Zjeżdżając po ośnieżonych antarktycznych zboczach i przemierzając mroźne wody, pingwiny wydają się doskonale przystosowane do swojego środowiska. Ale te charyzmatyczne ptaki nie zawsze były pozbawionymi lotu akrobatami wodnymi: Ewolucja od latania do pływania wymagała niemal zupełnie nowego zestawu umiejętności, kształtów ciała i funkcji.

Teraz nowe badania wykorzystują bezprecedensowe połączenie zapisów kopalnych i danych genomowych, aby nakreślić tę ewolucję w sposób niespotykany wcześniej – i zbadać, jak klimat ukształtował losy pingwinów.

„Pingwiny są najbardziej zabawnym produktem ewolucji” – mówi współautor badań Daniel Ksepka, paleontolog ptaków z Bruce Museum w Greenwich, Connecticut. „Zaadaptowały zupełnie inny plan ciała i styl życia niż ich przodkowie”.

Badanie, opublikowane dzisiaj w czasopiśmie Nature Communications, pokazuje, że wczesne pingwiny były zaskakująco szybkie w dostosowaniu się do nowo utworzonych nisz środowiskowych na całej półkuli południowej w następstwie masowego wymierania kredowo-paleogeńskiego około 66 milionów lat temu. Po zniknięciu dinozaurów było więcej miejsca dla innych zwierząt, które mogły się rozprzestrzenić, a pingwiny wypełniły różne klimaty i biomy w południowej połowie świata.

Ale badania ujawniają również, że pingwiny wykazują najwolniejsze znane tempo ewolucji wśród wszystkich ptaków, co oznacza, że ich tempo mutacji genetycznych uległo znacznemu spowolnieniu od czasu ich przejścia do życia morskiego po masowym wymieraniu. To stawia pod znakiem zapytania ich zdolność do szybkiego dostosowania się do karkołomnego tempa współczesnych zmian klimatycznych, twierdzą autorzy badania.

Ponad połowa z około 18 żyjących gatunków pingwinów, które zamieszkują tak różne miejsca jak Brazylia, Nowa Zelandia i Południowa Afryka, są już uznane za zagrożone lub narażone przez Międzynarodową Unię Ochrony Przyrody.

„Współczesne pingwiny wydają się być gorzej wyposażone, aby przetrwać te szybkie zmiany środowiskowe niż starożytne pingwiny z powodu tego spadku tempa ewolucji”, mówi Vanesa De Pietri, ptasi paleontolog z nowozelandzkiego Uniwersytetu Canterbury, który nie był zaangażowany w badania. (Przeczytaj o siedmiu gatunkach uderzonych mocno przez zmiany klimatu).

„Czy wyspecjalizowały się w kącie?” pyta. „Tak, prawdopodobnie”.

Przystosowanie do życia w środowisku wodnym

Bezpośredni przodek pingwinów jest wciąż nieznany z powodu braku skamielin, mówi De Pietri. Tajemniczy potomek żył prawdopodobnie ponad 60 milionów lat temu, kiedy to oddzielił się od pokrewnych grup ptaków latających przypominających albatrosy i petrele.

Wcześniejsze badania nad ewolucją pingwinów były również ograniczone przez fakt, że około trzy czwarte wszystkich gatunków pingwinów wymarło, znane jedynie z zapisów kopalnych. Do tej pory żadne badania nie łączyły kompletnego zapisu kopalnego ze wszystkimi współczesnymi i niedawno wymarłymi genomami pingwinów.

„To imponujące podejście do zrozumienia ewolucji pingwinów” – mówi Nic Rawlence, paleogenetyk z nowozelandzkiego University of Otago, który nie był zaangażowany w badania. (Zobacz piękne zdjęcia pingwinów.)

Łącząc te dwa ogromne zbiory danych, zespół – w tym współautor Pablo Borboroglu, biolog morski i National Geographic Explorer – udoskonalił drzewo ewolucyjne pingwinów, wskazał czasy, w których pingwiny stały się bardziej zróżnicowane, wykreślił zmiany w populacjach i określił, które geny pomogły pingwinom przejść do życia w środowisku wodnym.

„To naprawdę daje nam cały obraz” – mówi Ksepka.

Analiza genomów pingwinów pokazała, w jaki sposób ptaki doszły do tego, że mają sztywne płetwy i wodoodporne pióra do pływania, grubą skórę i tłuszcz do utrzymywania ciepła oraz widzenie podwodne i kontrolę tlenu do nurkowania.

Naukowcy wiedzieli już o tych adaptacjach, ale porównanie genomów wszystkich żyjących pingwinów pozwoliło zespołowi zidentyfikować geny za nie odpowiedzialne. Powiązanie genomów z zapisem kopalnym pozwoliło również oszacować, kiedy geny i różne gatunki się pojawiły. Ostatnim krokiem było powiązanie tego wszystkiego z klimatem.

Nadążanie za zmianami klimatu

Po początkowym wybuchu adaptacji tempo ewolucji pingwinów stopniowo spadało. (Dzięcioły mają jeden z najszybszych wskaźników, choć powód pozostaje tajemnicą).

Po ewolucji do środowiska morskiego pingwiny musiały dostosować się do powtarzających się od milionów lat wahań klimatu. Nowy wybuch różnicowania gatunków pingwinów rozpoczął się nieco ponad dwa miliony lat temu, gdy rozpoczął się ostatni okres lodowcowy. Wraz z powiększaniem się pokrywy lodowej i zmianami środowiska pingwiny migrowały i często były całkowicie odcięte od innych grup. Przez setki tysięcy lat, oddzielone przez lód, pingwiny ewoluowały w różnorodne gatunki żyjące obecnie.

Podczas gdy wcześniejsze badania stawiały hipotezy na temat tego procesu, nowa kombinacja danych genomowych i kopalnych oferuje najsilniejsze dowody na jego istnienie.

„To badanie naprawdę ładnie pokazało, w kontekście genomicznym, jak wydarzenia związane z różnicowaniem mogą być skorelowane z głównymi wydarzeniami klimatycznymi w całej historii pingwinów” – mówi De Pietri.

Ponura przyszłość?

Wiele pingwinów z łatwością przystosowało się do poprzednich zmian klimatycznych. Ale dzisiejsze tempo zmian klimatycznych – o wiele szybsze niż zmiany, które pingwiny przetrwały wcześniej – stawia pingwiny przed nowym wyzwaniem ewolucyjnym. Autorzy badania uważają, że pingwiny raczej sobie z nim nie poradzą.

„Wiele pingwinów żyje w obszarach zerowych dla zmian klimatu” – mówi Ksepka. Gatunki antarktyczne, takie jak pingwin chinstrap, są szczególnie zagrożone; kontynent stracił około trzech bilionów ton lodu od początku lat 90. Pingwiny ograniczone do wysp są również narażone, ponieważ „nie mają dokąd pójść” – mówi Ksepka.