“Ptaki śpiewające są dla nas darem ewolucji” – zachwyca się w rozmowie z Focusem dr Stephanie White, neurobiolog z University of California w Los Angeles. I wcale nie ma na myśli przyjemności, jaką nam daje słuchanie ptasiego śpiewu. Uczona interesuje się ludzką mową, jednak wielu badań nie może przeprowadzić na ludziach, zarówno ze względów etycznych, jak i technicznych. „Nawet gdybym wzięła świeży przekrój twojego mózgu, nie wiedziałabym, gdzie wetknąć elektrody, aby znaleźć neurony odpowiedzialne za wymowę. Są one rozproszone i trzeba mapować je u każdej osoby indywidualnie” – tłumaczy. Podkreśla też, że ludzie są zbyt skomplikowani, by dało się badać mechanizmy odpowiedzialne za mowę na poziomie neuronów i łączących je synaps.
Te problemy znikają, gdy zamiast ludzi bada się ptaki śpiewające. Dr Stephanie Whitei jej współpracownicy odkryli m.in., jakie geny odpowiadają za rozwój mowy i dostrzegli związki pomiędzy nimi a autyzmem. Wymyślili sposób, jak na podstawie barwy głosu diagnozować chorobę Parkinsona na bardzo wczesnym etapie. Dałoby to możliwość ratowania ginących neuronów, jeszcze zanim choroba doprowadzi do nieodwracalnych zmian.
Poezja ornitologii
Wielu ornitologom takie pomysły mogą wydać się absurdalne. Choćby dlatego, że ptaki wprawdzie potrafią wydawać rozmaite dźwięki, ale jednak nie mówią. Przede wszystkim zaś z powodu odmiennej budowy aparatu głosowego.
U ludzi i u ptaków dźwięk powstaje, gdy wydychane powietrze przechodzi przez krtań. Otaczają ją mięśnie, zwane strunami głosowymi. Zależnie od stopnia ich napięcia tworzy się między nimi wąska lub szeroka szczelina. Powietrze może więc wprawiać struny głosowe w drgania różnego typu. Pod ich wpływem powstają dźwięki wysokie lub niskie, głośne lub ciche. Potem, już w jamie ustnej, przybierają one kształt konkretnej głoski. U ludzi decyduje o tym m.in. ułożenie języka, zębów oraz warg. U ptaków – oczywiście dziób. Największa różnica między ludzkim a ptasim aparatem głosowym tkwi jednak w samej krtani. U nas dźwięki powstają w jej części zwanej krtanią górną. U ptaków – w krtani dolnej. Otacza ją tam aż pięć par mięśni. Potrafią one wibrować niezależnie od siebie – w dodatku dużo szybciej niż u nas. W efekcie powstają dźwięki tak skomplikowane, że ludzie do nie-dawna nie byli w stanie ich nawet zarejestrować.
David Rothenberg, amerykański jazzman, a jednocześnie profesor filozofii na New Jersey Institute of Technology, opisał to w głośnej książce „Why Birds Sing” („Dlaczego ptaki śpiewają”). Przywołał w niej postać Waltera Garstanga, profesora zoologii na angielskim University of Leeds, który w 1922 r. opublikował pracę „Songs of Birds” („Pieśni ptaków”). Pierwsza jej część jest bardziej naukowa. W drugiej prof. Garstang nie trzymał się tak ściśle rygorów pracy badawczej, gdyż uznał, że złożoność ptasich śpiewów można oddać jedynie poprzez… poezję.
Konkurent prof. Garstanga zza oceanu, amerykański przyrodnik F. Schuyler Mathews, też nie potrafił zmieścić się w granicach zakreślonych przez metodologię nauk przyrodniczych, opisując ptasi śpiew. Doszedł jednak do wniosku, że najlepiej oddać go europejską notacją muzyczną. Jego publikacje trudno jednak uznać za klasyczne zapisy nutowe. Półnutom, ćwierćnutom i ósemkom towarzyszą zwykle dodatkowe uwagi. W przypadku pieśni pasówki białogardłej jeszcze się to jakoś broni. W zapisie śpiewu ryżo-jada czy drozdka samotnego nuty jednak skaczą, mieszają się ze sobą, tworząc coś, czego chyba żaden muzyk nie potrafiłby odtworzyć.
Jeden śpiewak, kilka głosów
Inni badacze ptasiego śpiewu tworzyli jeszcze bardziej dziwaczne systemy jego zapisu. Czasem są to rysunki, czasem diagramy w postaci krzywych linii i towarzyszących im opisów, a czasem zbiory wyrazów dźwiękonaśladowczych. Wszystkie z definicji były dość subiektywne. Badania ptasiego śpiewu zaczęły podlegać rygorom naukowym dopiero po odkryciu sonografu. Za jego pomocą dźwięki skrzydlatych mieszkańców Ziemi zapisywano na diagramie, gdzie oś pozioma oznaczała czas, a pionowa częstotliwość. Tak powstałe sonogramy można było „rozciągnąć”, dzięki czemu widoczne stawały się te elementy, których ucho ludzkie wychwycić nie potrafi. Zauważono wówczas, że ptaki często śpiewają naraz kilkoma głosami, jakby tworzyły jednoosobowy chór.
To zasługa wspomnianych wcześniej mięśni krtani dolnej, które potrafią wibrować niezależnie od siebie. Ponadto wykryto, że ptaki śpiewają szybciej, niż my słyszymy. Dźwięki, które dla nich są wyraźnie oddzielone, nam zlewają się w całość. Ludzie bowiem odróżniają tony, jeśli dzieli je odstęp co najmniej 3–4 milisekund. U ptaków ta granica to 1–2 milisekundy.
Muzykę widać w mózgu
Ale to nie złożoność ptasiego śpiewu tak zafascynowała badaczy. „Aby studiować problemy mowy, potrzebujemy modelu, czyli zwierzęcia, które specjalizuje się w wyuczonych dźwiękach” – wyjaśniała dr Stephanie White. Ptaki śpiewające naśladują dźwięki, uczą się ich artykulacji, podczas gdy inne zwierzęta laboratoryjne, takie jak myszy i szczury, tego nie robią.
Oczywiście rzadko zdarza się, by ptak uczył się całej piosenki od zera. Zwykle ma wrodzony wzór – schemat, w który wpasowuje usłyszane dźwięki. „Ptak wychowany samotnie w klatce, bez żadnego kontaktu z innymi przedstawicielami swojego gatunku, zazwyczaj nauczy się tylko fragmentu pieśni” – pisze David Rothenberg, przywołując jako przykład ziębę. Przez pierwszych kilka miesięcy życia młode samce tego gatunku są jeszcze dość swobodne w doborze dźwięków i sporo eksperymentują. W tym okresie mogą do pieśni włączyć nowe elementy. Gdy ten czas minie, kompozycja utrwala się i potem bardzo trudno ją zmienić.
Dla badaczy mowy ważne jest też, że u większości gatunków ptaków samice nie śpiewają. To pozwala naukowcom nie tylko porównywać zmiany, jakie zachodzą w mózgu podczas uczenia się pieśni, ale także analizować różnice między śpiewającymi samcami i milczącymi samicami. Dzięki temu odkryli np., że u ptaków komórki nerwowe odpowiedzialne za naukę dźwięków – przeciwnie niż u ludzi – są skupione w tzw. ośrodku X. „Nie wiem, dlaczego to wyewoluowało w ten sposób. Ale wszystkie neurony w korze mózgowej, odpowiedzialne za ten proces, siedzą obok siebie. To samo dotyczy komórek znajdujących się w jądrach podstawnych i wzgórzu. Kiedy więc zaglądasz do mózgu ptaka, od razu wiesz, które komórki nerwowe są odpowiedzialne za naukę śpiewu” – mówi dr White.
Ta wiedza przydała się naukowcom, gdy w 2001 r. odkryto gen FoxP2. Na jego trop wpadł brytyjski uczony dr Simon Fisher, który badał rodzinę oznaczoną kryptonimem KE. Część jej członków miała kłopoty z nauką języka. Nie panowali nad mięśniami dolnej części twarzy, niezbędnymi do artykulacji głosek. Nie radzili sobie ze zrozumieniem zasad gramatyki. Poproszeni o spisanie jak największej liczby słów zaczynających się na tę samą literę, szybko gubili się. Wszyscy mieli mutację w FoxP2.
Ptasi gen mowy
Choć taki gen wykryto potem u większości kręgowców, to u ludzi ma on bardzo specyficzną budowę. „U myszy FoxP2 odpowiada za inne sprawy. Gdy pojawia się u nich mutacja, mają kłopoty z bieganiem, ale aparat głosowy działa normalnie” – twierdzi dr Stepanie White. Tymczasem u ptaków, choć ich pokrewieństwo z ludźmi jest dużo bardziej odległe niż myszy, gen FoxP2 też stał się odpowiedzialny za naukę wymowy. Naukowcy mogą więc manipulować jego działaniem i sprawdzać, jakie są tego efekty.
Dr White wybrała do badań zeberkę. To drobny ptak śpiewający z Australii, popularny w domowych hodowlach klatkowych. Gdy w mózgu zeberek uczona sztucznie obniżyła poziom białka, produkowanego na bazie genu FoxP2, psuło to ich umiejętności nauki śpiewu. Odkryła też, że intensywne popisy wokalne automatycznie prowadziły do zmniejszenia ilości tej substancji.
Kolejne badania wykazały, że podczas uczenia się śpiewu przez ptaki w neuronach tworzących ich ośrodek X uaktywnia się w sumie 2 tys. genów. Jeden z nich koduje białko o nazwie reelina. To o tyle ważne, że mutacje tego samego genu u ludzi podejrzewane są o związek z autyzmem. A mowa u dzieci autystycznych też rozwija się wolniej, niekiedy z zaburzenia mi. „Nikt nigdy nie sądził, że reelina odgrywa rolę w rozwoju wymowy. A teraz zauważyliśmy, że jest prawdopodobnie ważna dla uczenia się dźwięków” – wyjaśnia dr White.
Chrypka zdradza parkinsona
A w jaki sposób badania śpiewu ptaków mogą przydać się w diagnostyce parkinsona? Ta choroba, objawiająca się przede wszystkim zaburzeniami pracy mięśni, rozwija się, gdy w mózgu obumierają komórki wydzielające neuroprzekaźnik zwany dopaminą. Początkowo nie daje to wyraźnych objawów. Chorzy zgłaszają się do lekarza dopiero wtedy, gdy pojawiają się drżenia i kłopoty z koordynacją mięśni. Wówczas jednak ubytki w mózgu są już zbyt duże, by dało się powstrzymać rozwój choroby. „U chorych na parkinsona także głos staje się ochrypły, monotonny i bardzo słaby. Moja współpracowniczka Julie Miller pomyślała, że te zmiany głosu mogą pomóc w wykryciu choroby, a pojawiają się wcześnie. Postanowiłyśmy stworzyć ptasi model choroby Parkinsona” – opowiada dr White.
Badaczki zauważyły, że gdy samiec zeberki śpiewa u boku samicy, ma wyższy poziom dopaminy, niż kiedy ćwiczy samotnie. Neuroprzekaźnik wpływa na jego barwę głosu. Różnica jest delikatna, ale mimo to badaczki na podstawie analizy ptasiego śpiewu są w stanie określić, czy dany ptak ma wysoki, czy niski poziom dopaminy.
Uczone mają nadzieję, że w ten sam sposób badanie głosu człowieka pozwoli wychwycić już niewielkie obniżenie zawartości neuroprzekaźnika. Dzięki temu będzie można wykryć obumieranie neuronów na bardzo wczesnym etapie, jeszcze zanim rozwiną się pełne objawy parkinsonizmu. Wtedy zaś będzie dość czasu, by powstrzymać postęp choroby. Jeśli się to uda, będziemy mieli jeszcze jeden powód, by podziwiać śpiew ptaków.
• DLA GŁODNYCH WIEDZY:
» Świetna książka o poszukiwaniu sensu ptasiego śpiewu oraz płyta z nagraniami – „Why Birds Sing”, David Rothenberg (Basic , David Rothenberg (Basic Books 2005), www.whybirdssing.com
» Rozpoznawania głosów polskich ptaków najlepiej uczyć się na podstawie nagrań na płytach CD – „Głosy ptaków Polski”, Zdzisław Pałczyński (P.W. „ALAUDA”), www.ptaki.one.pl
» Strona laboratorium dr Stephanie White – www.ibp.ucla.edu/research/white/