Vogelgesang und menschliche Stimme basieren auf demselben genetischen Bauplan

Vogelgesang und die Kakophonie anderer Vogelgeräusche – von Gurren und Geschnatter bis hin zu Quaken und Piepsen – faszinieren den Menschen schon seit langem. Doch darüber, wie sich das einzigartige Stimmorgan der Vögel – die Syrinx – von Art zu Art unterscheidet oder wo seine tieferen evolutionären Ursprünge liegen, ist wenig bekannt.

Drei aktuelle Studien unter der Leitung von Forschern der University of Texas in Austin ändern dies.

Die Studien umfassen hochauflösende anatomische Scans der Syrinx von Kolibris und Straußen – den kleinsten und größten Vogelarten der Welt – und die Entdeckung, dass die Syrinx und der Kehlkopf, das Stimmorgan von Reptilien und Säugetieren, einschließlich des Menschen, die gleiche Entwicklungsprogrammierung aufweisen.

Laut Julia Clarke, Professorin an der Jackson School of Geosciences der UT, ist diese genetische Verbindung zwischen den Stimmorganen ein aufregendes neues Beispiel für „tiefe Homologie“, ein Begriff, der beschreibt, wie verschiedene Gewebe oder Organe eine gemeinsame genetische Verbindung aufweisen können.

„Für mich ist das so groß wie der Übergang von Flossen zu Gliedmaßen“, sagte Clarke, der die Studien mit leitete oder mitverfasste. „In gewisser Weise ist es sogar noch größer, denn die Syrinx ist kein modifiziertes Organ mit einer neuen Funktion, sondern ein völlig neues mit einer alten und weit verbreiteten Funktion.“

Die drei Studien basieren auf der kollaborativen und interdisziplinären Syrinx-Forschung mit Physiologen und Entwicklungsbiologen, die Clarke seit über einem Jahrzehnt leitet.

Die Forschung begann 2013, als die Paläontologin Clarke eine Syrinx in einem Fossil eines entenähnlichen Vogels entdeckte, der während der Oberkreide im Gebiet der heutigen Antarktis lebte. Das Exemplar ist die älteste Syrinx, die je entdeckt wurde. Als sie jedoch versuchte, die fossile Syrinx mit den Syrinxen moderner Vögel zu vergleichen, stellte sie fest, dass die wissenschaftliche Literatur unzureichend war. Viele der Studien stammten aus dem 19. Jahrhundert, also aus der Zeit vor der Einführung moderner wissenschaftlicher Bildgebung, oder zitierten Behauptungen aus diesen älteren Studien, ohne sie noch einmal zu überprüfen.

Dies veranlasste Clarke dazu, sich die Modernisierung und Maximierung der Syrinx-Datenerfassung zum Ziel zu setzen.

„Wir hatten diese neue dreidimensionale Struktur, aber keinen Vergleich“, sagte Clarke und beschrieb die CT-Bilddaten der fossilen Syrinx. „Also begannen wir, Daten über die Struktur der Syrinx bei vielen verschiedenen Vogelgruppen zu generieren, die es vorher noch nicht gab.“

Im Laufe der Jahre haben Clarke und Mitglieder ihres Labors neue Methoden zur Sektion, Konservierung und CT-Untersuchung von Syrinxen entwickelt, die dabei geholfen haben, die Syrinx detaillierter zu enthüllen. Diese verbesserten Ansichten des Stimmorgans von Straußen und Kolibris haben gezeigt, dass das Verhalten der Vögel für das Repertoire der von ihnen produzierten Laute möglicherweise genauso wichtig ist wie die Syrinx.

Beispielsweise in der Studie der Straußensyrinx, in der Zeitschrift für Anatomiestellten die Forscher zwischen erwachsenen männlichen und weiblichen Straußenvögeln keine nennenswerten Unterschiede in der Anatomie der Strauße fest (frühere Studien konzentrierten sich nur auf männliche Strauße). Obwohl beide Geschlechter über die gleiche Stimmausstattung verfügen, neigten männliche Strauße dazu, eine größere Vielfalt an Lauten hervorzubringen als weibliche Strauße, wobei die Laute häufig mit aggressivem Verhalten zwischen gewalttätigen Männchen in Verbindung gebracht wurden.

Bei einem Besuch auf einer Straußenfarm in Texas zeichneten die Forscher 11 verschiedene Rufarten auf, von hochfrequenten Pieps- und Gurgellauten bei jungen Straußenvögeln bis hin zu tieffrequenten Buh- und Dröhnlauten bei erwachsenen männlichen Straußenvögeln. Darunter waren auch einige Rufarten, die noch nie zuvor aufgezeichnet worden waren. Die einzigen Geräusche, die von erwachsenen weiblichen Straußenvögeln definitiv aufgezeichnet wurden, waren Zischen. Was den weiblichen Straußenvögeln an Reichweite fehlte, machten sie durch ihre Haltung wett, sagte Michael Chiappone, der sich als Student an der Jackson School mit der Straußenforschung beschäftigte und der Hauptautor der Studie ist.

„Sie waren ziemlich produktive Zischer“, sagte Chiappone, der jetzt Doktorand an der University of Minnesota ist.

Für den Kolibri Studie im Zoologisches Journal der Linnean Societyverglichen die Forscher die Syrinx des Kolibris mit der Syrinx von Mauerseglern und Ziegenmelkern, zwei nahen Verwandten, und fanden heraus, dass alle drei Vögel ähnliche Stimmbänder in ihrer Syrinx haben, obwohl sie ihre Rufe auf unterschiedliche Weise lernen. Mauersegler und Ziegenmelker arbeiten mit einem begrenzten Repertoire an instinktiven Rufen, während Kolibris in der Lage sind, ihre Rufe zu verfeinern, indem sie komplexe Gesänge voneinander lernen, eine Eigenschaft, die als vokales Lernen bezeichnet wird.

Laut Lucas Legendre, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter der Jackson School, der die Kolibri-Forschung leitete, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der gemeinsame Vorfahre aller drei Vögel auch eine ähnliche Stimmbandstruktur hatte – und dass dies möglicherweise dazu beigetragen hat, den Grundstein für die Evolution des Stimmlernens bei Kolibris zu legen.

„Mit all den [vocal fold] Strukturen, die bereits vor dem Erlernen der Stimme bei Kolibris vorhanden waren, haben es ihnen wahrscheinlich leichter gemacht, das Erlernen der Stimmproduktion zu erlernen“, sagte er.

Vor der Studie war es unklar, ob Mauersegler überhaupt Stimmbänder haben. Im Rahmen ihrer Forschung erstellte Legendre ein digitales 3D-Modell der Stimmspur des Mauerseglers, das den Betrachter durch die Luftröhre zur Syrinx und zu den Stimmbändern führt, die sich nahe der Spitze jedes Zweigs der Syrinx befinden. Das Modell – von Clarke als „magische, mysteriöse Reise“ bezeichnet – zeigt die Fortschritte im anatomischen Wissen über die Syrinx, die ihr Labor vorantreibt.

„Diese Struktur war nur bei Kolibris bekannt, aber unsere CT-Scans zeigten, dass Mauersegler diese Stimmbänder an der gleichen Stelle haben“, sagte Clarke. „Das ist die Art von Reise, die wir unternehmen mussten, um diese Antworten zu bekommen.“

Zur gleichen Zeit entwickelten Clarke und ihr Team Methoden zur Erhaltung und Erfassung der Syrinx-Anatomie bei verschiedenen Vogelarten. Sie arbeiteten mit Clifford Tabin, einem Entwicklungsbiologen der Harvard University, an der Erforschung der evolutionären Ursprünge der Syrinx. Dazu verfolgten sie die Genexpression, die mit der Entwicklung der Stimmorgane bei Embryonen von Vögeln, Säugetieren und Reptilien einherging.

Die Forschung veröffentlicht In Aktuelle Biologie ist der Höhepunkt dieser Zusammenarbeit. Die Studie beschreibt im Detail, wie Wissenschaftler die tiefe Verbindung zwischen dem Kehlkopf- und dem Kehlkopfgewebe entdeckten, indem sie beobachteten, dass die Entwicklung der Stimmorgane bei Mäuse- bzw. Hühnerembryonen von denselben Genen gesteuert wurde, obwohl die Organe aus unterschiedlichen embryologischen Schichten entstanden.

„Sie bilden sich unter dem Einfluss derselben genetischen Pfade und verleihen dem Stimmgewebe bei Vögeln und Säugetieren letztlich eine ähnliche Zellstruktur und ähnliche Schwingungseigenschaften“, sagte Tabin, einer der Studienleiter.

Die Studie analysierte auch die Entwicklung der Syrinx bei verschiedenen Vogelarten – wobei die Genexpression in Embryonen von 14 verschiedenen Arten, von Pinguinen bis hin zu Wellensittichen, beobachtet wurde – und fand heraus, dass der gemeinsame Vorfahre der heutigen Vögel wahrscheinlich eine Syrinx mit zwei Schallquellen oder zwei unabhängig voneinander funktionierenden Stimmbändern hatte. Dieses Merkmal findet sich bei heutigen Singvögeln und ermöglicht es vielen, zwei unterschiedliche Laute gleichzeitig zu erzeugen. Die Forschung legt nahe, dass der gemeinsame Vorfahr der Vögel möglicherweise ähnlich unterschiedliche Rufe erzeugt hat.

Diese Ergebnisse könnten Licht auf die Ursprünge der Syrinx werfen, aber es ist immer noch unbekannt, wann sich die Syrinx erstmals entwickelte und ob Nicht-Vogel-Dinosaurier – die Vorfahren der heutigen Vögel – das Stimmorgan hatten, sagte Clarke. Noch hat niemand eine fossile Syrinx eines Nicht-Vogel-Dinosauriers gefunden.

Der beste Weg, die Möglichkeiten der Lautäußerungen urzeitlicher Dinosaurier zu verstehen, besteht Clarke zufolge darin, die heutige Lautäußerung von Vögeln, den heute noch lebenden Dinosauriern und anderen Reptilienverwandten weiter zu studieren.

„Wir können nicht über die Lautproduktion bei Dinosauriern sprechen, bis wir das System bei lebenden Arten wirklich verstehen“, sagte sie.

Chad Eliason, leitender Wissenschaftler am Field Museum of Natural History und ehemaliger Postdoktorand an der Jackson School, war ebenfalls maßgeblich an diesen und anderen Syrinx-Projekten beteiligt.