Wetenschap
Hoe evolutie de magnetische sensor bij vogels heeft geoptimaliseerd
Trekvogels kunnen met verbazingwekkende nauwkeurigheid navigeren en zich oriënteren met behulp van verschillende mechanismen, waaronder een magnetisch kompas. Een team onder leiding van biologen dr. Corinna Langebrake en prof. dr. Miriam Liedvogel van de Universiteit van Oldenburg en het Instituut voor Vogelonderzoek "Vogelwarte Helgoland" in Wilhelmshaven heeft nu de genomen van enkele honderden vogelsoorten vergeleken en verder bewijs gevonden dat een specifieke eiwit in de ogen van vogels is de magnetoreceptor die aan dit proces ten grondslag ligt.
De onderzoekers ontdekten dat er significante evolutionaire veranderingen hebben plaatsgevonden in het gen dat codeert voor het eiwit cryptochroom 4 en dat bepaalde groepen vogels dit gen volledig verloren hebben.
Deze bevindingen zijn indicatief voor aanpassing aan wisselende omgevingsomstandigheden en ondersteunen de theorie dat cryptochroom 4 functioneert als een sensoreiwit.
Aanleiding voor het onderzoek is onderzoek aan de universiteiten van Oldenburg en Oxford (VK), waaruit blijkt dat magnetoreceptie gebaseerd is op een complex kwantummechanisch proces dat plaatsvindt in bepaalde cellen in het netvlies van trekvogels.
In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature in 2021 presenteerde het Duits-Britse team bevindingen waaruit bleek dat het zeer waarschijnlijk was dat cryptochroom 4 de magnetoreceptor was waarnaar ze op zoek waren:ten eerste konden ze bewijzen dat het eiwit aanwezig is in het netvlies van de vogels, en ten tweede, zowel experimenten met bacterieel geproduceerde eiwitten als modelberekeningen lieten zien dat cryptochroom 4 het vermoedelijke kwantumeffect vertoont als reactie op magnetische velden.
Interessant genoeg heeft het onderzoek ook aangetoond dat deze eiwitten aanzienlijk gevoeliger zijn voor magnetische velden bij roodborstjes, trekvogels, dan bij kippen en duiven, die hier verblijven.
"Daarom moet de reden waarom cryptochroom 4 gevoeliger is bij roodborstjes dan bij kippen en duiven gevonden worden in de DNA-sequentie van het eiwit", zegt Langebrake, die de hoofdauteur was. "De volgorde werd waarschijnlijk geoptimaliseerd door evolutionaire processen bij deze nachtelijke trekvogels."
In de huidige studie onderzocht het team onder leiding van Langebrake en Liedvogel daarom voor het eerst magnetoreceptie vanuit een evolutionair perspectief. De onderzoekers analyseerden de cryptochroom 4-genen van 363 vogelsoorten, variërend van de kleine gevlekte kiwi tot de zangmus.
Ten eerste vergeleken ze de evolutiesnelheid van het eiwit met die van twee verwante cryptochromen en ontdekten dat de gensequenties van de cryptochromen die ter vergelijking werden gebruikt bij alle vogelsoorten zeer vergelijkbaar waren:ze lijken in de loop van de evolutie heel weinig veranderd te zijn. Dit is hoogstwaarschijnlijk te wijten aan hun sleutelrol bij het reguleren van de interne klok – een mechanisme dat essentieel is voor alle vogels en waarbij aanpassingen extreem negatieve effecten zouden hebben.
Cryptochroom 4 bleek daarentegen zeer variabel te zijn. "Dit suggereert dat het eiwit belangrijk is voor aanpassing aan specifieke omgevingsomstandigheden", legt Liedvogel uit, hoogleraar ornithologie aan de Universiteit van Oldenburg en directeur van het Institute of Avian Research. De resulterende specialisatie zou magnetoreceptie kunnen zijn. "Een soortgelijk patroon is waargenomen bij andere sensorische eiwitten, zoals lichtgevoelige pigmenten in het oog", legt ze uit.
Vervolgens gingen de onderzoekers dieper in op de evolutie van de gensequentie voor chryptochroom 4 in de evolutionaire geschiedenis van vogels. De resultaten brachten de wetenschappers tot de conclusie dat vooral in het geval van de zangvogel (Passeriformes) het eiwit door snelle selectie is geoptimaliseerd. "Onze resultaten geven aan dat evolutionaire processen ertoe hadden kunnen leiden dat cryptochroom 4 zich specialiseerde als magnetoreceptor bij zangvogels", zegt Langebrake.
Een andere interessante bevinding was dat in drie soorten tropische vogels – papegaaien, kolibries en Tyranni (Suboscines), ook bekend als tirannen – de informatie voor cryptochroom 4 verloren is gegaan in het evolutionaire proces, wat betekent dat deze vogels niet in staat zijn het eiwit te produceren. . Dit geeft aan dat het geen cruciale rol speelt in hun overleving. Hoewel papegaaien en kolibries sedentair zijn, zijn sommige tirannen echter langeafstandsmigranten die, net als kleine Europese zangvogels, zowel overdag als 's nachts vliegen.
"Het feit dat ze, in tegenstelling tot roodborstjes, niet over cryptochroom 4 beschikken, maakt ze tot een ideaal systeem voor het onderzoeken van verschillende hypothesen over magnetoreceptie", zegt Langebrake.
Een interessante vraag hier is:hebben de Tyranni een magnetisch zintuig ontwikkeld dat onafhankelijk van cryptochroom 4 werkt? Of kunnen ze zich oriënteren zonder magnetisch zintuig?
Een andere mogelijkheid is dat hun magnetische waarneming dezelfde kenmerken heeft als die van roodborstjes, die lichtafhankelijk zijn en bijvoorbeeld door radiogolven kunnen worden verstoord. “De eerste twee scenario’s zouden de cryptochroom 4-hypothese sterk bevestigen, terwijl het derde een probleem zou vormen voor de theorie”, benadrukt de bioloog.
Als volgende stap is het onderzoeksteam daarom van plan de magnetische oriëntatie in Tyranni te onderzoeken en te verduidelijken of ze al dan niet een magnetisch gevoel hebben. "De Tyranni-clade biedt ons een natuurlijk hulpmiddel om de functie van cryptochroom 4 en het belang van magnetoreceptie bij trekvogels te begrijpen", zegt Liedvogel, waarmee hij een startpunt schetst voor verder onderzoek.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences .