Когда птицы получили крылья, они потеряли когтистые пальцы, которыми владеют их родственники динозавра. Но они развили новый «палец» — в их лице.
И что благо, которое было. Проворные клювы всех форм и размеров, от того, чтобы проглатывать зевок пеликана к носу иглы колибри, позволили 10 000 птичьих разновидностей процветать от Арктики до тропиков, построить запутанные гнезда и съесть много различных продуктов.Теперь, исследователи, возможно, идентифицировали гены, преобразовавшие наследственную морду в клюв птицы.
Путем управления протеинами генов они по-видимому возвратили эволюционные часы, произведя морды в развитии куриных эмбрионов, напоминающих те из аллигаторов сегодня. «Мы пытаемся объяснить развитие посредством исследований развития», говорит Гарвардский университет эволюционный Архат биолога развития Абжанов, с коллегами, описывающий работу на этой неделе в Развитии.Их заключения противоречат более раннему исследованию.
Но даже те, кто не соглашается с результатом, говорят, что Абжанов и его студент Бхарт-Анджэн Бхаллэр, теперь постдокторант в Чикагском университете, продемонстрировали сильный новый подход: придавливание, как анатомия изменила окаменелости использования, затем пытаясь резюмировать изменения в лаборатории путем переделывания генетических сигналов. “Значение этой бумаги является их способностью смешать палеонтологию с эволюционной биологией развития», говорит Рихард Шнайдер из Калифорнийского университета, Сан-Франциско (UCSF), кто связал развитие клюва с различными генами.Для определения, что изменилось перед лицом предков птицы Bhullar исследовал множество черепов окаменелостей динозавра, птиц, и аллигаторов и других рептилий, сделав сотни снимков под различными углами.
Компьютер собрал эти изображения в 3D просмотры и сравнил их. Метод, названный геометрическим morphometrics, точно определил различия в размере кости, форме и конфигурации между животными.У наследственных рептилий пара маленьких костей составляет наконечник морды.
У сегодняшних птиц те предверхнечелюстные кости являются длинными, узкими, и сплавленные, Абжанов объясняет, производя «единственную большую кость, прибывающую для доминирования над лицом” — верхний счет. Древний Археоптерикс птицы показывает промежуточный шаг. Его предверхнечелюстные кости не были очень расширены, но в более поздних птичьих разновидностях прогрессивно более сплавляются кости.
Другая работа также вовлекла предверхнечелюстные кости в развитие клюва.Таким образом, Bhullar искал более ранние исследования генетических путей, управляющих развитием этих костей. Работа у мышей и цыплят вовлекла два набора сигналов.
Ген под названием фактор роста Фибробласта 8 (Fgf8) становится активным в передней части лица, поскольку это формируется в 3-дневных эмбрионах птенца; позже, незадолго до формы костей, ген под названием WNT помогает стимулировать быстрое увеличение клеток посреди лица, где это может вызвать расширение предверхнечелюстных костей. У млекопитающих, ящериц, черепах и аллигаторов, напротив, деятельность гена WNT является самой высокой на сторонах эмбрионального лица.Для исследования ролей этих генов Бхаллэр и Абжанов рассматривали эмбрионы птицы с ингибиторами WNT и протеинов Fgf8. Когда два сигнала были больше всего обузданы, предверхнечелюстные кости стали круглыми и никогда не соединялись, как в родственниках динозавра птиц, вместо того, чтобы стать длинными и заостренными.
К удивлению пары, палатальной кости, составляющей небо, также измененное существенно. У многих позвоночных животных эта кость является плоской и сплавляется к окружающим костям. Но у птиц, это уменьшено и разъединено, который освобождает верхнюю часть счета для перемещения вверх, расширяя зевок птиц.
В рассматриваемых эмбрионах птенца небо походило больше, оно делает у других позвоночных животных: квартира и по-видимому повторно подключенный к челюстным костям. Исследования предполагают, что Fgf8 и WNT сигнальные изменения, позволенные черепа древних птиц, “чтобы развиться в совершенно новом направлении» и сформировать клюв, говорит Абжанов.
Не все соглашаются. В 2014 Натан Янг UCSF и Ральф Маркукио, работающий со Шнайдером, выполнили обширные измерения черепа на множестве эмбриональных позвоночных животных и определили пункт во время развития, при котором морда птицы начинает отличаться от тех из других позвоночных животных. Работа и более поздние эксперименты поддержали идею 2009 года, предложенную Маркукио, что деятельность другого гена, SHH (названный звуковым ежом), была критически важна для формирования клюва. В отличие от Fgf8, он говорит, это активно в правильном месте и правильное время в эмбрионах птицы.
Marcucio, биолог развития, также волнуется, что изменения в лицевой структуре, наблюдаемой бригадой Гарварда, могут явиться результатом непреднамеренного некроза клеток, вызванного ингибиторами, которые они использовали. «Добавление учета окаменелости на эту работу является действительно важным шагом, но я думаю, что они просто смотрят на неправильный путь», говорит он. Абжанов и Бхаллэр возражают, что Fgf8 и SHH часто коэкспрессируются и могут сотрудничать; также, они не видели избытка некроза клеток.
Нейтральные стороны предсказывают, что эта конфронтация по клювам птицы не будет решена быстро. «Несомненно, существует еще много генов, вовлеченных в эти пути, и в них должны будут разобраться», говорит Джоэл Крэкрэфт, эволюционный биолог в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке.