Лучшее место для голосового аппарата птицы — низко в дыхательных путях, выяснили исследователи
Все дышащие воздухом позвоночные имеют гортань — структуру из мышц и складок, которая защищает трахею и у многих животных вибрирует для создания звуков. Однако птицы, хотя у них тоже есть гортань, используют для пения другой орган. Он расположен низко в дыхательных путях, там, где трахея разветвляется к двум легким. Этот орган, называемый сиринкс, является уникальной чертой птиц. Ученые десятилетиями задавались вопросом, почему существует сиринкс и как он развился.
Междисциплинарная команда, объединившая физику, биологию, вычисления и инженерию, обнаружила, что сиринкс дает преимущество: расположенный так низко в дыхательных путях, он может производить звук с очень высокой эффективностью. Результаты опубликованы в PLOS Biology.
Исследование эволюции сиринкса
Биолог Франц Голлер более 20 лет изучал механику сиринкса и нашел сходства в управлении и строении сиринкса и гортани млекопитающих. Однако вопрос, почему у птиц эволюционировал сиринкс, оставался открытым.
Чтобы понять, почему низкое положение сиринкса оптимально для голосового аппарата птицы, исследователи объединили усилия. ИнгоТитце привнес вычислительное моделирование, а Скотт Томсон — опыт создания физических моделей для симуляции звукопроизводящих органов.
Команда использовала трехсторонний подход для измерения влияния положения сиринкса на вокальную эффективность:
- Упрощенные физические модели
- Вычислительное моделирование
- Изучение реальных птиц разного размера в лаборатории
Стратегии коммуникации
«Мы обнаружили, что звук производится с большей эффективностью, когда источник звука находится в положении сиринкса», — говорит Тобиас Риде. Этот результат подтверждает гипотезу, что птицы с сиринксом, расположенным низко в дыхательных путях, лучше способны к коммуникации и получают эволюционное преимущество. Птицы, обладающие самыми длинными шеями среди наземных позвоночных, могут использовать их в качестве резонаторов для усиления звука.
«Если вы маленькие, у вас не так много энергии для создания эффективного сигнала, который распространяется далеко», — добавляет Риде. «Таким образом, просто переместив источник звука, вы можете сделать звук намного громче. Это та же проблема, с которой сталкивается инженер. Если вы хотите миниатюризировать динамик, как сделать его таким же громким и разборчивым, как большой?»
«Раньше мы думали, что источник звука просто производит его, а дыхательные пути лишь его модифицируют», — говорит Титце. «Наше исследование показало, что существует сильная зависимость как от трубки (дыхательных путей), так и от источника звука. Местоположение источника звука в трубке имеет значение».
Это открытие объясняет, как птицы позиционируют свое тело, чтобы использовать преимущества положения сиринкса. Некоторым птицам необходимо общаться с точной вокальной «наводкой», чтобы донести сообщение до партнера, не привлекая хищников. «Им нужно позиционировать себя, чтобы избирательно направлять этот звук», — говорит Титце. «Это требует другой формы головы, тела и шеи».
Другие факторы
Далее Риде планирует изучить разнообразие птиц (от колибри до страусов), чтобы понять, как их открытие применимо к птицам разных размеров, и выявить другие факторы, способствующие эволюции сиринкса у конкретных видов.
«Простота ответа на старый и казавшийся сложным вопрос была для меня самой удивительной», — заключает Риде.