Az evolúcióbiológusok arról számoltak be, hogy a modern galambok PET-vizsgálatait kombinálták a dinoszaurusz-kövületek tanulmányozásával, hogy megválaszolják a biológia állandó kérdését: Hogyan fejlődött a madarak agya ahhoz, hogy repülhessenek?
Egy madár – szemléltető fotó. Kép jóváírása: pixabay (Ingyenes Pixabay licenc)
Úgy tűnik, hogy a válasz a kisagy méretének adaptív növekedése egyes fosszilis gerinceseknél. A kisagy a madár agyának hátulsó részén található terület, amely a mozgásért és a motoros szabályozásért felelős.
A kutatás eredményeit a folyóiratban közölték A Royal Society B.
"Azt találtuk, hogy amikor a madarak nyugalomból repülésbe állnak át, a kisagy áramkörei jobban aktiválódnak, mint az agy bármely más részében" - mondta a tanulmány társszerzője. Paul Gignac, az Arizonai Egyetem docense Orvostudományi Főiskola - Tucson, a neuroanatómia és az evolúció tanulmányozása. Emellett az Amerikai Természettudományi Múzeum tudományos munkatársa.
"Ezután megvizsgáltuk a dinoszaurusz- és madárkövületekben ennek a régiónak megfelelő koponyát, hogy nyomon kövessük a kisagy megnagyobbodását" - mondta Gignac. "A megnagyobbodás első impulzusa a dinoszauruszok szárnyra kelése előtt következett be, ami azt mutatja, hogy a madarak repülése ősi és jól megőrzött idegi reléket használ, de egyedülállóan magas aktivitási szinttel."
A tudósok régóta úgy gondolták, hogy a kisagynak fontosnak kell lennie a madarak repülésében, de nem álltak rendelkezésre közvetlen bizonyítékok. Értékének pontosítása érdekében az új kutatás egyesítette a közönséges galambok modern PET-leképezési adatait a fosszilis leletekkel, megvizsgálva a madarak repülés közbeni agyterületeit és az ősi dinoszauruszok agyüregét. A PET-vizsgálatok megmutatják, hogyan működnek a szervek és a szövetek.
Amy Balanoff, a Johns Hopkins Egyetem Orvostudományi Karának kutatója szerint a gerincesek közötti motoros repülés ritka esemény az evolúció történetében.
Valójában mindössze három gerinces vagy gerinces állatok csoportja fejlődött ki repülésre: a kihalt pteroszauruszok – a több mint 65 millió évvel ezelőtt véget ért mezozoikum időszakában az égbolt rémei – denevérek és madarak, mondta Balanoff. A három repülő csoport nem kapcsolódik szorosan az evolúciós fán, és a legfontosabb tényezők, amelyek lehetővé tették a repülést mindhárom esetében, tisztázatlanok maradtak.
A repüléshez szükséges külső fizikai adaptációk, mint például a hosszú felső végtagok, bizonyos típusú tollak, az áramvonalas test és egyéb jellemzők mellett a csapat kutatást tervezett, hogy megtalálja a repülésre kész agyat létrehozó jellemzőket.
Ennek érdekében a csapat a New York-i Stony Brook Egyetem orvosbiológiai mérnökeit is bevonta, hogy összehasonlítsák a modern galambok agyi aktivitását repülés előtt és után.
A kutatók PET-vizsgálatokat végeztek, hogy összehasonlítsák az agy 26 régiójának aktivitását, amikor a madár nyugalomban volt, és közvetlenül azután, hogy 10 percig repült egyik sügérről a másikra. Nyolc madarat vizsgáltak meg különböző napokon. A PET-vizsgálatok a glükózhoz hasonló vegyületet használnak, amely nyomon követhető, ahol az agysejtek a legjobban felszívják, ami fokozott energiafelhasználást és ezáltal aktivitást jelez. A nyomkövető egy-két napon belül lebomlik és kiürül a szervezetből.
A 26 régió közül egy területen – a kisagyban – statisztikailag szignifikánsan nőtt az aktivitási szint a pihenés és a repülés között mind a nyolc madár esetében. Összességében a kisagy aktivitásnövekedése jelentősen eltért az agy más területeihez képest.
A kutatók fokozott agyi aktivitást is észleltek az úgynevezett optikai áramlási útvonalakban, az agysejtek azon hálózatában, amely a szem retináját a kisagyhoz köti. Ezek az utak a látómezőn keresztüli mozgást dolgozzák fel.
Balanoff szerint a csapatnak a kisagy és az optikai áramlási útvonalak aktivitásának növekedésére vonatkozó megállapításai nem feltétlenül meglepőek, mivel a feltételezések szerint ezek a területek szerepet játszanak a repülésben.
Kutatásukban újdonság volt, hogy a modern madarak repülésképes agyának kisagyi leleteit összekapcsolták azzal a fosszilis leletanyaggal, amely megmutatta, hogy a madárszerű dinoszauruszok agya hogyan kezdett kialakulni a motoros repüléshez szükséges agyi feltételek.
Ehhez a csapat egy digitalizált adatbázist használt a dinoszaurusz-koponyák belső terének endocastjairól, vagy öntőformáiról, amelyek feltöltve az agyra hasonlítanak.
Ezután azonosították és a kisagy térfogatának jelentős növekedését követték nyomon a legkorábbi maniraptoran dinoszauruszok fajainak némelyikéhez, ami megelőzte a motoros repülés első megjelenését az ősi madarak rokonai körében. Archeopteryx, egy szárnyas dinoszaurusz.
A Balanoff vezette kutatók az endocast-felvételekben bizonyítékot találtak arra is, hogy a korai maniraptoránok kisagyában megnövekedett a szövetek feltekeredése, ami az agy összetettségének növekedését jelzi.
A kutatók felhívták a figyelmet arra, hogy ezek korai megállapítások, és az agyi aktivitás megváltozása a motoros repülés során más viselkedések, például siklás során is előfordulhat. Azt is megjegyzik, hogy tesztjeik egyszerű repülést tartalmaztak, akadályok nélkül és könnyű repülési útvonallal, és más agyi régiók aktívabbak lehetnek összetett repülési manőverek során.
A kutatócsoport azt tervezi, hogy pontosan meghatározza a kisagyban azokat a területeket, amelyek lehetővé teszik a repülésre kész agyat és az ezen struktúrák közötti idegi kapcsolatokat.
Az evolúciótörténet során az agy növekedésének okaira vonatkozó tudományos elméletek közé tartozik az új és más tájakon való bejárás szükségessége, ami megteremti a terepet a repüléshez és más mozdonystílusokhoz – mondta Gabriel Bever, a Johns Hopkins Egyetem Orvostudományi Karának munkatársa.
A tanulmány további szerzői közé tartozik Elizabeth Ferrer, az Amerikai Természettudományi Múzeum és a Samuel Merritt Egyetem munkatársa; Lemise Saleh és Paul Vaska a Stony Brook Egyetemről; M. Eugenia Gold, az Amerikai Természettudományi Múzeum és a Suffolki Egyetem munkatársa; Jesús Marugán-Lobón a Madridi Autonóm Egyetemen; Mark Norell, az Amerikai Természettudományi Múzeum munkatársa; David Ouellette, a Weill Cornell Medical College munkatársa; Michael Salerno, a Pennsylvaniai Egyetem munkatársa; Akinobu Watanabe, az Amerikai Természettudományi Múzeum, a New York-i Technológiai Intézet Osteopátiás Orvostudományi Főiskola és a Londoni Természettudományi Múzeum munkatársa; és Shouyi Wei a New York-i Proton Központból.
Ezt a kutatást a National Science Foundation finanszírozta.
Forrás: University of Arizona
