Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Дж. Уэбб
«Ничто». Глава из книги


В. Мацарский
Леметр против Пифагора


Интервью О. Орловой с М. Труниным
Михаил Трунин: «Хорошее физическое образование — фундамент технологической культуры страны»


Д. Эверетт
«Не спи — кругом змеи!». Глава из книги


С. Агаханов
Логика логики


Т. Авсиевич
Примитив не приговор, или Physarum polycephalum разумный


Ю. Грановский
Загадка галактических масштабов


М. Тегмарк
«Наша математическая Вселенная». Глава из книги


Н. Резник
Неоднозначность стоп-кодонов


Интервью М. Гельфанда с В. Васильевым
Академик Виктор Васильев: «Если потратишь жизнь на математику, то ты ее не зря прожил»







Главная / Новости науки версия для печати

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


Комментарии (8)



Последние новости: ГенетикаОрнитологияНейробиологияЭволюцияЕлена Наймарк

14.02
Кембрийское ископаемое Saccorhytus поместили в основание эволюционной линии вторичноротых
13.02
Эволюционные последствия генных дупликаций удалось оценить количественно
10.02
Межгрупповой отбор формирует социум, а внутригрупповой его поддерживает
07.02
Эволюция клювов демонстрирует ход адаптивной радиации у птиц
06.02
Два независимых исследования подтвердили глобальное ослабление синапсов во время сна
30.01
Генетики поняли, как вернуть помидорам вкус и запах, отнятые селекционерами
24.01
Гены, способствующие получению хорошего образования, отсеиваются отбором
23.01
«Чудесные круги» в пустыне Намиб можно смоделировать
19.01
Чтобы ослабить атаку Т-клеток, опухоль меняет набор неоантигенов
17.01
Ученые разгадали тайну хиолитов — загадочных палеозойских животных

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2017 II, I  2016 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Индикатор», «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия