У всех позвоночных, дышащих воздухом, есть гортань - структура мышц и складок, которая защищает трахею и у многих животных вибрирует и модулирует, производя ошеломляющий набор звуков.
Но птицы, хотя у них и есть гортань (множественное число от гортани), используют для пения другой орган. Он находится низко в дыхательных путях, там, где трахея разветвляется и направляется к двум легким. Называется сиринкс, это уникальная особенность птиц. На протяжении десятилетий ученые, в том числе из Университета Юты, задавались вопросом, почему сиринкс существует и как он вообще развился.
«Я всегда взволнован, когда что-то противоречит здравому смыслу», - говорит Инго Титце, директор Национального центра голоса и речи в Университете штата Юта и соавтор исследования. «Большинство людей сказали бы: «Поместите источник звука прямо у рта или клюва, и вы донесете звук до слушателя». Но это не то, что мы находим."
Тестирование эволюции сиринкса
Уже более 20 лет биолог из Университета Франц Голлер изучает механику сиринкса. Он обнаружил сходство между управлением и конструкцией сиринкса и гортани млекопитающих, говорит Тобиас Риде, бывший сотрудник лаборатории Голлера, а ныне доцент Среднезападного университета. «Но вопрос о том, почему у птиц развился сиринкс, хотя у них тоже есть гортань, оставался открытым», - говорит Риде.
Вопрос в понимании эволюции состоит в том, чтобы определить компромиссы между двумя разными структурами с похожими функциями. Почему низкий сиринкс - лучшее место для голосовых органов птиц? - А как бы вы проверили это на птице? - говорит Риде. «Вы не можете, потому что вы не можете перемещать источник вокала вверх и вниз по тракту».
Это привело Риде и Голлера к сотрудничеству с Титце и Скоттом Томсоном, профессором машиностроения Университета имени Бригама Янга. Оба привносят в исследование различные аспекты акустического моделирования: Титце привносит вычислительное моделирование, а Томсон привносит опыт построения физических моделей для имитации органов, производящих звук. Теперь, по словам Титце, команда смогла объединить свои дисциплины и методы. «С одной методикой, - говорит он, - независимо от того, работаете ли вы с живым образцом или с физической моделью, она дает вам фрагменты всей картины. Теперь мы часто отвечаем на серьезные вопросы, проводя комбинированные измерения. Мы собираем все фрагменты вместе.."
Команда использовала трехсторонний подход для измерения различных эффектов положения сиринкса на вокальную эффективность: упрощенные физические модели, компьютерное моделирование и реальные птицы разного размера в лаборатории.
Коммуникационные стратегии
«Мы обнаружили, что звук воспроизводится более эффективно, если источник звука находится в положении сиринкса», - говорит Риде. Результат подтверждает гипотезу о том, что птицы с сиринксом, расположенным низко в дыхательных путях, лучше способны общаться и получают эволюционное преимущество. Птицы, у которых самые длинные шеи среди всех наземных позвоночных, могут использовать длинные шеи в качестве резонаторов для усиления звука.
«Если вы малы, у вас не так много энергии для создания эффективного и далеко распространяющегося сигнала», - добавляет Риеде. «Итак, просто перемещая источник звука, вы можете сделать звук намного громче. Это та же проблема, с которой сталкивается инженер. Если вы хотите миниатюризировать свой динамик, как сделать его таким же громким и разборчивым, как большой динамик?»
"Раньше мы думали, что источник звука просто производит звук, а дыхательные пути просто изменяют звук", - говорит Титце.«Наше исследование показало, что существует сильная зависимость как от трубки или дыхательных путей, так и от источника звука. Расположение источника звука в трубке имеет значение, будь то посередине, спереди или сзади».
Из этого открытия можно многому научиться, особенно в отношении того, как птицы позиционируют свое тело, чтобы воспользоваться положением сиринкса. Некоторым птицам необходимо общаться с точной голосовой «целью», чтобы передать сообщение партнеру, например, не предупреждая хищников. «Итак, они должны позиционировать себя, чтобы выборочно направлять этот звук», - говорит Титце. «Это требует другой формы головы, тела и шеи».
Другие факторы
Далее Риде планирует изучить разнообразие птиц, чтобы увидеть, как их открытие применимо к птицам разных размеров (от колибри до страусов), и определить другие факторы, которые могут способствовать эволюции сиринкса у конкретного вида.. «Что предпочитает самка?» - говорит Риде.«Какая частота лучше всего распространяется в определенной среде обитания?»
Возможно, ответы на мучительную сложность пения птиц снова продемонстрируют простое изящество ответов, которые Риеде и его коллеги обнаружили до сих пор. «Простота ответа на старый и, казалось бы, сложный вопрос, - говорит он, - меня очень удивила».