Als die Dinosaurier ausstarben, wurde der Weg frei für die Vögel – die ohnehin die direkten Nachfolger bestimmter Raubsaurier sind. In geologisch kurzer Zeit explodierte ihre Artenzahl, die sie zu einer der vielfältigsten Wirbeltiergruppen macht, die heute auf der Erde leben. Das ist eines der Ergebnisse der bislang umfangreichsten Genomanalyse, die Biologen gemacht haben.

Zwar untersuchten die Forscher um Guojie Zhang von der Nationalen Genbank am BGI in China, Erich Jarvis von der Duke University, Thomas Gilbert vom Naturkundlichen Museum Dänemarks und Alexandros Stamatakis vom Heidelberger Institut für Theoretische Studien nur das Genom von 48 Vogelarten, doch stammten diese aus allen wichtigen Abstammungslinien heutiger Vögel – darunter Raben und andere Singvögel, Enten, Papageien, Adler, Spechte, Kraniche und Ibisse. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten, die den Stammbaum mit Hilfe einzelner Gene und Gensequenzen beziehungsweise basierend auf anatomischen und Verhaltensstudien entwickelten, betrachteten Zhang und Co das gesamte Erbgut der jeweiligen Spezies.

Für ihre Studie zum Vogelstammbaum analysierten 200 Biologen weltweit 48 Vögel aus den unterschiedlichsten Familien und Gattungen.
© AAAS / Carla Schaffer
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernMuseumssammlung
Für ihre Studie zum Vogelstammbaum analysierten 200 Biologen weltweit 48 Vögel aus den unterschiedlichsten Familien und Gattungen.

Da sich die modernen Vögel jedoch sehr rasch entwickelten und in immer neue Arten aufspalteten, unterscheiden sich viele der einzeln untersuchten Gene kaum. Dadurch lässt sich nur schwer und ungenau ermitteln, wie sich der Stammbaum ursprünglich verzweigte. Gerade die Gene, die Proteine kodieren, führten in die Irre, so Erich Jarvis, der eine der Hauptstudien in "Science" anleitete. Stattdessen müsse man ebenso auf nichtkodierende DNA-Bereiche sowie DNA-Sequenzen zwischen einzelnen Genen blicken. Insgesamt bezogen die Forscher pro Spezies etwa 14 000 Gene in ihre Analyse ein.

Der Falke zum Papagei

Mit diesem riesigen Datensatz und nach umfangreichen Computerberechnungen – laut Stamatakis benötigte man für die Ergebnisse eine Rechenleistung von 300 Prozessorjahren – rüttelten die Biologen kräftig am Stammbaum der Vögel. So teilen sie die modernen Vögel, die Gruppe der Neoaves, in zwei Untergruppen auf: die Columbea – die viele Nichtsingvögel umfasst – und die Passerea, die echten Singvögel. Diese Aufspaltung hatte zuvor noch keine evolutionäre Beachtung gefunden.

Bei den Columbea finden sich nun beispielsweise die Flamingos, die damit deutlich näher verwandt mit den Tauben als mit Pelikanen sind, obwohl sie sich in Aussehen und Verhalten auffällig von Felsen- oder Kronentauben unterscheiden. Die bislang häufig den Greifvögeln nahe gestellten Falken stehen wiederum den Papageien und sogar Singvögeln nahe, obwohl sie wie viele Adler ihre Beute aus der Luft jagen und entsprechende anatomische Ähnlichkeiten aufweisen. Der bizarre Hoatzin aus dem Amazonasbecken, dessen Jungtiere noch Krallen an den Flügelknochen besitzen, gehört zu den Kranichen und Regenpfeifern, denen er überhaupt nicht ähnelt. Manche dieser Resultate bestätigen frühere Stammbaumänderungen, deren Ergebnis angezweifelt wurde.

Überhaupt zählen zu den Neoaves rund 95 Prozent aller heute lebenden Vogelarten. Diese Linie hat sich innerhalb von 15 Millionen Jahren nach dem Aussterben der Dinosaurier (das vor etwa 66 Millionen Jahren stattfand) nahezu explosionsartig aufgespaltet: Die besetzten damit rasch die frei gewordenen ökologischen Nischen, die das Verschwinden ihrer Verwandtschaft hinterlassen hatte. Dieses Ergebnis widerspricht allerdings älteren Studien, die das Aufkommen der Neoaves 10 bis 80 Millionen Jahre früher datiert. Tatsächlich hatten auch nur sehr wenige Vogellinien das Massensterben am Ende der Kreidezeit überlebt, doch diese nutzten anschließend die Gunst der Stunde.

Die bislang umfangreichste Genomuntersuchung der Vogelfamilie wirbelte den Stammbaum stark durcheinander.
© AAAS / Carla Schaffer
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernVogelbälger
Die bislang umfangreichste Genomuntersuchung der Vogelfamilie rüttelte kräftig am Stammbaum.

Ein Topprädator als Urvogel

Nur wenige Arten der Laufvögel und Steißhühner zählen dagegen zu den Urkiefervögeln (Palaeognathae), die den ältesten Zweig des Stammbaums bilden. Einen weiteren früh abgespaltenen Ast besetzen die Hühnervögel und Enten. Letztere bilden auch ein Musterbeispiel für konvergente Evolution, die zu unterschiedlichen Zeiten Arten mit ähnlichen Anpassungen hervorbrachte: Die verschiedenen Wasservögel lassen sich auf drei Ursprünge zurückführen.

Eine Überraschung hält auch der gemeinsame Vorfahr von so harmlosen Vögeln wie den Kolibris, Papageien oder Sperlingen parat: Wie Adler oder Falken gehen sie wahrscheinlich auf einen gleichen Vorfahren zurück – den die Forscher als Spitzenraubtier seiner Zeit betrachten. Weniger erstaunlich ist hingegen, dass dieser wohl auch der Urahn der Terrorvögel war, die im Miozän vor 20 Millionen Jahren die südamerikanischen Steppen dominierten.

Perfekt ist der neue Stammbaum allerdings auch nicht: Sechs der insgesamt 46 Verzweigungslinien konnten bisher nicht eindeutig bestimmt werden. Der Platz der Eulen etwa ist noch nicht festgelegt. Auch das sei eine Folge der raschen Aufspaltung, so die Biologen: Die zügige Evolution erzeugte einen Flickenteppich aus neuen Genabschnitten und Sequenzen, die sich verschiedene Familien teilen – was die Analyse entsprechend erschwert.

Kleines Genom

Dabei sind die Genome der Vögel insgesamt recht klein, wie eine zweite Studie von Zhang und Co zusammenfasst. Verglichen mit den relativ nahe verwandten Reptilien besitzen sie weniger repetitive DNA und verloren hunderte Gene etwa verglichen mit einer Anolisechse. Noch deutlicher sind die Differenzen zu den Säugetieren, da die Vogelgenome um rund 70 Prozent kleiner ausfallen. Ihnen fehlen etwa Gene, die beim Menschen wichtige Rollen bei der Fortpflanzung, dem Skelettaufbau und der Ausbildung der Lunge spielen. "Das beeinflusste wahrscheinlich nachhaltig die Entwicklung der zahlreichen unterschiedlichen Erscheinungsformen der Vögel. Normalerweise denken wir, dass Innovationen aus neu entstandenem Genmaterial hervorgehen – und nicht aus dessen Verlust. Doch manchmal ist weniger wohl mehr", so Zhang. Sie brachten aber auch einzigartige Gene hervor, die mit ihren Federn zusammenhängen.

Bei vielen Abstammungslinien blieb die Genomstruktur teilweise mehr als 100 Millionen Jahre intakt. Überhaupt läuft die Genevolution beim Federvieh deutlich langsamer ab als beispielsweise bei den Säugetieren – wenn man von einzelnen Bereichen des Genoms absieht. Darunter fällt unter anderem der Abschnitt, der mit dem Gesang der Vögel zusammenhängt.

Der Gesang der Vögel

Die Fähigkeit zum erlernten Gesang entstand mindestens dreimal an den Abspaltungen, die hin zu Singvögeln, Papageien und Kolibris führten – was bei Letzteren überrascht, da diese nicht durch besonders lautmalerische Töne auffallen. Wie beim Menschen ist dafür das Gen FOXP2 verantwortlich.

Die Sprachregionen im Hirn von Menschen und Vögeln machten dabei ebenfalls eine konvergente Entwicklung durch, die zu veränderter Aktivität bei 50 Genen führte – viele davon sind an der Bildung neuer Synapsen beteiligt. Während diese Neurone beim Singen und Erlernen von Gesang beziehungsweise Sprache kräftig feuern, tut sich hier im Hirn von Makaken oder Tauben kaum etwas: Beide verfügen über weniger ausgefeilte Kommunikationsmittel. Ohnehin verlassen sich Vögel wie Menschen auf ähnliche Hirnareale bei der Kommunikation. Welche Bedeutung der Gesang für die Tiere hat, zeigt sich daran, welch hoher Anteil des Genoms vom Singen zumindest reguliert wird: Als sich Wissenschaftler um Osceola Whitney von der Duke University um die Genaktivität im Hirn zwitschernder Zebrafinken kümmerten, identifizierten sie mehr als 2700 Gene, die dadurch reguliert wurden – etwa zehn Prozent des gesamten Genoms. Sie verteilten sich in spezifischen Mustern auf alle vier Hirnareale, die mit den Lautäußerungen in Verbindung gebracht werden.

Bei den Papageien ist das Gesangssystem sogar noch komplexer, wie Mukta Chakraborty von der Duke University und ihre Kollegen herausgefunden haben. Denn es besteht nicht nur aus der üblichen Struktur im Hirn, wie sie sich auch bei den Singvögeln findet, sondern um das Gesangszentrum befindet sich noch ein zweites, einzigartiges Sprachzentrum. Dieses erkläre womöglich, warum Papageien in der Lage sind, menschliche Sprache zu imitieren, so die Biologen.

Zähne und Geschlechter

Das Geschlecht der Vögel wird durch die so genannten Z- und W-Chromosomen bestimmt, wobei das "W" die Weibchen bestimmt, so wie das Y-Chromosom viele männliche Säugetiere charakterisiert. Viele Säugetiere – inklusive der Menschenmänner – teilen sich eine ähnliche Evolutionsgeschichte ihres Y-Chromosoms, das mittlerweile viele degenerierte und funktionslose Gene aufweist. Doris Bachtrog von der University of California und ihre Kollegen zeigen hingegen, dass etwa die Hälfte aller Vogelarten immer noch sehr viele aktive Gene auf ihrem W-Chromosom besitzen. Dies widerspreche gängigen Meinungen, dass es wie das Y-Chromosom ein "Friedhof für Gene" sei, so die Biologin.

Allerdings ist die Bandbreite unterschiedlicher W-Chromosomen unter den Vögeln deutlich größer als unter den Säugern: Die stammesgeschichtlich alten Laufvögel wie Strauß und Emu ähneln diesbezüglich noch ihren Sauriervorfahren, während moderne Linien wie die Singvögel deutlich weniger aktive Gene auf ihrem W-Chromosom aufweisen. Und das eröffne Erklärungsansätze, warum in der Vogelwelt so viele äußerliche Geschlechtsunterschiede auftreten könnten, sagen Bachtrog und Co: Sie reichen von den drastischen Gegensätzen zwischen dem prächtigen männlichen Pfau und den eher dezenten Pfauweibchen bis hin zu den praktisch nicht unterscheidbaren Krähenvögeln. Darüber hinaus existieren noch Arten, die eine Art Penis besitzen wie verschiedene Enten, während beim großen Rest die männlichen Geschlechtsorgane völlig nach innen verlegt wurden.

Eindeutig festlegen lässt sich dagegen der Verlust der Zähne, der beim gemeinsamen Vorfahr aller heutigen Vögel vor etwa 116 Millionen Jahren vonstattenging: Sie bauen stattdessen auf verhornte Schnäbel und kräftige Muskelmägen, die teilweise mit Hilfe verschluckter Steinchen die aufgenommene Nahrung zerkleinern. "Seit der Archaeopteryx 1861 entdeckt wurde, stand fest, dass der Ururahn der Vögel Zähne besaß. Wann und wie sie verloren gingen, blieb allerdings bis heute unklar", sagt Mark Springer von der University of California in Riverside. Nun ist klar, dass die Zahnlosigkeit sich nicht mehrmals unabhängig voneinander entwickelte, sondern nur einmal stattfand. Innerhalb kurzer Zeit wurden dabei fünf für die Zahnbildung verantwortliche Gene abgeschaltet, während sich gleichzeitig der harte Schnabel herauszubilden begann. Auch hier zeigt sich eine große Vielfalt an Schnabelformen, die ebenfalls die hohe Diversität der Vögel ermöglichte: vom Hakenschnabel der Papageien und Adler bis hin zum sackartig erweiterten Mundwerkzeug der Pelikane.

Leistenkrokodil im australischen Sumpf
© Sally Isberg, University of Sydney
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernLeistenkrokodil
Krokodile sind die nächsten Verwandten der Vögel. Im Gegensatz zu diesen sehen alle heutigen Arten aber praktisch noch so aus wie ihre Vorfahren vor 50 Millionen Jahren.

Krokodile und Artenschutz

Die engsten heute noch lebenden Verwandten der Vögel sind übrigens die Krokodile, die evolutionär den Federtieren näherstehen als etwa den Echsen oder Schlangen. Grund genug für Ed Green von der University of California in Santa Cruz und Co, sich deren Erbgut anzusehen – das sich im Lauf der letzten Jahrmillionen extrem langsam verändert hat. "Die molekulare Uhr der Krokodile tickt viel langsamer als in allen anderen Abstammungslinien, die wir bislang betrachtet haben", sagt Green. "Säugetiere etwa veränderten sich sehr viel schneller. Wir können also bei den Krokodilen sehr viel weiter in ihre genetische Vergangenheit blicken." Vom gemeinsamen Vorfahren von Vögeln und Krokodilen beschleunigte sich also die Evolution bei den Vögeln, während sie bei ihren Verwandten gemächlich voranschritt.

Das spiegelt sich auch im Körperbau der Panzerechsen wider, der sich in den vergangenen 50 bis 60 Millionen Jahren kaum verändert hat: Die Tiere sehen heute noch weit gehend so aus wie ihre Ahnen. Diese langsame Entwicklung ermöglicht zudem den Blick auf vergangene Bestandsgrößen, denn wenn Arten auf wenige Exemplare reduziert werden, gehen sie durch einen genetischen Flaschenhals, der Spuren im Erbgut hinterlässt. "Große, kaltblütige Reptilien fanden die Erde während der Warmzeiten wie dem Pliozän angenehmer. Die Abkühlung während der pleistozänen Eiszeiten bedeutete für sie hingegen schlechte Nachrichten", erklärt Green. Dementsprechend brachen während der letzten Kälteperiode die Populationen von Krokodilen und Gavialen zusammen, und selbst die Alligatoren, die heute noch in gemäßigten Gefilden leben, nahmen an Zahl ab.

Die schnellere Mutationsrate bei den Vögeln wiederum birgt Hoffnung für bedrohte Arten. Das zumindest deuten Daten an, die ein Team um Shengbin Li von der Xi'an Jiatong University analysiert hat: Sie betrachteten das Genom von Arten wie dem ostasiatischen Schopfibis oder dem nordamerikanischen Weißkopfseeadler, die in der Vergangenheit starke Bestandseinbußen erlitten hatten und sich mittlerweile wieder etwas erholt haben. Gene, die künstliche Umweltgifte zerlegen, wiesen demnach eine höhere Mutationsrate auf, dagegen war die genetische Grundlage des Immunsystems verarmt. Beim Schopfibis entwickelten sich zudem die Gene rascher weiter als der Rest, die Gehirnfunktionen und den Stoffwechsel steuern. Insgesamt weisen diese bedrohten Arten mittlerweile wieder eine größere Genomvielfalt auf als erwartet. Und das macht den Biologen Hoffnung für den Erhalt der Vögel.