Как колибри эволюционировали, чтобы чувствовать сладкое

Движения колибри — стремительные. Их можно четко зафиксировать только с помощью высокоскоростной видеосъемки. Их сердца бьются 20 раз в секунду, а языки совершают 17 движений в секунду. За три касания языка они отвергают воду, если ожидают нектар, и не обманываются сахарозаменителем из диетической колы.

Предпочтение сладкого у птиц очевидно, но только теперь ученые объяснили сложную биологию, стоящую за их вкусом к сахару. Это потребовало работы международной команды, полевых исследований в горах Калифорнии и на полевой станции Гарварда в Конкорде, а также сотрудничества лабораторий Гарварда.

В статье, опубликованной в Science, ученые показали, как способность колибри обнаруживать сладость эволюционировала из древнего рецептора умами (вкуса белков), настроенного в основном на вкус аминокислот. Питаясь нектаром и иногда насекомыми, эти крошечные птицы распространились по Северной и Южной Америке, образовав более 300 видов за 40–72 млн лет с момента ответвления от своего ближайшего родственника — стрижа.

«Это прекрасный пример того, как вид эволюционировал на молекулярном уровне, чтобы приобрести очень сложный фенотип», — сказал Стивен Либерлес, адъюнкт-профессор клеточной биологии Гарвардской медицинской школы. — «Изменение в одном рецепторе может фактически управлять изменением поведения и, как мы предполагаем, способствовать видообразованию».

Это открытие началось с генома курицы. До расшифровки генов птиц считалось, что они чувствуют вкус так же, как млекопитающие: с помощью рецепторов к соленому, кислому, горькому, сладкому и умами. Однако в геноме курицы не оказалось следов гена рецептора сладкого вкуса.

«Немедленный вопрос к орнитологам или любому, у кого есть кормушка во дворе, был: а как же колибри? — вспоминает Мод Болдуин, соавтор статьи. — Если у них отсутствует единственный рецептор сладкого, как они обнаруживают сахар?»

Последовательности геномов других птиц также не содержали этого рецептора. Так начался поиск ответа, как колибри чувствуют сахар и стали узкоспециализированными потребителями нектара.

После клонирования генов вкусовых рецепторов от куриц, стрижей и колибри (процесс занял три года) Болдуин объединилась с Ясукой Тодой, аспирантом Токийского университета, которая разработала метод тестирования вкусовых рецепторов в клеточной культуре.

Вместе они показали, что у кур и стрижей рецептор сильно реагирует на аминокислоты (вкус умами), а у колибри — слабо. Зато рецептор колибри сильно реагирует на углеводы (сладкий вкус).

«Это первый случай, когда этот рецептор умами показал реакцию на углеводы», — сказала Болдуин.

Тода смешивала и сочетала разные субъединицы куриного и колибрийского вкусовых рецепторов в гибридные химеры, чтобы понять, какие части гена участвуют в этом изменении функции. Всего она обнаружила 19 мутаций, но, вероятно, в этом «сладком переключении» участвует больше.

«Если посмотреть на структуру рецептора, для выполнения этой сложной задачи потребовались действительно драматические изменения по всей его поверхности, — сказал Либерлес. — Аминокислоты и сахара структурно очень разные, поэтому, чтобы распознать их в окружающей среде, нужен совершенно другой замок и ключ. Ключ выглядит совершенно иначе, поэтому вам приходится менять замок почти полностью».

Следующий вопрос: имеют ли эти мутации значение? Влияет ли эта измененная субъединица вкусового рецептора на поведение колибри?

У кормушек птицы ответили «да». Они выплевывали воду, но с удовольствием поглощали как сладкий нектар, так и один искусственный подсластитель, который вызывал реакцию в клеточном тесте (в отличие от аспартама). Это не нектар с его питательной ценностью, но он все равно сладкий.

«Это дало нам связь между рецептором и поведением, — сказал Либерлес. — Это драматическое изменение в эволюции нового поведения — действительно мощный пример того, как можно объяснить эволюцию на молекулярном уровне».

Эта работа подчеркивает, как много еще предстоит узнать о вкусе и других наших чувствах.

«Сенсорные системы дают нам окно в мозг, чтобы определить наше понимание окружающего мира, — сказал он. — Вкусовая система, возможно, является прямой линией к удовольствию и отвращению, вознаграждению и наказанию, сладкому и горькому. Понимание того, как нейронные цепи могут кодировать это по-разному, дает нам окно в другие аспекты восприятия».