Evoluční biologové hlásí, že spojili PET skeny moderních holubů spolu se studiemi dinosauřích fosilií, aby pomohli odpovědět na trvalou otázku v biologii: Jak se vyvinuly mozky ptáků, aby jim umožnily létat?
Ptáček – ilustrační foto. Kredit obrázku: Pixabay (bezplatná licence Pixabay)
Zdá se, že odpovědí je adaptivní zvětšení velikosti mozečku u některých fosilních obratlovců. Mozeček je oblast v zadní části ptačího mozku, která je zodpovědná za pohyb a ovládání motoriky.
Výsledky výzkumu jsou publikovány v časopise Proceedings of the Royal Society B.
"Zjistili jsme, že když ptáci přecházejí z klidu do letu, okruhy v mozečku se aktivují více než v kterékoli jiné části mozku," řekl spoluautor studie. Paul Gignac, docent na Arizonské univerzitě College of Medicine - Tucson, studující neuroanatomii a evoluci. Je také vědeckým spolupracovníkem Amerického muzea přírodní historie.
"Potom jsme se podívali na lebku odpovídající této oblasti ve zkamenělinách dinosaurů a ptáků, abychom mohli sledovat, kdy se mozeček zvětšil," řekl Gignac. "První impuls rozšíření nastal předtím, než dinosauři vzali křídla, což ukazuje, že let ptáků používá stará a dobře zachovaná nervová relé, ale s jedinečně zvýšenou úrovní aktivity."
Vědci si dlouho mysleli, že mozeček by měl být důležitý při letu ptáků, ale chyběl jim přímý důkaz. Aby nový výzkum určil jeho hodnotu, spojil moderní zobrazovací data z PET skenování obyčejných holubů s fosilním záznamem, přičemž zkoumal mozkové oblasti ptáků během letu a mozkové obaly starých dinosaurů. PET skeny ukazují, jak fungují orgány a tkáně.
„Poháněný let mezi obratlovci je v evoluční historii vzácnou událostí,“ řekla hlavní autorka Amy Balanoffová z lékařské fakulty Univerzity Johnse Hopkinse.
Ve skutečnosti se k létání vyvinuly pouze tři skupiny obratlovců, neboli zvířata s páteří: vyhynulí pterosauři – děsy oblohy v období druhohor, které skončilo před více než 65 miliony let – netopýři a ptáci, řekl Balanoff. Tyto tři skupiny létání nejsou v evolučním stromě blízce příbuzné a klíčové faktory, které umožnily let ve všech třech, zůstaly nejasné.
Kromě vnějších fyzických adaptací pro let, jako jsou dlouhé horní končetiny, určité druhy peří, aerodynamické tělo a další funkce, tým navrhl výzkum, aby našel vlastnosti, které vytvořily mozek připravený k letu.
Za tímto účelem tým zahrnoval biomedicínské inženýry z univerzity Stony Brook v New Yorku, aby porovnali mozkovou aktivitu moderních holubů před a po letu.
Vědci provedli PET skeny, aby porovnali aktivitu ve 26 oblastech mozku, když byl pták v klidu a bezprostředně poté letěl po dobu 10 minut z jednoho bidýlka na druhé. Skenovali osm ptáků v různé dny. PET skeny používají sloučeninu podobnou glukóze, kterou lze sledovat tam, kde je nejvíce absorbována mozkovými buňkami, což ukazuje na zvýšené využití energie a tím i aktivity. Sledovač se během jednoho nebo dvou dnů degraduje a vyloučí z těla.
Z 26 oblastí jedna oblast – mozeček – vykazovala statisticky významné zvýšení úrovně aktivity mezi odpočinkem a létáním u všech osmi ptáků. Celkově se úroveň zvýšení aktivity v mozečku významně lišila ve srovnání s jinými oblastmi mozku.
Vědci také detekovali zvýšenou mozkovou aktivitu v takzvaných optických průtokových drahách, což je síť mozkových buněk, která spojuje sítnici v oku s mozečkem. Tyto dráhy zpracovávají pohyb napříč zorným polem.
Balanoff řekl, že zjištění týmu o zvýšení aktivity v cerebellum a optických tokových cestách nebyla nutně překvapivá, protože se předpokládá, že tyto oblasti hrají roli při letu.
To, co bylo v jejich výzkumu nové, bylo spojení mozků mozků moderních ptáků s možností letu v mozečku s fosilním záznamem, který ukázal, jak si mozek ptačích dinosaurů začal vyvíjet mozkové podmínky pro motorový let.
Tým k tomu využil digitalizovanou databázi endocastů neboli forem vnitřního prostoru dinosauřích lebek, které po naplnění připomínají mozek.
Poté identifikovali a vystopovali značný nárůst objemu mozečku u některých z nejstarších druhů maniraptoranských dinosaurů, což předcházelo prvnímu výskytu motorového letu mezi starověkými ptačími příbuznými, včetně Archaeopteryx, okřídlený dinosaurus.
Vědci vedení Balanoffem také našli důkazy v endocastech o zvýšení skládání tkání v mozečku raných maniraptoranů, což je známkou zvyšující se komplexity mozku.
Vědci varovali, že se jedná o raná zjištění a změny mozkové aktivity během letu s motorem by mohly nastat také během jiného chování, jako je klouzání. Poznamenávají také, že jejich testy zahrnovaly přímé létání, bez překážek a se snadnou dráhou letu, a jiné oblasti mozku mohou být aktivnější během složitých letových manévrů.
Výzkumný tým plánuje dále určit přesné oblasti v mozečku, které umožňují mozek připravený k letu a nervová spojení mezi těmito strukturami.
Vědecké teorie o tom, proč se mozek během evoluční historie zvětšuje, zahrnují potřebu procházet novou a odlišnou krajinou, připravit půdu pro let a další styly lokomotiv, řekl spoluautor Gabriel Bever z Johns Hopkins University School of Medicine.
Mezi další autory studie patří Elizabeth Ferrerová z Amerického muzea přírodní historie a Samuel Merritt University; Lemise Saleh a Paul Vaska ze Stony Brook University; M. Eugenia Gold z Amerického muzea přírodní historie a Suffolk University; Ježíšs Marugán-Lobón autonomní univerzity v Madridu; Mark Norell z Amerického muzea přírodní historie; David Ouellette z Weill Cornell Medical College; Michael Salerno z University of Pennsylvania; Akinobu Watanabe z Amerického muzea přírodní historie, New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine a Natural History Museum of London; a Shouyi Wei z New York Proton Center.
Tento výzkum byl financován National Science Foundation.
Zdroj: University of Arizona
