Flyttfåglar kan navigera och orientera med häpnadsväckande noggrannhet med hjälp av olika mekanismer, inklusive en magnetisk kompass. Ett team under ledning av biologerna Dr Corinna Langebrake och Prof Dr Miriam Liedvogel från University of Oldenburg och Institutet för fågelforskning "Vogelwarte Helgoland" i Wilhelmshaven har nu jämfört arvsmassan hos flera hundra fågelarter och hittat ytterligare bevis för att en specifik protein i fåglarnas ögon är den magnetoreceptor som ligger till grund för denna process.

Forskarna fann att det har skett betydande evolutionära förändringar i genen som kodar för proteinet kryptokrom 4 och att vissa grupper av fåglar har förlorat den helt.

Dessa fynd tyder på anpassning till varierande miljöförhållanden och stödjer teorin att kryptokrom 4 fungerar som ett sensorprotein.

Studien föranleddes av forskning vid universiteten i Oldenburg och Oxford (UK), som har visat att magnetoreception är baserad på en komplex kvantmekanisk process som äger rum i vissa celler i näthinnan hos flyttfåglar.

I en artikel publicerad i tidskriften Nature 2021 presenterade det tysk-brittiska teamet fynd enligt vilka det var mycket troligt att kryptokrom 4 var den magnetoreceptor de letat efter:för det första kunde de bevisa att proteinet finns i fåglarnas näthinna, och för det andra, både experiment med bakteriellt producerade proteiner och modellberäkningar visade att kryptokrom 4 uppvisar den misstänkta kvanteffekten som svar på magnetfält.

Intressant nog visade forskningen också att dessa proteiner är betydligt känsligare för magnetfält hos rödhaker, som är flyttfåglar, än hos kycklingar och duvor, som är bofasta arter.

– Därför måste anledningen till att kryptokrom 4 är känsligare hos rödhake än hos höns och duvor hittas i proteinets DNA-sekvens, säger Langebrake, som var huvudförfattare. "Sekvensen optimerades förmodligen av evolutionära processer i dessa nattliga flyttfåglar."

I den aktuella studien undersökte teamet ledd av Langebrake och Liedvogel därför magnetoreception ur ett evolutionärt perspektiv för första gången. Forskarna analyserade kryptokrom 4-generna hos 363 fågelarter, allt från den lilla fläckiga kiwin till sångsparven.

Först jämförde de proteinets evolutionära hastighet med den för två relaterade kryptokromer och fann att gensekvenserna för kryptokromer som användes för jämförelse var mycket lika mellan alla fågelarter:De verkar ha förändrats väldigt lite under evolutionens gång. Detta beror med största sannolikhet på deras nyckelroll i att reglera den inre klockan – en mekanism som är avgörande för alla fåglar och där modifieringar skulle ha extremt negativa effekter.

Cryptochrome 4 däremot visade sig ha varit mycket varierande. "Detta tyder på att proteinet är viktigt för anpassning till specifika miljöförhållanden", förklarar Liedvogel, som är professor i ornitologi vid universitetet i Oldenburg och chef för Institutet för fågelforskning. Den resulterande specialiseringen kan vara magnetoreception. "Ett liknande mönster har observerats i andra sensoriska proteiner som ljuskänsliga pigment i ögat", förklarar hon.

Forskarna tittade sedan närmare på hur gensekvensen för kryptokrom 4 har utvecklats i fåglarnas evolutionära historia. Resultaten fick forskarna att dra slutsatsen att proteinet har optimerats genom snabb selektion, särskilt när det gäller ordningen passerine (Passeriformes). "Våra resultat tyder på att evolutionära processer kunde ha lett till att kryptokrom 4 specialiserat sig som en magnetoreceptor i sångfåglar", säger Langebrake.

Ett annat intressant fynd var att i tre klader av tropiska fåglar – papegojor, kolibrier och Tyranni (Suboscines), även känd som tyranner – har informationen för kryptokrom 4 gått förlorad i evolutionsprocessen, vilket betyder att dessa fåglar inte kan producera proteinet . Detta indikerar att det inte spelar någon avgörande roll för deras överlevnad. Men medan papegojor och kolibrier är stillasittande, är vissa tyranner långväga migranter som, liksom små europeiska sångfåglar, flyger både på dagen och på natten.

"Det faktum att de, till skillnad från robins, inte har kryptokrom 4 gör dem till ett idealiskt system för att undersöka olika hypoteser om magnetoreception", säger Langebrake.

En intressant fråga här är:har Tyranni utvecklat ett magnetiskt sinne som fungerar oberoende av kryptokrom 4? Eller kan de orientera sig utan ett magnetiskt sinne?

En annan möjlighet är att deras magnetiska sinne har samma egenskaper som hos rödhake, som är ljusberoende och kan störas av till exempel radiovågor. "De första två scenarierna skulle starkt bekräfta kryptokrom 4-hypotesen, medan det tredje skulle utgöra ett problem för teorin", betonar biologen.

Som ett nästa steg planerar forskargruppen därför att undersöka magnetisk orientering i Tyranni och klargöra om de har en magnetisk känsla eller inte. "Tyrannikladen ger oss ett naturligt verktyg för att förstå funktionen av kryptokrom 4 och vikten av magnetoreception hos flyttfåglar", säger Liedvogel och beskriver en utgångspunkt för vidare forskning.

Forskningen är publicerad i tidskriften Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences .

Mer information: Corinna Langebrake et al, Adaptiv evolution och förlust av en förmodad magnetoreceptor i passerines, Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences (2024). DOI:10.1098/rspb.2023.2308

Journalinformation: Proceedings of the Royal Society B , Natur

Tillhandahålls av Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg