Эволюция амниотического яйца с мембраной и оболочкой стала ключом к тому, что позвоночные покинули океаны и колонизировали землю и воздух. Теперь, 360 миллионов лет спустя, птичьи яйца бывают самых разных форм и размеров, от почти идеально сферических яиц коричневых ястребов до каплевидных яиц куликов. Вопрос в том, как и почему возникло такое разнообразие форм?
Ответ на этот вопрос может помочь объяснить, как эволюционировали птицы, и решить старую загадку естественной истории.
Международная группа ученых во главе с исследователями из Гарвардского и Принстонского университетов с коллегами из Великобритании, Израиля и Сингапура применила количественный подход к этому вопросу. Используя методы и идеи из математики, физики и биологии, они охарактеризовали форму яиц примерно 1400 видов птиц и разработали модель, которая объясняет, как оболочка яйца определяет его форму. Используя теорию эволюции, исследователи обнаружили, что форма яйца коррелирует со способностью к полету, предполагая, что адаптация к полету могла быть решающим фактором изменения формы яйца у птиц.
Исследование опубликовано в Science.
"Наше исследование использовало единый подход к пониманию формы яйца, задав три вопроса: как количественно определить форму яйца и обеспечить основу для сравнения форм у разных видов, каковы биофизические механизмы, определяющие форму яйца, и что значения формы яйца в эволюционных и экологических условиях», - сказал старший автор Л. Махадеван, профессор прикладной математики Лолы Инглэнд де Вальпин в Школе инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS), профессор органической и эволюционной биологии и физики в Гарварде. «Мы показали, что форма яиц плавно варьируется у разных видов, что она определяется свойствами мембраны, а не скорлупы, и, наконец, что существует сильная корреляция, связывающая птиц, яйца которых имеют эллиптическую и асимметричную форму, с сильной способностью к полету. настоящий сюрприз."
Махадеван также является одним из ведущих преподавателей Института биоинженерии Висса Гарвардского университета.
Исследователи начали с построения графика формы, определяемой межполюсной асимметрией и эллиптичностью, примерно 50 000 яиц, представляющих 14 процентов видов в 35 отрядах, включая два вымерших отряда.
Исследователи обнаружили, что форма яйца представляет собой континуум, в котором многие виды пересекаются. Формы варьировались от почти идеально сферических яиц до яиц конической формы.
Итак, как формируется этот разнообразный спектр форм?
Исследователям давно известно, что яйцевые оболочки играют важную роль в формировании формы яйца - в конце концов, если яичную скорлупу растворить в слабой кислоте, такой как уксус, яйцо фактически сохраняет свою форму. Но как свойства мембраны влияют на форму?
Подумайте о воздушном шаре, сказал Махадеван. Если воздушный шар имеет одинаковую толщину и сделан из одного материала, при надувании он будет иметь сферическую форму. Но если он неоднороден, можно получить всевозможные формы.
Руководствуясь наблюдениями, которые показывают, что толщина мембраны варьируется от полюса к полюсу, мы построили математическую модель, которая рассматривает яйцо как эластичную оболочку под давлением, которая растет, и показали, что мы можем зафиксировать весь диапазон форм яйца. наблюдается в природе», - сказал Махадеван.
Вариации формы происходят из-за различий в толщине мембраны и свойств материала, а также отношения перепада давления к эластичности мембраны.
Следующий вопрос, как эти формы связаны с функцией птицы?
Исследователи изучили взаимосвязь между формой яйца и признаками, связанными с видом птицы, включая тип и местоположение гнезда, размер кладки (количество яиц, откладываемых за один раз), диету и способность к полету.
«Мы обнаружили, что полет может влиять на форму яйца», - сказала ведущий автор Мэри Касуэлл Стоддард, доцент кафедры экологии и эволюционной биологии Принстонского университета и бывший младший научный сотрудник Гарвардского общества стипендиатов. «Чтобы сохранить гладкие и обтекаемые тела для полета, птицы откладывают более асимметричные или эллиптические яйца. Яйца такой формы позволяют увеличить объем яйца без увеличения его ширины - это преимущество при узких яйцеводах».
Итак, альбатрос и колибри, хотя и являются двумя очень разными птицами, могли иметь в ходе эволюции яйца одинаковой формы, потому что оба являются мощными летунами.
Из нашего исследования ясно, что различия в размере и форме птичьих яиц не просто случайны, а связаны с различиями в экологии, включая количество кальция в рационе и, в частности, степень, в которой каждое из них этот вид создан для мощного полета», - говорит соавтор, доктор Джозеф Тобиас из Имперского колледжа, Великобритания.
Далее исследователи надеются наблюдать за процессом откладывания яиц в режиме реального времени, чтобы сравнить его и уточнить свою модель.
Эта статья была написана в соавторстве с Э. Х. Йонгом, Д. Аккайнаком и К. Шеардом. Основными источниками финансирования этой работы являются Принстонский университет, стипендия L'Ore?al USA For Women in Science Fellowship, Гарвардское общество стипендиатов, Фонд Милтона, Наньянский технологический университет, Оксфордский фонд Кларендона, Комиссия Фулбрайта, Организация по охране окружающей среды. Исследовательский совет, Фонд Макартура и Институт Рэдклиффа.