В развитии птиц исследователи находят разнообразие по клюву

Известно, что разнообразие форм и функций специализированных клювов птиц огромно. Чарльз Дарвин изучал вьюрков на Галапагосских островах, связав морфологию (форму) клювов различных видов с типами семян, которые они ели. В 2010 году команда биологов и прикладных математиков из Гарварда показала, что все галапагосские вьюрки фактически используют одни и те же пути развития, одни и те же продукты генов, контролируя лишь размер и кривизну, чтобы создать 14 очень разных клювов.

Теперь, расширив эту работу на менее близкородственную группу птиц — карибских вьюрков-снегирей (Caribbean bullfinches), та же команда из Гарварда обнаружила нечто удивительное: молекулярные сигналы, производящие эти формы клювов, демонстрируют даже больше вариаций, чем очевидно на поверхности. Не только два очень разных клюва могут иметь один и тот же путь развития (как у вьюрков Дарвина), но и два совершенно разных пути развития могут производить клюв абсолютно одинаковой формы.

«Большинство людей предполагает, что существует поток информации от генов развития к неизбежной морфологии», — говорит главный исследователь Архат Абжанов, доцент кафедры организменной и эволюционной биологии (OEB). — «Эти клювы очень адаптивны по форме и размеру и чрезвычайно важны для этих птиц. У вьюрков Дарвина даже миллиметровая разница в пропорции или размере может означать жизнь или смерть в трудные времена. Но можем ли мы взглянуть на это с биоинженерной точки зрения и сказать, что для создания точно такой же морфологической формы требуется один и тот же процесс развития? Наше последнее исследование говорит, что нет».

Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Карибские вьюрки-снегири, географические и генетические соседи вьюрков Дарвина, — это группа из трёх похожих видов, представляющих две разные ветви эволюционного дерева. У этих снегирей очень крепкие клювы, которые имеют в точности одинаковую геометрическую форму, но слегка различаются по размеру.

«Они специализируются на семенах, которые больше никто не может расколоть», — объясняет Абжанов. — «Вам самим понадобились бы плоскогубцы, чтобы расколоть эти семена; для этого требуется сила в 300–400 Ньютонов. Это действительно отличная ниша, если ты можешь это делать. Но вопрос в том, какие изменения в развитии должны были произойти, чтобы произвести такой специализированный клюв?»

Новый и строгий геномный анализ соавтора Кевина Дж. Бернса, биолога из Университета Сан-Диего, показал, что среди трёх видов карибских снегирей этот дробящий тип клюва фактически эволюционировал дважды, независимо. Такая конвергентная эволюция обычна в природе. Но понимание этой филогении позволило Абжанову, ведущему автору Рикардо Малларино (бывшему аспиранту OEB) и коллегам из Школы инженерных и прикладных наук (SEAS) Гарварда провести серию математических и морфогенетических исследований, показавших, что птицы формируют эти идентичные клювы совершенно разными способами.

«У малого антильского вьюрка-снегиря (Loxigilla noctis) у вас почти двухступенчатая ракетная система», — говорит Абжанов. — «Хрящ проходит половину пути, а затем подключается кость и доводит клюв до нужной формы. Без любого из этапов вы потерпите неудачу. У более крупных снегирей (L. violacea и L. portoricensis) хрящ даже не задействован, так что это одноступенчатая ракета, но с высокоэнергетическим синергетическим взаимодействием двух молекул, которое просто направляет развитие кости прямо к нужной форме».

У эмбрионов малого снегиря используются гены-регуляторы Bmp4 и CaM, за которыми следуют TGFβIIr, β-катенин и Dkk3 — та же комбинация, что и у вьюрков Дарвина. Эмбрионы более крупных снегирей используют новую комбинацию всего из Bmp4 и Ihh.

«Несмотря на то, что эти птицы используют разные системы, они в итоге получают клюв одинаковой формы, отличной от клювов вьюрков Дарвина. Это раскрывает удивительную гибкость как форм, так и молекулярных взаимодействий, которые их поддерживают», — отмечает Абжанов.

«Возможно, даже если форма клюва со временем не меняется, программа, которая его строит, меняется», — объясняет Абжанов. — «Для эволюции главное, что имеет значение для отбора, — это то, как клюв фактически выглядит в итоге, или, конкретнее, что он может делать. Множественные способы построения этого клюва могут постоянно меняться, при условии, что они дают одинаковый результат. Сама эта гибкость может быть хорошим средством для eventual развития новых форм».

Команда начала со стандартного процесса: измерений морфологических различий между видами, наблюдений за экспрессией генов в эмбрионах снегирей и функциональных экспериментов с использованием эмбрионов кур. Математические модели помогли количественно оценить и классифицировать формы клювов.

«Мы использовали геометрический морфометрический анализ, рассматривая эти клювы как кривые», — говорит соавтор Майкл Бреннер, профессор прикладной математики и физики в SEAS. — «Формы клювов превращались в контуры, контуры оцифровывались в кривизны, а кривизны превращались в репрезентативные математические формулы».

Чтобы наблюдать экспрессию генов в развивающихся эмбрионах снегирей, Малларино и команда помощников-студентов должны были собирать яйца из диких гнёзд в Доминиканской Республике, Барбадосе и Пуэрто-Рико. В соответствии со строгими полевыми правилами, команда собирала только каждое третье отложенное яйцо, что требовало ежедневного возвращения к гнёздам.

«Они намного более хрупкие, чем куриное яйцо, и очень маленькие», — говорит Малларино. — «Это большая логистическая операция, пять месяцев очень тяжёлой работы. Но на 6-й или 7-й день у вас получается идеальный живой эмбрион с начинающим формироваться клювом, и вы можете так много о нём узнать».

Следующий шаг в этой работе — ещё больше расширить фокус и сравнить морфологическое развитие более широкой группы птиц.

«Со временем, надеюсь, мы увидим, как великое разнообразие, которое вы наблюдаете среди всех этих высокоадаптивных птичьих клювов, может фактически эволюционировать на генетическом уровне. Это более сложная задача», — говорит Малларино.