Wenn es um die biologischen Notwendigkeiten des Überlebens und der Fortpflanzung geht, findet die Natur oft einen Weg – manchmal mehr als einen Weg. Für eine Fliegenschnäpperart auf den abgelegenen Salomonen haben Wissenschaftler bisher mindestens zwei genetische Wege gefunden, die zum gleichen physikalischen Ergebnis führen: komplett schwarze Federn. Diese Änderung war kein Zufall. Es war ein Ergebnis der Natur, die speziell auf dieses Merkmal auswählte.
Die neue Studie der Forscher wird in der Fachzeitschrift veröffentlicht PLOS-Genetik. „Der Kastanienbauchschnäpper ist nicht so bekannt wie Darwins Finken“, sagte der Hauptautor Leonardo Campagna, ein Evolutionsgenetiker am Cornell Lab of Ornithology. „Aber dieser Vogelkomplex hat auch viele evolutionäre Veränderungen durchlaufen, von denen viele Veränderungen in der Färbung und Musterung ihres Gefieders beinhalten.“
Das Szenario: Eine große Population Kastanienbauchvögel lebt auf einer der größeren Inseln der Pazifikkette. Von dort aus gründeten einige Vögel auf einigen kleineren Inseln neue Populationen. Im Laufe der Zeit verloren die Vögel auf den beiden kleineren Inseln ihre kastanienbraunen Bäuche und wurden ganz schwarz. Aber die Vögel auf jeder Insel entwickelten zu unterschiedlichen Zeiten ein schwarzes Gefieder aus verschiedenen genetischen Mutationen, die sich schnell durch die kleinen Inselpopulationen bewegten.
Eine dieser Mutationen hat sich in den letzten 1.000 Jahren ausgebreitet – ein bloßer Wimpernschlag in der Evolutionszeit. „Ein ganz schwarzes Gefieder hat eindeutig etwas Vorteilhaftes“, sagte Campagna. „Wir haben dieses Merkmal durch die Zeit zurückverfolgt, indem wir zum ersten Mal das gesamte Genom des Kastanienbauchschnäppers sequenziert haben. Die beiden Mutationen, die zum schwarzen Gefieder führen, traten zu unterschiedlichen Zeiten, auf verschiedenen Inseln und auf verschiedenen Genen auf, die mit der Melaninpigmentproduktion zusammenhängen . Dieses Maß an Konvergenz ist wild.“
Die verschiedenen Flycatcher-Populationen befinden sich in den frühen Stadien der Speziation – sie spalten sich auf, um neue Arten zu bilden –, aber sie haben sich genetisch noch nicht stark voneinander entfernt und können sich kreuzen. Aber sie tun es selten und produzieren ein paar Hybriden. Feldexperimente haben gezeigt, dass die Kastanienbauchvögel und die rein schwarzen Vögel jeweils aggressiv auf einen wahrgenommenen Eindringling mit ihrer eigenen Gefiederfarbe reagieren, aber nicht auf die gleiche Weise auf die Mitglieder ihrer Art mit einer anderen Farbe reagieren. Und es stellt sich heraus, dass Mutter Natur mit dem Genom des Fliegenschnäppers noch nicht fertig ist.
„Wir stellen fest, dass es eine dritte melanische (alle schwarze) Population von Fliegenschnäppern zwischen Inseln gibt, die etwa 300 Meilen von der ursprünglichen Insel entfernt sind“, sagte der leitende Co-Autor Al Uy, ein Biologieprofessor an der Universität von Rochester. „Die Mutation, die ihre Gefiederfarbe bestimmt, unterscheidet sich noch einmal von denen auf den anderen beiden Inseln, die wir untersucht haben.“
Uy untersucht die Fliegenschnäpper der Salomonen seit etwa 15 Jahren, unterstützt von einer vertrauenswürdigen Gruppe indigener Inselbewohner, von denen er sagt, dass sie „maßgeblich“ an seiner Arbeit waren. „Ich denke, das sich abzeichnende Muster ist, dass es etwas an kleinen Inseln gibt, das diese komplett schwarzen Vögel bevorzugt – in dem weiter entfernten Archipel, wo sich der Melanismus zum dritten Mal entwickelt hat, fanden wir heraus, dass melanische und kastanienbauchige Vögel immer noch nebeneinander existieren Insel, aber wenn die Inseln kleiner werden, steigt die Häufigkeit melanischer Vögel.“
Es gibt mehrere Theorien darüber, was den Wechsel zum Rückengefieder vorantreibt, darunter weibliche Vorlieben, die längere Haltbarkeit schwarzer Federn und sogar eine mögliche Verbindung zu Genen, die andere vorteilhafte Verhaltensweisen steuern. Zu den Autoren der Studie gehören die Informatiker Ziyi Mo und Adam Siepel vom Cold Spring Harbor Laboratory, die das maschinelle Lernprogramm geschrieben haben, das den Forschern half, tiefer in die Vergangenheit einzudringen und Mutationsmuster im „Stammbaum“ der Fliegenschnäpper zu messen.
„Der Einsatz von maschinellem Lernen ist eine aufregende neue Entwicklung auf dem Gebiet der Populationsgenetik“, sagte Campagna. „Wir trainieren den Computer darauf, spezifische evolutionäre Muster zu erkennen, wann ein bestimmtes genetisches Merkmal begann, wie stark die natürliche oder sexuelle Selektion war und wie schnell es sich durch eine Population bewegte. Wir können dann den trainierten Algorithmus bitten, uns das wahrscheinlichste Szenario zu sagen.“ die Daten generiert, die wir in den heutigen Populationen beobachten. Es ist, als würde man in der Zeit zurückgehen.“
Mehr Informationen:
Leonardo Campagna et al., Selektive Sweeps auf verschiedene Pigmentierungsgene vermitteln konvergente Evolution des Inselmelanismus bei zwei beginnenden Vogelarten, PLOS-Genetik (2022). DOI: 10.1371/journal.pgen.1010474