Manusia dan burung vokal seperti burung beo pada dasarnya menggunakan gen yang sama untuk berbicara.
Burung beo memiliki pola ekspresi gen yang unik di otak mereka, menciptakan pusat bicara yang sangat penuh daya yang dapat memberi mereka kemampuan untuk dengan cepat mengambil "dialek" ucapan burung beo. Kredit foto: Michael Whytle / Flickr
Sebagai bagian dari upaya besar untuk mengurutkan dan membandingkan seluruh genom dari 48 spesies burung yang mewakili setiap urutan utama pohon keluarga burung, para peneliti telah menemukan bahwa pembelajaran vokal berevolusi dua kali - atau mungkin tiga kali - di antara burung penyanyi, burung beo, dan burung kolibri. Yang lebih mengejutkan adalah bahwa serangkaian gen yang terlibat dalam setiap inovasi lagu itu sangat mirip dengan gen yang terlibat dalam kemampuan berbicara manusia.
Erich Jarvis adalah profesor neurobiologi di Duke University Medical School dan peneliti di Howard Hughes Medical Institute. Jarvis berkata:
Kami telah mengetahui selama bertahun-tahun bahwa perilaku bernyanyi burung mirip dengan bicara pada manusia — tidak identik, tetapi serupa — dan bahwa sirkuit otak juga serupa.
Tetapi kami tidak tahu apakah fitur itu sama atau tidak karena gennya juga sama.
Sekarang para ilmuwan tahu, dan jawabannya adalah ya. Burung dan manusia pada dasarnya menggunakan gen yang sama untuk berbicara.
Temuan ini merupakan bagian dari paket delapan makalah ilmiah dalam edisi khusus 12 Desember 2008 Ilmu dan 21 makalah tambahan muncul hampir bersamaan di Biologi Genom, GigaScience, dan jurnal lainnya. Nama Jarvis muncul di 20 kertas dan dia adalah penulis yang sesuai untuk delapan dari mereka.
Laboratorium Jarvis menyiapkan DNA dari banyak spesies, menggunakan daging burung yang dikumpulkan selama 30 tahun terakhir oleh museum dan lembaga lainnya di seluruh dunia.
Semua pekerjaan yang teliti dan agak membosankan ini memberi Jarvis dan ratusan rekannya di seluruh dunia celah pada jumlah data genom yang dihasilkan oleh BGI di Tiongkok yang belum pernah terjadi sebelumnya. Perbandingan seluruh genom dari 48 spesies burung memerlukan algoritma baru yang ditulis di University of Illinois dan University of Texas yang beroperasi selama 400 tahun waktu CPU pada tiga superkomputer di AS.
Dari 29 makalah yang mencakup semuanya, mulai dari evolusi penguin hingga penglihatan warna, delapan dikhususkan untuk lagu burung.
Salah satu surat kabar baru di Ilmu melaporkan bahwa ada satu set konsisten lebih dari 50 gen yang menunjukkan aktivitas lebih tinggi atau lebih rendah dalam otak burung dan manusia yang belajar vokal. Perubahan ini tidak ditemukan pada otak burung yang tidak memiliki pembelajaran vokal dan primata non-manusia yang tidak berbicara, menurut tim Duke ini, yang dipimpin oleh Jarvis; Andreas Pfenning, lulusan program PhD dalam biologi komputasi dan bioinformatika (CBB); dan Alexander Hartemink, profesor ilmu komputer, ilmu statistik, dan biologi. Jarvis berkata:
Ini berarti bahwa burung dan manusia yang belajar vokal lebih mirip satu sama lain untuk gen-gen ini dalam bidang otak lagu dan ucapan dibandingkan dengan burung dan primata lainnya.
Gen-gen ini terlibat dalam membentuk koneksi baru antara neuron motor cortex dan neuron yang mengendalikan otot yang menghasilkan suara.
Sebuah studi pendamping oleh doktor CBB lain, Rui Wang, melihat aktivitas khusus sepasang gen yang terlibat dalam wilayah otak yang mengontrol lagu dan ucapan. Studi ini, muncul di Internet Jurnal Neurologi Komparatif, menemukan bahwa gen-gen ini naik turun dan diatur dalam satu wilayah otak burung pemelajar lagu selama masa remaja pembelajaran vokal mereka, perubahan yang bertahan hingga dewasa.
Studi ini, dan penelitian Pfenning, menghipotesiskan bahwa perubahan gen-gen ini bisa menjadi penting untuk evolusi lagu pada burung dan ucapan pada manusia. Jarvis berkata:
Anda dapat menemukan gen-gen yang sama dalam genom semua spesies, tetapi mereka aktif pada level yang lebih tinggi atau lebih rendah dalam lagu khusus atau wilayah otak bicara burung dan manusia yang belajar vokal. Apa yang saya sarankan di sini adalah bahwa ketika pembelajaran vokal berkembang, mungkin ada cara terbatas di mana sirkuit otak dapat berevolusi.
Pusat bicara burung beo
Kertas lain di Ilmu dari Duke, dipimpin oleh post-doc Osceola Whitney, Pfenning, Hartemink, dan Anne West, seorang profesor neurobiologi, mengamati aktivasi gen di berbagai area otak selama bernyanyi.
Tim ini menemukan aktivasi 10 persen dari genom yang diekspresikan selama bernyanyi, dengan beragam pola aktivasi di berbagai daerah pembelajaran lagu di otak. Pola-pola gen yang beragam paling baik dijelaskan oleh perbedaan epigenetik dalam genom dari wilayah otak yang berbeda, yang berarti bahwa sel-sel individu di wilayah otak yang berbeda dapat mengatur gen pada suatu saat ketika burung bernyanyi.
Di antara tiga kelompok utama burung pemelajar vokal, nuri jelas berbeda dalam kemampuan mereka untuk meniru ucapan manusia.
Mukta Chakraborty, seorang postdoc di laboratorium Jarvis, memimpin sebuah proyek yang menggunakan aktivitas beberapa gen khusus untuk menemukan bahwa pusat bicara burung beo diatur agak berbeda. Ini memiliki apa yang para peneliti sebut sebagai "sistem-lagu-dalam-sistem-lagu" di mana area otak dengan aktivitas gen yang berbeda untuk menghasilkan lagu memiliki cincin luar dari perbedaan yang lebih jauh dalam ekspresi gen.
Burung beo adalah hewan yang sangat sosial, kata Chakraborty, dan memiliki kemampuan untuk dengan cepat mengambil "dialek" ucapan burung beo dapat menjelaskan pusat bicara mereka yang super-charge. "Cangkang" atau daerah terluar ditemukan secara proporsional lebih besar pada spesies burung beo, yang diyakini memiliki kemampuan vokal, kognitif, dan sosial tertinggi. Spesies ini termasuk kakatua Amazon, Grey Afrika dan Macaw Biru dan Emas.
Jarvis juga merupakan bagian dari sebuah tim dengan Claudio Mello dan mahasiswa PhD-nya Morgan Wirthlin di Oregon Health & Science University yang menemukan sepuluh gen lagi yang unik untuk daerah-daerah pengontrol lagu Songbirds. Makalah ini muncul dalam BMC Genomics.
Sebuah kertas masuk Ilmu dipimpin oleh Zhang, Gilbert, dan Jarvis menemukan genom pembelajar vokal lebih cepat berkembang dan memiliki lebih banyak penataan ulang kromosom dibandingkan dengan spesies burung lainnya. Perbandingan genomik ini juga menemukan perubahan serupa terjadi secara independen di dalam area pembelajaran lagu dari otak burung yang berbeda.
Jarvis mengatakan bahwa mengetahui lebih banyak tentang sejarah ini tentang bagaimana ucapan berevolusi pada burung membuat burung belajar vokal bahkan menjadi model organisme yang lebih berharga untuk membantu menjawab pertanyaan yang dia dan peneliti lain sedang bahas tentang bicara manusia. Jarvis berkata:
Bicara sulit dipelajari dalam otak manusia. Paus dan gajah belajar bicara dan lagu, tetapi mereka terlalu besar untuk tinggal di lab. Sekarang kami memiliki pemahaman yang lebih dalam tentang bagaimana daerah otak burung yang serupa dengan daerah bicara manusia di tingkat genetik, saya pikir mereka akan menjadi model yang lebih baik dari sebelumnya.
Jarvis bersama-sama memimpin Konsorsium Phylogenomics Burung dengan Guojie Zhang dari Genebank Nasional di BGI di Cina dan Universitas Kopenhagen dan M. Thomas P. Gilbert dari Museum Sejarah Alam Denmark. Laboratorium Duke-nya berkontribusi untuk menyiapkan sampel, mengurutkan dan membubuhi keterangan genom, melakukan analisis, dan mengoordinasikan keseluruhan proyek.
Intinya: Para peneliti telah menemukan bahwa pembelajaran vokal berevolusi dua kali - atau mungkin tiga kali - di antara burung penyanyi, burung beo, dan burung kolibri. Yang lebih mengejutkan adalah bahwa serangkaian gen yang terlibat dalam setiap inovasi lagu itu sangat mirip dengan gen yang terlibat dalam kemampuan berbicara manusia.