Milepæl i biologien: Sådan blev fugle til fugle
Forskere har i et kolossalt samarbejde helgenomsekventeret 48 forskellige fuglearter. Genomerne giver svar på, hvorfor fugle kan flyve, synge og ikke har nogen tænder.

Det kræver mere end bare vinger at kunne flyve. Både musklerne, lungerne og stofskiftet skulle opfindes på ny, førend forfædrene til alle fugle kunne flyve. (Foto: <a href="http://www.shutterstock.com/cat.mhtml?lang=da&language=da&ref_site=photo... target="_blank">Shutterstock</a>)

Når man tænker på fugle, tænker man ofte på kendetegn som fjer, flyvning og sang.

Men hvor kommer fjerene fra, hvordan flyver fuglene, og hvorfor i alverden har de lært at synge?

Alle de spørgsmål bliver sammen med en lang række andre spørgsmål besvaret i hele 23 videnskabelige artikler, der netop er offentliggjort samtidig i tidsskrifterne Genome Biology, BMC Genomics, BMC Evolutionary Biology, Gigascience med flere.

Otte af artiklerne er sågar offentliggjort i en særudgave af det meget velansete videnskabelige tidsskrift Science.

Studierne er tilsammen et helt usædvanligt og meget massivt spadestik ned i spørgsmålet om, hvad det vil sige at være fugl, og hvordan fugle evolutionært har udviklet sig som dyreklasse.

Midt i det hele står forskere fra Københavns Universitet, der i samarbejde med forskere fra det kinesiske Beijing Genomics Institute (BGI) har været helt centrale aktører i sekventeringen af de 48 fuglegenomer, som de 23 videnskabelige artikler er baseret på.

»Forskere har forsøgt at besvare de her spørgsmål i rigtig mange år, og ofte er der kommet videnskabelige artikler ud af det, som har vist det ene eller det andet, for derefter at blive modbevist i en anden artikel måneden efter. Det er sket, fordi forskere ofte har baseret deres undersøgelser på et enkelt fuglegenom.«

»Her har vi skabt det største datasæt nogensinde over fuglenes genomer, og vi har haft forskellige grupper af forskere til at arbejde med datasættet i mellem tre og fire år. Vores data indeholder hele bredden af fugle, hvilket gør det muligt for os endelig at besvare, hvad der gør fugle til fugle,« fortæller professor Thomas Gilbert fra Center for Geogenetik ved Statens Naturhistoriske Museum, Københavns Universitet.

Starten på noget stort

Seniorforsker Preben Clausen fra Institut for Bioscience ved Aarhus Universitet forsker i blandt andet vadefugle.

Preben Clausen har endnu ikke haft tid til at læse de 23 videnskabelige artikler, men han har hørt om dem og den bagvedliggende forskning. Seniorforskeren mener, at vi meget vel kan være på tærsklen til noget stort. 

»Den første gang, forskere for alvor brugte DNA til fugle-systematik, førte det til flere revolutioner i vores forståelse af fuglearternes oprindelse. Det bliver spændende at læse, hvad der kommer ud af, at forskere denne gang har gravet endnu dybere i de repræsentative arters genomer,« siger Preben Clausen.

Professor Henrik Mouritsen, der forsker i trækfugle ved Universität Oldenburg i Tyskland, går så vidt som til at kalde det et kvantespring i vores viden om fugle.

Fakta

Der findes omkring 10.000 forskellige fuglearter. Deres størrelser spænder fra den fem centimeter lange bikolobri til den 270 centimeter højde struds.

Fugle er kendetegnet ved, at de lægger æg, har næb og fjer, og de fleste kan også flyve.

Fugle er de eneste efterkommere af dinosaurerne, der uddøde for 65 millioner år siden.

»Det er helt sikkert, at der gemmer sig utroligt meget mere information i disse data end det, som nu er blevet offentliggjort, og at en hel generation af forskere vil have glæde af de genomdatasæt, som nu bliver alment tilgængelige. Super!« siger en begejstret Henrik Mouritsen.

Der skal mere til end vinger for at lære at flyve

Hvad fortæller de 23 artikler så?

Ifølge Thomas Gilbert fortæller genomerne historien om, hvordan fugle udviklede sig, hvordan alle fuglearter er beslægtede, og hvad der skulle til, for at de hver især udviklede de træk, som eksempelvis gjorde struds til struds og ugle til ugle.

Genomerne fortæller samtidig historien om udviklingen af de mere generelle kendetegn, som langt de fleste fugle deler.

»Fugle fik eksempelvis ikke bare vinger og begyndte at flyve, fordi de havde dem. For at kunne baske med vingerne skulle fuglene først udvikle lette, luftfyldte knogler. De skulle også bruge en helt anden lungestruktur end andre dyr, da stofskiftet skyder i vejret, når fuglene flyver. Den øgede metabolisme krævede også, at biokemien i cellerne fandt på måder til at kunne håndtere det store stress, som den øgede metabolisme skaber,« siger Thomas Gilbert.

Alle disse delegenskaber, der tilsammen gør det muligt at flyve, kan forskerne finde generne for i deres store genomdatasæt.

»Vi begynder at besvare spørgsmålene om, hvornår og hvordan disse forskellige gener kom ind i fuglenes genom,« siger Thomas Gilbert.

Alle fugle er tandløse

Men det er ikke kun flyvning, forskerne har kigget på.

En af artiklerne i Science forklarer eksempelvis, hvorfor fuglene ikke har nogle tænder.

I studiet har forskerne sammenlignet genomerne fra det nye fuglegenom-datasæt med genomerne fra dyrearter, som har tænder.

På den måde kunne forskerne se, hvilke af fuglenes gener der var muterede, til de ikke længere var funktionelle.

Det drejede sig blandt andet om gener i en region af genomet, som står for produktionen af tand-emalje.

Et studie i Plos One viser, at papegøjers sang genetisk er helt unik. Det kan måske forklare, hvorfor papegøjer er så gode til at imitere menneskers tale, mener forskerne bag studiet. (Foto: <a>Shutterstock&lt;/a&gt;)

Studiet viser, at fem gener, der alle sammen er relevante for dannelsen af tænder, blev sat ud af funktion gennem forskellige mutationer i en fælles forfader til alle fugle for 100 millioner år siden.

Derfor har fugle ikke tænder i dag.

»Det er et af kendetegnene ved at være fugl, men det må være udviklet i en forfader til alle fugle, da ingen fugle har tænder i dag. Disse informationer hjælper os med at finde ud af, hvordan de oprindelige fugle, der overlevede meteornedslaget, som dræbte alle andre dinosaurerne for 65 millioner år siden, så ud,« forklarer Thomas Gilbert.

Sådan lærte fugle at synge

Selvom flyvning er en af fuglenes mest misundelsesværdige egenskaber, er det alligevel ikke den egenskab, der har fået mest spalteplads i de 23 nye artikler. Hele otte af dem behandler nemlig om spørgsmålet om, hvorfor fugle synger.

Her viser det sig, at fuglesang er opstået to gange uafhængigt af hinanden gennem tiden.

Fuglesang er altså ikke en egenskab, som kom med de første fugle for mange millioner år siden – som det var med de manglende tænder.

Fuglesang er opstået siden hen i to eller flere forskellige arter, som alle har været nødsaget til at få mutationer i forskellige gener for at kunne synge.

Desuden viser et studie i Science, at fugle som papegøjer og kolibrier bruger de samme 50 gener, som mennesker bruger for at kunne tale, for at kunne synge.

I fugle er generne involveret i at skabe forbindelser mellem hjernecellerne i et netværk af hjerneceller, som har med fuglenes 'sang-hukommelse' at gøre.

De samme gener er involveret i at skabe forbindelser i den del af hjernen, som har at gøre med menneskers evne til at tale.

Så selvom mennesker og fugle har de samme gener med de samme egenskaber, har de alligevel udviklet dem separat med flere millioner års forskel.

Endelig viser et studie i Plos One, at papegøjers sang genetisk er helt unik. Det kan måske forklare, hvorfor papegøjer er så gode til at imitere menneskers tale, mener forskerne bag studiet.

Kyllinger ligner dinosaurer mest

Fakta

Forskningsarbejdet har involveret mere end 200 forskere fra 80 universiteter i mere end 20 lande. Forskningsarbejdet er lavet af forskere fra BGI i Kina, Københavns Universitet, Duke University i USA, the University of Texas i USA, the Smithsonian Museum i USA og mange flere.

Fugle har også noget andet, som pattedyr ikke har, og her taler vi ikke om en sprød sangstemme.

I deres arvemasse har fuglene nemlig en masse små mikrokromosomer, som indeholder genetisk information. Det har pattedyr ikke.

Forskerne føler sig ret overbeviste om, at dinosaurer også havde disse små mikrokromosomer, og fugle kaldes da også for nutidens dinosaurer, da de rent faktisk er de eneste efterkommere af fortidens kæmper.

I et studie i BMC Genomics har forskere undersøgt kyllingens, kalkunens, Peking andens, zebrafinkens og undulatens genom for at finde ud af, hvilken af fuglene der er tættest beslægtet med dinosaurerne.

Undersøgelsen viste, at kyllingen er tættest beslægtet med en forfader til alle fugle. Denne forfader må ifølge forskerne have været en eller anden form for fjeret dinosaur.

Vandfugle er mindst farverige

Og apropos fjeret dinosaur, så viser et andet studie i Science og et tilsvarende studie i BMC Evolutionary Biology, hvordan fuglenes farvede fjer blev en realitet.

Farvede fjer har gennem millioner af år givet hanner inden for mange fuglearter en fordel, når hannerne skulle sikre sig parring med en hun. Det ser i den sammenhæng ud til altid at have været hovedreglen, at jo mere farvestrålende hannernes fjer har været, des mere sex har de fået.

I studiet i Science viser forskerne, at gener for farvede fjer hurtigt blev udviklet i nogle fugleslægte, mens andre var lidt langsommere om at komme i gang. 8 fugleslægter ud af 48 mente, at farvede fjer og sex lå højest på dagsordnen, og derfor udviklede de dem ret hurtigt. Resten af fugleslægterne tog deres tid.

Når forskerne så kigger på, hvilke fugle der har investeret mest i at udvikle farvefulde fjer, ser de en klar tendens.

Således har vandfugle det færreste antal gener for beta-keratin, der er det stof, som fjer er opbygget af. Farveeffekten bliver også derefter.

Landfugle har mere end dobbelt så mange gener for beta-keratin som vandfuglene, mens avlede fugle som høns og kanariefugle har otte gange så mange beta-keratin-gener.

Kønskromosomer adskiller fuglearter

Mens vi alligevel har forskerne i gang med at snakke om sex (hele årsagen til, at fugle har kulørte fjerdragter), kan vi lige så godt runde et af de andre studier i Science.

Fakta

Datasættet over de 48 fuglearter krævede helt enorm computerkraft at håndtere. For at estimere fuglenes stamtræ på baggrund af de 48 genomer, skulle forskerne bruge, hvad der svarer til 300 års CPU tid. Det vil sige den tid, som en almindelig hjemmecomputer skulle have brugt på at regne fuglenes stamtræ ud. Derfor har forskerne også benyttet nogle helt specielle super-computere til at håndtere deres data.

Her har forskerne nemlig kigget på fuglenes kønskromosomer.

I modsætning til eksempelvis mennesker, har fuglene vendt deres kønskromosomers roller på hovedet.

Blandt mennesker har kvinder to af de samme kønskromosomer (x-kromosomer), mens mænd har et x-kromosom og et y-kromosom.

Fugle gør det lige omvendt. Her har hunnerne to forskellige kromosomer, mens hannerne har to ens kromosomer.

Fugles kønskromosomer har udviklet sig meget forskelligt

Ved at kigge på kromosomerne kunne forskerne se, hvor langt de forskellige fuglearter havde udviklet sig siden sex-kromosomernes oprindelse.

Det gjorde de ved at se på, hvor ens hannens og hunnens kønskromosomer er. Hvis kønskromosomerne er meget ens, konkluderede forskerne, at kromosomerne ikke har udviklet sig så meget siden deres oprindelse, mens en stor forskel mellem kromosomerne peger på, at de har gennemgået en stor udvikling.

Forskerne fandt ud af, at fugles kønskromosomer har udviklet sig meget forskelligt.

»For eksempel er kønskromosomerne meget ens blandt fugle som emuer og strudse, mens zebrafinker og påfugle har meget forskellige kønskromosomer,« siger professor Guojie Zhang fra Københavns Universitet og BGI.

Forskerne spekulerer i, om forskelligheden i kønskromosomerne faktisk kan bruges til at sige noget om, hvor forskellige hannernes og hunnernes udseende er inden for hver art.

For eksempel er påfugle meget forskellige og har meget forskellige kønskromosomer, mens krager har meget ens kønskromosomer og også er meget svære at kende fra hinanden.

Fugle har få genetiske fossiler

I den mere mikroskopiske ende af spektret viser et studie i Genome Biology, at fugle er 6-13 gange bedre til at skille sig af med gener fra virus end eksempelvis mennesker.

Alle dyr opsamler gennem tiden gener fra virus, som bliver inkorporeret i dyrenes eget genom.

Fakta

Fuglene, som har fået deres genom sekventeret, er:

Bakivahøne, kalkun, zebrafinke, gråand, klippedue, vandrefalk, australsk parakit, Darwin finke, kejserpingvin, adeliepingvin, klatresmutte, carolinanatravn, blåbrystet trogon, grå krontrane, næsehornsfugl, Annas kolibri, seriema, kalkungrib, skorstenssejler, kildire, østlig kravetrappe, brun musefugl, amerikansk krage, gøg, silkehejre, solrikse, mallemuk, rødstrubet lom, havørn, hvidhovedet havørn, gøgeellekrage, gyldenskægget malakin, karminbiæder, brun drosselrikse, kea, japansk ibis, hoatzin, krøltoppet pelikan, hvidhalet tropikfugl, skarv, cariberflamingo, dværgflagspætte, toppet lappedykker, guldstrubet sandhøne, struds, angolaturako, gråisset tinamu og slørugle.

Her ligger de så som en slags genetiske fossiler.

Men da forskere sammenlignede mængden af genetiske fossiler i fugle og i andre pattedyr, kunne de se, at fuglene havde langt færre.

Det kan ifølge forskerne betyde to ting:

Enten er fuglene meget bedre end pattedyr til at skille sig af med gener fra virus, der har sat sig i deres DNA; eller også er fugle ikke lige så modtagelige over for virusinfektioner som pattedyr.

Mutationer kan hjælpe truede dyrearter

Et andet studie i Genome Biology adresserer, hvordan det påvirker fuglenes genetik, at de har været lige ved at uddø.

I studiet har forskere undersøgt genomet fra en truet ibis og fra den hvidhovedede havørn.

Forskerne kunne se, at når fugle havde været tæt på at uddø, oplevede de en øget mutationsrate i deres genomer, hvilket med tiden leder til øget genetisk diversitet.

Det er en god nyhed for mange af de fuglearter, som er ved at uddø, og hvor deres overlevelse afhænger af, at der ikke opstår for meget indavl i deres art.

Mere forskning på vej

De 23 artikler, der netop er offentliggjort, er kun toppen af det isbjerg af viden, som forskerne forventer at kunne få ud af fuglegenomerne.

Blandt andet, fortæller Thomas Gilbert, har genomerne afsløret, at fuglene har en masse genetiske sekvenser, hvis funktion forskerne endnu ikke kender til.

Datasættet er også kun det første i en række datasæt, som vil gøre forskere i stand til meget bedre at forstå en lang række dyregrupper og i realiteten livet i sig selv.

»Vi står ved starten af en helt ny æra, hvor vi ikke længere laver genetiske studier af én art ad gangen, men kigger på tværs af mange forskellige arter samtidig. Det fortæller os ikke bare noget om de enkelte arter, men om livet i sig selv. Dette forskningsarbejde viser de muligheder, som disse store datasæt har. Det vil vi komme til at se meget mere af i fremtiden,« vurderer Thomas Gilbert.