Как колибри эволюционировали для полёта на большой высоте

Многочисленные виды колибри процветают высоко в Андах, несмотря на низкий уровень кислорода.

Колибри имеют самые высокие метаболические показатели среди позвоночных, с частотой сердечных сокращений до 1260 ударов в минуту. Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences Early Edition, раскрывает, как эти виды развили способность процветать на очень больших высотах.

Исследование под руководством эволюционного биолога Джея Сторца из Университета Небраски-Линкольна изучило гемоглобины 63 отдельных видов колибри, обитающих на разных высотах в Андах. Результаты подтвердили связь между функциональными свойствами гемоглобина птиц — белка, ответственного за транспортировку кислорода в крови — и их родной высотой обитания.

Реконструировав эволюционные связи видов, исследователи смогли сделать вывод, что высокогорные виды колибри независимо друг от друга развили гемоглобины с высокой способностью связывать кислород.

Самое удивительное, что эти параллельные изменения в функции белка включали параллельные мутационные изменения в одних и тех же аминокислотных сайтах. Этот повторяющийся паттерн поразителен, отмечает Сторц, — он предполагает, что молекулярная основа адаптивной эволюции может быть более предсказуемой, чем считалось ранее.

«В принципе, повторяющиеся изменения в функции белка могли быть вызваны любым количеством различных мутационных изменений. Но факт в том, что каждый раз, когда у высокогорного вида развивалось повышенное сродство гемоглобина к кислороду, это происходило за счёт параллельных аминокислотных изменений в тех же двух сайтах. Похоже, что естественный отбор каждый раз находит одно и то же решение».

Для характеристики функциональных эффектов наблюдаемых мутаций Сторц и его коллеги Хидеаки Морияма и Чандрасекхар Натараджан использовали методы генной инженерии для синтеза гемоглобинов колибри для in vitro исследований функции белка. Затем они внедряли различные мутации в так называемые «рекомбинантные» гемоглобины, чтобы измерить их эффекты.

Помимо синтеза гемоглобинов современных видов, исследовательская группа также реконструировала последовательности генов предков, чтобы «воскресить» гемоглобины предполагаемых предков видов.

Сторц и его коллеги уже расширяют научные исследования на другие виды птиц, чтобы проверить, сохраняется ли та же картина параллельной эволюции на более широких таксономических масштабах.