Fuglesang og menneskelig stemme bygget ud fra samme genetiske plan

På et besøg på en strudsefarm i Texas optog forskerne 11 typer opkald, lige fra højfrekvente pip og gurgle i strudseunger til lavfrekvente bub og boom hos voksne mænd. Disse omfattede et par opkaldstyper, der aldrig var blevet optaget før. De eneste lyde, der endeligt blev optaget fra voksne hunstrudse, var hvæsen. Hvad hunnerne manglede i rækkevidde, kompenserede de for i holdning, sagde Michael Chiappone, der blev involveret i strudseforskningen som bachelorstuderende på Jackson School og er hovedforfatter af undersøgelsen.

"De var ret produktive hvæser," sagde Chiappone, som nu er doktorand ved University of Minnesota.

Til kolibristudiet i Zoological Journal of the Linnean Society , sammenlignede forskerne kolibriens syrinx med syrinxen af ​​svaler og nattergale, to nære slægtninge, og fandt ud af, at alle tre fugle har lignende vokalfolder i deres syrinx på trods af at de har forskellige måder at lære deres kald på. Swifts og nightjars arbejder med et begrænset repertoire af instinktive kald, mens kolibrier er i stand til at uddybe kald ved at lære komplekse sange fra hinanden, en egenskab kaldet vokal læring.

Ifølge Lucas Legendre, en forskningsmedarbejder ved Jackson School, der ledede kolibriforskningen, tyder resultaterne på, at den fælles forfader til alle tre fugle også havde en lignende stemmefoldestruktur - og at det kan have været med til at lægge grunden til udviklingen i vokal læring hos kolibrier.

"At have alle de [vokale fold]-strukturer allerede til stede, før vokalindlæring blev erhvervet af kolibrier, gjorde det sandsynligvis lettere for dem at tilegne sig vokalproduktionslæring," sagde han.

Før undersøgelsen var det usikkert, om swifts overhovedet havde stemmelæber. Som en del af forskningen skabte Legendre en 3D digital model af det hurtige vokalspor, der fører seerne ned gennem luftrøret til syrinx og til stemmelæberne, der hviler nær toppen af ​​hver gren af ​​syrinx. Modellen - kaldet "den magiske mysterierejse" af Clarke - viser de fremskridt inden for anatomisk viden om syrinx, som hendes laboratorium leder.

"Dette er en struktur, som man ikke vidste for at eksistere uden for kolibrier, men vores CT-scanninger afslørede, at swifts har disse stemmelæber i samme position," sagde Clarke. "Det er den slags rejse, vi skulle videre for at få disse svar."

Samtidig udviklede Clarke og hendes team metoder til at bevare og fange syrinx-anatomi på tværs af fuglearter, de samarbejdede med Clifford Tabin, en udviklingsbiolog ved Harvard University, om at undersøge syrinxens evolutionære oprindelse ved at spore genekspressionen, der ledsaget stemmeorganudvikling i embryoner fra fugle, pattedyr og krybdyr.

Forskningen offentliggjort i Current Biology er en kulmination på det samarbejde. Undersøgelsen beskriver, hvordan videnskabsmænd opdagede den dybe forbindelse mellem strubehovedet og syrinxvævet ved at observere, at de samme gener styrede udviklingen af ​​stemmeorganerne i henholdsvis mus og kyllingeembryoner, selvom organerne opstod fra forskellige embryologiske lag.

"De dannes under indflydelse af de samme genetiske veje, hvilket i sidste ende giver vokalvævet lignende cellulær struktur og vibrationsegenskaber hos fugle og pattedyr," sagde Tabin, en medleder i undersøgelsen.

Undersøgelsen analyserede også syrinx-udvikling på tværs af fuglearter - hvilket involverede observation af genekspression i embryoner fra 14 forskellige arter, fra pingviner til undulater - og fandt ud af, at den fælles forfader til moderne fugle sandsynligvis havde en syrinx med to lydkilder eller to uafhængigt fungerende vokale. folder. Denne egenskab findes i sangfugle i dag, hvilket giver mange mulighed for at skabe to forskellige lyde på samme tid. Forskningen tyder på, at den fælles forfader til fugle kan have foretaget lignende forskellige opkald.

Disse resultater kan kaste lys over syrinxens oprindelse, men det er stadig ukendt, hvornår syrinxen først udviklede sig, og om ikke-fugle dinosaurer - forfædrene til nutidens fugle - havde vokalorganet, sagde Clarke. Ingen har endnu fundet en fossil syrinx fra en ikke-fugle dinosaur.

Ifølge Clarke er den bedste måde at forstå mulighederne for ældgamle dinosaurlyde på at fortsætte med at studere vokalisering, som den eksisterer i dag i fugle, de dinosaurer, der stadig er hos os, og andre krybdyrfætre.

"Vi kan ikke begynde at tale om lydproduktion i dinosaurer, før vi virkelig forstår systemet i levende arter," sagde hun.

Chad Eliason, seniorforsker ved Field Museum of Natural History og tidligere postdoktor ved Jackson School, var også en stor bidragyder til disse syrinx-projekter og andre.

Flere oplysninger: Michael Chiappone et al., Struds (Struthio camelus) syrinxmorfologi og vokalrepertoire på tværs af postnatal ontogeni og køn:Implikationer for at forstå vokal evolution hos fugle, Journal of Anatomy (2023). DOI:10.1111/joa.13992

Lucas J Legendre et al., Evolution of the syrinx of Apodiformes, inklusive de vokallærende Trochilidae (Aves:Strisores), Zoological Journal of the Linnean Society (2024). DOI:10.1093/zoolinnean/zlae001

Charlie Longtine et al., Homology and the evolution of vocal folders in the noavian voice box, Current Biology (2024). DOI:10.1016/j.cub.2023.12.013

Journaloplysninger: Zoological Journal of the Linnean Society , Nuværende biologi

Leveret af University of Texas i Austin