Біологи-еволюціоністи повідомляють, що вони об’єднали ПЕТ-сканування сучасних голубів із дослідженнями скам’янілостей динозаврів, щоб допомогти відповісти на постійне питання біології: як мозок птахів еволюціонував, щоб вони могли літати?
Птах – ілюстративне фото. Кредит зображення: Pixabay (Безкоштовна ліцензія Pixabay)
Відповідь, здається, полягає в адаптивному збільшенні розміру мозочка у деяких викопних хребетних. Мозочок - це область у задній частині головного мозку птахів, яка відповідає за рух і контроль моторики.
Результати дослідження опубліковані в журналі Праці Королівського товариства B.
«Ми виявили, що коли птахи переходять від стану спокою до польоту, контури в мозочку активуються більше, ніж у будь-якій іншій частині мозку», — сказав співавтор дослідження. Поль Жіньяк, доцент Університету Арізони Медичний коледж - Тусон, вивчаючи нейроанатомію та еволюцію. Він також є науковим співробітником Американського музею природної історії.
«Потім ми подивилися на череп, який відповідає цій ділянці скам’янілостей динозаврів і птахів, щоб відстежити, коли мозочок збільшився», — сказав Жіньяк. «Перший імпульс збільшення відбувся ще до того, як динозаври злетіли, що показує, що пташиний політ використовує стародавні та добре збережені нейронні реле, але з унікально підвищеним рівнем активності».
Вчені давно вважали, що мозочок має бути важливим для польоту птахів, але їм бракувало прямих доказів. Щоб точно визначити його цінність, нове дослідження об’єднало сучасні дані ПЕТ-сканування звичайних голубів із літописом скам’янілостей, досліджуючи ділянки мозку птахів під час польоту та мозкові оболонки стародавніх динозаврів. ПЕТ сканування показує, як працюють органи і тканини.
«Політ на двигуні серед хребетних — рідкісна подія в еволюційній історії», — сказала провідний автор Емі Баланофф з Медичної школи Університету Джона Гопкінса.
Насправді лише три групи хребетних, або тварин із хребтом, еволюціонували, щоб літати: вимерлі птерозаври – жахи неба під час мезозойського періоду, який закінчився понад 65 мільйонів років тому – кажани та птахи, сказав Баланофф. Три літаючі групи не тісно пов’язані на еволюційному дереві, і ключові фактори, які уможливили політ у всіх трьох, залишаються неясними.
Окрім зовнішніх фізичних пристосувань для польоту, таких як довгі верхні кінцівки, певні види пір’я, обтічний корпус та інші особливості, команда розробила дослідження, щоб знайти особливості, які створили мозок, готовий до польоту.
Для цього команда залучила біомедичних інженерів з Університету Стоуні Брук у Нью-Йорку, щоб порівняти мозкову активність сучасних голубів до та після польоту.
Дослідники провели ПЕТ-сканування, щоб порівняти активність у 26 областях мозку, коли птах перебував у стані спокою, і відразу після того, як він перелітав протягом 10 хвилин з одного сідала на інший. Вони просканували вісім птахів у різні дні. ПЕТ-сканування використовує сполуку, подібну до глюкози, яку можна відстежити до місця, де вона найбільше поглинається клітинами мозку, що вказує на збільшення споживання енергії та, отже, активності. Трекер деградує та виводиться з організму протягом дня-двох.
З 26 регіонів одна область – мозочок – мала статистично значуще підвищення рівня активності між відпочинком і польотом у всіх восьми птахів. Загалом рівень підвищення активності в мозочку значно відрізнявся порівняно з іншими ділянками мозку.
Дослідники також виявили підвищену активність мозку в так званих шляхах зорового потоку, мережі клітин мозку, яка з’єднує сітківку ока з мозочком. Ці шляхи обробляють рух по полю зору.
Баланофф сказав, що висновки команди про збільшення активності в мозочку та шляхах зорового потоку не обов’язково були несподіванками, оскільки, як припускається, ці області відіграють певну роль у польоті.
Новим у їхніх дослідженнях був зв’язок знахідок мозку сучасних птахів із здатністю до польоту в мозочку з літописом скам’янілостей, який показав, як мозок птахоподібних динозаврів почав розвивати умови для польоту з двигуном.
Для цього команда використала оцифровану базу даних ендокастів, або зліпків внутрішнього простору черепів динозаврів, які, заповнені, нагадують мозок.
Потім вони ідентифікували та простежили значне збільшення об’єму мозочка у деяких із найдавніших видів манірапторових динозаврів, які передували першим появам літальних апаратів серед давніх родичів птахів, у тому числі археоптерикс, крилатий динозавр.
Дослідники на чолі з Баланоффом також виявили в ендокастах докази збільшення складчастості тканини в мозочку ранніх манірапторів, що свідчить про збільшення складності мозку.
Дослідники попереджають, що це ранні відкриття, і зміни активності мозку під час польоту на двигуні можуть також відбуватися під час інших видів поведінки, наприклад планерування. Вони також відзначають, що їхні тести включали прямий політ, без перешкод і з легкою траєкторією польоту, а інші області мозку можуть бути більш активними під час складних маневрів польоту.
Дослідницька група планує визначити точні ділянки в мозочку, які забезпечують готовність мозку до польоту, і нейронні зв’язки між цими структурами.
Наукові теорії про те, чому мозок збільшується протягом еволюційної історії, включають необхідність проходити нові та різні ландшафти, створюючи основу для польоту та інших стилів локомотивів, сказав співавтор Габріель Бевер з Медичної школи Університету Джона Гопкінса.
Інші автори дослідження включають Елізабет Феррер з Американського музею природної історії та Університету Семюеля Мерріта; Леміс Салех і Пол Васка з Університету Стоуні Брук; M. Eugenia Gold з Американського музею природної історії та Саффолкського університету; Jesús Marugán-Lobón автономного університету Мадрида; Марк Норелл з Американського музею природної історії; Девід Уеллетт з медичного коледжу Weill Cornell; Майкл Салерно з Університету Пенсільванії; Акінобу Ватанабе з Американського музею природної історії, коледжу остеопатичної медицини Нью-Йоркського технологічного інституту та Лондонського природознавчого музею; і Шоуї Вей з Нью-Йоркського протонного центру.
Це дослідження фінансувалося Національним науковим фондом.
джерело: Університет штату Арізона
