Sperlingsvögel: 50 Millionen Jahre Evolution in Klimaschüben dank Skelevision und bifrost

Sperlingsvögel – also die grosse Gruppe der Sitzvögel – haben ihre Körperformen offenbar nicht gleichmässig, sondern in seltenen, abrupten Schüben entwickelt, die zeitlich mit Phasen kräftiger Umwälzungen im Erdklima zusammenfallen. Eine neue Studie rekonstruiert rund 50 Millionen Jahre Veränderung in ihren Skeletten. Der Grossteil der Umformung konzentrierte sich dabei auf wenige kurze Episoden, statt sich kontinuierlich über die Zeit zu verteilen.

Dasselbe Muster zeigt sich auch in der heutigen Verbreitung: Arten in kalten, stark saisonalen Regionen nahe der Pole verändern sich evolutionär schneller als verwandte Arten in Äquatornähe. Das deutet darauf hin, dass klimatische Turbulenzen wiederholt als Motor für neue Körperformen gewirkt haben.

15,000 Vogelskelette lesen

Im Fokus stehen Passerinen, also die Sperlingsvögel (Passeriformes) – darunter Spatzen, Finken, Grasmücken und Krähen. Mehr als die Hälfte aller heute lebenden Vogelarten gehört zu dieser einen Ordnung. Gerade diese enorme Vielfalt macht sie zu einem naheliegenden Modell, um zu verstehen, wie Körperbaupläne entstehen und sich über lange Zeiträume verändern.

Um diese Geschichte nachzuzeichnen, brauchte es Knochenmessungen – sehr viele. Das Team erfasste mehr als 170,000 einzelne Skelettmesswerte aus über 2,000 Arten. Von Hand wäre ein solcher Aufwand kaum zu bewältigen gewesen. Deshalb setzten die Forschenden ein KI-Werkzeug namens Skelevision ein: Es fotografiert jedes Präparat vor einem karierten Hintergrund, der eine einheitliche Skalierung ermöglicht, und misst anschliessend ein Dutzend Knochen direkt aus dem Bild.

Geleitet wurde das Projekt von Jacob S. Berv, Postdoktorand an der University of Michigan (U-M). Mit ihm arbeitete der leitende Autor Brian Weeks, Associate Professor an der U-M. Weeks’ Labor entwickelte Skelevision über 7 Jahre gemeinsam mit einer Computer-Vision-Gruppe an der New York University (NYU).

Die Grösse des Datensatzes ist auffällig. "Ich glaube, allein die schiere Grössenordnung eines solchen Datensatzes ist in diesem Wissenschaftsbereich bis zu einem gewissen Grad beispiellos", schrieb Berv in einer E-Mail an Earth.com.

Die meisten der rund 15,000 Museumspräparate stammen aus dem U-M Museum of Zoology. Ein Scan dauert etwa 45 Sekunden. In diesem Tempo lassen sich Schubladen voller Skelette, die jahrzehntelang unberührt blieben, innerhalb weniger Tage digitalisieren.

Evolution verlief in seltenen Schüben

Für die Auswertung entwickelte Berv eine statistische Methode namens bifrost, die das Skelett als zusammenhängendes System behandelt, statt jeden Knochen isoliert zu betrachten. Wenn sich etwa ein Flügel verlängert, gehen damit typischerweise auch Veränderungen an anderen Körperteilen einher. Das Modell rekonstruiert daher, welche Abfolge gekoppelter Veränderungen plausibel zu den heute lebenden Vögeln geführt haben könnte.

Angewandt auf den Stammbaum der Sperlingsvögel ergab sich ein deutlich unausgewogenes Bild: Evolutionäre Veränderungen traten nicht in einem konstanten "Tröpfeln" auf, sondern ballten sich in wenigen seltenen, sehr starken Schüben – vor allem nahe den Wurzeln grosser Teilgruppen.

Dazwischen lagen lange, ruhige Phasen mit nur geringer Veränderung. Aus dem Fossilbericht gab es bereits Hinweise auf ein solches gepulstes Muster. Neu ist, dass es sich nun so klar über eine riesige Gruppe lebender Vögel hinweg zeigt.

Diese Schübe passen zudem zu einer seit rund 100 Jahren diskutierten Idee der Evolutionsbiologie: Gelangt eine Linie in neues Gebiet oder erschliesst eine neue Lebensweise, kann sie sich rasch in viele Formen aufspalten. Diesen Prozess nennen Biologinnen und Biologen adaptive Radiationen; typischerweise verlangsamt sich das Tempo, sobald die verfügbaren Möglichkeiten ausgeschöpft sind.

"Das ist wirklich wichtig für die Evolutionstheorie, weil es eine lange Geschichte gibt – zurückgehend über 100 Jahre – die vorhersagt, dass die Entstehung neuer Gruppen, sogenannte evolutionäre Radiationen, oft mit einem explosiven Schub an Diversifizierung verbunden ist", sagte Berv.

Dass Umweltbedingungen Spuren im Skelettbau von Vögeln hinterlassen, ist an sich nicht neu: Eine frühere Studie fand bereits Signale von Klima und Lebensraum in der Körperform. Der zentrale Zusatz dieser Arbeit ist das Tempo – also wann genau die Schübe stattfanden und wie eng sie mit dem Zustand des Planeten zusammenlaufen.

Klima trieb die Evolution der Sperlingsvögel

Die Schübe lassen sich auch zeitlich einordnen. Die stärkste Welle an Veränderung fiel auf etwa vor 35 Millionen Jahren – den Eozän-Oligozän-Übergang. In dieser Phase kühlte die Erde stark ab, und an den Polen begann sich Eis aufzubauen.

Um etwa vor 15 Millionen Jahren folgte ein Bündel von Verlangsamungen, zeitgleich mit einem weiteren grossen Umschwung im Klima des Miozäns. Die Übereinstimmung ist auffällig, auch wenn die Studie nicht behauptet, die Abkühlung habe die Schübe direkt verursacht. Gezeigt wird vielmehr, dass Evolutionsgeschwindigkeit und Klimazustand gemeinsam auf- und abnahmen.

Weitere Forschung deutet in dieselbe Richtung. Eine grosse Untersuchung zu Vögeln und Säugetieren kam zu einem ähnlichen Ergebnis: Die Körpergrösse entwickelte sich während der kalten Phasen der letzten 66 Millionen Jahre am schnellsten – nicht während der warmen. Kälteperioden scheinen das Veränderungstempo eher zu erhöhen als zu dämpfen.

Das Muster aus wenigen grossen Beschleunigungen und vielen kleineren Abbremsungen passt zu einer Welt, in der Vogelgruppen immer wieder neue ökologische Spielräume finden. Sie "erkunden neuen ökologischen Raum und verändern sich rasch, um diese Gelegenheit zu nutzen", sagte Weeks.

Kalte Regionen beschleunigten die Evolution

Anschliessend wechselte das Team von der Zeit- zur Raumdimension und übertrug dieselben Skelettdaten auf eine Weltkarte. Dabei zeigte sich: Der Lebensort einer Art sagt mit voraus, wie schnell sich ihre Körperform evolutionär verändert. Gemeinschaften in polnahen Regionen, in denen die Temperaturen zwischen den Jahreszeiten stark schwanken, enthalten tendenziell Arten mit schnellerer Formveränderung. In Äquatornähe verläuft die Veränderung langsamer.

Das knüpft an frühere Befunde bei Vögeln an. Eine Arbeit berichtete, dass Arten in hohen Breitengraden bestimmte Merkmale schneller verändern als tropische Verwandte – offenbar ausgelöst durch die härteren klimatischen Schwankungen. Das neue Ergebnis überträgt diese Idee von einzelnen Merkmalen auf die Gestalt des gesamten Skeletts.

Arten aus hohen Breitengraden zeigten zudem einen feineren Unterschied: Ihre Skelette waren stärker modular – einzelne Bereiche konnten unabhängiger voneinander variieren, statt sich stets gemeinsam zu verschieben. Diese Flexibilität könnte es erleichtern, schneller zu reagieren, wenn Umweltbedingungen instabil werden.

Ein solches Ganzkörper-Muster war bislang nicht dokumentiert. Auf Nachfrage von Earth.com zu weiteren Ergebnissen sagte Berv: "Soweit wir wissen, ist dies das erste Mal, dass dieses globale Muster bei Vögeln dokumentiert wurde, und wir glauben, dass es eine grosse Entdeckung sein könnte."

Weeks verbindet die Arbeit ausserdem mit einem der ältesten Rätsel der Ökologie: In Äquatornähe häufen sich Arten deutlich stärker als an den Polen – warum genau, ist bis heute nicht vollständig geklärt.

Hinweise für eine sich erwärmende Welt

Vor dieser Studie war die gepulste Evolution der Sperlingsvögel vor allem eine Schlussfolgerung aus verstreuten Fossilfunden. Die neuen Skelettmessungen machen das Muster nun quantifizierbar: Ein paar klimabezogene Schübe erzeugten den Grossteil der Formenvielfalt im Körperbau der grössten heute lebenden Vogelgruppe.

Das ist auch für die Gegenwart relevant. Da sich der Planet rasch erwärmt, möchten Biologinnen und Biologen besser einschätzen, wie Organismen reagieren könnten. Die Geschichte früherer Umbrüche, die Vogel-Körperformen neu formten, bietet dafür einen möglichen Ansatzpunkt.

Auf die heutige Erwärmung angesprochen, sagte Berv gegenüber Earth.com: "Auch wenn diese Forschung keine spezifischen Vorhersagen darüber macht, wie Vögel auf die heutige rasche Erwärmung reagieren könnten, zeigt sie doch, dass ungebremster Klimawandel, der über lange Zeit anhält, tiefgreifende Auswirkungen auf die Biodiversität haben wird."

Die Studie liefert nebenbei auch ein leises, aber starkes Plädoyer für Museumssammlungen: Die Präparate wurden über mehr als ein Jahrhundert zusammengetragen. Niemand, der damals sammelte, konnte ahnen, dass ein Computer sie später anhand eines Fotos vermessen würde. Ihr voller Wert wurde erst sichtbar, als die Werkzeuge nachzogen – ein überzeugendes Argument, solche Sammlungen dauerhaft zu finanzieren und weiter auszubauen.

Foto-Credit: Cody Limber/Macaulay Library, mit freundlicher Genehmigung der University of Michigan.