Nasze wewnętrzne pióra

Teraz nowe badanie w piśmie “Molecular Biology and Evolution” daje jeszcze głębszy wgląd w historię piór. Zamiast patrzeć na skamieliny naukowcy spojrzeli na przepis genetyczny na pióra, zapisany w DNA ptaków. Okazuje się, że duża część tego przepisu już istniała setki milionów lat temu, zanim na Ziemi istniało cokolwiek choćby trochę przypominającego pióra. W rzeczywistości, ty, mój nieopierzony przyjacielu, także posiadasz większość informacji genetycznej potrzebnej do wytworzenia piór.

Scott Edwards, ornitolog z Harvardu i jego koledzy, nie mogliby przeprowadzić tego badania choćby kilka lat wcześniej, ponieważ naukowcy dopiero niedawno odkryli całą masę szczegółów dotyczących rozwoju piór. Ptasie zarodki zaczynają bez upierzenia. W ich skórze jednak znajdują się maleńkie zestawy komórek znane jako plakody, w których komórki włączają geny w wyraźnym wzorze. Powodem, dla którego pewne geny włączają się w plakodach, a inne nie, jest to, że obok genów znajdują się malutkie przełączniki. Jeśli dana kombinacja białek ląduje na przełączniku genu, gen zaczyna wytwarzać własne białko.

Początkowo komórki plakodów mnożą się szybko. Następnie zaczynają rosnąć w osie, które potem otwierają się, żeby stworzyć pióra. Zależnie od ptaka oraz miejsca na ciele ptaka, pióro może postrzępić się w pióra puchowe, w lotki o kształcie wioseł lub w ozdobne pióra ogona. W trakcie tego procesu komórki różnicują się, produkując różne kombinacje białek. Na przykład, komórki, które tworzą centralną oś pióra, zostają usztywnione pewnymi rodzajami keratyny, podczas gdy komórki, które mieszczą się w delikatniejszych częściach pióra, wytwarzają bardziej elastyczne rodzaje białek. Zgrupowania komórek produkują cząsteczki barwnika, żeby nadać piórom kolory i wzory. Każda komórka zawiera cały genom, co oznacza, że ma wszystkie geny na wytworzenie każdej części pióra. Jej przełączniki gwarantują jednak, że używa tylko pewnych kombinacji tych genów.

Edwards z kolegami przeszukiwali literaturę naukową w poszukiwaniu genów istotnych dla rozwoju piór. Na przykład, naukowcy badali kury lokowane, zidentyfikowali mutację na loki tej odmiany i tym samym zidentyfikowali gen zasadniczy dla rozwoju piór. W sumie Edwards i jego zespół znaleźli w ten sposób 193 geny piór. Na tej liście znajduje się 67 genów kodujących różne keratyny i 126, które pomagają ustalić wzór piór.

Następnie naukowcy zaczęli szukać przełączników, które kontrolują te geny. Nie jest to łatwe. Przełączniki są krótkimi odcinkami DNA, często zagnieżdżonymi głęboko wewnątrz znacznie dłuższych odcinków DNA, które są tylko bełkotem. Co więcej, geny mają wyraźne fragmenty, które mówią ci, że patrzysz na gen. Przełączniki jest znacznie trudniej odróżnić od bełkotu.

Naukowcy posłużyli się kilkoma strategiami, żeby znaleźć przełączniki. Wykorzystali fakt, że większość przełączników dla danego genu znajduje się w pobliżu tego genu. Szukali więc wyłącznie w pobliżu tych 167 genów piór. Wykorzystali także fakt, że przełączniki w stosunkowo niewielkim stopniu ulegają ewolucji, bo większość mutacji byłaby dla nich szkodliwa. Porównali więc DNA wokół genów piór u kilku różnych gatunków i szukali odcinków, które są wyraźnie podobne.  Dzięki tym dwóm strategiom odkryli zdumiewającą liczbę 13307 przełączników (których techniczna nazwa brzmi conserved nonexonic elements, czyli w skrócie CNEE).

Kolejnym pytaniem było, kiedy wyewoluowała każda część tej książki kucharskiej na pióra. Gdyby znaleźli gen lub przełącznik tylko w DNA ptaków, byliby pewni, że wyewoluowały po tym, jak przodkowie ptaków oddzielili się od przodków aligatorów i krokodyli. Jeśli jednak znaleźliby gen lub przełącznik zarówno u ptaków, jak aligatorów i krokodyli, to musiał on wyewoluować wcześniej, u ich wspólnego przodka.

(Możesz zapytać, jak wyewoluowały te nowe geny? Krótka odpowiedź brzmi, że mogą ewoluować przez duplikację starych genów lub przez przekształcenie genetycznego bełkotu – niekodującego DNA. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, obejrzyj to TED-Ed wideo, do którego napisałem scenariusz.)

Żeby zobaczyć, jak daleko wstecz idzie ewolucja genów piór, naukowcy porównali ptaki z szerokim wachlarzem kręgowców, włącznie z ludźmi, żółwiami i rybami rozdymkowatymi. Stwierdzili, że instrukcje na wytwarzanie piór pojawiły się na bardzo długo przed samymi piórami (patrz drzewo na dole tego postu lub powiększ je tutaj). Geny, które ustalają podstawowy wzór plakod, istniały już u wspólnego przodka ryb i ptaków (i nas) – innymi słowy, około pół miliarda lat temu. Jeszcze więcej genów piór wyewoluowało, kiedy nasi wspólni przodkowie wygramolili się na ląd i zaczęli chodzić po ziemi 350 milionów lat temu. W tym okresie pojawiło się także wiele przełączników genów piór.

Około 300 milionów lat temu nasi przodkowie zaczęli składać jaja w twardych skorupkach. Te wczesne zwierzęta zapoczątkowały ssaki, gady i ptaki (wspólnie znane jako owodniowce). Edwards i jego koledzy odkryli, że pierwsze owodniowce już miały pełen zestaw genów na wzorowanie piór. To znaczy, że ty, jako owodniowiec, także je masz.

Później wczesne owodniowce rozdzieliły się na główne linie rodowe. Linia, która zawiera aligatory, ptaki i wymarłe dinozaury – zwane archozaurami – powstała około 250 milionów lat temu. Zespół Edwardsa wykrył wiele nowych genów keratyny, które wyewoluowały podczas powstawania archozaurów, wraz z 86 procentami ich około 13 tysięcy przełączników genów piór.

Musiało minąć kolejnych 100 milionów lat zanim najstarszy znany ptak wzbił się w powietrze. Niemniej, właściwie wszystko, czego potrzeba do wytworzenia pióra – pod względem genetycznym – już było na miejscu.

Może wydawać się dziwne, że jako ssaki mamy wszystkie znane geny, niezbędne do odwzorowania pióra, a jednak nie wyglądamy jak Wielkie Ptaszydło. Powodem tej rozbieżności jest to, że geny potrafią wykonywać różne zadania. Zależnie od tego, gdzie i kiedy wytwarzają białka, mogą zbudować różne rodzaje organizmów. Nie potrzeba jednak zbyt wielkich wymian w instalacji przełączników genetycznych, by zamienić łuskowatą skórę wczesnych gadów w pióra. Istotnie, ta dogłębna historia piór może wyjaśnić, dlaczego paleontolodzy znajdują tyle dowodów prostych włókien, przypominających pióra, nie tylko u dinozaurów, ale u ich bliskich krewnych, takich jak pterozaury. Ewolucja majsterkowała przy pomocy tego samego zestawu narzędzi.

Edwards i jego koledzy zauważyli jeszcze coś intrygującego w genomach ptaków. Znaleźli wiele przełączników, które nie znajdowały się w pobliżu genów piór, ale były unikatowe dla ptaków. Kiedy poszukali najbliższych genów, odkryli, że były to geny pomagające ptakom rosnąć. Kontrolują one rozmiary ciała ptaka lub wielkość jego kończyn.

Jest to intrygujące odkrycie, ponieważ zapis kopalny ujawnia, że kiedy dinozaury ewoluowały w ptaki, ich ciała skurczyły się, podczas gdy ich górne kończyny stały się dłuższe w stosunku do wielkości ciała. Ta zmiana umożliwiła ptakom tworzyć siłę nośną dużymi skrzydłami, które miały tylko niewielkie ciało do utrzymywania w powietrzu. 

Zespół Edwardsa znalazł, być może, molekularną sygnaturę tej zmiany. Jeśli mają rację, książka kucharska na pióra jest bardzo stara, ale ptakom potrzebny był nowy rodzaj ciała, by mogły użyć swoich piór do lotu.   

Z przeprosinami wobec Neila Shubina za  użycie wariacji tytułu jego książki.

Your inner feather

The Loom, 20 listopada 2014

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Carl Zimmer

Wielokrotnie nagradzany amerykański dziennikarz naukowy publikujący często na łamach „New York Times” „National Geographic” i innych pism. Autor 13 książek, w tym „Parasite Rex” oraz „The Tanglend Bank: An introduction to Evolution”. Prowadzi blog The Loom publikowany przy „National Geographic”.