Птичьи песни и человеческая речь организуются за счет сходных генов

Рис. 1. Зебровая амадина

Рис. 1. Зебровая амадина (Taeniopygia guttata) — традиционный объект для изучения птичьего пения. Теперь у этого вида и у других пернатых певцов — волнистого попугайчика и колибри (калипты Анны) — выявлены гены, участвующие в организации пения; многие из них схожи с человеческими «генами речи». Фото с сайта ru.wikipedia.org

Изучение экспрессии генов в мозге певчих птиц и их безголосых родичей позволило создать топографическую картину специфической экспрессии, характерной именно для певцов. Набор специфически работающих «голосовых» генов оказался во многом похож на набор генов, вовлеченных в организацию речи у людей. Более того, те отделы мозга, которые контролируют пение у птиц — воспроизведение звуков, запоминание и обучение новым звукам, — функционально соответствуют зонам и областям мозга человека, которые обслуживают речь. Так что и на макроанатомическом уровне, и на генетическом уровне голосовое общение у птиц и людей организовано сходным образом. Эта во всех отношениях значительная работа выполнена большим коллективом авторов из США, Японии, Китая, Дании и Австралии.

В журнале Science опубликованы результаты сравнения геномов современных птиц — 48 видов птиц, каждый из которых представлял отдельный отряд. Этот смелый и масштабный проект стал началом многих исследований, некоторые из которых изложены в специальном выпуске Science и других журналах. Одним из подобных исследований, выполненных под руководством Эриха Джарвиса (Erich Jarvis) из Медицинского института Говарда Хьюза, стало изучение тех генов, благодаря которым птицы способны общаться с помощью звуковых сигналов, иными словами — распевать свои песни.

Три группы птиц умеют петь: это певчие воробьиные, попугаи и колибри (подписаны зеленым на схеме филогенеза на рис. 2). Мало того, они не просто издают звуки — это могут делать и другие птицы, — но способны без труда выучивать новые звуковые композиции. Помимо того, они имеют обыкновение просто так бормотать бессмысленные звуки, поддерживают локальные диалекты, а их певческие способности снижаются при дефектах слуха. Все эти особенности свойственны и другим животным, которые используют голос для общения друг с другом: китам, дельфинам, морским львам, летучим мышам и людям.

Рис. 2. Схема филогенеза современных отрядов птиц

Рис. 2. Схема филогенеза современных отрядов птиц, построенная на основе целых ядерных геномов 48 представителей отрядов. Из обсуждаемой статьи E. Jarvis et al., 2014. Whole-genome analyses resolve early branches in the tree of life of modern birds

Ученые работали с геномами пернатых певцов, а также их непоющих сородичей. Если точнее, то они измеряли уровень экспрессии генов в различных частях их мозга. С пением связаны несколько участков мозга, в особенности расположенных в крыше больших полушарий и в стриатуме. Эти области так или иначе вовлечены в регуляцию дыхания, движения гортани, обучение, память.

Таким образом, были составлены карты генной экспрессии, и с помощью специально разработанного алгоритма определены гены, которые экспрессируются специфически именно у певцов. Таких генов нашлось в общей сложности несколько сотен. Узнать, как организуется птичье пение на молекулярном уровне, важно, конечно, уже само по себе. Но ученых особенно заинтересовало другое: обнаружилось замечательное сходство в экспрессии «голосовых» генов у певчих птиц и людей.

Удалось выявить примерно 50 генов, которые сходным образом включаются или, напротив, выключаются в специализированных «голосовых» (то есть тех, которые связаны с формированием звуков и запоминанием звуковой информации) областях мозга у певчих птиц и людей. Это область Х в стриатуме птиц: ей нашлось соответствие в области переднего стриатума человеческого мозга (рис. 3). Также выделяется одна из областей крыши больших полушарий (RA на рис. 3, см. также Arcopallium), которая по картине экспрессии похожа на моторную зону коры человека, управляющую движениями гортани, а она, в свою очередь, связана с известным речевым центром — зоной Брока.

Рис. 3. Отделы мозга птиц и людей, которые вовлечены в организацию речи

Рис. 3. Отделы и области мозга, которые вовлечены в организацию голосового общения у певчих птиц (слева) и людей (справа): зеленый цвет обозначает паллиум (Pallium) и кору, розовый — стриатум, серый — ромбовидный мозг (Hindbrain), оранжевый — нейронные узлы. Красными линиями показаны соответствия в экспрессии генов между различными отделами мозга певчих птиц и человека. У непоющих птиц таких соответствий нет. Рисунок из статьи A. R. Pfenning et al., 2014. Convergent transcriptional specializations in the brains of humans and song-learning birds

Каждый из этой полусотни генов требует пристального внимания: ведь если его включение необходимо для обслуживания и человеческой речи, и птичьих песен, значит он просто незаменим в своем роде. Каждый из этих генов неизбежно станет кандидатом для обсуждения эволюции речи. Пока что в этом аспекте активно обсуждается участие гена FOXP2. Этот ген направленно эволюционировал в линии людей, и человеческий вариант сильно отличается от обезьяньего (см. «Ген речи» FOXP2 оказался регулятором высокого уровня, «Элементы», 18.11.2009). Нужно отметить, что этот ген работает не только у людей, но также и у певчих птиц. Но кроме него имеются и другие, по всей видимости, не менее важные, чем FOXP2, например SLIT1. Голосовая репрезентация требует выключения SLIT1 в конкретных «голосовых» областях моторной коры и у птиц, и у людей. У непоющих птиц и у обезьян экспрессия SLIT1 ничем не выделяется.

Обнаруженное сходство экспрессии генов в аналогичных по функциям отделах мозга у птиц и людей заставляет задуматься о двух важных вещах. Во-первых, три группы певчих птиц выработали способность к голосовому общению конвергентно и независимо друг от друга. То же, безусловно, относится и к людям: речь уж точно появилась независимо от птичьих песен. Это пример сложной функции, которая оформилась сходным образом в разных, не связанных общим происхождением, группах. Приходится предположить, что у эволюции не так уж много путей, которые могут привести к работоспособной версии сложной функции или органа. То же самое следует и из других примеров параллельного происхождения сложных функций (см.: О других примерах см. новости Электрические органы у разных групп рыб регулируются сходными генами, «Элементы», 01.07.2014; Сложная иммунная система развилась независимо в двух эволюционных линиях позвоночных животных, «Элементы», 28.05.2009; Конвергентная морфология как следствие конвергенции генов, «Элементы», 15.10.2013). Вероятно, все эти примеры заставят пересмотреть значение и масштабы параллелизмов в эволюционной истории. Многочисленность примеров конвергенций свидетельствует о закономерности параллелизмов, а не об их случайности.

Второе, на что стоит обратить внимание, — это собственно организация и эволюция голосового (речевого) общения у людей. Очевидно, что одним из плодотворных путей изучения «генов речи», как их порой называют, может быть сравнение не столько с человекообразными обезьянами, сколько с другими ораторами и певцами. Как мы видим, человек не уникален не только в самой способности общаться с помощью звуков, но и даже в ее генетическом оформлении.

Источники:
1) Erich D. Jarvis. A flock of genomes // Science. 2014. V. 346. P. 1320–1331. DOI:10.1126/science.1253451.
2) Andreas R. Pfenning et al. Convergent transcriptional specializations in the brains of humans and song-learning birds // Science. 2014. V. 346. P. 1333. DOI:10.1126/science.1256846.
3) Guojie Zhang, Erich D. Jarvis, M. Thomas P. Gilbert. A flock of genomes // Science. 2014. V. 346. P. 1308–1309. DOI:10.1126/science.346.6215.1308. Вводная статья к специальному выпуску Science и подборка статей, посвященных сравнению геномов певчих птиц.

Елена Наймарк


8
Показать комментарии (8)
Свернуть комментарии (8)

  • Toshka  | 23.12.2014 | 01:22 Ответить
    обычно в таких обширных работах каждый найдет подтверждение своей правоты
    чуваки освоили гранты и стипендии на славу поздравляю
    Ответить
  • anthropomorphous  | 23.12.2014 | 09:11 Ответить
    Интересно пофантазировать. А как было с пением-речью у предков птиц - динозавров?
    Ответить
    • naimark > anthropomorphous | 23.12.2014 | 18:04 Ответить
      Нужно смотреть статьи по динозавровым мозгам, сейчас это направление особенно развивается. Так навскидку я помню только, что динозавры могли общаться голосом, по крайней мере, для некоторых показано, что малыши пищали, подзывая мамаш.
      Ответить
  • Lirik  | 23.12.2014 | 19:07 Ответить
    Очевидно, что напрашивается дальнейшее изучение на китах и летучих мышках. Если это не артефакт, то параллелизмы должны сохраниться. Ну, и более отдалённых земноводных прощупать на этот счет. Те ещё певцы.
    Ответить
    • glagol > Lirik | 25.12.2014 | 22:11 Ответить
      Не обязательно на летучих - можно на обычных мышах!

      Была прекрасная статья об их пении, у меня есть написанное мною ее краткое изложение. Хотя объем больше, чем у обычного комментария, по-моему, в данном случае уместно это изложение привести целиком.

      Мыши учатся петь – почти как люди

      Может быть, не все знают, что мыши поют. Некоторые мыши-мутанты просто-таки чирикают, как птички.

      (Первый такой мутант был случайно обнаружен в 1930-е годы, но тогда мутация была утрачена. Недавно удалось воссоздать «поющих» мутантов с помощью генетической инженерии; послушать их пение можно здесь http://www.youtube.com/watch?v=yLu37VvCozw).

      Но поют и нормальные мыши. Только услышать их сложнее – их пение ультразвуковое, и человеческое ухо его не слышит. Однако можно записать песню и воспроизвести ее в другом диапазоне. Чем песня отличается от простого «ора» – вопрос сложный, и мы не будем в него глубоко вдаваться. Интуитивно понятно, чем: орать или пищать может каждый, а петь надо уметь. В песне должна быть воспроизводимая мелодия и повторяющиеся музыкальные фразы. Так вот, мыши именно поют. Как и у многих певчих птиц, поют самцы, когда они ухаживают за самками. А кроме птиц и мышей, петь умеют люди и многие другие животные.

      Людям нужно учиться петь (как и говорить). Певчие птицы тоже учатся петь – и иногда даже научаются подражать чужим песням. А вот куры и петухи, а также многие обезьяны петь не учатся – они это умеют от рождения.

      Чтобы научиться петь, нужно слышать собственный голос. Глухие от рождения люди с трудом, но могут научиться говорить (есть специальные методики их обучения). Но, даже научившись говорить, воспроизвести мелодию они не могут. Плохо поют и лишенные слуха особи других «обучающихся» видов. «Необучающиеся» нормально поют, даже если глухи от рождения.

      Между этими двумя группами есть и другое важное различие. Оказывается, у изученных «обучающихся» видов существуют прямые связи между нейронами переднего мозга (у человека это нейроны одного из полей моторной коры) и центром в стволе мозга, который управляет голосовыми связками (двойным ядром). У «необучающихся» видов, в том числе у макак, такие связи не удалось обнаружить, несмотря на длительные поиски.

      И вот недавно группа ученых из США решила разобраться, к какой из этих групп относятся мыши. Традиционно считалось, что им не надо учиться петь. Но оказалось, что все не так просто. Во-первых, у мышей удалось найти прямые связи между корой и нейронами двойного ядра.
      Для этого, в частности, в нейроны двойного ядра вводили ослабленный вирус псевдобешенства. Этот герпесвирус может передаваться от нейрона к нейрону только в том случае, если они соединены синапсами. Проникнув в нейрон, он двигается по аксону в тело клетки, а там размножается и проникает в дендриты. Таким образом, меченые вирусы этого типа – мощный инструмент, позволяющий проследить ретроградные (от клетки-мишени к клетке, воздействующей на нее) связи в ЦНС. Правда, выявленные связи оказались довольно «слабенькие» – на каждый мотонейрон, управляющий мышцами, приходилось всего по 1-3 нервных окончания аксонов коры.

      Установив, какой участок коры посылает аксоны к двойному ядру, ученые удалили его у мышей. У людей и певчих птиц такие повреждения приводят к сильнейшим нарушениям пения, а у «необучающихся» видов на пение обычно не влияют. Мыши продолжали петь и даже воспроизводили «правильную» мелодию. Но все-таки пели они менее уверенно: отдельные «писки» сильнее варьировали по высоте и отдельные песни сильнее отличались друг от друга.

      Затем ученые изучили пение самцов, которых лишили слуха во взрослом возрасте, и глухих от рождения мутантных мышей. Оказалось, что многие характеристики их пения нарушены. Оглохшие во взрослом возрасте самцы постепенно «теряли навык» и пели все хуже и хуже.

      Наконец, исследователи ссадили в клетках пары самцов разных линий и подсаживали к ним самку. Самцы одной из линий были крупнее, пели в присутствии самки чаще и более низким голосом (6000 кГц); более мелкие самцы пели в четыре раза реже и пищали тоньше (9000 кГц). Через 8 недель почти все мелкие самцы стали пищать «басом» – как их более крупные конкуренты.

      Все эти данные показывают, что мыши учатся петь. Хотя обучение и менее важно для правильного пения у мышей, чем у людей. Авторы статьи делают интересные общие выводы. Во-первых, прямые связи между корой и стволом мозга у мышей оказалось не так-то просто выявить. Может быть, у других видов, которых тоже считали «необучающимися», их просто плохо искали? А во-вторых – может быть, и не стоит мыслить «черно-белыми» категориями. Вполне вероятно, что «обучающиеся» и «необучающиеся» виды не составляют двух четко разграниченных групп – между ними вполне могут быть обнаружены все переходы.

      Источник: Arriaga G, Zhou EP, Jarvis ED (2012) Of Mice, Birds, and Men: The Mouse Ultrasonic Song System Has Some Features Similar to Humans and Song-Learning Birds. PLoS ONE 7(10): e46610. doi:10.1371/journal.pone.0046610 http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0046610
      Ответить
      • Skeptic > glagol | 26.12.2014 | 19:23 Ответить
        Типичный случай лженауки
        Ответить
  • nicolaus  | 03.01.2015 | 10:47 Ответить
    Из поющих животных я бы обратил внимание также на волков.
    Вообще говоря, животные, которые любят петь, могут также произносить человеческие слова. Это наталкивает на мысль о тесной связи музыки и человеческой речи. Описанное в обсуждаемой статье исследование подтвердило эту связь на генетическом уровне.

    У меня есть гипотеза о происхождение человеческой речи. Один из аспектов этой гипотезы я изложу здесь, поскольку блог, где она была напечатана (Популярная механика) сейчас недоступен.

    «Музыка – явление интернациональное. Музыка имеет единый для всех народов строй – на основе семи нот. Музыка понятна всем, вне зависимости от языков, на которых говорят люди.

    Это наталкивает на предположение, что музыка это наследие давних времен, и появилась она на заре развития человека и человечества. Смысл и причина в том, что музыка сплачивала социум, а также в том, что с помощью нее люди обменивались информацией. Вероятность того, что древние люди располагали качественными музыкальными инструментами не очень большая. Поэтому имеется единственный вариант – их культура была в гораздо большей степени, чем наша, связана с пением песен. Скорее всего, речевой аппарат в человеке первоначально развивался в том направлении, чтобы более выразительно петь. Пение в свою очередь создало предпосылки к развитию символьного общения с помощью слов. В связи с этим не случайно то, что произносить человеческие слова можно научить только птиц и, волков. Сначала слова были выражены в виде гармоничных структур – в виде своего рода продолжения пения. Потом музыкальный язык общения постепенно был потерян и заменен символьным. Тем не менее, связь с музыкой осталась. Если внимательно прислушаться, в обыкновенной человеческой речи можно услышать музыку. Речь сама по себе гармонична. Музыку мы в ней обычно не замечаем, потому, что музыка выделилась в чистом виде, со всеми эмоциями, которые не описать словами, истоки которых в далеком прошлом. С появлением у современного человека музыкальных инструментов, музыкальное наследие древнего человечества, закрепленное в генах, расцвело с новой силой.

    Поэтому вначале всего была музыка!»
    Ответить
    • chech > nicolaus | 10.02.2015 | 04:35 Ответить
      12 полутонов на октаву обусловлены чисто математическими причинами. И вовсе не все народы используют именно 7 из них. Многие народы используют пентатонику (то есть, только 5 нот).
      Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»