На всех широтах и на всех континентах живут птицы. Обсуждение их стремительной эволюции и удивительного разнообразия длится почти век. Специалисты неоднократно выстраивали филогенетическое древо птиц на основании особенностей их анатомии, поведения и сравнения отдельных генов. Результаты, однако, получались противоречивые.

Ситуация изменилась, когда у исследователей появилась возможность быстро секвенировать целые геномы. Международная группа ученых определила и сравнила последовательности геномов 48 видов, представляющих почти все основные отряды класса птиц. ДНК выделяли из замороженных образцов, предоставленных Музеем естественной истории Университета штата Луизиана (США), который располагает одной из крупнейших в мире коллекцией тканей позвоночных.

В проекте участвовали более 200 исследователей из 80 институтов 20 стран. Его возглавили Гоцзе Чжан (Guojie Zhang), заместитель директора Национального генбанка Пекинского института генома и доцент Копенгагенского университета, нейробиолог Эрик Джарвис (Erich D. Jarvis), сотрудник Университета Дьюка и Медицинского института Говарда Хьюза, и профессор Томас Гилберт (M. Thomas P. Gilbert), специалист по древней ДНК, работающий в Музее естественной истории Дании.

Проект занял четыре года, в том числе несколько месяцев ушло на компьютерный анализ. Проделав огромную работу, ученые составили новое филогенетическое древо птиц, восстановили геном их общего предка и определили гены, ответственные за характерные особенности птиц.

Отсечь всё лишнее

Геном у птиц удивительно маленький. У млекопитающих и рептилий его размеры варьируют от 1 до 8,2 Гб, а у птиц — от 0,91 Гб у колибри Archilochus alexanderi до 1,3 Гб у страуса. Геном невелик по нескольким причинам. Прежде всего, в нем мало повторяющихся элементов, всего 4−10%, в то время как у млекопитающих их доля составляет от 34 до 52%. Сохранившиеся птичьи повторы существенно короче, чем у других наземных позвоночных.

Птицы укоротили интроны, и в результате длина генов, кодирующих белки, у них на 50% и 27% меньше, чем у млекопитающих и рептилий соответственно. Столь же компактным геномом могут похвастаться летучие мыши, единственные летающие млекопитающие. Исследователи предположили, что конденсированный геном позволяет быстрее регулировать работу генов, что выгодно во время управляемого полета.

Геном также сокращался в результате множества больших и маленьких делеций (потери фрагментов или удаления отдельных нуклеотидов). Образование протяженных делеций привело, по мнению исследователей, к фрагментации хромосом, из-за которой геном птиц изобилует микрохромосомами, это его характерная особенность. Компактный геном с малым количеством повторов, низкой активностью мобильных элементов и микрохромосомами сформировался, вероятно, еще у предков птиц и пребывает в таком состоянии более 100 млн лет.

Птицы утратили многие последовательности, которые сохранились у аллигаторов и черепах, в том числе 1241 кодирующий ген, но зато приобрели несколько новых признаков. Один из них — легкие, приспособленные для усиленного газообмена во время полета. У млекопитающих легкие эластичные, состоящие из множества альвеол, у птиц они небольшие, плотные и включены в проточную систему газообмена (воздух в них поступает и при вдохе, и при выдохе). Исследователи обнаружили пять генов, которые работают при формировании легких у млекопитающих, а у птиц отсутствуют.

Другой пример — утрата зубов. Вместо них современные птицы используют для измельчения пищи клюв и мускулистый желудок. Большинство специалистов полагают, что зубы исчезли у общего предка современных птиц, другие же считают, что потеря зубов могла происходить несколько раз независимо. При этом они ссылаются на гесперорниса и ихтиорни-са — зубастых птиц мезозоя. Чтобы разобраться, исследователи сравнили геномы птиц, черепах, которые также не имеют зубов, беззубых млекопитающих (панголинов, муравьедов и усатых китов) и млекопитающих с зубами, лишенными эмали (трубкозубов, ленивцев и броненосцев).

Все эти позвоночные имели предков с полноценными эмалированными зубами, для образования которых необходим «дентиновый» ген DSPP и пять генов, ответственных за формирование эмали (ENAM, AMEL, AMBN, MMP20 и AMTN). У всех беззубых животных гены, кодирующие образование дентина и эмали, утратили функции в результате мутаций: делеций и сдвигов рамки считывания. У разных видов они разные, но произошли в одних и тех же генах. У животных с зубами без эмали нормально работает только ген DSPP.

Анализ мутаций показал, что зубы пропали у предка современных птиц примерно 116 млн лет назад. Сначала зубы исчезли на передней части верхней и нижней челюстей, и там же начал развиваться клюв. Затем оба процесса распространились на задние части обеих челюстей. В результате ороговевший клюв успешно заменил зубы и внес заметный вклад в формирование разнообразия современных птиц.

Древо птичьей жизни

Главной целью исследования птичьих геномов и основным его результатом стало построение непротиворечивого филогенетического древа (см. рисунок). Существовавшая классификация, основанная на морфологических исследованиях и результатах анализа последовательностей некоторых хромосомных генов и митохондриальной ДНК, подразделяет современных птиц (Neornithes) на Palaeognathae (нелетающие бескилевые), Galloanseres, которые включают сухопутных курообразных Galliformes и водных гусеобразных Anseriformes, и Neoaves — всех остальных современных птиц.

В группу Neoaves входят обширные клады водных птиц, в том числе пингвины, пеликаны и гагары, и сухопутные птицы (дятлы, хищные птицы, попугаи и певчие птицы). Несмотря на усилия систематиков, отношения ветвей внутри Neoaves оставались не вполне ясными.

Новое древо, основанное на анализе полных геномов, также выделяет три группы, Palaeognathae, Galloanseres и Neoaves, причем две последние объединены в инфракласс Neognathae (новонебные). Первое расхождение внутри Neoaves привело к образованию двух монофилетических, то есть имеющих одного общего предка, групп: Passerea, названного так по наиболее представительной группе Passeriformes (воробьинообразные), и Columbea, в честь отряда голубеобразные (Columbiformes). Внутри Passerea выделяют две большие родственные клады сухопутных (Telluraves) и водных (Aequornithia) птиц.

Среди сухопутных выделяется клада Australaves, в которую входят кариамы, традиционно относящиеся к журавлеобразным (Gruiformes), соколы, которых обычно помещали с другими дневными хищниками, попугаи, положение которых на древе затруднялись определить, и воробьинообразные. В другую кладу, Afroaves, вошли среди прочих орлы, совы, дятлы и ракшеобразные. Соколов пришлось отделить от орлов и грифов, а из отряда ракшеобразных исключили куролов и птиц-носорогов.

Что касается клады водных птиц, исследователи вывели из нее фаэтонов и солнечных цапель.
 образ жизни схож, но геномные различия не позволяют объединять этих птиц в одну группу. Ученые также нашли место птицам, которых ранее затруднялись посадить на определенную ветвь: кукушкам, турако и дрофам. В кладе Columbea свои сюрпризы: голуби и рябки оказались родственниками водных птиц, фламинго и поганок, чего никто не ожидал. Сравнив последовательности птичьих геномов с геномами американского аллигатора Alligator mississippiensis, гребнистого крокодила Crocodylus porosus и индийского гавиала Gavialis gangeticus, ученые реконструировали геном архозавра, общего предка птиц и крокодилов, а также геном общего предка птиц.

Оказалось, что птицы произошли от наземных позвоночных (теропод) более 150 млн лет назад, но их эволюцию ускорило массовое вымирание видов, случившееся 66 млн лет назад и высвободившее множество экологических ниш. Немногие птицы пережили эту катастрофу, но уцелевшие всего за 10−15 млн лет заняли освободившиеся ниши, благодаря чему и достигли удивительного разнообразия. Одновременно быстро эволюционировали плацентарные млекопитающие, они тоже не упустили свой шанс.

Построив подробное, разветвленное филогенетическое древо, исследователи получили возможность изучать эволюцию конвергентных признаков. Columbea и Passerea имеют много сходных черт, возникших в результате конвергентной эволюции, а не из-за тесного родства. Например, при плавании под водой ноги поганок (Columbea) работают как пропеллер, так же как у гагар и бакланов (Passerea). Фламинго (Columbea) и относящиеся к Passerea ибисы и белые цапли кормятся сходным образом. Но, пожалуй, самый удивительный пример конвергенции — пение.

Птицы поют как люди

Способность петь возникала у птиц независимо по крайней мере дважды, а то и трижды: у колибри и у общего предка попугаев и певчих птиц. Некоторые представители отряда воробьиных эту способность утратили, а птица-звонарь Procnius bellbirds, которую считали не певчей, как недавно оказалось, может научиться пению.

Сравнив геномы поющих и не поющих птиц, исследователи обнаружили 227 генов, связанных с пением, большинство из которых работает в определенных областях мозга. Области эти активны только у поющих видов. Ученым удалось расшифровать механизм регуляции генов пения, описанию которого они посвятили отдельную статью.

Способность имитировать песню свойственна не только птицам, но и некоторым млекопитающим. Ученые сравнили экспрессию генов в мозге людей, певчих птиц, попугаев и колибри, а также птиц и приматов, которые не поют: голубей, перепелов и макак.

Оказалось, что при пении сходные специализированные белки синтезируются в гомологичных участках мозга людей и поющих птиц: эти зоны мозга выполняют аналогичные функции. Особенно велико сходство между областями, расположенными в стриатуме (полосатой области) мозга человека и птиц, которые активируются в процессе говорения и пения, и между участками заднего мозга, отвечающими за движение человеческой гортани и сиринкса (органа звукоизвлечения у птиц). Удивительно, что подобная конвергенция областей мозга, ответственных за пение и речь, сопровождаемая конвергентными изменениями в работе множества генов, произошла у видов, разделившихся не менее 310 млн лет назад. Исследователи предполагают, что для сложных задач существует ограниченное количество эволюционных решений.

Окно в эволюцию

Участники проекта определили многие гены, делающие птицу птицей. Они нашли последовательности, ответственные за пневматизацию костей скелета, то есть появление в них заполненных воздухом полостей; за формирование и окраску оперения; за прекрасное цветное зрение, благодаря которому птицы различают больше оттенков, чем млекопитающие; за синтез пищеварительных ферментов; за утрату правого яичника (у птиц сохранился только левый). Они уделили большое внимание эволюции половых хромосом, сперматогенезу и овогенезу.

Исследователи надеются, что полученные ими результаты откроют новое окно в эволюцию, разнообразие и экологическую адаптацию наземных позвоночных и помогут навести мосты между микро- и макроэволюцией. На этой инженерной ноте мы и закончим, однако новые результаты не заставят себя ждать, поскольку ученые продолжают секвенировать геномы разных видов.

Результаты исследования представлены в 29 статьях, 8 из которых вошли в специальный выпуск Science (Science. 2014. vol. 346. N 6215. P. 1261−1424), остальные — в Genome Biology, GigaScience, BMC Journal, PLoS Journal и другие издания. Полный список статей здесь: www.sciencemag.org/content/346/6215/1308/suppl/DC1

Источник: trv-science.ru

Носители наследственности

В любом живом существе заложен свой набор ДНК. У каждой разновидности животных или птиц он разный. Количество хромосом у голубя отмечено цифрой 16. Это стандартный набор. В соматических клетках их можно насчитать 80, и отвечают они за строение тела.

Есть еще и половые клетки, которых назвали гаметами, имеющие 40 хромосом. Их в организме голубя всегда меньше в два раза. Это, так называемый, набор гаплоидный, то есть, одинарный.

Под хромосомами подразумевают генетический материал, хранящийся в клетках организма. Эти структуры располагаются попарно и являются носителями наследственности. Именно в них находится огромное количество генов.

Другими словами, хромосомы – это содержимое ядра клетки, хранящее в себе данные об организме. В своем составе они имеют молекулу ДНК, закрученную спиралью. Впервые о их существовании узнали в период с 1883 по 1888 годы. Имя первооткрывателя остается спорным, но название придумал немецкий ученый Генрих Вальдейер.

Влияние окружающей среды

Посчитать, сколько хромосом у голубя, можно внимательно рассмотрев клетку под микроскопом. Это не представляет сложности. Гораздо интереснее узнать, что влияет на их количество и проследить динамику изменений. Например, в прошлом об этом много писал исследователь Ч. Дарвин. Он рассматривал особенности дикого сизого голубя в разных условиях обитания и сделал вывод, что птица подстраивается под окружающий мир.

Когда природа меняется, то у голубя трансформируются наследственные признаки. Это способствует образованию новых пород. Также на их формирование влияет и скрещивание разных видов между собой.

Каждый вид голубей имеет постоянное число хромосом. Если произошли количественные изменения, то это вызовет наследственные перемены.

Но среди голубей есть африканский представитель имеющий в соматических клетках 78 хромосом, что повлияло на его цвет (яркий желто-зеленый) и повадки (почти не спускается на землю).

Как говорилось выше, количество хромосом всегда делится попарно, ведь одну птенец получает от отца, а вторую от матери. Однако в половые клетки попадает всего одна от каждого родителя.

Источник: PtitsaDoma.ru

    Почему в животном мире дети всегда похожи и в чем-то отличаются от своих родителей? Ответы на эти вопросы дает генетика —  наука о наследовании. Со школьной скамьи у большинства из нас сложилось впечатление о ней как о чем-то сложном и малопонятном. В обычной жизни мы как-то обходимся без нее. Но тем, кто хочет и занимается серьезно канароводством, без знания основ генетики невозможно получить хорошие результаты.

    Наследственная информация родителей заключена в ядре каждой клетки тела животного. Эта информация передается от одного поколения другому посредством многих тысяч генов, содержащихся в хромосомах. Количество таких пар хромосом у разных видов животных различно – от десяти до двухсот и более. Каждая хромосома состоит из генов – единиц наследственности. В каждой клетке тела всегда содержится двойной набор хромосом, каждая из которых несет одинаковый набор генов. Таким образом, в каждой клетке тела содержится по два гена, отвечающих за возникновение какого-то признака.

    Половые клетки (сперматозоиды и яйцеклетки, так называемые гаметы) содержат, в отличие от клеток тела, только одинарный набор хромосом, т.е. из каждой пары хромосом, находящихся в клетке, в гамету попадает только по одной. Особо надо заметить, что каждая из двух хромосом попадает в гамету независимо от других пар хромосом. Это явление называется «перекомбинацией».

    При слиянии гамет (яйцеклетки и сперматозоида) происходит опять удвоение хромосом, причем, одна хромосома попадает от отца, другая – от матери. Таким образом, образуется новое сочетание генов, которое определяет развитие признаков у потомства. В ходе этого процесса участки хромосом, отвечающие за один признак, располагаются друг против друга (к примеру, ген, отвечающий за размер в одной хромосоме, располагается против соответствующего гена другой хромосомы).

    Зародышевые клетки родителей – спермии самца и яйцеклетка самки – несут в себе по одной хромосомной структуре родителей. В оплодотворенной яйцеклетке образуется уже совершенно другая двойная структура хромосом.

    В каждой хромосоме располагаются в линейном порядке наследственные факторы – гены, каждый из которых отвечает за возникновение определенного признака или свойства.

    Между геном и признаком, который он определяет, может быть простое прямое соответствие (есть ген – есть признак), в других случаях один ген может участвовать в проявлении сразу нескольких признаков. И обратно, только сочетание нескольких генов могут регулировать проявление какого-то  одного признака. В качестве признаков могут быть любые проявления жизнедеятельности организма. Это и цвет глаз, структура пера, наличие в пере того или иного пигмента, его количество, строение органа и интенсивность работы какой-то железы внутренней секреции и т.д. Вместе с тем, для проявления каждого признака необходимы определенные благоприятные внешние условия – свет, тепло, корм. Так, при отсутствии в корме каратиноидов, канарейка останется желтой или белой даже при наличии фактора (гена) красного цвета. Также обратное, при отсутствии гена, обуславливающего красный цвет, бесполезно давать каратиноиды для придания оперению красного цвета.

    В неподходящих условиях свойства развиваются только частично или совсем не развиваются. Это очень важно сознавать тем, кто занимается разведением и селекцией. Ген может проявиться наиболее полно только при создании определенных условий. Эти сведения очень важны для тех, кто занимается разведением, ибо они подчеркивают необходимость создания определенных условий для полного развития определенного свойства (возможность полета молодых птиц для развития дыхательной системы у певчих канареек, определенный звуковой фон для появления определенных колен, наличие полноценного питания  и света для развития экстерьера и т.д.). Следовательно, по наследству передаются только задатки (гены), но не признаки (свойства) организма, которые развиваются только при благоприятных условиях.

    Иногда хромосомы перекрещиваются, а при клеточном делении происходит их разрыв и обмен частями. Возникают новые комбинации генов. 

    Вся сумма задатков, определяемых генами (которые обычно записывается особыми символами),  называется  генотипом. Обычно для обозначения задатка или, как говорят генетики, фактора, применяют соответствующую букву. Большая буква обозначает доминантный фактор, т.е. задаток или ген, который проявляется при наличии соответствующих условий. Маленькая буква  — означает отсутствие фактора.

    Внешнее проявление наследуемых признаков у данной особи называется фенотипом.

    Особи одного генотипа называются чистой линией. Птица чистой линии, например, кенар, у которого в песне у потомства всегда проявляется определенное колено, называется гомозиготным по данному колену (фактору). Если же это колено проявляется лишь у части потомства, кенар называется гетерозиготным. Фактор, который проявляется в первом поколении, называется доминантным и обозначается большой буквой. Для наглядности, обратимся к примеру наследования цвета оперения канарейки. Так,  если в первом поколении при паровании белого самца с желтой самкой появляются только желтые, значит желтая канарейка гомозиготна по желтому фактору и имеет оба гена с желтым фактором — ЖЖ.. Если же у такой пары часть потомства белая и часть желтая – канарейка гетеризотна по желтому фактору  Жж (один ген желтого фактора Ж и другой ген не обладает таким фактором ж). Труднее проследить наследование колен в песне. Слишком много факторов влияет на их проявление:  особенностей воспитания, корма, температуры, освещения, звукового фона в период импринтинга, акустики в помещении и т.п. вплоть до особенностей слуха разводчика. Однако канароводу следует знать, что все проявления жизнедеятельности канарейки, в том числе и песня, имеют наследственный характер.

    Обобщения, касающиеся правил наследования, названные законами Менделя, позволяют предсказывать, какова вероятность того, что потомство двух данных родителей будет обладать тем или иным признаком.

    Первый закон Менделя (закон расщепления) гласит, что единица наследственности (ген) представлена у каждой особи парами. При образовании гамет два гена каждой пары расходятся и попадают в разные гаметы, так что каждая половая клетка содержит один и только один ген каждого типа.
 
    Второй закон Менделя (закон независимого распределения) гласит, что расщепление каждой пары генов при образовании гамет происходит независимо от расщепления других пар генов, так что в половой клетке гены различных пар сочетаются случайным образом.

    Исключением из общего правила однотипности (тождественности) парных хромосом по величине и форме являются половые хромосомы, т.е. хромосомы, в которых находятся гены, ответственные за пол. У птиц, в отличие от других животных, самцы имеют две Х-хромосомы, а самка Х- и У- хромосому. Гаметы самцов несут только Х-хромосомы, и пол птенца зависит только от того, какую хромосому (Х или У) несет яйцеклетка. Некоторые гены (признаки) могут располагаться в половых хромосомах. В этом случае говорят о признаках, сцепленных с полом. Признак может проявляться либо только у самок (если ген расположен в У–хромосоме), или у самца (если ген располагается в Х-хромосоме).

Малаханов Е.В. /Евгений М

Источник: www.mybirds.ru

Половые клетки

При половом размножении человека сливаются два отдельных гамета и образовывается зигота. Гаметы — это половые клетки, продуцируемые типом клеточного деления, называемого мейозом. Они содержат только один набор хромосом и называются гаплоидами.

Мужская гамета, называемая сперматозоидом, относительно подвижна и обычно имеет жгутик. Женская гамета, называемая яйцеклеткой, является неподвижной и относительно большая в сравнении с мужской гаметой. Когда гаплоидные мужские и женские гаметы объединяются в процессе, называемом оплодотворением, они развиваются в зиготу. Зигота диплоидная, а это означает, что она содержит два набора хромосом.

Половые хромосомы XY

Мужские гаметы или сперматозоиды у людей и других млекопитающих являются гетерогаметическими и содержат один из двух типов половых хромосом.

Клетки спермы переносят хромосомы X или Y. Однако женские гаметы или яйцеклетки содержат только Х-хромосому и являются гомогаметическими. В этом случае клетка спермы определяет пол индивидуума. Если сперматозоидная клетка, содержащая Х-хромосому, оплодотворяет яйцеклетку, результирующая зигота будет XX — женский пол. Если клетка спермы содержит Y-хромосому, тогда результирующая зигота будет XY — мужской пол.

Y-хромосомы несут необходимые гены для развития мужских гонад или яичек. Особи, у которых отсутствует Y-хромосома (XO или XX), развивают женские гонады или яичники. Для развития полностью функционирующих яичников необходимы две Х-хромосомы.

Гены, расположенные на Х-хромосоме, называются Х-сцепленные генами, и они определяют Х-сцепленное рецессивное наследование. Мутация, происходящая в одном из этих генов, может привести к развитию измененных черт. Поскольку самцы имеют только одну Х-хромосому, измененная черта всегда будет выражаться у самцов. У самок признак будет выражен не всегда, так как у них есть две Х-хромосомы. Измененная черта может быть замаскирована, если только одна Х-хромосома имеет мутацию, и черта является рецессивной.

Половые хромосомы XX

Кузнечики, тараканы и другие насекомые имеют сходную с человеком систему определения пола. Взрослым самцам не хватает Y-половой хромосомы и имеют только Х-хромосому. Они производят клетки спермы, которые содержат хромосому Х или хромосому без пола, которая обозначается как О. Самки имеют XX и производят яйцеклетки, содержащие Х-хромосому.

Если клетка спермы X оплодотворяет яйцеклетку, результирующая зигота будет XX — женский пол. Если клетка спермы, не содержащая половой хромосомы, оплодотворяет яйцеклетку, результирующая зигота будет XO — мужской пол.

Половые хромосомы ZW

Птицы, насекомые, такие как бабочки, лягушки, змеи и некоторые виды рыб, имеют разную систему определения пола. У этих животных именно женская гамета определяет пол. Женские гаметы могут содержать либо хромосому Z, либо хромосому W. Мужские гаметы содержат только Z-хромосому. У этих видов сочетание хромосом ZW означает женский пол, а  ZZ — мужской пол.

Партеногенез

Как насчет таких животных, как большинство видов ос, пчел и муравьев, у которых нет половых хромосом? Как определяется пол? У этих видов пол определяет оплодотворение. Если яйцо будет оплодотворено, то из него появится самка. Из неоплодотворенного яйца может появится самец. Самка диплоидна и содержит два набора хромосом, а гаплоидный самец содержит лишь один набор хромосом. Такое развитие самца из неоплодотворенного яйца и самки из оплодотворенного яйца является типом партеногенеза, известного как арренотокный партеногенез.

Экологическое определение пола

У черепах и крокодилов пол определяется температурой окружающей среды в определенный период развития оплодотворенного яйца. Яйца, которые инкубируются выше определенной температуры, развиваются в один пол, а яйца, инкубированные ниже определенной температуры, развиваются в другой пол.

Источник: natworld.info