Wetenschap
Vogelgezang en menselijke stem opgebouwd uit dezelfde genetische blauwdruk
Een drietal recente onderzoeken onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin brengt daar verandering in.
De onderzoeken omvatten anatomische scans met hoge resolutie van syrinxen van kolibries en struisvogels – de kleinste en grootste vogelsoort ter wereld – en de ontdekking dat de syrinx en het strottenhoofd, het stemorgaan van reptielen en zoogdieren, inclusief mensen, dezelfde ontwikkelingsprogrammering delen. /P>
Volgens Julia Clarke, professor aan de Jackson School of Geosciences van de UT, is deze genetische verbinding tussen de stemorganen een opwindend nieuw voorbeeld van 'diepe homologie', een term die beschrijft hoe verschillende weefsels of organen een gemeenschappelijke genetische link kunnen delen. P>
"Voor mij is dit net zo groot als de overgang van flippers naar ledematen", zegt Clarke, die de onderzoeken mede leidde of co-auteur was. "In sommige opzichten is het zelfs nog groter omdat de syrinx geen aangepast orgel is met een nieuwe functie, maar een compleet nieuw orgaan met een oude en gemeenschappelijke functie."
De drie onderzoeken zijn gebouwd op een fundament van collaboratief en interdisciplinair syrinxonderzoek met fysiologen en ontwikkelingsbiologen dat Clarke al meer dan tien jaar leidt.
Het onderzoek begon in 2013 toen Clarke, een paleontoloog, een syrinx ontdekte in een fossiel van een eendachtige vogel die tijdens het Late Krijt leefde in wat nu Antarctica is. Het exemplaar is de oudste syrinx die ontdekt is. Maar toen ze de fossiele syrinx probeerde te vergelijken met de syrinxen van moderne vogels, ontdekte ze dat de wetenschappelijke literatuur ontbrak. Veel van de onderzoeken dateren uit de 19e eeuw, vóór de komst van de moderne wetenschappelijke beeldvorming, of citeerden beweringen uit die oudere onderzoeken die waren gedaan zonder ze dubbel te controleren.
Dit zette Clarke op een missie om de verzameling van syrinx-gegevens te moderniseren en te maximaliseren.
"We hadden deze nieuwe driedimensionale structuur, maar we hadden niets om het mee te vergelijken", zei Clarke, terwijl hij CT-beeldgegevens van de fossiele syrinx beschreef. "Dus zijn we begonnen met het genereren van gegevens die nog niet eerder bestonden over de syrinxstructuur van veel verschillende groepen vogels."
In de loop der jaren hebben Clarke en leden van haar laboratorium nieuwe methoden ontwikkeld voor het ontleden, conserveren en CT-scannen van syrinxen, waardoor de syrinx gedetailleerder zichtbaar is geworden. Deze verbeterde kijk op het stemorgel van de struisvogel en de kolibrie heeft aangetoond dat het gedrag van vogels net zo belangrijk kan zijn als de syrinx als het gaat om het repertoire aan geluiden die deze vogels produceren.
Bijvoorbeeld bij de studie van de struisvogelsyrinx, in het Journal of Anatomy vonden de onderzoekers geen significante verschillen in de anatomie van de syrinx tussen volwassen mannelijke en vrouwelijke vogels (eerdere studies concentreerden zich alleen op mannelijke struisvogels). Hoewel beide geslachten dezelfde vocale uitrusting hebben, hadden mannelijke struisvogels de neiging om een grotere verscheidenheid aan geluiden te maken dan vrouwelijke struisvogels. struisvogels, waarbij de geluiden vaak geassocieerd worden met agressief gedrag tussen luidruchtige mannetjes.
Tijdens een bezoek aan een struisvogelboerderij in Texas registreerden de onderzoekers 11 soorten oproepen, variërend van hoogfrequent piepgeluiden en gegorgel bij babystruisvogels tot laagfrequent boegeroep en dreunen bij volwassen mannetjes. Deze omvatten een paar oproeptypen die nog nooit eerder waren opgenomen. De enige geluiden die definitief zijn opgenomen van volwassen vrouwelijke struisvogels waren sissen. Wat de vrouwtjes qua bereik misten, compenseerden ze qua houding, zegt Michael Chiappone, die als student aan de Jackson School bij het struisvogelonderzoek betrokken raakte en de hoofdauteur van het onderzoek is.
"Het waren behoorlijk productieve sissende mensen", zegt Chiappone, die nu promovendus is aan de Universiteit van Minnesota.
Voor het kolibrieonderzoek in het Zoological Journal of the Linnean Society vergeleken de onderzoekers de syrinx van de kolibrie met de syrinx van gierzwaluwen en nachtzwaluwen, twee naaste verwanten, en ontdekten dat alle drie de vogels vergelijkbare stemplooien in hun syrinx hebben, ondanks dat ze verschillende manieren hebben om hun roep te leren. Gierzwaluwen en nachtzwaluwen werken met een beperkt repertoire aan instinctieve geluiden, terwijl kolibries hun geluiden kunnen uitwerken door complexe liedjes van elkaar te leren, een eigenschap die vocaal leren wordt genoemd.
Volgens Lucas Legendre, een onderzoeksmedewerker van de Jackson School die het kolibrieonderzoek leidde, suggereren de bevindingen dat de gemeenschappelijke voorouder van alle drie de vogels ook een vergelijkbare stemplooistructuur had – en dat dit mogelijk heeft geholpen de basis te leggen voor de evolutie in het vocale leren. bij kolibries.
"Het hebben van alle [stemplooi]structuren die al aanwezig waren voordat kolibries het vocale leren verwierven, maakte het waarschijnlijk gemakkelijker voor hen om het leren van vocale productie te verwerven," zei hij.
Vóór het onderzoek was het onzeker of gierzwaluwen zelfs stemplooien hadden. Als onderdeel van het onderzoek creëerde Legendre een digitaal 3D-model van het snelle vocale spoor dat kijkers via de luchtpijp naar de syrinx en de stemplooien voert die aan de bovenkant van elke tak van de syrinx rusten. Het model, door Clarke de 'magische mysteriereis' genoemd, toont de vooruitgang in de anatomische kennis van de syrinx waar haar laboratorium toonaangevend is.
"Dit is een structuur waarvan niet bekend was dat deze bestond buiten kolibries, maar uit onze CT-scans bleek dat gierzwaluwen deze stemplooien in dezelfde positie hebben", zei Clarke. "Dit is het soort reis dat we moesten ondernemen om deze antwoorden te krijgen."
Tegelijkertijd ontwikkelden Clarke en haar team methoden om de anatomie van de syrinx bij alle vogelsoorten te behouden en vast te leggen. Ze werkten samen met Clifford Tabin, een ontwikkelingsbioloog aan de Harvard University, aan het onderzoeken van de evolutionaire oorsprong van de syrinx door de genexpressie te volgen die begeleidde de ontwikkeling van stemorganen in de embryo's van vogels, zoogdieren en reptielen.
Het onderzoek gepubliceerd in Current Biology is het hoogtepunt van die samenwerking. De studie beschrijft gedetailleerd hoe wetenschappers de diepe verbinding tussen het strottenhoofd en de syrinxweefsels ontdekten door te observeren dat dezelfde genen de ontwikkeling van de stemorganen in respectievelijk muizen- en kippenembryo's controleerden, ook al ontstonden de organen uit verschillende embryologische lagen. P>
"Ze vormen zich onder invloed van dezelfde genetische routes, waardoor het stemweefsel uiteindelijk een vergelijkbare cellulaire structuur en trillingseigenschappen krijgt bij vogels en zoogdieren", zegt Tabin, medeleider van het onderzoek.
De studie analyseerde ook de ontwikkeling van de syrinx bij verschillende vogelsoorten – waarbij de genexpressie werd geobserveerd in embryo’s van 14 verschillende soorten, van pinguïns tot parkieten – en ontdekte dat de gemeenschappelijke voorouder van moderne vogels waarschijnlijk een syrinx had met twee geluidsbronnen, of twee onafhankelijk functionerende vocale bronnen. plooien. Deze eigenschap wordt tegenwoordig aangetroffen bij zangvogels, waardoor velen tegelijkertijd twee verschillende geluiden kunnen creëren. Het onderzoek suggereert dat de gemeenschappelijke voorouder van vogels mogelijk vergelijkbare uiteenlopende geluiden maakte.
Deze resultaten kunnen licht werpen op de oorsprong van de syrinx, maar het is nog steeds onbekend wanneer de syrinx zich voor het eerst ontwikkelde en of niet-aviaire dinosauriërs – de voorouders van de hedendaagse vogels – het stemorgaan hadden, zei Clarke. Niemand heeft nog een fossiele syrinx van een niet-aviaire dinosaurus gevonden.
Volgens Clarke is de beste manier om de mogelijkheden van oude dinosaurusgeluiden te begrijpen het bestuderen van de vocalisatie zoals die vandaag de dag bestaat bij vogels, de dinosaurussen die nog steeds bij ons zijn, en andere reptielen.
"We kunnen pas beginnen te praten over de geluidsproductie bij dinosauriërs als we het systeem in levende soorten echt begrijpen", zei ze.
Chad Eliason, senior onderzoeker bij het Field Museum of Natural History en voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de Jackson School, leverde ook een belangrijke bijdrage aan deze en andere Syrinx-projecten.