Vzorek z křídla Anchiornise (odběr zarámován červeně) vydal svědectví o stavbě proteinových variantách tehdejšího peří. Kredit: Yanhong Pan

Čína není jen největší věřitel Ameriky a výrobce telefonů Huawei, je to také obrovské území s mnoha uchovanými paleontologickými artefakty. Na jedné z fosilií ze severní Číny se před třemi lety atomoví fyzikové pokusili zjistit, zda peří tvora  Eoconfuciusornis, mohlo být barevné. Ukázalo se, že prapeří opeřence už bylo z keratinu a ten obsahoval melanin. Bylo tedy barevné. Prozradila to přítomnost mědi, která je pozůstatkem molekul tmavě hnědého pigmentu.

Věda od té doby poskočila a dovoluje s pozůstatky keratinu dál pracovat. Dá se z nich poznat, zda pravěká stvoření ho měla více podobný dnešním ptákům, nebo  byl keratin takový, jako ho mají savci. Objektem zájmu v tomto směru se stal Anchiornis. Jeho fosilii nalezli na severovýchodě Číny v oblasti Jianchang, provincii Liaoning. Na jeho křídle se zachovalo (podle vědců dobře patrné) opeření.  V porovnání s výše jmenovaným dinosauřím kolegou, Eoconfuciusornisem, je dokonce o třicet milionů let starší.  Abyste zůstali na této stránce o něco déle a vylepšili oslí statistiku, nález na jeho peří prozradíme až po menší odbočce.

To, čeho si etremní horolezci na svých spacácích tak cení, je kajčí peří. Není to nic jiného, než beta-keratin. Ptáci z něj mají i drápy, zobáky a mají ho i v kůži. Stejné to je u plazů. V peří je ale tento beta-keratin v modifikované formě. Může za to pradávná mutace, při níž se jednomu z genů pro beta-keratin stal malér a kousek si ho někde prošustroval. Genetici tomu říkají delece. Zkrácený gen sice zvládl proteinovou molekulu keratinu tvořit, ale jeho struktura už byla jiná (modifikovaná). Jak se později ukázalo, měl nositel mutace štěstí v neštěstí. Jeho modifikovaný keratin byl pružnější a pro peří mnohem vhodnější. Móda se mezi opeřenci ujala a ani dnešní moderní ptáci zatím nic lepšího nevymysleli.

Struktura keratinového vlákna z peří Anchiornise je elektronovým mikroskopem patrná i po 160 milionech let. Imunochemicky se na něm dá zjistit, zda šlo o keratin alfa, nebo beta a dokonce i to, zda u beta-keratinu šlo o jeho kratší modifikaci. Kredit: Yanhong Pan.

Moudrý medvěd Balú kdysi pronesl: „Jsme jedné krve ty i já“. Nejspíš proto máme i my, savci ve svém ochlupení, podobně jako ptáci, keratin. Na rozdíl od ptáků je ale ten náš alfa-keratinem. A jak na tom tedy byl čínský Anchiornis? Než se k tomu dostaneme, budeme se ještě chvilku věnovat hodinářství.

Jeden z nálezů nejlépe zachovaného peří u předchůdce ptáků, pochází rovněž ze severní Číny, náleží dinosaurovi Eoconfuciusornis. Je v lepším stavu, než peří anchiornise, čemuž se nelze moc divit. Je o třicet milionů let mladší. Kredit: Dr. Xiaoli Wang

I když to mezi genetiky není časté, najdou se mezi nimi jedinci, které baví matematika. Takoví si všimli, že míra mutací v proteinu je za určitý čas přibližně konstantní a vymysleli něco, čemu se říká "molekulární hodiny". Ze znalosti genomů je podle těchto hodin možné odhadnout evoluční vzdálenost daných individuí. Jinak řečeno, dá se statisticky spočítat, před jakou dobou se zástupci obou skupin vydali každý svou cestou. V našem případě - kdy ptáci, díky své mutační vymoženosti, začali mít v letové obratnosti  nad dinosaury navrch.

Z molekulárně-geneticko-matematického pohledu do minulosti mělo ke vzniku moderních ptáků dojít v době před 145 miliony let. Statistice ale neradno moc věřit. V tomto případě matematici vystavěli svůj  předpovědní hrad na základech mutační rychlosti. Neboli počtu substitucí za časovou jednotku a předpokladu, že je konstantní. Ale to není. Je sice pravdou, že daná aminokyselina v proteinu se za rok změní s pravděpodobností 10 na mínus devátou, ale platí to jen v „globálu“. Pro jednotlivé proteiny to platit nemusí. Mutační rychlost, ačkoli jde stále o stejný protein, se u různých druhů liší. Octomilka mutuje ráda a její hodiny běží až desetkrát rychleji, než ty naše - obratlovčí. Ale abychom to neprotahovali do nekonečna. Jsou to právě fosilní záznamy, které pomáhají molekulární hodiny kalibrovat. A k tomu se zmíněné čínské fosilie daly využít.

Špetka nostalgie - Archeopteryx - nejznámější ze všech praptáků (přesněji neptačí dinosaurus). Víme toho o něm už hodně. Například, že byl velikosti holuba a na území dnešního Bavorska se naparoval svým bílo-černým pruhováním. I když je o deset milionů let mladší, než čínský Anchiornis, zda už také měl moderní ptačí peří, nevíme. Kredit: H. Raab, Wikipedia

Genetici versus paleontologové

Jak jsme již uvedli, tak statisticky se dá odhadnout doba, kdy došlo k oné rozhodující události -  mutaci vylepšující peří moderních ptáků, což podle matematiků mělo být před 145 miliony lety. Fyzikové s biology ale z čínské fosilie vyčetli, že peří dinosaura obsahovalo oba keratiny. Jak ten „náš“ (jaký mají savčí chlupy), tak i beta-keratin. Imunochemickým rozborem se dokonce dalo určit, že jde o onu krátkou formu beta-keratinu. Tedy tu, z jaké mají peří dnešní ptáci. Protože paleontologové nechtějí ustoupit a stojí si za tím, že jejich Anchiornisovi už táhne na 160 milionů let, vyplývá z toho jediné: matematici se ve svém odhadu vzniku mutace (potažmo tak trochu i ptáků) sekli o patnáct milionů let. Budiž jim ale ke cti, že to vzhledem k minulosti více než stovky milionů let není moc. Spojení matematiky, genetiky, fyziky, imunochemie spolu s paleontologií je moudré a z této spolupráce bude padat hodně dalších poznatků.

Nám laikům takové věci, jako že míra mutací není závislá na generačním intervalu - takzvaný „mutační paradox“, nebo poznání rychlosti jakou tikají molekulární hodiny konkrétních genů u různých druhů, musí nutně připadat jako marginální. Pravdou ale je, že to zjasňuje obraz vývoje toho, co tu žilo před námi. Svým dílem k tomu nyní přispěla i kalibrace mutačních změn keratinu.

Závěr

Pohledem do křišťálové koule ze stávajících znalostí molekulární genetiky to vypadá, že  první eukaryotická (rostlino-živočišná) buňka vznikla před 2 miliardami let a že se na své cestě životem rostliny se živočichy rozešli před jednou miliardou let. A co se ptáků týče, těm k jejich dokonalému peří dopomohla šťastná mutace v genu pro beta-keratin už u dinosaurů a to před 160 miliony lety. Čínští vědci opět zabodovali. Tentokrát na poli biologických věd a nešlo při tom jen o posun vzniku moderního peří, jak by se z názvu článku mohlo zdát.

Literatura

Yanhong Pan et al., "The molecular evolution of feathers with direct evidence from fossils," PNAS (2019). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1815703116

Molecular evidence of keratin and melanosomes in feathers of the Early Cretaceous bird Eoconfuciusornis, PNAS, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1617168113