Птицы поют от души. В то время как другие четвероногие животные, такие как млекопитающие и рептилии, издают звуки с помощью голосовых ящиков в горле, чириканье птиц исходит из уникального голосового органа, называемого сиринкс, расположенного в их груди. Ни у каких других животных нет сиринкса, и ученые не уверены, как и когда он появился. В новом исследовании Proceedings of the Natural Academy of Science междисциплинарная группа биологов-эволюционистов, эволюционных морфологов и физиологов изучила дыхательные пути птиц, крокодилов, саламандр, мышей и кошек, чтобы узнать больше о том, как эволюционировали сиринксы. Их выводы, похоже, подтверждают: сиринкс - эволюционная странная утка. Но оно могло возникнуть из-за укрепления на дне дыхательного горла, которое мы до сих пор видим у многих других животных.
«У птиц есть уникальный орган в дыхательных путях, который производит звуки - он похож на флейту», - говорит Чад Элиасон, научный сотрудник Чикагского музея Филда и соавтор исследования. «Мы не знаем, откуда взялся этот орган, как и почему он развился. Но в этом исследовании, когда мы уменьшили масштаб и посмотрели на дыхательные пути других животных, мы обнаружили глубокое сходство, которого не ожидали».
Млекопитающие, птицы и рептилии имеют трахею - трубку, соединяющую нос и рот с легкими. И у всех нас есть гортань - полый мышечный орган в верхней части этой трубки, который помогает воздуху проходить в легкие и удерживает пищу от попадания в дыхательные пути. У млекопитающих и рептилий гортань имеет небольшие складки ткани, которые вибрируют, когда воздух проходит над ними, производя звук. У птиц гортань не может производить звук - она предназначена только для дыхания и еды. Вместо этого птичьи звуки воспроизводятся на дне трахеи, чуть выше того места, где трахея разветвляется на легкие. Это соединение, состоящее из хрящей, называется сиринкс.
«Сиринкс представляет собой крошечную коробочку из хряща - у воробья он составляет около 8 миллиметров в диаметре, что примерно в четыре раза толще нити спагетти», - говорит Элиасон. «Он укрепляет дыхательные пути, и когда воздух проходит через его складки, он издает звук: пение птиц».
Поскольку у птиц есть и сиринкс, и гортань, неясно, когда именно сиринкс взял на себя обязанности по производству звука вместо гортани. «Ближайшие из ныне живущих родственников птиц, крокодилы, издают звук в горле с помощью гортани. Так как же предки птиц перешли от создания звуков с помощью гортани к созданию звуков с помощью сиринкса?» - спрашивает Элиасон. «Если бы мы нашли ископаемые свидетельства существования сиринкса у динозавров, это было бы неопровержимым доказательством, но пока этого не произошло. А пока нам нужно искать подсказки у других животных».
Элиасон и его коллеги-ученые, в том числе соавтор Эван Кингсли из Гарвардской медицинской школы, исследовали трахеи ряда животных. У кошек, мышей и крокодилов есть набор сросшихся хрящевых колец в основании трахеи, называемый килем, который обеспечивает структурную поддержку там, где трахея разветвляется на легкие, как это делает сиринкс. «Возможно, сиринкс - это просто побочный продукт укрепления дыхательных путей, как это происходит с килем у других животных», - говорит Элиасон.
Существование таких структур, как сиринкс и киль, не новость для науки - люди знали о них десятилетиями. Но это исследование дает новый взгляд на них. «Мы углубляем наше понимание того, как эти структуры связаны друг с другом, и это может помочь нам понять, как в первую очередь развивался сиринкс», - говорит Джулия Кларк, профессор Техасского университета в Остине и ведущий автор исследования. исследование.
Исследование также проливает свет на способность птиц издавать звуки на протяжении всей их эволюционной истории. По словам Элиасона и его коллег, это могло произойти двумя путями. В Сценарии А вымершие предки птиц издавали звуки гортанью, затем теряли способность издавать звуки гортанью и у них был период, когда они не могли петь, а затем они вновь обретали способность издавать звуки с происхождением от сиринкса.. В сценарии B предки птиц издавали звуки гортанью, затем у них развился сиринкс, возможно, для структурной поддержки дыхательных путей, сиринкс стал способен производить звук, и через некоторое время птицы производили звук только сиринксами и потеряли способность издавать звуки гортанью. Это исследование предполагает, что сценарий Б более вероятен. «Мне кажется более интуитивным, что развитие сиринкса у птиц было бы ступенчатым, что они сохранили бы свою способность издавать звуки как с помощью гортани, так и сиринкса, а затем постепенно потеряли бы способность издавать звук с помощью гортань», - говорит Элиасон.«В другом варианте птицы и их предки-динозавры находились бы в своего рода тихой зоне, когда они не могли издавать никаких звуков. Глядя на черепа динозавров, мы знаем, что они могли слышать, и для них не имело бы смысла быть способен слышать, но не может издавать звуки для общения». Исследователи также отмечают, что наличие полностью функциональной гортани у ближайших родственников птиц делает сценарий B менее вероятным, чем первый сценарий.
Кингсли надеется, что это исследование будет полезным для всех ученых, изучающих развитие новых функций. «Одной из главных задач в биологии является понимание того, как возникают новые структуры, почему мы видим странные черты в некоторых организмах», - говорит он. «Это исследование дает нам представление о том, как могла возникнуть одна из этих новых структур, сиринкс». Элиасон также отмечает, что эволюция сиринкса неразрывно связана с эволюцией пения птиц и, следовательно, самих птиц. «Пение птиц - это то, что они используют для общения, поиска партнеров и предупреждения друг друга о хищниках. Именно из-за сиринкса птицы могут издавать все эти разные звуки. Существует более десяти тысяч видов птиц, у каждого из которых свой призыв, и их способность издавать все эти звуки могла сыграть роль в формировании того разнообразия птиц, которое мы наблюдаем сегодня».
Исследование финансировалось Фондом Гордона и Бетти Мур (грант 4498).