Biologii evoluționari raportează că au combinat scanările PET ale porumbeilor moderni împreună cu studiile fosilelor de dinozaur pentru a ajuta la răspunsul la o întrebare de durată în biologie: Cum a evoluat creierul păsărilor pentru a le permite să zboare?
O pasăre – fotografie ilustrativă. Credit imagine: Pixabay (Licență Pixabay gratuită)
Răspunsul pare a fi o creștere adaptativă a dimensiunii cerebelului la unele vertebrate fosile. Cerebelul este o regiune din spatele creierului păsării care este responsabilă pentru mișcare și controlul motor.
Rezultatele cercetării sunt publicate în jurnal Procesele Societății Regale B.
„Am descoperit că atunci când păsările trec de la repaus la zbor, circuitele din cerebel sunt activate mai mult decât în orice altă parte a creierului”, a spus coautorul studiului. Paul Gignac, profesor asociat la Universitatea din Arizona Colegiul de Medicină - Tucson, studiind neuroanatomia și evoluția. De asemenea, este asociat de cercetare la Muzeul American de Istorie Naturală.
„Ne-am uitat apoi la craniul corespunzător acestei regiuni în fosile de dinozauri și păsări pentru a urmări când cerebelul s-a mărit”, a spus Gignac. „Primul puls de extindere a avut loc înainte ca dinozaurii să-și ia zborul, ceea ce arată că zborul aviar folosește relee neuronale antice și bine conservate, dar cu niveluri de activitate deosebit de ridicate.”
Oamenii de știință au crezut de mult timp că cerebelul ar trebui să fie important în zborul păsărilor, dar le lipseau dovezi directe. Pentru a-i identifica valoarea, noua cercetare a combinat datele imagistice moderne de scanare PET ale porumbeilor obișnuiți cu înregistrările fosile, examinând regiunile creierului păsărilor în timpul zborului și carcasele creierului dinozaurilor antice. Scanările PET arată cum funcționează organele și țesuturile.
„Zborul cu motor printre vertebrate este un eveniment rar în istoria evoluției”, a spus autoarea principală Amy Balanoff, de la Școala de Medicină a Universității Johns Hopkins.
De fapt, doar trei grupuri de vertebrate, sau animale cu coloană vertebrală, au evoluat pentru a zbura: pterozaurii dispăruți – terorile cerului în perioada mezozoică, care s-a încheiat cu peste 65 de milioane de ani în urmă – liliecii și păsările, a spus Balanoff. Cele trei grupuri de zbor nu sunt strâns legate de arborele evolutiv, iar factorii cheie care au permis zborul în toate trei au rămas neclari.
Pe lângă adaptările fizice exterioare pentru zbor, cum ar fi membrele superioare lungi, anumite tipuri de pene, un corp raționalizat și alte caracteristici, echipa a conceput cercetări pentru a găsi caracteristici care au creat un creier pregătit pentru zbor.
Pentru a face acest lucru, echipa a inclus ingineri biomedici de la Universitatea Stony Brook din New York pentru a compara activitatea creierului porumbeilor moderni înainte și după zbor.
Cercetătorii au efectuat scanări PET pentru a compara activitatea în 26 de regiuni ale creierului atunci când pasărea era în repaus și imediat după ce a zburat timp de 10 minute de la un biban la altul. Au scanat opt păsări în zile diferite. Scanările PET folosesc un compus similar cu glucoza care poate fi urmărit acolo unde este cel mai absorbit de celulele creierului, indicând o utilizare crescută a energiei și, prin urmare, a activității. Trackerul se degradează și este excretat din organism într-o zi sau două.
Din cele 26 de regiuni, o zonă – cerebelul – a avut creșteri semnificative statistic ale nivelurilor de activitate între odihnă și zbor la toate cele opt păsări. În general, nivelul de creștere a activității în cerebel a fost semnificativ diferit, în comparație cu alte zone ale creierului.
Cercetătorii au detectat, de asemenea, o activitate crescută a creierului în așa-numitele căi ale fluxului optic, o rețea de celule cerebrale care conectează retina din ochi de cerebel. Aceste căi procesează mișcarea prin câmpul vizual.
Balanoff a spus că descoperirile echipei de creștere a activității în cerebel și a căilor de flux optice nu au fost neapărat surprinzătoare, deoarece s-a presupus că zonele joacă un rol în zbor.
Ceea ce a fost nou în cercetările lor a fost legarea descoperirilor din cerebel ale creierelor capabile de zbor la păsările moderne cu înregistrările fosile care au arătat cum creierul dinozaurilor asemănătoare păsărilor a început să dezvolte condiții cerebrale pentru zborul cu motor.
Pentru a face acest lucru, echipa a folosit o bază de date digitalizată de endocast, sau matrițe din spațiul intern al craniilor de dinozaur, care, atunci când sunt umplute, seamănă cu creierul.
Apoi au identificat și urmărit o creștere considerabilă a volumului cerebelului la unele dintre cele mai timpurii specii de dinozauri maniraptoran, care au precedat primele apariții ale zborului cu motor printre rudele păsărilor antice, inclusiv Archaeopteryx, un dinozaur înaripat.
Cercetătorii conduși de Balanoff au găsit, de asemenea, dovezi în endocasturile ale unei creșteri a plierii țesuturilor în cerebelul maniraptoranilor timpurii, un indiciu al creșterii complexității creierului.
Cercetătorii au avertizat că acestea sunt descoperiri timpurii, iar modificările activității creierului în timpul zborului cu motor ar putea apărea și în timpul altor comportamente, cum ar fi planarea. Ei observă, de asemenea, că testele lor au implicat zborul simplu, fără obstacole și cu o cale de zbor ușoară, iar alte regiuni ale creierului pot fi mai active în timpul manevrelor complexe de zbor.
Echipa de cercetare intenționează în continuare să identifice zone precise din cerebel care permit un creier pregătit pentru zbor și conexiunile neuronale dintre aceste structuri.
Teoriile științifice pentru motivul pentru care creierul devine mai mare de-a lungul istoriei evoluției includ nevoia de a traversa peisaje noi și diferite, creând scena pentru zbor și alte stiluri de locomotivă, a spus coautorul Gabriel Bever de la Școala de Medicină a Universității Johns Hopkins.
Alți autori de studiu includ Elizabeth Ferrer de la Muzeul American de Istorie Naturală și Universitatea Samuel Merritt; Lemise Saleh și Paul Vaska de la Universitatea Stony Brook; M. Eugenia Gold de la Muzeul American de Istorie Naturală și Universitatea Suffolk; Jesúe Marugán-Lobón al Universității Autonome din Madrid; Mark Norell de la Muzeul American de Istorie Naturală; David Ouellette de la Colegiul Medical Weill Cornell; Michael Salerno de la Universitatea din Pennsylvania; Akinobu Watanabe de la Muzeul American de Istorie Naturală, New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine and Natural History Museum din Londra; și Shouyi Wei de la New York Proton Center.
Această cercetare a fost finanțată de Fundația Națională pentru Știință.
Sursa: Universitatea din Arizona
