Studie zeigt, dass sich der schwebende Flug von Kolibris wahrscheinlich aufgrund eines verlorenen Gens entwickelt hat

Kolibris, die in Nord- und Südamerika beheimatet sind, gehören zu den kleinsten und wendigsten Vögeln der Welt. Oft kaum größer als ein Daumen, sind sie die einzige Vogelart, die nicht nur vorwärts, sondern auch rückwärts oder seitwärts fliegen kann. Möglich macht das ihr charakteristischer Schwebeflug.

Allerdings ist das Schweben extrem energieintensiv. In einer in der Zeitschrift veröffentlichten genomischen Studie Wissenschafthat ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Prof. Michael Hiller am LOEWE-Zentrum für Translationale Biodiversitätsgenomik (LOEWE-TBG) in Frankfurt, Deutschland, die evolutionären Anpassungen des Stoffwechsels untersucht, die möglicherweise die einzigartigen Flugfähigkeiten der Kolibris ermöglicht haben.

Beim Schweben schlagen Kolibris bis zu 80 Mal pro Sekunde mit den Flügeln und erzeugen so das charakteristische Summen. Keine andere Fortbewegungsart im Tierreich verbraucht mehr Energie. Entsprechend läuft ihr Stoffwechsel auf Hochtouren und ist aktiver als bei jedem anderen Wirbeltier. Um ihren Energiebedarf zu decken, verlassen sich Kolibris auf den Zucker im Blütennektar. Auch der Stoffwechsel von Kolibris weist einige Besonderheiten auf: Sie nehmen Zucker schnell auf, haben hochaktive Enzyme, die Zucker verarbeiten, und können Fruktose genauso effizient verstoffwechseln wie Glukose – anders als beispielsweise der Mensch.

Forscher aus Frankfurt und Dresden haben nun herausgefunden, wie davon die Zellen der Flugmuskeln profitieren, die Kolibris das Schweben ermöglichen. In ihrer Studie sequenzierten sie das Genom des langschwänzigen Einsiedlers (Phaethornis superciliosus) und verglichen dieses und andere Kolibri-Genome mit den Genomen von 45 anderen Vögeln wie Hühnern, Tauben oder Adlern.

Sie entdeckten, dass das Gen für das Muskelenzym FBP2 (Fructose-Bisphosphatase 2) bei allen untersuchten Kolibris verloren ging. Interessanterweise zeigten weitere Untersuchungen, dass dieses Gen bereits beim gemeinsamen Vorfahren aller lebenden Kolibris verloren gegangen war, als sich der Schwebeflug und die Nektarfütterung entwickelten – vor etwa 48 bis 30 Millionen Jahren.

„Unsere Experimente zeigten, dass die gezielte Inaktivierung des FBP2-Gens in Muskelzellen den Zuckerstoffwechsel ankurbelt. Außerdem steigt die Zahl und Aktivität der energieproduzierenden Mitochondrien in Zellen, denen FBP2 fehlt. All das wurde bereits in der Flugmuskulatur von Kolibris beobachtet, “ erklärt Erstautorin Dr. Ekaterina Osipova, derzeit Postdoctoral Fellow an der Harvard University und zuvor Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden und der LOEWE-TBG in Frankfurt.

„Da das FBP2-Gen nur in Muskelzellen exprimiert wird, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass der Verlust dieses Gens beim Kolibri-Vorfahren wahrscheinlich ein Schlüsselschritt in der Evolution der metabolischen Muskelanpassungen war, die für den Schwebeflug erforderlich sind“, fügt Studienleiter Michael Hiller, Professor, hinzu für Vergleichende Genomik am LOEWE-TBG und der Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung.

Neben dem Verlust des FBP2-Gens traten bei Kolibris wahrscheinlich noch weitere wichtige genomische Veränderungen auf. Mehrere andere Gene, die eine wichtige Rolle im Zuckerstoffwechsel spielen, weisen bei Kolibris Aminosäureveränderungen auf, wahrscheinlich aufgrund gezielter Selektion. „Die Relevanz von Veränderungen in diesen Genen für evolutionäre Anpassungen im Kolibri-Stoffwechsel muss durch weitere Studien und Experimente geklärt werden“, sagte Hiller.