أفاد علماء الأحياء التطورية أنهم جمعوا بين عمليات المسح PET للحمام الحديث إلى جانب دراسات حفريات الديناصورات للمساعدة في الإجابة على سؤال دائم في علم الأحياء: كيف تطورت أدمغة الطيور لتمكينها من الطيران؟
طائر – صورة توضيحية. رصيد الصورة: Pixabay (ترخيص بيكساباي مجاني)
يبدو أن الإجابة هي زيادة تكيفية في حجم المخيخ في بعض الفقاريات الأحفورية. المخيخ هو منطقة تقع في الجزء الخلفي من دماغ الطيور وهي مسؤولة عن الحركة والتحكم الحركي.
يتم نشر نتائج البحوث في المجلة وقائع الجمعية الملكية B.
وقال المؤلف المشارك في الدراسة: "لقد وجدنا أنه عندما تنتقل الطيور من الراحة إلى الطيران، يتم تنشيط الدوائر في المخيخ أكثر من أي جزء آخر من الدماغ". بول جينياك، أستاذ مشارك في جامعة أريزونا كلية الطب - توكسون، دراسة التشريح العصبي والتطور. وهو أيضًا باحث مشارك في المتحف الأمريكي للتاريخ الطبيعي.
وقال جينياك: "نظرنا بعد ذلك إلى الجمجمة المقابلة لهذه المنطقة في حفريات الديناصورات والطيور لتتبع متى تضخم المخيخ". "حدثت أول نبضة للتضخم قبل أن تطير الديناصورات، مما يدل على أن طيران الطيور يستخدم مرحلات عصبية قديمة ومحفوظة جيدًا، ولكن مع مستويات مرتفعة وفريدة من النشاط."
لقد اعتقد العلماء منذ فترة طويلة أن المخيخ يجب أن يكون مهمًا في رحلة الطيور، لكنهم افتقروا إلى الأدلة المباشرة. ولتحديد قيمته، قام البحث الجديد بدمج بيانات التصوير المقطعي الحديث للحمام العادي مع السجل الأحفوري، وفحص مناطق دماغ الطيور أثناء الطيران وأدمغة الديناصورات القديمة. تُظهر فحوصات التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) كيفية عمل الأعضاء والأنسجة.
وقالت المؤلفة الرئيسية إيمي بالانوف، من كلية الطب بجامعة جونز هوبكنز: "إن الطيران بين الفقاريات حدث نادر في التاريخ التطوري".
في الواقع، تطورت ثلاث مجموعات فقط من الفقاريات، أو الحيوانات ذات العمود الفقري، لتتمكن من الطيران: التيروصورات المنقرضة - أهوال السماء خلال فترة الدهر الوسيط، التي انتهت قبل أكثر من 65 مليون سنة - والخفافيش والطيور، كما قال بالانوف. لا ترتبط مجموعات الطيران الثلاث ارتباطًا وثيقًا في الشجرة التطورية، وظلت العوامل الرئيسية التي مكنت الطيران في المجموعات الثلاث غير واضحة.
إلى جانب التكيفات الجسدية الخارجية للطيران، مثل الأطراف العلوية الطويلة، وأنواع معينة من الريش، والجسم الانسيابي وغيرها من الميزات، صمم الفريق بحثًا للعثور على الميزات التي خلقت دماغًا جاهزًا للطيران.
وللقيام بذلك، ضم الفريق مهندسي الطب الحيوي في جامعة ستوني بروك في نيويورك لمقارنة نشاط الدماغ لدى الحمام الحديث قبل وبعد الطيران.
أجرى الباحثون فحوصات PET لمقارنة النشاط في 26 منطقة من الدماغ عندما كان الطائر في حالة راحة وبعد طيرانه مباشرة لمدة 10 دقائق من مكان إلى آخر. قاموا بفحص ثمانية طيور في أيام مختلفة. تستخدم فحوصات التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني مركبًا مشابهًا للجلوكوز يمكن تتبعه إلى المكان الذي يتم امتصاصه فيه بشكل أكبر بواسطة خلايا الدماغ، مما يشير إلى زيادة استخدام الطاقة وبالتالي النشاط. يتحلل المتعقب ويخرج من الجسم خلال يوم أو يومين.
ومن بين المناطق الـ 26، شهدت منطقة واحدة - المخيخ - زيادات ملحوظة إحصائيا في مستويات النشاط بين الراحة والطيران في جميع الطيور الثمانية. بشكل عام، اختلف مستوى زيادة النشاط في المخيخ بشكل كبير، مقارنة بمناطق أخرى من الدماغ.
واكتشف الباحثون أيضًا زيادة في نشاط الدماغ فيما يسمى بمسارات التدفق البصري، وهي شبكة من خلايا الدماغ التي تربط شبكية العين بالمخيخ. تعالج هذه المسارات الحركة عبر المجال البصري.
وقال بالانوف إن النتائج التي توصل إليها الفريق بشأن زيادة النشاط في المخيخ ومسارات التدفق البصري لم تكن مفاجئة بالضرورة، حيث تم الافتراض بأن هذه المناطق تلعب دورًا في الطيران.
الجديد في بحثهم هو ربط النتائج المخيخية للأدمغة القادرة على الطيران في الطيور الحديثة بالسجل الأحفوري الذي أظهر كيف بدأت أدمغة الديناصورات الشبيهة بالطيور في تطوير ظروف المخ للطيران بالطاقة.
وللقيام بذلك، استخدم الفريق قاعدة بيانات رقمية من القوالب الداخلية، أو قوالب الفضاء الداخلي لجماجم الديناصورات، والتي تشبه الدماغ عند ملئها.
ثم حددوا وتتبعوا زيادة كبيرة في حجم المخيخ لبعض أقدم أنواع ديناصورات المانيرابتور، والتي سبقت الظهور الأول للطيران الآلي بين أقارب الطيور القديمة، بما في ذلك الأركيوبتركس، ديناصور مجنح.
كما وجد الباحثون بقيادة بالانوف دليلاً في النتوءات الداخلية على زيادة في طي الأنسجة في المخيخ لدى المانيرابتورات المبكرة، وهو مؤشر على زيادة تعقيد الدماغ.
وحذر الباحثون من أن هذه النتائج مبكرة، وأن تغيرات نشاط الدماغ أثناء الطيران الآلي يمكن أن تحدث أيضًا أثناء سلوكيات أخرى، مثل الطيران الشراعي. وأشاروا أيضًا إلى أن اختباراتهم تضمنت طيرانًا مباشرًا، دون عوائق وبمسار طيران سهل، وقد تكون مناطق الدماغ الأخرى أكثر نشاطًا أثناء مناورات الطيران المعقدة.
ويخطط فريق البحث بعد ذلك لتحديد مناطق دقيقة في المخيخ تمكن الدماغ الجاهز للطيران والوصلات العصبية بين هذه الهياكل.
وقال غابرييل بيفر، المؤلف المشارك من كلية الطب بجامعة جونز هوبكنز، إن النظريات العلمية حول سبب كبر حجم الدماغ عبر التاريخ التطوري تشمل الحاجة إلى اجتياز مناظر طبيعية جديدة ومختلفة، مما يمهد الطريق للطيران وأساليب القاطرة الأخرى.
ومن بين مؤلفي الدراسة الآخرين إليزابيث فيرير من المتحف الأمريكي للتاريخ الطبيعي وجامعة صموئيل ميريت؛ ليميس صالح وبول فاسكا من جامعة ستوني بروك؛ إم يوجينيا جولد من المتحف الأمريكي للتاريخ الطبيعي وجامعة سوفولك؛ جي سومروجáن-لوبمن جامعة مدريد المستقلة؛ ومارك نوريل من المتحف الأمريكي للتاريخ الطبيعي؛ ديفيد أوليت من كلية طب وايل كورنيل؛ ومايكل ساليرنو من جامعة بنسلفانيا؛ أكينوبو واتانابي من المتحف الأمريكي للتاريخ الطبيعي، معهد نيويورك للتكنولوجيا، كلية الطب التقويمي ومتحف التاريخ الطبيعي في لندن؛ وShouyi Wei من مركز نيويورك للبروتون.
تم تمويل هذا البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية.
المصدر جامعة أريزونا
