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Evolution im Vogelreich Der Kolibri – ein Flugwunder durch Genverlust

Quelle: Pressemitteilung Loewe-Zentrum für Translationale Biodiversitätsgenomik (TBG)

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Bei einer so erstaunlichen Fähigkeit wie dem Rückwärtsflug der Kolibris mag man denken, dass sie etwas haben, was andere Vögel nicht haben. Tatsächlich ist aber das Gegenteil ein entscheidender Faktor für die Evolution der Flugakrobaten. Denn eine neue Studie zeigt, dass Kolibris ein bestimmtes Gen abhandengekommen ist.

Kolibris sind Luftakrobaten. Sie können als einzige Vogelart auf der Stelle, seitwärts und sogar rückwärts fliegen.
Kolibris sind Luftakrobaten. Sie können als einzige Vogelart auf der Stelle, seitwärts und sogar rückwärts fliegen.
(Bild: Nicolas Defaux)

Sie zählen zu den kleinsten, aber auch wendigsten Vogelarten der Welt: die auf den beiden amerikanischen Kontinenten beheimateten Kolibris. Häufig kaum größer als ein Daumen, können sie als einzige Vogelart nicht nur vorwärts, sondern auch rückwärts und seitlich fliegen. Während ihres Schwebeflugs schlagen ihre Flügel in einer Sekunde bis zu achtzig Mal. Keine Fortbewegungsart im Tierreich verbraucht mehr Energie – entsprechend läuft ihr Stoffwechsel auf Hochtouren und ist aktiver als bei jedem anderen Wirbeltier. Ihren hohen Energiebedarf decken Kolibris mit dem Zucker aus Blütennektar. Diesen nehmen sie besonders schnell auf: sie besitzen dafür hochaktive Enzyme und können Fruktose ebenso effizient verstoffwechseln wie Glukose – anders als zum Beispiel Menschen.

Dem Zusammenhang, wie dies den Zellen der Flugmuskulatur zugutekommt, die den Schwebeflug der Kolibris ermöglichen, sind nun Forscher unter anderem aus Frankfurt und Dresden auf die Spur gekommen. Für ihre Studie sequenzierten sie das Genom des Langschwanz-Schattenkolibris (Phaethornis superciliosus) und verglichen dieses sowie die Genome weiterer Kolibriarten mit dem Erbgut von 45 anderen Vogelarten, darunter Hühner, Tauben und Adler. Dabei entdeckten sie, dass ein bestimmtes Gen in allen untersuchten Kolibris fehlte: das Gen für das Muskelenzym Fructose-Bisphosphatase 2 – kurz: FBP2. Interessanterweise zeigten weitergehende Untersuchungen, dass es bereits im gemeinsamen Vorfahren aller Kolibris verlorenging, und zwar während eines Zeitraums, in dem sich der typische Schwebeflug entwickelte und die vorrangige Ernährung von Blütennektar begann – vor rund 48 bis 30 Millionen Jahren.

Genetische Evolution eines Flugkünstlers rekonstruiert

„Wir konnten mithilfe von Experimenten in Muskelzellen zeigen, dass das gezielte Ausschalten des FBP2-Gens den Zuckerstoffwechsel steigert“, sagt die Erstautorin der Studie, Dr. Ekaterina Osipova, derzeit Postdoktorandin an der amerikanischen Harvard University und zuvor Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden sowie am Loewe-Zentrum für Translationale Biodiversitätsgenomik (Loewe TGB) in Frankfurt. Weiterhin ergaben die Analysen der Wissenschaftler, dass parallel dazu auch die Anzahl und die Aktivität der für die Energieproduktion wichtigen Mitochondrien steigen. All dies sei bereits in Flugmuskeln von Kolibris beobachtet worden, wie Osipova erläutert.

„Das Enzym FBP2 kommt ausschließlich in Muskelzellen vor“, ergänzt Studienleiter Michael Hiller, Professor für Vergleichende Genomik am Loewe-Zentrum. „Daher deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass der Verlust dieses Gens in den Vorfahren der Kolibris vermutlich einen wichtigen Schritt für Anpassungen des Muskelstoffwechsels darstellt, der für den Schwebeflug erforderlich ist.“

Neben dem Verlust des FBP2-Gens erfolgten vermutlich weitere genomische Veränderungen in Kolibris. So haben Selektionsprozesse bei mehreren anderen Genen, die im Zuckerstoffwechsel eine wichtige Rolle spielen, zu Veränderungen von Aminosäuren bei Kolibris geführt. „Die Bedeutung dieser Genänderungen für die evolutionären Anpassungen im Stoffwechsel der Kolibris können sicherlich weitere Studien und Experimente klären“, sagt Hiller. (clu)

Originalpublikation: Ekaterina Osipova, Rico Barsacchi, Tom Brown, Keren Sadanandan, Andrea H. Gaede, Amanda Monte, Julia Jarrells, Claudia Moebius, Martin Pippel, Douglas L. Altshuler, Sylke Winkler, Marc Bickle, Maude W. Baldwin, Michael Hiller: Loss of a gluconeogenic muscle enzyme contributed to adaptive metabolic traits in hummingbirds, Science, 12 Jan 2023, Vol 379, Issue 6628, pp. 185-190: DOI: 10.1126/science.abn7050

(ID:48998356)

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