Hvordan evolutionen har optimeret den magnetiske sensor i fugle

Trækfugle er i stand til at navigere og orientere sig med forbløffende nøjagtighed ved hjælp af forskellige mekanismer, herunder et magnetisk kompas. Et hold ledet af biologerne Dr. Corinna Langebrake og Prof. Dr. Miriam Liedvogel fra University of Oldenburg og Institut for Fugleforskning "Vogelwarte Helgoland" i Wilhelmshaven har nu sammenlignet genomerne fra flere hundrede fuglearter og fundet yderligere beviser for, at en specifik protein i fuglenes øjne er den magnetoreceptor, der ligger til grund for denne proces.

Forskerne fandt ud af, at der har været betydelige evolutionære ændringer i genet, der koder for proteinet kryptokrom 4, og at visse grupper af fugle har mistet det fuldstændigt.

Disse resultater er tegn på tilpasning til varierende miljøforhold og understøtter teorien om, at kryptokrom 4 fungerer som et sensorprotein.

Undersøgelsen er foranlediget af forskning ved universiteterne i Oldenburg og Oxford (UK), som har vist, at magnetoreception er baseret på en kompleks kvantemekanisk proces, der finder sted i visse celler i nethinden hos trækfugle.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Nature i 2021 fremlagde det tysk-britiske hold resultater, ifølge hvilke det var højst sandsynligt, at cryptochrome 4 var den magnetoreceptor, de havde ledt efter:For det første var de i stand til at bevise, at proteinet er til stede i fuglenes nethinde, og for det andet, både eksperimenter med bakterielt producerede proteiner og modelberegninger viste, at kryptokrom 4 udviser den formodede kvanteeffekt som reaktion på magnetiske felter.

Interessant nok viste forskningen også, at disse proteiner er væsentligt mere følsomme over for magnetiske felter i røde rødder, som er trækfugle, end hos høns og duer, som er fastboende arter.

"Derfor skal grunden til, at kryptokrom 4 er mere følsomt hos robiner end hos høns og duer, findes i proteinets DNA-sekvens," siger Langebrake, der var hovedforfatter. "Sekvensen blev sandsynligvis optimeret af evolutionære processer i disse natlige trækfugle."

I den aktuelle undersøgelse undersøgte holdet ledet af Langebrake og Liedvogel derfor magnetoreception fra et evolutionært perspektiv for første gang. Forskerne analyserede cryptochrome 4 generne fra 363 fuglearter lige fra den lille plettede kiwi til sangspurven.

Først sammenlignede de proteinets evolutionære hastighed med to beslægtede kryptokromer og fandt ud af, at gensekvenserne for de kryptokromer, der blev brugt til sammenligning, var meget ens på tværs af alle fuglearter:De ser ud til at have ændret sig meget lidt i løbet af evolutionen. Dette skyldes højst sandsynligt deres nøglerolle i reguleringen af ​​det indre ur - en mekanisme, der er essentiel for alle fugle, og hvor ændringer ville have ekstremt negative virkninger.

Cryptochrome 4 viste sig derimod at have været meget variabel. "Dette tyder på, at proteinet er vigtigt for tilpasning til specifikke miljøforhold," forklarer Liedvogel, der er professor i ornitologi ved University of Oldenburg og direktør for Institute of Avian Research. Den resulterende specialisering kunne være magnetoreception. "Et lignende mønster er blevet observeret i andre sensoriske proteiner såsom lysfølsomme pigmenter i øjet," forklarer hun.

Forskerne kiggede derefter nærmere på, hvordan gensekvensen for kryptokrom 4 har udviklet sig i fuglenes evolutionære historie. Resultaterne fik forskerne til at konkludere, at især i tilfældet med spurvefugleordenen (Passeriformes) er proteinet blevet optimeret gennem hurtig selektion. "Vores resultater indikerer, at evolutionære processer kunne have ført til, at kryptokrom 4 specialiserede sig som en magnetoreceptor i sangfugle," siger Langebrake.

Et andet interessant fund var, at i tre klader af tropiske fugle – papegøjer, kolibrier og Tyranni (Suboscines), også kendt som tyranner – er informationen om kryptokrom 4 gået tabt i den evolutionære proces, hvilket betyder, at disse fugle ikke er i stand til at producere proteinet. . Dette indikerer, at det ikke spiller en afgørende rolle for deres overlevelse. Men mens papegøjer og kolibrier er stillesiddende, er nogle tyranner langdistancemigranter, der ligesom små europæiske sangfugle flyver både om dagen og om natten.

"Det faktum, at de, i modsætning til Robins, ikke har kryptokrom 4, gør dem til et ideelt system til at undersøge forskellige hypoteser om magnetoreception," siger Langebrake.

Et interessant spørgsmål her er:har Tyranni udviklet en magnetisk sans, der fungerer uafhængigt af kryptokrom 4? Eller er de i stand til at orientere sig uden en magnetisk sans?

En anden mulighed er, at deres magnetiske sans har de samme egenskaber som hos Robins, som er lysafhængig og kan forstyrres af for eksempel radiobølger. "De første to scenarier ville kraftigt bekræfte kryptokrom 4-hypotesen, mens det tredje ville udgøre et problem for teorien," understreger biologen.

Som et næste skridt planlægger forskerholdet derfor at undersøge magnetisk orientering i Tyranni og afklare, om de har en magnetisk sans eller ej. "Tyranni-kladen giver os et naturligt værktøj til at forstå funktionen af ​​kryptokrom 4 og vigtigheden af ​​magnetoreception hos trækfugle," siger Liedvogel og skitserer et udgangspunkt for yderligere forskning.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences .

Flere oplysninger: Corinna Langebrake et al., Adaptiv evolution og tab af en formodet magnetoreceptor i spurvefugle, Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences (2024). DOI:10.1098/rspb.2023.2308

Journaloplysninger: Proceedings of the Royal Society B , Natur

Leveret af Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg