Что помогает зимородкам нырять, не повреждая при этом мозг
Как известно, вода может оказаться на удивление жесткой, если ударить по ней под неправильным углом. Но многие виды зимородков ныряют в воду с головой, чтобы поймать рыбу. В новом исследовании, опубликованном в журнале Communications Biology, исследователи сравнили ДНК 30 различных видов зимородков, чтобы сосредоточиться на генах, которые могут помочь объяснить диету птиц и их способность нырять без повреждения мозга.
Тип ныряния, которым занимаются зимородки, — то, что исследователи называют «нырянием с погружением» — представляет собой своего рода подвиг. «Это высокоскоростное ныряние из воздуха в воду, и оно совершается очень немногими видами птиц», — говорит первый автор исследования Чад Элиасон из Музея Филда в Чикаго. Но такое поведение потенциально опасно.
«Чтобы зимородки могли нырять с головой так, как они это делают, у них должны были развиться другие черты, которые не позволяют им повредить мозг», — говорит соавтор исследования Шеннон Хакетт из Полевого музея.
Не все зимородки на самом деле ловят рыбу — многие виды этих птиц поедают наземную добычу, например, насекомых, ящериц и даже других зимородков. Ранее соавторы Дженна МакКоллоу и Майкл Андерсен, исследователи из Университета Нью-Мексико, возглавили команду, используя ДНК, чтобы показать, что группы зимородков, питающихся рыбой, не являются ближайшими родственниками друг друга в генеалогическом древе зимородков. Это означает, что зимородки развивали свой рыбный рацион (и способности нырять для его добычи) несколько раз, а не все эволюционировали от одного общего предка, питавшегося рыбой.
«Тот факт, что существует так много переходов к дайвингу, делает эту группу одновременно интересной и мощной с точки зрения научных исследований», — говорит Хакетт. «Если черта развивается независимо множество раз в разное время, это означает, что у вас есть возможность найти всеобъемлющее объяснение тому, почему это происходит».
В этом исследовании ученые проанализировали ДНК 30 видов зимородков, как питающихся рыбой, так и нет.
«Чтобы получить всю ДНК зимородка, мы использовали образцы из коллекций Филдового музея. Когда наши ученые проводят полевые исследования, они берут образцы тканей у собранных ими образцов птиц, например, кусочки мышц или печени. Эти образцы тканей хранятся в Полевом музее и замораживаются в жидком азоте, чтобы сохранить ДНК», - объяснили ученые.
В Притцкеровской лаборатории ДНК исследователи начали процесс секвенирования полных геномов каждого вида, генерируя полный генетический код каждой птицы. После этого они использовали программное обеспечение для сравнения миллиардов пар оснований, составляющих эти геномы, чтобы найти генетические вариации, общие для ныряющих зимородков.
Ученые обнаружили, что у рыбоядных птиц было несколько модифицированных генов, связанных с питанием и структурой мозга. Например, они обнаружили мутации в гене AGT птиц, который связан с гибкостью питания у других видов, и гене MAPT, который кодирует тау-белки, связанные с пищевым поведением.
Тау-белки помогают стабилизировать крошечные структуры внутри мозга, но накопление слишком большого количества тау-белков может быть вредным. У людей черепно-мозговые травмы и болезнь Альцгеймера связаны с накоплением тау.
«Я многое узнал о тау-белке, когда был менеджером по сотрясению мозга в хоккейной команде моего сына», — говорит Хакетт. «Я начал задаваться вопросом, почему зимородки не умирают, потому что их мозг превращается в кашу? Должно быть что-то, что они делают, что защищает их от негативного влияния постоянных приземлений головой на поверхность воды».
Хакетт подозревает, что тау-белки могут быть чем-то вроде палки о двух концах. «Те же гены, которые поддерживают ваши нейроны в вашем мозге в порядке и порядке, выходят из строя, когда вы получаете повторяющиеся сотрясения мозга, если вы футболист или у вас болезнь Альцгеймера», - говорит Хакетт. «Я предполагаю, что на эти белки оказывается какое-то сильное селективное давление, чтобы каким-то образом защитить мозг птиц».
Теперь, когда эти коррелирующие геномные вариации идентифицированы, объясняет Хакетт, «Следующий вопрос заключается в том, как мутации в генах этих птиц влияют на вырабатываемые белки? Какие изменения формы происходят? мозг для сотрясающих сил?»
«Теперь мы знаем, какие из основных генов изменяются, что помогает создать различия, которые мы наблюдаем в семействе зимородков», — поясняют исследователи. «Но теперь, когда мы знаем, на какие гены следует обратить внимание, появилось еще больше загадок. Так работает наука».
Помимо лучшего понимания генетики зимородков и потенциальных последствий для понимания травм головного мозга, Хакетт говорит, что это исследование важно, потому что оно подчеркивает ценность музейных коллекций.