Эволюция оптимизировала магнитный датчик у птиц
Перелетные птицы способны с поразительной точностью ориентироваться и ориентироваться с помощью различных механизмов, в том числе магнитного компаса. Команда под руководством биологов доктора Коринны Лангебраке и профессора доктора Мириам Лидвогель из Ольденбургского университета и Института исследований птиц «Фогельварте Гельголанд» в Вильгельмсхафене сравнила геномы нескольких сотен видов птиц и нашла дополнительные доказательства того, что специфический Белок в глазах птиц является магниторецептором, лежащим в основе этого процесса. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.
Исследователи обнаружили, что в гене, кодирующем белок криптохром 4, произошли значительные эволюционные изменения, и что некоторые группы птиц полностью его утратили.
Эти результаты свидетельствуют об адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды и подтверждают теорию о том, что криптохром 4 функционирует как сенсорный белок.
К исследованию побудили исследования в университетах Ольденбурга и Оксфорда (Великобритания), которые показали, что магниторецепция основана на сложном квантово-механическом процессе, происходящем в определенных клетках сетчатки перелетных птиц.
В более ранних исследованиях немецко-британская группа представила результаты, согласно которым весьма вероятно, что криптохром 4 был тем магниторецептором, который они искали: во-первых, они смогли доказать, что белок присутствует в сетчатка птиц, и, во-вторых, как эксперименты с бактериальными белками, так и модельные расчеты показали, что криптохром 4 проявляет предполагаемый квантовый эффект в ответ на магнитные поля.
Интересно, что исследование также показало, что эти белки значительно более чувствительны к магнитным полям у малиновок, которые являются перелетными птицами, чем у кур и голубей, которые являются резидентными видами.
«Следовательно, причина, по которой криптохром 4 более чувствителен у малиновок, чем у кур и голубей, должна быть найдена в последовательности ДНК белка», — говорит ведущий автор исследования Лангебрейк. «Последовательность, вероятно, была оптимизирована эволюционными процессами у этих ночных перелетных птиц».
Таким образом, в текущем исследовании команда под руководством Лангебрака и Лидвогеля впервые исследовала магниторецепцию с эволюционной точки зрения. Исследователи проанализировали гены криптохрома 4 363 видов птиц, от маленького пятнистого киви до певчего воробья.
Во-первых, они сравнили скорость эволюции белка со скоростью двух родственных криптохромов и обнаружили, что последовательности генов криптохромов, использованных для сравнения, были очень похожи у всех видов птиц: похоже, они очень мало изменились в ходе эволюции. Скорее всего, это связано с их ключевой ролью в регуляции внутренних часов — механизма, который необходим всем птицам и изменения в котором могут иметь крайне негативные последствия.
Криптохром 4, напротив, оказался весьма изменчивым. «Это говорит о том, что белок важен для адаптации к конкретным условиям окружающей среды», — объясняет Лидвогель. В результате специализацией может стать магниторецепция. «Похожая картина наблюдалась и в других сенсорных белках, таких как светочувствительные пигменты глаз».
Затем исследователи более внимательно изучили, как последовательность гена криптохрома 4 развивалась в эволюционной истории птиц. Результаты привели ученых к выводу, что, в частности, в случае отряда воробьиных (Passeriformes), белок был оптимизирован посредством быстрого отбора. «Наши результаты показывают, что эволюционные процессы могли привести к тому, что криптохром 4 стал специализироваться в качестве магниторецептора у певчих птиц», — говорит Лангебрейк.
Еще одно интересное открытие заключалось в том, что у трех клад тропических птиц — попугаев, колибри и тиранов (субоскинов), также известных как тираны, — информация о криптохроме 4 была утеряна в процессе эволюции, а это означает, что эти птицы не способны производить белок. Это указывает на то, что это не играет жизненно важной роли в их выживании. Однако, хотя попугаи и колибри ведут оседлый образ жизни, некоторые тираны являются мигрантами на дальние расстояния и, подобно мелким европейским певчим птицам, летают как днем, так и ночью.
«Тот факт, что, в отличие от малиновок, у них нет криптохрома 4, делает их идеальной системой для исследования различных гипотез о магниторецепции», — говорит Лангебрейк.
Здесь возникает интересный вопрос: развилось ли у Тираннов магнитное чутье, работающее независимо от криптохрома 4? Или они способны ориентироваться без магнетического чувства?
Другая возможность заключается в том, что их магнитное чутье имеет те же характеристики, что и у малиновок, которое зависит от света и может быть нарушено, например, радиоволнами. «Первые два сценария убедительно подтверждают гипотезу криптохрома 4, тогда как третий представляет собой проблему для теории», — подчеркивает биолог.
Поэтому в качестве следующего шага исследовательская группа планирует изучить магнитную ориентацию Тиранни и выяснить, обладают ли они магнитным чутьем. «Клада Тиранни предоставляет нам естественный инструмент для понимания функции криптохрома 4 и важности магниторецепции у перелетных птиц», — говорит Лидвогель, намечая отправную точку для дальнейших исследований.