Wenn Sie schon einmal mit dem Bauch in einen Pool gefallen sind, wissen Sie: Das Wasser kann überraschend hart sein, wenn man es im falschen Winkel trifft. Viele Eisvogelarten tauchen jedoch kopfüber ins Wasser, um ihre fischige Beute zu fangen. In einer neuen Studie in der Zeitschrift KommunikationsbiologieForscher verglichen die DNA von 30 verschiedenen Eisvogelarten, um herauszufinden, welche Gene die Ernährung der Vögel und ihre Fähigkeit, ohne Hirnschäden zu tauchen, erklären könnten.
Die Art des Tauchens, das Eisvögel durchführen – was Forscher „Sturztauchen“ nennen – ist eine aeronautische Meisterleistung. „Es handelt sich um einen Hochgeschwindigkeitstauchgang aus der Luft ins Wasser, der nur von sehr wenigen Vogelarten durchgeführt wird“, sagt Chad Eliason, Forscher am Field Museum in Chicago und Erstautor der Studie. Aber es ist ein Verhalten, das potenziell riskant ist.
„Damit Eisvögel so kopfüber tauchen können, wie sie es tun, müssen sie andere Eigenschaften entwickelt haben, um zu verhindern, dass sie ihr Gehirn verletzen“, sagt Shannon Hackett, stellvertretende Kuratorin für Vögel am Field Museum und leitende Autorin der Studie.
Nicht alle Eisvögel fischen tatsächlich – viele Arten dieser Vögel fressen an Land lebende Beutetiere wie Insekten, Eidechsen und sogar andere Eisvögel. Zuvor hatten die Co-Autoren Jenna McCollough und Michael Andersen, Forscher von der University of New Mexico, das Team mithilfe von DNA angeführt, um zu zeigen, dass die Gruppen von Eisvögeln, die Fische fressen, nicht die nächsten Verwandten der anderen im Stammbaum der Eisvögel sind. Das bedeutet, dass Eisvögel ihre Fischnahrung – und die Tauchfähigkeiten, um sie zu beschaffen – mehrmals entwickelt haben und nicht alle von einem gemeinsamen fischfressenden Vorfahren abstammen.
„Die Tatsache, dass es so viele Übergänge zum Tauchen gibt, macht diese Gruppe aus wissenschaftlicher Forschungsperspektive sowohl faszinierend als auch kraftvoll“, sagt Hackett. „Wenn sich ein Merkmal zu vielen unterschiedlichen Zeitpunkten unabhängig voneinander entwickelt, bedeutet das, dass Sie die Möglichkeit haben, eine übergreifende Erklärung dafür zu finden, warum das so ist.“
Für diese Studie haben die Forscher – darunter die Co-Autoren Lauren Mellenthin, derzeit an der Yale University, die zum Zeitpunkt der Durchführung dieser Forschung eine Praktikantin am Field Museum war; Taylor Hains an der University of Chicago und Field Museum; Stacy Pirro bei Iridian Genomes; und Michael Anderson und Jenna McCullough von der University of New Mexico – untersuchten die DNA von 30 Eisvogelarten, sowohl fischfressende als auch nicht fischfressende.
„Um die gesamte Eisvogel-DNA zu erhalten, haben wir Proben aus den Sammlungen des Field Museums verwendet“, sagt Eliason, der im Grainger Bioinformatics Center und im Negaunee Integrative Research Center des Field arbeitet. „Wenn unsere Wissenschaftler Feldforschung betreiben, entnehmen sie den von ihnen gesammelten Vogelproben Gewebeproben, etwa Muskel- oder Leberstücke. Diese Gewebeproben werden im Feldmuseum in flüssigem Stickstoff eingefroren gelagert, um die DNA zu konservieren.“
Im Pritzker-DNA-Labor des Field begannen die Forscher mit der Sequenzierung vollständiger Genome für jede Art und generierten so den gesamten genetischen Code jedes Vogels. Von dort aus verglichen sie mithilfe einer Software die Milliarden von Basenpaaren, aus denen diese Genome bestehen, um nach genetischen Variationen zu suchen, die die tauchenden Eisvögel gemeinsam haben.
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die fischfressenden Vögel mehrere veränderte Gene hatten, die mit der Ernährung und der Gehirnstruktur zusammenhängen. Beispielsweise fanden sie Mutationen im AGT-Gen der Vögel, das bei anderen Arten mit Ernährungsflexibilität in Verbindung gebracht wird, und im MAPT-Gen, das für Tau-Proteine kodiert, die mit dem Fressverhalten zusammenhängen.
Tau-Proteine helfen, winzige Strukturen im Gehirn zu stabilisieren, aber die Anhäufung von zu vielen Tau-Proteinen kann schädlich sein. Beim Menschen sind traumatische Hirnverletzungen und die Alzheimer-Krankheit mit einer Ansammlung von Tau verbunden.
„Ich habe viel über Tau-Protein gelernt, als ich Gehirnerschütterungsmanager der Eishockeymannschaft meines Sohnes war“, sagt Hackett. „Ich begann mich zu fragen, warum Eisvögel nicht sterben, weil ihr Gehirn zu Brei wird? Es muss etwas geben, was sie tun, um sie vor den negativen Einflüssen zu schützen, wenn sie wiederholt mit dem Kopf auf der Wasseroberfläche landen.“
Hackett vermutet, dass Tau-Proteine ein zweischneidiges Schwert sein könnten. „Die gleichen Gene, die dafür sorgen, dass die Neuronen in Ihrem Gehirn schön und geordnet bleiben, versagen, wenn Sie als Fußballspieler wiederholt Gehirnerschütterungen erleiden oder an Alzheimer erkranken“, sagt sie. „Ich vermute, dass auf diese Proteine ein starker selektiver Druck ausgeübt wird, um das Gehirn der Vögel auf irgendeine Weise zu schützen.“
Nachdem nun diese korrelierten genomischen Variationen identifiziert wurden, sagt Hackett: „Die nächste Frage ist: Was machen die Mutationen in den Genen dieser Vögel mit den Proteinen, die produziert werden? Welche Formänderungen gibt es? Was wird kompensiert.“ ein Gehirn für die Erschütterungskräfte?“
„Jetzt wissen wir, welche der zugrunde liegenden Gene sich verändern, die zu den Unterschieden beitragen, die wir in der Familie der Eisvögel sehen“, sagt Eliason. „Aber jetzt, da wir wissen, welche Gene wir untersuchen müssen, hat es noch mehr Rätsel aufgeworfen. So funktioniert Wissenschaft.“
Neben einem besseren Verständnis der Eisvogelgenetik und möglichen Auswirkungen auf das Verständnis von Hirnverletzungen ist diese Studie laut Hackett wichtig, weil sie den Wert von Museumssammlungen hervorhebt.
„Eine der Proben, von denen wir in dieser Studie DNA erhalten haben, ist dreißig Jahre alt. Als sie gesammelt wurde, konnten wir nicht annähernd die Art von Analysen durchführen, die wir heute durchführen können – einige dieser Dinge konnten wir noch nicht einmal durchführen.“ vor fünf Jahren“, sagt Hackett. „Es geht auf die Fähigkeit einzelner Exemplare zurück, im Laufe der Zeit neue Geschichten zu erzählen. Und wer weiß, was wir in Zukunft aus diesen Exemplaren lernen können? Deshalb liebe ich Museumssammlungen.“
Mehr Informationen:
Chad Eliason et al., Genomische Signaturen konvergenter Verschiebungen des Tauchverhaltens bei Vögeln, Kommunikationsbiologie (2023).