Zięby Darwina są emblematami ewolucji. Ptaki, które zobaczył na Wyspach Galapagos podczas swojej słynnej podróży dookoła świata w latach 1831-1836, zmieniły jego sposób myślenia o powstawaniu nowych gatunków, a w końcu także światowych biologów.
Darwin zastanawiał się nad zmianami kształtu dziobów ptaków na poszczególnych wyspach. Tak zwane zięby kaktusowe mogą pochwalić się dłuższymi, bardziej spiczastymi dziobami niż ich krewni – zięby ziemne. Dzioby zięb są cieńsze i bardziej spiczaste niż u obu tych gatunków. Te adaptacje sprawiają, że są one bardziej dopasowane do przetrwania na dostępnej żywności.
Badacze z Harvard Medical School podjęli historię o krok dalej. Wykorzystując nowoczesne analizy genetyczne, znaleźli cząsteczkę, która reguluje geny zaangażowane w kształtowanie dziobów zięb Darwina. „Kalmodulina jest białkiem, które wiąże się i aktywuje pewne enzymy, co wyzwala sygnał, który ostatecznie włącza lub wyłącza określone geny – wyjaśnia Arkhat Abzhanov, biolog ewolucyjny z Harvardu. Sygnały te zmieniają zachowanie komórek odpowiedzialnych za kształtowanie dzioba.
Członkowie zespołu badawczego otrzymali pozwolenie na zebranie jaj zięb z Parku Narodowego Galapagos, grupy skalistych wysp na Oceanie Spokojnym, około 600 mil na zachód od Ekwadoru. Samice zięb składają gromady od czterech do pięciu jaj, jedno dziennie. Aby uniknąć zakłóceń i porzucenia gniazd, badacze wzięli tylko trzecie złożone jaja.
W Departamencie Genetyki w Harvard Medical School, 26 embrionów ptaków zostało zbadanych, przy użyciu chipów genowych, które ujawniają, które geny są najbardziej aktywne w głowach rozwijających się zięb. Aktywność ta została następnie dopasowana do wielkości i kształtu dziobów dorosłych osobników.
Badania szybko skupiły się na kalmodulinie jako przełączniku, który może włączyć geny zaangażowane w zwiększanie długości dzioba. Białko to nigdy wcześniej nie było zaangażowane w rozwój czaszki i twarzy ptaków.
„Stwierdziliśmy, że kalmodulina rzeczywiście ulegała ekspresji na wykrywalnie wyższym poziomie u zięb kaktusowych w porównaniu z ziębami ziemnymi, a tym samym była związana z ich dłuższymi dziobami” – mówi Clifford Tabin, profesor genetyki. „Ten wyższy poziom jest zarówno biologicznie istotny, jak i funkcjonalnie ważny dla kształtowania wydłużonych dziobów, które są używane w wyspecjalizowany sposób do sondowania kwiatów i owoców kaktusów w poszukiwaniu pyłku, nektaru i nasion”. Ten sam przypływ kalmoduliny nie został znaleziony w bardziej tępo zakończonych dziobach zięb naziemnych.
Dziób na ewolucji
Kiedy Karol Darwin po raz pierwszy zobaczył Wyspy Galapagos, opisał je jako 10 wysp „położonych pod równikiem.” Zauważył, że powstały one jako wulkany i były naznaczone kraterami. „Niektóre z kraterów, górujące nad większymi wyspami, są ogromnych rozmiarów i wznoszą się na wysokość od trzech do czterech tysięcy stóp.”
Odnotowując różnice w zwyczajach żywieniowych zięb, Darwin napisał, że zięby kaktusowe „często można zobaczyć wspinające się po kwiatach wielkich drzew kaktusowych”. Widząc różnorodność dziobów i innych struktur u blisko spokrewnionych zięb, napisał w swoim notatniku, „można by naprawdę pomyśleć, że jeden gatunek został wzięty i zmodyfikowany do różnych celów.”
Darwin rozwinął ten pomysł, kiedy opublikował swoją intelektualną bombę, „Pochodzenie gatunków”, jakieś 25 lat później w 1859 roku. Spekulował, że ptaki, przypominające szpaki, przybyły na Wyspy Galapagos przez wiatr. Ewolucja przejęła kontrolę i różne grupy wykształciły różne diety. Kiedy, pisał, „imigrant po raz pierwszy osiedlił się na jednej z wysp, (…) bez wątpienia zostałby wystawiony na działanie odmiennych warunków panujących na innych wyspach (gdzie) musiałby konkurować z innym zestawem organizmów. … Wtedy dobór naturalny prawdopodobnie sprzyjałby różnym odmianom na różnych wyspach.”
Innymi słowy, dzioby zmieniały się, gdy ptaki rozwijały różne upodobania do owoców, nasion lub owadów zbieranych z ziemi lub kaktusów. Długie, spiczaste dzioby sprawiły, że niektóre z nich bardziej nadawały się do zbierania nasion z owoców kaktusa. Krótsze, mocniejsze dzioby najlepiej nadawały się do jedzenia nasion znalezionych na ziemi. Ostatecznie imigranci rozwinęli się w 14 odrębnych gatunków, z których każdy ma swój własny śpiew, preferencje żywieniowe i kształt dzioba. Na przykład zięby warbowe łapią owady w dzioby, które są ostrzejsze i bardziej smukłe niż u zjadaczy kaktusów.
W przyszłości, zauważa Abzhanov, „pozostaje siedem lub osiem innych zięb Darwina o unikalnych dziobach do zbadania. Ptaki te stanowią idealny punkt wyjścia, ponieważ są bardzo blisko spokrewnione, a jednocześnie bardzo zróżnicowane pod względem kształtu i budowy.
„Spodziewamy się również, że kalmodulina będzie ważna w innych grupach ptaków o długich dziobach. Nie będzie to jednak cała historia dla ptaków takich jak bociany czy ibisy. Zwiększenie aktywności kalmoduliny prowadzi do skromnego 10-14 procentowego wzrostu długości dzioba, co odpowiada różnicom w długości pomiędzy ziębami kaktusowymi i ziemnymi, ale dodatkowe mechanizmy mogą być wymagane dla jeszcze dłuższych dziobów.”
Abzhanov, Tabin i ich koledzy z Harvardu, Princeton i Instytutu Patologii Molekularnej w Wiedniu, Austria, opublikowali wyniki swoich badań nad ziębami w numerze 3 sierpnia czasopisma Nature. 3 numeru czasopisma Nature.
Zapytany o możliwość występowania kalmoduliny w głowach ludzi, Abzhanov odpowiada: „W tym momencie nie wiemy, czy ssaki w ogóle, a ludzie w szczególności, wykorzystują kalmodulinę podczas rozwoju ich czaszek i twarzy. Jest to jednak bardzo prawdopodobne, ponieważ kalmodulina wydaje się być zaangażowana w bardzo podstawowe procesy rozwojowe czaszki i twarzy. Wiemy, że ulega ekspresji we właściwym czasie i miejscu w rozwoju embrionów myszy. Z pewnością będziemy dążyć do jego roli (ról) podczas rozwoju zarówno myszy, jak i kurczaka.”
