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Ein molekularer Stammbaum der Greifvögel

An der Universität Heidelberg leitet Prof. Dr. Michael Wink das Forschungsprojekt "Molekulare Evolution", das sich mit den Themen Evolutionsforschung, Biodiversität und Systematik und molekulare Ökologie beschäftigt. Mit modernen Methoden der DNA-Analyse hat er ein neues Bild der Verwandtschaftsverhältnisse unter den Greifvögeln gezeichnet.

Die neuen Stammbäume der molekularen Evolutionsforschung basieren auf vergleichenden DNA-Sequenzanalysen. Hierzu werden ausgewählte Markergene der zu untersuchenden Spezies - das können proteinkodierende Gene oder rRNA-Gene sein – auf den Grad ihrer Homologie hin untersucht oder mithilfe von DNA-Fragmentlängenanalysen von PCR-amplifizierter repetitiver DNA molekulare Unterschiede bestimmt. Diese repetitiven Sequenzen stammen aus kleinen Abschnitten, von denen das Vertebratengenom zwischen 20.000 und 30.000 besitzt. Für die Analyse müssen mehrere Loci dieser so genannten Mikrosatelliten (STR) oder Minisatelliten (VNTR) untersucht werden. Um zügig eine Vielzahl von Loci vergleichen zu können, werden zumeist mehrere Loci-Amplifikationen in einem Reaktionsansatz in so genannten Multiplex-PCRs zusammengefasst.

Die molekulare Uhr

Von der Probe über die Sequenz zum Stammbaum (Abbildung: Biologie in unserer Zeit, Vol. 36, Issue 1; 1/2006) - zur Vergrößerung bitte anklicken.Neues Fenster
Von der Probe über die Sequenz zum Stammbaum (Abbildung: Biologie in unserer Zeit, Vol. 36, Issue 1; 1/2006) - zur Vergrößerung bitte anklicken. Von der Probe über die Sequenz zum Stammbaum (Abbildung: Biologie in unserer Zeit, Vol. 36, Issue 1; 1/2006) - zur Vergrößerung bitte anklicken. 
Aufgrund der sich über die Zeit in diesen ausgewählten DNA-Bereichen natürlicherweise ereignenden Mutationen (meist durch Desaminierung, Depurinierung oder Dimerisierung) nehmen die arttypischen Sequenzunterschiede zu, je länger zwei Spezies bereits voneinander getrennt sind. Durch diese molekulare Uhr lassen sich recht genaue verwandtschaftliche Verhältnisse und evolutive Vorgänge rekonstruieren, da sie nicht von phänotypischen oder morphologischen Merkmalen bestimmt sind. Dieser Wissenshintergrund ist wichtig, da nach den Regeln der Kladistik (= Methode der biologischen Systematik) nur monophyletische Gruppen, die sich von einem gemeinsamen Vorfahren ableiten, zu taxonomischen Einheiten wie Gattungen oder Familien zusammengefasst werden. Dieses Kriterium erfüllen nicht alle derzeitigen taxonomischen Gruppierungen, da oftmals bedingt durch konvergente oder wenig informative morphologische Merkmale falsche Rückschlüsse auf die stammesgeschichtliche Entwicklung der zu vergleichenden Lebewesen gezogen wurden.

Monophyletische und konvergente Gruppen

Professor Wink konnte mithilfe von umfassenden DNA-Analysen aufzeigen, dass z. B. die Evolution der Vögel, insbesondere der in vielen Teilen der Welt verbreiteten Greifvögel und Geier einen anderen Weg genommen hat, als sie die gegenwärtige Systematik beschreibt.

Auf der Basis von Nukleotidsequenzdaten des mitochondrialen Cytochrom-b-Gens und des Kern-Gens RAG1 (Rekombinationsgen in T-Zellen) hat Prof. Winks Arbeitsgruppe für etwa 300 Greifvogel- und Eulentaxa zeigen können, ob diese Falconiformes/Strigiformes und die einzelnen Familien jeweils monophyletische Gruppen darstellen oder, ob die morphologischen Anpassungen des Beutegreifers und der Geier – wie kräftiger hakenförmiger Schnabel, kräftige Greiffüße mit Krallen, exzellentes Sehvermögen und sehr gut entwickelte Flugfähigkeit - nicht unabhängig von verschiedenen Verwandtschaftskreisen entwickelt wurde. Die Arbeitsgruppe konnte nachweisen, dass jeweils die Familien der Falken, Habichtsartigen, Neuweltgeier, Fischadler und Eulen monophyletische Gruppen bilden, die jedoch nicht enger miteinander verwandt sind. Falken und Eulen bilden dabei unabhängige Gruppen, die keine nähere Verwandtschaft zu den eigentlichen Greifvögeln aufweisen. Ähnlichkeiten in ihren Lebensweisen sind deshalb vermutlich auf Konvergenz zurückzuführen, d. h. auf eine voneinander unabhängige Entwicklung bestimmter Eigenschaften aufgrund des gleichen Selektionsdrucks; die Vererbung spielte hierbei keine Rolle.
Neuweltgeier: Andenkondor (Foto: Tierreich.de)
Neuweltgeier: Andenkondor (Foto: Tierreich.de) 
Altweltgeier: Gänsegeier (Foto: Wikipedia.de)
Altweltgeier: Gänsegeier (Foto: Wikipedia.de) 
Am Beispiel der Geier lässt sich die konvergente Evolution der Greifvögel am klarsten erkennen. Die Sequenzanalysen bestätigen, dass Neuweltgeier (Bsp. Andenkondor | Vultur gryphus) nicht mit den Altweltgeiern (Bsp. Gänsegeier | Gyps fulvus) verwandt sind, sondern in die taxonomische Gruppierung der Ciconiida (Schreitvögel) gehören. Dies heißt nun aber nicht, dass sie zu den Störchen gezählt werden müssen. Neuweltgeier besitzen lediglich zusammen mit Sturmvögel, Kranichen, Flamingos und Störchen einen gemeinsamen Vorfahren und werden nun als Monophylum in der Order Ciconiiformes zusammengefasst. Für die Altweltgeier lassen die Untersuchungen zwei grundsätzlich unterschiedliche Entwicklungslinien erkennen: Bartgeier, Schmutzgeier und Palmgeier stellen vermutlich eine sehr alte Entwicklungslinie, zu der auch die Wespenbussarde zählen, die mit den echten Bussarden (Bsp: Mäusebussard | Buteo buteo) nicht näher verwandt sind. Gänsegeier (Abb. s.o.) und Mönchsgeier repräsentieren dagegen eine zweite eigenständige Entwicklungslinie.

In einem anderen Projekt haben Wink und Mitarbeiter die Artbildung von Singvögeln (Rotkehlchen, Goldhähnchen, Blaumeise) auf den Kanarischen Inseln über die Nukleotidsequenzen des mitochondrialen Cytochrom–b Gens rekonstruiert. Vulkanische Inseln, deren Alter gut bestimmbar ist (im Falle der Kanaren variiert es zwischen 1 und 20 Millionen Jahren), gelten als besonders gute Modelle allopatrischer Artbildung (das heißt Populationen entwickeln sich in geografischer Isolierung). Die Kanarischen Inseln sind von den Vögeln offenbar in mehreren Kolonisationsereignissen vom afrikanischen oder europäischen Festland aus besiedelt worden. Anhand von DNA-Sequenzen lassen sich auf verschiedenen Inseln distinkte Populationen unterscheiden, von denen einige als neue eigenständige Unterarten oder sogar Arten anzusprechen sind.

DNA-Analyse als Instrument des Artenschutzes

Welchen praktischen Nutzen diese neuen Erkenntnisse in der Systematik der Vögel für den Artenschutz haben können, zeigt sich am Beispiel des im Mittelmeergebiet lebenden Schwarzschnabelsturmtauchers (Puffinus puffinus). Nachdem die bekannten Unterarten P. p. yelkouan und P. p. mauretanikus durch DNA-Analyse eindeutig in zwei distinkte Arten aufgetrennt werden konnten, stieg der Schutzstatus nach den Kriterien von Birdlife International von SPEC-Kat. 4 in den wesentlich höheren Status der SPEC-Kat. 2.
Mittelmeer-Schwarzschnabelsturmtaucher (Puffinus puffinus) (Foto: birdguides.com)
Mittelmeer-Schwarzschnabelsturmtaucher (Puffinus puffinus) (Foto: birdguides.com) 
Somit kann die molekulare Evolutionsforschung auch ganz konkret einer einzelnen Tierspezies zu einer größeren Beachtung und zu einem verstärkten Schutz verhelfen - ganz im Sinne des hehren Ziels die Biodiversität nachhaltig zu bewahren und zu schützen.

Zur Person

Prof. Dr. Michael Wink, Direktor am IPMB der Universität Heidelberg (Foto: Universität Heidelberg)
Prof. Dr. Michael Wink, Direktor am IPMB der Universität Heidelberg (Foto: Universität Heidelberg) 
Prof. Dr. Michael Wink studierte Biologie und Chemie an der Universität Bonn. Nach seiner Promotion habilitierte er sich 1984 im Fach Pharmazeutische Biologie an der Technischen Universität Braunschweig. Gefördert durch das Heisenberg-Stipendium der DFG arbeitete er am MPI für Züchtungsforschung und am Genzentrum der LMU München. 1988 wurde er C3-Professor an der Universität Mainz und nahm ein Jahr später den Ruf als Ordinarius für Pharmazeutische Biologie an der Universität Heidelberg an, wo er die Abteilung Biologie am Institut für Pharmazie und Molekulare Biotechnologie (IPMB) leitet. Wink ist Autor von über 460 Originalarbeiten und verschiedenen Hand- und Lehrbüchern.

TB -22.02.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Literatur zum Thema: Volker Storch, Ulrich Welsch, Michael Wink: Evolutionsbiologie, 2. Auflage Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2007

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24.01.2008

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