Люди издавна были очарованы пением птиц и какофонией других птичьих звуков — от воркования и гудения до кряканья и писка. Но мало что известно о том, как уникальный голосовой орган птиц — сиринкс — варьируется от вида к виду или о его более глубоком эволюционном происхождении. Три недавних исследования, проведенных исследователями из Техасского университета в Остине, меняют ситуацию.
Исследования включают в себя анатомическое сканирование сиринксов колибри и страусов (самых маленьких и крупнейших видов птиц в мире) с высоким разрешением, а также открытие того, что сиринкс и гортань, голосовой орган рептилий и млекопитающих, включая человека, имеют одну и ту же программу развития.
По словам Джулии Кларк, профессора Школы геонаук Джексона при Университете Техаса, эта генетическая связь между голосовыми органами является новым захватывающим примером «глубокой гомологии» — термина, который описывает, как разные ткани или органы могут иметь общую генетическую связь.
«Для меня это так же важно, как переход от ласт к конечностям», — сказала Кларк, которая была соавтором исследования. «В некотором смысле он даже больше, потому что сиринкс — это не модифицированный орган с новой функцией, а совершенно новый орган с древней и общей функцией».
Эти три исследования построены на основе совместных и междисциплинарных исследований сиринксов с физиологами и биологами развития, которые Кларк возглавляет более десяти лет.
Исследование началось в 2013 году, когда палеонтолог Кларк обнаружил сиринкс в окаменелости утиноподобной птицы, которая жила на территории нынешней Антарктиды в позднем меловом периоде. Этот экземпляр является старейшим из когда-либо обнаруженных сиринксов. Но когда она попыталась сравнить ископаемый сиринкс с сиринксами современных птиц, она обнаружила недостаток научной литературы. Многие исследования датируются 19 веком, до появления современных научных изображений, или цитируют утверждения из более старых исследований, сделанные без их двойной проверки.
Это поставило перед Кларк задачу модернизировать и максимизировать сбор данных о сиринксах.
«У нас была эта новая трехмерная структура, но нам не с чем было ее сравнивать», — сказал Кларк, описывая данные компьютерной томографии ископаемого сиринкса. «Итак, мы начали получать ранее не существовавшие данные о строении сиринкса у многих различных групп птиц».
За прошедшие годы Кларк и сотрудники ее лаборатории разработали новые методы вскрытия, консервации и компьютерной томографии сиринксов, которые помогли более детально выявить сиринкс. Эти расширенные исследования голосового органа страуса и колибри показали, что поведение птиц может быть столь же важным, как и сиринкс, когда дело касается репертуара звуков, которые эти птицы издают.
Например, при исследовании страусиного сиринкса в Journal of Anatomy ученые не обнаружили существенных различий в анатомии сиринкса между взрослыми самцами и самками птиц (предыдущие исследования были сосредоточены только на страусах-самцах). При том же голосовом аппарате страусы-самцы, как правило, издают более широкий спектр звуков, чем страусы-самки, причем эти звуки часто связаны с агрессивным поведением между шумными самцами.
Во время посещения страусиной фермы в Техасе исследователи зафиксировали 11 типов криков: от высокочастотного писка и бульканья у страусят до низкочастотного свиста и гула у взрослых самцов. В их число входило несколько типов вызовов, которые никогда ранее не записывались. Единственными звуками, точно зафиксированными у взрослых самок страусов, было шипение. Недостаток дальности действия самкам они компенсировали отношением, говорит Майкл Чиаппоне, который занимался исследованиями страусов еще будучи студентом школы Джексона и является ведущим автором исследования.
«Они были весьма плодовитыми шипителями», — сказал Чиаппоне, который сейчас учится в докторантуре Университета Миннесоты.
Для исследования колибри, опубликованного в Zoological Journal of the Linnean Society, исследователи сравнили сиринкс колибри с сиринксом стрижей и козодоев, двух близких родственников, и обнаружили, что все три птицы имеют одинаковые голосовые связки в сиринксе, несмотря на разные способы обучения. их звонки. Стрижи и козодои используют ограниченный репертуар инстинктивных звуков, в то время как колибри способны уточнять звуки, изучая сложные песни друг у друга. Эта черта называется вокальным обучением.
По словам Лукаса Лежандра, научного сотрудника Школы Джексона, который руководил исследованием колибри, полученные результаты позволяют предположить, что общий предок всех трех птиц также имел схожую структуру голосовых связок — и что это, возможно, помогло заложить основу для эволюции вокального обучения. у колибри.
«Наличие всех структур голосовых связок, которые уже присутствовали у колибри до того, как они научились вокалу, вероятно, облегчило им обучение постановке голоса», - сказал он.
До начала исследования было неясно, есть ли у стрижей голосовые связки. В рамках исследования Лежандр создал цифровую 3D-модель быстрого голосового трека, которая переносит зрителей вниз по дыхательному горлу к сиринксу и голосовым связкам, расположенным в верхней части каждой ветви сиринкса. Модель, названная Кларк «магическим таинственным путешествием», демонстрирует достижения в анатомических знаниях сиринкса, которыми руководит ее лаборатория.
«Эта структура, как известно, не существовала за пределами колибри, но наша компьютерная томография показала, что у стрижей эти голосовые связки находятся в том же положении», — сказал Кларк. «Это такое путешествие, которое нам нужно было совершить, чтобы получить эти ответы».
В то же время Кларк и ее команда разрабатывали методы сохранения и изучения анатомии сиринкса у разных видов птиц. Они сотрудничали с Клиффордом Тейбином, биологом развития из Гарвардского университета, в исследовании эволюционного происхождения сиринкса путем отслеживания экспрессии генов, которые сопровождало развитие голосовых органов у эмбрионов птиц, млекопитающих и рептилий.
Исследование, опубликованное в журнале Current Biology, является кульминацией этого сотрудничества. В исследовании подробно описано, как ученые обнаружили глубокую связь между тканями гортани и сиринкса, наблюдая, что одни и те же гены контролируют развитие голосовых органов у мышей и куриных эмбрионов соответственно, даже несмотря на то, что эти органы возникли из разных эмбриональных слоев.
«Они формируются под влиянием одних и тех же генетических путей, в конечном итоге придавая голосовой ткани схожую клеточную структуру и вибрационные свойства у птиц и млекопитающих», — сказал Табин, один из руководителей исследования.
В исследовании также проанализировано развитие сиринкса у разных видов птиц, в ходе которого наблюдалась экспрессия генов у эмбрионов 14 различных видов, от пингвинов до волнистых попугаев, и было обнаружено, что общий предок современных птиц, вероятно, имел сиринкс с двумя источниками звука или двумя независимо функционирующими голосовыми источниками. складки. Эта черта сегодня встречается у певчих птиц, позволяя многим из них издавать два разных звука одновременно. Исследование предполагает, что общий предок птиц, возможно, издавал столь же разнообразные звуки.
Эти результаты могут пролить свет на происхождение сиринкса, но до сих пор неизвестно, когда сиринкс впервые появился и был ли у нептичьих динозавров — предков сегодняшних птиц — голосовой орган, сказала Кларк. Никто еще не нашел ископаемого сиринкса нептичьего динозавра.
По словам Кларк, лучший способ понять возможности древних звуков динозавров — это продолжить изучение вокализации в том виде, в котором она существует сегодня у птиц, динозавров, которые все еще живут с нами, и других родственников рептилий.
«Мы не можем начать говорить о производстве звука у динозавров, пока по-настоящему не поймем эту систему у живых видов», — сказала она.
