Jak kolibry odzyskały utracone przez ptaki odczuwanie słodyczy

Nie są w tym osamotnione. Maude Baldwinz Unwersytetu Harvarda i Yasuka Toda z Uniwersytetu w Tokio przyjrzeli się genomom 10 różnych ptaków od sokołów do ziarnojadów oraz od kaczek do gołębi. Żaden ze zbadanych ptaków nie miał genu T1R2. Natomiast ten gen występuje u aligatorów, a są one jednymi z najbliższych żyjących krewnych ptaków. Tak, więc wygląda na to, że ptaki, które wyewoluowały z małych dinozaurów, przestały lubić słodycze.

A co z kolibrami?

Kolibry żywią się głównie nektarem, słodką cieczą produkowaną przez rośliny. Przepadają za nektarem im słodszym tym lepiej; co więcej pogardzają kwiatami, których nektar nie jest wystarczająco słodki. Chociaż nie mają genu T1R2, tym niemniej bez wątpliwości umieją odczuwać smak cukru.

Baldwin i Toda zaczęli szukać w pobliżu: odkryli dwa inne geny zmysłu smaku, które zwykle służą do odróżniania pikantnych przysmaków. Na języku kolibra receptory te rozróżniają także słodki smak.

Większość kręgowców ma trzy geny zmysłu smaku: T1R1, T1R2 i T1R3. Każdy z nich powoduje tworzenie białka o tej samej nazwie, białka zaś łączą się w pary. T1R2 i T1R3 łącząc się tworzą receptor rozróżniający cząsteczki cukru. Gdy cukier przylgnie do jednej z nich, uruchamia reakcję łańcuchową zakończoną sygnałem przekazywanym do mózgu - sygnałem informującym o spożyciu czegoś słodkiego. T1R3 może łączyć się z T1R1 tworząc receptor aminokwasów - co umożliwia nam rozpoznawanie smaku pikantnego lub „umami”.

Zespół rozważał, czy jeżeli kolibry utraciły T1R2, być może w zamian receptory smaku słonego T1R1-T1R3 mogą wykrywać cukry. Przetestowali hipotezę na koliberku żarogłowym. Okazało się, że mają rację. Receptor wykrywa proste cukry, takie jak glukoza i fruktoza, oraz pewne słodziki jak sorbitol i erytrytol. Nadal może wykrywać aminokwasy*; po prostu w ciągu ostatnich około 42 do 72 milionów lat uzyskał nową zdolność obok wcześniejszej.

W tym czasie obydwa białka uległy dramatycznej zmianie. Białka zbudowane są z łańcuchów aminokwasów, a wersje T1R1 i T1R3 u kolibrów mają wiele innych wiązań w porównaniu z ich odpowiednikami występującymi u kur. Aby dowiedzieć się, które z tych różnic są ważne zespół połączył wersje pochodzące od kolibra i kury w różnych kombinacjach, a następnie przetestował ich reakcje na cukry.

Zidentyfikowano 19 aminokwasów, rozproszonych w jednej części T1R3, które uległy zmianie podczas ewolucji kolibrów, tworzących kształt białek i pozwalających im na przyleganie do cukrów tak samo jak do aminokwasów. Baldwin uważa, że ważnych jest wiele więcej mutacji - gdyż zespół skoncentrował się tylko na tylko jednym, małym odcinku pochodzącym od jednego z dwóch partnerów. Nie był to prosty krok ewolucyjny. A nadzwyczaj skomplikowany zestaw kroków.

Wiele zwierząt utraciło jeden lub więcej z trzech genów T1R. Panda wielka utraciła T1R1; pikantne smaki mogą dla ciebie nie istnieć, gdy żywisz się tylko bambusem. Koty, wydry orientalne, hieny cętkowane, lwy morskie, delfiny, i wampiry (nietoperze) wszystkie z nich mają uszkodzone wersje T1R2 i nie mogą posmakować słodyczy - prawdopodobnie dlatego, że nie jedzą nic innego oprócz mięsa (lub krwi). Utrata genu smaku nie jest niezwykła.

Z drugiej strony, uzyskanie dodatkowego genu jest bardzo rzadkie. Oprócz kilku ryb, nie znamy żadnych kręgowców, które powiększyły swoje podstawowe trio. Jest to trochę dziwne, pamiętając, że geny dotyczące zapachu bardzo chętnie duplikują się i różnicują. Wspomniane zmysły są zasadniczo takie same - oba smak i zapach - obejmują białka wykrywające substancje chemiczne występujące w środowisku. Niemniej geny zapachu różnicują się jak głupie a geny smaku (lub przynajmniej te dotyczące słodyczy i rzeczy pikantnych) nie. Nikt nie wie dlaczego. Nie wydaje się także, by geny pozyskiwały nowe funkcje - kolibry stanowią pierwszy przykład takiego przypadku. Według naszej wiedzy jest to ich unikalna właściwość - odczuwanie słodyczy po utracie tej cechy przez przodków.

Dlaczego? Być może jest to proste pytanie: nektar jest bogatym źródłem energii, a odczuwanie słodyczy umożliwia kolibrom skutecznie ją pozyskiwać.

Ważniejszym pytaniem być może jest: jak? Łatwo pomyśleć, że gdy kolibry rozpoczęły picie nektaru ich receptory smaku szybko wyewoluowały w kierunku lepszego ich odczuwania. Ale jeżeli przodkowie kolibrów nie odczuwali słodyczy, dlaczego w ogóle zaczęli pić nektar? „Jest to fantastyczne pytanie i dociera do sedna wielu dyskusji, jakie prowadziłam” odpowiada Baldwin. Oto, co według niej, się wydarzyło.

Najbliższymi żyjącymi krewnymi kolibrów są jerzykowate (jerzyki). Kolibry używają krótkich, obracających się skrzydeł do unoszenia w powietrzu w pobliżu kwiatów i picia nektaru; jerzyki używają długich, ostro zakończonych skrzydeł do latania w  otwartej przestrzeni w poszukiwaniu owadów. Dzięki pewnym ostatnio odkrytym skamieniałościom, wiemy że obie grupy pochodzą od przodków, którzy dysponowali oboma cechami - miały budowę bardziej zbliżoną do jerzyków, lecz z krótszymi skrzydłami wielkości skrzydeł kolibrów. Prawie na pewno żywiły się owadami.

Baldwin sądzi, że niektóre z tych ptaków zaczęły spędzać czas niedaleko kwiatów łapiąc siadające na nich owady. Być może zaczęły zawisać w powietrzu, by skuteczniej chwytać tych gości (dzisiejsze kolibry nadal łapią owady jako uzupełnienie diety). Jeżeli ta zmiana doprowadziła do stałego kontaktu ptaków z kwiatami, mogła spowodować pewne zmiany ewolucyjne. Następnie, osobniki ze zmianami w T1R1 i T1R3 mogły nieznacznie odczuwać cukier i mogły trochę pić występującego w pobliżu nektaru. Nektar zapewniał substancje odżywcze, tak że osobniki sporadycznie pijące nektar rozwijały się lepiej od swoich rówieśników. To spowodowało presję ewolucyjną na szybszą zmianę białek. „Nie wiadomo jak to się zaczyna” mówi Baldwin. „,Ale gdy się rozpocznie, selekcja wzmacnia działanie dając silniejszy efekt”.

Chwilowo są to tylko domysły, które wymagają potwierdzenia - być może dzięki znalezieniu większej ilości skamieniałości wczesnych kolibrów. W międzyczasie zespół pracuje razem z innymi naukowcami nad tym, czy inne ptaki jak lorysy (gatunek papug), czy też ptaki jedzące miód, które także piją nektar, w podobny sposób odtworzyły zmysł smaku cukru.

Naukowcy chcą także wiedzieć, jaka była kolejność 19 mutacji prowadzących do odtworzenia odczuwania smaku słodyczy u kolibrów. Czy pojawiły się w tym samym czasie, czy w seriach? Czy wszystkie rozwinęły się bezpośrednio do wykrywania cukru? To jest nieprawdopodobne. Niektóre mogły stabilizować białka, by mutacje przetrwały. Niektóre z początku mogły być nieistotne, lecz utorowały drogę do późniejszych zmian adaptacyjnych.

Istnieją metody umożliwiające rozwiązanie powyższych problemów. Wiele grup wypracowało metody rekonstrukcji sekwencji aminokwasów w pradawnych białkach w oparciu o sekwencję u dzisiejszych ich potomków. Mogą odtworzyć te cząsteczki swoich przodków wskrzeszając je miliony lat po ich ostatnim występowaniu. Zespół może spróbować tego w przypadku receptorów smaku kolibrów, odtwarzając ponownie kroki od smaku słonego (pikantnego) do słodko-słonego. „Może to odpowiedzieć na największe pytanie biologii ewolucyjnej” uważa Baldwin.

* Kolibry mogą reagować zarówno na smak słodki jak i umami, lecz nie wiadomo, czy umieją je rozróżnić. Być może w ich odczuciu smakują one tak samo.

Odniesienie: Baldwin, Toda, Nakagita, O’Connell, Klasing, Misaka, Edwards & Liberles. 2014. Evolution of sweet taste perception in hummingbirds by transformation of the ancestral umami receptor. Science http://dx.doi.org/10.1126/science.1255097

Więcej o kolibrach:

• Hummingbirds dive to sing with their tails
• Anna’s hummingbird outflies falcons and fighter pilots
• Tobacco plants foil very hungry caterpillars by switching pollinators to hummingbirds
• The two twists that let hummingbirds fly like insects

 

Birds Lost Their Sweet Tooth, Hummingbirds Got Theirs Back

Phenomena: Not Exactly Rocket Science

Tłumaczenie Elżbieta Pląskowska