Kurz nachdem vor 66 Millionen Jahren ein Asteroid auf die Erde prallte, endete das Leben der Nicht-Vogel-Dinosaurier, doch die Evolutionsgeschichte der frühen Vorfahren der Vögel begann.
Fossilienfunde verraten uns, dass die Evolutionsgeschichte der frühen Vorfahren der heute lebenden Vögel unmittelbar nach dem durch den Asteroiden verursachten Massenaussterben begann. Die Forscher waren sich jedoch nicht sicher, ob sich diese Geschichte im Genom der Vögel widerspiegeln würde.
Eine Studie der University of Michigan hat nun wichtige Veränderungen im Genom von Vögeln festgestellt, die durch dieses Massenaussterben – das sogenannte Massenaussterben am Ende der Kreidezeit – ausgelöst wurden und letztlich zur unglaublichen Vielfalt der heute noch lebenden Vögel beigetragen haben.
Die Studie untersuchte die Evolutionsentwicklung aller großen Vogelgruppen und fand Hinweise auf „genomische Fossilien“ in der DNA der Vögel, die entscheidende Evolutionsschritte markieren, als sich Vögel zu mehr als 10.000 heute lebenden Arten entwickelten. Die Forschung ist veröffentlicht als Open-Access-Artikel in der Zeitschrift Fortschritte der Wissenschaft.
„Indem wir die DNA lebender Vögel untersuchen, können wir versuchen, Muster genetischer Sequenzen zu erkennen, die sich unmittelbar nach einem der wichtigsten Ereignisse in der Erdgeschichte verändert haben“, sagte der Hauptautor Jake Berv, der die Studie als Michigan Life Sciences Fellow in der Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie der UM abgeschlossen hat.
„Die Signatur dieser Ereignisse scheint sich in das Genom der Überlebenden eingeprägt zu haben, und zwar auf eine Art und Weise, die wir noch zig Millionen Jahre später erkennen können.“
Das Genom eines lebenden Organismus besteht aus vier Nukleotidmolekülen, die mit den Buchstaben A, T, G und C bezeichnet werden. Die Reihenfolge dieser Nukleotide in einem Genom definiert den „Bauplan“ des Lebens.
Der DNA-Code kann sich manchmal so entwickeln, dass sich die Gesamtzusammensetzung der DNA-Nukleotide im gesamten Genom verschiebt. Diese Zusammensetzungsänderungen sind entscheidend für die Bestimmung der möglichen genetischen Variation und tragen zum Evolutionspotenzial eines Organismus bzw. seiner Evolutionsfähigkeit bei.
Die Forscher fanden heraus, dass das Massenaussterben Veränderungen in der Nukleotidzusammensetzung auslöste. Sie fanden auch heraus, dass diese Veränderungen mit der Entwicklung der Vögel als Jungtiere, ihrer Größe als ausgewachsene Vögel und ihrem Stoffwechsel in Zusammenhang zu stehen scheinen.
So neigten überlebende Vogelstämme innerhalb von etwa 3 bis 5 Millionen Jahren nach dem Massenaussterben dazu, kleinere Körper zu entwickeln. Auch ihre Entwicklung als Jungtiere änderte sich, und mehr Arten wurden „Nesthocker“. Das bedeutet, dass sie beim Schlüpfen noch sehr embryonal sind, von ihren Eltern gefüttert werden müssen und es Wochen dauern kann, bis sie flügge werden, sagt Berv. Vögel, die schlüpfen und bereit sind, für sich selbst zu sorgen, wie Hühner und Truthähne, werden als „Nesthocker“ bezeichnet.
„Wir haben festgestellt, dass die Körpergröße erwachsener Vögel und die Muster der Entwicklung vor dem Schlüpfen zwei wichtige Merkmale der Vogelbiologie sind, die wir mit den von uns festgestellten genetischen Veränderungen in Verbindung bringen können“, sagte Berv, jetzt Postdoktorand bei Schmidt AI in Science am Michigan Institute for Data & AI in Society der UM.
Berv sagt, eine der größten Herausforderungen in der Evolutionsbiologie und Ornithologie sei es, die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen den großen Vogelgruppen herauszufinden – es sei schwierig, die Struktur des Lebensbaums lebender Vögel zu bestimmen. In den letzten 15 Jahren haben Forscher immer größere genomische Datensätze verwendet, um dieses Problem zu lösen.
Bisher verwendeten Forscher Genomdaten, um die Evolution des Vogelgenoms mithilfe statistischer Modelle zu untersuchen, die auf starken Annahmen basieren. Diese „traditionellen“ Modelle ermöglichen es Forschern, die Geschichte genetischer Veränderungen zu rekonstruieren, gehen jedoch normalerweise davon aus, dass sich die Zusammensetzung der DNA, also ihr Anteil an A-, T-, G- und C-Nukleotiden, im Laufe der Evolutionsgeschichte nicht ändert.
Ende 2019 begann Berv mit Stephen Smith, UM-Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie, zusammenzuarbeiten, der ein Softwaretool entwickelte, um die DNA-Zusammensetzung im Laufe der Zeit und über verschiedene Zweige des Lebensbaums hinweg genauer zu verfolgen.
Mit diesem Werkzeug konnten die Forscher die Annahme widerlegen, dass die Zusammensetzung der DNA konstant bleibt. Smith sagte, dies ermögliche es dem „Modell“ der DNA-Evolution, über den Evolutionsbaum hinweg zu variieren und Stellen zu identifizieren, an denen es wahrscheinlich eine Verschiebung der DNA-Zusammensetzung gab.
Bei dieser neuen Untersuchung konzentrierten sich diese Verschiebungen zeitlich auf etwa 5 Millionen Jahre nach dem Massenaussterben am Ende der Kreidezeit, sagt Berv. Ihr Ansatz ermöglichte es ihnen auch abzuschätzen, welche Vogelmerkmale am stärksten mit diesen Verschiebungen in der DNA-Zusammensetzung verbunden waren.
„Dies ist eine wichtige Art genetischer Veränderung, die wir unserer Meinung nach mit dem Massenaussterben in Verbindung bringen können“, sagte er. „Soweit wir wissen, wurden Veränderungen in der DNA-Zusammensetzung bisher nicht so eindeutig mit dem Massenaussterben am Ende der Kreidezeit in Verbindung gebracht.“
Daniel Field, Professor für Wirbeltierpaläontologie an der Universität Cambridge und Co-Autor der Studie, wollte verstehen, wie sich das Massenaussterben am Ende der Kreidezeit auf die Evolution der Vögel auswirkte. Er gab Hinweise zur frühen Evolution der Vögel nach dem Massenaussterben.
„Wir wissen, dass Massenaussterben dramatische Auswirkungen auf die Artenvielfalt, die Ökologie und die Form von Organismen haben können. Unsere Studie unterstreicht, dass diese Aussterbeereignisse die Biologie von Organismen sogar noch stärker beeinflussen können – indem sie wichtige Aspekte der Genomentwicklung verändern“, sagte Field.
„Diese Arbeit erweitert unser Verständnis der dramatischen biologischen Auswirkungen von Massenaussterben und unterstreicht, dass das Massenaussterben, das die Riesendinosaurier auslöschte, eines der biologisch folgenreichsten Ereignisse in der gesamten Geschichte unseres Planeten war.“
Durch die Lockerung der in der Evolutionsbiologie üblichen Annahmen könnten sie, sagen die Forscher, zu differenzierteren Erkenntnissen über die Abfolge von Ereignissen in der Frühgeschichte der Vögel gelangen.
„Wir haben die Veränderung der DNA-Zusammensetzung und des DNA-Modells im gesamten Lebensbaum normalerweise nicht als Anzeichen dafür betrachtet, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort etwas Interessantes passiert ist“, sagte Smith. „Diese Studie zeigt, dass uns wahrscheinlich etwas entgangen ist.“
Mehr Informationen:
Jacob Berv, Genom- und Lebensgeschichtenentwicklung verknüpfen Vogeldiversifizierung mit dem Massenaussterben am Ende der Kreidezeit, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp0114. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp0114