Neue Forschungsergebnisse zur Evolution der Finger von Vögeln

2. Jänner 2014, 13:25
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Wiener Biologen identifizierten die drei verbliebenen Finger in Vogelflügeln als Zeige-, Mittel- und Ringfinger

Wien - In der Regel haben Landwirbeltiere fünf Finger oder Zehen pro Hand oder Fuß. Viele Tiergruppen haben im Laufe der Evolution diesen Bauplan allerdings abgewandelt. So haben etwa Paarhufer nur zwei oder vier Zehen. In Flügeln von Vögeln sind hingegen drei knochige Finger vorhanden. Um welche Finger es sich dabei handelt, war bislang unklar: Daumen, Zeige- und Mittelfinger (I, II, III) oder Zeige-, Mittel- und Ringfinger (II, III, IV). Biologen der Universität Wien glauben, diese Frage nun geklärt zu haben. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie aktuell im Fachmagazin "Journal of Experimental Zoology".

Widersprüchliche Daten

Bei den meisten Landwirbeltieren ist der erste Finger, der embryonal ausgebildet wird, der vierte (Ringfinger). Auch bei Vögeln wird zuerst der Finger auf der Handaußenseite angelegt, was dafür spricht, dass es sich dabei um den Ringfinger handelt. Nun konnte jedoch nachgewiesen werden, dass auch auf der Handinnenseite eine embryonale Fingeranlage vorhanden ist, die allerdings schnell wieder verschwindet. Diese Daten sprechen für eine Identifizierung der Finger als Zeige-, Mittel- und Ringfinger (II, III, IV).

Allerdings ähneln die drei Finger des Urvogels Archaeopteryx denen der Dinosaurierart Deinonychus, mit der er wohl nahe verwandt war. Fossilreihen belegen die Reduktion von zwei Fingern an der Außenseite der Hand unter den Vorfahren von Deinonychus und stützen damit die Daumen, Zeige- und Mittelfinger-Identifizierung (I, II, III) der Vogelfinger. Auch entsprechen die Genexpressionsmuster des Vogelfingers auf der Handinnenseite denen des Daumens bei anderen Tieren und nicht denen des Zeigefingers.

Diesem Widerspruch begegneten Forscher bisher mit drei Ansätzen: 1. Vögel stammen nicht von den Dinosauriern ab, 2. die Dinosauriervorfahren der Vögel hatten ebenfalls die drei mittleren Finger oder 3. die drei vorderen Finger der Vögel wurden irgendwie auf die drei mittleren embryonalen Positionen verschoben. Keiner dieser Ansätze konnte allerdings alle vorhandenen Daten hinreichend erklären.

Bestimmendes Protein

"Das Erscheinungsbild – der sogenannte Phänotyp – der Finger wird während der Embryonalentwicklung vom Protein Sonic Hedgehog bestimmt, das von der Handaußenseite ausgeht. Das bedeutet, einfach gesagt, dass die Konzentration des Proteins auf der Handaußenseite am höchsten ist und Richtung Handinnenseite abnimmt", erklärt der theoretische Biologe Daniel Capek. "Die verschiedenen Fingeranlagen passen daher ihre Genexpression – und in Folge auch ihren Phänotyp – der Sonic Hedgehog-Konzentration in ihrem Umfeld an. Wir haben einen darauf basierenden molekular-biomechanischen Mechanismus erdacht, der in der Lage ist, alle vorhandenen Daten zu erklären ", so Capek, der in der Gruppe von Brian Metscher vom Department für Theoretische Biologie der Uni Wien zu diesem Projekt forschte.

Nach dieser Hypothese fand in der Dinosaurier-Evolution zunächst tatsächlich eine Fingerreduktion an der Handaußenseite statt, bei der anfangs der kleine Finger reduziert wurde und dann wegfiel und der Ringfinger teilreduziert wurde. Es ist allerdings deutlich leichter, die beiden äußeren Finger zu reduzieren als mittlere, da diese in der Entwicklung als letztes angelegt werden. Folglich wurde statt des vierten der erste Finger reduziert, die übrigen Finger nutzten den zur Verfügung stehenden Platz aus, indem sie weiter nach innen wuchsen. Dies führte schließlich dazu, dass diese Finger eine veränderte Sonic Hedgehog-Konzentration vorfinden und ihre Entwicklung dementsprechend anpassen.

"Dieser Mechanismus erklärt, warum die Finger von Archaeopteryx und moderner Vögel die Form der anterioren Finger I, II, III haben, obwohl sie eigentlich die zentralen Finger II, III, IV sind. Gleichzeitig stimmt diese Hypothese mit dem fossilen Befund und den aktuellen entwicklungsgenetischen Resultaten überein", resümiert Studienleiter Brian Metscher. (red, derStandard.at, 2.1.2014)

  • Schematische Darstellung der Finger-Reduktion bei den Dinosauriervorfahren der Vögel.
    foto: brian metscher

    Schematische Darstellung der Finger-Reduktion bei den Dinosauriervorfahren der Vögel.

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