Evoluční biológovia uvádzajú, že skombinovali PET skenovanie moderných holubov spolu so štúdiami fosílií dinosaurov, aby pomohli odpovedať na trvalú otázku v biológii: Ako sa vyvinuli mozgy vtákov, aby im umožnili lietať?
Vtáčik – ilustračné foto. Kredit obrázka: Pixabay (bezplatná licencia Pixabay)
Zdá sa, že odpoveďou je adaptívne zväčšenie veľkosti cerebellum u niektorých fosílnych stavovcov. Mozoček je oblasť v zadnej časti vtáčieho mozgu, ktorá je zodpovedná za pohyb a riadenie motoriky.
Výsledky výskumu sú publikované v časopise Zborník kráľovskej spoločnosti B.
„Zistili sme, že keď vtáky prechádzajú z pokoja do letu, okruhy v mozočku sa aktivujú viac ako v ktorejkoľvek inej časti mozgu,“ povedal spoluautor štúdie. Paul Gignac, docent na University of Arizona Vysoká škola medicíny - Tucsonštudujú neuroanatómiu a evolúciu. Je tiež vedeckým pracovníkom Amerického prírodovedného múzea.
"Potom sme sa pozreli na lebku zodpovedajúcu tejto oblasti vo fosíliách dinosaurov a vtákov, aby sme mohli sledovať, kedy sa mozoček zväčšil," povedal Gignac. "Prvý impulz rozšírenia nastal predtým, ako dinosaury vzali krídla, čo ukazuje, že let vtákov využíva staré a dobre zachované nervové relé, ale s jedinečne zvýšenou úrovňou aktivity."
Vedci si dlho mysleli, že mozoček by mal byť dôležitý pri letoch vtákov, no chýbali im priame dôkazy. Aby sa určila jeho hodnota, nový výskum skombinoval moderné zobrazovacie údaje z PET skenovania obyčajných holubov s fosílnym záznamom, pričom skúmal oblasti mozgu vtákov počas letu a mozgové obaly starých dinosaurov. PET skeny ukazujú, ako fungujú orgány a tkanivá.
„Poháňaný let medzi stavovcami je v evolučnej histórii zriedkavou udalosťou,“ povedala vedúca autorka Amy Balanoffová z Lekárskej fakulty Univerzity Johna Hopkinsa.
V skutočnosti sa na lietanie vyvinuli iba tri skupiny stavovcov alebo zvierat s chrbtovou kosťou: vyhynuté pterosaury – hrôzy oblohy v období druhohôr, ktoré sa skončilo pred viac ako 65 miliónmi rokov – netopiere a vtáky, povedal Balanoff. Tieto tri skupiny lietania nie sú v evolučnom strome úzko spojené a kľúčové faktory, ktoré umožnili let vo všetkých troch, zostali nejasné.
Okrem vonkajších fyzických adaptácií na let, ako sú dlhé horné končatiny, určité druhy peria, aerodynamické telo a ďalšie funkcie, tím navrhol výskum s cieľom nájsť vlastnosti, ktoré vytvorili mozog pripravený na let.
Na tento účel tím zahŕňal biomedicínskych inžinierov na Stony Brook University v New Yorku, aby porovnali mozgovú aktivitu moderných holubov pred letom a po ňom.
Vedci vykonali PET skeny, aby porovnali aktivitu v 26 oblastiach mozgu, keď bol vták v pokoji a hneď potom 10 minút lietal z jedného posedu na druhé. Skenovali osem vtákov v rôznych dňoch. PET skeny používajú zlúčeninu podobnú glukóze, ktorú možno sledovať tam, kde ju mozgové bunky najviac absorbujú, čo naznačuje zvýšené využitie energie a tým aj aktivitu. Sledovač degraduje a vylúči sa z tela v priebehu jedného alebo dvoch dní.
Z 26 oblastí jedna oblasť – mozoček – zaznamenala štatisticky významné zvýšenie úrovne aktivity medzi odpočinkom a lietaním u všetkých ôsmich vtákov. Celkovo sa úroveň zvýšenia aktivity v mozočku výrazne líšila v porovnaní s inými oblasťami mozgu.
Vedci tiež zistili zvýšenú mozgovú aktivitu v takzvaných dráhach optického toku, čo je sieť mozgových buniek, ktorá spája sietnicu oka s mozočkom. Tieto dráhy spracovávajú pohyb cez zorné pole.
Balanoff povedal, že zistenia tímu o zvýšení aktivity v mozočku a dráhach optického toku nie sú nevyhnutne prekvapujúce, pretože sa predpokladá, že oblasti zohrávajú úlohu pri lete.
Novinkou v ich výskume bolo prepojenie mozočkových nálezov mozgov u moderných vtákov s možnosťou letu s fosílnym záznamom, ktorý ukázal, ako si mozgy dinosaurov podobných vtákom začali rozvíjať mozgové podmienky na motorový let.
Tím na to použil digitalizovanú databázu endocastov alebo foriem vnútorného priestoru dinosaurích lebiek, ktoré po naplnení pripomínajú mozog.
Potom identifikovali a vystopovali značné zvýšenie objemu mozočka u niektorých z najstarších druhov maniraptoranských dinosaurov, čo predchádzalo prvému výskytu motorového letu medzi starými príbuznými vtákov, vrátane Archaeopteryx, okrídlený dinosaurus.
Vedci pod vedením Balanoffa tiež našli dôkazy v endocastoch o zvýšení skladania tkaniva v mozočku raných maniraptoranov, čo je indikáciou zvyšujúcej sa komplexnosti mozgu.
Vedci varovali, že ide o skoré zistenia a zmeny mozgovej aktivity počas letu s motorom sa môžu vyskytnúť aj počas iného správania, ako je napríklad kĺzanie. Poznamenávajú tiež, že ich testy zahŕňali priame lietanie bez prekážok a s ľahkou dráhou letu a iné oblasti mozgu môžu byť aktívnejšie počas zložitých letových manévrov.
Výskumný tím plánuje určiť presné oblasti v mozočku, ktoré umožňujú mozog pripravený na let a nervové spojenia medzi týmito štruktúrami.
Vedecké teórie o tom, prečo sa mozog počas evolučnej histórie zväčšuje, zahŕňajú potrebu prechádzať novými a odlišnými krajinami, pripraviť pôdu pre let a iné lokomotívne štýly, povedal spoluautor Gabriel Bever z Johns Hopkins University School of Medicine.
Ďalšími autormi štúdie sú Elizabeth Ferrerová z Amerického prírodovedného múzea a Samuel Merritt University; Lemise Saleh a Paul Vaska z univerzity Stony Brook; M. Eugenia Gold z Amerického múzea prírodnej histórie a Suffolk University; Jesús Marugán-Lobón Autonómnej univerzity v Madride; Mark Norell z Amerického prírodovedného múzea; David Ouellette z Weill Cornell Medical College; Michael Salerno z Pennsylvánskej univerzity; Akinobu Watanabe z Amerického múzea prírodnej histórie, New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine a Natural History Museum of London; a Shouyi Wei z New York Protón Center.
Tento výskum bol financovaný Národnou vedeckou nadáciou.
zdroj: University of Arizona
