Een vlucht vogelgenomen

De diversiteit aan vogels is in de 10 à 15 miljoen jaar na het uitsterven van de meeste dinosauriërs 66 miljoen jaar geleden spectaculair toegenomen. Dat is één van de conclusies van een grootschalig genoomonderzoek bij vogels.

Een internationaal team wetenschappers bracht het genoom van maar liefst 45 vogelsoorten in kaart. Daaronder onder meer kraaien, valken, parkieten, kraanvogels, arenden en de struisvogel. Het genoom van de kip, kalkoen en zebravink was eerder al ontrafeld. Honderden onderzoekers werkten gedurende vier jaar aan het project. Het resultaat is een nieuwe en betere evolutionaire stamboom van de vogels, vandaag goed voor meer dan 10.000 soorten.

Big Bang

Slechts een beperkt aantal vogelsoorten overleefde het massale uitsterven zo’n 66 miljoen jaar geleden. Maar die slaagden er snel in zich te diversifiëren en de vrijgekomen ecologische niches in te nemen. Die evolutionaire ‘big bang’ vormt de basis voor de soortenrijkdom van vogels vandaag. Dat die ‘big bang’ vlak na het verdwijnen van de dinosauriërs plaatsvond, en niet tien tot tachtig miljoen jaar vroeger, zoals sommige studies suggereerden, is volgens hoofdonderzoeker Erich Jarvis (Duke University) een van de grote verdiensten van dit project.

Uit de stamboom blijkt ook dat de voorouder van landvogels zoals papegaaien, zangvogels, spechten, arenden en valken een toppredator moet zijn geweest. ‘Veel weten we over die voorouder niet’, zegt Jarvis. ‘Behalve dat hij behoorde tot de inmiddels uitgestorven groep van de schrikvogels, die ooit Amerika bevolkten en zich voedden met zoogdieren.’ Vandaag zijn seriema’s (foto rechts), een Zuid-Amerikaanse vogelfamilie, de nauwste verwanten van de schrikvogels.

Zonder tanden

Op basis van een analyse van genen die ooit betrokken waren bij de vorming van tanden, achterhaalden de wetenschappers wanneer vogels hun tanden kwijtraakten. Sinds de vondst van een Archaeopteryx in 1861, was immers duidelijk dat de huidige vogels afstammen van voorouders met tanden.

De onderzoekers keken naar de genen die instaan voor de vorming van dentine – tandbeen – en glazuur, en gingen in het genoom van de 48 vogelsoorten op zoek naar mutaties die de genen uitschakelen. Alle soorten bleken over die mutaties te beschikken. Volgens de onderzoekers waren ze al aanwezig bij een gemeenschappelijke voorouder, zo’n 116 miljoen jaar geleden.

De wetenschappers vermoeden dat het verlies van tanden en de vorming van een bek simultaan plaatsvonden. Tanden zouden eerst in het voorste deel van de onder- en bovenkaak verdwenen zijn. In een tweede stadium verdwenen ook de achterste tanden en ontwikkelde een hoornige bek zich van voor naar achter, om uiteindelijk te resulteren in de snavels die we vandaag kennen.

Trage evolutie

Een team wetenschappers bracht het genoom van drie krokodilachtigen in kaart: de Amerikaanse alligator, de zoutwaterkrokodil en de gaviaal. Krokodilachtigen zijn de nauwste nog levende verwanten van vogels, waarmee ze zo’n 240 miljoen jaar geleden een gemeenschappelijke voorouder deelden. Ook de dinosauriërs stammen van die voorouder af.

De onderzoekers konden het genoom van die voorouder voor de helft reconstrueren. Dat moet helpen om de evolutie van de zogenoemde archosauriërs beter te begrijpen, de groep waartoe de dinosauriërs, pterosauriërs (uitgestorven vliegende reptielen), krokodilachtigen en vogels behoren.

Uit het onderzoek bleek onder meer dat het genoom van de krokodilachtigen uitzonderlijk traag evolueert, een grootte-orde trager dan dat van zoogdieren. Volgens hoofdonderzoeker Ed Green (UC Santa Cruz) ligt dat aan de trage voortplanting van de dieren. ‘Generaties volgen elkaar niet snel op, waardoor het genoom minder vaak wordt gekopieerd. De lichaamsbouw van krokodilachtigen is miljoenen jaren vrijwel niet veranderd.’

Zang en veren

Ook het vogelgenoom verschilt fundamenteel van het zoogdiergenoom. Zo is het ongeveer 70% kleiner. Het genoom van vogels bevat niet alleen minder zogenoemd junk-DNA, dat geen genen bevat die voor eiwitten coderen, in de loop van de evolutie zijn bovendien honderden genen verloren gegaan. Het verlies van die genen heeft volgens de onderzoekers een cruciale rol gespeeld bij het ontstaan van de bijzondere eigenschappen van vogels. Daarnaast zou een kleiner genoom leiden tot hogere energetische efficiëntie, een troef bij het vliegen.

Net als mensen en een vrij select clubje andere diersoorten zijn zangvogels, kolibries en papegaaiachtigen in staat door imitatie nieuwe geluiden te leren. Dat die eigenschap in zoogdieren en vogels onafhankelijk is ontstaan, was al geweten. Dat het brein van soorten die daartoe in staat zijn anders in elkaar zit – met andere verbindingen tussen hersengebieden – ook.

De wetenschappers toonden aan dat de eigenschap ook bij vogels minstens twee keer onafhankelijk is ontstaan en ze konden een vijftigtal genen aanwijzen die voor die veranderingen in het brein verantwoordelijk zijn. ‘Dat die genen ook bij de mens voorkomen, helpt niet alleen te begrijpen hoe ons spraakvermogen is geëvolueerd, maar maakt van zangvogels ook een geschikt moleculair model om het spraakvermogen te bestuderen’, aldus Andres Pfenning (MIT), die dit deel van het onderzoek coördineerde.

De genen die verantwoordelijk zijn voor de kleur van het verenkleed, blijken ongelijk verdeeld in de vogelwereld. Watervogels zijn het slechtst bedeeld. Landvogels beschikken over twee keer zoveel van die genen, soorten die het tot huisdier hebben geschopt hebben er maar liefst acht keer zoveel.

De onderzoekers die betrokken waren bij het project werken nu aan een database die toegankelijk zal zijn voor alle wetenschappers die de genetica van vogels willen onderzoeken.