Птицы научились зондировать субстрат клювом еще в эпоху динозавров
Уже в эпоху динозавров некоторые птицы приобрели чувствительные органы на клювах, позволявшие им добывать пищу за счет зондирования почвы или ила. К такому выводу пришли орнитологи, сравнив строение клювов современных киви, ибисов и куликов с клювами древних птиц из группы литорнитид, которые были близки к предкам современных древненебных — группы, включающей киви и страусоподобных птиц. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Proceedings of the Royal Society B.
Некоторые виды птиц освоили необычный источник корма — червей, личинок и других беспозвоночных, которые обитают в почве или иле. Подобного рациона придерживаются, например, киви (Apterygidae), а также отдельные представители семейств ибисовых (Threskiornithidae) и бекасовых (Scolopacidae). Главный «рабочий инструмент» этих птиц — длинный клюв, на конце которого расположены скопления механорецепторов — телец Хербста. Он позволяет зондировать субстрат и находить в нем добычу на ощупь.
Скорее всего, киви, ибисы и кулики приобрели чувствительные клювы в ходе конвергентной эволюции, независимо друг от друга приспособившись к похожим экологическим нишам. Однако как именно это произошло, пока не до конца ясно. Особенно интригующей кажется история возникновения механорецепторов у древненебных птиц (Palaeognathae) (к ним относятся киви, тинаму и все страусоподобные птицы). Дело в том, что в этой группе чувствительные клювы обнаружены не только у киви, но и у страусов и эму, которые питаются растениями и не замечены в зондировании. Это указывает, что наличие телец Хербста может быть очень древним признаком, который появился еще на ранних этапах эволюции древненебных птиц.
Разобраться в этом вопросе решила команда специалистов во главе с Карлой дю Тойт (C. J. du Toit) из Кейптаунского университета. Они попытались найти следы механорецепторов на клювах литорнитид (Lithornithidae) — вымерших древненебных птиц, которые существовали на планете с позднего мела до среднего эоцена. Согласно современным представлениям, литорнитиды — наиболее примитивная ветвь древненебных и состоит с остальными представителями группы в сестринских отношениях. Таким образом, если они обладали тельцами Хербста, то чувствительные клювы возникли уже у общего предка всех древненебных.
Чтобы понять, как наличие чувствительных органов отражается на строении черепа, исследователи проанализировали гистологические и анатомические особенности 52 современных видов птиц из 15 отрядов и 21 семейства. Кроме того, авторы изучили скелеты ряда других птиц, доведя общий размер выборки до 353 видов из 41 отряда и 210 семейств.
Оказалось, что у видов, у которых есть специализированные чувствительные органы для зондирования, в костях на кончике клюва есть многочисленные ямки для телец Хербста (особенно высокой плотности их сеть достигает у ибисов). У других птиц эти тельца либо залегают в мягких тканях (у гусеобразных), либо вовсе отсутствуют, так что ямок на кончике клюва намного меньше. Однако из этого правила есть одно исключение: у всех попавших в выборку видов древненебных птиц (эму, казуаров, страусов) на костях кончика клюва обнаружилось довольно много ямок — у зондирующих видов больше (киви), а у растительноядных — меньше (все остальные).
Обнаруженные закономерности применили к остаткам четырех видов литорнитид (Paracathartes howardae, Lithornis promiscuus, Pseudocrypturus cercanaxius и еще одному виду из рода Lithornis). Кроме того, в анализ включили данные о двух видах из отрядов моа (Dinornithiformes) и эпиорнисов (Aepyornithiformes), которые также относятся к группе древненебных. В результате у изученных видов литорнитид на кончиках клювов удалось обнаружить многочисленные ямки (от 416 до 564), свидетельствующие о наличии чувствительных органов. Их было больше, чем у современных незондирующих древненебных, и почти столько же, сколько у киви, ибисов и куликов. В то же время у моа и эпиорнисов количество телец Хербста оказалось примерно таким же, как у ныне живущих страусов.
Полученные данные свидетельствуют, что общий предок всех древненебных птиц, который жил еще в позднем мелу (то есть до вымирания нептичьих динозавров), уже обладал чувствительным органом на конце клюва. Вероятно, он обитал по берегам водоемов и кормился беспозвоночными, которых извлекал из ила. На это указывает тот факт, что многие литорнитиды обладали длинными ногами и клювами, а их остатки часто находят в отложениях водоемов. В частности, длинноклювыми были P. howardae и L. promiscuus.
Исследователи не берутся утверждать, почему современные древненебные птицы, которые не добывают корм с помощью зондирования, частично сохранили бесполезный для них чувствительный орган на клюве. Возможно, это всего лишь рудимент, который не исчезает просто потому, что не потребляет много ресурсов. Что-то похожее произошло с куликом-камнешаркой (Arenaria interpres) из семейства бекасовых, который обладает полученными от предков многочисленными ямками на кончике клюва, но не кормится за счет зондирования. Кроме того, остается неясным, как шла эволюция киви. Они могли унаследовать способность к зондированию непосредственно от общих предков всех древненебных или же развить ее вторично.
Авторы не исключают, что чувствительные органы на клюве могли появиться еще до разделения древненебных и новонебных птиц. Возможно, эта адаптация еще древнее и возникла уже у ранних архозавров. Выяснить, так ли это, помогут дополнительные исследования.
Недавно палеонтологи обнаружили в Марокко остатки птерозавра с длинным и тонким беззубым клювом. Предполагается, что он мог жить по берегам водоемов и зондировать ил в поисках беспозвоночных, как современные ибисы и кулики.
Сергей Коленов
Это произошло после формирования нейронной связи между клетками циркадных часов и Dh44-нейронами
Биологи определили момент, в который циркадные часы начинают управлять циклами сна и бодрствования у личинок плодовых мушек. Оказалось, это происходит в начале третьего дня развития под влиянием новой связи между нейронами циркадных часов и клетками Dh44, которые контролируют бодрствование личинок. Кроме того, после формирования этой связи у личинок появилась долгосрочная память. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Циркадные ритмы у многих видов формируются еще на самых ранних этапах развития. Так, например, у млекопитающих клетки супрахиазматического ядра детеныша синхронизируют свою ритмическую активность еще во время беременности. Однако многие матери новорожденных могут подтвердить, что дети в этом возрасте редко спят ночью и бодрствуют днем — в основном их сон равномерно распределен по суткам. Исследования подтверждают, что циклы сна и бодрствования у младенцев чаще всего появляются от трех до двенадцати месяцев. До сих пор не было понятно, почему, несмотря на работу клеток циркадных часов, циклы сна и бодрствования формируются довольно поздно и как этот процесс влияет на другие функции мозга — например, долговременную память. Исследователи из университета Пенсильвании под руководством Эми По (Amy R. Poe) изучили аналогичный процесс на дрозофилах. Биологи отследили момент, в который у личинок мушек появляются циклы сна и бодрствования — это произошло в начале третьего дня развития. Чтобы понять, что именно происходит с циркадными ритмами в этот момент, исследователи изучили активность нейронов мозга у личинок. Прежде всего они проверили нейроны, которые производят нейропептид Dh44, поскольку они расположены в области циркадных часов у взрослых мушек.Для этого они создали трансгенных насекомых, у которых эти клетки синтезировали теплочувствительный ионный канал. Таким образом, когда личинок помещали в теплую среду, в Dh44-нейронах начинался ионный ток и те активировались. Оказалось, что эти клетки действительно участвуют в регуляции циклов сна: после их активации личинки на второй стадии меньше спали в течение суток (p < 0,0001). Тогда исследователи решили изучить, как активность этих клеток меняется при переходе со второй стадии личинок на третью — в момент появления ритмов сна. Оказалось, активность Dh44 не отличается на первой и второй стадии, но снижается в начале третьей. Это согласовывалось и с повышенным количеством сна у личинок в этот день: активность нейронов снизилась и они перестали оказывать свое бодрящее действие на личинок. Биологи предположили, что в этот момент Dh44-нейроны связываются с клетками, которые задают общий циркадный ритм организму мушек. Для этого они отследили нейронные связи этого мозгового центра. И действительно, при переходе со второй стадии на третью Dh44-нейроны сформировали связь с одной из клеток часов — DN1a. Ученые также подтвердили, что активация DN1a действительно «включает» Dh44 и увеличивает длительность бодрствования у личинок. Тогда исследователи решили проверить, как появление связи циркадных ритмов с циклами сна и бодрствования влияет на другие процессы в мозге насекомых. Зная, что переход памяти из кратковременной в долговременную происходят во время сна, биологи протестировали оба типа памяти у животных. Для этого они использовали стандартный для таких задач тест — проверяли, как личинки запоминают отвратительные запахи. И на второй, и на третьей стадии личинки одинаково хорошо проходили тесты на кратковременную память, а вот долговременная память появилась лишь при переходе между ними. При этом активация Dh44-нейронов, которые снижали количество сна у личинок, нарушала процессы долговременной памяти. Так, биологи не только в подробностях описали, как клетки циркадного ритма начинают контролировать циклы сна и бодрствования, но и показали, что этот процесс очень важен для развития таких сложных когнитивных функций как долговременная память. Сон и память действительно тесно связаны — депривация сна способна даже стирать воспоминания. Недавно мы писали об исследовании, в котором такие воспоминания удалось восстановить у мышей.