Уникальный источник приспособляемости птиц – перо. Перья не только являются основой одного из «смертоносных приложений» эволюции – полета с приводом, они также могут обеспечивать маскировку, привлекать партнеров, защищать от непогоды и служить средством регулирования температуры тела.
И, как показал в недавней статье Мэтью Гринволд, научный сотрудник отдела биологических наук Университета Южной Каролины, ключом к успеху пера, по-видимому, является разнообразие и адаптивность структурных блоков взаимосвязанных белков, из которых состоят перья. из.
Перья и динозавры
Сейчас в значительной степени (но не полностью) среди биологов принято, что динозавры являются предшественниками птиц, говорит Гринволд, и что у некоторых видов динозавров появились перья около 150 миллионов лет назад. Эта идея заняла некоторое время, чтобы укорениться, отчасти потому, что у большинства ранних окаменелостей динозавров не было сопутствующих доказательств наличия перьев.
Однако отсутствие перьев в летописи окаменелостей не обязательно свидетельствовало о несовместимости этих двух вещей. Возможно, перья не окаменевают так же хорошо, как кости.
Более поздние открытия, особенно в Китае за последние 15 лет, предоставили множество свидетельств существования пернатых динозавров, которые убедили многих скептиков.
Но как появилось это оригинальное перо? И как это привело к такому разнообразию среди наших пернатых друзей?? Как оказалось, существует большое семейство строительных блоков белка, в значительной степени ответственных за это, бета-кератин.
Бета-кератин содержится всего у двух существующих групп животных: рептилий и птиц. Это когти, чешуя, клювы и перья. Это то, что делает эти эпидермальные придатки прочными, жесткими, а в случае перьев – гибкими и эластичными.
Соавтор Гринволда и научный руководитель, профессор Роджер Сойер, более 30 лет работал с бета-кератином, и его работа помогла различить то, что оказалось множеством вариаций, некоторые очень тонкие, по главной теме бета-версии. кератин.
Бета-кератин или бета-кератины?
«Когда я только начинал, я действительно думал, что перья всех птиц будут иметь примерно одинаковые бета-кератины», – говорит Сойер. "Если бы я извлек белок перьев из курицы, а затем из зебрового вьюрка, они были бы такими же. Ну это далеко, далеко не так."
В 1980-х годах Сойер и его коллеги показали, что существует центральная область длиной 34 аминокислоты, которая является высококонсервативной среди всех бета-кератинов и формирует структурный филамент. Его работа также помогла ученым понять разнообразие нескольких основных подтипов белка, обычно названных в честь анатомической части, из которой он был впервые выделен. К ним относятся бета-кератин чешуи, бета-кератин когтей и бета-кератин пера.
Они очень похожи – например, все имеют общую сердцевину филамента, состоящую из 34 аминокислот, – но белки также разные.
Бета-кератин перьев состоит примерно из 100 аминокислот, а чешуя и коготь еще длиннее. Аминокислоты по обе стороны от ядра филамента похожи, но выполняют разные роли и не так консервативны, как центральные 34 аминокислоты.
Несмотря на прозвище, бета-кератины чешуи, когтей и пера смешаны в различных количествах во всех эпидермальных придатках птиц.
И в этот момент могло показаться, что общие черты структуры пера были определены: в него входит несколько основных типов белка, и это просто вопрос количества и того, как они расположены.
Но правда оказалась еще сложнее. Как было показано в 2004 году, когда был опубликован геном курицы, у цыплят есть многочисленные копии последовательностей чешуек, когтей и, в частности, бета-кератиновых последовательностей пера в их геноме. И "копии" тоже не совсем идентичны.
Например, только в одной из хромосом цыпленка содержится более 60 генов бета-кератина пера, каждый из которых очень похож друг на друга, но не совсем одинаковый. Эти гены составляют второе по величине семейство генов в геноме курицы.
Стая геномов
И как часть международной группы, которая недавно опубликовала полные геномы 48 птиц в журнале Science, Гринволд и Сойер показали, что количество генов бета-кератина чешуек, когтей и перьев сильно варьируется среди всех птиц.
Таким образом, в зависимости от регуляции экспрессии белков перья, из которых состоят белки, должны состоять из очень сложной смеси строительных блоков.
Вместо одного кирпича, бета-кератина, оказалось, что существует несколько видов кирпича, в том числе бета-кератин чешуи, когтя и пера. И вместо нескольких типов кирпича оказалось, что внутри каждого типа кирпича были десятки меньших вариаций, представленных множеством слегка различающихся номеров копий в гене.
Гринволд, аспирант Вейер Бао и Сойер проанализировали геномы птиц и опубликовали сопроводительную статью в журнале BMC Evolutionary Biology, в которой показаны корреляции между количеством копий гена бета-кератина и образом жизни птиц. Например, у хищных птиц доля бета-кератинов когтей больше, чем в среднем для всей группы птиц.
Перо бета-кератин и уникальное птичье преимущество
Однако объединяющей темой является обилие генов бета-кератина пера, которые составляют более 50 процентов копий нескольких подтипов бета-кератина у всех изученных птиц. Сойер и Гринволд в своей более ранней работе доказали, что расширение и развитие гена бета-кератина пера совпадает с эволюцией самого пера, от простого покрытия тела до сложной сборки взаимосвязанных рабочих частей, которые, среди прочего, Возможны другие конкурентные преимущества.
Бета-кератин перьев отличает птиц от всех остальных живых существ.
Птицы – единственные организмы, у которых он есть, у них он есть в изобилии, и вместе с другими кератинами он дает им преимущество, которое делает их почти повсеместными в мире жесткой конкуренции.
«Перья прочные, гибкие и прочные», – говорит Сойер. "Они могут совершить погружение со скоростью 200 миль в час и внезапное восстановление без трещин, как это было у сапсана, самого быстрого представителя животного мира. Возможно, мы сможем воспроизвести эти удивительные свойства в новых материалах."