Evolucijski biologi poročajo, da so združili PET skeniranje sodobnih golobov skupaj s študijami fosilov dinozavrov, da bi odgovorili na trajno vprašanje v biologiji: Kako so se ptičji možgani razvili, da so jim omogočili letenje?
Ptica – ilustrativna fotografija. Avtor slike: pixabay (Brezplačna licenca Pixabay)
Zdi se, da je odgovor prilagodljivo povečanje velikosti malih možganov pri nekaterih fosilnih vretenčarjih. Mali možgani so predel na zadnji strani ptičjih možganov, ki je odgovoren za gibanje in nadzor motorike.
Izsledki raziskave so objavljeni v reviji Zbornik Kraljevega društva B.
"Ugotovili smo, da se ob prehodu ptic iz mirovanja v letenje vezja v malih možganih aktivirajo bolj kot v katerem koli drugem delu možganov," je povedal soavtor študije. Paul Gignac, izredni profesor na Univerzi v Arizoni Visoka šola za medicino - Tucson, ki preučuje nevroanatomijo in evolucijo. Je tudi znanstveni sodelavec Ameriškega prirodoslovnega muzeja.
"Nato smo pogledali lobanjo, ki ustreza tej regiji v fosilih dinozavrov in ptic, da bi izsledili, kdaj so se mali možgani povečali," je dejal Gignac. "Prvi impulz povečanja se je zgodil, preden so dinozavri prevzeli krila, kar kaže, da ptičji let uporablja starodavne in dobro ohranjene nevronske releje, vendar z edinstveno povišanimi stopnjami aktivnosti."
Znanstveniki so dolgo mislili, da bi morali biti mali možgani pomembni pri ptičjem letu, vendar niso imeli neposrednih dokazov. Za natančno določitev njegove vrednosti je nova raziskava združila sodobne slikovne podatke PET skeniranja navadnih golobov s fosilnimi zapisi, pri čemer je preučevala možganske regije ptic med letom in možganske ovoje starodavnih dinozavrov. PET skeniranje pokaže, kako delujejo organi in tkiva.
"Letenje z motorjem med vretenčarji je redek dogodek v evolucijski zgodovini," je povedala glavna avtorica Amy Balanoff z Medicinske fakultete Univerze Johns Hopkins.
Pravzaprav so se samo tri skupine vretenčarjev ali živali s hrbtenico razvile za letenje: izumrli pterozavri – groze neba v obdobju mezozoika, ki se je končalo pred več kot 65 milijoni let – netopirji in ptice, je dejal Balanoff. Tri leteče skupine na evolucijskem drevesu niso tesno povezane in ključni dejavniki, ki so omogočili let pri vseh treh, so ostali nejasni.
Poleg zunanjih fizičnih prilagoditev za letenje, kot so dolgi zgornji udi, nekatere vrste perja, poenostavljeno telo in druge lastnosti, je ekipa zasnovala raziskavo, da bi odkrila lastnosti, ki so ustvarile možgane, pripravljene na let.
Da bi to naredili, je ekipa vključila biomedicinske inženirje na univerzi Stony Brook v New Yorku, da bi primerjali možgansko aktivnost sodobnih golobov pred in po letu.
Raziskovalci so izvedli PET skeniranje, da bi primerjali aktivnost v 26 regijah možganov, ko je ptica mirovala in takoj zatem, ko je 10 minut letela z enega ostriža na drugega. Skenirali so osem ptic v različnih dneh. PET skeniranje uporablja spojino, podobno glukozi, ki ji je mogoče slediti do mesta, kjer jo možganske celice najbolj absorbirajo, kar kaže na povečano porabo energije in s tem aktivnost. Sledilnik se razgradi in izloči iz telesa v dnevu ali dveh.
Od 26 regij je imelo eno področje – mali možgani – pri vseh osmih pticah statistično pomembno povečanje ravni aktivnosti med počitkom in letenjem. Na splošno se je stopnja povečanja aktivnosti v malih možganih bistveno razlikovala v primerjavi z drugimi deli možganov.
Raziskovalci so zaznali tudi povečano aktivnost možganov v tako imenovanih poteh optičnega toka, mreži možganskih celic, ki povezuje mrežnico v očesu z malimi možgani. Te poti procesirajo gibanje po vidnem polju.
Balanoff je dejal, da ugotovitve ekipe o povečanju aktivnosti v malih možganih in poteh optičnega pretoka niso bile nujno presenetljive, saj se domneva, da imajo območja vlogo pri letu.
Kar je bilo novo v njihovi raziskavi, je bilo povezovanje ugotovitev malih možganov, ki omogočajo letenje pri sodobnih pticah, s fosilnim zapisom, ki je pokazal, kako so možgani ptičjih dinozavrov začeli razvijati možganske razmere za motorno letenje.
Da bi to naredili, je ekipa uporabila digitalizirano podatkovno bazo endocastov ali kalupov notranjega prostora lobanj dinozavrov, ki so, ko so napolnjeni, podobni možganom.
Nato so identificirali in sledili precejšnjemu povečanju prostornine malih možganov pri nekaterih najzgodnejših vrstah dinozavrov maniraptoran, ki so se pojavili pred prvimi pojavi letenja na motor med starimi sorodniki ptic, vključno z Archaeopteryx, krilati dinozaver.
Raziskovalci, ki jih je vodil Balanoff, so v endocastih našli tudi dokaze o povečanem zgibanju tkiva v malih možganih zgodnjih maniraptorancev, kar je znak vse večje kompleksnosti možganov.
Raziskovalci so opozorili, da so to zgodnje ugotovitve in da se lahko spremembe možganske aktivnosti med letom z motorjem pojavijo tudi med drugimi vedenji, kot je drsenje. Ugotavljajo tudi, da so njihovi testi vključevali preprosto letenje, brez ovir in z lahko potjo letenja, druge možganske regije pa so morda bolj aktivne med zapletenimi manevri letenja.
Raziskovalna skupina načrtuje natančno določitev natančnih področij v malih možganih, ki omogočajo možgane, pripravljene na let, in nevronske povezave med temi strukturami.
Znanstvene teorije o tem, zakaj se možgani skozi evolucijsko zgodovino povečujejo, vključujejo potrebo po prečkanju novih in drugačnih pokrajin, s čimer pripravljajo teren za let in druge sloge lokomotiv, je dejal soavtor Gabriel Bever z Medicinske fakultete Univerze Johns Hopkins.
Drugi avtorji študije so Elizabeth Ferrer iz Ameriškega muzeja naravne zgodovine in Univerze Samuel Merritt; Lemise Saleh in Paul Vaska z univerze Stony Brook; M. Eugenia Gold iz Ameriškega muzeja naravne zgodovine in Univerze Suffolk; Jesús Marugán-Lobón z avtonomne univerze v Madridu; Mark Norell iz Ameriškega muzeja naravne zgodovine; David Ouellette z medicinske fakultete Weill Cornell; Michael Salerno z Univerze v Pensilvaniji; Akinobu Watanabe iz Ameriškega prirodoslovnega muzeja, New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine in Naravoslovnega muzeja v Londonu; in Shouyi Wei iz newyorškega protonskega centra.
To raziskavo je financirala Nacionalna znanstvena fundacija.
vir: Univerza v Arizoni
