От динозавров к птицам: новые открытия в химии и эволюции перьев

Перья птиц — это удивительные структуры, которые обеспечивают им полет, теплоизоляцию, камуфляж и украшение. Но откуда они взялись и как эволюционировали? Этот вопрос долгое время занимал умы палеонтологов, которые изучают ископаемые останки динозавров и ранних птиц. Недавно ученые из Ирландии, Китая и США сделали прорыв в этом исследовании, обнаружив следы древних белков в окаменевших перьях. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Ecology and Evolution, показывают, что химический состав современных перьев был также присутствен в перьях динозавров и ранних птиц, подтверждая, что химия перьев возникла гораздо раньше, чем предполагалось ранее.

Перья состоят из белков, которые придают им прочность и гибкость. Самый распространенный белок в перьях — это кератин, который также образует ногти, шерсть и рога у млекопитающих. Кератин бывает двух типов: альфа-кератин и бета-кератин. Альфа-кератин образует спиральные структуры, которые связываются между собой волокнами. Бета-кератин образует листовые структуры, которые складываются в пластинки. Бета-кератин более жесткий и устойчивый к разрушению, чем альфа-кератин. Современные птицы имеют большое содержание бета-кератина в своих перьях, что помогает им летать и защищаться от износа.

Однако предыдущие исследования окаменевших перьев динозавров и ранних птиц обнаружили преимущественно альфа-кератин в них. Это привело к выводу, что эволюция перьев шла от альфа-кератина к бета-кератину, и что бета-кератин появился только у современных птиц.

Но новое исследование опровергает эту гипотезу, используя новый метод детектирования следов древних белков. Ученые применили рентгеновскую спектроскопию и инфракрасную спектроскопию к 125-миллионнолетним перьям динозавра Sinornithosaurus и ранней птицы Confuciusornis из Китая, а также к 50-миллионнолетнему перу из США. Эти методы позволяют определить химический состав органических веществ на молекулярном уровне.

Ученые обнаружили, что перья динозавра Sinornithosaurus содержали много бета-кератина, так же как перья современных птиц. Это означает, что бета-кератин существовал уже у динозавров, и что эволюция перьев не была линейной, а скорее разветвленной. Некоторые линии динозавров и ранних птиц могли иметь больше бета-кератина в своих перьях, чем другие. Это могло зависеть от их образа жизни, климата и других факторов.

Чтобы объяснить, почему предыдущие исследования не находили бета-кератин в окаменевших перьях, ученые провели эксперименты, чтобы понять, как белки перьев разлагаются в процессе окаменения. Они обнаружили, что бета-кератин более устойчив к разложению, чем альфа-кератин, но при высоких температурах и давлениях он может превращаться в альфа-кератин. Таким образом, некоторые окаменевшие перья могут сохранять следы оригинального бета-кератина, а другие могут быть повреждены и давать ложную картину об эволюции перьев.

Альфа-кератин и бета-кератин играют разную роль в перьях. Альфа-кератин обеспечивает гибкость и прочность перьев, тогда как бета-кератин обеспечивает жесткость и устойчивость к износу. Альфа-кератин имеет спиральную структуру, а бета-кератин имеет листовую структуру. Альфа-кератин содержит много цистеина и дисульфидных связей, а бета-кератин содержит много глицина и повторяющихся последовательностей аминокислот. Современные птицы имеют большое содержание бета-кератина в своих перьях, что помогает им летать и защищаться от износа.

Это исследование помогает решить давний спор о том, могут ли белки перьев, и белки вообще, сохраняться на протяжении очень большого промежутка времени. Профессор Мария МакНамара сказала: «Следы древних биомолекул могут явно выживать миллионы лет, но вы не можете читать ископаемую запись буквально, потому что даже казалось бы хорошо сохранившиеся ископаемые ткани были приготовлены и сжаты в процессе окаменения. Мы разрабатываем новые инструменты для понимания того, что происходит во время окаменения и раскрытия химических секретов ископаемых. Это даст нам захватывающие новые понимания эволюции важных тканей и их биомолекул».

Итак, новое исследование показывает, что динозавры и птицы имели больше общего, чем мы думали. Перья — это не только атрибут птиц, но и наследие динозавров. Они возникли очень давно и эволюционировали в разных направлениях