При воспроизведении они замедляются, их крылья звенят, как лопасти вертолетов, когда они парят рядом с едой. Их сердца бьются 20 раз в секунду, а языки — 17 раз в секунду, чтобы отхлебать с места для кормления.
Достаточно трех движений их раздвоенных трубчатых языков, чтобы отвергнуть воду, когда они ожидают нектара. Они оттягивают клювы, качают головой и выплевывают невкусную жидкость.
Их также не обманывает заменитель сахара, который делает большую часть диетической колы сладкой.Эти колибри выглядят безумными.Пристрастие птиц к сладкому очевидно, но только теперь ученые могут объяснить сложную биологию, лежащую в основе их вкуса к сахару. Для их открытия потребовалась международная группа ученых, полевые исследования в горах Калифорнии и на полевой станции Конкорд Гарвардского университета, а также совместная работа гарвардских лабораторий по обе стороны реки Чарльз.
Теперь, в статье, опубликованной в журнале Science, ученые показывают, как способность колибри определять сладость эволюционировала от наследственного рецептора острого вкуса, который в основном настроен на ароматизаторы аминокислот. Наслаждаясь нектаром и случайными насекомыми, крошечные птицы распространились по всей Северной и Южной Америке, насчитывая более 300 видов за 40-72 миллиона лет с тех пор, как они отделились от своего ближайшего родственника, стрижа.«Это действительно хороший пример того, как вид эволюционировал на молекулярном уровне и принял очень сложный фенотип», — сказал Стивен Либерлес, доцент кафедры клеточной биологии HMS. «Изменение одного рецептора может фактически привести к изменению поведения и, как мы предполагаем, может способствовать разнообразию видов».
Все это сладкое открытие началось с генома курицы. До того, как ученые секвенировали его гены, люди предполагали, что куры и все птицы ощущают вкус так же, как и млекопитающие: с сенсорными рецепторами соленого, кислого, горького, сладкого и недавно признанным вкусом умами, которое происходит от японского слова «пикантный».Каноническая точка зрения гласила, что у животных присутствует рецептор сладкого, гораздо меньший, чем большое семейство рецепторов, участвующих в восприятии запаха и горького вкуса, что жизненно важно для распознавания безопасной пищи или опасных хищников.Некоторые животные утратили определенные вкусовые способности.
Панда, например, питается исключительно бамбуком и не имеет рецепторов острого вкуса. Плотоядные животные, особенно кошки, равнодушны к сладким вкусам.
Ген вкуса сладости присутствует в их геномах, но не работает. Ученые подозревают, что взаимодействие между вкусовыми рецепторами и диетой может эффективно превратить рецептор сладкого вкуса в псевдоген, который не включается и в конечном итоге исчезает.
Другое дело — геном курицы: в нем нет следов гена рецептора сладкого вкуса. Столкнувшись с этим сценарием "все или ничего", Мод Болдуин, соавтор статьи, отреагировала только на это.
«Непосредственный вопрос к орнитологам или всем, у кого есть кормушка для птиц на заднем дворе, был: а как насчет колибри?» она вспомнила. «Если у них отсутствует единственный рецептор сладкого, как они обнаруживают сахар?»Были секвенированы другие геномы птиц, но рецептора сладкого все еще не было.Так начались поиски Болдуина, чтобы понять, как колибри обнаружили сахар и стали узкоспециализированными питателями нектара. Докторант кафедры организменной и эволюционной биологии и Музей сравнительной зоологии, она является членом лаборатории Скотта Эдвардса, профессора органической и эволюционной биологии и куратора орнитологии в Музее сравнительной зоологии.
Она разыскала Либерлеса на заседании Международного симпозиума по запаху и вкусу в Сан-Франциско. Они согласились работать вместе над экспериментами, которые в конечном итоге покажут, как колибри эволюционировали и разнообразились, основываясь на изменении их вкусовых рецепторов.После клонирования генов вкусовых рецепторов кур, стрижей и колибри — трехлетнего процесса — Болдуину нужно было проверить, на что реагируют белки, экспрессируемые этими генами. Она объединила усилия с другим ученым на другом международном собрании по изучению вкуса и запаха.
Ясука Тода, аспирант Токийского университета и соавтор статьи, разработал метод тестирования вкусовых рецепторов в клеточной культуре.Вместе они показали, что у кур и стрижей рецептор сильно реагирует на аминокислоты — ароматизаторы умами — но у колибри только слабо. Но рецептор у колибри сильно реагирует на углеводы — сладкие ароматы.«Это первый случай, когда этот рецептор умами реагирует на углеводы», — сказал Болдуин.
Тода смешал и сопоставил различные субъединицы вкусовых рецепторов курицы и колибри в гибридные химеры, чтобы понять, какие части гена участвовали в этом изменении функции. В общей сложности она обнаружила 19 мутаций, но, вероятно, они больше способствуют этому сладкому переключению, подозревают Болдуин и Либерлес.«Если вы посмотрите на структуру рецептора, то увидите, что на всей его поверхности произошли действительно драматические изменения, чтобы совершить этот сложный подвиг», — сказал Либерлес. «Аминокислоты и сахара выглядят очень по-разному структурно, поэтому для того, чтобы распознать их и ощутить их в окружающей среде, вам понадобятся совершенно другие замок и ключ. Ключ выглядит совершенно по-другому, поэтому вам придется заменить замок почти полностью».
Как только мутации были обнаружены, возник следующий вопрос: имеют ли они значение? Управляет ли эта другая субъединица вкусовых рецепторов поведением колибри?Вернувшись на станции кормления, птицы ответили утвердительно.
Они выплюнули воду, но слили сладкий нектар и один искусственный подсластитель, который вызвал реакцию в анализе на культуре клеток, в отличие от аспартама и ему подобных. Это не нектар с его питательной ценностью, но все же сладкий.«Это дало нам связь между рецептором и поведением», — сказал Либерлес. «Это резкое изменение в эволюции нового поведения — действительно мощный пример того, как можно объяснить эволюцию на молекулярном уровне».«Эта работа подчеркивает, как много еще предстоит узнать о вкусе и других наших чувствах», — сказал Либерлес.
«Сенсорные системы дают нам окно в мозг, чтобы определить, что мы понимаем об окружающем мире», — сказал он. «Система вкуса, возможно, действительно является прямой линией к удовольствию и отвращению, награде и наказанию, сладкому и горькому. Понимание того, как нейронные цепи могут кодировать их по-разному, дает нам окно в другие аспекты восприятия».