Добавочную энергию для полёта колибри получили, потеряв один из «антиэнергетических» генов.

У колибри частота взмахов крыльев может достигать восьмидесяти в секунду. Причём речь тут идёт об обычном полёте, когда колибри просто летает с места на место, от цветка к цветку. В брачных же танцах частота взмахов становится ещё выше, и, по некоторым данным, есть виды, чьи самцы, ухаживая за самкой, способны совершать до двухсот взмахов в секунду. Знаменитая способность колибри зависать на месте, лететь спиной и двигаться вбок, не разворачиваясь всем телом, тоже во многом обусловлена тем, что они могут очень часто махать крыльями (хотя и характер движений тоже играет роль). Можно представить себе, сколько энергии они при этом тратят.

(Фото: Candi Foltz / Unsplash.com) 

Очевидно, у колибри должны быть какие-то энергетические уловки. Главное блюдо в их меню — цветочный нектар, из которого они очень быстро извлекают углеводы. Активность ферментов, расщепляющих углеводы, у колибри чрезвычайно высока, кроме того, фруктозу они перерабатывают так же эффективно, как глюкозу, в отличие, например, от человека. В статье в Science сотрудники Зенкенбергского института вместе с коллегами из Общества Макса Планка описывают ещё одну хитрость, которая даёт колибри лишнюю энергию: у них, как оказалось, отсутствует ген FBP2, ген фруктозо-бисфосфатазы 2. Этот фермент работает в мышцах, где катализирует одну из реакций глюконеогенеза, то есть сборки углеводов из более простых молекул.

Глюконеогенез — это процедура, обратная гликолизу. Когда клетка начинает расщеплять углевод, например, глюкозу, чтобы получить из него энергию, то начинается всё как раз с гликолиза. Так называют цепочку реакций, в которых сахара разрушаются, при этом образуется какое-то количество молекул АТФ (в них энергия запасается и хранится в удобной для клетки форме), а другие продукты расщепления отправляются к ферментам клеточного дыхания. Это ещё один большой комплекс биохимических реакций, которые с помощью кислорода извлекают из питательных веществ добавочную энергию (причём энергии от клеточного дыхания получается намного больше, чем от гликолиза, в котором углеводы расщепляются без кислорода). При глюконеогенезе же всё происходит наоборот: из продуктов гликолитического углеводного расщепления синтезируется глюкоза; то есть ферменты глюконеогенеза можно назвать «антиэнергетическими». 

Фермент FBP2, как было сказано, работает в глюконеогенезе. Те вещества, которые образуются при работе «антиэнергетического» FBP2, мешают работать энергетическим ферментам гликолиза. Анализ ДНК длиннохвостого колибри-отшельника показал, что у него нет гена FBP2. А при сравнении генов этого колибри с генами других колибри, а также генами других птиц стало ясно, что FBP2 не было уже у общего предка всех колибри, который жил между 48 и 30 млн лет назад.

Очевидно, без гена FBP2 и фермента FBP2 у колибри должны более активно идти энергетические реакции переработки углеводов. Когда ген FBP2 отключали в птичьих клетках, в которых он обычно работает, то в них усиливался и гликолиз, и реакции кислородные энергетические реакции. В клетках с выключенным FBP2 становилось больше митохондрий — энергетических органелл, в которых идут реакции клеточного дыхания, и в них повышалась активность генов, от которых клеточное дыхание зависит.

То, что FBP2 не работал уже у предка всех колибри, говорит о том, что своему знаменитому полёту они научились во многом благодаря отключению одного из «антиэнергетических» генов. Хотя, разумеется, отключение и утрата FBP2 не единственное, что сделало колибри такими, какими мы их знаем. Сложная молекулярно-генетическая основа есть даже у самых простых, на первый взгляд, эволюционных признаков, и что уж тогда говорить о такой сложной вещи, как энергетика птичьего полёта.