Увеличение мозжечка является ключом к эволюции полета птиц

Эволюционные биологи из Johns Hopkins Medicine сообщают, что они объединили ПЭТ-сканирование голубей с исследованиями окаменелостей динозавров, чтобы помочь ответить на вечный вопрос биологии: как эволюционировал мозг птиц, чтобы они могли летать? Ответ, по их словам, заключается в адаптивном увеличении размера мозжечка у некоторых ископаемых позвоночных. Мозжечок — это область мозга, отвечающая за движение и двигательный контроль.

Ученые давно считали, что мозжечок играет важную роль в полете птиц, но у них не было прямых доказательств. Чтобы определить его ценность, новое исследование объединило современные данные ПЭТ-сканирования обычных голубей с летописью окаменелостей, изучая области мозга птиц во время полета и черепные коробки динозавров.

«Полет среди позвоночных — редкое событие в истории эволюции», — сказала Эми Баланофф, доцент кафедры функциональной анатомии и эволюции Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса и первый автор опубликованного исследования.

На самом деле, по словам ученых, только три группы позвоночных, или животных с позвоночником, научились летать: вымершие птерозавры, летучие мыши и птицы.

Эти три вида не имеют тесного родства на эволюционном древе, и ключевые факторы, которые позволили летать всем трем, остались неясными.

Помимо внешних физических приспособлений для полета, таких как длинные верхние конечности, определенные виды перьев, обтекаемое тело и другие особенности, Эми Баланофф и ее коллеги разработали исследование, чтобы найти особенности, которые создают мозг, готовый к полету.

Ученые выполнили позитронно-эмиссионную томографию, или ПЭТ-сканирование — ту же технологию, которая обычно используется на людях, — чтобы сравнить активность в 26 областях мозга, когда птица находилась в состоянии покоя и сразу после того, как она в течение 10 минут летала с одного насеста на другое. Они сканировали восемь птиц в разные дни.

При ПЭТ-сканировании используется соединение, похожее на глюкозу, которое можно отследить до того места, где оно наиболее усваивается клетками мозга, что указывает на повышенное использование энергии и, следовательно, на активность. Трекер разлагается и выводится из организма в течение суток-двух.

Из 26 областей в одной области — мозжечке — наблюдалось статистически значимое увеличение уровня активности между отдыхом и полетом у всех восьми птиц. В целом уровень повышения активности мозжечка отличался более чем на два стандартных статистических отклонения по сравнению с другими областями мозга.

Исследователи также обнаружили повышенную мозговую активность в так называемых путях зрительного потока — сети клеток мозга, которые соединяют сетчатку глаза с мозжечком. Эти пути обрабатывают движение по полю зрения.

Ученые говорит, что наблюдение увеличения активности в мозжечке и путях зрительного нерва не было удивительным, поскольку предполагалось, что эти области играют роль в полете.

Новым в их исследовании было соединение данных о мозжечке современных птиц, способных летать, с летописью окаменелостей, которая показала, как мозг птицеподобных динозавров начал развивать состояния мозга, необходимые для полета.

Смотрите также

Первые цветы появились раньше пчел — как они эволюционировали?

Зеленый саи наполовину представляет каждый пол — одна часть синяя, а другая зеленая

Для этого была использована оцифрованная база данных эндокастов или слепков внутреннего пространства черепов динозавров, которые при заполнении напоминают мозг.

Ученые идентифицировали и проследили значительное увеличение объема мозжечка у некоторых из самых ранних видов динозавров-манирапторов, которые предшествовали первым появлениям механического полета среди древних родственников птиц, включая археоптерикса — крылатого динозавра.

Эми Баланофф и ее команда также обнаружили в эндокастах доказательства увеличения складок тканей в мозжечке ранних манирапторов, что указывает на увеличение сложности мозга.

Исследователи предупредили, что это ранние результаты, и изменения активности мозга во время силового полета могут также происходить и во время других действий, таких как планирование. Они также отмечают, что их тесты включали прямой полет без препятствий и по легкой траектории, а другие области мозга могут быть более активными во время сложных маневров полета.

Далее исследовательская группа планирует определить точные области в мозжечке, которые обеспечивают готовность мозга к полету и нейронные связи между этими структурами.

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the Royal Society B.