ŽIVE VRSTE

Dubravka Marić

Evolucija

Tajna skrivena u keratinu

Švajcarski naučnici su 2023. uspeli da proizvedu perje iz krljušti na stopalima pilića, pokazavši da evolutivni skok od krljušti do perja ne zahteva velike promene u sastavu genoma ili ekspresiji gena.

Kosa, krzno, perje, nokti, kljun, rog, kandže, kopita, bodlje, brkovi, kitova kost, kornjačin oklop i krljušt... napravljeni su od istog materijala - keratina, izuzetno izdržljivog vlaknastog proteina, svojstvenog kičmenjacima. Ove strukture nastaju iz epidermisa, relativno tankog i čvrstog spoljašnjeg dela kože. Nove epidermalne ćelije su ugrađene u keratin koji postaje kompaktan i formira očvrsli sloj koji se može odbaciti, oljuštiti, presvući ili zadržati, i pretvoriti u specijalizovane tvorevine. Keratin ima dva oblika: alfa, koji je savitljiviji, i beta, koji je čvršći. Način na koji je keratin uređen na molekularnom nivou, određuje strukturne razlike između različitih dodataka na koži u čijem stvaranju učestvuje.
Važna osobina keratina je da može da se savija u više pravaca, a da se pri tom ne pokida, kao i da je nerastvorljiv u vodi. Izdržljivost i fleksibilnost potiču od njegove mikroskopske strukture. Molekuli keratina se uvijaju u spirale u kojima postoje brojne veze između parova sumpornih jona. Ove veze su stabilne i odolevaju uticaju određenih enzima koji razbijaju proteine. Kada se ljudska kosa, prilikom friziranja, ispravlja ili uvija, moraju se koristiti posebne hemikalije za razbijanje disulfidnih veza. Rasturanje i naknadna rekonfiguracija ovih veza omogućavaju kosi da promeni izgled. Konačni oblik zavisi od relativnog položaja sumpornih jona u novim vezama.

Ili na kosti ili na koži

Zaštitne strukture koje sadrže keratin formiraju se procesom keratinizacije, kada epitelne ćelije prolaze kroz strukturne i biohemijske promene, gradeći zaštitni vodootporni sloj keratina na površini kože i drugih keratinizovanih tkiva. Ovaj proces je ključan za nastanak krajnjeg spoljašnjeg sloja epidermisa, koji služi kao barijera protiv stresnih faktora iz okoline i gubitka vode. Keratinizovana tkiva se mogu formirati na koži ili na kosti. Keratinizovane strukture, kao što su dlake i nokti, usađene su u kožu. Žuljevi na rukama ili stopalima su prosto gomile keratina i predstavljaju odgovor na ponovljeni stres do kog dolazi na određenom delu kože. Druge izrasline, kao što su bikovi rogovi, ukorenjene su u koštanom jezgru. Keratinizovane strukture stiču niz karakteristika, u zavisnosti od debljine proteinskih slojeva, pa je zato kosa tanka i fleksibilna, dok su krljušti često žilave i neprobojne.
Sa starenjem keratina, kidaju se disulfidne veze, i on biva podložniji hemijskim i fizičkim oštećenjima. Oštećenje se otkriva kao smanjenje zatezne čvrstoće, povećana sklonost ka lomljenju i pojačano bubrenje zbog vode. Propadanju su naročito podložne šuplje dlake, belo ili svetlo perje/dlake. Na krznu se strukturna oštećenja, najčešće, pojavljuju kao iskrzane dlake. Kod perja se oštećuju grane oko šuplje osovine (rahisa) pera, naročito na vrhovima. Gubitak perja može da bude asimetričan, a perje proređeno. Inače, gubitak dlake je cikličan, kao i kod većine životinja sa krljuštima i perjem. Teško zimsko krzno mnogih životinja se linja u proleće i zamenjuje lakšim - letnjim. Do linjanja će ponovo doći na jesen kada je potrebno toplije krzno.

Dlaka i njene varijacije

Dlaka i perje su samo neke od keratinskih struktura tipičnih za kičmenjake. Razvoj dlake i perja se mora posmatrati odvojeno od evolucije sisara i ptica kao različitih grupa životinja jer su sisari evoluirali od sinapsida pre više od tri stotine miliona godina, a ptice od dinosaurusa teropoda pre oko stopedeset miliona godina. Naučnici ne znaju kada je nastala dlaka jer evolutivna linija koja vodi do sisara obuhvata mnoge fosilne oblike koji zadiru daleko u prošlost, a kosa se ne fosilizuje (kao i većina mekih tkiva). Većina evolucionih biologa veruje da je evolucija kose povezana sa evolucijom endotermije ili sposobnosti da se proizvede unutrašnja telesna toplota, kao i da je dlaka odličan izolator toplote. Da li se prvo evoluirala dlaka ili je prvo došlo do razvoja endotermije, samo je jedno pitanje bez odgovora.
Dlake su uvek povezane sa lojnim žlezdama koje proizvode sebum (supstancu koja odbija vodu), kao i sa senzornim receptorima. Količina dlake, vrsta, dužina i boja dlake se kod sisara razlikuju, a ove osobine su zasnovane na njihovim specifičnim potrebama. Pas ili mačka su prekriveni dlakom, dok ljudima dlake rastu na određenim mestima. Kitovi su sisari, ali su skoro bezdlaki. Golo slepo kuče ima nekoliko raštrkanih dlaka koje mu pomažu da se orijentiše pod zemljom. Slonovi izgledaju kao da nemaju dlaku, ali su u stvari prekriveni dlakom različite dužine i gustine. Iako krzno često povezujemo sa održavanjem telesne toplote na hladnoći, slonovima dlaka omogućava da izgube toplotu i da se rashlade! 
Struktura dlake se razlikuje od strukture krljušti i perja. Ona se formira u udubljenju u koži koje se naziva folikul (koren dlake). Folikuli su sastavljeni iz matičnih ćelija, krvnih sudova, vezane lojne žlezde i mišića podizača (arrector pili). Kada se stimuliše, ovaj mali mišić se kontrahuje i povlači dlaku uvis, ako je životinji hladno ili želi da upozori. Vidljivi deo dlake je odgovoran za izgled životinje, a time i za njenu ukupnu obojenost. Krzno se sastoji od zaštitnih dlaka i kratke, fine, meke poddlake, koja je odgovorna za većinu izolacionih svojstava krzna. Poddlaku od abrazije i vlage štite dugačke i grube zaštitne dlake, koje su odgovorne i za obojenost.
Kod životinja prilagođenih hladnijoj klimi, kao što su karibui i planinske koze, zaštitne dlake mogu da budu bez pigmenta, tako da ostaju šuplje i mogu da obezbede dodatnu izolaciju. Boja dlake utiče na njenu sposobnost da reflektuje Sunčevo zračenje i da izoluje životinju od njega. Ona je važna i za vrste koje koriste Sunčevu toplotu da se zagreju i da uštede energiju. Boja dlake je važna i za kamuflažu, pa mnoge vrste životinja sezonski menjaju boju krzna. Naučnici su otkrili i da muve radije ujedaju sve bele, ili sve tamno obojene vrste konja i srodne vrste, pa zebrama njihovo crno-belo prugasto krzno služi da smanje napade ovih insekata.
Postoji mnogo različitih vrsta modifikovanih dlaka. Brkovi su dlake koje funkcionišu kao senzorni receptori. Bodljikavo prase ima modifikovane dlake koje se nazivaju bodlje, dok ehidne i ježevi imaju šuplje bodlje, koje su takođe prekrivene debelim slojem keratina. Takva ojačana dlaka ima direktnu odbrambenu funkciju. Pangolin ima modifikovane dlake u obliku krljušti koje pokrivaju njegovo telo - sa izuzetkom donje strane, obrasle retkim krznom. Azijski pangolini se razlikuju od afričkih po čekinjama koje vire između krljušti.

Čvrsta krljušt i nežno perje

Pangolin je jedini sisar sa krljuštima, koje su odlika riba i gmizavaca. Riblje krljušti nisu napravljene samo od keratina. Često potiču od kostiju u dermalnom ili središnjem sloju kože. Primitivna vrsta krljušti je ganoidna krljušt, koja je nekada bila uobičajena kod riba, a postoji samo kod jedne prastare grupe košljoriba. Dodatni premaz, ganoin, po kom je ovaj tip krljušti i nazvan, jači je od gleđi. Mnogi naučnici veruju da je ganoidna krljušt prvobitni tip krljušti, koji je doveo do evolucije zuba.
Krljušt gmizavaca se razlikuje od riblje. Načinjena je od alfa i beta-keratina, a potiče iz epidermisa. Između slojeva koji proizvode keratin za krljušti nalaze se voštani slojevi zbog kojih koža reptila zadržava vlažnost na kopnu. Krljušt gmizavaca je čvrsta i pomaže im da se penju po stenama i da klize po različitim površinama, kao što su šljunak i pesak.  Kako životinja raste, spoljašnji sloj kože se povremeno ljušti (presvlačenje).
Perje je proizvod rožnatog sloja kože, baš kao krljušt kod gmizavaca, kojima ptice najviše liče. Pokrovno perje na telu i glavi, konturno perje koje se nalazi na krilima i repu a služi za letenje, odnosno paperje koje ima ulogu izolatora - jesu tri osnovne vrste perja. Pero ima pernu dršku (granu), od koje dalje idu isperci (grančice). Nizovi isperaka su povezani pomoću nekoliko stotina resica koje se kukicama hvataju za resice do njih i formiraju glatku zastavicu pera, koja im omogućava da se lako održavaju u vazduhu. Razdvojene resice će ptica ponovo spojiti dok uređuje perje.
Područja na koži gde raste perje nazivaju se pterile, a vidljive su kada se ptica mitari (menja perje). Pero raste iz kožnog balončića u rupici oko koje se stvara keratin. Ptice moraju da održavaju konstantnu unutrašnju temperaturu od oko 42°C. Da bi to postigle, moraju da kontrolišu odavanje toplote. To čine tako što povećavaju zapreminu vazduha koji se nalazi između kože i spoljašnjeg perja. Što je ona veća - manji je gubitak toplote, jer je vazduh odličan izolator.

Kao što sisari imaju senzorne receptore, povezane sa dlakama, koji im pomažu da se snađu u okruženju, i ptice raspolažu senzornim receptorima povezanim sa perjem, koji im omogućavaju da osete prisustvo parazita. Trtična žlezda (glandula uropygii) izlučuje ulje koje ptice kljunom ili nogama nanose na perje, održavajući njegovu strukturu i štiteći ga od kvašenja. Ova masnoća ponekad sadrži biopigmente pa će zato ulje koje sadrži ružičasti pigment - belom perju dati ružičastu nijansu.
Osnovnu boju dlaci daju melaninski pigmenti u centralnom sloju ćelija vidljivog dela dlake. Obojenost dlake zavisi i od sadržaja vazduha u ćelijama, ali i od površinske strukture zida dlake. Kada je reč o krljušti, pigmenti su ili ugrađeni u nju, ili se nalaze u slojevima kože. Mehanizmi biopigmentacije i strukturne boje, koji se obično pojavljaju zajedno, dovode do stvaranja boje u perju. Biopigmenti su obojene supstance koje se nalaze u perju i nezavisne su od keratina, a ptica ili proizvodi ili dobija iz hrane. Strukturne boje su optički efekti koji nastaju kada svetlost interaguje sa keratinskim tkivima. Perje koje nije belo a ima strukturnu boju, generalno, i dalje sadrži biopigmente. Strukturni nizovi koji rasipaju svetlost u obojenom perju mogu da budu sastavljeni od melanina, vazduha ili to dvoje. Na primer, zeleno perje često sadrži strukturne plave i žute karotenoide. Belo perje je jedino perje bez pigmenta i zbog toga je slabije. 

Kako su krljušti postale perje

Dlaka, perje i krljušti su homologne strukture koje su nasleđene od zajedničkog reptilskog pretka, pa zato imaju i zajedničke rane razvojne procese u embrionalnoj fazi. Mišel Milinkovič i Rori Kuper, sa Univerziteta u Ženevi, su pre dve godine, dok su istraživali ulogu gena Sonic hedgehog (Shh) koji je, između ostalog, važan posrednik u rastu i grananju perja - pokazali da evolutivni skok od krljušti do perja ne zahteva velike promene u sastavu genoma ili ekspresiji gena.
Oni su tada precizno tretirali pileće embrione molekulom koji specifično aktivira Shh signalni put (komunikacioni sistem koji omogućava prenos poruka u ćelijama i između njih), tako što su ga ubrizgavali direktno u krvotok. Ovaj postupak, koji je imao samo jednu fazu, bio je dovoljan da pokrene formiranje bujnog juvenilnog perja (paperja) tamo gde bi inače bila krljušt, a to su stopala pilića! Istraživanja su nastavili, a ovog marta su objavili nove rezultate.
„Promena u ekspresiji takozvanog gena Sonic Hedgehog može transformisati krljušti stopala i perje na krilima. Dok prolazna prekomerna ekspresija gena može trajno da pretvori krljušti stopala u perje, mnogo je teže poremetiti sam razvoj perja. Mreža gena koji određuju perje je veoma čvrsta i osigurava njegov pravilan razvoj, čak i pod značajnim genetskim ili ekološkim poremećajima“, napisali su u časopisu „PLOS Biology“.
Inhibiranje ovog puta izrazito remeti razvoj perja kod pilića, ograničavajući rast pupoljaka perja, invaginaciju (odbacivanje epitelnih membrana embriona kao faze u stvaranju budućih oblika tela i organa) i grananje.Generalno, studija predstavlja sveobuhvatne funkcionalne dokaze o ulozi Shh puta u posredovanju prilikom razvoja perja kod pilića, podržavajući ideju da je modifikovana Shh signalizacija doprinela evolutivnoj diverzifikaciji perja i drugih dodataka na koži, kao što je krljušt na stopalima.
Autori ističu da funkcionalni in vivo dokazi o njegovoj ulozi tokom razvoja perja, ostaju ograničeni, i ocenjuju: „Naši eksperimenti pokazuju da, iako prolazni poremećaj u razvoju krljušti stopala može trajno da ih pretvori u perje, mnogo je teže poremetiti sam razvoj perja. Sada je veliki izazov razumeti na koji način su se ove genetske interakcije promenile da bi omogućile pojavu protoperja tokom rane evolucije dinosaurusa.“

Dubravka Marić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"