Evolusionêre bioloë rapporteer hulle het PET-skanderings van moderne duiwe gekombineer met studies van dinosourusfossiele om 'n blywende vraag in biologie te help beantwoord: Hoe het die brein van voëls ontwikkel om hulle in staat te stel om te vlieg?
'n Voël – illustratiewe foto. Beeldkrediet: Pixabay (Gratis Pixabay-lisensie)
Die antwoord blyk 'n aanpasbare toename in die grootte van die serebellum by sommige fossielgewerwelde diere te wees. Die serebellum is 'n gebied aan die agterkant van die voëlbrein wat verantwoordelik is vir beweging en motoriese beheer.
Die navorsingsbevindinge word in die joernaal gepubliseer Verrigtinge van die Royal Society B.
"Ons het gevind dat wanneer voëls van rus na vlug oorgaan, stroombane in die serebellum meer geaktiveer word as in enige ander deel van die brein," sê studie mede-outeur Paul Gignac, 'n medeprofessor aan die Universiteit van Arizona College of Medicine - Tucson, wat neuroanatomie en evolusie bestudeer. Hy is ook 'n navorsingsgenoot vir die American Museum of Natural History.
"Ons het toe gekyk na die skedel wat ooreenstem met hierdie streek in dinosourus- en voëlfossiele om op te spoor wanneer die serebellum vergroot het," het Gignac gesê. "Die eerste pols van vergroting het plaasgevind voordat dinosourusse vlerk geneem het, wat toon dat voëlvlugte gebruik maak van ou en goed bewaarde neurale relais, maar met unieke verhoogde vlakke van aktiwiteit."
Wetenskaplikes het lank gedink dat die serebellum belangrik moet wees in voëlvlug, maar hulle het nie direkte bewyse gehad nie. Om die waarde daarvan vas te stel, het die nuwe navorsing moderne PET-skanderingbeelddata van gewone duiwe gekombineer met die fossielrekord, wat breinstreke van voëls tydens vlug en breinkaste van antieke dinosourusse ondersoek het. PET-skanderings wys hoe organe en weefsels werk.
"Aangedrewe vlug onder gewerwelde diere is 'n seldsame gebeurtenis in die evolusionêre geskiedenis," het hoofskrywer Amy Balanoff, van die Johns Hopkins Universiteit Skool vir Geneeskunde, gesê.
Trouens, net drie groepe gewerwelde diere, of diere met 'n ruggraat, het ontwikkel om te vlieg: uitgestorwe pterosourusse - die verskrikkinge van die lug tydens die Mesosoïese tydperk, wat meer as 65 miljoen jaar gelede geëindig het - vlermuise en voëls, het Balanoff gesê. Die drie vlieënde groepe is nie nou verwant aan die evolusionêre boom nie, en die sleutelfaktore wat vlug in al drie moontlik gemaak het, het onduidelik gebly.
Benewens die uiterlike fisiese aanpassings vir vlug, soos lang boonste ledemate, sekere soorte vere, 'n vaartbelynde liggaam en ander kenmerke, het die span navorsing ontwerp om kenmerke te vind wat 'n vluggereed brein geskep het.
Om dit te doen, het die span biomediese ingenieurs by Stony Brook Universiteit in New York ingesluit om die breinaktiwiteit van moderne duiwe voor en na vlug te vergelyk.
Die navorsers het PET-skanderings uitgevoer om aktiwiteit in 26 streke van die brein te vergelyk wanneer die voël in rus was en onmiddellik nadat dit vir 10 minute van een sitplek na 'n ander gevlieg het. Hulle het agt voëls op verskillende dae geskandeer. PET-skanderings gebruik 'n verbinding soortgelyk aan glukose wat nagespoor kan word tot waar dit die meeste deur breinselle geabsorbeer word, wat dui op verhoogde gebruik van energie en dus aktiwiteit. Die spoorsnyer degradeer en word binne 'n dag of twee uit die liggaam uitgeskei.
Van die 26 streke het een gebied – die serebellum – statisties beduidende toenames in aktiwiteitsvlakke gehad tussen rus en vlieg by al agt voëls. Oor die algemeen het die vlak van aktiwiteitstoename in die serebellum aansienlik verskil, in vergelyking met ander areas van die brein.
Die navorsers het ook verhoogde breinaktiwiteit opgespoor in die sogenaamde optiese vloeibane, 'n netwerk van breinselle wat die retina in die oog met die serebellum verbind. Hierdie paaie verwerk beweging oor die visuele veld.
Balanoff het gesê die span se bevindinge van aktiwiteitstoename in die serebellum en optiese vloeibane was nie noodwendig verbasend nie, aangesien die gebiede veronderstel is om 'n rol in vlug te speel.
Wat nuut in hul navorsing was, was om die serebellumbevindinge van vluggeaktiveerde breine in moderne voëls te koppel aan die fossielrekord wat gewys het hoe die brein van voëlagtige dinosourusse breintoestande vir aangedrewe vlug begin ontwikkel het.
Om dit te doen, het die span 'n gedigitaliseerde databasis van endocasts gebruik, of vorms van die interne ruimte van dinosourusskedels, wat, wanneer dit gevul is, soos die brein lyk.
Hulle het toe 'n aansienlike toename in serebellumvolume geïdentifiseer en opgespoor na sommige van die vroegste spesies maniraptoran-dinosourusse, wat die eerste verskynings van aangedrewe vlug onder antieke voëlverwante voorafgegaan het, insluitend Archaeopteryx, 'n gevleuelde dinosourus.
Die navorsers onder leiding van Balanoff het ook bewyse gevind in die endokaste van 'n toename in weefselvou in die serebellum van vroeë maniraptorans, 'n aanduiding van toenemende breinkompleksiteit.
Die navorsers het gewaarsku dat dit vroeë bevindings is, en veranderinge in breinaktiwiteit tydens aangedrewe vlug kan ook voorkom tydens ander gedrag, soos sweef. Hulle merk ook op dat hul toetse reguit vlieg, sonder hindernisse en met 'n maklike vlugpad behels het, en ander breinstreke kan meer aktief wees tydens komplekse vlugmaneuvers.
Die navorsingspan beplan daarna om presiese areas in die serebellum vas te stel wat 'n vluggereed brein en die neurale verbindings tussen hierdie strukture moontlik maak.
Wetenskaplike teorieë oor hoekom die brein deur die evolusionêre geskiedenis groter word, sluit in die behoefte om nuwe en verskillende landskappe te deurkruis, wat die verhoog vir vlug en ander lokomotiefstyle stel, het mede-outeur Gabriel Bever van die Johns Hopkins Universiteit Skool vir Geneeskunde gesê.
Ander studie skrywers sluit in Elizabeth Ferrer van die American Museum of Natural History en Samuel Merritt Universiteit; Lemise Saleh en Paul Vaska van Stony Brook Universiteit; M. Eugenia Gold van die American Museum of Natural History en Suffolk Universiteit; Jesúss Marugán-Lobón van die outonome Universiteit van Madrid; Mark Norell van die American Museum of Natural History; David Ouellette van Weill Cornell Medical College; Michael Salerno van die Universiteit van Pennsylvania; Akinobu Watanabe van die American Museum of Natural History, New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine en Natural History Museum of London; en Shouyi Wei van die New York Proton Centre.
Hierdie navorsing is deur die National Science Foundation befonds.
Bron: Universiteit van Arizona
