Генетики выяснили как эволюционировали птичьи перья
Обыватель вряд ли бы предположил, что аллигаторы и птицы — близкие родственники. Но факт остается фактом: рептилии — самые близкие родственники птиц. История их родства начинается от архозавров — пресмыкающихся, которые правили сушей 250 млн лет назад.
Эта группа рептилий дала начало крокодилам, динозаврам и впоследствии птицам.
Нормальные эмбриональные чешуйки (слева)
по сравнению с удлиненным пероподобным придатком
после генетической манипуляции (справа)
© USC
В последнее время палеонтологи все чаще обнаруживают окаменелости динозавров с полным или частичными оперением. Ученые предполагают, что такое примитивное «протооперение» динозавров могло эволюционировать по нескольким причинам:
- особи с оперением обладали лучшей, в сравнении с неоперенными видами, терморегуляцией
- такие динозавры были заметнее для сородичей
- перьевой покров улучшал равновесие и помогал убежать от хищников. Позволив динозаврам сначала планировать, а потом и летать
Долгое время эволюция перьев и полета оставались загадками. Однако, ученые предполагали, что богатое эволюционное наследие может прятаться в ДНК современных птиц и рептилий.
Врач в области регенеративной медицины, профессор патологии в Медицинской школе Кека в USC, доктор Ченг-Минг Чонг, решил, используя достижения современной генетики, найти и исследовать эти области ДНК.
Во главе с Чонгом, международная команда опознала множество новых генов, участвующих в развитии чешуи и перьев. Результаты их труда были опубликованы в исследовании, размещенном в передовом онлайн-издании «Молекулярная биология и эволюция».
«Теперь у нас есть потенциальное молекулярное объяснение для этих гипотетических недостающих звеньев», — пояснил доктор Чонг.
Путем включения и выключения основных молекулярных схем на критических этапах роста и развития чешуи, они продемонстрировали способность чешуи превращаться в перья.
Комментируя результаты исследования, Чонг обратил внимание на то, что определенные манипуляции с генами способствуют появлению различных уровней развития покрова — от чешуи до пера.
«Таким образом, мы понимаем, что чешуйки могут образовывать перья, если посылать правильные молекулярные сигналы», — рассказал Ченг-Минг Чонг.
Ученые провели полную транскрипцию РНК и геномный анализ эмбрионов цыплят и аллигаторов, чтобы выявить различия в экспрессии генов и найти ключевые гены, которые кодируют образование чешуи или пера.
Исследователи внедрили гены перьев в зародыши аллигаторов, чтобы разбудить программу формирования перьев.
«Наши анализы привели к идентификации пяти морфо-регуляторных модулей, которые необходимы для современного формирования пера», — сказал Чонг, — «Мы преполагаем, что эти модули могли первоначально развиваться в качестве различных адаптационных стратегий. В конце концов, интегративная комбинация из пяти модулей морфологического регулирования сформировала настолько успешную архитектуру перьев, что сегодня она позволяет классу птиц претендовать на большую часть неба».
Вот эти пять модулей морфологического регулирования:
- почкование и удлинение придатков
- образование фолликулов со стволовыми клетками и сосочками дермы
- появление процесса циклической регенерации
- образование бородок пера с различными ветвящимися формами
- специфическая дифференциация кератина перьев
Некоторые молекулы могут вызывать только один из этапов. Например, ген Sox2 может активировать развитие пера и полностью ингибировать образование чешуи, в то время как Grem1 может индуцировать начальные этапы развития перьевых бородок.
«Другие молекулы, такие как ретиноевая кислота или Sox18, обладают большей способностью индуцировать чешуйки, чтобы сформировать придатки, подобные перьям», — рассказал Чонг, — «Эти перьеподобные придатки отображают все пять критериев, определяющих перья и действуют на более высоком иерархическом уровне в этом эволюционном пути».
Эти главные регуляторы, возможно, были самыми первыми генами, которые могли появиться во время эволюции архозавров и стали началом для способности к созданию сложных перьев.
«Интригующе, что некоторые из этих фенотипов похожи на необычные нитевидные придатки, обнаруженные в окаменелостях пернатых динозавров».
Один из членов исследовательской группы, Пинг Ву хочет «бросить вызов» чешуйкам аллигатора, чтобы сформировать перья. Благодаря принудительной экспрессии определенных генов, которые, как обнаружилось, помогают превращать куриные чешуйки в перья, ученые могут вызывать образование удлиненных чешуек в эмбриональной коже аллигатора.
Исследование значительно добавляет знаний к растущему списку генов и молекул, которые индуцируют перьеподобные структуры у птиц. Что, в свою очередь, может открыть нам, как именно происходила эволюция полета птиц.
По материалам Phys.org
