Menschen und Stimmvögel wie Papageien sprechen im Wesentlichen mit den gleichen Genen.
Papageien haben ein einzigartiges Muster der Genexpression in ihrem Gehirn, wodurch ein überladenes Sprachzentrum entsteht, das ihnen die Möglichkeit gibt, „Dialekte“ der Papageiensprache schnell zu erfassen. Bildnachweis: Michael Whytle / Flickr
Als Teil einer großen Anstrengung, das gesamte Genom von 48 Vogelarten zu sequenzieren und zu vergleichen, die alle wichtigen Ordnungen des Vogelstammbaums repräsentieren, haben Forscher herausgefunden, dass sich das Gesangslernen bei Singvögeln, Papageien und Kolibris zweimal - oder vielleicht dreimal - entwickelt hat. Noch auffälliger ist, dass der Satz an Genen, die an jeder dieser Songinnovationen beteiligt sind, den Genen, die an der menschlichen Sprechfähigkeit beteiligt sind, bemerkenswert ähnlich ist.
Erich Jarvis ist außerordentlicher Professor für Neurobiologie an der Duke University Medical School und Forscher am Howard Hughes Medical Institute. Jarvis sagte:
Wir wissen seit vielen Jahren, dass das Gesangsverhalten von Vögeln der Sprache beim Menschen ähnelt - nicht identisch, aber ähnlich - und dass auch die Schaltkreise des Gehirns ähnlich sind.
Wir wussten jedoch nicht, ob diese Merkmale gleich waren oder nicht, da auch die Gene gleich waren.
Jetzt wissen es die Wissenschaftler und die Antwort lautet ja. Vögel und Menschen sprechen im Wesentlichen mit den gleichen Genen.
Die Ergebnisse sind Teil eines Pakets von acht wissenschaftlichen Artikeln in einer Sonderausgabe vom 12. Dezember Wissenschaft und 21 zusätzliche Papiere, die fast gleichzeitig in erscheinen Genombiologie, GigaScienceund andere Zeitschriften. Jarvis 'Name erscheint auf 20 Artikeln und er ist ein korrespondierender Autor für acht von ihnen.
Das Jarvis-Labor bereitete DNA vieler Arten aus Vogelfleisch auf, das in den letzten 30 Jahren von Museen und anderen Institutionen auf der ganzen Welt gesammelt wurde.
All diese akribische und etwas mühsame Arbeit hat Jarvis und Hunderten von Kollegen auf der ganzen Welt einen Riss bei einer beispiellosen Menge von Genomdaten beschert, die von BGI in China generiert wurden. Der Gesamtgenomvergleich der 48 Vogelarten erforderte neue Algorithmen, die an der University of Illinois und der University of Texas geschrieben wurden und auf drei Supercomputern in den USA 400 Jahre CPU-Zeit lief.
Von den 29 Beiträgen, die von der Pinguin-Evolution bis zum Farbsehen reichen, sind acht dem Vogelgesang gewidmet.
Eine der neuen Arbeiten in Wissenschaft berichtet, dass es einen konsistenten Satz von etwas mehr als 50 Genen gibt, die eine höhere oder niedrigere Aktivität im Gehirn von Vögeln und Menschen mit Stimmbildung aufweisen. Diese Veränderungen wurden nicht in den Gehirnen von Vögeln gefunden, die keine Stimmbildung haben, und von nichtmenschlichen Primaten, die nicht sprechen, so das Duke-Team, das von Jarvis geleitet wurde. Andreas Pfenning, Absolvent des Doktorandenprogramms für Computational Biology and Bioinformatics (CBB); und Alexander Hartemink, Professor für Informatik, Statistik und Biologie. Jarvis sagte:
Dies bedeutet, dass stimmlernende Vögel und Menschen für diese Gene in Lied- und Sprachgehirnbereichen einander ähnlicher sind als für andere Vögel und Primaten.
Diese Gene sind an der Bildung neuer Verbindungen zwischen Neuronen des Motorkortex und Neuronen beteiligt, die die Muskeln steuern, die Schall produzieren.
Eine Begleitstudie eines anderen CBB-Doktors, Rui Wang, untersuchte die spezialisierte Aktivität eines Genpaares in den Regionen des Gehirns, die Lied und Sprache steuern. Diese Studie erscheint in der Journal of Comparative Neurology, stellten fest, dass diese Gene in einer Gehirnregion von Singvögeln während der Jugendperiode ihres Gesangsunterrichts herunter- und hochreguliert sind, was sich bis ins Erwachsenenalter hinzieht.
Diese Studie und die von Pfenning gehen davon aus, dass Veränderungen in diesen Genen für die Entwicklung des Gesangs bei Vögeln und der Sprache beim Menschen von entscheidender Bedeutung sein könnten. Jarvis sagte:
Sie können die gleichen Gene in den Genomen aller Arten finden, aber sie sind auf viel höheren oder niedrigeren Ebenen in den speziellen Hirnregionen für Lieder oder Sprache von Vögeln und Menschen mit Stimmbildung aktiv. Was mir dies nahe legt, ist, dass es bei der Entwicklung des stimmlichen Lernens möglicherweise eine begrenzte Art und Weise gibt, in der sich die Gehirnschaltungen entwickeln können.
Das Papageien-Sprachzentrum
Ein weiteres Papier in Wissenschaft von Duke unter der Leitung von Post-Doc Osceola Whitney, Pfenning, Hartemink und Anne West, Professorin für Neurobiologie, untersuchten die Genaktivierung in verschiedenen Bereichen des Gehirns während des Gesangs.
Dieses Team fand eine Aktivierung von 10 Prozent des exprimierten Genoms während des Singens mit verschiedenen Aktivierungsmustern in verschiedenen Song-Learning-Regionen des Gehirns. Die unterschiedlichen Genmuster lassen sich am besten durch epigenetische Unterschiede in den Genomen der verschiedenen Gehirnregionen erklären. Dies bedeutet, dass einzelne Zellen in verschiedenen Gehirnregionen Gene regulieren können, sobald die Vögel singen.
Unter den drei Hauptgruppen der Vögel, die Vokalunterricht erhalten, unterscheiden sich Papageien deutlich in ihrer Fähigkeit, die menschliche Sprache nachzuahmen.
Mukta Chakraborty, Postdoc im Jarvis-Labor, leitete ein Projekt, bei dem anhand der Aktivität einiger spezialisierter Gene festgestellt wurde, dass das Sprachzentrum des Papageis etwas anders organisiert ist. Es hat das, was die Forscher ein "Liedsystem innerhalb eines Liedsystems" nennen, in dem der Bereich des Gehirns mit unterschiedlicher Genaktivität zur Erzeugung von Liedern einen äußeren Ring mit noch mehr Unterschieden in der Genexpression aufweist.
Papageien sind sehr soziale Tiere, sagt Chakraborty, und die Fähigkeit, „Dialekte“ der Papageiensprache schnell zu erfassen, könnte für ihr überladenes Sprachzentrum verantwortlich sein. Bei den Papageienarten, von denen angenommen wird, dass sie die höchsten sprachlichen, kognitiven und sozialen Fähigkeiten aufweisen, wurde festgestellt, dass die "Schale" oder äußeren Regionen proportional größer sind. Zu diesen Arten zählen die Amazonaspapageien, der Afrikanische Grau- und der Blau- und Goldara.
Jarvis war auch Teil eines Teams mit Claudio Mello und seinem Doktoranden Morgan Wirthlin von der Oregon Health & Science University, das zehn weitere Gene entdeckte, die nur in Song-Control-Regionen von Singvögeln vorkommen. Dieses Papier erscheint in BMC Genomics.
Ein Papier in Wissenschaft Angeführt von Zhang, Gilbert und Jarvis, stellten die Forscher fest, dass sich die Genome von Vokallernern schneller entwickeln und im Vergleich zu anderen Vogelarten eine stärkere Chromosomenumlagerung aufweisen. Dieser genomische Vergleich ergab auch, dass ähnliche Veränderungen unabhängig voneinander im Bereich des Liedlernens der Gehirne verschiedener Vögel auftraten.
Jarvis sagt, dass das Wissen über diese Geschichte der Sprachentwicklung bei Vögeln stimmlernende Vögel noch wertvoller macht, wenn es darum geht, die Fragen zu beantworten, die er und andere Forscher zur menschlichen Sprache stellen. Jarvis sagte:
Das Sprechen ist im menschlichen Gehirn schwer zu lernen. Wale und Elefanten lernen Sprache und Lieder, aber sie sind zu groß, um sie im Labor unterzubringen. Nachdem wir nun ein tieferes Verständnis dafür haben, wie ähnlich die Hirnregionen von Vogelgezwitschern den menschlichen Sprachregionen auf genetischer Ebene sind, werden sie meines Erachtens ein besseres Modell als je zuvor sein.
Jarvis leitete das Avian Phylogenomics Consortium gemeinsam mit Guojie Zhang von der Nationalen Genbank am BGI in China und der Universität Kopenhagen und M. Thomas P. Gilbert vom Naturhistorischen Museum Dänemarks. Sein Duke-Labor trug dazu bei, Proben vorzubereiten, die Genome zu sequenzieren und zu annotieren, die Analysen durchzuführen und das Gesamtprojekt zu koordinieren.
Fazit: Forscher haben herausgefunden, dass sich das Gesangslernen bei Singvögeln, Papageien und Kolibris zweimal - oder sogar dreimal - entwickelt hat. Noch auffälliger ist, dass der Satz an Genen, die an jeder dieser Songinnovationen beteiligt sind, den Genen, die an der menschlichen Sprechfähigkeit beteiligt sind, bemerkenswert ähnlich ist.