01 сентября 2015
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.
|
|
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 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., Источник сайт elementy.ru
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