Что заставляет перо парить

Динозавры вымерли около 66 миллионов лет назад, но это не конец их истории. Их современные потомки — птицы (класс Aves) — демонстрируют впечатляющий эволюционный успех, насчитывая более 10 000 видов по всему миру.

Ключом к адаптивности птиц является перо. Оно обеспечивает не только маховый полёт, но и камуфляж, привлечение партнёров, защиту от стихии и терморегуляцию.

Как показал в своей работе Мэтью Гринволд, постдок кафедры биологических наук Университета Южной Каролины, успех пера связан с разнообразием и адаптивностью его белковых строительных блоков — бета-кератинов.

Перья и динозавры

Среди биологов в основном принято, что динозавры — предки птиц, и что некоторые виды динозавров начали эволюционировать перья около 150 миллионов лет назад. Более поздние находки, особенно в Китае за последние 15 лет, предоставили множество свидетельств оперённых динозавров.

Основное семейство белков, ответственных за структуру пера, — бета-кератин. Он встречается только у двух современных групп животных: рептилий и птиц. Это материал когтей, чешуи, клювов и перьев, придающий им прочность, жёсткость, а перьям — ещё гибкость и эластичность.

Бета-кератин или бета-кератины?

Соавтор и научный руководитель Гринволда, профессор Роджер Сойер, более 30 лет изучает бета-кератин. Его работа помогла выявить множество вариаций этого белка.

Изначально считалось, что бета-кератин во всех перьях одинаков. Однако существует несколько основных подтипов, названных по анатомической части, из которой их впервые выделили: чешуйчатый бета-кератин, когтевой бета-кератин и перьевой бета-кератин.

Все они имеют общее консервативное филаментное ядро из 34 аминокислот, но различаются. Перьевой бета-кератин имеет длину около 100 аминокислот, а чешуйчатый и когтевой — ещё длиннее. Эти подтипы в различных пропорциях смешаны во всех кожных придатках птиц.

Однако картина оказалась сложнее. После публикации генома курицы в 2004 году выяснилось, что у кур есть многочисленные копии генов чешуйчатого, когтевого и особенно перьевого бета-кератина. Эти "копии" не идентичны. Например, на одной из хромосом курицы находится более 60 генов перьевого бета-кератина, очень похожих, но не одинаковых. Это второе по величине семейство генов в геноме курицы.

Стая геномов

В составе международной команды, опубликовавшей полные геномы 48 птиц в журнале Science, Гринволд и Сойер показали, что количество генов чешуйчатого, когтевого и перьевого бета-кератина сильно варьирует у разных птиц. Таким образом, перья состоят из очень сложной смеси строительных блоков.

Вместо одного "кирпичика" (бета-кератина) оказалось несколько его типов (чешуйчатый, когтевой, перьевой). А внутри каждого типа — десятки небольших вариаций, представленных множеством слегка различающихся копий генов.

Гринволд, аспирант Вейер Бао и Сойер проанализировали геномы птиц и опубликовали сопроводительную статью в BMC Evolutionary Biology, показывающую корреляции между количеством копий генов бета-кератина и образом жизни птиц. Например, у хищных птиц доля когтевого бета-кератина выше средней по всей группе.

Перьевой бета-кератин и уникальное преимущество птиц

Объединяющая тема — обилие генов перьевого бета-кератина, которые составляют более 50% копий всех подтипов бета-кератина у изученных птиц. Сойер и Гринволд в более ранней работе утверждали, что экспансия и усложнение гена перьевого бета-кератина совпали с эволюцией самого пера — от простого покрова до сложной структуры, сделавшей возможным маховый полёт и другие конкурентные преимущества.

Перьевой бета-кератин отличает птиц от всех других живых существ. Только птицы имеют его, и имеют в изобилии. Вместе с другими кератинами он даёт им преимущество, делающее их почти вездесущими в конкурентном мире.

«Перья прочные, гибкие, долговечные, — говорит Сойер. — Они могут выдержать пикирование на скорости 200 миль в час и резкое восстановление без разрушения, как у сапсана, самого быстрого представителя царства животных. Возможно, мы сможем имитировать эти удивительные свойства в новых материалах».