Fra den fire fod høje kejserpingvin til den passende navngivne fodlange lille pingvin har disse unikke fugle, der ikke kan flyve, invaderet levesteder fra Antarktis til ækvator, for ikke at nævne offentlighedens hjerter.
En sammenligning af de fulde genomer fra 18 anerkendte arter af pingviner giver fingerpeg om, hvordan de opnåede denne succes - dog ikke deres yndelighed - gennem titusinder af år, gennem varme og kolde klimaudsving. Den advarer også om, at nutidens hurtigt skiftende klima kan være for meget for dem.
"Vi er i stand til at vise, hvordan pingviner har været i stand til at diversificere til at indtage de utroligt forskellige termiske miljøer, de lever i i dag, fra 9 grader Celsius (48 F) i farvandet omkring Australien og New Zealand, ned til negative temperaturer i Antarktis og op til 26 grader (79 F) på Galápagos-øerne," sagde Rauri Bowie, professor i integrativ biologi ved University of California, Berkeley, og kurator i Museum of Vertebrate Zoology (MVZ) i Berkeley. "Men vi vil gerne understrege, at det har taget millioner af år for pingviner at være i stand til at indtage så forskellige levesteder, og med den hastighed, oceanerne opvarmes, vil pingviner ikke være i stand til at tilpasse sig hurtigt nok til at følge med. skiftende klima."
Forskerne fastslog endegyldigt, at pingviner opstod i de kølige kystområder i Australien og New Zealand, ikke det iskalde Antarktis, som mange videnskabsmænd troede, og de udpeger pingvinernes oprindelse for omkring 22 millioner år siden.
På trods af deres succes med at sprede sig bredt over hele den sydlige halvkugle, er mange pingvinpopulationer nu truet. Ynglekolonier af kejserpingviner i Antarktis er blevet nødt til at flytte på grund af vigende havis, mens sidste år oplevede massedødelighed af Adélie-pingvinkyllinger på kontinentet. Galápagos pingvinpopulationer er faldende, efterhånden som varme El Niño-begivenheder bliver mere almindelige. I New Zealand skal bestande af små og guløjede pingviner være indhegnet for at beskytte dem mod vildkattes udhulinger, mens bestanden af afrikanske pingviner falder drastisk, efterhånden som vandet ud for det sydlige Afrika bliver varmt.
"Vi så gennem millioner af år, at diversificeringen af pingviner faldt med stigende temperatur, men det var over en lang tidsskala," sagde Juliana Vianna, lektor i økosystemer og miljø ved det pavelige katolske universitet i Chile i Santiago. "Lige nu går ændringer i klimaet og miljøet for hurtigt til, at nogle arter kan reagere på klimaændringerne."
Vianna er førsteforfatter til et papir med Bowie og andre kolleger, der beskriver deres resultater, og som vil blive offentliggjort online i denne uge i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences.
Hvor kom pingvinerne fra?
Til undersøgelsen indsamlede Vianna, Bowie og kolleger på museer og universiteter rundt om i verden blod- og vævsprøver fra 22 pingviner, der repræsenterede 18 arter, og derefter sekventerede og analyserede deres hele genomer for at kortlægge pingvinernes bevægelser og diversificering gennem årtusinder.
Deres konklusioner løser adskillige langvarige spørgsmål: Især hvor pingviner opstod - langs kysten af Australien, New Zealand og nærliggende øer i det sydlige Stillehav - og hvornår - for 22 millioner år siden. De genetiske beviser tyder på, at forfædrene til konge- og kejserpingvinerne, de to største arter, snart splittede sig fra de andre pingviner og flyttede til henholdsvis subantarktiske og antarktiske farvande, formentlig for at drage fordel af rigelige føderessourcer. Dette scenarie stemmer overens med den anfægtede hypotese om, at kejser- og kongepingvinerne - de eneste to arter i slægten Aptenodytes - er søstergruppen til alle andre pingvinslægter.
"Det var meget tilfredsstillende at kunne løse fylogenien, som har været diskuteret i lang tid," sagde Bowie. "Debatten gik på, hvor præcist kejser- og kongepingvinerne blev placeret i stamtræet, om de er redet inde i træet tættere på andre pingvinslægter, eller om de er søstre til alle de andre pingviner, hvilket er vores fylogeni. viste, og nogle andre tidligere undersøgelser havde foreslået. Og det passer med pingvinernes rige fossilhistorie."
De andre pingviner diversificerede og spredte sig vidt over de sydlige oceaner, efter at Drake's Passage mellem Antarktis og sydspidsen af Sydamerika åbnede fuldt ud for omkring 12 millioner år siden. Åbningen satte fart i den med uret bevægende antarktiske cirkumpolære strøm tillod disse flyveløse fugle at svømme med havstrømmene i hele det sydlige ocean og befolkede både de kolde subantarktiske øer og de varmere kystområder i Sydamerika og Afrika, hvor de befolkede til kystlinjer og fjerntliggende øer med koldt, opstrømmende, næringsrigt vand.
I dag findes pingviner i Australien og New Zealand (guløjede, små og andre kampingviner), Antarktis (kejser, Adélie, gentoo og hagerem), Sydamerikas tropiske vestkyst (Galápagos og Humboldt), Sydamerikas sydlige kyster (magellanisk og sydlig rockhopper), det sydlige Atlanterhav (Magellanic og makaroni), det sydlige Afrika (afrikansk) og nogle i sub-antarktis (konge, gentoo og makaroni), øer i Det Indiske Ocean (østlige rockhopper) og subtropiske regioner (nordlig rockhopper).
Ved brug af kraftfulde analyseteknikker, nogle udviklet for nylig for at analysere historiske interaktioner mellem mennesker og vores neandertaler- og denisovan-slægtninge, var forskerne i stand til at fastslå, at flere grupper af pingviner har krydset sig i løbet af deres evolutionære historie. Gennem udveksling af genetisk materiale kan pingviner have delt genetiske egenskaber, der lettede diversificeringen af pingviner på tværs af de stejle termiske og s altholdige gradienter, man støder på i de sydlige oceaner. De mest hybridiserede er rockhopper-pingvinerne og deres nære slægtninge, som oplevede mindst fire introgressioner eller overførsler af genetisk information i løbet af millioner af år.
Teamet udpegede også genetiske tilpasninger, der gjorde det muligt for pingviner at trives i nye og udfordrende miljøer, herunder ændringer i gener, der er ansvarlige for regulering af kropstemperaturen, hvilket gjorde det muligt for dem at tilpasse sig antarktiske temperaturer under nul, såvel som tropiske temperaturer nær ækvator; iltforbrug, der tillod dybere dyk; og osmoregulering, så de kunne overleve på havvand uden behov for at finde ferskvand.
Nye analytiske værktøjer hjalp forskerne med at udlede størrelsen af gamle pingvinpopulationer, der går omkring 1 million år tilbage. De fleste pingvinarter, fandt de, steg til deres største antal, da verden afkølede for 40.000 til 70.000 år siden under den sidste istid - mange arter foretrækker at yngle på sne og is - og nogle havde et bump i bestanden under de foregående istiden for 140.000 år siden.
To arter - gentoo og Galápagos - synes at have været faldende i bestande i mindst de sidste 1 million år.
DNA fra de mest isolerede fugle på Jorden
Vianna har langvarige forskningsprojekter om pingviner i Chile og Antarktis og har til denne undersøgelse opnået blodprøver fra mange arter i disse områder. Kolleger i Frankrig, Norge, Brasilien, Australien, USA og Sydafrika leverede blod fra nogle fjerntliggende arter - norske kolleger leverede for eksempel blod fra hagebåndspingvinen på Bouvet-øerne - mens Vianna og Bowie fik blodprøver fra en afrikansk pingvin i en koloni ved California Academy of Sciences i San Francisco.
Men nogle arter var sværere at lokalisere. Forskerne blev tvunget til at stole på væv fra et bevaret eksemplar af den guløjede pingvin i UC Berkeleys MVZ, mens American Museum of Natural History i New York leverede væv fra bevarede erigeret-crested og Fiordland-pingviner.
Hvert genom blev sekventeret 30 gange ved Illumina-shotgun-sekventering, som producerede bittesmå stykker - omkring 150 basepar lange - af hele genomet. Vianna, som på det tidspunkt arbejdede med Bowie på UC Berkeley på et sabbatår, justerede møjsommeligt hvert stykke langs et referencegenom, der tidligere var blevet sekventeret - kejserpingvinens - som et stillads.
"At have et referencegenom er som at bruge låget på en puslespilsboks til at samle et puslespil: Du kan tage alle dine super små brikker og justere dem til referencegenomet," sagde Bowie. "Det gjorde vi med hvert af disse pingvingenomer."
Genom-sammenligningerne fort alte dem, at pingviner opstod for mellem 21 millioner og 22 millioner år siden, hvilket indsnævrede det 10- til 40-millioner-årige vindue, som tidligere blev bestemt ud fra fossile pingviner.
De modbeviste også et papir udgivet sidste år, der antydede, at de nært beslægtede konge- og kejserpingviner var en søstergruppe til gentoo- og Adélie-pingvinerne. I stedet fandt de ud af, at konge- og kejserpingvinerne er søstergruppen til alle andre pingviner.
Vianna og Bowie har nu genomsekvenser på 300 individuelle pingviner og dykker dybere ned i de genetiske variationer inden for og blandt forskellige pingvinpopulationer. De opdagede for nylig en ny afstamning af pingviner, der afventer videnskabelig beskrivelse.
"Pingviner er meget karismatiske, bestemt," sagde Vianna. "Men jeg håber, at disse undersøgelser også fører til bedre bevaring."
Værket blev støttet af Chilean Antarctic Institute, Fondecyt Project, GAB PIA CONICYT (ACT172065) og U. S. National Science Foundation (DEB-1441652). Blandt avisens medforfattere er Ke Bi og Cynthia Wang-Claypool fra UC Berkeley og Daly Noll fra Pontifical Catholic University of Chile.
