O czym śpiewają zeberki

Nie każdy ptasi świergot, trel, kraka­nie, kląskanie, gruchanie i klekotanie określa się mianem śpiewu. W naukowym żargonie to pojęcie ma węższą definicję. W podręczniku „Bird Song” („Śpiew ptaków”) Clive’a Catchpole’a i Petera Slatera możemy przeczytać, że śpiew to długie i złożone wokalizacje (dźwięki), które samce produkują, by wzbudzić zainteresowanie samic podczas okresów godowych. Jednak jak to w biologii często bywa, zaraz za tą definicją ciągnie się szereg wyjątków i uzupełnień.

Bo nie zawsze wyłącznie samce śpiewają. I nie zawsze tylko w danym okresie roku. Np. znane nam rudziki zwykle śpiewają cały rok, a zimą możemy usłyszeć zarówno samce, jak i samice. Ptaki różnią się też złożonością i wielkością swojego repertuaru piosenek. Bardzo popularne w badaniach neurobiologicznych zeberki zwyczajne przez całe życie śpiewają tylko jedną piosenkę, słowiki rdzawe zaś mają repertuar złożony z nawet dwustu różnych wokalizacji. Co istotne, ptaki śpiewające muszą się nauczyć swoich utworów. Choć rozmaite badania wskazują na pewne wrodzone skłonności do śpiewania gatunkowo specyficznych dźwięków, niezbędni są tutorzy (najczęściej rodzice) – dzięki podsłuchiwaniu ich młode wykształcą pełny charakterystyczny dla tego gatunku śpiew.

Trzy niezależne grupy

Sam śpiew można podzielić na mniejsze fragmenty – rozłożyć niczym akapit na zdania, a te na słowa. Mówimy, że piosenki składają się z fraz, które zwykle wprawne oko rozróżni na sonagramie – wykresie ukazującym wokalizację jako kolejno wydawane po sobie dźwięki. Frazy z kolei mają swoje mniejsze elementy – sylaby. Sylaby zaś zawierają często jeszcze krótsze i mniej skomplikowane fragmenty – nutki.

Po co nam te wszystkie podziały i definicje? Otóż dają nam one bogaty wgląd w ptasie umysły i zachowania. Badania nad strukturą piosenek, w połączeniu z informacjami z różnych dziedzin biologii, doprowadziły do wyróżnienia trzech ptasich grup, u których śpiew pojawił się, jak się wydaje, niezależnie: są to ­wróblowe (Passeriformes), kolibrowate (Trochilidae) oraz papugowe (­Psittaciformes). Oznacza to, że w historii ewolucyjnej ptaków trzykrotnie pojawiły się również przystosowania do produkcji śpiewu. Jednak, co ciekawe, struktury mózgowe odpowiedzialne za uczenie się śpiewu i wokalizowanie u tych trzech grup ptaków wydają się dość podobne.

Skąd takie podobieństwo między tymi grupami, mimo że zakładamy, iż zdolność do śpiewania wyewoluowała u nich odrębnie (i nie w tym samym czasie)? W zasadzie nadal trudno całkowicie wykluczyć, że wszystkie trzy grupy miały jakiegoś odległego przodka, który potrafił śpiewać i uczyć się wydawania nowych dźwięków. Jednakże dodatkowe dane i analizy raczej podważają tę hipotezę.

Być może wyjaśnienia należy szukać gdzie indziej. Przyjrzyjmy się innej zdolności ptaków – lataniu. Jak wiadomo, oprócz ptaków występuje ona również u owadów i nietoperzy (a także, dawno temu, posiadały ją pterozaury). Raczej nikt nie ma wątpliwości, że te grupy zwierząt uzyskały możliwość wzbijania się w powietrze niezależnie od siebie. Mimo to dostrzegamy znaczące podobieństwa w przystosowaniu tych zwierząt do lotu – jak choćby to, że wyewoluowały one parzyste skrzydła ustawione po bokach ciała. Co więcej, skrzydła są zlokalizowane nie na ogonie, głowie czy na nogach, lecz pośrodku ciała, ponieważ to miejsce wydaje się optymalne z punktu widzenia zapotrzebowania na energię (tam znajduje się środek ciężkości ciała). Być może więc podobne fizyczne ograniczenia stały przed trzema grupami ptaków śpiewających i to one kształtowały ich ewolucyjne drogi.

Ale analizy ptasich śpiewów mogą zaprowadzić nas do odkryć nie tylko w dziedzinie neurobiologii.

Setki miniwdechów

Żeby wokalizować w specyficzny sposób, ptaki, rzecz jasna, muszą posiadać odpowiednią podstawę anatomiczną – czyli tkanki i narządy, które pozwalają im śpiewać.

Do takich kluczowych dla śpiewu narządów możemy zaliczyć m.in. krtań dolną, bardziej rozbudowaną niż u gatunków niezdolnych do śpiewu. Składa się ona z kilku membran, które, podobnie jak ludzka krtań, drgają pod wpływem przepływającego powietrza. Jeśli nakłuje się worek powietrzny, z którego powietrze przepływa przez krtań dolną, zwierzę traci zdolność do wokalizacji (ale gdy dziura się zagoi, umiejętność ta wraca).

Mięśnie krtani dolnej, poprzez to, jak kurczą się i rozkurczają, regulują przepływ powietrza przez drogi oddechowe. A tym samym to, jakie dźwięki są wydawane. Tutaj sytuacja zaczyna się komplikować. Np. kanarki produkują dwadzieścia siedem różnych dźwięków na sekundę. To zaskakująco dużo, biorąc pod uwagę fakt, że droga, którą powietrze wychodzi na zewnątrz, służy też jako system wymiany gazów oddechowych. A w którymś momencie ptak musi nabrać powietrza do płuc. Przyjrzenie się temu problemowi pozwoliło odkryć, że ptaki wykonują tak zwane mini­wdechy pomiędzy kolejnymi wokalizacjami, dzięki czemu nie uduszą się podczas śpiewu. Jednak to prowadzi nas do ciekawego wniosku – mięśnie regulujące pracę krtani dolnej muszą pracować bardzo szybko, kurcząc się i rozkurczając od kilkudziesięciu do kilkuset razy na sekundę. Tylko wtedy mogą bowiem umożliwić miniwdechy i tworzyć odpowiednie dźwięki.

Skurcze mięśni podlegają kontroli ze strony mózgu, który przesyła odpowiednie sygnały pobudzające przez nerwy. Pośrednikiem w tym procesie jest m.in. wapń, który uwalnia się w komórkach mięśniowych podczas pobudzenia ich przez nerw i przyłącza się do kurczliwych białek, powodujących skrócenie się mięśnia (czyli właśnie skurcz). Rozkurcz polega natomiast na odłączeniu się wapnia. Wynika z tego, że w komórkach mięśniowych muszą zachodzić szybkie zmiany ilości wapnia – gdyby ten pierwiastek występował stale w dużych ilościach, komórka nie mogłaby zostać pobudzona kolejny raz i mięśnie by się nie kurczyły.

Superszybki wapń

Skądś ten wapń musi więc napływać do komórki, a potem dokądś odpływać. Komórki mięśniowe, jak i wszystkie inne komórki organizmu, odznaczają się podziałem ich wnętrza na oddzielne segmenty (kompartmenty), w których mogą zachodzić różne procesy biochemiczne. Składają się one na cytoplazmę wypełniającą wnętrze komórki. Np. jądra komórkowe zawierają DNA – materiał genetyczny – a mitochondria produkują ATP, czyli cząsteczki energetyczne. Choć działają jak oddzielne obszary, to są funkcjonalnie połączone. Informacja genetyczna przepływa z jądra komórkowego w postaci mRNA na zewnątrz jądra, gdzie zostaje „przetłumaczona” na białka, które są odpowiedzialne za większość procesów zachodzących w komórce.

Innym przykładem kompartmentu w komórkach mięśniowych jest tzw. siateczka sarkoplazmatyczna. Jedna z jej funkcji to uczestniczenie we wspomnianej syntezie białek. Inna funkcja odpowiada na zarysowany wyżej problem: to właśnie ta siateczka jest źródłem i magazynem wapnia, niezbędnego podczas skurczu i rozkurczu mięśni. To ona zdaje się wyjaśniać, jak kanarki mogą produkować tak wiele dźwięków na sekundę.

Wspomniane już mięśnie krtani dolnej zyskały własną nazwę – określamy je jako superszybkie. Analizy mikroskopowe pozwoliły znaleźć różnice między nimi a „zwykłymi” mięśniami, takimi jak mięśnie szkieletowe (odpowiedzialnymi za poruszanie się). Jak się okazuje, superszybkie mięśnie posiadają o wiele więcej siateczki sarkoplazmatycznej niż inne typy mięśni. Dzięki temu mogą o wiele szybciej pobierać i uwalniać wapń, co oznacza, że cykle [sygnał nerwowy → uwolnienie wapnia → skurcz → usunięcie wapnia → rozkurcz] mogą zachodzić z większą częstością. I dzięki temu ptaki śpiewające mogą wydawać niesamowitą liczbę dźwięków w ciągu jednej sekundy.

W tym kontekście możemy też zauważyć niezwykłą oszczędność typową dla świata biologicznego – gdy coś jest zbędne, po prostu tego nie ma (ponieważ utrzymanie nadmiarowych organów czy funkcji oznacza dla organizmu niepotrzebny wydatek energetyczny, który ostatecznie obniża jego dostosowanie). U gatunków, których samice nie śpiewają, widzimy znaczące różnice w działaniu mięśni krtani dolnej w porównaniu do mięśni krtani u samców – choć w młodości samce i samice nie różnią się pod tym względem, to w czasie dorastania mięśnie samców stają się superszybkie, podczas gdy mięśnie samic pozostają „wolniejsze”.

Co ciekawe, istnienie superszybkich mięśni nie ogranicza się wyłącznie do zaśpiewanego świata ptaków. Superszybkie mięśnie działające w podobny sposób posiadają również bardzo odległe ptakom organizmy, takie jak nietoperze, węże (grzechotniki) czy niektóre ryby morskie. Jest to przykład konwergencji w ewolucji, czyli procesu, w którym ewolucja „wpada na te same pomysły” więcej niż raz u różnych organizmów.

Poznać ojca po głosie

Poza rozbudowaną krtanią dolną i superszybkimi mięśniami, na śpiew ptaków mogą wpływać także inne ich cechy anatomiczne, takie jak rozmiary ciała albo wielkość dzioba. Ptaki, które mają mocniejsze dzioby – pozwalające im np. rozłupywać ziarna – nie mogą śpiewać tak szybko jak kanarki.

Środowisko także nakłada ograniczenia na możliwości wokalizacji. Śpiew to przecież komunikacja, a każda komunikacja zachodzi przez pewien „kanał”. Jest nadawca, jest i odbiorca. Nadawca wysyła sygnał z nadzieją, że w przestrzeni wiadomość dosięgnie odbiorcy. Ale nie byle jakiego odbiorcy. Adresat jest dobrze określony. Może być nim na przykład samica, którą śpiew ma poinformować o samcu gotowym do godów, lub inny osobnik tego samego gatunku, który będzie od teraz wiedział, że dane terytorium jest już zajęte – zajął je śpiewający samiec, a intruz powinien szukać szczęścia gdzie indziej.

W istocie eksperymenty w naturze pokazały, że zaloty i obrona terytorialna to dwie główne funkcje śpiewu. Np. samice wydają się aktywnie wybierać śpiewające samce, nie decydując się na pierwszego lepszego – czasem o atrakcyjności samca w ich oczach decyduje to, jak bogaty jest jego repertuar piosenek. Samice potrafią też rozróżnić śpiew obcych gatunków, jak i śpiew własnego ojca od innych osobników tego samego gatunku – dzięki czemu unikają kazirodztwa. A samce sztucznie pozbawione zdolności do wokalizacji nie są w stanie obronić swojego terytorium przez dłuższy czas. Choć znaczenie ma sama obecność danego zwierzęcia, to brak możliwości śpiewu naraża go na częstsze ataki ze strony konkurencji.

Co więcej, wokalizujące zwierzę musi mieć pewność, że sygnał dotrze do adresata. Tymczasem środowisko zewnętrzne jest pełne przeszkód w postaci drzew i innych obiektów, które mogą zniekształcić rozchodzący się dźwięk. Sygnał danego osobnika może się również nałożyć na śpiewy kolejnych ptaków – tego samego, jak również innych gatunków. Nietrudno to sobie wyobrazić, gdy pomyślimy o sytuacji, kiedy kilka osób naraz próbuje coś do nas powiedzieć. Ptaki muszą więc odznaczać się ogromną zdolnością do odróżniania dźwięków, by rozpoznać „swoich”. Jednak nawet najdrobniejsze zmiany w otoczeniu (np. w wilgotności powietrza lub pojawienie się dodatkowych dźwięków, wywołane wprowadzeniem na dany teren nowego gatunku) mogą zmusić ptaki do dostosowania się. Obserwacje pokazują, że ptaki śpiewające potrafią korygować swoje piosenki, wprowadzając do nich nowe elementy, jeśli środowisko (kanał komunikacji) również ulegnie modyfikacji.

Agenci w skorupce

Ptaki śpiewające i te nieśpiewające wydają oczywiście także inne, proste dźwięki określane jako zawołania, z których każde niesie jakieś znaczenie. Jak wiadomo, kukułki należą do pasożytów lęgowych – zamiast uczciwie dbać o swoje młode, składają jaja w gniazdach należących do osobników innych gatunków ptaków. Temu zachowaniu często towarzyszy także usuwanie jaj gospodarza. Co więcej, zarówno jaja kukułek, jak i ich młode krótko po wykluciu mogą bardzo upodabniać się do innych gatunków – dlatego innym ptakom niełatwo się bronić przed kukułkami. Część z nich nauczyła się zwalczać taką formę pasożytnictwa dzięki tzw. zawołaniom inkubacyjnym.

Wydając określone dźwięki podczas opieki nad jajami, rodzice uczą swoje niewyklute potomstwo swego rodzaju „haseł”, dzięki którym pisklęta mogą być odróżnione od kukułczych podrzutków. Niektóre chwostki­ – drobne ptaki występujące w Australii i na okolicznych wyspach – które dopiero co wyszły ze skorupki, wydają dźwięki przypominające matczyne zawołania inkubacyjne – w ten sposób matka może rozpoznać swoje dziecko, a odrzucić obco brzmiące kukułcze potomstwo. Oznacza to, że już rozwijające się pod skorupką zarodki „obserwują” otoczenie.

Badania pokazują także, że u ptaków odpowiednie zawołania mogą zmieniać gospodarkę hormonalną zarodka tak, że po wykluciu będzie on lepiej przystosowany do danych warunków otoczenia. Powstaje jednak pytanie, czy wspomniane zawołania inkubacyjne są intencjonalne – to znaczy czy rodzice faktycznie chcą poinformować o czymś jeszcze niewyklute potomstwo, czy może robią to mimochodem? Wstępne badania zdawały się potwierdzać, że zeberki wołające w gniazdach, w których znajdowały się jaja, celowo informują zarodki o zmieniającej się temperaturze. Jednakże późniejsze eksperymenty podważyły te wnioski. Choć wydawane przez dorosłych dźwięki miały wpływ na potomstwo, to nie były one przeznaczone wyłącznie dla niego. Okazało się, że ptaki używają tych zawołań także poza gniazdem, gdy temperatura otoczenia przekracza 35 stopni Celsjusza.

Wydaje się więc, że rodzice nie kierują tych zawołań celowo akurat do swoich dzieci, by te lepiej przygotowały się do przyszłego życia. To raczej zarodki zdają się „podsłuchiwać”, co się dzieje poza ich zaklętym w skorupce światem. Ale być może przyszłe badania pokażą, że w innych warunkach dorosłe osobniki intencjonalnie przekazują jakieś informacje zarodkom, przy użyciu innych dźwięków – w tej kwestii wiele pozostaje jeszcze do ustalenia.

Wyjście poza mózg

Ktoś mógłby zaprotestować, że przyglądając się ptasim śpiewom, nie zajrzeliśmy zbyt głęboko do najważniejszego organu odpowiedzialnego za śpiew – czyli mózgu. Faktycznie, ostatecznym źródłem wydawanych przez ptaki dźwięków jest właśnie układ nerwowy, a zapamiętane czy też nauczone piosenki są zapisane właśnie gdzieś w mózgu. Gdy ptak chce rozpocząć śpiewanie, odpowiednie sygnały z mózgu pobudzają mięśnie i inne organy do wydawania dźwięków. To mózg kontroluje całą sekwencję nutek wydobywających się z dziobów. W istocie mózg odgrywa niebagatelną rolę w uczeniu się młodych i śpiewaniu przez dorosłych – uszkodzenie niektórych struktur uniemożliwia naukę, a odpowiednie pobudzanie innych obszarów może nawet spowodować, że ptak nauczy się wydawać konkretne dźwięki. Zlokalizowano nawet strukturę, bez której papugi nie były w stanie uczyć się wydawania ludzkich słów!

Mózg jest więc bardzo ważny, jednak warto zapamiętać, że na nim cała historia ptasiego śpiewu wcale się nie kończy. David Marr, jeden z pionierów neuronauki obliczeniowej, zajmującej się ilościowym podejściem do badania układu nerwowego, napisał, że badanie umysłu poprzez badanie samych neuronów jest jak badanie latania u ptaków przez studiowanie samych piór.

Obecnie naukowcy coraz częściej akcentują potrzebę badania całych organizmów oraz środowisk, w których one żyją, by zrozumieć tak skomplikowane zachowania jak uczenie się śpiewu i ptasi śpiew sam w sobie. A ponieważ ptaki śpiewające są jednymi z zaledwie kilku grup zwierząt, które potrafią uczyć się wokalizować, jest szansa, że te badania powiedzą też coś na temat ludzkiej mowy i tego, jak ona wyewoluowała.©