Исследование птичьих клювов раскрывает механизмы изменчивости

Эволюционные биологи долгое время рассматривали певчих птиц, особенно галапагосских вьюрков, описанных Чарльзом Дарвином, как пример естественного отбора в действии. Чтобы использовать разные среды и источники пищи, у птиц развилось поразительное разнообразие форм клювов — от коротких и тупых, идеальных для раскалывания семян и орехов, до длинных и тонких, предназначенных для сбора нектара. Предполагалось, что естественный отбор был основной, если не единственной, причиной этой изменчивости.

Однако, хотя эта изменчивость частично связана с тем, как клювы развиваются, исследователи из Гарварда утверждают, что общий механизм развития также является мощным ограничением для появления новых форм клювов.

Команда под руководством Архата Абжанова, доцента организменной и эволюционной биологии, и Майкла П. Бреннера, профессора прикладной математики и физики, показала, что общий механизм развития у певчих птиц отвечает за создание огромного разнообразия их клювов, но также ограничивает возможность появления определённых новых форм. Работа описана в недавней статье в Nature Communications.

"Наше исследование показывает, что у певчих птиц, которые используют клюв конической формы... несмотря на удивительное адаптивное разнообразие, все они формируют свои клювы, используя один и тот же механизм развития, и это накладывает ограничения на тип изменчивости, которую они способны производить", — сказал Абжанов.

Помимо демонстрации того, как один механизм может одновременно создавать и ограничивать разнообразие, результаты предполагают, что окружающая среда должна рассматриваться как один из нескольких факторов, влияющих на изменчивость между видами.

Математика формы клюва

Чтобы понять изменения формы клюва, Абжанов и Бреннер в более ранней работе обратились к технике, впервые описанной в 1917 году шотландским математиком Д'Арси Томпсоном, отцом геометрической морфометрии.

В своей книге "О росте и форме" Томпсон описал использование аффинных преобразований — математических преобразований, таких как масштабирование или сдвиг, — чтобы показать, как, казалось бы, разные животные могут быть физически связаны.

Начиная с вьюрков Дарвина, исследователи попытались определить, можно ли связать формы клювов разных видов с помощью этих преобразований. Они обнаружили, что если применить и масштабирование, и сдвиг, то формы клювов всех различных видов можно свести к одной и той же форме. Также были группы близкородственных видов, чьи клювы можно было свести только с помощью масштабирования, образуя естественные групповые формы. Чтобы связать их с другими групповыми формами, требовались оба преобразования — и масштабирование, и сдвиг.

Расширив исследование на близких родственников вьюрков Дарвина, таких как карибские вьюрки, учёные получили те же результаты — просто с помощью масштабирования и сдвига все формы клювов можно было связать друг с другом, и были выявлены дальнейшие групповые формы.

"Это показывает, что вариации в форме клюва далеко не случайны — птицы используют эти конкретные геометрические преобразования для создания морфологического разнообразия", — сказал Абжанов.

Универсальный принцип

Новая статья расширяет исследование, рассматривая формы клювов у почти 200 видов певчих птиц, представляющих большую часть их разнообразия, и обнаруживая в общей сложности 33 общие групповые формы.

"Это само по себе было удивительно — принцип, который мы впервые обнаружили в небольшой группе видов, продолжает действовать в этой огромной группе животных", — отметил Абжанов. "Мы предполагаем, что у близкородственных видов существует много адаптивной изменчивости на основе масштабирования, в то время как изменчивость на основе сдвига происходит реже, создавая совершенно новую форму, которая затем исследуется с помощью масштабирования. Однако этих двух аффинных преобразований достаточно, чтобы объяснить всё изученное на сегодняшний день разнообразие".

Механизм развития как ограничитель

Оставался вопрос, почему такие разные виды должны иметь клювы, связанные столь ограниченным способом.

Большая часть объяснения, по словам Абжанова, может быть связана с тем, как клювы развиваются. Начинаясь как выпуклая структура на ранней эмбриональной стадии, клюв формирует "зону роста" внутри — группу активно делящихся клеток на апикальном конце клюва. По мере развития эмбриона зона роста постепенно разрушается, образуя характерную коническую форму клюва.

С помощью моделирования Абжанов и Бреннер смогли показать, что для того, чтобы клюв сохранял коническую форму, созданную зоной роста во время развития, и при этом подчинялся правилам преобразований масштабирования и сдвига в ходе эволюции, зона роста должна разрушаться с определённой скоростью. Тесты с использованием эмбрионов зебровых амадин подтвердили точность прогнозов их модели.

"Таким образом, большинство или все певчие птицы в природе, столь замечательно разнообразные и отличные друг от друга, объединены этим конкретным правилом, когда мы наблюдаем двухуровневую изменчивость в форме их клювов, объясняемую преобразованиями масштабирования и сдвига", — заключил Абжанов. "У всех этих птиц есть клювы конической формы, построенные определённым образом, и это создаёт парадокс во всём процессе эволюции их клювов, когда существует как гибкость, так и мощные ограничения".