— Какие исследования сейчас проводятся в вашей лаборатории?
— У нас идет несколько интересных проектов. Прежде всего хотел бы рассказать о нашей новой статье, опубликованной в журнале Evolution. Это вторая часть исследования, которое мы начали лет 5–6 назад. Наше исследование касается истории происхождения и ранней эволюции птиц. Дело в том, что птицы — это очень интересные животные. Мы можем наблюдать их каждый день, поэтому не обращаем на них особенного внимания. Но если бы их не существовало и мы бы нашли их скелеты, например, в виде окаменелостей, то мы были бы поражены их внешним видом, особенно их скелетом, потому что это совершенно необычные с точки зрения анатомии животные.
Если сравнить птиц с их предками — динозаврами или с любыми другими родственниками, например крокодилами, то они будут очень сильно отличаться. Очень сильно отличается их позвоночник — у них больше шейных позвонков, но уменьшилось количество позвонков в туловище, а оставшиеся полностью срослась в районе груди и в районе хвоста. Совершенно отличается их скелет конечностей. Как вы знаете, передние конечности птиц превратились в крылья, причем крылья совершенно уникальные. Если сравнить их с другими летающими животными, например с насекомыми, летучими мышами или птерозаврами, то летательные конечности птиц имеют совершенно оригинальную анатомию. Их задние конечности тоже совершенно необычные и приспособлены для двуногого передвижения.
Самое главное и, с моей точки зрения, самое интересное — это то, что у них очень необычная голова, очень необычный череп. Опять же, у тероподов — двуногих хищников, от которых, насколько мы понимаем, произошли современные птицы, — очень вытянутый вперед череп, очень длинная морда и много зубов, при этом у них был достаточно маленький мозг и сравнительно небольшие глаза. То есть это было животное, которое по структуре и форме своего черепа радикально отличалось от современных птиц, у которых нет длинной морды, нет зубов, имеется сравнительно большой мозг, хорошо развитые глаза и так далее.
— Как проходили ваши исследования?
— Сначала с помощью морфометрии, двухмерных, а потом и трехмерных программ и компьютерной томографии черепов мы получили очень интересные данные. Кроме того, мы собрали коллекцию изображений-сканов, использовали черепа, которые есть у нас в университетском музее. У нас также был очень хороший коллаборатор, знаменитый палеонтолог из американского Музея естественной истории в Нью-Йорке доктор Марк Норрел — пожалуй, один из самых известных на сегодняшний день палеонтологов, который занимается изучением динозавров. Он предоставил в наше распоряжение свою большую коллекцию черепов. Кроме того, и это очень важно, мы исследовали окаменевшие яйца динозавров, в которых даже сохранились окаменевшие эмбрионы.
Напомню о том, что мы узнали из предыдущих исследований. Мы знали, что птицы произошли от так называемых «не-птичьих» динозавров (non-avian dinosaurs), то есть птицы с точки зрения кладистики являются специализированной группой выживших тероподов. Но по сравнению с другими тероподами, в самом начале эволюции, птицы подверглись педоморфозу — процессу, который является примером гетерохронии, то есть изменения темпа или порядка событий в процессе эмбриологического развития.
Как известно, процесс эмбриологического развития очень точно расписан по времени — определенные типы клеток или органы появляются раньше других, потому что иначе нарушается общая логика развития. Но иногда в процессе эволюции происходят изменения в очередности различных процессов, разновременность. Какие-то процессы могут начинаться раньше или, наоборот, заканчиваться позже, ускоряться, или даже меняться местами. Подобные явления называются гетерохронией. И педоморфоз — это один из примеров такого процесса, когда потомок сохраняет некие ювенильные характеристики, «детские» характеристики своего предка.
Мы показали, что в самом начале эволюции у птиц произошел очень значительный педоморфоз, они сильно уменьшились в размерах, то есть из предка, который в среднем весил около 100 кг и было примерно метр в высоту, они уменьшились до размера голубя, и масса первых птиц была меньше килограмма.
Как результат сильно изменилась анатомия скелета у птиц, особенно их череп. Птицы как бы остановились в своем развитии фактически на уровне поздних эмбрионов своих предков. В истории их эволюции был такой период, примерно 120–150 млн лет назад, в Юрском периоде, когда первые птицы, например знаменитый археоптерикс, конфуциусорнис и их родственники, выглядели как идеальный продукт педоморфоза. То есть характеристики взрослых тероподов, такие как, длинные морды, зубы и так далее были блокированы, взрослые первые птицы теперь имели «новое лицо».
— Как в дальнейшем проходил процесс эволюции птиц?
— Стоит сразу отметить, что современные птицы очень сильно отличаются от первых птиц. Первые птицы не имели клювов — у них были морды, и были зубы. Напомню, что они выглядели как очень «помолодевшие» версии своих ближайших предков — тероподов, но с пропорционально более короткой мордой.
Одним из главных признаков современных птиц является их беззубый клюв. Почему это важно? Потому что формы и размеры практически всех скелетных элементов лицевой части головы у современных птиц изменились. Те кости, которые у предков птиц и у первых птиц структурно и функционально являются главными: максиллярная кость, лицевая кость, носовая кость — у птиц уменьшаются и фактически превращаются в рудименты. В то время как основная кость клюва, так называемая пре-максиллярная кость, соответствует двум небольшим косточкам на самом конце морды, которые есть и у нас, млекопитающих. Они есть у ящериц, они есть у черепах. И, что важно для нашего проекта, эти кости существуют в своем примитивном обличии у крокодилов.
— Почему важно, что они есть именно у крокодилов?
— Потому что из всех родственников птиц ближайшими выжившими являются крокодиловые — это очень примитивные архозавры, и их череп практически не изменялся в течение их истории, поэтому они идеальны для изучения эволюции птиц. Нынешняя часть наших исследований основывается на изучении развития морды эмбрионов аллигатора.
Возвращаюсь к клюву. Мы обнаружили, что клюв птицы появился как результат слияния изначально парных небольших по размеру пре-максиллярных костей и мощного увеличения в размерах получившейся кости, а также ее превращения в длинную конусовидную структуру, которую мы и называем клювом. То есть в итоге на месте верхней челюсти получилась очень длинная косточка, которая могла двигаться по отношению к лицу наподобие пальца благодаря кинезису. Аналогия с пальцем не случайна. Гипотеза, которая, я считаю, очень хорошо объясняет эволюционное происхождение клюва птиц, заключается в том, что у очень развитых тероподов, от которых произошли птицы, например знаменитого велоцираптора или его менее известных родственников, таких троодоны, были очень хорошо развитые пальцы и кисти, а большой палец отстоял от остальных на 40–50 градусов. То есть они могли манипулировать небольшими предметами, гибкие длинные пальцы могли помочь им строить гнездо, ловить добычу и так далее. Естественно, в процессе эволюции птиц они потеряли эти пальцы, которые превратились в часть летательного аппарата крыльев.
Последними птицами, имевшими пальцы, которые торчали у них из крыльев, были как раз первые птицы типа археоптерикса, но с тех пор пальцы у них полностью исчезли, и фактически пальцы на руках они заменили своим подвижным клювом.
— Как вы пришли к таким выводам?
— Клювы у динозавров эволюционировали много раз, как и других у позвоночных животных. Очень многим известны, например, те же овирапторы или трицератопсы, у которых тоже были клювы (в дополнение к зубам).
Но дело в том, что у всех этих животных клювы — это просто морда или часть морды где кости срастались воедино в некое подобие костяной маски. У птиц же морда фактически исчезла. Она была заменена на клюв, который появился в результате срастания и увеличения этих двух древних косточек на самом конце в одну большую новую кость. И у нее появилась способность к движению по отношению к остальному черепу — то есть у них двигается весь верхний и весь нижний клюв. Оба клюва встречаются кончиками как пинцет, с его помощью они могут поднимать и манипулировать небольшими предметами, то есть фактически пользуются клювом как двумя пальцами.
Чтобы проиллюстрировать эту гипотезу, я показываю своим студентам фильм о том, как две птицы строят гнезда. Некоторые птицы, например ткачиковые, свивают очень сложные, нередко очень большие по размеру гнезда из длинных волокон травы. Этот процесс можно назвать плетением, потому что они используют узлы разной конфигурации, то есть пользуются своими клювами как инструментами. С помощью морды построить такое сложное сооружение невозможно, это можно сделать только с помощью пальцев. Поэтому мы считаем, что эволюционная причина появления клюва у современных птиц заключается в том, что им понадобилась пара пальцев на голове. У современных птиц форма и размер клювов меняются потрясающим образом в зависимости от адаптации.
У нас есть параллельные проекты, где мы изучаем генетические основы изменения адаптивных форм клювов птиц. Например, те же знаменитые дарвиновские вьюрки, у которых форма клюва позволяет занимать разные экологические ниши, использовать разные источники еды, семена, насекомых, нектар из цветов. Знаменитый вьюрок-вампир, который прокалывает дырку в коже у морской птицы и питается ее кровью.
Можно сказать, что именно клювы стали причиной этого огромного успеха современных птиц. На данный момент в мире существует более 10 000 видов этих животных, это самый большой по количеству видов и, пожалуй, самый разнообразный класс наземных позвоночных. И основой их успеха послужила способность к полету, а также уникальная анатомия их клюва.
— Как проходил процесс изучения птиц в ваших исследованиях?
— В нашей работе мы показали молекулярно-генетические механизмы образования клюва, этой уникальной анатомической единицы на голове у птиц, и его характерные черты.
Для того чтобы понять, как эволюционировал клюв, как полностью изменилась лицевая часть головы птиц, нам была необходима какая-то точка для сравнения. Мы решили посмотреть на эволюцию клюва с точки зрения его эмбриологического развития — где активизируются, экспрессируются гены, которые отвечают за развитие черепнолицевых тканей у всех представителей крупных классов наземных позвоночных: млекопитающих, черепах… Черепахи занимают особенную позицию. Некоторые считают, что они являются родственниками тех же ящериц, туатар. Другие же считают, что филогенетически они гораздо ближе к крокодилам и птицам, то есть к архозаврам. Мы исследовали развитие ранних эмбрионов у черепах, а также исследовали то же самое у крокодилов и аллигаторов, как у представителей примитивных архозавров. Мы собрали яйца аллигаторов в летний период в штате Луизиана, инкубировали их в лаборатории и исследовали развитие их эмбрионов.
Еще раз повторю, чем особенно важны крокодилы: они являются ближайшими существующими родственниками птиц — архозаврами. Все динозавры, кроме птиц, вымерли. Вымерли также птерозавры и ихтиозавры. От всей некогда грандиозной ветки архозавров остались только крокодиловые и современные птицы.
Следует отметить, что крокодилы занимают очень примитивную позицию внутри архозавров, у них форма головы и структура строения, композиция и форма всех основных черепных костей практически не изменилась или изменилась очень мало по отношению к их общему предку с птицами, который существовал в начале Триассового периода. Мы сравнили экспрессию и функцию генов в раннем развитии птиц и аллигаторов до того, как у них начали образовываться морды или клювы, то есть в тот временной промежуток, когда формы этих костей только закладываются.
Мы обнаружили, что, в отличие от всех других амниот, от всех других наземных позвоночных, у птиц есть нечто уникальное с точки зрения черепнолицевого развития.
Нам удалось обнаружить, что существует одна молекула, которая называется Fgf8 (fibroblast growth factor 8), то есть фактор роста фибробластов он кодирует сигнальную молекулу. Основная функция этого белка — коммуникация между клетками. То есть с его помощью клетки получают сигнал, что, где и когда они должны делать. Конкретно в процессе развития головы молекула Fgf8 дает указания клеткам мезенхимы лица дифференцироваться в клетки скелетных тканей. Так вот, у всех амниот, включая крокодиловых, мы видим на лице две зоны, где этот ген экспрессируется. Они находятся с правой и левой стороны от лица вокруг так называемых носовых плакод. То есть посередине этого сигнала нет. Все лицевые кости парные: там есть две премаксиллярные кости, две максиллярные кости, две носовые кости — они управляются этими двумя центрами роста с помощью этой молекулы.
У птиц же, причем мы изучали несколько видов: страуса, киви, эму, эмбрионы куриц, вьюрков, — мы обнаружили, что в середине лица, в дополнение к двум боковым точкам активности, присутствует новая, очень мощная зона экспрессии и активности гена Fgf8, прямо посередине лицевой части головы, именно в тот период развития, когда закладываются основные морфологические черты черепа и головы.
Мы получили интересную корреляцию: в процессе развития птица мы наблюдаем образование клюва именно в той области морды, где ранее в развитии присутствовали новые зоны активности Fgf8.
Затем мы решили экспериментально проверить гипотезу о том, что эта новая зона экспрессии, активизации этого гена собственно необходима и именно она объясняет происхождение клюва. Мы решили блокировать конкретно эту зону активности, не задевая более древних зон активизации сбоку от лица. Для этого мы использовали специальные силиконовые бусинки. Они сделаны из материала, который можно пропитать молекулами, являющимися очень мощными активизаторами или ингибиторами определенных сигнальных молекул.
Мы взяли несколько разных ингибиторов и решили проверить их влияние конкретно на блокирование этой медиальной зоны активности. С помощью специальных скрепок мы прицепили эту бусинку, напитанную разными ингибиторами, на лицо развивающегося куриного эмбриона.
Нам удалось блокировать медиальный сигнал FGF8 в период развития морды, а затем позволить эмбрионам развиваться дальше, вплоть до поздних стадий. Очень важно было довести эмбрионы до поздней стадии, потому что скелет головы имеет практически завершенную (взрослую) форму уже за несколько дней до вылупления. Таким образом мы получаем всю необходимую информацию, с поздних эмбрионов и не позволяем им вылупляться.
Когда мы получили эти экспериментальные эмбрионы, мы подвергли их тому же морфометрическому анализу, что и черепа динозавров, а также взрослых птиц, то есть мы взяли их черепа и сканировали с помощью компьютерной томографии, используя те же самые компьютерные метки, чтобы определить как изменилась форма клюва/морды по отношению к современным птицам и их предкам.
Оказалось, что, во-первых, морфология лицевой части головы этих экспериментальных эмбрионов сильно варьировалась. Некоторые бусинки были хорошо видимы, то есть они очень эффективно блокировали Fgf8. Другие же были менее эффективны. Поэтому мы увидели полный разброс фенотипов — от практически нормальных до тех, чья морда очень сильно отличалась по форме.
Таким образом, нам удалось показать, что некоторые из наших экспериментальных эмбрионов оказались точно в морфопространстве между птицами и их предками, некоторые их кости — например, лицевые, премаксиллярная кость, кость твердого неба, максиллярная кость — изменились настолько, что морфологически оказались ближе к животным, у которых есть морды.
Снаружи это выглядит не так, потому что у всех экспериментальных эмбрионов передняя часть морды все еще покрыта плотным роговым чехлом — рамфотекой, которая защищает клюв современных птиц. То есть лицевые кости довольно сильно меняются по своей форме, но, так как они покрыты этой непрозрачной роговой оболочкой, снаружи это не так заметно. Но когда мы делаем компьютерно-томографический скан, то мы видим, насколько сильно поменялась форма и размер этих костей.
С помощью морфометрии мы показали, что форма лицевых костей, которая соответствует клюву современных птиц, меняется настолько сильно, что у многих экспериментальных эмбрионов форма этих костей стала идентична форме костей их далеких предков. Можно сказать, что они регрессировали в эволюционном времени. Простое блокирование нового центра активизации Fgf8 отбросило морфологию этих животных примерно на 90–100 млн лет. И они вернулись на то место, которое занимали птичьи предки — археоптерикс, анхиорнис, конфуциусорнис. Некоторые меняются еще дальше, чем археоптерикс, и занимают даже более примитивное положение с точки зрения морфометрии.
— Что это может означать?
— Сразу оговорюсь, что мы занимаемся этими исследованиями не потому, что хотим воссоздать динозавра. Во-первых, с птицами произошло столько различных изменений, что займет очень много лет, чтобы понять общую совокупность изменений, которые произошли с динозаврами прежде, чем они превратились в птиц. В этом проекте нас прежде всего интересует вопрос о том, как эволюционировал череп птиц.
В принципе, если сложить все подобные исследования, например, изучение эволюции хвоста птиц из хвоста динозавров, которыми занимается доктор Джек Хорнер из университета штата Монтана, известный своими идеями по воссозданию динозавров из птиц… Теоретически мы сможем ответить на этот вопрос в будущем.
— С какими сложностями могут столкнуться подобные исследования?
— Дело в том, например, что те же динозавры сами очень сильно менялись в течение всей эволюции. Наш предыдущий анализ показал, что у некоторых динозавров-тероподов происходили серьезные изменения формы черепа в процессе их индивидуального развития. Мы показали, что если сравнить черепа молодых, взрослых и очень крупных Тиранозавров, то их форма черепа сильно отличается друг от друга. В раннем развитии идет удлинение морды, которая затем сменяется у взрослых на более широкую и округлую форму. Когда они достигают гигантского размера, форма черепа кардинально меняется, премаксиллярные кости становятся мощными и изменяют свою ориентацию по отношению к черепу, чтобы, видимо, позволить выдержать энергию укуса, необходимую для проламывания костей добычи.
В наших экспериментах мы можем надеяться на то, что мы сможем понять, как достичь того уровня организации, который наблюдался у динозавров. То есть наверняка невозможно с помощью таких инструментов воссоздать какой-то конкретный вид или конкретную группу динозавров. Но мы надеемся, что сможем понять, как в целом развивались их морда и череп.
Мы все также знаем, что есть мутации, которые восстанавливают атавистические признаки, которые позволяют нам видеть, например, когда несколько хвостовых позвонков у людей превращаются в небольшой хвост или, например, у них вырастает шерсть. То есть такие атавистические мутации говорят о том, что часть подобных древних программ могла остаться в «рабочем состоянии» и у современных птиц. Но я не думаю, что такая программа развития находится в состоянии, когда ее можно восстановить полностью. Скорее всего, она очень сильно деградировала в процессе мутагенеза, так как не использовалась уже миллионы лет.
— Какие еще важные изменения произошли в процессе эволюции от динозавров к птицам?
— Произошли еще другие интересные изменения в голове. Одно из них — исчезновение зубов. Все знают, что у современных птиц зубов нет. Но их предки имели полный комплект зубов, они были хищными тероподами, у которых были длинные челюсти, были зубы и у первых птиц типа археоптерикса. Более того, сейчас в Китае находят массу так называемых архаичных птиц, птиц мезозойского периода с зубами, которые, к сожалению, тоже вымерли вместе с другими динозаврами. Каждый год находят все больше и больше птиц, которые чем-то были похожи на современных — некоторые были похожи на уток, другие на пеликанов, но у них еще были зубы и не было клювов.
Исчезновение зубов — это тоже интересная загадка. И любопытно, что есть куриный мутант, который возник спонтанно и был найден случайно, у которого, судя по наблюдениям, начинают расти зубы первого поколения. К сожалению, этот мутант не выживает до вылупления, он погибает еще где-то к середине своего эмбрионального развития, потому что у него масса других проблем: у него не закрываются внутренние органы, у него неправильно развивается сердце и так далее. То есть они начинают развивать свои зубы, а потом погибают.
Мы опубликовали статью, в которой изучали развитие зубов у аллигаторов. Почему? Потому что практически вся информация, которая у нас сейчас есть по развитию зубов, идет от мышиных эмбрионов. Проблема состоит в том, что у архозавров никогда не было таких же зубов, как у млекопитающих. У млекопитающих зубы укорененные, то есть форма зубов и то, как они развиваются, совершенно отличаются от зубов архозавров. Естественно, птицы потеряли зубы, которые характерны для архозавров. И мы изучали развитие зубов на молекулярном уровне, клеточном уровне и на уровне гистологии у аллигаторов. Мы показали, что существует по крайней мере три генерации поколения зубов, то есть первая сменяется второй, вторая третьей, пока не появляются функциональные зубы, которые укрепляются в челюстной кости и начинают использоваться функционально.
Так вот, у этих куриных эмбрионов возникает первое поколение зубов, но потом они погибают. Мы надеемся, что если сможем локализовать эту мутацию, то получится развить эти эмбрионы до более поздних стадий, дать им еще неделю-две роста, потому что с точки зрения эволюции программа по развитию зубов блокирована у современных птиц. Но этот мутант каким-то образом смог эту программу деблокировать, и было бы интересно узнать, что у них осталось от этой программы, дав ему развиваться подольше.
Еще один интересный момент — то, что у современных птиц очень сильно изменился мозг по сравнению с мозгом их предков. Он намного больше по размеру, и определенные области в нем увеличились в несколько раз. Это области, которые отвечают, например, за обработку визуальной информации от глаз. У птиц огромные глаза. Они полностью полагаются на зрение при поиске еды. Тут интересны параллели с млекопитающими. Млекопитающие в начале своей эволюции больше полагались на свое обоняние, потому что был знаменитый период в Мезозое, когда млекопитающие были маленькими и прятались от динозавров, выходили наружу только по ночам или жили на болотах, поэтому их зрение было очень плохо развито. И поэтому те области мозга, которые отвечают за обоняние, у млекопитающих развиты намного лучше, чем у других позвоночных.
Потом уже началось развитие неокортекса переднего мозга, который отвечает за обработку информации с точки зрения примитивной логики.
У птиц же развиваются немного другие части мозга — например, очень сильно развит мозжечок. Развиваются очень мощные визуальные центры в среднем мозге. Таким образом, их мозг очень сильно меняется в процессе эволюции. И самое интересное, что меняются также и части черепа, которые этот мозг защищают. И эта связь между развитием и эволюцией мозга с одной стороны и развитием и эволюцией черепа с другой нам также очень интересна.
