Мудрость и долголетие попугаев

Перспективный объект

Попугаи — не дураки, о нет! Их интеллектуальные способности в некоторых случаях не уступают способностям человекообразных обезьян, а порой и превосходят их. Например, африканские серые попугаи Psittacus erithacus (жако) по звуку судят о том, есть ли орех в закрытом контейнере. А поскольку контейнеров в эксперименте было два, и один из них непременно с орехом, попугаи быстро поняли, что если одна из емкостей тиха и пуста, то лакомство находится в соседней и можно ее смело открывать без предварительного прослушивания. Это задание рассчитано на трехлетних детей, обезьянам оно не всегда по силам, даже после тренировки, а попугаи справились практически без подготовки. Эти птицы прекрасно обучаются, в том числе перенимают новые двигательные навыки. Один жако по кличке Алекс умел обозначать звуками более ста объектов, различных по цвету, форме и материалу; попросить что-либо («я хочу орех») и определять количество предметов. Если предложить ему две группы предметов и показать карточку с некоторым числом точек, он выбирал группу, в которой предметов столько же, сколько точек на карточке. В лаборатории жако научились действовать сообща и вытаскивали лоток с лакомством, потянув за концы веревки, что было возможно лишь в случае, когда тянули двое.

Новозеландские попугаи кеа Nestor notabilis умеют открывать разные типы задвижек; без тренировки понимают, за какую из перекрещенных разноцветных ниточек надо потянуть, чтобы получить лакомство; в лаборатории при необходимости могут использовать палку, хотя в естественных условиях этим предметом не пользуются: держать палочку изогнутым клювом им неудобно.

Помимо недюжинных когнитивных способностей, попугаям присущи и другие черты, которые у приматов обычно считаются отличительными признаками развитого интеллекта: сложная социальная организация, позднее взросление и долголетие. Попугаи живут существенно дольше, чем другие птицы сходного размера. К тому же у них чрезвычайно велик относительный размер переднего мозга, особенно если учесть весовые ограничения для летающих животных. Он сопоставим с передним мозгом врановых (ворон, воронов и соек) — признанных интеллектуалов птичьего мира, а среди млекопитающих с ним сравнится только мозг шимпанзе, горилл и орангутанов. Правда, птичьи полушария, в отличие от большинства млекопитающих, гладкие, борозд и извилин на них нет. Зато плотность нейронов в переднем мозге попугаев очень высока, как и у приматов, и в нем есть специализированные области, ответственные за обучение звукопередаче (знаменитая способность попугаев имитировать звуки не врожденная, ей нужно учиться, и птицы с этой сложной задачей справляются). Все эти особенности, а прежде всего сходство с человекообразными обезьянами, интригуют ученых, которые сочли попугаев прекрасной моделью для исследования эволюции сложных признаков.

За эту работу взялись специалисты Бразилии и Соединенных Штатов под руководством бразильца Клаудио Мелло, в настоящее время профессора Орегонского университета здоровья и науки в США (Current Biology). Сейчас подобные исследования проводят, сравнивая геномные последовательности разных видов. И ученые начали с расшифровки генома синелобого амазона Amazona aestiva. ДНК секвенируют по кусочкам, а потом складывают расшифрованные фрагменты, как пазл. Чем больше прочитано фрагментов, чем сильнее они перекрываются, тем точнее получается общая картина. И хотя к началу работы Мелло и его команды уже были опубликованы геномы нескольких видов попугаев, лишь геном волнистого попугайчика расшифровали достаточно подробно. Поэтому исследователи не ограничились литературными данными и сами взялись за секвенирование.

Объект они выбрали не случайно. Синелобый амазон — символ бразильского птичьего мира. Это крупная, красивая, говорливая птица, и потому ее часто держат в клетках как домашнего любимца. Зато на воле попугая преследуют из-за ущерба, который он наносит фруктовым садам и маисовым плантациям. К тому же численность синелобого амазона сокращается из-за роста городов и расширения сельскохозяйственных угодий, поэтому изучение его генома полезно для сохранения вида.

Попугай, отдавший несколько капель своей крови для выделения ДНК, самец по кличке Мозес, появился на свет в 2003 году в экопарке Вале Верде. Его родители родом из Южной Бразилии. Кровь у птицы взяли в 2013 году, и на момент написания статьи Мозес был еще жив. Сравнение генома синего амазона с геномами 29 видов птиц, в том числе нескольких попугаев, позволило обнаружить множество последовательностей, которые, возможно, влияют на продолжительность жизни и когнитивные способности попугаев. Начнем с долголетия.

Теломеры или окисление?

Продолжительность жизни позвоночных зависит от их размера: более крупные живут дольше. Профессор Франкфуртского университета Роланд Принзингер собрал литературные данные о максимальной продолжительности жизни 821 вида птиц в естественных условиях и 131 вида в неволе и установил, что соотношение между сроком жизни в годах (А) и массой тела в граммах (М) можно описать формулами A=4,75×М0,17 в природе и A=5,1×М0,23 — в неволе (Comparative Biochemistry and Physiology). При этом некоторые куры и дятлы живут меньше расчетного срока, а чайки, ястребы, попугаи и совы — существенно дольше. Максимальная продолжительность жизни птицы из семейства попугаевых составляет в среднем 25 лет, синелобый амазон при массе 400–500 г должен в неволе жить немногим более 20 лет, однако доживает до шестидесяти шести, и есть сообщения о птицах, перешагнувших 90-летний рубеж.

Ученые выбрали для анализа виды с расшифрованными геномами и достоверно установленным максимальным сроком жизни. Среди них были птицы, живущие по крайней мере на 20% дольше ожидаемого, и виды, долголетие которых соответствует расчетному (см. рисунок). В группу долгожителей, помимо попугаев, попали сизый голубь, дымчатый иглохвост, малая белая цапля и сова сипуха. Важно, что родство этих птиц весьма отдаленное и долголетие у них возникло независимо.

Виды птиц, использованные для анализа генетики долголетия. Долгоживущие виды отмечены кружком. На фотографии изображен Мозес

Сравнение геномов выявило более четырех тысяч генов, доставшихся всем птицам от общего предка. Последовательности этих генов у разных видов эволюционировали по-разному и с разной скоростью. Среди них исследователи обнаружили 344 гена (8%), которые у долгоживущих птиц эволюционировали быстрее, чем у обычных. Причем 281 последовательность в ходе эволюции активно менялась, а 63 гена оказались консервативными, они испытали сильное действие стабилизирующего отбора. Двадцать генов из этих 344 у всех животных известны как гены долголетия. Самый известный среди них — ген TERT, кодирующий фермент теломеразную обратную транскриптазу. Это ключевой фермент теломеразного комплекса, который продлевает жизнь клеток. Напомним, что теломеры — концевые некодирующие участки хромосом, которые из-за особенностей репликации ДНК несколько укорачиваются при каждом клеточном делении. Когда теломеры достигают некоторой критической длины, деление клетки прекращается. На этом основана теломерная теория старения. Теломераза наращивает теломеры и, следовательно, защищает клетки от старения. Чем активнее фермент, тем надежнее защита.

У теломерной теории старения много критиков, однако известно, что у зебровой амадины из семейства вьюрков, живущей всего 5 лет, и древесной американской ласточки, которой отмерено 11 лет, активность теломеразы в костном мозге высока в юности, но с возрастом резко снижается. А у речной крачки (27 лет) и северной качурки (36 лет) активность фермента высока на протяжении всей жизни (Annals of the New York Academy of Sciences).

По данным Клаудио Мелло и его коллег, у попугаев и других долгоживущих птиц отбор усиливал каталитическую активность белка TERT. Однако высокая активность теломеразы увеличивает вероятность неконтролируемого деления клеток. В попугайском геноме этот аспект учтен, и действию отбора подвергались также гены BUB1B, BUB3, KIF4A, KIF1BP и CCNE1, которые регулируют деление клеток и развитие опухолей. Таким образом, сбалансированная совместная эволюция последовательностей, усиливающих активность теломеразы и регулирующих клеточное деление, может предотвращать повышенный риск образования опухолей у долгоживущих птиц.

Попугаи и другие птицы-долгожители подвергаются стабилизирующему отбору по генам SOD1 и SOD3, которые участвуют в защите клеток от окислительного стресса. У видов с ожидаемой продолжительностью жизни эволюция меньше печется о постоянстве данных последовательностей. Эти результаты согласуются с другой гипотезой старения, свободнорадикальной, согласно которой долголетие животных зависит от того, насколько надежно их клетки защищены от окислительных повреждений, нанесенных свободными радикалами. Правда, эту гипотезу поставили под сомнение австралийские ученые. Они сравнивали три вида попугаев и два вида перепелов, которые живут не дольше пяти с половиной лет, и не смогли обнаружить разницу между уровнями окислительных повреждений в тканях долго- и короткоживущих видов (Experimental Gerontology). Исследователи пришли к выводу, что долговечность попугаев, по-видимому, не зависит от накопления окислительных повреждений и работы антиоксидантных механизмов. Однако Клаудио Мелло и его коллеги убеждены, что защита от окислительного стресса все же важна для долголетия, иначе ее обеспечение не было бы таким важным направлением эволюции попугаев.

Из 344 генов, которые подвергаются усиленному отбору у долгоживущих видов, подавляющее большинство контролируют деление клетки, сплайсинг и процессинг РНК (этапы созревания молекулы РНК), участвуют в восстановлении поврежденной ДНК, определяют функции митохондрий и окислительный метаболизм, регулируют апоптоз. Причинно-следственная связь между работой этих генов и продолжительностью жизни пока не вполне ясна, их раньше не считали связанными со старением, но, поскольку они подвергаются сильному отбору у долгоживущих видов, ученые сочли их ответственными за долголетие.

До сих пор речь шла о последовательностях, которые присутствуют у всех видов позвоночных. Однако в геноме синелобого амазона ученые обнаружили специфические попугайские гены и предположили, что именно они определяют развитие мозга и когнитивные способности этих птиц.

Гены познания

Новые гены часто возникают в результате удвоения старых. При этом одна последовательность продолжает выполнять прежние функции, а «дублер» приобретает новые. В большинстве случаев можно понять, какие гены послужили предками новообразованных. У попугаев большинство дупликаций затронули гены, которые определяют когнитивные способности. Самый важный из них, пожалуй, это PLXNC1. У людей, попугаев, колибри и певчих птиц он регулирует рост аксонов и активен в областях коры мозга, ответственных за вокальное обучение. Но только у попугаев этот ген дуплицирован. Исследователям предстоит выяснить, какие функции выполняет вторая копия.

Исходные последовательности других попугайских генов, CEP83, SLC9A5 и RSPH3, регулируют структуру нервных клеток, строение актинового цитоскелета, скольжение микротрубочек и другие признаки, нарушение которых может привести к расстройству когнитивных функций.

Еще один дуплицированный ген, LRRC37A, относится к большому семейству генов, вовлеченных в развитие иммунной и нервной систем. Это очень древняя последовательность. Интересна ее судьба у млекопитающих. Первоначально LRRC37 присутствовал в их геноме в одной копии и работал в семенниках. Однако у приматов число копий стало увеличиваться, и чем выше они поднимались по эволюционной лестнице, тем больше копий обретали (Genome Research). У человека и человекообразных обезьян их в несколько раз больше, чем у макак. Некоторые последовательности приобрели новые, видоспецифические функции. У гоминид LRRC37 экспрессируется уже во многих тканях, особенно в мозжечке, селезенке и тимусе. Белки семейства LRRC37 расположены на плазматической мембране и, возможно, участвуют в регуляции передачи сигналов, роста и деления клеток. Функции этих генов еще предстоит выяснить. Замечательно, что копийность LRRC37A, гена прогресса приматов, стали наращивать и попугаи.

Помимо последовательностей, кодирующих белки, отбор действует и на регуляторные элементы. Ученые исследовали ультраконсервативные регуляторные последовательности, которые должны быть у всех видов постоянны, и обнаружили, что некоторые из них у попугаев все-таки изменились. Эти последовательности регулируют работу 11 кодирующих генов, и 10 из них так или иначе связаны с работой мозга, в том числе с развитием переднего мозга, образованием разных подтипов нейронов и нейрогенезом у взрослых. Девять из этих генов экспрессируются в мозге волнистого попугайчика. Семь из них, по-видимому, и у человека, подвергались особому отбору, поскольку консервативные элементы, регулирующие их работу, у человека отличаются от аналогичных последовательностей человекообразных обезьян и прочих млекопитающих.

У человека некоторые из этих генов связаны с нарушением когнитивных функций. Так, мутации в гене AUTS2 приводят к аутизму, нарушениям интеллекта, задержке развития и дефициту речи. Высока вероятность, что этот ген влияет на эволюцию когнитивных способностей. Нарушения в другом гене, NPAS3, вызывают шизофрению и умственную отсталость, а делеция в гене BCL11A, регулирующем ветвление аксонов и рост нейронов, приводит к порокам развития мозга и умственной отсталости. Еще два гена, ERBB4 и ESRRG, связаны с риском развития шизофрении.

Поскольку специфические «попугайские» изменения в консервативных регуляторных последовательностях в большинстве случаев повлияли на работу генов, которые отвечают за когнитивные способности и подвергались сходному отбору в ходе эволюции человека, исследователи предположили, что эволюция развития мозга и когнитивных способностей у людей и попугаев происходила конвергентно.

Возможно, эволюционные параллели людей и попугаев возникли благодаря параллелям экологическим. Попугаи издавна жили бок о бок с приматами и до сих пор так живут. Многие попугаи всеядны, кеа, например, едят жирные, белковые и углеводные продукты, найденные в поселениях человека. Подобно человекообразным обезьянам, попугаям (как и многим другим птицам, впрочем) приходится потрудиться над добычей: освобождать моллюсков от раковины, а некоторые плоды — от кожуры.

По мнению Клаудио Мелло и его коллег, конвергенция попугаев и гоминид позволяет по-новому взглянуть на генетику и эволюцию продолжительности жизни и познания и делает попугаев превосходной экспериментальной моделью для изучения генетических основ этих процессов. А сравнение человека с попугаем не обидно, а даже лестно. Оно означает, что человек мудрый и долголетний.