Klimawandel löste seltene Evolutionsschübe bei Sperlingsvögeln aus

Sitzvögel entwickelten ihre Körperformen in seltenen, abrupten Schüben, die mit Phasen tiefgreifender Veränderungen des Erdklimas zusammenfielen. Eine neue Studie zeichnet rund 50 Millionen Jahre der Veränderung ihrer Skelette nach. Der überwiegende Teil dieser Entwicklung konzentrierte sich auf wenige kurze Abschnitte, statt sich gleichmässig über die Zeit zu verteilen.

Dasselbe Muster zeigt sich in den heutigen Verbreitungsgebieten dieser Vögel. Arten in kalten, stark saisonalen Regionen nahe den Polen entwickeln sich schneller als ihre Verwandten in Äquatornähe. Das deutet darauf hin, dass klimatische Umbrüche wiederholt neue Körperformen hervorgebracht haben könnten.

15.000 Vogelskelette im Blick

Bei den Vögeln handelt es sich um Sperlingsvögel – jene Ordnung der Sitzvögel, zu der Spatzen, Finken, Grasmücken und Krähen gehören. Mehr als die Hälfte aller heute lebenden Vogelarten zählt zu dieser einzigen Gruppe. Gerade diese aussergewöhnliche Vielfalt macht sie zu einem geeigneten Modell, um zu untersuchen, wie Körperbaupläne entstehen und sich über lange Zeiträume verändern.

Um diese Geschichte zu verfolgen, mussten Knochen vermessen werden – sehr viele Knochen. Das Forschungsteam erfasste mehr als 170.000 einzelne Skelettmessungen von mehr als 2.000 Arten. Eine händische Auswertung hätte ein ganzes Berufsleben beansprucht. Deshalb nutzten die Forschenden ein KI-Werkzeug namens Skelevision. Es fotografiert jedes Exemplar vor einem gerasterten Hintergrund, der einen einheitlichen Massstab vorgibt. Anschliessend misst es anhand des Bildes ein Dutzend Knochen.

Geleitet wurde das Projekt von Jacob S. Berv, Postdoktorand an der University of Michigan (U-M). Er arbeitete mit dem leitenden Autor Brian Weeks zusammen, einem ausserordentlichen Professor an der U-M. Das Labor von Weeks entwickelte Skelevision über sieben Jahre gemeinsam mit einer Gruppe für Computer Vision an der New York University (NYU).

Der Umfang des Datensatzes ist bemerkenswert. „Ich denke, der schiere Umfang eines solchen Datensatzes ist in diesem Wissenschaftsbereich bis zu einem gewissen Grad beispiellos“, erklärte Berv in einer E-Mail an Earth.com.

Die meisten der rund 15.000 Museumsexemplare stammten aus dem U-M Museum of Zoology. Jeder Scan dauert etwa 45 Sekunden. In diesem Tempo lässt sich eine Schublade voller Skelette, die jahrzehntelang unberührt geblieben ist, innerhalb weniger Tage digitalisieren.

Evolution der Sperlingsvögel verlief in seltenen Schüben

Berv entwickelte eine statistische Methode namens bifrost, die das gesamte Skelett als zusammenhängendes System betrachtet. Sie bewertet nicht jeden Knochen isoliert. Ein längerer Flügel geht meist mit weiteren Veränderungen an anderen Körperteilen einher. Das Modell rekonstruiert die Abfolge jener Veränderungen, aus denen die heute lebenden Vögel hervorgegangen sein könnten.

Bei Anwendung auf den Stammbaum der Sperlingsvögel ergab das Modell ein unausgewogenes Bild. Die Veränderungen erfolgten nicht kontinuierlich mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Stattdessen bündelten sie sich in wenigen seltenen, kräftigen Schüben nahe den Ursprüngen grosser Gruppen.

Zwischen diesen Schüben lagen lange, ruhige Zeiträume mit kaum merklichen Veränderungen. Biologinnen und Biologen hatten bereits im Fossilbericht Hinweise auf dieses pulsierende Muster erkannt. Dass es nun bei einer riesigen Gruppe lebender Vögel so deutlich sichtbar wird, ist neu.

Diese Entwicklungsschübe passen zu einer hundert Jahre alten biologischen Idee. Erreicht eine Abstammungslinie neues Gebiet, kann sie sich rasch in viele Formen aufspalten. Dasselbe gilt, wenn sie eine neue Lebensweise erschliesst. Biologinnen und Biologen bezeichnen diesen Vorgang als adaptive Radiation. Das Tempo verlangsamt sich in der Regel, sobald die verfügbaren Möglichkeiten ausgeschöpft sind.

„Das ist für die Evolutionstheorie wirklich wichtig, denn es gibt eine 100 Jahre zurückreichende Forschungsgeschichte, die vorhersagt, dass die Entstehung neuer Gruppen, sogenannter evolutionärer Radiationen, oft mit einem explosiven Diversifizierungsschub verbunden ist“, sagte Berv.

Die Vorstellung, dass die Umwelt Spuren in Vogelskeletten hinterlässt, ist nicht neu. Eine frühere Studie hatte bereits Signale von Klima und Lebensraum in ihrer Gestalt festgestellt. Diese Arbeit ergänzt nun den zeitlichen Aspekt: Sie zeigt, wann die Schübe auftraten und wie sie mit dem Zustand des Planeten zusammenhängen.

Klima prägte die Evolution der Vögel

Die Schübe lassen sich auch zeitlich einordnen. Die stärkste Welle der Veränderung fiel in die Zeit vor rund 35 Millionen Jahren. Diese Phase ist als Eozän-Oligozän-Übergang bekannt. Die Erde kühlte stark ab, und an den Polen begann sich Eis zu bilden.

Um etwa 15 Millionen Jahre vor heute folgte während einer weiteren bedeutenden Veränderung des Miozän-Klimas eine Häufung von Verlangsamungen. Die zeitliche Übereinstimmung ist auffällig, auch wenn die Studie nicht beweist, dass die Abkühlung die Schübe verursachte. Sie zeigt vielmehr, dass sich das Evolutionstempo und der Klimazustand gemeinsam auf und ab bewegten.

Andere Untersuchungen weisen in dieselbe Richtung. Eine grosse Studie zu Vögeln und Säugetieren kam zu einem ähnlichen Ergebnis. Die Körpergrösse entwickelte sich während der Kältephasen der vergangenen 66 Millionen Jahre am schnellsten – nicht in den warmen Abschnitten. Kalte Zeiträume scheinen das Veränderungstempo also zu beschleunigen, statt es zu bremsen.

Die seltenen, starken Beschleunigungen zusammen mit vielen kleinen Verlangsamungen entsprechen einer Welt, in der Vogelgruppen immer wieder neue ökologische Möglichkeiten erschliessen. Sie würden „neue ökologische Räume erkunden und sich rasch verändern, um diese Gelegenheit zu nutzen“, sagte Weeks.

Kalte Regionen beschleunigten die Evolution

Danach verlagerte das Team den Fokus von der Zeit zur Geografie. Es kartierte dieselben Skelettdaten weltweit. Das Ergebnis zeigte, dass der Lebensraum eines Vogels vorhersagt, wie schnell sich seine Körperform entwickelt. Gemeinschaften in Richtung der Pole, wo die Temperaturen zwischen den Jahreszeiten stark schwanken, umfassen tendenziell Arten mit schnellerem Wandel. In Äquatornähe verändern sich die Arten langsamer.

Das entspricht früheren Erkenntnissen zu Vögeln. Eine Studie stellte fest, dass Vogelarten in hohen Breitengraden bestimmte Merkmale rascher entwickeln als ihre tropischen Verwandten. Die stärkeren Klimaschwankungen, denen sie ausgesetzt sind, scheinen dafür verantwortlich zu sein. Das neue Ergebnis überträgt diese Idee von einzelnen Merkmalen auf die Form des gesamten Skeletts.

Arten hoher Breitengrade wiesen zudem einen subtileren Unterschied auf. Ihre Skelette waren modularer aufgebaut: Verschiedene Teile konnten sich unabhängiger voneinander verändern, statt sich stets gemeinsam zu wandeln. Diese Flexibilität könnte es den Körpern ermöglichen, schneller auf instabile Umweltbedingungen zu reagieren.

Dieses Muster für das gesamte Skelett war zuvor noch nicht kartiert worden. Auf Nachfrage von Earth.com zu weiteren Ergebnissen der Studie sagte Berv: „Soweit wir wissen, ist dies das erste Mal, dass dieses globale Muster bei Vögeln dokumentiert wurde, und wir glauben, dass es eine bedeutende Entdeckung sein könnte.“

Weeks hofft, dass die Arbeit die Geschwindigkeit von Veränderungen der Körperform mit einem der ältesten Rätsel der Ökologie verknüpfen wird. Nahe dem Äquator gibt es deutlich mehr Arten als an den Polen, doch die Ursache dafür ist noch nicht vollständig geklärt.

Hinweise für eine wärmere Welt

Vor dieser Arbeit beruhte die Annahme eines schubartigen Verlaufs der Sperlingsvogel-Evolution vor allem auf Rückschlüssen aus verstreuten Fossilien. Die Skelettmessungen liefern nun Zahlen dazu. Wenige klimabezogene Schübe schufen den Grossteil der Vielfalt an Körperformen in der heute grössten Vogelgruppe.

Das hat auch Bedeutung für die Gegenwart. Der Planet erwärmt sich rasch, und Biologinnen und Biologen möchten verstehen, wie Lebewesen darauf reagieren werden. Die Aufzeichnungen darüber, wie frühere Umbrüche Vogelkörper verändert haben, bieten einen Ansatzpunkt für solche Hinweise.

Auf die heutige Erwärmung angesprochen, sagte Berv gegenüber Earth.com: „Diese Forschung macht zwar keine konkreten Vorhersagen darüber, wie Vögel auf die heutige rasche Erwärmung reagieren könnten, aber sie zeigt uns, dass ungebremster Klimawandel, der lange anhält, tiefgreifende Auswirkungen auf die Biodiversität haben wird.“

Die Studie liefert zudem ein leiseres Argument für Museumsschubladen. Diese Exemplare wurden über mehr als ein Jahrhundert hinweg gesammelt. Damals konnte sich keine Sammlerin und kein Sammler vorstellen, dass ein Computer sie eines Tages anhand eines Fotos vermessen würde. Ihr voller Wert wurde erst sichtbar, als die passenden Werkzeuge verfügbar waren. Das spricht deutlich dafür, solche Sammlungen weiterhin zu finanzieren und auszubauen.

Bildnachweis: Cody Limber/Macaulay Library, mit freundlicher Genehmigung der University of Michigan.