Минус сорок. Ветер 140 километров в час. Четыре месяца без единой крошки еды. Императорский пингвин размножается там, где любое другое теплокровное существо погибло бы за несколько часов.
Как им это удаётся? Международная группа из 40 исследователей несколько лет секвенировала геномы всех 18 видов пингвинов. В 2022 году Nature Communications опубликовал результаты. Оказывается, что птицы, утратившие способность летать 60 миллионов лет назад, превратились в биологические машины, заточенные под выживание в самых суровых местах планеты.
Кости, которые не ломаются под давлением
Императорский пингвин ныряет на 564 метра. Находится под водой почти 22 минуты. На такой глубине давление раздавило бы лёгкие любой обычной птицы.
Генетики выяснили, что у пингвинов изменён ген EVC2. Когда этот ген мутирует у человека, возникает синдром Эллиса — ван Кревельда: карликовость, укороченные рёбра. У пингвинов та же генетическая последовательность делает кости плотнее. Плотные кости выдерживают давление воды и не дают птице всплывать как поплавку.
Всего обнаружили 17 генов, перестроивших передние конечности. Крылья стали ластами — жёсткими, обтекаемыми, с мощной мускулатурой. Под водой пингвин не плавает, а летит.
Шуба из генов
Перья императорского пингвина устроены хитро: короткие, жёсткие, уложены в несколько слоёв. Дают 80–90% теплоизоляции. Но это анатомия. А что говорит генетика?
Нашли изменения в гене DSG1. У людей его мутации вызывают редкую болезнь — кожа на ладонях и стопах становится ненормально толстой. У пингвинов тот же ген отвечает за плотную кожу, которая держит тепло.
Другая находка — гены семейства бета-кератинов. У пингвинов их больше, чем у любых других птиц. Кератины формируют структуру пера. Больше генов, плотнее оперение, меньше теряется тепла.
А в мышцах императорских пингвинов обнаружили повышенную активность генов термогенеза. Мышечная ткань работает как печка — всё время, даже когда птица стоит неподвижно.
Голодовка длиной в четыре месяца
Самец императорского пингвина высиживает яйцо посреди антарктической зимы. Самка уходит за едой. Самец остаётся голодать — иногда до четырёх месяцев, теряя почти половину веса.
Генетики нашли объяснение. У пингвинов Адели восемь генов липидного обмена находятся под усиленным давлением естественного отбора. У императорских — три других гена той же системы. Разные виды нашли разные генетические решения одной задачи: копить жир и тратить его очень экономно.
Главный — ген FASN, который кодирует фермент синтеза жирных кислот. У предков пингвинов он мутировал так, что организм стал эффективнее откладывать жир впрок. Получилась птица-верблюд, только вместо горба — подкожные запасы по всему телу.
Глаза для глубины
На пятистах метрах под водой темно. Пингвины охотятся глазами — поэтому, должны видеть там, где человек не разглядел бы собственную руку.
Обнаружили изменения в генах фототрансдукции — системы, которая превращает свет в нервный сигнал. Зрачок императорского пингвина расширяется и сужается сильнее, чем у любой другой птицы. Роговица плоская — под водой глаз работает лучше, чем на суше. На берегу пингвины слегка близоруки. Зато в воде — снайперы.
Любопытная деталь: гены, отвечающие за восприятие сладкого, горького и вкуса белка, у пингвинов не работают. Вкуса еды они не чувствуют. Логично: добычу глотают целиком, жевать нечем. Вкусовые рецепторы стали бесполезны — и эволюция их отключила.
Кровь для глубоководной охоты
На глубине — десятки атмосфер давления. Кислорода в крови должно хватить на двадцать минут активной охоты. Обычная птица получила бы кессонную болезнь и погибла.
В геноме пингвинов нашли изменённые варианты генов гемоглобина, регуляции кровяного давления и кислородного обмена в мышцах. Их гемоглобин связывает кислород эффективнее, даже когда его мало. Организм умеет замедлять метаболизм и «выключать» второстепенные органы на время погружения.
Ещё нашли гены осморегуляции — контроля баланса соли и воды. Пингвины пьют морскую воду. Специальные железы над глазами выводят лишнюю соль. Такой адаптации нет больше ни у одной птицы.
Эволюция на паузе
Неожиданный результат: пингвины и их ближайшая родня, буревестники, эволюционируют медленнее всех птиц на Земле. Их геномы меняются редко, мутации накапливаются неохотно.
Почему так? Вероятно, эти водные птицы достигли эволюционного оптимума. Они настолько хорошо подогнаны под свою нишу, что любое новшество скорее навредит, чем поможет. Удачную конструкцию не трогают.
Но у этой стабильности есть оборотная сторона. Климат сейчас меняется быстрее, чем пингвины способны приспосабливаться. Ледники тают. Колонии императорских пингвинов уже переезжают на новые места. Генетики предупреждают: экстремальная адаптация к холоду может стать эволюционным тупиком, если потепление продолжится.
Что дальше
Консорциум из десяти стран собрал геномы уже трёхсот пингвинов — включая музейные образцы и не так давно вымершие виды. Следующий этап — популяционная геномика: выяснить, какие генетические варианты помогут пингвинам пережить смену климата.
Эти птицы прошли через десятки ледниковых периодов. Их геном — архив выживания в экстремальных условиях. Может быть, этот архив подскажет, как помочь им справиться с очередным испытанием. На этот раз — рукотворным.
--------------
Источники: научные журналы Nature Communications (2022), PNAS (2020), GigaScience (2019), BMC Genomics (2014), Molecular Ecology (2024), научно-популярное издание Naked Science (2022), РИА Новости (2015) и др.
ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...
ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ И СЛЕДИТЕ ЗА КАНАЛОМ. СЕГОДНЯ ПОЗЖЕ ПРО АНТАРКТИДУ, ДНК И НЕМНОГО ПРО ПИНГВИНОВ.