Почему птицы мигрируют ночью?

Мигрирующие птицы используют магнитное поле Земли для навигации. Предполагалось, что за это отвечает светочувствительный белок криптохром. Однако многие птицы летят ночью, когда света мало, и оставалось неясным, как криптохром работает в таких условиях.

Новое исследование, проведённое UT Southwestern Medical Center совместно с SMU (Southern Methodist University), предлагает ответ.

Учёные обнаружили, что криптохромы перелётных птиц эволюционировали, чтобы усиливать свою способность реагировать на свет, что позволяет им чувствовать магнитные поля даже в темноте.

«Мы смогли показать, что белок криптохром чрезвычайно эффективен в сборе и реакции на низкие уровни света. Теперь мы понимаем, как позвоночные криптохромы могут функционировать в ночных условиях», — сказал химик SMU Брайан Д. Золтовски, один из ведущих авторов исследования, опубликованного в журнале PNAS в сентябре.

Криптохромы есть у растений и животных и регулируют циркадные ритмы. Учёные сосредоточились на необычном глазном белке птиц — CRY4, относящемся к классу криптохромов.

Лаборатория Джозефа Такахаси (эксперта по циркадным ритмам в UT Southwestern) совместно с другими учёными очистила и определила кристаллическую структуру CRY4 — первую атомную структуру фотоактивного криптохрома позвоночных. Лаборатория Брайана Золтовски (эксперта по сине-световым фоторецепторам) изучила эффективность светозависимых реакций и выявила уникальный для CRY4 путь, обеспечивающий работу при слабом освещении.

«Эта фоточувствительность и возможность того, что на CRY4 влияет магнитное поле, делают этот конкретный криптохром очень интересной молекулой», — отметил Такахаси.

Исследователи взяли образец CRY4 из голубя, вырастили его кристаллы и с помощью рентгеновских лучей определили расположение всех атомов в белке. Хотя голуби не являются ночными перелётными певчими птицами, последовательности их белков CRY4 очень похожи.

«Эти структуры позволяют нам визуализировать на атомном уровне, как эти белки функционируют, и понять, как они могут использовать синий свет для восприятия магнитных полей», — пояснил Золтовски.

В исследовании обнаружены необычные изменения в ключевых областях структуры белка, которые усиливают его способность улавливать свет.

«Криптохромы работают, поглощая фотон света, что вызывает движение электрона по цепи аминокислот. Обычно эта цепь состоит из 3 или 4 участков. Но у голубей было выявлено, что эта цепь может быть расширена до 5 участков», — объяснил Золтовски.

Эта мутация электронной цепи делает криптохром менее зависимым от высокой освещённости для активации.

«Птицы эволюционно развили механизм для повышения эффективности. Поэтому даже при очень слабом свете у них генерируется достаточно сигнала для миграции», — заключил Золтовски.