Det vackra ljudet av fågelsångar som kommer från träden är ett underbart exempel på hur mycket naturen fortfarande kan lära oss, även om mycket om deras ursprung fortfarande är mystiskt för oss. Omkring 40 procent av fågelarterna lär sig att rösta när de utsätts för en handledare, ett beteende av intresse för många neurologer och neurobiologer. De andra 60 procenten kan uttrycka sig instinktivt isolerat. Variationen mellan arter, och förhållandet mellan nervsystemet och biomekanik gör fågelsångsproduktion till en komplex process att riva upp och förstå.

Fysikern Gabriel Mindlin, från University of Buenos Aires i Argentina, har tittat på fenomenen från det som är ett av de mest samlande och potentiellt upplysande perspektiven i frågan:den dynamiska fysiken i fåglarnas röstorgan. I hans senaste, fördjupad granskning av ämnet, publicerades i veckan i tidningen Kaos , han utforskar rollen för grundläggande fysikegenskaper i fågelsångens akustiska komplexitet, och förhållandet de har med neurala instruktioner för deras produktion.

"Min huvudfråga var:Vilken del av detta komplexa fenomen, detta komplexa beteende, beror på fysiken och biomekanismerna som [är] involverade, och hur mycket beror på de specifika neurala strukturer som styr det, "Mindlin sa." Min bakgrund är olinjär dynamik; därför, Jag var beredd att acceptera att många av beteendets komplexitet skulle kunna associeras med det faktum att vokalenheten var en olinjär enhet och därför även med enkla parametrar, du kan beskriva komplext beteende. "

Med utgångspunkt i de experimentella resultaten från direkta observationer – inklusive en studie som använde ett miniatyrtransduktorsystem monterat på en fågels rygg för att mäta förändringar i dess lungas luftsäckstryck – tittar Mindlin på de viktigaste strukturella parametrarna involverade i sångproduktionen.

"Sångfåglarna delar huvuddragen i det sätt på vilket de producerar sina låtar, så att du kan bygga en förenande modell och de flesta av de akustiska skillnaderna som de kan uppnå beror på området i parameterutrymmet där de verkar, "Mindlin sa." Det finns några universella särdrag som bevaras mellan olika arter. "

Från de direkta bevisen för den inblandade akustiken och biomekaniken, Mindlin och hans kollegor byggde modeller av detta parameterutrymme för att beskriva de exakta olinjära dynamiska egenskaperna som styr processen. Medveten om potentiell skepsis från det biologiska samhället, han testade också modellerna genom att återskapa låtar och använda dem för att studera fågelreaktioner på ett liknande sätt som äldre studier som använde verkliga låtinspelningar.

Använda syntetiska fågelsångar, Mindlin och hans medarbetare kunde återskapa mycket av det neurala svaret i zebrafinkar som mättes vid inspelningar av deras riktiga låtar. Dessa neurala signaturer, och hur de förhåller sig till ljudproduktionen, ge mycket insikt i neurobiologin i språkproduktion samt, kanske överraskande, till mer rent grundläggande fysik.

"Det intressanta är att det öppnar många frågor för fysikgemenskapen, hur man går från en neuron till muskelfibrernas kollektiva aktiviteter och den mikroskopiska kontrollen av biomekaniken. Det är en öppen fråga för statistisk mekanik ur jämvikt, "Sa Mindlin.