Homologe Organe (Evolution): 8 Fragen und Antworten

Was sind homologe Organe

Die Homologie befasst sich mit der grundsätzlichen Übereinstimmung unterschiedlicher Merkmale wie Organen und Organsystemen, weitergehender Körperstrukturen und auch Verhaltensweisen, welche zumeist mit einem gemeinsamen evolutionären Ursprung erklärt werden.

Der Begriff Evolution findet neben der Biologie auch in anderen Wissenschaften Anwendung. Biologisch betrachtet wird damit die allmähliche Veränderung vererbbarer Merkmale von Spezies über Generationen hinweg bezeichnet. Diese Veränderungen können laut Evolutionstheorie am Ende zur Entstehung völlig neuer Arten führen.

Die Vordergliedmaßen der Kriechtiere sind im Grundbauplan identisch zu den Gliedmaßen der anderen Wirbeltiere

Entsprechend der Definition für Homologie werden Organe, welche einen entsprechenden gemeinsamen Grundbauplan aufweisen, als homologe Organe bezeichnet. Als gern genommenes Beispiel gelten die Vordergliedmaßen bei Säugetieren. So unterschiedlich etwa die Hände bei Menschen, Pfoten bei Katzen oder die Vordergliedmaßen bei Meeressäugern wie Delfinen auch erscheinen mögen, sie alle folgen dem gleichen Bauplan.

Die Bedeutung für die Evolutionslehre ist enorm, verweist sie doch auf die Möglichkeit, dass all diese so unterschiedlichen Lebewesen auf dem Land und im Wasser einen gemeinsamen Ursprung haben. Tatsächlich belegen Forschungen diese These auf vielfältige Weise.

Es gibt neben diesem prominenten Beispiel eine ganze Reihe anderer homologer Organe in der Biologie, etwa den Blutkreislauf von Fischen, Säugern und Amphibien.

Wie entstehen homologe Organe

Organe sind Funktionsträger für den Organismus, welche eine ganz bestimmte Aufgabe erfüllen. So sind bspw. die Arme und Beine für die Fortbewegung verantwortlich, die Sinnesorgane für die Wahrnehmung und die Geschlechtsorgane für die Reproduktion. Alle Organe bestehen aus Gewebezellen, welche sich in Folge einer Zelldifferenzierung ausbildeten und fortan spezielle Aufgaben erfüllen.

Einige Organe können allerdings – über Generationen hinweg – einen Funktionswechsel vollführen, sich bei bestimmten Individuen kaum merklich verändern. Diese Veränderungen sind Mutationen, finden permanent statt und wirken sich entweder vorteilhaft, nachteilig oder gar nicht auf die Funktionstüchtigkeit der Organe aus. Aber solche Merkmalsänderungen sind vererbbar. Somit können diese an die Nachkommenschaft weitergegeben werden. Im Laufe einer langen Evolutionsgeschichte entstanden so homologe Organe, welche sich auf ein gemeinsames Ursprungsorgan zurückverfolgen lassen.

Warum sind homologe Organe ein Beweis für die Evolution

Die Bedeutung des Vorhandenseins von homologen Organen für die Evolutionstheorie liegt in der Möglichkeit, Verwandtschaftsbeziehungen zwischen heute lebenden Arten zu bestimmen und mittels rekonstruierter Stammbäume auch auf gemeinsame Ursprünge dieser verwandten Arten zu schließen.

Aufgrund der logischen Abfolge von evolutionären Veränderungen, welche man zurückverfolgen kann, kommt man so, ausgehend von heutigen Lebensformen mit homologen Organen, irgendwann auf eine theoretisch mögliche gemeinsame ursprüngliche Form zurück. Aus dieser haben sich mit großer Wahrscheinlichkeit unterschiedliche Formen entwickelt, welche aufgrund der Veränderungen über viele Generationen hinweg zu den heutigen, völlig neuen Lebensformen bzw. Arten wurden.

Das bereits genannte Beispiel der Vordergliedmaße liefert dafür viele Indizien. Der Aufbau von Oberarmknochen, Unterarmknochen, von Handwurzel– und Mittelhandknochen und der einzelnen Finger ist im Grundsatz bei den entsprechenden Lebewesen der gleiche, sei es nun der gewaltige Blauwal oder die winzige Spitzmaus.

Die Tatsache, dass sich zumeist nicht nur eine evolutionäre Linie und nur eine daraus entstehende neue Art entwickelt haben, sondern derer mehrere, hängt mit vielen unterschiedlichen Faktoren zusammen.

Die Vererbung von Körpermerkmalen und Verhaltensweisen basiert in der Regel auf zufälligen genetischen Mutationen. Die Nachfahren einer Mutation A können also eine andere Entwicklung nehmen als diejenigen der Mutation B. Nimmt man in der Folge weitere zufällige Mutationen hinzu, potenzieren sich die Varianten und es ergeben sich unzählige neue Möglichkeiten.

Da einige Mutationen bei der Anpassung an neue Lebensräume, veränderte Lebensbedingungen oder auch bei der Fortpflanzung unterschiedliche Vor- oder Nachteile mit sich bringen können, vermehren sich erfolgreiche Veränderungen schneller und häufiger als solche, die weniger Vorteile oder sogar Nachteile mit sich bringen. So passen sich laut Evolutionslehre die Arten über längere Zeiträume hinweg den jeweiligen Lebensräumen optimal an.

Des Weiteren können durch entsprechende Anpassungen aber auch völlig neue Lebensräume besiedelt werden. So weisen Forschungen darauf hin, dass die Vorfahren der heutigen Meeressäugetiere ursprünglich an Land lebten. Wie sich mögliche Übergänge über viele Generationen hinweg vollzogen haben können, zeigt der Blick auf heutige Arten, welche in entsprechenden Übergangszonen zwischen Land und Gewässern leben, beispielhaft seien hier Flusspferde oder Seehunde genannt, die Liste weiterer Beispiele ist lang.

Die Entscheidung, ob es sich im konkreten Fall um homologe Organe oder nicht etwa nur um zufällige Ähnlichkeiten handelt, wird nach bestimmten Kriterien getroffen. Diese Homologiekriterien sind das „Kriterium der Lage“, das „Kriterium der spezifischen Qualität“ und das „Kriterium der Stetigkeit“.

Während sich die Lage auf die konkrete Position der Organe im Körper bezieht, weist die Stetigkeit auf eine nachvollziehbare Entwicklung in den Stufen der evolutionären Entwicklung hin. Die spezifische Qualität geht hingegen auf die speziellen Merkmale ein, welche ein Organ ausmachen.

Nicht immer sind alle 3 Kriterien erfüllt oder es bleiben Unsicherheiten in der Bewertung bestehen. Wird aber nur eines dieser Kriterien erfüllt, spricht man von homologen Organen.

1. Die Bedeutung fossiler Knochenfunde

Während Vergleiche zwischen heute lebenden Arten relativ einfach durchzuführen sind, stellt sich die Untersuchung gemeinsamer Vorfahren, die mittlerweile ausgestorben sind, naturgemäß schwieriger dar.

Zur Untermauerung zunächst theoretischer Indizien dienen vornehmlich fossile Knochenfunde. Aufgrund der Fundumstände lassen sich viele Rückschlüsse ziehen. So kann mithilfe unterschiedlicher wissenschaftlicher Verfahren das Alter der Fossilen selbst und oftmals auch der Bodenschichten festgestellt werden. Der zeitliche Faktor spielt natürlich bei der Rückverfolgung möglicher evolutionärer Zusammenhänge eine maßgebliche Rolle.

Hinzu kommen Faktoren wie der Fundort, vielleicht vorhandene Fossilien anderer Arten innerhalb derselben Fundschicht, Hinweise auf die damals vorherrschenden klimatischen Verhältnisse (beispielsweise Pollenfunde) und vieles mehr. So kann man ein Gesamtbild rekonstruieren, welches umfangreicher ist, als es nur alleine durch die reinen Knochen möglich wäre.

Je genauer die gewonnenen Informationen sind, umso besser lassen sich Verbindungen aufzeigen zu anderen Spezies, welche in der angenommenen evolutionären Kette eine Rolle spielen könnten. Im Optimalfall lassen sich so Entwicklungen nachzeichnen, welche gerade durch die schrittweise Veränderung der homologen Organe plausible werden und eine Untermauerung der Evolutionstheorie bieten.

Fossilien sind somit ein Beweis für die Artentstehung, aber auch für die Merkmalsausprägung eines Organismus, seiner Organe und deren möglichen Funktionen. So lässt sich an den Knochenresten von Urvögeln feststellen, dass diese eine Verwandtschaft zu Reptilien und Vögeln hatten, weshalb man beide Wirbeltierklassen in die Gruppe der Archosauriern einordnen kann.

Welche Rolle gerade auch die Lebensbedingungen und das entsprechende Ökosystem bei der evolutionären Entwicklung spielen, soll im Folgenden dargestellt werden.

2. Konkurrenzdruck im Ökosystem führt zu evolutionären Adaptationen

Unterschiedliche Lebensräume erfordern auch verschiedene Anpassungen an die dort heimischen Lebensformen. Diese teilen sich die Arten mit anderen Spezies. Es entsteht eine Konkurrenz um Ressourcen oder es bilden sich Gefahren etwa durch ein Jäger-Beute-Verhältnis. Außerdem gab und gibt es in der Erdgeschichte immer wieder teils gravierende Veränderungen bei der Gestaltung von Lebensräumen. Ein Überleben ist dann nur möglich, wenn sich die Art entsprechend anpasst.

Biologische Anpassungen werden auch als Adaptationen bezeichnet. Evolutionäre Adaptationen sind demnach Anpassungen eines Organismus, welche im Laufe der evolutionären Entwicklung über Generationen hinweg erfolgten. Damit sind nicht nur rein morphologische Veränderungen gemeint, sondern etwa auch Anpassungen von Verhaltensweisen. Eine Adaptation gilt nur dann als evolutionär, wenn diese erblich ist, also auf genetischen Merkmalen basiert. Neben diesen gibt es sogenannte Exaptationen, welche einen anderen als den genetischen Ursprung haben.

Der Begriff „Anpassung“ könnte zu der falschen Annahme verleiten, dass die Evolution zielgerichtet verlaufen würde. Dem ist allerdings nicht so. Dennoch macht es Sinn, evolutionäre Adaptationen in diesem Sinne zu betrachten, da sich vornehmlich jene zufälligen genetischen Veränderungen durchsetzen, welche Vorteile für den Organismus beim Überleben und der Fortpflanzung mit sich bringen. Veränderungen, welche das nicht oder nur in geringerem Maße tun, verschwinden aufgrund der weniger erfolgreichen Verbreitung bald wieder.

Beispiele zu evolutionären Adaptationen im Tier- und Pflanzenreich

Es liegt in der Natur der Sache, dass bei unterschiedlichen Umweltbedingungen auch andere Anpassungen erfolgreich sind. Wichtige Faktoren sind etwa Hitze oder Kälte, Trockenheit, Windverhältnisse, Strömungen in Gewässern, Dunkelheit (z. B. in der Tiefsee oder in Höhlen), die Verfügbarkeit oder entsprechende Knappheit von Nahrung, aber auch chemische Umstände wie beispielsweise die Bodenbeschaffenheit (Schwermetalle, natürliche Radioaktivität etc.) und vieles mehr.

Neben diesen rein physikalischen Elementen kommen noch solche hinzu, die durch das Vorhandensein anderer Lebensformen innerhalb eines Biotops entstehen. Fressfeinde und Konkurrenten um die Nutzung vorhandener Ressourcen sind hier besonders zu nennen.

Innerhalb der Grenzen, welche durch all diese Faktoren einen Lebensraum definieren, findet jede Spezies ihre ganz spezielle Nische, welche sie durch die für sie charakteristischen Anpassungen ausfüllt. Die ökologische Nische einer Art kann demnach nur – aufgrund der Adaptationen – gebildet werden. So passten sich bspw. die Augen einiger Spezies derart an, dass diese nachtaktiv wurden und somit ihre ökologische Nische dort bilden.

Mithilfe von Fossilien aus verschiedenen erdgeschichtlichen Epochen und im Zusammenhang mit Umwälzungen der Umweltbedingungen in einer Region im Laufe von Jahrmillionen lassen sich die Veränderungen an Organen als logische evolutionäre Adaptationen nachvollziehen und herleiten. Sie stellen gleichzeitig einen Beweis für die Evolution homologer Organe dar. Umso aufschlussreicher wird diese Beweisführung natürlich, wenn sich aus einem als gemeinsamer Vorfahre identifizierten Fossil zwei oder mehrere unterschiedliche Entwicklungen nachweisen lassen.

Es liegt auf der Hand, dass solche Anpassungen problematisch werden können, wenn sich die Umweltbedingungen und der Lebensraum in gravierender Weise verändern. Lebensformen, welche sich durch eine hohe genetische Variabilität auszeichnen, können sich in der Regel schneller und damit erfolgreicher großen Veränderungen anpassen.

3. Genetische Variabilität sorgt für Funktionswechsel der Organe

Genetische Variabilität spielt also bei der Anpassung in der Evolution eine große Rolle. Mit ihr wird die Unterschiedlichkeit sowohl von Individuen innerhalb einer Art als auch die zwischen Arten bezeichnet, welche genetisch bedingt ist. Für die Klärung von Verwandtschaftsbeziehungen zwischen den Arten stellt die Untersuchung genetischer Übereinstimmungen im Zusammenhang mit der genetischen Variabilität ein äußerst nützliches Werkzeug dar.

Dies wird besonders dann aufschlussreich und wichtig, wenn entsprechende homologe Organe ihre ursprüngliche Funktion verändern. Dann nämlich ist der Zusammenhang oftmals nicht mehr so deutlich erkennbar. Ein anschauliches Beispiel dafür ist die Schwimmblase bei Fischen. Diese erfüllt für den Fisch die Funktion, eine stabile Lage im natürlichen Lebensraum Wasser zu ermöglichen. Doch diese Schwimmblase ist ein homologes Organ und findet seine Entsprechung in der Lunge bei den Säugetieren. Diese jedoch ist, wie jeder weiß, für die Atmung, also die Versorgung des Körpers mit Sauerstoff, zuständig. Beim Fisch übernehmen die Kiemen diese Aufgabe.

Dennoch haben sich aus der Schwimmblase der Knochenfische letztlich Lungen entwickelt. Einige Knochenfischarten, wie der Knochenhecht, können über die Schwimmblase ebenfalls kurzzeitig atmen. In diesem Sinne kann die Schwimmblase als Brückenorgan betrachtet werden – welche zwei mehrere Wirbeltierklassen – wie die Fische und die Landwirbeltiere – verbindet-

Zu bedenken und berücksichtigen ist dabei immer, dass sich einerseits Gene nur so weit verändern können, wie es die Umwelteinflüsse zulassen und andererseits Umwelteinflüsse nur soweit etwas bewirken können, wie es die genetischen Grundlagen erlauben. Es handelt sich also immer um eine Mischung aus beiden Elementen.

Wichtig ist….
Der Funktionswechsel erfolgt absichtslos. Die Natur verfolgt keinen Plan. Stattdessen finden permanent Mutationen der Zellen, des Gewebes und somit auch der Organe statt. Diese Mutationen bleiben häufig unbemerkt, wirken sich also weder positiv noch negativ auf den Organismus aus. Möglich wird dies durch die genetische Variabilität der Spezies. Und sobald ein Konkurrenzdruck entsteht, könnte die Mutation – welche vielleicht über zig Generationen hinweg unbemerkt geblieben ist- auf einmal ein Vorteil sein.

Durch die sogenannte Einnischung entgeht die Spezies der direkten Nischenkonkurrenz, indem sie bspw. die neue Adaptation nutzt, um eine neue ökologische Nische zu bilden. Dies könnte bspw. der Wechsel von Tagaktivität zu Nachtaktivität – welche durch Adaptationen des Auges möglich wären. Oder die Spezies verdrängt den Nischenkonkurrenten, indem die Adaptation einen so großen Vorteil bildet, dass die Konkurrenz verdrängt wird.

4. Natürliche Auslese sorgt für die Durchsetzung der homologen Organe

Es wurde bereits angesprochen, dass die Evolution nicht als zielgerichtet gilt. Anpassungen erfolgen demnach vielmehr aus zufälligen genetischen Mutationen. Diese Erkenntnis führt zur sogenannten Selektionstheorie. Diese befasst sich mit der natürlichen Auslese und stellt ein ganz wesentliches Element der Evolutionstheorie dar.

Was ist damit gemeint?
Wenn Veränderungen nicht nach einem klaren Plan erfolgen, aber dennoch zu nachweislich erfolgreichen Anpassungen an sich verändernde Umweltbedingungen führen, muss es einen anderen Mechanismus geben. Dieser findet sich in der natürlichen Auslese, der Selektion. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Varianten entsteht und von der Natur quasi ausprobiert werden. Die Varianten, welche funktionieren, setzen sich durch und andere, weniger erfolgreiche werden aussortiert.

Der dadurch entstehende Selektionsdruck wird durch die sogenannten Selektionsfaktoren bestimmt.
Zu unterscheiden sind hier im Wesentlichen vier Faktoren, nämlich die biotischen, abiotischen, sexuellen und die künstlichen Selektionsfaktoren.
Die abiotischen, also unbelebten Faktoren beinhalten solche wie Licht, Druck, Feuchtigkeit, die Verfügbarkeit von Nährstoffen und Ähnliches.
Im Gegensatz dazu umfassen die biotischen Faktoren entsprechend solche, welche durch andere Lebewesen bestimmt werden. Die Konkurrenz um Nahrungsquellen oder Fressfeinde sind damit ebenso gemeint wie Parasiten etc.

Einen Spezialfall der biotischen Faktoren stellen die sexuellen Selektionsfaktoren dar. Diese umfassen den Kampf zwischen Konkurrenten der gleichen Art und des gleichen Geschlechts um potenzielle Partner für die Paarung. Dies hat auch Folgen für die Strategie der Fortpflanzung. Denn in Frage kommende Paarungskandidaten reagieren bewusst oder auch unbewusst auf entsprechende Merkmale, welche einen gesunden und überlebensfähigen Nachwuchs gewährleisten. Der Fortpflanzungserfolg ist demnach ein Mittel, um mutierte Gene bzw. Adaptationen auch an die nächste Generation weiterzugeben.

Auf diese Weise pflanzen sich vor allem die erfolgreichen Formen stärker fort als die weniger erfolgreichen. Oder anders formuliert: Die höhere biologische Fitness setzt sich durch.

Mit den künstlichen Selektionsfaktoren wird ein Bereich umschrieben, welcher auf bewusste Eingriffe in und Steuerung der Evolution durch den Menschen in Form von Zucht und möglicherweise auch in Zukunft durch Gentechnik zielt.

Der Zusammenhang zwischen homologen Organen und der Evolution ist also nicht nur eng, sondern tatsächlich kaum wegzudenken. Dank der Erkenntnisse über die Entwicklung homologer Organe und der relativ guten Möglichkeiten, diese zu erforschen und die Entwicklungen zu rekonstruieren, stellen sie einen der überzeugendsten Beweise dafür dar, dass die Evolutionstheorie grundsätzlich auf einem stabilen wissenschaftlichen Fundament steht.

Zusammenfassung

• Homologe Organe sind ursprüngliche Organe, welche einen festen Bauplan haben, der sich in vielen Spezies und Tierklassen durchgesetzt hat.
• Ein Beleg, dass frühe Lebewesen ebenfalls über diese Organe verfügten – liefern Fossilien.
• Aufgrund von Konkurrenzkampf zwischen den Arten veränderten sich die Organe – während der Stammesgeschichte der Arten.
• So werden bspw. die Vordergliedmaßen der Wale anders genutzt, als die Gliedmaßen aller übrigen Landwirbeltiere.
• Der Grund dafür ist, dass die Wale ebenfalls Landgänger waren – sich aber aufgrund der ausweglosen Konkurrenzsituation wieder ins Meer begaben, dort eine neue ökologische Nische bildeten – welche zum Funktionswechsel der Organe führte.
• Neben der interspezifischen Konkurrenz – existiert ein weiterer Konkurrenzkampf innerhalb der Art. Dieser beschränkt sich auf Fortpflanzungspartner.
• Individuen mit Vorteilen in ihren Organsystemen können sich besser versorgen, weisen Merkmale auf – welche darauf hindeuten.
• Potenzielle Fortpflanzungspartner registrieren den Vorteil. Diese Attraktivität sorgt für einen größeren Fortpflanzungserfolg – wodurch das Merkmal der Organe weiter vererbt werden kann.
• Möglich werden Anpassungen durch genetische Variabilität der Arten.

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