Darwins vinken zijn de symbolen van de evolutie. De vogels die hij op de Galapagoseilanden zag tijdens zijn beroemde reis rond de wereld in 1831-1836 veranderden zijn ideeën over het ontstaan van nieuwe soorten en uiteindelijk die van alle biologen ter wereld.
Darwin verbaasde zich over de veranderingen in vorm van vogelsnavels van eiland tot eiland. Zogenaamde cactusvinken hebben langere, puntigere snavels dan hun verwanten, de grondvinken. Snavels van grasmusvinken zijn dunner en puntiger dan beide. Door deze aanpassingen zijn ze beter in staat te overleven met het beschikbare voedsel.
Onderzoekers van de Harvard Medical School zijn nog een stap verder gegaan. Met behulp van moderne genetische analyses hebben zij een molecuul gevonden dat genen reguleert die betrokken zijn bij de vormgeving van de snavels van Darwinvinken. “Calmoduline is een eiwit dat bepaalde enzymen bindt en activeert, waardoor een signaal wordt afgegeven dat uiteindelijk specifieke genen aan of uit zet,” legt Arkhat Abzhanov, een evolutiebioloog aan Harvard, uit. Deze signalen veranderen het gedrag van cellen die verantwoordelijk zijn voor de vormgeving van de snavels.
De leden van het onderzoeksteam kregen toestemming om vinkeneieren te verzamelen in het Galapagos National Park, een groep rotsachtige eilanden in de Stille Oceaan, ongeveer 600 mijl ten westen van Ecuador. Vrouwelijke vinken leggen legsels van vier tot vijf eieren, één per dag. Om verstoring en verlaten van de nesten te voorkomen, namen de onderzoekers alleen de derde eieren die werden gelegd.
In de afdeling Genetica van de Harvard Medical School werden 26 vogelembryo’s onderzocht, waarbij gebruik werd gemaakt van genchips die onthullen welke genen het meest actief zijn in de koppen van de zich ontwikkelende vinken. Deze activiteit werd vervolgens vergeleken met de grootte en vorm van volwassen snavels.
Het onderzoek richtte zich al snel op calmoduline als de schakelaar die genen kan inschakelen die betrokken zijn bij het vergroten van de snavellengte. Dit eiwit was nog nooit eerder betrokken geweest bij de ontwikkeling van de schedels en gezichten van vogels.
“We ontdekten dat calmoduline inderdaad tot expressie kwam op een aantoonbaar hoger niveau bij cactusvinken in vergelijking met grondvinken, en dus geassocieerd werd met hun langere snavels,” zegt Clifford Tabin, hoogleraar genetica. “Dit hogere niveau is zowel biologisch relevant als functioneel belangrijk voor het vormen van verlengde snavels, die op een gespecialiseerde manier worden gebruikt om cactusbloemen en -fruit af te tasten naar stuifmeel, nectar en zaden.” Dezelfde golf van calmoduline werd niet gevonden bij grondvinken met stompe snavels.
Een snavel in de evolutie
Toen Charles Darwin de Galapagoseilanden voor het eerst zag, beschreef hij ze als 10 eilanden “gelegen onder de evenaar.” Hij merkte op dat ze als vulkanen waren ontstaan en bezaaid waren met kraters. “Sommige van de kraters, die de grotere eilanden bedekken, zijn van immense grootte, en ze rijzen op tot een hoogte van tussen de drie- en vierduizend voet.”
Notend op verschillen in de voedingsgewoonten van de vinken, schreef Darwin dat cactusvinken “dikwijls gezien kunnen worden terwijl ze rond de bloemen van de grote cactusbomen klimmen.” Bij het zien van de verscheidenheid aan snavels en andere structuren bij de nauw verwante vinken, schreef hij in zijn notitieboek, “zou men echt kunnen denken dat één soort was genomen en aangepast voor verschillende doeleinden.”
Darwin werkte dit idee verder uit toen hij zo’n 25 jaar later, in 1859, zijn intellectuele bom, de “Origin of Species,” publiceerde. Hij speculeerde dat vogels, die op spreeuwen leken, door de wind naar de Galapagos Eilanden waren gekomen. De evolutie nam het over en verschillende groepen ontwikkelden verschillende diëten. Wanneer, schreef hij, “een immigrant zich voor het eerst op een van de eilanden vestigt, … zal hij ongetwijfeld blootgesteld worden aan verschillende omstandigheden op de verschillende eilanden (waar) hij zal moeten concurreren met een andere groep organismen. … Dan zou natuurlijke selectie waarschijnlijk de voorkeur geven aan verschillende variëteiten op de verschillende eilanden.”
Met andere woorden, de snavels veranderden naarmate de vogels een andere smaak ontwikkelden voor vruchten, zaden, of insecten die ze van de grond of uit cactussen plukten. Lange, spitse snavels maakten sommige van hen geschikter om zaden uit cactusvruchten te pikken. Kortere, dikkere snavels waren het meest geschikt voor het eten van zaden die op de grond werden gevonden. Uiteindelijk evolueerden de immigranten tot 14 verschillende soorten, elk met een eigen zang, voedselvoorkeur en snavelvorm. Grasmusvinken, bijvoorbeeld, vangen insecten met snavels die scherper en slanker zijn dan die van cactuseters.
Voor de toekomst, merkt Abzhanov op, “zijn er nog zeven of acht andere Darwinvinken met unieke snavels om te onderzoeken. Deze vogels vormen een ideaal uitgangspunt, omdat ze zeer nauw verwant zijn, maar toch zeer divers van vorm en structuur zijn.
“We verwachten ook dat calmoduline belangrijk is bij andere groepen vogels met lange snavels. Dit zal echter niet het hele verhaal zijn voor vogels als ooievaars en ibissen. Verhoging van de calmoduline-activiteit leidt tot een bescheiden toename van de snavellengte met 10-14 procent, wat goed overeenkomt met de lengteverschillen tussen cactus- en grondvinken, maar voor nog langere snavels zijn misschien aanvullende mechanismen nodig.”
Abzhanov, Tabin en hun collega’s van Harvard, Princeton en het Institute of Molecular Pathology in Wenen, Oostenrijk, publiceerden het resultaat van hun vinkenonderzoek in de uitgave van 3 aug. 3 aug. van het tijdschrift Nature.
Gevraagd naar de mogelijkheid van calmoduline in de hoofden van mensen, antwoordt Abzhanov: “Op dit moment weten we niet of zoogdieren in het algemeen of mensen in het bijzonder calmoduline gebruiken tijdens de ontwikkeling van hun schedels en gezichten. Het is echter zeer waarschijnlijk, omdat calmoduline betrokken lijkt te zijn bij zeer elementaire craniofaciale ontwikkelingsprocessen. We weten dat het op het juiste moment en op de juiste plaats tot expressie komt in de ontwikkeling van muizenembryo’s. We zullen de rol(len) ervan tijdens de ontwikkeling van zowel muizen als kippen zeker onderzoeken.”
