet man einen Kreislauf, welcher Blut vom Herzen zu den Organen pumpt und dann wieder zurückpumpt. Der Kreislauf findet über unterschiedlich große Gefäße statt, welche aus großen Hauptschlagadern, in kleinere Arterien, noch kleinere Arteriolen und schließlich in Kapillaren übergehen. Letztere überziehen das Gewebe der Organe, wodurch diese bestmöglich versorgt werden können.

Die Wirbellosen besitzen zwar auch einen Blutkreislauf, doch diese immer kleiner werdenden Blutgefäße gibt es nicht, so dass die Körperflüssigkeit in Lückensysteme gepumpt wird und über diese Lücken zum Herzen zurücktransportiert werden. Einige Wirbellose, wie Schwämme, Nesseltiere oder Fadenwürmer – besitzen überhaupt keinen Blutkreislauf, sondern nur Gewebeflüssigkeiten.

Auch das Skelett der Wirbeltiere ist typisch, ein Innenskelett mit Wirbelsäule, an welchem Muskeln und Faszien verknüpft sind. Die Insekten und andere Gliederfüßer besitzen ein Außenskelett, was als homologes Organ dieses Tierstammes gilt.

Stetigkeit und Kontinuität

Wie bereits oben beschrieben, besitzen Schleichen und Schlangen keine Gliedmaßen – sondern nur Stummel. Man bezeichnet solche Organrückbildungen als Rudimente. Dennoch lassen sich Stummel nachweisen, was das Vorhandensein einstiger Gliedmaßen belegt. Die Gliedmaßen sind somit über den komplette Tiergruppe der Landwirbeltiere nachweisbar, was das dritte Kriterium für Homologie ist.

Von Ernst Haeckel stammt die Biogenetische Grundregel, welche wie folgt lautet:

“Die Ontogenese rekapituliert die Phylogenese.“

Ontogenese ist die Individualentwicklung eines Organismus, angefangen von der befruchteten Keimzelle, über die Embryonalentwicklung bis zum Fötus und schließlich bis zur Reifung eines überlebensfähigen Lebewesens. Die Phylogenese ist die Stammesentwicklung, angefangen vom Einzeller – über Mehrzeller, Wirbellose, Wirbeltiere usw.

Laut der Rekapitulationstheorie durchläuft ein Lebewesen, während seiner Individualentwicklung jedes Stadium der Stammesentwicklung. So wird aus einer befruchteten Eizelle – welche als Einzeller gesehen werden, durch Zellteilung ein Mehrzeller, schließlich ein Vielzeller. Aber damit hört es nicht auf. Denn die stammesgeschichtliche Organentwicklung ist in jedem Lebewesen nachweisbar.

Die Chorda dorsalis bzw. Urwirbelsäule, welche ausgewachsene Manteltiere und Lanzettfische haben, ist eine Vorform der Wirbelsäule. Bei den Wirbeltieren wird diese Urwirbelsäule in der Embryonalentwicklung ebenfalls angelegt, entwickelt sich zurück und wird schließlich durch die Wirbelsäule ersetzt.

Ähnliche Homologien findet man bei den Ausscheidungsorganen und Körperöffnungen. Menschen und alle anderen Wirbeltiere sind sogenannte Neumundtiere. Das Gegenstück sind die Urmünder. Bei den Wirbeltieren und anderen Neumündern bildet sich, während der Embryonalentwicklung, ebenfalls ein Urmund. Doch während der Phase der Gastrulation wird aus dem Urmund der Anus und der eigentliche Mund entsteht neu.

Bei den Urmündern sind Ausscheidungsorgan und Organ zur Nahrungsaufnahme gleich. Nicht umsonst behauptete der britische Entwicklungsbiologe Lewis Wolpert:

„Es ist nicht die Geburt, die Hochzeit oder der Tod, sondern die Gastrulation, welche in Wirklichkeit der wichtigste Zeitpunkt in deinem Leben ist.“

Was trägt die Homologie zur Abstammungslehre und Systematik bei

Anhand von homologen Organen lässt sich ein gemeinsamer Phänotyp ausmachen. Durch homologe Gene kann ein genetischer Abstand zwischen zwei Arten festgestellt werden. Die biologische Systematik basiert auf eine gemeinsame Stammesgeschichte der Lebewesen, welche durch Untersuchungen der Molekularbiologie nachweisbar wird. Anhand bestimmter Merkmale, wie bspw. dem Urmund, lassen sich Tiere in den Überstamm der Urmünder und Neumünder einordnen. Das homologe Organ wird somit zum Namensgeber des Tierstamms und zum gemeinsamen Merkmalskriterium.

Bei den Neumündern bilden die Chordatiere eine weitere Großgruppe. Zu dieser Großgruppe gehören die Wirbeltiere, die Manteltiere und Schädellose. Gemeinsames Merkmal ist die Chorda dorsalis, welche als Urwirbelsäule fungiert und während der Embryonalentwicklung der Wirbeltiere ersetzt wird. Typische Merkmale und homologen Organe der Wirbeltiere ist die echte Wirbelsäule, ein Innenskelett als Stützapparat und ein Schädel.

Was sind Kriterien für Homologie

(siehe Hauptartikel: Fragen und Antworten zu Homologiekriterien)

Anhand von Homologiekriterien soll die Verwandtschaft einzelner Organe, Gewebestrukturen und Organismen festgestellt werden. Insgesamt werden 8 Kriterien unterschieden:

1. Lage als Homologiekriterium
2. Qualität und Struktur als Homologiekriterium
3. Kontinuität als Homologiekriterium
4. homologe Stetigkeit bei rezenten Zwischenformen
5. homologe Kontinuität durch embryonale Zwischenformen
6. homologe Brückentiere und Fossilien
7. homologe Individualentwicklung
8. homologe Ontogenese, aufgrund gemeinsamer Phytogenese

Wie unterscheiden sich Homologie und Analogie

Analoge Organe sind ähnliche Organe, welche allerdings stammesgeschichtlich unterschiedlich entstanden sind. Dies ist zugleich der Unterschied zur Homologie, welche auf eine gemeinsame Stammesgeschichte beruht. Beispiele für homologe Organe sind die Vordergliedmaßen, welche bereits erwähnt wurden.

Ein Beispiel für analoge Organe sind die Flügel der Vögel, der Fledermäuse und Insekten – welche zwar Ähnlichkeiten aufweisen, allerdings stammesgeschichtlich unterschiedlich entstanden sind.

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