Простая математика объясняет разнообразие форм клювов у зябликов Дарвина

Исследователи из Гарварда во главе с Отгером Кампасом и Майклом Бреннером в сотрудничестве с эволюционными биологами под руководством Архата Абжанова изучили, как простые математические правила могут объяснить морфологическое разнообразие клювов знаменитых зябликов Дарвина.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), показывает, что всё разнообразие форм клювов в роде Geospiza можно объяснить простыми изменениями всего трёх параметров: длины, глубины и степени сдвигового преобразования (shear transformation).

Ключевые выводы:

• 14 различных форм клювов, которые на первый взгляд кажутся несвязанными, можно сгруппировать в три основные категории. Внутри каждой группы клювы математически отличаются только масштабом.
• Для объяснения полного разнообразия недостаточно только длины и глубины. Добавление сдвигового преобразования позволяет свести все формы клюва к общей.
• Микро-КТ-сканирование подтвердило, что костная структура черепа птиц демонстрирует ту же закономерность масштабирования, что и внешняя форма клюва.
• Таким образом, вариация формы клюва ограничена всего тремя параметрами: глубиной, длиной и степенью сдвига.

Генетическая основа

Математические выводы имеют параллельную генетическую основу. Экспрессия двух генов, контролирующих форму клюва, коррелирует с этими преобразованиями:

• Bmp4 влияет на ширину и глубину.
• Calmodulin связан с длиной.

Уровни экспрессии этих генов, особенно Bmp4, фундаментально связаны с выявленными масштабными преобразованиями.

Значение исследования

• Майкл Бреннер отмечает, что удивительно, как такое большое разнообразие можно объяснить столь малым числом переменных. Это может означать, что механизм адаптации организмов к новой среде является относительно «простым» процессом.
• Архат Абжанов подчёркивает, что теперь понятна видовая изменчивость, где преобразования масштаба идеально соответствуют функции регуляторных генов развития. Следующая задача — понять, как эволюционировали новые формы клюва, возникшие в результате преобразований более высокого порядка.
• Работа помогает ответить на вопрос, поднятый Чарльзом Дарвином почти 175 лет назад, о «совершенной градации в размере клювов» у близкородственной группы птиц Галапагосских островов.