Как эволюция оптимизировала магнитный сенсор у птиц

Мигрирующие птицы способны к навигации и ориентации с удивительной точностью, используя различные механизмы, включая магнитный компас. Команда под руководством биологов д-ра Коринны Лангебрэке и проф. д-ра Мириам Лидфогель из Ольденбургского университета и Института орнитологических исследований «Фогельварте Хельголанд» в Вильгельмсхафене сравнила геномы нескольких сотен видов птиц и нашла новые доказательства того, что конкретный белок в глазах птиц является магниторецептором, лежащим в основе этого процесса.

Исследователи обнаружили, что в гене, кодирующем белок криптохром 4, произошли значительные эволюционные изменения, и что определённые группы птиц полностью его утратили.

Эти находки указывают на адаптацию к различным условиям окружающей среды и поддерживают теорию о том, что криптохром 4 функционирует как сенсорный белок.

Исследование было инициировано работами в университетах Ольденбурга и Оксфорда (Великобритания), которые показали, что магниторецепция основана на сложном квантово-механическом процессе, происходящем в определённых клетках сетчатки перелётных птиц.

В статье, опубликованной в журнале Nature в 2021 году, немецко-британская команда представила данные, согласно которым высока вероятность, что криптохром 4 является искомым магниторецептором: во-первых, они смогли доказать, что белок присутствует в сетчатке птиц, а во-вторых, как эксперименты с бактериально продуцируемыми белками, так и модельные расчёты показали, что криптохром 4 проявляет предполагаемый квантовый эффект в ответ на магнитные поля.

Интересно, что исследование также продемонстрировало, что эти белки значительно более чувствительны к магнитным полям у зарянок (перелётных птиц), чем у кур и голубей (оседлых видов).

«Следовательно, причина, по которой криптохром 4 более чувствителен у зарянок, чем у кур и голубей, должна заключаться в последовательности ДНК белка», — говорит Лангебрэке, ведущий автор. «Последовательность, вероятно, была оптимизирована эволюционными процессами у этих ночных мигрантов».

Поэтому в текущем исследовании команда под руководством Лангебрэке и Лидфогель впервые изучила магниторецепцию с эволюционной точки зрения. Исследователи проанализировали гены криптохрома 4 у 363 видов птиц — от малого пятнистого киви до певчего воробья.

Сначала они сравнили скорость эволюции белка с таковой у двух родственных криптохромов и обнаружили, что последовательности генов сравниваемых криптохромов были очень схожи у всех видов птиц: они, по-видимому, очень мало изменились в ходе эволюции. Это, скорее всего, связано с их ключевой ролью в регуляции внутренних часов — механизма, необходимого всем птицам, модификации в котором имели бы крайне негативные последствия.

Криптохром 4, напротив, оказался высоко вариабельным. «Это говорит о том, что белок важен для адаптации к специфическим условиям окружающей среды», — объясняет Лидфогель. Возникающая специализация может быть магниторецепцией. «Подобная картина наблюдалась у других сенсорных белков, например, у светочувствительных пигментов в глазу», — добавляет она.

Затем исследователи подробнее изучили, как последовательность гена криптохрома 4 эволюционировала в истории птиц. Результаты привели учёных к выводу, что, в частности, у отряда воробьинообразных (Passeriformes) белок был оптимизирован посредством быстрого отбора. «Наши результаты указывают на то, что эволюционные процессы могли привести к специализации криптохрома 4 в качестве магниторецептора у певчих птиц», — говорит Лангебрэке.

Ещё одним интересным открытием стало то, что у трёх клад тропических птиц — попугаев, колибри и тиранновых (Suboscines) — информация о криптохроме 4 была утрачена в эволюционном процессе, то есть эти птицы не способны производить данный белок. Это указывает на то, что он не играет жизненно важной роли в их выживании. Однако, хотя попугаи и колибри ведут оседлый образ жизни, некоторые тиранновые являются дальними мигрантами, которые, подобно мелким европейским певчим птицам, летают как днём, так и ночью.

«Тот факт, что у них, в отличие от зарянок, нет криптохрома 4, делает их идеальной системой для проверки различных гипотез о магниторецепции», — говорит Лангебрэке.

Здесь возникает интересный вопрос: развили ли тиранновые магнитное чувство, работающее независимо от криптохрома 4? Или они способны ориентироваться без магнитного чувства?

Другая возможность заключается в том, что их магнитное чувство имеет те же характеристики, что и у зарянок, — оно зависит от света и может нарушаться, например, радиоволнами. «Первые два сценария сильно подтвердили бы гипотезу о криптохроме 4, а третий создал бы проблему для теории», — подчёркивает биолог.

В качестве следующего шага исследовательская группа планирует изучить магнитную ориентацию у тиранновых и выяснить, есть ли у них магнитное чувство. «Клада тиранновых предоставляет нам естественный инструмент для понимания функции криптохрома 4 и важности магниторецепции у перелётных птиц», — говорит Лидфогель, обозначая отправную точку для дальнейших исследований.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.