Naukowcy badali modelowe kurczaki. Rozwój kręgowców, a zwłaszcza tetrapodów, do których należymy, to pasjonujący proces, dzięki któremu, o ile wszystko pójdzie prawidłowo, wiadomo, gdzie ma być głowa, a gdzie ogon, gdzie kończyny i cała reszta. Tu bez żadnego wglądu w anatomię rzucają się w oczy skóra i jej wytwory: łuski, pióra i włosy. Po nich się rozróżnia gady od ptaków i ssaków, czyż nie? Czy da się któryś z tych wytworów zamienić w inny w miarę prostą genetyczną manipulacją? Odpowiedź, tym razem dotycząca łusek i piór, jest twierdząca, a udzielili jej ostatnio na łamach „Science Advances” genetycy Michel Milinkovitch i Rory Cooper z Uniwersytetu Genewskiego. Badali oni modelowe kurczaki, które na całym ciele pokryte są jak wiadomo piórami, zaś skok i palce okrywają im łuski – a dokładnie tzw. podoteka.Są to rogowe łuski rozmaitych kształtów i rozmiarów, czasem zlane na przodzie w jedną rogową płytkę (np. u drozdów albo krasek). Są niczym ptasie linie papilarne w tym sensie, że są czasem jedyną różnicą pozwalającą bez badań genetycznych rozróżniać gatunki ptaków w konkretnym rodzaju. Sam fakt, że u niektórych ptaków (jak pardwy, północne sowy a nawet jaskółki oknówki), których skok, a bywa że i palce, są w całości pokryte piórami, dowodzi, że rozwój podoteki (czyli łusek) i piór, przynajmniej u ptaków, jest jakoś wspólnie sterowany. Pozostawało jednak tajemnicą, jak.Nic się nie wie, dopóki się nie przeprowadzi eksperymentu. Zanim szwajcarscy genetycy zabrali się do pracy nad modyfikowaniem upierzenia kurczaka, znane było kilka genów determinujących rozwój piór, np. tzw. konwertery łusek i piór Sox2, Zic1, Grem1, Spry2 i Sox18. Oni wycelowali w gen zwany shh (od sonic hedgehog homolog). Do tej pory wiadomo było o nim tyle, że koduje on jedno z trzech białek z rodziny wystepującej u kręgowców, ale sam gen odpowiednik shh działa już u muszki owocowej.To w niej właśnie został odkryty i nazwany od bohatera gry komputerowej firmy Sega, niebieskiego jeża Sonica (oryg. Sonic the Hedgehog). Otrzymał tę nazwę, ponieważ embriony mutantów muszek owocówek pozbawione tego genu pokryte są cienkimi zębami, czyli małymi spiczastymi wypustkami, przez co przypominają Sonika. Gen odkryto podczas klasycznych już dziś i nagrodzonych Noblem z medycyny w 1995 roku dla Christiane Nüsslein-Volhard i Erica Wieschausa badań przesiewowych genomu muszki owocówki , by znaleźć geny odpowiedzialne za rozwój tego modelowego w biologii od stu lat stworzenia.Jego odpowiednik u kręgowców koduje białko SHH regulujące działanie jednego z licznych szlaków przekazywania sygnału w komórkach. Kluczową rolą szlaku wrażliwego na SHH jest regulacja organogenezy zarodka – tego czasu gdy zaczynają powstawać zawiazki narządów. U człowieka mutacje tego genu powodują np. ciężka chorobę rozwojową mózgu, holoprozencefalię typu 3 (HPE3).Gen shh był znanym wcześniej istotnym czynnikiem wpływającym na kształt i zróżnicowanie piór, pozycjonowanie lotek u ptaków oraz rozwój mieszków włosowych u myszy. Dziś gen ten okazuje się odpowiedzialny za prawidłowe powstawanie w konkretnych obszarach ciała ptaka wytworów jego skóry, czyli piór i łusek.Na skoku i palcach badanych w Genewie kurczaków zamiast podoteki rosną i rozwijają się normalne pióra. W tym celu ptaki te w 11 dniu rozwoju embrionalnego (jeszcze w jaju) potraktowano, wprowadzając w naczynia krwionośne pęcherzyka żółtkowego iniekcję ze środka zdolnego zaburzyć działanie SHH. A dokładnie przedwcześnie aktywować regulowaną przez niego ścieżkę sygnałową, co „wyzwala całkowite i trwałe przejście od siatkowatych łusek do piór na brzusznych powierzchniach łap i palców. Otrzymane zaś ektopowe pióra są rozwojowo porównywalne z piórami osłaniajacymi ciało, przy czym pióra typu puchowego przechodzą u dorosłych kurczaków w regeneracyjne, obustronnie symetryczne pióra konturowe” – informują w swej pracy naukowcy.Tak to jest, gdy stymulacja zadziała za wcześnie – mamy zaburzony rozwój i pióra zamiast łusek.Pióra i łuski składają się z dwóch różnych form beta-keratyny i od dawna uważano, że każdy rodzaj keratyny jest charakterystyczny dla każdej z tych struktur skóry (włosy buduje keratyna typu alfa i to jest temat na osobną opowieść o ewolucji). Jednak keratyna charakterystyczna dla ptasich piór jest również obecna we wczesnych stadiach rozwoju łusek aligatora amerykańskiego. Podczas rozwoju embriologicznego aligatora powstawanie tej ptasiej keratyny jest tłumione, dlatego aligatory… nie są opierzone. Bo mogłyby być. Istniał zatem wspólny przodek ptaków i krokodyli, który miał tę „pierzastą” beta-keratynę.Do tego obrazu trzeba jeszcze ewolucyjnie dołożyć dinozaury, bo tzw. zegar molekularny beta-keratyn wskazuje, że podrodzina z piórami dzisiejszych ptaków powstała 143 miliony lat temu. Pióra były obecne u wczesnych ornitodirów (ta grupa archozaurów obejmuje dinozaury) i jest to zgodne z zapisem kopalnym.Laboratorium Milinkovitcha już w 2016 roku wykazało, że różne zrogowaciałe wytwory skóry (włosy, pióra itd.) mają to samo ewolucyjne pochodzenie i wystepują już u przodków gadów setki milionów lat temu. U wszystkich zwierząt pochodzących od tych permskich stworzeń rozwój wspomnianych wytworów skóry zaczyna się od struktur skórnych zwanych placodami, które pogrubiają się, a następnie zaczynają dawać łuski, kolce lub inne wyrostki.Dziś obaj autorzy badania nad brojlerami i ich łuskami na nogach twierdzą, że ma to implikacje dla naszego zrozumienia ewolucji i różnorodności zwierząt. Naturalne zmiany w rozwojowej zarodkowej sygnalizacji będącej pod kontrolą białka SHH są prawdopodobnie ewolucyjnym motorem różnorodności wytworów skóry. Różnorodność zaś owa okazuje się ewolucyjnie, a zatem genetycznie, nieszczególnie trudna do osiągnięcia. Choć na pierwszy rzut oka łuska to łuska, a pióro to pióro i niespecjalnie są do siebie podobne. Zamiast wielkich rewolucji i setek mutacji wystarczy jedna i to przejściowa zmiana w ekspresji jednego genu, Shh, aby wywołać kaskadę zdarzeń rozwojowych prowadzących do powstania piór zamiast łusek – jak można przeczytać „Science Advances”.W rozmowie ze mną dr hab. Tomasz Sulej, profesor Instytutu Paleobiologii PAN, znawca ery mezozoicznej i autor popularnej książki dla czytelników od lat 5 do 105 „Gdy na Ziemi żyły dinozaury” podsumował rzecz tak:„ Fakt, że piora powstały z łusek, znamy już od dawna. Nie jest również niespodzianką, że kura ma geny kodujące pióra. A jednak fakt, że zmiana funkcjonowania tylko jednego z tych genów sprawia, że zamiast łusek powstają pióra, wprawia w osłupienie. Choć z drugiej strony uświadamia jak wiele ścieżek rozwoju organizmu zależy od pojedynczych genów np. tzw. genów homeotycznych. A nawiązując do dinozaurów, wciąż pozostaje zagadką w jakiej grupie archozaurów (z nich wywodzą się dninozaury, krokodyle i ptaki) powstały pióra i struktury pióropodobne, i ile razy w dziejach życia na Ziemi się to wydarzyło”.