Er leven tegenwoordig duizenden soorten vogels op aarde – van ongeveer 10.000 tot maar liefst 18.000, afhankelijk van hoe je ‘soorten’ definieert. Het fossielenbestand suggereert dat bijna al deze gevederde, vliegende diversiteit ontstond na de laatste grote uitstervingsgebeurtenis 66 miljoen jaar geleden, toen een asteroïde de planeet deed schudden en de niet-aviaire dinosauriërs verdreef. Slechts een paar vogels – kippen, struisvogels en eendachtige wezens – overschreden de grens van uitsterven, wat aanleiding gaf tot een duizelingwekkende reeks moderne vogels: van zangvogels tot kraaien en papegaaien.
Hoe deze snelle evolutie plaatsvond, is echter een al lang bestaand biologisch mysterie. Nieuw onderzoek werpt licht op deze vogelproliferatie. Wetenschappers rapporteren patronen van DNA-verandering in de levensboom van vogels die verband houden met het plotselinge, vurige einde van het Krijt-tijdperk, in een studie die op 31 juli in het tijdschrift werd gepubliceerd Wetenschappelijke vooruitgang. Het is het eerste gepubliceerde bewijs tot nu toe van grote verschuivingen in het genoom van vogels die rechtstreeks het gevolg zijn van uitstervingen, zegt hoofdauteur van het onderzoek Jacob Berv, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Michigan.
[ Related: We were very wrong about birds ]
“We gebruiken nieuwe statistische modellen om dit specifieke soort patroon te ontdekken in reeksen die we voorheen niet konden detecteren”, zegt Berv. Populaire wetenschap. “Het stelt ons in staat om grote veranderingen in het genoom van vogels op een directe en zeer duidelijke manier aan deze massale uitstervingen te koppelen, wat voorheen niet mogelijk was”, voegt hij eraan toe. En deze genetische handtekeningen zijn volgens het onderzoek niet willekeurig. De waargenomen DNA-veranderingen houden verband met veranderingen in lichaamsgrootte en ouderlijke zorg die mogelijk de sleutel zijn geweest tot het succes en de diversificatie van de vogels, volgens een secundaire analyse door Berv en collega’s.
Het uitsterven dat het einde van het Krijt en het begin van het Paleogeen tijdperk markeerde, liet duidelijke tekenen achter. Ten eerste is er de 16,2 kilometer brede Chicxulub-krater in Mexico. Dan is er de K-Pg-grens in het geologische record, een duidelijke laag iridiumrijk gesteente. Uiteraard is er ook sprake van een opvallende afwezigheid Tyrannosaurus rex rond lopen. (Wees echter niet te verdrietig over de dinosaurus, de vogel – tenslotte –Zijn dino’s). Nu hebben onderzoekers een nieuw stukje van de puzzel blootgelegd over hoe invloedrijk een enkele, grote asteroïde op aarde was.
‘Ik denk dat we de mate waarin deze uitstervingsgebeurtenissen de moderne diversiteit bepalen, over het algemeen hebben onderschat’, zegt Nick Longrich, paleontoloog en evolutiebioloog aan de Universiteit van Bath in Engeland. Longrich was niet betrokken bij Bervo’s onderzoek, maar had eerder vogels bestudeerd die de Krijt-Paleogeen-lijn niet overschreden. “We hebben de neiging ons te concentreren op alledaagse, kleine mutaties – wat we micro-evolutie noemen – maar als je terugkijkt op een enorme periode, zul je zien dat deze zeer extreme, zeldzame gebeurtenissen erg belangrijk waren in het aansturen van de evolutie van het leven op aarde. Met het nieuwe onderzoek “is het interessant dat we daar achter kunnen komen”, voegt hij eraan toe.
De wetenschappers gebruikten een computermodel om gedeeltelijke monsters van de genomen van 198 moderne vogelsoorten, verspreid over de hele vogelsoort, te analyseren, verzameld uit museumexemplaren. Gecombineerd met informatie uit het fossielenbestand over het tijdstip van oorsprong van een bepaalde afstammingslijn, waren Berv en zijn collega’s in staat de geschiedenis van evolutionaire overgangen te reconstrueren en “genomische fossielen” te ontdekken.
Soortgelijke analyses uit het verleden hebben de neiging gehad modellen te gebruiken die waren gebaseerd op aannames zoals dat de verhouding tussen A, T, G en G relatief stabiel is tijdens de evolutie, en dat vervangingen slechts willekeurig plaatsvinden. In werkelijkheid zal T echter eerder veranderen in C dan in A, zegt Sonal Singhal, co-auteur van de studie en evolutionair geneticus aan de California State University, Dominguez Hills. De nieuwe studie koos voor een andere aanpak, merkt ze op, met behulp van een model dat deze standaardaannames niet omvatte, maar in plaats daarvan rekening hield met de meest waarschijnlijke veranderingen in de DNA-samenstelling.
Met dit verbeterde model identificeerden ze 17 verschillende, grote veranderingen in de moleculaire samenstelling in hun dataset. Vijftien waren geclusterd binnen 5 miljoen jaar na het uitsterven van K-Pg, en 12 hielden rechtstreeks verband met verschillen tussen vogellijnen. “Het is heel, heel duidelijk dat deze grote veranderingen in [DNA] de composities gebeuren in een zeer kort interval”, zegt Berv.
Van daaruit gebruikte de wetenschapper een machine learning-model om de waargenomen genoomveranderingen te koppelen aan eigenschappen. Ze ontdekten dat deze DNA-veranderingen de lichaamsgrootte en ouderlijke zorg sterk beïnvloedden. In alle taxa die de onderzoekers onderzochten, ontdekten ze dat vogels kleiner werden na de genetische veranderingen die gepaard gingen met de massale uitsterving, en dat kuikens minder volwassen werden bij het uitvliegen en meer afhankelijk werden van ouderlijke zorg. De grootte en korreligheid van het legsel, of het eten van zaden, waren ook significant geassocieerd met de waargenomen DNA-veranderingen.
Het leven in de onmiddellijke nasleep van een enorme asteroïde-inslag is zwaar. Op een dag “ben je gewend aan mooie, zonnige Krijtdagen met prachtige bossen en overvloedig voedsel, en dan zit je plotseling in deze verdomde hel”, zegt Daniel Ksepka, paleontoloog en curator van het Bruce Museum in Connecticut. Xpeka was niet betrokken bij het nieuwe onderzoek, maar heeft eerder de diversiteit van vogels bestudeerd. “Het is heel logisch”, zegt hij, dat de studie zulke veranderingen in eigenschappen zou identificeren die verband houden met uitsterven. populaire wetenschap, waarbij hij opmerkte dat omvang en ouderlijke zorg waarschijnlijk belangrijke eigenschappen waren bij het omgaan met een plotselinge, veel hardere realiteit. Kleinere vogels hebben minder voedsel en brandstof nodig en kunnen met minder overleven. En eerder onderzoek heeft aangetoond dat minder volwassen welpen zich contra-intuïtief ontwikkelen en sneller groeien, wat ook de sleutel kan zijn tot het vergroten van reproductief succes over generaties heen.
De toename van de zaadconsumptie is een bijzonder interessante bevinding, zegt Ksepka. Veel planten stierven of konden niet groeien omdat as aan het einde van het Krijt het zonlicht blokkeerde. Maar de zaden zouden nog minstens een paar jaar een potentiële voedselbron blijven. De opkomst van granivoren in de genetische gegevens ondersteunt bestaande theorieën dat snavelvormige vogels overleefden en zich diversifieerden vanwege hun vermogen om hulpbronnen te exploiteren die anderen niet konden.
Het is al lang bekend dat massale uitstervingen enorme kansen creëren voor nieuwe organismen om te evolueren en ongevulde ecologische niches te bezetten. Een wereld zonder een asteroïde-inslag van 66 miljoen jaar geleden zou bijvoorbeeld waarschijnlijk een wereld zijn met veel minder zoogdieren. Maar waar vaak minder over wordt gesproken, is hoe overblijfselen van de mogelijkheid van uitsterven zich kunnen verankeren en fundamenteel de loop kunnen dicteren van wat er de komende miljoenen en miljoenen jaren zal gebeuren. “De evolutionaire trajecten van de belangrijkste groepen vogels waren gecodeerd en bleven vanaf dat moment vast”, zegt Berv – dit is wat zijn onderzoek laat zien.
[ Related: All living birds share an ‘iridescent’ ancestor ]
Er zijn echter enkele vragen die het nieuwe onderzoek niet beantwoordt. Omdat ze zich baseerden op gedeeltelijke – in plaats van volledige – genomen, merkt Berv op dat de studie geen grote genetische veranderingen identificeert die waarschijnlijk hebben plaatsgevonden als gevolg van de Chicxulub-impact. Hij zou graag teruggaan en een soortgelijke analyse uitvoeren op het niveau van het hele genoom, maar heeft momenteel niet de beschikking over de rekenkracht die hij daarvoor nodig zou hebben.
En er is een foutmarge ingebouwd in genetische modelleringsstudies. Het fossielenbestand is onvolledig, en het analyseren van moderne genetische gegevens door de lens van wat 66 miljoen jaar geleden gebeurde brengt veel onzekerheid met zich mee, zoals blijkt uit recente paradigma-veranderende ontdekkingen. “Deze modellen en pogingen om dingen te reconstrueren. Ze zijn niet Gods waarheid”, zegt Longrich. Hoewel hij denkt dat het onderzoek een overtuigende eerste poging is om deze nieuwe methode te gebruiken en een hypothese te presenteren over hoe de evolutie van vogels zich zou kunnen hebben voorgedaan op de K-Pg-grens, is hij er niet helemaal van overtuigd dat dit het laatste woord is. Wetenschap is een constant, vloeiend proces. En één onderzoek bevestigt de hypothese niet als feit, merkt Longrich op. ‘Ik durf er niet om te wedden dat deze fylogenie correct is. Maar ik durf te wedden dat het bier net zo betrouwbaar is”, zegt hij. “Er zitten fossielen in het krijt die we nog steeds proberen te classificeren. Maar het is een hele interessante eerste stap.”
Naarmate er meer stappen volgen, zullen we een nog diepere kijk krijgen op het verre verleden en hoe dit nog steeds resoneert in het heden. Op een dag kan het ons helpen te ontcijferen wat er gaat komen. “Begrijpen hoe de evolutie van het leven verband houdt met grote veranderingen in de geschiedenis van de aarde is een fundamentele vraag in de biologie”, zegt Berv. Uit sommige onderzoeken blijkt dat er al een nieuwe door de mens veroorzaakte massale uitsterving aan de gang is, en de evolutie van vogels kan ons een routekaart bieden om ons op de gevolgen voor te bereiden. “Als we willen weten hoe het leven zal reageren op huidige en toekomstige gebeurtenissen – zoiets groots als klimaatverandering – is de geschiedenis de enige hulpbron waarop we moeten vertrouwen.”