Расшифровка генеалогического древа птиц
Птицы являются потомками динозавров и выиграли от их вымирания. И все наземные птицы, вероятно, произошли от одного высшего хищника: один из сюрпризов новой родословной.
Когда динозавры вымерли, путь был расчищен для птиц, которые в любом случае являются прямыми потомками некоторых хищных динозавров. За короткое с геологической точки зрения время количество их видов резко увеличилось, что сделало их одной из самых разнообразных групп позвоночных, живущих сегодня на Земле. Это один из результатов наиболее полного анализа генома, когда-либо проводившегося биологами.
Хотя исследователи во главе с Гоцзе Чжаном из Национального банка генов BGI в Китае, Эрихом Джарвисом из Университета Дьюка, Томасом Гилбертом из Музея естественной истории Дании и Александросом Стаматакисом из Гейдельбергского института теоретических исследований только исследовали геномы 48 видов птиц, однако они произошли от всех основных линий современных птиц, включая воронов и других певчих птиц, уток, попугаев, орлов, дятлов, журавлей и ибисов. В отличие от предыдущей работы, в которой семейное древо было построено с использованием отдельных генов и последовательностей генов или на основе анатомических и поведенческих исследований, Чжан и Ко рассмотрели весь геном соответствующего вида.
Однако, поскольку современные птицы очень быстро развивались и разделялись на новые виды, многие из отдельно исследованных генов практически не различаются. Это затрудняет и делает неточным определение первоначального разветвления генеалогического древа. Сами гены, кодирующие белки, вводят в заблуждение, говорит Эрих Джарвис, руководивший одним из главных исследований в области науки. Вместо этого нужно также смотреть на некодирующие области ДНК и последовательности ДНК между отдельными генами. В общей сложности исследователи включили в свой анализ около 14 000 генов каждого вида.
Ястреб попугаю
С этим огромным набором данных и после обширных компьютерных расчетов - по словам Стаматакиса, для получения результатов потребовалась вычислительная мощность процессора в 300 лет - биологи серьезно встряхнули птиц. Поэтому они делят современных птиц, группу Neoaves, на две подгруппы: Columbea, в которую входит много непевчих птиц, и Passerea, настоящих певчих птиц. Это расщепление раньше не привлекало внимания эволюционистов.
В Колумбии, например, теперь есть фламинго, которые, таким образом, гораздо более тесно связаны с голубями, чем с пеликанами, хотя они заметно отличаются от скалистых или хохлатых голубей с точки зрения внешнего вида и поведения. Ястребы, до сих пор часто связанные с хищными птицами, в свою очередь, близки к попугаям и даже певчим птицам, хотя, как и многие орлы, они охотятся на свою добычу с воздуха и имеют соответствующие анатомические сходства. Причудливый гоацин из бассейна Амазонки, у детенышей которого все еще есть когти на костях крыльев, является одним из журавлей и ржанок, на которых он совсем не похож. Некоторые из этих результатов подтверждают более ранние изменения родословной, результаты которых были поставлены под сомнение.
В целом, около 95 процентов всех видов птиц, живущих сегодня, принадлежат к Neoaves. Эта линия раскололась почти взрывным образом в течение 15 миллионов лет после вымирания динозавров (которое произошло около 66 миллионов лет назад): они быстро заняли экологические ниши, освобожденные исчезновением их родственников. Однако этот результат противоречит более ранним исследованиям, которые датировали появление Neoaves на 10-80 миллионов лет раньше. На самом деле очень немногие роды птиц пережили массовое вымирание в конце мелового периода, но впоследствии они процветали.
Высший хищник в виде первобытной птицы
С другой стороны, лишь несколько видов бескилевых и бубеновых принадлежат к архетипическим сосновым птицам (Palaeognathae), которые образуют старейшую ветвь генеалогического древа. Курообразные и утки занимают еще одну рано отколовшуюся ветвь. Последние также представляют собой яркий пример конвергентной эволюции, производящей виды со схожими адаптациями в разное время: различные водоплавающие птицы могут быть прослежены до трех истоков.
Общий предок таких безобидных птиц, как колибри, попугаи или воробьи, тоже приготовил сюрприз: подобно орлам или соколам, они, вероятно, восходят к одному и тому же предку, которого исследователи считают главным хищником своего время. Однако менее удивительно, что он был также предком ужасных птиц, которые доминировали в южноамериканских степях в миоцене 20 миллионов лет назад..
Однако новое генеалогическое древо тоже не идеально: шесть из 46 ответвляющихся линий до сих пор не удалось четко определить. Место сов, например, до сих пор не определено. По мнению биологов, это также является следствием быстрого расщепления: быстрая эволюция породила лоскутное одеяло из новых генных участков и последовательностей, которые являются общими для разных семейств, что, соответственно, затрудняет анализ.
Малый геном
Геномы птиц в целом довольно малы, как резюмирует второе исследование Zhang and Co. По сравнению с относительно близкородственными рептилиями, они имеют менее повторяющуюся ДНК и потеряли сотни генов по сравнению с аноловой ящерицей. Различия с млекопитающими еще более очевидны, поскольку геномы птиц примерно на 70 процентов меньше. Например, у них отсутствуют гены, играющие важную роль в репродукции человека, структуре скелета и развитии легких. «Вероятно, это сильно повлияло на эволюцию множества различных форм птиц. Обычно мы думаем, что инновации происходят из вновь созданного генетического материала, а не из-за его утраты. Но иногда меньше значит больше», - говорит Чжан. Однако они также произвели уникальные гены, связанные с их перьями.
Во многих линиях структура генома оставалась неизменной на протяжении более 100 миллионов лет. В целом эволюция генов у домашней птицы идет значительно медленнее, чем, например, у млекопитающих - если не брать во внимание отдельные участки генома. Сюда входит раздел, посвященный пению птиц.
Пение птиц
Способность к обучению пению возникала как минимум трижды на развилках, которые привели к певчим птицам, попугаям и колибри - что удивительно для последних, так как особо звукоподражательными тонами они не выделяются. Как и у людей, за это отвечает ген FOXP2.
Речевые области мозга человека и птиц также претерпели конвергентное развитие, которое привело к изменению активности 50 генов, многие из которых участвуют в формировании новых синапсов. В то время как эти нейроны энергично возбуждаются, когда они поют и учатся петь или говорить, в мозгу макак или голубей почти ничего не происходит: у обоих менее сложные средства коммуникации. В любом случае птицы и люди полагаются на схожие области мозга для общения. Важность пения для животных подтверждается большой долей генома, который, по крайней мере, регулируется пением: когда ученые, работающие с Оцеолой Уитни из Университета Дьюка, изучили активность генов в мозге чирикающих зебровых вьюрков, они выявили более 2700 регулируемых им генов - около десяти процентов всего генома. Они распространяются по определенным паттернам во все четыре области мозга, связанные с вокализацией.
У попугаев система песен еще более сложна, как обнаружили Мукта Чакраборти из Университета Дьюка и ее коллеги. Потому что он состоит не только из обычной структуры мозга, как у певчих птиц, но и вокруг песенного центра есть второй, уникальный языковой центр. По мнению биологов, это может объяснить, почему попугаи способны имитировать человеческую речь.
Зубы и пол
Пол птиц определяется так называемыми Z- и W-хромосомами, причем «W» определяет самок так же, как Y-хромосома характеризует многих самцов млекопитающих. Многие млекопитающие, в том числе самцы человека, имеют сходную эволюционную историю Y-хромосомы, которая теперь содержит множество дегенеративных и нефункциональных генов. Однако Дорис Бахтрог из Калифорнийского университета и ее коллеги показывают, что около половины всех видов птиц по-прежнему имеют большое количество активных генов на своей W-хромосоме. По словам биолога, это противоречит распространенному мнению о том, что, как и Y-хромосома, это «кладбище генов».
Однако диапазон различных W-хромосом у птиц значительно больше, чем у млекопитающих: филогенетически старые бескилевые, такие как страусы и эму, все еще сходны в этом отношении со своими предками-динозаврами, в то время как современные линии, такие как певчие птицы, значительно менее активные гены на своей W-хромосоме. И это открывает объяснения того, почему в мире птиц может быть так много внешних половых различий, говорят Бахтрог и Ко. Они варьируются от резких контрастов между великолепным павлином-самцом и довольно тонкой самкой павлина до практически неотличимых ворон. Есть также виды, у которых есть своего рода пенис, как у некоторых уток, в то время как у большинства остальных мужские половые органы полностью интернализированы.
С другой стороны, потеря зубов, которая произошла около 116 миллионов лет назад у общего предка всех современных птиц, может быть четко установлена: вместо этого они полагаются на роговые клювы и сильные желудки, которые иногда используют маленькие камни, чтобы разбить пищу, которую они едят. «С тех пор, как в 1861 году был обнаружен археоптерикс, было ясно, что у предка птиц были зубы. Однако, когда и как они были утеряны, до сих пор остается неясным», - говорит Марк Спрингер из Калифорнийского университета в Риверсайде. Теперь ясно, что адентия не развивалась самостоятельно несколько раз, а случалась только один раз. В течение короткого времени пять генов, ответственных за формирование зубов, были выключены, и в то же время начал развиваться твердый клюв. Здесь также большое разнообразие форм клюва, что также сделало возможным большое разнообразие птиц: от крючковатого клюва попугаев и орлов до мешковидного расширенного ротового аппарата пеликанов.
Крокодилы и охрана видов
Кстати, ближайшими ныне живущими родственниками птиц являются крокодилы, которые эволюционно ближе к пернатым, чем к ящерицам или змеям. Достаточная причина для Эда Грина из Калифорнийского университета в Санта-Крус и Ко, чтобы взглянуть на их геном, который очень медленно менялся за последние миллионы лет. «Молекулярные часы у крокодилов идут намного медленнее, чем у любой другой линии, которую мы до сих пор изучали», - говорит Грин.«Млекопитающие, например, менялись намного быстрее. Так что мы можем гораздо глубже изучить генетическую историю крокодилов». Таким образом, от общего предка птиц и крокодилов эволюция у птиц ускорилась, в то время как у их родственников она прогрессировала медленными темпами.
Это также отражено в телосложении панцирных ящериц, которое почти не изменилось за последние 50-60 миллионов лет: животные и сегодня очень похожи на своих предков. Это медленное развитие также позволяет взглянуть на прошлые размеры популяций, потому что, когда виды сокращаются до нескольких экземпляров, они проходят через генетическое узкое место, которое оставляет следы в геноме. «Большие хладнокровные рептилии чувствовали себя на Земле более комфортно в межледниковые периоды, такие как плиоцен, но похолодание во время плейстоценовых ледниковых периодов было для них плохой новостью», - объясняет Грин. Соответственно, во время последнего похолодания популяции крокодилов и гавиалов сократились, и даже численность аллигаторов, которые до сих пор живут в умеренном климате, сократилась.
Более высокая скорость мутаций у птиц, в свою очередь, дает надежду исчезающим видам. По крайней мере, именно об этом говорят данные, которые проанализировала группа под руководством Шэнбиня Ли из Сианьского университета Цзятун: прошлое и сейчас выздоравливают несколько выздоровели. Таким образом, гены, расщепляющие искусственные токсины окружающей среды, демонстрировали более высокую частоту мутаций, в то время как генетическая основа иммунной системы была обеднена. У хохлатого ибиса гены, контролирующие работу мозга и обмен веществ, также развивались быстрее, чем у остальных. В целом, эти находящиеся под угрозой исчезновения виды теперь демонстрируют большее разнообразие генома, чем ожидалось. И это дает биологам надежду на сохранение птиц.