ביולוגים אבולוציוניים מדווחים שהם שילבו סריקות PET של יונים מודרניות יחד עם מחקרים על מאובני דינוזאורים כדי לעזור לענות על שאלה מתמשכת בביולוגיה: כיצד התפתח המוח של ציפורים כדי לאפשר להן לעוף?
ציפור - תמונה להמחשה. קרדיט תמונה: pixabay (רישיון Pixabay בחינם)
נראה שהתשובה היא עלייה אדפטיבית בגודל המוח הקטן בכמה חולייתנים מאובנים. המוח הקטן הוא אזור בחלק האחורי של מוח הציפור שאחראי על תנועה ושליטה מוטורית.
ממצאי המחקר מתפרסמים בכתב העת ההליכים של החברה המלכותית ב.
"מצאנו שכאשר ציפורים עוברות ממנוחה לטיסה, מעגלים במוח הקטן מופעלים יותר מאשר בכל חלק אחר במוח", אמר מחבר המחקר פול ג'יניאק, פרופסור חבר באוניברסיטת אריזונה המכללה לרפואה - טוסון, חקר נוירואנטומיה ואבולוציה. הוא גם עמית מחקר של המוזיאון האמריקאי להיסטוריה של הטבע.
"לאחר מכן הסתכלנו על הגולגולת המקבילה לאזור זה במאובני דינוזאורים וציפורים כדי לעקוב אחר מתי המוח הקטן גדל", אמר ג'יניאק. "הפעימה הראשונה של הגדלה התרחשה לפני שהדינוזאורים תפסו כנף, מה שמראה כי טיסת העופות משתמשת בממסרים עצביים עתיקים ושמורים היטב, אך עם רמות פעילות גבוהות באופן ייחודי."
מדענים חשבו זמן רב שהמוח הקטן צריך להיות חשוב בתעופה של ציפורים, אך חסרו להם ראיות ישירות. כדי להצביע על ערכו, המחקר החדש שילב נתוני הדמיה מודרניים של סריקת PET של יונים רגילות עם תיעוד המאובנים, תוך בחינת אזורי מוח של ציפורים במהלך מעוף ומקרי מוחות של דינוזאורים עתיקים. סריקות PET מראות כיצד איברים ורקמות פועלים.
"טיסה מונעת בין בעלי חוליות היא אירוע נדיר בהיסטוריה האבולוציונית", אמרה הסופרת הראשית איימי בלנוף, מבית הספר לרפואה של אוניברסיטת ג'ונס הופקינס.
למעשה, רק שלוש קבוצות של חולייתנים, או בעלי חיים עם עמוד שדרה, התפתחו לעוף: פטרוזאורים שנכחדו - אימת השמיים בתקופת המזוזואיקון, שהסתיימה לפני למעלה מ-65 מיליון שנה - עטלפים וציפורים, אמר בלנוף. שלוש קבוצות הטיסה אינן קשורות קשר הדוק על העץ האבולוציוני, וגורמי המפתח שאיפשרו טיסה בשלושתם נותרו לא ברורים.
מלבד ההתאמות הפיזיות כלפי חוץ לטיסה, כגון גפיים עליונות ארוכות, סוגים מסוימים של נוצות, גוף יעיל ותכונות אחרות, הצוות עיצב מחקר כדי למצוא תכונות שיצרו מוח מוכן לטיסה.
לשם כך, הצוות כלל מהנדסים ביו-רפואיים באוניברסיטת סטוני ברוק בניו יורק כדי להשוות את פעילות המוח של יונים מודרניות לפני ואחרי מעוף.
החוקרים ביצעו סריקות PET כדי להשוות את הפעילות ב-26 אזורים במוח כאשר הציפור הייתה במנוחה ומיד לאחר מכן עפה במשך 10 דקות ממושך אחד למשנהו. הם סרקו שמונה ציפורים בימים שונים. סריקות PET משתמשות בתרכובת הדומה לגלוקוז שניתן לעקוב אחריה למקום שבו היא נספגת ביותר בתאי המוח, מה שמצביע על שימוש מוגבר באנרגיה ובכך פעילות. הגשש מתכלה ומופרש מהגוף תוך יום או יומיים.
מבין 26 האזורים, באזור אחד - המוח הקטן - הייתה עלייה מובהקת סטטיסטית ברמות הפעילות בין מנוחה לטיסה בכל שמונה הציפורים. בסך הכל, רמת העלייה בפעילות במוח הקטן הייתה שונה משמעותית, בהשוואה לאזורים אחרים במוח.
החוקרים זיהו גם פעילות מוחית מוגברת במה שנקרא מסלולי זרימה אופטיים, רשת של תאי מוח שמחברת את הרשתית בעין למוח הקטן. מסלולים אלו מעבדים תנועה על פני שדה הראייה.
בלנוף אמר שהממצאים של הצוות לגבי עלייה בפעילות במוח הקטן ובנתיבי הזרימה האופטיים לא בהכרח מפתיעים, מאחר שהאזורים הונחו למלא תפקיד בטיסה.
מה שהיה חדש במחקר שלהם היה קשר בין ממצאי המוח הקטן של מוחות המאפשרים טיסה בציפורים מודרניות לתיעוד המאובנים שהראה כיצד המוח של דינוזאורים דמויי ציפורים החל לפתח תנאים מוחיים לטיסה ממונעת.
לשם כך, הצוות השתמש במסד נתונים דיגיטאלי של אנדוקאסטים, או תבניות של החלל הפנימי של גולגולות דינוזאורים, אשר, כאשר הם מלאים, דומים למוח.
לאחר מכן הם זיהו והתחקו אחר עלייה ניכרת בנפח המוח הקטן לכמה מהמינים המוקדמים ביותר של דינוזאורים מניראפטורים, שקדמו להופעה הראשונה של מעוף ממונע בקרב קרובי משפחה של ציפורים עתיקות, כולל ארכיאופטריקס, דינוזאור מכונף.
החוקרים בראשות בלנוף מצאו גם עדויות באנדוקאסטים לעלייה בקיפול הרקמה במוח הקטן של מניראפטורנים מוקדמים, אינדיקציה להגברת מורכבות המוח.
החוקרים הזהירו כי מדובר בממצאים מוקדמים, ושינויים בפעילות המוחית במהלך טיסה ממונעת עלולים להתרחש גם במהלך התנהגויות אחרות, כגון גלישה. הם גם מציינים שהבדיקות שלהם כללו טיסה פשוטה, ללא מכשולים ועם נתיב טיסה קל, ואזורי מוח אחרים עשויים להיות פעילים יותר במהלך תמרוני טיסה מורכבים.
צוות המחקר מתכנן לצד זיהוי אזורים מדויקים במוח הקטן המאפשרים מוח מוכן לטיסה ואת הקשרים העצביים בין המבנים הללו.
תיאוריות מדעיות מדוע המוח נעשה גדול יותר לאורך ההיסטוריה האבולוציונית כוללות את הצורך לחצות נופים חדשים ושונים, הנחת הבמה לטיסה וסגנונות קטרים אחרים, אמר מחבר שותף גבריאל בבר מבית הספר לרפואה של אוניברסיטת ג'ונס הופקינס.
מחברי מחקר אחרים כוללים את אליזבת פרר מהמוזיאון האמריקאי להיסטוריה של הטבע ואוניברסיטת סמואל מריט; למיסה סאלח ופול ואסקה מאוניברסיטת סטוני ברוק; M. Eugenia Gold מהמוזיאון האמריקאי להיסטוריה של הטבע ואוניברסיטת סאפוק; ז'ושל מרוגán-Lobón של האוניברסיטה האוטונומית של מדריד; מארק נורל מהמוזיאון האמריקאי להיסטוריה של הטבע; דיוויד אואלט מהמכללה הרפואית של וייל קורנל; מייקל סלרנו מאוניברסיטת פנסילבניה; Akinobu Watanabe מהמוזיאון האמריקני להיסטוריה של הטבע, המכללה לרפואה אוסטאופתית של המכון הטכנולוגי של ניו יורק ומוזיאון הטבע של לונדון; ו-Shouyi Wei ממרכז פרוטון בניו יורק.
מחקר זה מומן על ידי הקרן הלאומית למדע.
מקור: אוניברסיטת אריזונה
