Con người và chim kêu như vẹt sử dụng các gen cơ bản giống nhau để nói chuyện.
Vẹt có một kiểu biểu hiện gen duy nhất trong não của chúng, tạo ra một trung tâm nói siêu tích điện có thể cho chúng khả năng tiếp thu nhanh phương ngữ của chú vẹt. Ảnh tín dụng: Michael Whyussy / Flickr
Là một phần trong nỗ lực lớn để sắp xếp và so sánh toàn bộ bộ gen của 48 loài chim đại diện cho mọi trật tự chính của cây họ chim, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng việc học phát âm đã tiến hóa hai lần - hoặc có thể ba lần - trong số các loài chim biết hót, vẹt và chim ruồi. Đáng chú ý hơn nữa là tập hợp các gen liên quan đến mỗi sáng kiến bài hát đó tương tự như các gen liên quan đến khả năng nói của con người.
Erich Jarvis là phó giáo sư sinh học thần kinh tại Đại học Y khoa Duke và là điều tra viên tại Viện Y khoa Howard Hughes. Jarvis nói:
Trong nhiều năm qua, chúng tôi đã biết rằng hành vi hót của các loài chim tương tự như lời nói ở người, không giống nhau, nhưng cũng giống như vậy và mạch não cũng tương tự.
Nhưng chúng tôi đã không biết liệu các tính năng đó có giống nhau hay không vì các gen cũng giống nhau.
Bây giờ các nhà khoa học đã biết, và câu trả lời là có. Chim và con người sử dụng các gen cơ bản giống nhau để nói chuyện.
Những phát hiện này là một phần của gói tám bài báo khoa học trong số đặc biệt ngày 12 tháng 12 Khoa học và 21 giấy tờ bổ sung xuất hiện gần như đồng thời trong Sinh học bộ gen, GigaSciencevà các tạp chí khác. Tên Jarvis xông xuất hiện trên 20 bài báo và ông là tác giả tương ứng cho tám trong số đó.
Phòng thí nghiệm Jarvis đã chuẩn bị DNA của nhiều loài, sử dụng thịt chim được thu thập trong hơn 30 năm qua bởi các bảo tàng và các tổ chức khác trên thế giới.
Tất cả những công việc tỉ mỉ và có phần tẻ nhạt này đã mang lại cho Jarvis và hàng trăm đồng nghiệp trên khắp thế giới một vết nứt với số lượng dữ liệu gen chưa từng có do BGI tạo ra ở Trung Quốc. Việc so sánh toàn bộ bộ gen của 48 loài chim đòi hỏi các thuật toán mới được viết tại Đại học Illinois và Đại học Texas đã chạy 400 năm thời gian CPU trên ba siêu máy tính ở Mỹ.
Trong số 29 bài báo bao gồm tất cả mọi thứ, từ tiến hóa chim cánh cụt đến tầm nhìn màu sắc, tám bài dành cho bài hát chim.
Một trong những giấy tờ mới trong Khoa học báo cáo rằng có một bộ nhất quán chỉ hơn 50 gen cho thấy hoạt động cao hơn hoặc thấp hơn trong bộ não của các loài chim học tiếng và con người. Những thay đổi này không được tìm thấy trong não của những con chim không có khả năng học giọng nói và các loài linh trưởng không phải người không biết nói, theo nhóm Duke này, được lãnh đạo bởi Jarvis; Andreas Pfenning, tốt nghiệp chương trình tiến sĩ về sinh học tính toán và tin sinh học (CBB); và Alexander Hartemink, giáo sư khoa học máy tính, khoa học thống kê và sinh học. Jarvis nói:
Điều này có nghĩa là các loài chim học tiếng và con người giống nhau hơn đối với các gen này trong các khu vực não của bài hát và lời nói so với các loài chim và linh trưởng khác đối với chúng.
Những gen này có liên quan đến việc hình thành các kết nối mới giữa các tế bào thần kinh của vỏ não vận động và tế bào thần kinh điều khiển các cơ tạo ra âm thanh.
Một nghiên cứu đồng hành của một tiến sĩ CBB khác, Rui Wang, đã xem xét hoạt động chuyên biệt của một cặp gen liên quan đến các vùng của não điều khiển bài hát và lời nói. Nghiên cứu này, xuất hiện trong Tạp chí Thần kinh học so sánh, phát hiện ra rằng những gen này được điều chỉnh xuống và tăng lên trong một vùng não của những con chim học hót trong giai đoạn vị thành niên của việc học giọng nói, những thay đổi kéo dài đến tuổi trưởng thành.
Nghiên cứu này, và của Pfenning, đưa ra giả thuyết rằng những thay đổi trong các gen này có thể rất quan trọng đối với sự tiến hóa của tiếng hót ở chim và lời nói ở người. Jarvis nói:
Bạn có thể tìm thấy những gen tương tự trong bộ gen của tất cả các loài, nhưng chúng hoạt động ở cấp độ cao hơn hoặc thấp hơn nhiều trong các bài hát chuyên ngành hoặc vùng não nói của chim học tiếng và con người. Điều này gợi ý cho tôi là khi việc học phát âm phát triển, có thể có một cách hạn chế trong đó các mạch não có thể phát triển.
Trung tâm nói vẹt
Một bài báo khác trong Khoa học từ Duke, được dẫn dắt bởi Osceola Whitney, Pfenning, Hartemink, và Anne West, một giáo sư về sinh học thần kinh, đã xem xét kích hoạt gen ở các khu vực khác nhau của não trong khi hát.
Nhóm này đã tìm thấy kích hoạt 10 phần trăm bộ gen được thể hiện trong khi hát, với các kiểu kích hoạt đa dạng ở các vùng học bài hát khác nhau trong não. Các kiểu gen đa dạng được giải thích tốt nhất bởi sự khác biệt về biểu sinh trong bộ gen của các vùng não khác nhau, có nghĩa là các tế bào riêng lẻ ở các vùng não khác nhau có thể điều chỉnh gen tại một thời điểm chú ý khi chim hót.
Trong số ba nhóm chim học giọng nói chính, vẹt rõ ràng khác nhau về khả năng bắt chước lời nói của con người.
Mukta Chakraborty, một postdoc trong phòng thí nghiệm Jarvis, đã lãnh đạo một dự án sử dụng hoạt động của một số gen chuyên biệt để khám phá ra rằng trung tâm phát ngôn vẹt Vẹt được tổ chức hơi khác. Nó có cái mà các nhà nghiên cứu gọi là hệ thống bài hát trên hệ thống của người Hồi giáo, trong đó vùng não có hoạt động gen khác nhau để tạo ra bài hát có vòng ngoài vẫn có nhiều khác biệt về biểu hiện gen.
Vẹt là loài động vật rất xã hội, Chakraborty nói, và có khả năng nhanh chóng tiếp thu các phương ngữ của con vẹt. Nói về con vẹt có thể giải thích cho trung tâm nói siêu tích điện của chúng. Vỏ sò và các khu vực bên ngoài được tìm thấy có kích thước tương đối lớn trong các loài vẹt, được cho là có khả năng phát âm, nhận thức và khả năng xã hội cao nhất. Những loài này bao gồm vẹt Amazon, Xám Châu Phi và Vẹt xanh và Vàng.
Jarvis cũng là thành viên của một nhóm với Claudio Mello và nghiên cứu sinh tiến sĩ Morgan Wirthlin tại Đại học Khoa học & Sức khỏe Oregon đã tìm thấy thêm mười gen duy nhất cho các khu vực kiểm soát bài hát của loài chim biết hót. Bài báo này xuất hiện trong BMC Genomics.
Một tờ giấy trong Khoa học được dẫn dắt bởi Zhang, Gilbert và Jarvis đã tìm thấy bộ gen của những người học giọng nói đang phát triển nhanh hơn và có sự sắp xếp lại nhiễm sắc thể nhiều hơn so với các loài chim khác. Sự so sánh bộ gen này cũng tìm thấy những thay đổi tương tự xảy ra một cách độc lập trong khu vực học bài hát của những loài chim khác nhau.
Jarvis nói rằng việc biết nhiều hơn về lịch sử phát triển của loài chim này khiến chim học tiếng kêu thậm chí còn có nhiều sinh vật mẫu có giá trị hơn để giúp trả lời các câu hỏi mà ông và các nhà nghiên cứu khác đang giải quyết về lời nói của con người. Jarvis nói:
Lời nói khó học trong bộ não con người. Cá voi và voi học bài phát biểu và bài hát, nhưng chúng quá lớn để nuôi trong phòng thí nghiệm. Bây giờ chúng ta đã hiểu sâu hơn về các vùng não chim tương tự như thế nào với các vùng nói của con người ở cấp độ di truyền, tôi nghĩ rằng họ sẽ là một mô hình tốt hơn bao giờ hết.
Jarvis đồng lãnh đạo Hiệp hội Phylogenomics Avian với Guojie Zhang của National Genebank tại BGI ở Trung Quốc và Đại học Copenhagen và M. Thomas P. Gilbert của Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Đan Mạch. Phòng thí nghiệm Duke của ông đã góp phần chuẩn bị các mẫu, giải trình tự và chú thích bộ gen, thực hiện các phân tích và điều phối toàn bộ dự án.
Điểm mấu chốt: Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng việc học phát âm đã tiến hóa hai lần - hoặc có thể ba lần - trong số các loài chim biết hót, vẹt và chim ruồi. Đáng chú ý hơn nữa là tập hợp các gen liên quan đến mỗi sáng kiến bài hát đó tương tự như các gen liên quan đến khả năng nói của con người.