Слава петуху!
Почему многие птицы поют на рассвете
«Вставать с петухами» означает «вставать с рассветом» (а порой и до рассвета). Петухи, как правило, живут в сельской местности, где жизнь в целом подчинена естественным ритмам смены дня и ночи, поэтому редко доставляют особенные неудобства людям. Но бывают исключения: недавно пара пожилых французов подала в суд на соседку и ее петуха Мориса, мешающего им своими слишком ранними и громкими криками. Корин Фессо, хозяйка Мориса, убеждена в невиновности своего питомца, ведь он, по ее словам, всего лишь «делает то, что делают все петухи». N + 1 разбирается в том, что заставляет птиц поднимать шум ни свет ни заря.
«Меня не съели!»
На рассвете кричат не только петухи — именно в это время суток раздаются голоса множества птиц. По словам директора Зоологического музея МГУ имени Ломоносова, орнитолога Михаила Калякина, только в средней полосе России по утрам можно услышать представителей более 100 различных их видов.
По мнению Калякина, лучшие певцы из них — это 3–4 вида дроздов, зарянки, иволги, щеглы, пересмешки, варакушки, крапивники, славки (черноголовка и садовая). В крупных городах можно услышать зябликов, синиц, пеночек, зеленушек и жаворонков. Жалоб на их пение от жителей городов обычно не поступает, а вот ночные крики сов иногда мешают москвичам спать.
Многие наши птицы поют еще до рассвета, при первых намеках на приближение восхода, певчие и черные дрозды, например, — уже примерно с 4 часов утра. Кроме того, в период активного пения почти никто не соблюдает строгое правило «пою с 6 до 8:30». Не только у каждого вида, но и у каждого самца есть свой «рисунок» кривой активности пения, которые, накладываясь друг на друга, создают общее впечатление утреннего хора.
Но если слушать их внимательно (а это увлекательное исследование), то окажется, что каждый самец по-своему распределяет вокальную активность во времени, делает довольно длинные перерывы или короткие паузы, реагирует на погоду, на приближение человека, отвлекается на какие-то совместные дела с самкой и так далее. Может замолчать в самое что ни на есть утреннее время, а может вдруг распеться в полдень.
Можно лишь в общем виде сказать, что весной, например в мае, самом подходящем месяце для прослушивания птичьих концертов в средней полосе России, большинство наших птиц наиболее активно поют в период с 5 до 7-8 часов утра.
Михаил Калякин
Директор Зоологического музея МГУ имени Ломоносова
Существует несколько гипотез, объясняющих, зачем птицы поют на рассвете. Большинство из них, по словам Калякина, основаны не на экспериментальных данных, а на общих соображениях специалистов-орнитологов.
Одна из основных гипотез говорит о сигнальном значении пения птиц: таким образом самцы оповещают соседей и возможных пришельцев о том, что территория занята, привлекают своими трелями самок и, как говорят орнитологи, «налаживают звуковую среду»: передают послания «я тут, меня не съели», «я тут и покидать участок не собираюсь».
Калякин также отметил, что птицы «при пении быстро разогреваются, и есть мнение, что так они заодно „делают зарядку“, повышают тонус, готовятся к активным перемещениям, поскольку все-таки главная задача после ночевки — быстро поесть».
Вот как, например, перед рассветом поет славка-черноголовка:
Кто первым прокукарекал
К певчим птицам с дневной активностью можно отнести и домашних кур Gallus gallus. Как полагают ученые, кукареканье петухов также имеет сигнальное значение: так доминантный самец стаи показывает, кто здесь главный. Благодаря этому у него выше шансы на спаривание с самкой, больше число успешных спариваний. Доминанты могут также предотвращать попытки спаривания низкоранговых петухов.
Статус доминанта доказывается в бою. Если низкоранговый самец, недовольный своим положением в стае, решается бросить вызов доминанту, он начинает кукарекать первым в его присутствии. После этого неизбежен бой между действующим лидером и дерзким петухом. Победа для подчиненного петуха — единственная возможность стать новым доминантом в стае.
В бою петухи используют свое оружие — острые шпоры. Это роговые образования, образующиеся у птиц на крыльях или, как в случае домашних кур, на ногах. У женских особей шпоры присутствуют в зародышевом состоянии, а у петухов развиваются в естественное оружие, позволяющее нанести увечья противнику.
Поскольку куры лишены не только полноценных шпор, но и способности кукарекать, а также неадаптивных украшений вроде хохолка и серег, свисающих по шее по обе стороны от клюва (так называемой бурды), японские ученые, Цуёси Симмура (Tsuyoshi Shimmura) и Такаси Ёсимура (Takashi Yoshimura) из Нагойского университета, справедливо предположили, что в кукарекании мужских особей Gallus gallus участвуют мужские гормоны, и провели соответствующее исследование.
Хотя известно, что петухи часто кукарекают и до восхода солнца, исследователи решили доказать экспериментально, что внешние факторы не влияют на кукареканье. Для этого они посадили 40 самцов 30-недельного возраста в индивидуальные клетки, а сами клетки, по четыре вместе, поместили в свето- и звуконепроницаемые камеры сроком на 28 дней.
Первые 14 дней петухов содержали в условиях переменного освещения (12 часов яркого света и 12 часов тусклого), потом — при постоянном тусклом освещении. Исследователи также пытались сбить петухов с толку с помощью аудиозаписей петушиных песен и световых сигналов. Оба стимула предъявлялись как вместе, так и порознь, как в дневное время, так и в ночное.
Оказалось, что вызвать кукареканье внешними воздействиями можно, особенно если предъявлять оба стимула одновременно, но интенсивность и продолжительность отклика все равно будет не столь сильна, как у предрассветного кукареканья. Кроме того, в ночное время на внешние факторы не отреагировал ни один петух.
Затем ученые с помощью статистических методов сравнили, различается ли время кукареканья при содержании петухов в условиях постоянного и переменного освещения. Оказалось, что различий нет.
Таким образом, первая гипотеза ученых подтвердилась: внешние факторы не важны для кукареканья, а вокализация, скорее всего, определяется внутренними циркадными ритмами животных. Осталось выяснить, задействованы ли в этом процессе мужские гормоны.
Чтобы выяснить это, группе кастрированных петухов имплантировали капсулу с тестостерона пропианатом. Если уровень тестостерона у нормальных петухов может варьировать в зависимости от циркадных ритмов, то с такой капсулой он остается постоянным. Затем кастрированных петухов ученые поместили в прежние экспериментальные условия.
В ходе эксперимента ученые статистически сравнивали время кукареканья кастрированных и обычных петухов в условиях переменного и постоянно тусклого освещения. При смене дня и ночи разницу зафиксировать не удалось, однако, находясь в постоянных сумерках, кастрированные петухи начинали кукарекать вразнобой.
Таким образом, гипотеза об участии мужских гормонов, в частности тестостерона, в кукарекании петухов отчасти подтвердилась. Эксперимент показал, что время кукареканья определяется циркадными ритмами птиц, и намекнул на возможные молекулярно-генетические процессы, регулирующую вокализацию мужских особей Gallus gallus.
Ген кукареканья
Недавно этим же японским исследователям удалось найти ген кукареканья и раскрыть предположительный молекулярный механизм петушиной песни (и андрогены в нем ушли на второй план). На этот раз ученые вооружились не только камерами и диктофонами, но и современными молекулярно-генетическими методами исследования.
Ученые сфокусировались на интерколликулярном ядре среднего мозга птиц. Некоторые исследования прошлого века указывали, что электростимуляция этой области у пернатых может заставить их петь. Проводились подобные опыты и на петухах.
Для новой работы биологи отобрали специально выведенных для молекулярно-генетических исследований стандартизованных цыплят линии GSP и имплантировали всем мужским особям в мозг специальную капсулу с тестостероном (у контрольной группы капсула была пуста). Такую методику ранее использовали другие коллективы, чтобы заставить цыплят кукарекать до половозрелости.
Содержали цыплят, как и в предыдущем эксперименте, в изолированных камерах с переменным освещением. После того как цыплята из экспериментальной группы издавали первое «кукареку», что происходило до наступления половой зрелости цыплят из контрольной группы, исследователи брали образцы мозга у тех и других и искали в них молекулярные различия.
Поиску молекулярно-генетических различий подвергли также мозги половозрелых кур и петухов, которым не вводили тестостерон.
На эволюционной родине кур, в Юго-Восточной Азии, обитает несметное число других животных-будильников. Например, так на рассвете в тропическом лесу кричат гиббоны.
В итоге, в мозгах контрольной и экспериментальной групп обнаружились 82 различия по РНК-транскриптам. При сравнении взрослых куриц и петухов нашлось уже 368 различающихся транскриптов. Чтобы выявить гены, ответственные за кукареканье, ученые сопоставили результаты двух сравнений.
Особое внимание обратили на себя гены CCKBR и HIST1H2B7L4. Исследование транскрипции РНК в интерколликулярном ядре среднего мозга цыплят in situ показало различие в активности гена CCKBR. Именно он стал главным кандидатом в гены кукарения.
Таким образом, удалось показать, что кукареканье определяется работой холецистокининовой системы — ген CCKBR кодирует рецептор к гормону холецистокинину. Антагонистом холецистокинина в этой системе служит гормон гастрин, который вырабатывают G-клетки желудка.
Гастрин может преодолевать гематоэнцефалический барьер и взаимодействовать с холецистокининовым рецепторам, вызывая каскад реакций, приводящих к кукареканью. А за формирование этой системы у цыплят отвечает тестостерон.
Японские ученые пошли еще дальше и проверили, можно ли инъекциями гастрина вызвать кукареканье (контрольным петухам вводили физраствор). Оказалось, что инъекция гастрина в течение получаса приводила к вокализации петухов экспериментальной группы, тогда как физраствор такое воздействие не оказывал.
Возвращаясь к Корин Фессо, хозяйке петуха Мориса, — ее питомец действительно делал лишь то, что делают все петухи, и определено это биологическими особенностями мужских особей вида Gallus gallus. Будучи в изоляции от стаи, Морис инстинктивно продолжает по утрам заявлять о своем доминантном положении — и так же ведут себя все его одомашненные собратья в курятниках по всему миру.
Но увеличиться в размерах им не удалось
Американские и бразильские исследователи представили результаты наблюдений за эволюцией клеток с синтезированным искусственно минимальным геномом. За две тысячи поколений они восстановили приспособляемость к внешним условиям, но не смогли увеличиться в размерах. Статья об этом опубликована в журнале Nature. В 2010 году сотрудники Института Дж. Крейга Вентера получили первую клетку с полностью искусственным геномом. Для этого они удалили собственную ДНК у бактерии Mycoplasma mycoides и заменили ее на несколько модифицированную, синтезированную в лаборатории. Она состояла примерно из миллиона пар азотистых оснований и содержала 901 ген. Клетка получила название JCVI-syn1.0. После этого исследовали задались целью выяснить, какой минимальный набор генов необходим клетке для самостоятельного выживания и размножения, и стали снабжать клетки все более урезанными геномами. О том, как это происходило, подробно рассказывает материал «Прожиточный минимум», вышедший в 2016 году, когда была создана версия JCVI-syn3.0 с минимальным геномом, который состоял всего из 473 генов. Этого оказалось недостаточно для устойчивого размножения и удобства экспериментов, и несколько генов пришлось добавить. Текущая версия JCVI-syn3B, о которой идет речь в новой работе, содержит 493 гена. На сегодняшний день это организм с наименьшим известным геномом, способный расти в чистой лабораторной культуре. Джей Ти Леннон (J. T. Lennon) из Университета Индианы с коллегами из Института Дж. Крейга Вентера и других научных центров Бразилии и США сравнили уровень накопления мутаций у организмов с минимальным и не минимальным геномами — JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0. Чтобы минимизировать влияние естественного отбора, их предварительно акклиматизировали в стандартной жидкой питательной среде и последовательно выращивали несколько моноклональных популяций из одной забранной клетки. Оказалось, что среднее число мутаций на нуклеотид за поколение у них практически неразличимо: 3,25 × 10−8 против 3,13 × 10−8 (p = 0,667). Это наивысший уровень накопления мутаций, когда-либо зафиксированный у клеточных организмов, что соответствует имеющимся представлениям о том, что при меньшем геноме скорость мутаций выше (а у M. mycoides она высока изначально). Общее распределение мутаций по типам (инсерции, делеции, однонуклеотидные замены) также оказалось схожим (χ22 = 4,16; p = 0,125). Однако состав однонуклеотидных мутаций, которые составляли 88 процентов от общего количества, у JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0 был разным. В обоих типах клеток замена гуанина или цитозина на аденин или тимин происходила значительно чаще, чем наоборот, однако степень этого неравновесия была разной: в 30 раз при не минимальном геноме и в 100 раз — при минимальном. Вероятно, это связано с отсутствием у последних гена ung, отвечающего за эксцизию неверно встроенного в ДНК урацила. Выяснив это, исследователи поставили эволюционный эксперимент, пронаблюдав за 2000 поколений в популяции из более чем 10 миллионов клеток. За такой период каждый нуклеотид их генома должен был мутировать более 250 раз, что создает неограниченное генетическое разнообразие для адаптации к среде. Таким образом, при прочих равных условиях потенциальная разница в путях естественном отборе между популяциями у JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0 обусловлена только искусственным урезанием генома. Оказалось, что изначально она приводит к снижению максимальной скорости роста примерно наполовину. Однако этот показатель растет линейно со временем, и концу эксперимента приспособляемость клеток в двух группах практически сравнялась, а если оценивать ее относительно, то клетки с минимальным геномом эволюционировали на 39 процентов быстрее, и генетические паттерны эволюционных путей у них отличались. Наиболее выраженной особенностью JCVI-syn3B стало то, что в процессе эволюции их клетки не увеличивались в размерах, что обычно происходит при достатке питательных веществ (клетки JCVI-syn1.0 за это время увеличились в среднем на 85 процентов в диаметре и десятикратно в объеме). За это отвечали эпистатические эффекты мутаций в гене ftsZ прокариотического гомолога тубулина, который регулирует деление и морфологию клетки. Полученные результаты демонстрируют, что естественный отбор способен быстро повысить приспособляемость наипростейших автономно растущих организмов, причем минимизация генома открывает возможности вовлечения в эволюционный процесс ключевых генов, которые обычно эволюционируют медленно, пишут авторы работы. В 2022 году исследовательский проект LTEE представил результаты эволюционного эксперимента с 2000 поколений кишечных палочек с различными наборами исходных признаков. Оказалось, что, хотя генетическое разнообразие имеет существенное значение на ранних стадиях приспособления, основную роль в эволюционном процессе при бесполом размножении играют случайные мутации.
