Abstract Seasonal migration is a widespread adaptation in environments with predictable periods of resource abundance and scarcity. Migration is frequently associated with high mortality, suggesting that migratory species live on the “fast” end of the slow-fast continuum of life history. However, few interspecific comparative studies have tested this assumption and prior assessments have been complicated by environmental variation among breeding locations. We evaluate how migration distance influences the tradeoff between reproduction and survival in 45 species of mostly passerine birds that breed sympatrically in North American boreal forests but migrate to a diversity of environments and latitudes for the northern winter. We find, after accounting for mass and phylogeny, that longer distance migrations to increasingly amenable winter environments are correlated with reduced annual reproductive output, but also result in increased adult survival compared to shorter-distance migrations. Non-migratory boreal species have life history parameters more similar to long-distance migrants than to shorter-distance migrants. These results suggest that long-distance migration and other highly specialized strategies for survival in seasonal environments impose selection pressures that both confer and demand high adult survival rates. That is, owing to the reproductive cost of long-distance migration, this strategy can only persist if balanced by high adult survival. Our results reveal migratory distance as a fundamental life history parameter that predicts, and is inextricable from, the balance of survival and reproduction. Our study further provides evolutionary context for understanding the annual cycle demography of migratory species and the strategies long-distance migrants use to maximize survival on their journeys.

Abstract Complex patterns of genome and life-history evolution associated with the end-Cretaceous (K– Pg) mass extinction event limit our understanding of the early evolutionary history of crown group birds [1-9]. Here, we assess molecular heterogeneity across living birds using a technique enabling inferred sequence substitution models to transition across the history of a clade [10]. Our approach identifies distinct and contrasting regimes of molecular evolution across exons, introns, untranslated regions, and mitochondrial genomes. Up to fifteen shifts in the mode of avian molecular evolution map to rapidly diversifying clades near the Cretaceous-Palaeogene boundary, demonstrating a burst of genomic disparity early in the evolutionary history of crown birds [11-13]. Using simulation and machine learning techniques, we show that shifts in developmental mode [14] or adult body mass [4] best explain transitions in the mode of nucleotide substitution. These patterns are related, in turn, to macroevolutionary shifts in the allometric scaling relationship between basal metabolic rate and body mass [15, 16]. In agreement with theoretical predictions, this scaling relationship appears to have weakened across the end-Cretaceous transition. Overall, our study provides evidence that the Chicxulub bolide impact [17] triggered integrated patterns of evolution across avian genomes, physiology, and life history that structured the evolutionary potential of modern birds.

ABSTRACT Collisions with buildings are a major source of mortality for wild birds, but these instantaneous events are difficult to observe. As a result, the mechanistic causes of collision mortality are poorly understood. Here, we evaluate whether sensory and biomechanical traits can explain why some species are more collision-prone than others. We first examined concordance of species vulnerability estimates across previous North American studies to determine whether these estimates are repeatable, and whether vulnerability is more similar among closely-related species. We found moderate concordance and phylogenetic signal, indicating that some bird species are consistently more collision-prone than others. We next tested whether morphological traits related to flight performance and sensory guidance explain these differences among species. Our comparative analysis shows that two traits primarily predict collision vulnerability within passerines: relative beak length and relative wing length. Small passerine species with relatively short wings and those with relatively long beaks are more collision-prone, suggesting that greater maneuverability and obstructed vision contribute to risk. Together, these findings can help inform mitigation strategies and predict which species will be most at risk in other regions.

ABSTRACT Increasing temperatures associated with climate change are predicted to cause reductions in body size, a key determinant of animal physiology and ecology. Using a four-decade specimen series of 70,716 individuals of 52 North American migratory bird species, we demonstrate that increasing annual summer temperature over the 40-year period drove consistent reductions in body size across these diverse taxa. Concurrently, wing length – which impacts nearly all aspects of avian ecology and behavior – has consistently increased across taxa. Our findings suggest that warming-induced body size reduction is a general response to climate change, and reveal a similarly consistent shift in an ecologically-important dimension of body shape. We hypothesize that increasing wing length represents a compensatory adaptation to maintain migration as reductions in body size have increased the metabolic cost of flight. An improved understanding of warming-induced morphological changes, and their limits, are important for predicting biotic responses to global change.

Abstract Animals that engage in long-distance seasonal migration experience strong selective pressures on their metabolic performance and life history, with potential consequences for molecular evolution. Species with slow life histories typically show lower rates of synonymous substitution (dS) than “fast” species. Previous work has suggested that long-distance seasonal migrants have a slower life history strategy than short-distance migrants, raising the possibility that rates of molecular evolution may covary with migration distance. Additionally, long-distance migrants may face strong selection on metabolically important mitochondrial genes owing to their long-distance flights. Using over 1000 mitochondrial genomes, we assessed the relationship between migration distance and mitochondrial molecular evolution in 39 boreal-breeding migratory bird species. We show that migration distance correlates negatively with dS, suggesting that the slow life history associated with long-distance migration is reflected in rates of molecular evolution. Mitochondrial genes in every study species exhibited evidence of purifying selection, but the strength of selection was greater in short-distance migrants, contrary to our predictions. This result may indicate selection for cold tolerance on mitochondrial evolution among species overwintering at high latitudes. Our study demonstrates that the pervasive correlation between life history and molecular evolutionary rates exists in the context of differential adaptations to seasonality.

Abstract Fine-scale resolution of spatial genetic structure is important for understanding a species’ evolutionary history and contemporary genetic diversity. For high-latitude species with high dispersal ability, such as long-distance migratory birds, populations typically exhibit little genetic structure due to high gene flow and recent postglacial expansion. Some migratory birds, however, show high breeding site fidelity, which might reduce gene flow such that population genetic structure could be detectable with sufficient genomic data. We sequenced over 120 low-coverage whole genomes from across the breeding range of a long-distance migratory bird, the Veery ( Catharus fuscescens ). As this species’ breeding range extends across both historically glaciated and unglaciated regions in North America, we evaluated whether contemporary patterns of structure and genetic diversity are consistent with historical population isolation in glacial refugia. We found strong evidence for isolation by distance across the breeding range, as well as significant population structure between southern Appalachian and northern populations. However, patterns of genetic diversity did not support southern Appalachia as a glacial refugium. Resolution of isolation by distance across the breeding range was sufficient to assign likely breeding origins of individuals sampled in this species’ poorly understood South American nonbreeding range, demonstrating the potential to assess migratory connectivity in this species using genomic data. Overall, our findings suggest that isolation by distance yields subtle associations between genetic structure and geography across the breeding range even in the absence of obvious historical vicariance or contemporary barriers to dispersal.

Complex patterns of genome evolution associated with the end-Cretaceous [Cretaceous-Paleogene (K–Pg)] mass extinction limit our understanding of the early evolutionary history of modern birds. Here, we analyzed patterns of avian molecular evolution and identified distinct macroevolutionary regimes across exons, introns, untranslated regions, and mitochondrial genomes. Bird clades originating near the K–Pg boundary exhibited numerous shifts in the mode of molecular evolution, suggesting a burst of genomic heterogeneity at this point in Earth’s history. These inferred shifts in substitution patterns were closely related to evolutionary shifts in developmental mode, adult body mass, and patterns of metabolic scaling. Our results suggest that the end-Cretaceous mass extinction triggered integrated patterns of evolution across avian genomes, physiology, and life history near the dawn of the modern bird radiation.

Abstract In migratory species, the temporal phases of the annual cycle are intrinsically linked to seasonally shifting geographic ranges. Despite intense interest in the annual cycle ecology of migration, a synthetic understanding of the relationship between the biogeography and phenology of seasonal migration remains elusive. Here, we interrogate the spatiotemporal structure of the annual cycle in a novel phylogenetic comparative framework. We use eBird, a massive avian occurrence dataset, to demarcate and measure in a consistent manner among species the portions of the annual cycle when a geographic distribution is stationary versus dynamic due to migration. Through comparative analyses of the durations of annual cycle stages for 150 species of migratory birds breeding in North America, we show that the duration of the migratory periods is remarkably consistent among species and is unrelated to the distance between breeding and nonbreeding locations. In other words, the seasonal distributions of long-distance migrants shift between their geographically distant stationary phases in the same amount of time as short-distance migrants, suggesting that individuals of long-distance migratory species have more synchronous periods of migration and likely a faster individual migratory pace than short-distance migrants. Our results further show that the amount of time a species spends on the breeding grounds is strongly inversely related to time spent on the nonbreeding grounds, revealing the length of the breeding versus nonbreeding stationary period to be the primary source of species-level variation in the pacing of the annual cycle, as opposed to the time needed for the migratory period. Further, our study reveals that the amount of time spent annually on the breeding versus nonbreeding grounds predicts the distance between breeding and nonbreeding locations, demonstrating key linkages between the biogeography of the migratory cycle, its phenology, and the evolution of life history tradeoffs.

Abstract Differences in life history can cause co-distributed species to display discordant population genetic patterns. In high-latitude animals, evolutionary processes may be especially influenced by long-distance seasonal migration, a widespread adaptation to seasonality. Although migratory movements are intuitively linked to dispersal, their evolutionary genetic consequences remain poorly understood. Using ∼1700 genomes from 35 co-distributed boreal-breeding bird species, we reveal that most long-distance migrants exhibit spatial genetic structure, revealing evolutionary effects of philopatry rather than dispersal. We further demonstrate that migration distance and genetic diversity are strongly positively correlated in our study species. This striking relationship suggests that the adaptive seasonal shifts in biogeography that long-distance migratory species undergo each year lends them enhanced population stability that preserves genetic diversity relative to shorter-distance migrants that winter at higher latitudes. Our results suggest that the major impact of long-distance seasonal migration on population genetic evolution occurs through promotion of demographic stability, rather than facilitation of dispersal.