Människor har länge varit fascinerade av fågelsång och kakofonien av andra fågelljud – från kurrande och tutar till kvacksalvare och pip. Men lite är känt om hur fåglarnas unika röstorgan – syrinxen – varierar från art till art eller dess djupare evolutionära ursprung.
En trio av nya studier ledda av forskare från University of Texas i Austin ändrar på det.
Studierna inkluderar högupplösta anatomiska skanningar av syrinxer från kolibrier och strutsar – världens minsta och största fågelart – och upptäckten att syrinx och struphuvud, röstorganet hos reptiler och däggdjur, inklusive människor, delar samma utvecklingsprogrammering.
Enligt Julia Clarke, professor vid UT:s Jackson School of Geosciences, är denna genetiska koppling mellan röstorganen ett spännande nytt exempel på "djup homologi", en term som beskriver hur olika vävnader eller organ kan dela en gemensam genetisk koppling.
"För mig är detta lika stort som övergången från simfötter till lemmar", säger Clarke, som var med och ledde eller var medförfattare till studierna. "På vissa sätt är den ännu större eftersom syrinxen inte är ett modifierat organ med en ny funktion utan ett helt nytt med en gammal och vanlig funktion."
De tre studierna bygger på en grund av kollaborativ och tvärvetenskaplig syrinxforskning med fysiologer och utvecklingsbiologer som Clarke har lett i över ett decennium.
Forskningen startade 2013 när Clarke, en paleontolog, upptäckte en syrinx i ett fossil av en ankliknande fågel som levde i det som nu är Antarktis under den sena kritatiden. Exemplaret är den äldsta syrinx som har upptäckts. Men när hon försökte jämföra den fossila syrinxen med syrinxerna hos moderna fåglar, fann hon att den vetenskapliga litteraturen saknades. Många av studierna daterades tillbaka till 1800-talet, före tillkomsten av modern vetenskaplig bildbehandling, eller citerade påståenden från de äldre studier som gjorts utan att dubbelkontrollera dem.
Detta satte Clarke på ett uppdrag att modernisera – och maximera – syrinx-datainsamlingen.
"Vi hade den här nya tredimensionella strukturen, men vi hade inget att jämföra den med", sa Clarke och beskrev CT-avbildningsdata från den fossila syrinxen. "Så vi började generera data som tidigare inte fanns på syrinxstrukturen över många olika grupper av fåglar."
Under åren har Clarke och medlemmar av hennes labb utvecklat nya metoder för att dissekera, konservera och CT-skanna syrinxer som har hjälpt till att avslöja syrinxen mer i detalj. Dessa förbättrade syn på struts- och kolibriens röstorgan har visat att fåglarnas beteende kan vara lika viktigt som syrinxen när det kommer till repertoaren av ljud som dessa fåglar producerar.
Till exempel, i studiet av strutssyrinx, i Journal of Anatomy , fann forskarna inga signifikanta skillnader i syrinxanatomi mellan vuxna hanar och honfåglar (tidigare studier fokuserade endast på strutshanar.) Men även om båda könen har samma röstutrustning, tenderade strutshanar att göra en större variation av ljud än honor. strutsar, med de ljud som ofta förknippas med aggressivt beteende mellan bråkiga hanar.
Vid ett besök på en strutsfarm i Texas spelade forskarna in 11 typer av samtal, allt från högfrekventa pip och gurglingar i strutsbebisar till lågfrekventa buningar och boom hos vuxna män. Dessa inkluderade några samtalstyper som aldrig hade spelats in tidigare. De enda ljud som definitivt registrerades från vuxna strutshonor var väsningar. Vad honorna saknade i räckvidd, kompenserade de för i sin attityd, sa Michael Chiappone, som blev involverad i strutsforskningen som student vid Jackson School och är huvudförfattare till studien.
"De var ganska produktiva fräsare", säger Chiappone, som nu är doktorand vid University of Minnesota.
För kolibristudien i Zoological Journal of the Linnean Society , jämförde forskarna kolibriens syrinx med syrinxen hos hassvalor och nattsvin, två nära släktingar, och fann att alla tre fåglarna har liknande stämveck i sin syrinx trots att de har olika sätt att lära sig sina rop. Swifts och nightjars arbetar med en begränsad repertoar av instinktiva samtal medan kolibrier kan utveckla samtal genom att lära sig komplexa sånger av varandra, en egenskap som kallas röstinlärning.
Enligt Lucas Legendre, en forskarassistent vid Jackson School som ledde kolibriforskningen, tyder resultaten på att den gemensamma förfadern till alla tre fåglarna också hade en liknande stämbandsstruktur - och att det kan ha hjälpt till att lägga grunden för utvecklingen av röstinlärning hos kolibrier.
"Att ha alla [vokalbandet] strukturer redan närvarande innan röstinlärning förvärvades av kolibrier gjorde det förmodligen lättare för dem att tillägna sig sångproduktionsinlärning", sa han.
Före studien var det osäkert om swifts ens hade stämband. Som en del av forskningen skapade Legendre en digital 3D-modell av det snabba sångspåret som tar tittarna ner genom luftröret till syrinxen och till stämbanden som vilar nära toppen av varje gren av syrinxen. Modellen – kallad "den magiska mysterieresan" av Clarke – visar framstegen inom anatomisk kunskap om syrinx som hennes labb leder.
"Det här är en struktur som inte var känd för att existera utanför kolibrier, men våra CT-skanningar visade att swifts har dessa stämveck i samma position," sa Clarke. "Det här är den här typen av resa vi behövde fortsätta för att få dessa svar."
Samtidigt utvecklade Clarke och hennes team metoder för att bevara och fånga syrinxanatomi över fågelarter, de samarbetade med Clifford Tabin, en utvecklingsbiolog vid Harvard University, för att undersöka syrinxens evolutionära ursprung genom att spåra genuttrycket som åtföljd utveckling av röstorgan i embryon från fåglar, däggdjur och reptiler.
Forskningen publicerad i Current Biology är en kulmen på det samarbetet. Studien beskriver hur forskare upptäckte det djupa sambandet mellan struphuvudet och syrinxvävnaderna genom att observera att samma gener styrde utvecklingen av röstorganen hos möss respektive kycklingembryon, även om organen uppstod från olika embryologiska lager.
"De bildas under påverkan av samma genetiska vägar, vilket i slutändan ger röstvävnaden liknande cellstruktur och vibrationsegenskaper hos fåglar och däggdjur", säger Tabin, en medledare för studien.
Studien analyserade också syrinxutveckling över fågelarter – vilket involverade observation av genuttryck i embryon från 14 olika arter, från pingviner till undulater – och fann att den gemensamma förfadern till moderna fåglar förmodligen hade en syrinx med två ljudkällor, eller två oberoende fungerande sång. veck. Denna egenskap finns hos sångfåglar idag, vilket gör att många kan skapa två distinkta ljud samtidigt. Forskningen tyder på att fåglarnas gemensamma förfader kan ha gjort liknande olika samtal.
Dessa resultat kan kasta ljus över syrinxens ursprung men det är fortfarande okänt när syrinxen först utvecklades och om icke-fågeldinosaurier - förfäderna till dagens fåglar - hade röstorganet, sa Clarke. Ingen har ännu hittat en fossil syrinx från en icke-fågeldinosaurie.
Enligt Clarke är det bästa sättet att förstå möjligheterna för forntida dinosaurieljud att fortsätta studera vokalisering som den finns idag hos fåglar, dinosaurier som fortfarande finns hos oss och andra reptilkusiner.
"Vi kan inte börja prata om ljudproduktion i dinosaurier förrän vi verkligen förstår systemet i levande arter," sa hon.
Chad Eliason, senior forskare vid Field Museum of Natural History och tidigare postdoktor vid Jackson School, var också en stor bidragsgivare till dessa syrinx-projekt och andra.
Mer information: Michael Chiappone et al, Struts (Struthio camelus) syrinxmorfologi och vokalrepertoar över postnatal ontogeni och sex:Implikationer för att förstå vokal evolution hos fåglar, Journal of Anatomy (2023). DOI:10.1111/joa.13992
Lucas J Legendre et al, Evolution of the syrinx of Apodiformes, inklusive de sånglärande 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 folds in the novel voice box, Current Biology (2024). DOI:10.1016/j.cub.2023.12.013
Journalinformation: Zoological Journal of the Linnean Society , Nuvarande biologi
Tillhandahålls av University of Texas i Austin
