Сказки о языке. Как наш неприметный товарищ формировался последние миллионы лет

С момента первого появления 350 миллионов лет назад язык принял множество форм, открывая новые ниши для себя

Пэтрик Махоумс — двукратный победитель Суперкубка в американском футболе, который играет на позиции квотербека за «Канзас-Сити Чифс». В то время как большинство болельщиков следят за мячом, атакующим и защитным игровыми линиями, есть и те, кто замечает необычный подход Махоумса к подготовке к броску: спортсмен скользит языком между губ, подобно тому, как звезда баскетбола Майкл Джордан делает данк, а дартс-игроки сосредотачиваются на центре мишени. Исследователи отмечают, что случайные движения языка могут улучшить точность движений рук игрока и оказаться более значительными, чем кажутся на первый взгляд.

Ученые, занимающиеся исследованием языка, обращают внимание на орган, который мы обычно принимаем как должное, но который необходим для формирования слов, жевания и проглатывания пищи – на наш язык. Существование языка в животном мире подтверждает его универсальность и значимость. Первые наземные позвоночные, которые появились на Земле 400 миллионов лет назад, столкнулись с новыми видами пищи и для их исследования нужен был язык. Со временем разнообразие продуктов расширялось, а языки диверсифицировались, приобретая специализированные формы и функции, расширяющиеся за пределы пищевого потребления. На данный момент небольшая группа ученых продолжает изучать эту тему.

Курт Швенк, биолог-эволюционист из Университета Коннектикута, говорит о невероятном разнообразии формы языка в позвоночных и его потрясающих примерах адаптации. Среди этих примеров – саламандры, ловящие насекомых удлиненными липкими языками, разные виды змей, использующие раздвоенные кончики языка для «нюхания» окружающей среды, колибри, погружающиеся в глубь цветов для питания нектаром, и летучие мыши, использующие щелчки языка для эхолокации. Для человека язык сыграл еще большую роль, так как он является центральной частью многих функций, включая жевание, разговоры и поцелуи, а это, как замечает Джессика Марк Уэлч, является частью того, что определяет нас, как вид.

Управление этими функциями стимулирует расширение возможностей мозга, создавая путь для более сложных движений рук и, возможно, для более сложного мышления. Ян Уишоу, нейробиолог из Университета Летбриджа, считает, что мы можем дотянуться до идей и мыслей, так же как можем дотянуться кончиком языка. «Мы интуитивно знаем об этом», — говорит он, объясняя, почему мы используем фразы вроде "кончик языка", "оговорка" и "прикусываю язык".

Как возник язык — это одна из крупнейших тайн в эволюционной истории, согласно словам функционального морфолога Сэма Ван Вассенберга из Университета Антверпена. Языки, как и другие мягкие ткани, редко можно обнаружить в окаменелостях и скрыты в полости рта. Но с появлением новых технологий в последние десятилетия стало возможным обнаружение языков в действии у разных групп животных. Эта работа открывает новое видение эволюционных траекторий языка и специализации, которые способствовали еще большему разнообразию. Биолог-эволюционист из Университета Райса Кори Эванс говорит, что насколько больше узнают ученые, тем больше они убеждаются, что языки — это действительно фантастическое явление.

Определение языка оказалось сложной задачей. Хотя структуры, похожие на язык, присутствуют у практически всех позвоночных, от миног до млекопитающих, "нет четкого определения того, что представляет собой 'настоящий язык'", — говорит биолог-эволюционист Даниэль Шварц из Штутгартского государственного музея естественной истории. Язык человека представляет собой мышечный гидростат, который подобно воздушному шару должен сохранять одинаковый объем вне зависимости от формы. Таким образом, когда Махоумс высовывает язык, он в целом становится тоньше, чем когда язык просто находится во рту, что же касается пурпурного языка жирафа, то когда он вытягивается на 46 сантиметров, чтобы схватить листья с колючей ветки дерева, то становится тоньше, чем когда язык находится во рту.

В животном мире существуют и другие мрачные случаи. У некоторых рыб, например, у гольянов, карпов и сомов, есть небесный орган, который также может быть связан с мышцами, но насчет того, является ли он языком, биологи не всегда сходятся во мнениях. «Вместо того, чтобы находиться внизу рта, он находится сверху», — говорит функциональный морфолог из Университета Джорджа Вашингтона Патрисия Эрнандес. Но, несмотря на множество гипотез, функция этого органа на самом деле никому неизвестна, добавляет Эрнандес.

Это потому, что рыбам не нужны такие языки, как наш, чтобы глотать пищу. Они могут полагаться просто на глотание. Они широко раскрывают свои челюсти, расширяют горло и прокачивают воду через жаберные щели, создавая потоки, которые всасывают пищу.

Один из ученых, посвятивших свою жизнь изучению языков животных, Швенк, отмечает, что «в тот момент, когда животные высовывают голову из воды, всасывание становится бесполезным». Как только животные переходят на сушу, им нужна замена воды, чтобы захватывать добычу в глотку, так как воздух недостаточно плотный. В течение миллионов лет ранние наземные лабиринты, вероятно, возвращались в океан, чтобы проглотить добычу, пойманную на суше. Некоторые из них, возможно, держали головы высоко и позволяли гравитации делать свое дело, как это делают сегодня многие птицы.

В анатомии рыб уже были задатки нового способа питания: жаберные дуги, которые состоят из изогнутых костей, и мышцы для поддержки этих структур. Жаберные дуги рыб образуют челюсти, подъязычную кость, которая поддерживает заднюю часть челюсти, а также скелет, который формирует горло и жаберные щели. При питании мышцы, поддерживающие эти структуры, производят всасывание, вдавливая подъязычную кость и расширяя жаберные щели для всасывания воды. Эксперты по языку отмечают, что эти движения напоминают движение языка вперед и назад для управления добычей. "Движение подъязычной кости для создания всасывания очень похоже на движение языка вперед и назад, чтобы манипулировать добычей", — объясняет Швенк.

Швенк и Ван Вассенберг считают, что у ранних наземных позвоночных жаберные дуги и связанные с ними мышцы начали изменяться, чтобы сформировать «протоязык», возможно, мышечную подушечку, прикрепленную к подъязычной кости, которая хлопала, когда подъязычная кость двигалась. Со временем подушечки стали длиннее и более управляемыми, а также более приспособленными для захвата добычи и маневрирования) .

Примерно 350 миллионов лет назад эволюция языка дала возможность позвоночным глотать еду без всасывания, что стало ключом для перехода на сушу. Скелетные структуры, которые первоначально использовались для открывания жабр, должны были претерпеть изменения и превратиться в кости, которые могли поддерживать язык и его движения.

По результатам экспериментов с тритонами Шварц предполагает, что протоязык стал функциональным еще до перехода на сушу. Тритоны, как и другие саламандры, водные в юном возрасте, но взрослыми становятся в основном наземными. Их метаморфозы и изменения в их стратегиях питания могут быть похожи на переход от воды к суше, который произошел миллионы лет назад.

Эти изменения помогли Шварцу и его команде обнаружить, что перед тем, как тритоны превращаются во взрослых особей, у них развивается языкообразный придаток, который прижимает пищу к острым игольчатым зубам на нёбе. Согласно их открытию, эта языкообразная структура помогала ранним четвероногим животным питаться еще до того, как они появились на суше.

потребность В ПИЩЕ, возможно, вызвала появление языка, но затем естественный отбор приспособил и отточил его для множества других целей, иногда создавая «смехотворно сумасшедшие специализированные системы», — говорит Швенк.

Например, саламандры с перепончатыми пальцами ( Hydromantes) выхватывают липкий язык, чтобы поймать насекомых или других мелких членистоногих, выбрасывая через рот весь свой горловой скелет. Этот режим кормления включал в себя перенастройку мышц горла: один набор накапливал упругую энергию, которую можно было мгновенно высвободить, чтобы вытолкнуть язык, а другой набор втягивал язык обратно.

Другие саламандры, не менее 7600 лягушек и жаб, а также хамелеоны и другие ящерицы независимо развили другие экстремальные формы этого скорострельного «баллистического» питания. Хамелеоны, например, выпускают языки со скоростью почти 5 метров в секунду, ловя сверчков менее чем за 1/10 секунды.

Баллистическое кормление потребовало приспособления поверхности языка и покрытия его слюной. Некоторые лягушки могут использовать обильную клейкую слюну, выделяемую из небольших выступов, называемых сосочками, чтобы сделать свои языки настолько липкими, что они могут поймать добычу на 50% тяжелее, чем они сами. Дэвид Ху, исследователь биомеханики из Технологического института Джорджии, и его коллеги сообщили об этом в 2017 году. Слюна покрывает сосочки, которые могут работать как крошечные липкие пальцы, помогая лягушкам захватывать добычу.

Рогатые ящерицы ( phrynosoma) используют покрытые слюной языки не только для захвата добычи, но и для защиты от нее. Муравьи, которых они едят, сильно кусаются и особенно ядовиты, но ящерицы проглатывают их заживо. В 2008 году Швенк и Уэйд Шербрук, бывший директор Юго-западной исследовательской станции Американского музея естественной истории, обнаружили, что густые нити слизи, выделяемые сосочками языка и горла, выводят ядовитую добычу из строя. Совсем недавно Швенк обнаружил, что у рогатых ящериц мышцы, обычно составляющие боковые стороны языка, прикрепляются только сзади. Эволюция преобразовала свободные части мышц в гребни по бокам языка, возможно, чтобы создать слизистый карман для связывания муравьев перед глотанием.

Некоторые животные используют свой язык для ухода за собой, в том числе этот геккон-горгулья (Rhacodactylus auriculatus ) из Новой Каледонии, который использует язык для чистки глаз. маттейс куйперс

В отличие от языков лягушек и ящериц, которые приспособлены для ловли и заталкивания добычи в рот, змеиные языки эволюционировали для тонкого обоняния. Благодаря различиям в концентрации запахов, которые постигают каждый отросток змеиного раздвоенного языка, змеи могут обнаруживать скрытых дичей. Движения языка очень гибкие и изменчивые. Например, северные водные змеи меняют ритм взмахов языка в зависимости от того, находится ли их голова под водой, на поверхности или в воздухе. Они регулируют взмахи, чтобы собрать максимальное количество запахов в разных условиях. Эти исследования были представлены учеными Швенком и Райерсоном в прошлом году в журнале Integrative and Comparative Biology.

Изучив морфологию, физиологию и движения языка десятков видов рептилий, Швенк в восторге от того, как много они рассказывают об образе жизни животного.

эволюция ЯЗЫКА помогла рептилиям и амфибиям ловить добычу животных, но у птиц некоторые из самых диковинных адаптаций языка отражают вкус к растениям.

Большинство птичьих языков представляют собой жесткую полоску кератина (вспомните ногти) или кости с небольшим количеством мышц или другой живой ткани. Они «просто конвейерная лента для перемещения еды спереди назад», — говорит Швенк. Но есть и исключения, особенно у колибри и других птиц, питающихся нектаром. «Язык, вероятно, является наиболее важным компонентом для питания птиц нектаром», — говорит Дэвид Кубан, аспирант Вашингтонского университета (UW) , который работает с поведенческим экофизиком Алехандро Рико-Гевара.

Нектар наполнен энергией, и его легко найти. Но каждый цветок предлагает всего лишь каплю или около того, часто заключенную в длинный, узкий цветок. Многие питающиеся нектаром колибри, нектарники и другие неродственные группы птиц справляются с этими ограничениями, будучи маленькими (обычно менее 20 граммов) и обладая длинными тонкими клювами и узкоспециализированными языками.

Ранее, исследователи полагали, что птицы используют капиллярное действие, чтобы собрать нектар. Считалось, что это особенно верно для пестрого медоеда, который был обнаружен ученицей Рико-Гевары Амандой Хьюз и ее командой. Они обнаружили, что язык пестрого медоеда имеет кончик, похожий на кисть, который собирает нектар и затем втягивает его внутрь по бороздкам по всей длине языка.

Рико-Гевара объясняет, что капиллярное действие недостаточно для колибри, которые щелкают языком 15 раз в секунду, осушая каждый цветок и моментально двигаясь дальше. Чтобы прояснить этот вопрос, команда сняла высокоскоростное видео, на котором были запечатлены колибри разных видов, такие как колибри Анны (Calypte anna) , якобинцы с белой шеей (Florisuga mellivora) , сверкающие фиалки (Colibri coruscans) , праздничные кокетки (Lophornis chalybeus) и другие, посещающие прозрачные искусственные цветы, заполненными искусственным нектаром. Это шоу продемонстрировало, что язык колибри работает аналогично крошечному насосу для собирания нектара.

Примерно на полпути назад от кончика идут две канавки, вдоль которых расположены края, задерживающие жидкость. Когда кончик гибкого клюва птиц закрывается, он выжимает нектар из краев у передней части языка, выталкивая жидкость внутрь; затем клюв открывается у основания, чтобы помочь продвинуть нектар до конца в рот, сообщила команда Рико-Гевары 3 апреля в Журнале экспериментальной биологии.

Он и его сотрудники недавно обратили свое внимание на некоторых из самых странных птиц, питающихся нектаром: попугаев. При размерах 30 сантиметров и весе 100 граммов радужный лорикет возвышается над большинством нектароядных птиц и совершенно не способен парить в воздухе, как колибри. У него типичный короткий, толстый, крючковатый клюв попугая и мускулистый язык, очень похожий на наш собственный — все черты, которые делают невозможным хлебание нектара из длинных тонких соцветий. Но Рико-Гевара и Кубан определили приспособления, которые позволяют этим попугаям получать сладкое.

Для начала птицы ориентируются на более плоские, более открытые цветы. И вместо того, чтобы парить, они приземляются на ближайшую ветку и корчатся вокруг цветка. Затем они открывают клюв и высовывают язык, который претерпевает удивительные превращения, вытягиваясь в цветок. Твердый колючий кончик языка открывается в круглое множество тонких выступов, как недавно обнаружил Рико-Гевара. «Это почти похоже на анемон», — говорит он. Эти выступы работают как щетинки кисти, впитывая нектар.

В одном эксперименте Рико-Гевара смешал тестовый раствор нектара с соединением бария, разбавленной версией того, что врачи дают пациентам для поиска препятствий в пищеварительном тракте, а затем сделал рентгеновские снимки кормления лорикетов. Он обнаружил, что как только кончик языка насыщается большой каплей нектара, птица прижимает его к верхней части рта, выдавливая жидкость. Затем он закрывает свой клюв, подталкивая нектар обратно к горлу, и повторяет процесс, пока не выльется весь нектар.

Это не единственный способ, которым попугаи потребляют нектар. В прошлом году Кьюбан заснял кормление более миниатюрных висячих попугаев, названных так потому, что они спят вниз головой. Вместо пушистого кончика языка, как у лорикетов, у этих попугаев кончик языка бороздчатый, и видео Кубана показывает, что они очень быстро вибрируют языком, чтобы перекачивать крошечные количества нектара обратно в пищевод и в горло.

Исследуя процесс питания колибри и определяя количество энергии, которую они требуют, Кьюбан, Хьюз и Рико-Гевара надеются раскрыть, как их стратегии питания могли повлиять на эволюцию, не только самих птиц, но и растений, которые они используют в качестве пищи. Например, колибри, которые появились 22 миллиона лет назад, повлияли на количество нектара, который производят растения-партнеры, вынуждая их производить более глубокие цветы. Это в свою очередь повлияло на длину клюва колибри, их стремление монополизировать доступ к цветкам, а также на другие черты. Это взаимодействие между птицами и цветами позволило им развиваться вместе, и язык играл здесь важную роль.

Это не единственный способ, которым попугаи потребляют нектар. В прошлом году Кьюбан заснял кормление более миниатюрных висячих попугаев, названных так потому, что они спят вниз головой. Вместо пушистого кончика языка, как у лорикетов, у этих попугаев кончик языка бороздчатый, и видео Кубана показывает, что они очень быстро вибрируют языком, чтобы перекачивать крошечные количества нектара обратно в пищевод и в горло.

Подробно описывая, как эти птицы питаются, и подсчитывая энергию, которую они тратят в процессе, Кьюбан, Хьюз и Рико-Гевара надеются узнать, как их стратегии питания могли повлиять на их эволюцию — и на эволюцию растений, которыми они питаются. Например, с момента эволюции 22 миллиона лет назад колибри повлияли на то, сколько нектара производят растения-партнеры и насколько глубоки их цветы, а это, в свою очередь, повлияло на длину клюва колибри, их стремление монополизировать цветы, отгоняя конкурентов., и другие черты. Это коэволюционный танец птиц и цветов, опосредованный их языками.

однако именно У млекопитающих язык демонстрирует свою максимальную универсальность. Язык млекопитающих превратился в сложную сеть мышечных волокон, способных двигаться сложными способами даже без каких-либо костей, сухожилий или суставов. Он способствует сосанию у большинства видов, помогает терморегуляции у некоторых (представьте задыхающуюся собаку) и берет на себя еще более специализированные задачи у некоторых, таких как воспроизведение звуков, используемых для эхолокации у летучих мышей и речи у людей. И в нем находятся вкусовые рецепторы, которые помогают управлять питанием всех этих видов. «Языки большинства млекопитающих совершают великие подвиги, — говорит Ху. «Это действительно многофункциональный инструмент, которому уделяется меньше внимания только потому, что он менее доступен, чем внешние придатки животного».

Одной из главных функций языка у млекопитающих является помощь в расположении пищи для пережевывания и проглатывания. Для этого язык может перемещать ее с одной стороны рта на другую или ограничивать ее только одной стороной, одновременно оставаясь в безопасном месте от жевательных зубов. После этого, добавляя слюну, язык преобразует пищу в форму округлого «болюса», который легко проходит через горло. Затем язык толкает этот болюс назад, следя за тем, чтобы он не попал в дыхательные пути.

Лингвистическая функция вместе с этим позволяет млекопитающим переваривать пищу быстрее и более эффективно, что обеспечивает их более высокую производительность. Более эффективное питание помогло развитию других эволюционных достижений, таких как высокий уровень метаболизма, увеличенный мозг и большая продолжительность беременности. Некоторые исследователи, включая биомеханика и нейробиолога Каллума Росса, рассматривают появление жевания как один из трех ключевых переходов в эволюции, обеспечиваемых языком вместе с пересечением от воды к земле и возникновением человеческой речи.

До недавнего времени исследователи не могли получить подробное представление о том, как язык перемещает пищу, потому что ему мешают губы, щеки и зубы. Но в последнее время группа Росса использует метод, называемый рентгеновской реконструкцией движущейся морфологии (XROMM) , который включает в себя запись движений имплантированных хирургическим путем шариков с помощью рентгеновских лучей и преобразование результатов в 3D-анимацию.

Во время экспериментов с опоссумами и обезьянами исследователи используют камеры, чтобы одновременно получать изображения с разных ракурсов в момент еды или питья животного. Объединяя эти изображения, они создают анимацию, которая позволяет изучать движение языка относительно челюстей и зубов. Технологию XROMM предложила Элизабет Брейнерд, функциональный морфолог из Университета Брауна и пионер в этой области. Сравнивая движения языка у разных видов, ученые пытаются определить, как языковая специализация могла повлиять на эволюцию образа жизни и пищевых привычек каждого животного. Таким образом, эта технология позволяет увидеть движение, которое ранее было невидимым для исследователей.

Совсем недавно Лоуренс-Чейзен и Росс работали с коллегой из Чикаго Нико Хацопулосом и Фрици Арсе-МакШейном, ныне нейробиологом в Университете Вашингтона, над объединением анализа XROMM с записями нейронной активности у обезьян. Они надеются, что такие исследования покажут, как мозг координирует сложные движения языка, связанные с кормлением, питьем и, возможно, даже вокализацией. В одном из экспериментов набор электродов контролировал область коры головного мозга размером с пенни, расположенную за храмом, когда обезьяны жевали виноград. Эта область содержит как сенсорные нейроны, которые получают информацию от языка и рта, так и моторные нейроны, которые посылают сигналы обратно, помогая контролировать движения языка. Команда обнаружила, что схема возбуждения двигательных нейронов точно предсказала изменения формы языка, о чем они скоро сообщат в Nature Communications. .

Работа опровергает некогда распространенное представление о том, что жевание, как и ходьба, в основном находится под контролем ствола мозга. Кора головного мозга также принимает активное участие, гарантируя, что язык «способен к сложным асимметричным деформациям», которые на лету приспосабливаются к мармеладным мишкам, стейкам и даже молочным коктейлям, объясняет Лоуренс-Чейзен.

Уишоу задается вопросом, могла ли ловкость человеческого языка помочь нам проложить путь к нашему прекрасному контролю над нашими руками и даже над нашим разумом. Его любопытство было возбуждено неожиданной находкой несколько лет назад. Его команда научила мышей использовать свои лапы вместо рта, чтобы собирать фрукты. Они заметили, что некоторые животные высовывали языки, когда дотягивались до них лапами, сообщали они в 2018 году.

В последующих исследованиях, которые еще не опубликованы, он, нейробиолог из Университета Дьюка Сюй Ань и их коллеги определили то, что они называют «оромануальной» областью коры, ранее неизведанной областью, которая контролирует как руку, так и язык.. Уишоу считает, что подобная область мозга существует у людей и может помочь объяснить, почему так много людей жестикулируют во время разговора, почему дети, учащиеся писать, часто скручивают язык, когда пальцы формируют буквы — явление, отмеченное Чарльзом Дарвином, — и даже почему Махоумс засовывает язык. язык перед пасом. Он подозревает, что многие люди шевелят языком, когда собираются использовать руки, но поскольку их рот остается закрытым, никто не мудрее.

По словам Уишоу, общая область мозга для руки и языка имеет эволюционное значение. Ранним наземным животным для кормления был необходим ловкий язык; позже, когда некоторые животные начали хватать пищу конечностями, эволюция могла использовать те же мозговые схемы, которые направляют язык для координации движений рук. Он предполагает, что еще более сложное поведение, такое как мышление, могло возникнуть из-за способности мозга, которая изначально развилась для координации языка. «Я думаю, что это центр нашего существа, как бы безумно это ни звучало».

Лиз Пенниси

PS. лайк, пожалуйста, он помогает продвижению статьи.

Ну и как положено на VC, канал телеграм))) Канал и чатик

Туда выкладываю статьи VC и то, что нет в VC. Мысли, идеи, опыт.

В закрепленных канале всегда телеграм боты Kolersky для доступа в ChatGPT, GPT-4 без VPN, а так же генераторы изображений Midjourney, Dall-e, Stable Diffusion+ (все проекты: KolerskyAI).