Вчені розкрили еволюційні секрети навігації птахів

Нове генетичне дослідження показує, що білок криптохром 4 в очах птахів є ключовим для їхніх магнітних навігаційних здібностей, а еволюційні зміни підкреслюють його роль в адаптації до різних середовищ.

Перелітні птахи мають здатність орієнтуватися на великі відстані з надзвичайною точністю за допомогою різних механізмів, у тому числі магнітного компаса. У недавньому дослідженні команда під керівництвом біологів доктора Корінни Лангебрейк і доктора Міріам Лідвогель порівняла геноми кількох сотень видів птахів і виявила значні еволюційні зміни в гені, відповідальному за кодування білка криптохрому 4. Цей білок, знайдений у птахів очі, вважається ключовим магніторецептором, що керує їхніми навігаційними здібностями.

Криптохром 4 як кандидат у магніторецептори

Ці висновки свідчать про адаптацію до різних умов навколишнього середовища та підтверджують теорію про те, що криптохром 4 функціонує як сенсорний білок, як повідомляє команда в статті, нещодавно опублікованій в дослідницькому журналі Британського королівського товариства Proceedings of the Royal Society B Biological Sciences .

Дослідження було підштовхнуто дослідженнями Ольденбурзького та Оксфордського університетів, які продемонстрували, що магніторецепція базується на складному квантово-механічному процесі, який відбувається в певних клітинах сітківки перелітних птахів. Ці висновки, опубліковані в 2021 році науковим журналом Nature, надали докази на підтримку гіпотези про те, що криптохром 4 був магніторецептором, який вони шукали. Вони довели, що криптохром 4 присутній у сітківці ока птахів. Крім того, як експерименти з бактеріальними білками, так і модельні розрахунки показали, що криптохром 4 демонструє підозрюваний квантовий ефект у відповідь на магнітні поля.

Порівняльна чутливість у видів птахів

Попереднє дослідження також виявило, що криптохром 4 проявляє більшу чутливість до магнітних полів у перелітних птахів, таких як малинівки, ніж у резидентних видів, таких як кури та голуби. «Отже, причину, чому криптохром 4 є більш чутливим у малинівок, ніж у курей і голубів, слід шукати в послідовності ДНК білка », — говорить Лангебрейк, провідний автор дослідження. «Послідовність, ймовірно, була оптимізована еволюційними процесами цих нічних мігруючих птахів», – додає вона.

У поточному дослідженні команда вперше дослідила магніторецепцію з еволюційної точки зору. Дослідники проаналізували гени криптохрому 4 363 видів птахів. По-перше, вони порівняли швидкість еволюції білка з еволюцією двох споріднених криптохромів і виявили, що послідовності генів криптохромів, використаних для порівняння, дуже схожі в усіх видів птахів. Здається, вони дуже мало змінилися протягом еволюції. Швидше за все, це пов’язано з їхньою ключовою роллю в регулюванні внутрішнього годинника – механізму, який є важливим для всіх птахів і в якому модифікації мали б надзвичайно негативні наслідки.

Криптохром 4, навпаки, виявився дуже мінливим. «Це говорить про те, що білок важливий для адаптації до конкретних умов навколишнього середовища», — пояснює Лідвогель, професор орнітології Ольденбурзького університету та директор Інституту досліджень птахів. Отриманою спеціалізацією може бути магніторецепція. «Подібна картина спостерігалася в інших сенсорних білках, таких як світлочутливі пігменти в оці», — пояснює вона.

Потім дослідники уважніше розглянули, як послідовність гена криптохрому 4 еволюціонувала в еволюційній історії птахів. Їхній аналіз виявив помітну тенденцію, особливо в ряду горобцеподібних (Passeriformes), де білок зазнав значної оптимізації завдяки швидкому відбору. «Наші результати вказують на те, що еволюційні процеси могли призвести до того, що криптохром 4 спеціалізується як магніторецептор у співочих птахів», — говорить Лангебрейк.

Тирани втратили підозрілий білок

Дослідження показало, що криптохром 4 відсутній у певних кладах птахів, таких як папуги, колібрі та тираноподібні (Suboscines). Це свідчить про те, що він не відіграє життєво важливої ролі у їхньому виживанні. Однак, якщо папуги та колібрі ведуть осілий спосіб життя, то деякі тиранії є мігрантами на великі відстані, які, як і невеликі європейські співочі птахи, літають як вдень, так і вночі. «Той факт, що, на відміну від малинівки, вони не мають криптохрому 4, робить їх ідеальною системою для дослідження різних гіпотез про магніторецепцію», — каже Лангебрейк.

У зв’язку з цим виникає питання: чи розвинули тиранії магнітний нюх, який працює незалежно від криптохрому 4, або ж вони здатні орієнтуватися без магнітного нюху? Інша можливість полягає в тому, що їхній магнітний нюх має ті ж характеристики, що й у малинівки, який залежить від світла і може бути порушений радіохвилями. «Перші два сценарії переконливо підтверджують гіпотезу криптохрому 4, тоді як третій створює проблему для теорії», — підкреслює біолог.

Надалі дослідницька група планує вивчити магнітну орієнтацію тирличів і визначити, чи мають вони магнітний слух. «Клада тирличів надає нам природний інструмент для розуміння функції криптохрому 4 і важливості магніторецепції у перелітних птахів», — каже Лідвогель.