Mennesker og vokalfugle som papegøjer bruger i det væsentlige de samme gener til at tale.
Papegøjer har et unikt mønster af genekspression i deres hjerner, hvilket skaber et superladet talecenter, der kan give dem muligheden for hurtigt at samle “dialekter” af papegøje-tale. Fotokredit: Michael Whytle / Flickr
Som en del af en enorm indsats for at rækkefølge og sammenligne hele genomene til 48 fuglearter, der repræsenterer enhver større rækkefølge af fuglenes slægtstræ, har forskere fundet, at vokalundervisning udviklede sig to gange - eller måske tre gange - blandt sangfugle, papegøjer og kolibrier. Endnu mere slående er, at sættet af gener, der er involveret i hver af disse sanginnovationer, bemærkelsesværdigt ligner de gener, der er involveret i menneskelig taleevne.
Erich Jarvis er lektor i neurobiologi ved Duke University Medical School og en efterforsker ved Howard Hughes Medical Institute. Jarvis sagde:
Vi har vidst i mange år, at fuglernes sangopførsel ligner tale hos mennesker - ikke identisk, men lignende - og at hjernekredsløbet også er ens.
Men vi vidste ikke, om disse funktioner var de samme, fordi generne også var de samme.
Nu ved videnskabsmænd, og svaret er ja. Fugle og mennesker bruger i det væsentlige de samme gener til at tale.
Resultaterne er en del af en pakke med otte videnskabelige artikler i en specialudgave af 12. december Videnskab og 21 yderligere papirer, der næsten samtidig vises i Genbiologi, GigaScienceog andre tidsskrifter. Jarvis 'navn vises på 20 papirer, og han er en tilsvarende forfatter for otte af dem.
Jarvis-laboratoriet forberedte DNA fra mange af arterne ved hjælp af fuglekød, der blev indsamlet i løbet af de sidste 30 år af museer og andre institutioner rundt om i verden.
Alt dette omhyggelige og lidt kedelige arbejde har givet Jarvis og hundreder af kolleger over hele verden en knæk på en hidtil uset mængde genomiske data genereret af BGI i Kina. Sammenligningen af helgenomet af de 48 fuglearter krævede nye algoritmer skrevet ved University of Illinois og University of Texas, der løb i 400 års CPU-tid på tre supercomputere i USA.
Af de 29 artikler, der dækker alt fra pingvinudvikling til farvesyn, er otte viet til fuglesang.
Et af de nye papirer i Videnskab rapporterer, at der er et konstant sæt på lidt over 50 gener, der viser højere eller lavere aktivitet i hjernen af vokale læringsfugle og mennesker. Disse ændringer blev ikke fundet i hjernen fra fugle, der ikke har vokalindlæring, og ikke-menneskelige primater, der ikke taler, ifølge dette hertughold, som blev ledet af Jarvis; Andreas Pfenning, kandidat fra ph.d.-uddannelsen i beregningsbiologi og bioinformatik (CBB); og Alexander Hartemink, professor i datalogi, statistisk videnskab og biologi. Jarvis sagde:
Dette betyder, at vokale læringsfugle og mennesker ligner hinanden mere for disse gener i sang- og talehjerneområder end andre fugle og primater er dem.
Disse gener er involveret i dannelse af nye forbindelser mellem neuroner i motorisk cortex og neuroner, der kontrollerer musklerne, der producerer lyd.
En ledsagerundersøgelse fra en anden CBB-doktorgrad, Rui Wang, kiggede på den specialiserede aktivitet for et par gener involveret i regionerne i hjernen, der kontrollerer sang og tale. Denne undersøgelse vises i Journal of Comparative Neurology, fandt, at disse gener er ned- og opreguleret i en hjerneområde med sanglærende fugle i ungdommens periode af deres vokale læring, ændringer, der varer til voksen alder.
Denne undersøgelse og Pfenning antager, at ændringer i disse gener kan være kritiske for udviklingen af sang hos fugle og tale hos mennesker. Jarvis sagde:
Du kan finde de samme gener i genomerne af alle arter, men de er aktive på meget højere eller lavere niveauer i de specialiserede sang- eller talehjerneområder i vokale læringsfugle og mennesker. Hvad dette antyder for mig er, at når vokalindlæring udvikler sig, kan der være en begrænset måde, hvorpå hjernekredsløbene kan udvikle sig.
Papegøjen talecenter
Et andet papir i Videnskab fra hertug, ledet af postdoktor Osceola Whitney, Pfenning, Hartemink og Anne West, lektor i neurobiologi, kiggede på genaktivering i forskellige områder af hjernen under sang.
Dette team fandt aktivering af 10 procent af det udtrykte genom under sang, med forskellige aktiveringsmønstre i forskellige sanglæringsregioner i hjernen. De forskellige genmønstre forklares bedst af epigenetiske forskelle i genomerne i de forskellige hjerneområder, hvilket betyder, at individuelle celler i forskellige hjerneområder kan regulere gener på et øjeblik, når fuglene synger.
Blandt de tre hovedgrupper af vokale læringsfugle er papegøjer klart forskellige i deres evne til at efterligne menneskelig tale.
Mukta Chakraborty, en postdoktor i Jarvis-laboratoriet, ledede et projekt, der brugte aktiviteten af nogle af de specialiserede gener til at opdage, at papegøjeens talecenter er organiseret noget anderledes. Det har det, som forskerne kalder et "sang-system-inden-et-sang-system", hvor området af hjernen med forskellig genaktivitet til produktion af sang har en ydre ring med endnu flere forskelle i genudtryk.
Papegøjer er meget sociale dyr, siger Chakraborty, og det at have evnen til hurtigt at hente “dialekter” af papegøje-tale kan muligvis redegøre for deres superladede talecenter. Det viste sig, at ”skallen” eller de ydre regioner er forholdsmæssigt større hos papegøje-arterne, som antages at have de højeste vokale, kognitive og sociale evner. Disse arter inkluderer Amazon papegøjer, den afrikanske grå og den blå og guld ara.
Jarvis var også en del af et team med Claudio Mello og hans ph.d.-studerende Morgan Wirthlin ved Oregon Health & Science University, der fandt yderligere ti gener, der er unikke for sangkontrolregioner for sangfugle. Denne artikel vises i BMC Genomics.
Et papir ind Videnskab ledet af Zhang, Gilbert og Jarvis fandt, at vokalelementernes genom udvikler sig hurtigere og har flere kromosomale omarrangementer sammenlignet med andre fuglearter. Denne genomiske sammenligning fandt også, at lignende ændringer forekom uafhængigt i området for sangindlæring af forskellige fuglers hjerner.
Jarvis siger, at det at vide mere om denne historie om, hvordan tale udviklede sig hos fugle, gør vokalindlæringsfugle endnu mere værdifulde modelorganismer til at hjælpe med at besvare de spørgsmål, han og andre forskere tager stilling til om menneskets tale. Jarvis sagde:
Tale er vanskeligt at studere i menneskelige hjerner. Hvaler og elefanter lærer tale og sange, men de er for store til at huse i laboratoriet. Nu hvor vi har en dybere forståelse af, hvordan lignende fuglesanghjerneregioner er som menneskelige tale-regioner på det genetiske niveau, tror jeg, de vil være en bedre model end nogensinde.
Jarvis ledede Avian Phylogenomics Consortium med Guojie Zhang fra National Genebank på BGI i Kina og Københavns Universitet og M. Thomas P. Gilbert fra Danmarks Naturhistoriske Museum. Hans Duke-laboratorium bidrog til at forberede prøver, sekventere og annotere genomerne, udføre analyserne og koordinere det samlede projekt.
Nederste linje: Forskere har fundet ud, at vokalundervisning udviklede sig to gange - eller måske tre gange - blandt sangfugle, papegøjer og kolibrier. Endnu mere slående er, at sættet af gener, der er involveret i hver af disse sanginnovationer, bemærkelsesværdigt ligner de gener, der er involveret i menneskelig taleevne.