Die Evolution der Pinguine Als Vögel zu Königen der Meere wurden – eine Geschichte der Gene

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Justus-Liebig-Universität Gießen

Pinguine vereinen zwei Gesichter: An Land die lustig watschelnden Entertainer, doch im Wasser die beeindruckend manövrierenden Leistungsschwimmer. Dass man es hier mit Vögeln zu tun hat, mag man dann schnell vergessen. Ein internationales Forscherteam hat nun die genetischen Anpassungen dieser Tiere an extreme Lebensräume näher untersucht.

Gießen – Lange bevor sich die polaren Eisschilde formten, gab es eine besondere Art von Vögeln, die nach und nach ihre Flugfähigkeit verloren, weil sie stattdessen die Meere für sich entdeckten. Pinguine gehen auf eine über 60 Millionen Jahre dauernde Evolutionsgeschichte zurück, ehe sie die heutigen Überlebenskünstler mit dem komödiantisch wirkenden Watschel-Gang wurden. Ein internationales Forschungsteam unter der Beteiligung von Biologen der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) hat nun die Genome aller Pinguinarten untersucht, um die Evolution dieser hoch spezialisierten Seevögel zu rekonstruieren.

Pinguine haben eine Reihe von Merkmalen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, einige der extremsten Umgebungen der Erde erfolgreich zu besetzen, darunter die Antarktis und das Südpolarmeer. Die in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlichte Studie basiert auf den Genomen aller lebenden und kürzlich ausgestorbenen Pinguinarten sowie auf der Morphologie längst ausgestorbener Arten. Die Autoren kommen zu dem Ergebnis, dass die globale Abkühlung und die großen Meeresströmungen offenbar die Hauptfaktoren für die Evolution und die Ausbreitung der Pinguine in extrem kalten Umgebungen wie den Meeren um der Antarktis waren.

Perfekte Anpassung ans Meer

Anzeichen für Populationsveränderungen und Kreuzungen zwischen eng verwandten Pinguinarten, die in ihren Genomen erhalten geblieben sind, deuten darauf hin, dass die Arten – ausgehend von kleineren Refugien – Landmassen im gesamten Südlichen Ozean neu besiedelten, während das globale Klima zwischen Kalt- und Warmzeiten schwankte. Die Daten aus der Studie ermöglichen es, den detaillierten Evolutionsprozess einzelner Gene und die Genflüsse zwischen den Abstammungslinien aufzudecken.

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Darunter befanden sich eine Reihe von Genen, die wahrscheinlich die hochspezialisierten Wasseranpassungen der heutigen Pinguine unterstützen – darunter solche, die mit Thermoregulation, Sauerstoffversorgung, Tauchen, Sehvermögen, Ernährung, Immunität und Körpergröße zusammenhängen. Mit dem Vergleich der Gene aller Pinguinarten ist ein Blick auf die Entwicklung von Merkmalen möglich, die in Fossilien nicht erhalten sind. So deuten die Analysen daraufhin, dass die Vorfahren der Pinguine ihr Farbensehen vereinfachten und ihre visuelle Empfindlichkeit besser an das blaue Umgebungslicht des Ozeans anpassten, ähnlich wie es bei Walen beschrieben wurde. Die Ergebnisse zeigen, wie gut die Pinguine an den Lebensraum Wasser angepasst sind.

Welche erstaunlichen Früchte die evolutionäre Anpassung der Pinguine trägt, zeigt die Bildergalerie mit 5 Fakten zu Pinguinen:

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Wasser verlangsamt die Evolution

Die Forscher fanden zudem Beweise für eine natürliche Selektion in bestimmten Genen, die wahrscheinlich am Übergang der Pinguinvorfahren zurück ins Wasser beteiligt waren. Zu diesen bemerkenswerten Anpassungen gehört die Frage, wie Pinguine Fett speichern können, um mit eisigen Temperaturen zurechtzukommen, wie sich der Pinguinflügel zu einer Flosse entwickelte, um das Schwimmen und Tauchen zu erleichtern, und wie Pinguine in der Lage sind, den niedrigen Sauerstoffgehalt zu tolerieren, der bei langen Unterwasseraufenthalten auftritt.

Die Studie lieferte auch einige Ergebnisse, die sich mit einer früheren Veröffentlichung der JLU-Wissenschaftlerin Prof. Dr. Petra Quillfeldt decken. Sie fand heraus, dass Pinguine und ihre Schwestergruppe (Albatrosse und Sturmvögel) vergleichsweise niedrige Evolutionsraten unter den Vögeln aufweisen. Offenbar verlangsamt sich die Evolution der Tiere, sobald sie den Lebensraum Wasser nutzen.

Evolutionsdruck in der Kälte

Die aktuelle Studie stellt darüber hinaus fest, dass die Evolutionsraten in dieser Vogelgruppe mit den Umwelttemperaturen zusammenhängen. So stehen die höchsten Evolutionsraten bei Pinguinen im direkten Zusammenhang mit extrem kalten Umgebungen. Führend ist hier der Kaiserpinguin, die einzige Pinguinart, die im antarktischen Winter brütet. Diese Pinguinart weist die höchste Evolutionsrate unter allen existierenden Pinguinarten auf, gefolgt von anderen Pinguinarten der hohen Breitengrade.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Selektionsdruck einer extremen polaren Umwelt in Verbindung mit vergangenen Eiszeiten und Warmzeiten die Entwicklung, Diversifizierung und Ausbreitung von Arten in hohen Breitengraden vorangetrieben hat und im Gegenzug möglicherweise auch dazu beigetragen hat, dass sie sich an die kalten Umgebungen anpassen konnten.

Die Studie ist Teil des internationalen Bird Genome 10K-Projekts, das die Sequenzierung der Genome aller heute lebenden Vogelarten zum Ziel hat.

Originalpublikationen:

Cole TL, Zhou C, Fang M, Pan H, Ksepka DT, Fiddaman SR, Emerling CA, Thomas D, Bi X, Fang Q, Ellegaard MR, Feng S, Smith AL, Heath T, Tennyson AJD, García Borboroglu P, Wood JR, Hadden P, Grosser S, Bost C-A, Cherel Y, Mattern T, Hart T, Sinding M-HS, Shepherd LD, Phillips RA, Quillfeldt P, Masello JF, Bouzat JL, Ryan P, Thompson D, Ellenberg U, Dann P, Miller G, Dee Boersma P, Zhao R, Gilbert MTP, Zhang D-X & G Zhang: Genomic insights into the secondary aquatic transition of penguins, Nat Commun 13, 3912 (2022); DOI: 10.1038/s41467-022-31508-9

Quillfeldt P: Body mass is less important than bird order in determining the molecular rate for bird mitochondrial DNA, Molecular Ecology. 2017 May;26(9):2426-2429; DOI: 10.1111/mec.14103

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