Da Charles Darwin i 1835 dro på ekspedisjon til den isolerte øygruppen Galápagos i Stillehavet, tusen kilometer vest for det latinamerikanske kontinentet, oppdaget han at finkene på øygruppen skilte seg ut fra finkene på fastlandet. Finkene så dessuten forskjellige ut på de ulike øyene.
På vei over Atlanterhavet reiste Darwin med skipet Beagle. På turen passerte han Kanariøyene utenfor Afrikakysten. De består av syv øyer, deriblant Tenerife, Gran Canaria og Lanzarote. Darwin ønsket å gå i land på Tenerife, men ble nektet adgang fordi det var sykdom om bord.
– Hvis Darwin hadde klart å komme seg i land, ville han ha sett de samme prinsippene som på Galápagos. Fuglene som han kjente så godt i England, slike som rødstrupe, bokfink og blåmeis, så annerledes ut på Tenerife. Her finnes populasjoner som har vært isolert over lang tid og som har ut- viklet sin særegenhet, forteller ornitologiprofessor Jan Terje Lifjeld i forskergruppen Evolusjonær kjønnsforskning på Naturhistorisk museum ved UiO.
Mens de fleste nordmenn forbinder Kanariøyene med feriesysler, drar Jan Terje Lifjeld dit for å studere hvorfor fuglene er blitt så forskjellige på de isolerte øyene.
Lifjeld har en langt større fordel enn Darwin. De siste ti årene har det skjedd en rivende utvikling innenfor genetiske metoder. Han kan derfor ta et dypdykk i hvordan fugle-genomene ser ut. Det gjør det mulig å studere fuglenes evolusjon på en helt annen måte enn tidligere.
Svært sjelden fugl
En av forskningsartiklene hans handler om blåfinken. Blåfinken finnes bare i de høyereliggende furuskogene på Gran Canaria og Tenerife. Den er stedbunden og flyr ikke mellom de to øyene.
Blåfinken på Gran Canaria er i dag en av de sjeldneste spurvefuglene i Europa. Med tanke på det svært begrensete området som blåfinken holder til på og fordi populasjonen er så liten, er den, sammen med dompapen på Azorene (en portugisisk øygruppe 1400 kilometer lenger vest), blant de to mest truete spurvefuglene i Europa.
Det er bare 200 hekkende par igjen. Furuskogen er under stort press. Det foregår mye hogst. Fuglene finner få store trær med mye frø. Skogbrannene gjør det ikke akkurat enklere.
– Populasjonen kan derfor fort bryte sammen.
Over tid har de to blåfink-populasjonene utviklet seg i hver sin retning. Takket være genetiske undersøkelser har Lifjeld slått fast at de skilte lag for én million år siden.
Spørsmålet hans er om det er snakk om to distinkte arter eller to underarter av samme art.
– Dette er en definisjonssak, men de to bestandene er såpass forskjellige i både utseende, genetikk og spermier at de kvalifiserer til å kalles to arter.
Selv om Lifjeld først og fremst har en akademisk interesse av å kunne slå fast at blåfinken må deles inn i to arter, kan den vitenskapelige oppdagelsen hans ha langt større betydning.
– Sjeldne arter får bedre beskyttelse i EU. Sånn sett har vi bidratt til å heve bevaringsstatusen for blåfinken.
Annerledes blåmeis
Lifjeld har også forsket på kalottmeisen på Kanariøyene. Den ligner på blåmeisen vår, men både hodet og vingene ser annerledes ut.
De sju bestandene på Kanariøyene holder til på hver sin øy. Akkurat som blåfinken er også kalottmeisen stedbunden. Den flyr ikke mellom øyene. Hver av bestandene har sin egen historikk.
Man skulle kanskje tro at bestandene er blitt ulike fordi de har vært isolert fra hverandre i lang tid, men så enkel er ikke virkeligheten.
Kalottmeisen har dødd ut på Kanariøyene en rekke ganger og har så innvandret på ny fra det nordafrikanske fastlandet.
– Arter dør lettere ut på øyer enn på kontinenter, og øyer blir lettere rekolonisert med nye bestander. Gjennom genetiske undersøkelser kan vi slå fast at det har vært minst tre invasjoner av kalottmeis til Kanariøyene.
Fuglespermier
Men historien hans er enda mer spennende enn som så. For å finne svar har Lifjeld også studert fuglespermier. Han er verdens ledende forsker på fuglespermier. I løpet av de siste atten årene har Lifjeld og kollegene hans bygd opp verd-ens største arkiv med fuglespermier. I dag består samlingen av 12 000 spermieprøver fra 800 ulike fuglearter.
– Ingen andre museer i verden har en slik samling.
Spermieprøver av fugler kan si mye om evolusjonen, hvordan hannene konkurrerer seg imellom og hvordan nye fuglearter dannes.
Det viser seg at kalottmeisen på La Palma, som stammer fra den første invasjonen for mer enn én million år siden, har mye kortere spermier enn spermiene til kalottmeisen på de andre Kanari-øyene.
– Spermieprøvene bekrefter at populasjonen på La Palma stammer fra en annen bestand enn populasjonene på de andre øyene.
Resultatet er det samme som da Lifjeld sammenlignet fugle-genomer. Vitenskapelig sett er dette spennende. Det betyr at forskerne kan si noe om evolusjonen til fugler ved å studere hvordan spermiene ser ut.
Jan Terje Lifjeld tok i sin tid doktorgraden på atferden til svarthvit fluesnapper. Han jobbet ett år på daværende Rettsmedisinsk institutt for å lære mer om DNA-teknikker, en kunnskap som kommer svært godt med når man skal studere de genetiske forskjellene mellom arter, hvor lenge arter og undergrupper har vært separert fra hverandre og hvorfor arter blir så forskjellige. De siste atten årene har han også tatt et dypdykk i farskap og fuglespermier.
Du lurer kanskje på hvordan han får tak i spermier? Det er ikke vanskelig.
– Vi masserer kloakkåpningen på fuglene, får ut spermiene og ser på dem i mikroskop. Da kan vi se hvor store forskjellene er innad hos ulike arter, hvor store spermiene er og hvor raskt de svømmer.
Et av de fundamentale spørsmålene i biologien er hva som skal til for å danne nye arter.
– Vi har lansert en helt ny mekanisme for artsdannelse.
Artikkelen om farskap og fuglespermier er nylig publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Evolution.
Alpejernspurven
Eksemplet hans handler om alpejernspurv, en kjedelig fugl uten prangende farger. Den lever i isolerte bestander i høyfjells-områder nord for Middelhavet og i enkelte områder i Atlasfjellene i Marokko.
Ved å sammenligne spermiene fra én populasjon i Spania med én populasjon i Marokko, kunne Jan Terje Lifjeld slå fast at spermiene i de to populasjonene er svært forskjellige.
Alpejernspurven har en helt spesiell vri på samlivsformen sin. Den er polygynandrisk. Det betyr at innad i en gruppe parer alle hannene seg med hunnene – og omvendt. Vanligvis deler tre til fem hanner på oppgaven med å vokte et territorium. De pleier vanligvis å dele mellom to og fem hunner.
Og da kan du kanskje tenke deg hva som skjer med spermiene. Alle hannene har en biologisk interesse av å spre genene sine. Det blir derfor stor konkurranse mellom spermiene. Vinnerne blir dem med den optimale størrelsen.
Dette fascinerende prinsippet gjelder for alle promiskuøse fuglearter, der flere hanner har seg med én og samme hunn. De spermiene som er for korte eller for lange, blir selektert vekk fordi ingen som hadde denne størrelsen i de foregående genera-sjonene nådde frem til egget. Da vil det etter hvert bli svært liten variasjon mellom spermiene.
Og dessuten: Ved å måle variasjonen av spermie-størrelsen til hannene i en bestand, kan Lifjeld slå fast hvor stor andel uekte unger hunnene har.
Hunnens spermielager
Denne historien handler ikke bare om spermier, men også om reproduksjonskanalen til hunnen. Her finnes noen utposninger i den nedre delen av livmoren. Dette er spermielagre. De dannes én eller to uker før hunnene begynner å legge eggene sine og forsvinner rett etterpå.
Lengden på spermielagrene er sterkt korrelert med lengden på spermiene. Det betyr: For at hannen skal vinne spermiekappløpet, må spermiene hans passe inn i spermielagrene. Det er viktig. Bare de spermiene som lagres, har muligheten til å befrukte egget.
– Det skjer en samtidig evolusjon mellom spermien til hannene og spermielagrene til hunnene.
Forskerne har fortsatt et uløst problem.
– Hvordan spermielagrene velger ut de spermiene som skal videre til egget, vet vi veldig lite om. Dette er et stort hull i vår forståelse av forplantningssystemet.
Uheldigvis er det ikke så lett å eksperimentere med dette hos fugler, men det er forsket mye på spermielagre og hvilke spermier som vinner kappløpet hos insekter.
Store variasjoner
Lengden på fuglespermiene varierer mellom 35 og 300 mikrometer. Hver art har ulike intervaller. Dompapen og den norske nasjonalfuglen, fossekallen, har de korteste spermiene, mens sivspurven har noen av de lengste.
Variasjonen på spermiene mellom hanner i en bestand er minst hos promiskuøse arter og størst hos de monogame. Forklaringen er åpenbar.
– Monogame arter har monopol på hunnens egg. Da trenger ikke hannen ha optimale spermier. Det holder med tufsete og slakke spermier. Alt går.
Konkurransen oppstår først når spermiene må være tilpasset hunnens spermielager.
– Hvis hunnene har variabel lengde på spermielagrene sine, gjelder det for hannen å ha den optimale lengden som passer til de fleste hunnene. Du kan sammenligne dette med å ha tilgang til en universalnøkkel. Låsen og nøkkelen må passe sammen. Hvis du ikke klarer å låse opp mange dører, klarer du heller ikke å befrukte mange egg. Du må altså ha den rette lengden på spermiene dine for at det skal betale seg over tid. Hver hann må dessuten ha spermier som ikke bare passer bra til én bestemt hunn, men til mange hunner.
Hos monogame arter, altså de artene der hunnen bare blir befruktet av én hann, er det derfor ikke en like stor sammenheng mellom lengde på spermiene og størrelsen på spermielageret til hunnen.
Det store poenget
Studiene av alpejernspurven, der mange hunner og hanner har seg med hverandre, har bidratt til en helt ny forståelse av dannelsen av nye arter.
Nå kommer det store poenget. Endelig!
Hvis du tenker deg to populasjoner som er isolert fra hverandre, vil det alltid skje endringer over tid.
– Der konkurransen mellom spermiene er høy, altså hos promiskuøse arter, vil populasjonsendringene skje raskere enn hos monogame arter. Der vil ikke lengden på spermiene like raskt tilpasse seg endringene hos hunnen.
Og det som er vel så spennende: Om individer fra de to populasjonene skulle få muligheten til å møtes igjen, har spermiene og spermielagrene til hver av de to populasjonene utviklet seg så forskjellig, at det har oppstått en befruktnings-barriere mellom dem.
– Spermier er derfor en essensiell faktor i dannelsen av nye arter.
Men som Lifjeld poengterer enda en gang:
– Dette gjelder bare for arter med høy promiskuitet. Hos monogame arter, der det ikke er noen særlig konkurranse mellom spermiene, vil ikke denne mekanismen ha noe særlig for seg. Men ettersom promiskuitet er vanlig hos brorparten av spurvefuglene, kan spermier spille en vesentlig rolle i forståelsen av hvordan nye arter dannes. Det er spennende, sier Lifjeld.
– Gjelder dette spesifikt for fugler, eller kan den nye kunnskapen brukes til en generell forståelse av evolusjon?
– Det finnes bevis for at dette også gjelder for insekter. Polygame slekter er mer artsrike enn de monogame. Det ser ut til at forplantningssystemet har betydning for hvor mange arter som dannes og hvor raskt de dannes.
Kom tilbake om fem år!
Spurvefuglene er en meget rik artsgruppe.
– Noen av forklaringene har vært at disse fuglene er gode til å tilpasse seg mange ulike nisjer, men dette er en økologisk forklaring. Det er en pågående diskusjon blant forskere om promiskuitet kan forklare hvorfor artsmangfoldet blant spurvefugler er så stort. Vi prøver nå å besvare dette spørsmålet ved å se på spermiens diversitet og artsrikdom i de forskjellige gruppene. Men om dette er forklaringen på artsmangfold, er litt tidlig å slå fast ennå. Vi er opptatt av å besvare dette. Kom tilbake om fem år, oppfordrer Jan Terje Lifjeld.
Helt til slutt ber han innstendig Apollon om å legge til:
– Takk Gud for Forskningsrådet. Uten dem hadde vi ikke klart å gjennomføre denne forskningen. Dette er et krevende arbeid. Vi har kunnet ansette mange stipendiater og postdoktorer. Uten driftsmidler er det veldig begrenset hva vi kan gjøre. Alt grunnlagsmaterialet vårt er dessuten lagret på museet. Alt er etterprøvbart. Det er viktig.