Biolodzy ewolucyjni donoszą, że połączyli skany PET współczesnych gołębi z badaniami skamieniałości dinozaurów, aby pomóc odpowiedzieć na odwieczne pytanie w biologii: w jaki sposób ewoluowały mózgi ptaków, aby umożliwić im latanie?
Ptak – zdjęcie poglądowe. Źródło obrazu: Pixabay (Bezpłatna licencja)
Odpowiedzią wydaje się adaptacyjny wzrost rozmiaru móżdżku u niektórych kręgowców kopalnych. Móżdżek to obszar w tylnej części mózgu ptaka, odpowiedzialny za ruch i kontrolę motoryczną.
Wyniki badań publikowane są w czasopiśmie Proceedings of the Royal Society B.
„Odkryliśmy, że kiedy ptaki przechodzą ze stanu spoczynku do lotu, obwody w móżdżku są aktywowane częściej niż w jakiejkolwiek innej części mózgu” – powiedział współautor badania Pawła Gignaca, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie w Arizonie College of Medicine - Tucson, studiując neuroanatomię i ewolucję. Jest także pracownikiem naukowym Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej.
„Następnie przyjrzeliśmy się czaszce odpowiadającej temu obszarowi w skamielinach dinozaurów i ptaków, aby sprawdzić, kiedy móżdżek się powiększył” – powiedział Gignac. „Pierwszy impuls powiększenia nastąpił, zanim dinozaury odleciały, co pokazuje, że lot ptaków wykorzystuje starożytne i dobrze zachowane przekaźniki neuronowe, ale o wyjątkowo podwyższonym poziomie aktywności”.
Naukowcy od dawna uważali, że móżdżek powinien odgrywać ważną rolę w locie ptaków, ale brakowało im bezpośrednich dowodów. Aby określić jego wartość, w nowym badaniu połączono dane z nowoczesnego obrazowania PET zwykłych gołębi z zapisem kopalnym, badając obszary mózgu ptaków podczas lotu i puszki mózgowe starożytnych dinozaurów. Skany PET pokazują, jak działają narządy i tkanki.
„Lot z napędem elektrycznym wśród kręgowców to rzadkie wydarzenie w historii ewolucji” – stwierdziła główna autorka Amy Balanoff z Szkoły Medycznej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa.
W rzeczywistości tylko trzy grupy kręgowców, czyli zwierząt posiadających kręgosłup, wyewoluowały do latania: wymarłe pterozaury – postrach nieba w okresie mezozoiku, który zakończył się ponad 65 milionów lat temu – nietoperze i ptaki – powiedział Balanoff. Trzy grupy latające nie są blisko spokrewnione na drzewie ewolucyjnym, a kluczowe czynniki umożliwiające lot we wszystkich trzech pozostały niejasne.
Oprócz zewnętrznych adaptacji fizycznych do lotu, takich jak długie kończyny górne, określone rodzaje piór, opływowe ciało i inne cechy, zespół zaplanował badania w celu znalezienia cech, które tworzą mózg gotowy do lotu.
Aby tego dokonać, w skład zespołu włączyli się inżynierowie biomedyczni z Uniwersytetu Stony Brook w Nowym Jorku, którzy porównali aktywność mózgu współczesnych gołębi przed lotem i po nim.
Naukowcy wykonali skany PET, aby porównać aktywność 26 obszarów mózgu ptaka w stanie spoczynku i bezpośrednio po 10-minutowym przelocie z jednego grzędy na drugie. Zeskanowali osiem ptaków w różne dni. Skany PET wykorzystują związek podobny do glukozy, który można śledzić tam, gdzie jest on najbardziej wchłaniany przez komórki mózgowe, co wskazuje na zwiększone zużycie energii, a tym samym aktywność. Tracker ulega degradacji i zostaje wydalony z organizmu w ciągu jednego lub dwóch dni.
Spośród 26 regionów w jednym obszarze – móżdżku – u wszystkich ośmiu ptaków zaobserwowano statystycznie istotny wzrost poziomu aktywności pomiędzy odpoczynkiem a lotem. Ogólnie poziom wzrostu aktywności móżdżku różnił się znacząco w porównaniu z innymi obszarami mózgu.
Naukowcy wykryli także zwiększoną aktywność mózgu w tak zwanych szlakach przepływu wzrokowego – sieci komórek mózgowych łączących siatkówkę oka z móżdżkiem. Ścieżki te przetwarzają ruch w polu widzenia.
Balanoff powiedział, że ustalenia zespołu dotyczące wzrostu aktywności w móżdżku i drogach przepływu wzrokowego niekoniecznie są zaskakujące, ponieważ przypuszcza się, że te obszary odgrywają rolę w locie.
Nowością w ich badaniach było powiązanie odkryć w móżdżku mózgów zdolnych do lotu współczesnych ptaków z zapisem kopalnym, który pokazał, jak w mózgach ptasich dinozaurów zaczęły rozwijać się warunki umożliwiające lot z napędem.
W tym celu zespół wykorzystał cyfrową bazę danych zawierającą endokasty, czyli formy wewnętrznej przestrzeni czaszek dinozaurów, które po wypełnieniu przypominają mózg.
Następnie zidentyfikowali i prześledzili znaczny wzrost objętości móżdżku u niektórych z najwcześniejszych gatunków dinozaurów maniraptoranów, co poprzedziło pierwsze pojawienie się latania z napędem wśród krewnych starożytnych ptaków, w tym Archaeopteryx, skrzydlaty dinozaur.
Naukowcy pod kierownictwem Balanoffa znaleźli również dowody w endokastach na zwiększone fałdowanie tkanek w móżdżku wczesnych maniraptoranów, co wskazuje na rosnącą złożoność mózgu.
Naukowcy ostrzegli, że są to wczesne ustalenia, a zmiany w aktywności mózgu podczas lotu z napędem mogą również wystąpić podczas innych zachowań, takich jak szybowanie. Zauważają również, że ich testy obejmowały proste latanie, bez przeszkód i z łatwą ścieżką lotu, a inne obszary mózgu mogły być bardziej aktywne podczas skomplikowanych manewrów w locie.
Zespół badawczy planuje następnie wskazać dokładne obszary móżdżku, które umożliwiają mózg gotowy do lotu i połączenia nerwowe między tymi strukturami.
Teorie naukowe wyjaśniające, dlaczego mózg staje się większy na przestrzeni historii ewolucji, obejmują potrzebę przemierzania nowych i odmiennych krajobrazów, przygotowując grunt pod lot i inne style lokomotywy, powiedział współautor Gabriel Bever z Szkoły Medycznej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa.
Inni autorzy badania to Elizabeth Ferrer z Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej i Uniwersytetu Samuela Merritta; Lemise Salih i Paul Vaska z Uniwersytetu Stony Brook; M. Eugenia Gold z Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej i Uniwersytetu w Suffolk; Jezuz Marugiemán-Lobón z Uniwersytetu Autonomicznego w Madrycie; Mark Norell z Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej; David Ouellette z Weill Cornell Medical College; Michael Salerno z Uniwersytetu Pensylwanii; Akinobu Watanabe z Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej, New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine i Muzeum Historii Naturalnej w Londynie; i Shouyi Wei z nowojorskiego Proton Center.
Badanie zostało sfinansowane przez National Science Foundation.
Źródło: University of Arizona
