他的办公室里摆满了各种鸟类书籍，但杜克大学神经科学家 Erich Jarvis 成为鸟类谱系专家，并非出于对羽翼朋友的特别兴趣。相反，正是他对人脑如何理解和产生语言的着迷，使他开始研究鸟类。
“多年来我们一直知道，鸟类的鸣唱行为与人类语言相似——并不完全相同，但相似——大脑回路也相似，”杜克大学医学院神经生物学副教授、霍华德·休斯医学研究所研究员 Jarvis 说。“但我们不知道这些特征是否相同，是因为相关基因也相同。”
如今科学家已经知道，答案是肯定的——鸟类和人类使用的语言相关基因基本相同。
在一项 大规模国际合作 中，研究人员对代表鸟类谱系所有主要目类的 48 个鸟类物种进行了全基因组测序和比较。Jarvis 及其同事发现，鸣禽、鹦鹉和蜂鸟的声音学习能力演化了两次，也可能是三次。
更令人瞩目的是，每一种鸣唱创新所涉及的基因组，与人类语言能力相关基因组极为相似。
这些发现属于一组科学论文：其中 8 篇刊登在《科学》杂志 12 月 12 日的特刊上，另有 21 篇几乎同时发表于《基因组生物学》《GigaScience》等期刊。 Jarvis 的名字出现在 20 篇论文中 ，其中 8 篇由他担任通讯作者。
Jarvis 与中国国家基因库华大基因研究院及哥本哈根大学的 Guojie Zhang，以及丹麦自然历史博物馆的 M. Thomas P. Gilbert 共同领导了 鸟类系统发育基因组学联盟 。他的杜克大学实验室参与样本制备、基因组测序和注释、数据分析以及整体项目协调。
Jarvis 实验室位于 Bryan Research Building ，从世界各地的博物馆和其他机构过去 30 年收集的冷冻鸟肉小块中提取 DNA，为许多物种制备样本。为确保测序的 DNA 确实来自金领伞鸟，而不是本科实验室助理，实验室始终保持一尘不染，许多工具仅使用一次，以避免后续污染。
“我们经常更换手套，”实验室研究分析员 Carole Parent 说。她为项目下一阶段建立了 DNA 分离流程，以便对更多鸟类进行测序；她还与一组杜克大学本科生及一名来自东教堂山高中的学生一起监督样本制备。
这些细致且有些繁琐的工作，使 Jarvis 和世界各地数百名同事得以分析由中国华大基因生成的前所未有规模的基因组数据。对 48 个鸟类物种进行全基因组比较，需要使用伊利诺伊大学和德克萨斯大学编写的新算法；这些算法在美国和欧洲的三台超级计算机上累计运行了相当于 400 年的 CPU 时间。
29 篇论文涵盖从企鹅演化到色觉等主题，其中 8 篇专门研究鸟鸣。
“这意味着，在鸣唱和语言相关脑区的这些基因方面，具有声音学习能力的鸟类与人类彼此更相似，而其他鸟类和灵长类动物与它们的相似度较低，”Jarvis 说。12 月 12 日发表于《科学》的一篇论文发现，有一组略多于 50 个基因，在具有声音学习能力的鸟类和人类大脑中的活性较高或较低。根据由 Jarvis、计算生物学与生物信息学（CBB）博士项目毕业生 Andreas Pfenning，以及计算机科学、统计科学和生物学教授 Alexander Hartemink 领导的杜克大学团队，这些变化没有出现在不具备声音学习能力的鸟类大脑中，也没有出现在不会说话的非人灵长类动物大脑中。
这些基因参与在运动皮层神经元与控制发声肌肉的神经元之间形成新的连接。
另一项由 CBB 博士毕业生 Rui Wang 开展的配套研究，考察了一对参与控制鸣唱和语言的脑区的基因的特异性活动。这项发表于《比较神经学杂志》的研究发现，在鸣唱学习鸟类的幼年声音学习阶段，这些基因在一个脑区中分别下调和上调；这种变化会持续到成年期。这项研究以及 Pfenning 的研究提出假设：这些基因的变化可能对鸟类鸣唱和人类语言的演化至关重要。
“在所有物种的基因组中都能找到这些相同的基因，但在具有声音学习能力的鸟类和人类专门负责鸣唱或语言的脑区中，它们的活性要高得多或低得多，”Jarvis 说。“这让我认为，声音学习能力演化时，大脑回路的演化方式可能有限。”
杜克大学另一篇发表于《科学》的论文由博士后 Osceola Whitney、Pfenning、Hartemink 和神经生物学副教授 Anne West 领导，研究了鸣唱期间不同脑区的基因激活情况。该团队发现，鸣唱时表达基因组中有 10% 会被激活，而且大脑中不同鸣唱学习区域呈现多种激活模式。不同基因模式最能由不同脑区基因组的表观遗传差异来解释；这意味着鸟类鸣唱时，不同脑区的单个细胞能够随时调节基因。
在具有声音学习能力的鸟类三大主要类群中，鹦鹉模仿人类语言的能力显然独树一帜。Jarvis 实验室博士后 Mukta Chakraborty 领导的一项研究利用某些特异性基因的活动发现，鹦鹉的语言中枢组织方式有所不同。研究人员称之为“鸣唱系统中的鸣唱系统”：大脑中负责鸣唱、且基因活动不同的区域，外围还有一圈基因表达差异更多的区域。
Chakraborty 说，鹦鹉是高度群居的动物，能够迅速学会鹦鹉语言的“方言”或许可以解释其异常活跃的语言中枢。研究发现，鹦鹉物种的“外壳”或外围区域按比例更大；人们认为这些物种具有最高水平的发声、认知和社交能力。它们包括亚马逊鹦鹉、非洲灰鹦鹉以及蓝黄金刚鹦鹉。
Jarvis 还参与了俄勒冈健康与科学大学 Claudio Mello 及其博士生 Morgan Wirthlin 的团队研究，该研究发现了另外十个鸣禽鸣唱控制区域特有的基因。这篇论文发表于《BMC 基因组学》。
一篇发表于《科学》的论文由 Zhang、Gilbert 和 Jarvis 领导，发现具有声音学习能力的鸟类基因组演化速度更快，染色体重排也多于其他鸟类物种。该基因组比较还发现，不同鸟类大脑的鸣唱学习区域独立发生了类似变化。
Jarvis 说，更多了解鸟类语言演化的历史，会使具有声音学习能力的鸟类成为更有价值的模式生物，有助于回答他和其他研究人员正在探讨的人类语言问题。
“人脑中的语言很难研究，”他说。“鲸鱼和大象会学习语言和歌曲，但体型太大，无法在实验室饲养。现在我们更深入地了解了鸟鸣脑区在遗传层面上与人类语言脑区的相似性，我认为鸟类将成为比以往更好的模式。”
Jarvis 在杜克大学 16 年来对鸟脑的广泛探索，也带来了若干与鸣唱无关的意外发现。
2005 年，他和同事在候鸟大脑中发现了一个区域，显然能让它们通过“夜视”感知磁场。同年，他还牵头修订了对鸟类大脑组织结构和脊椎动物脑演化的认识。去年，他根据对 8 个鸟类物种大脑 23 个区域中 52 个活跃基因的分析，重新绘制了鸟脑区域图。这张新图显示，鸟类大脑中的神经元群以柱状组织排列，与人类及其他哺乳动物的大脑相似。
他还稍作拓展，研究了使小鼠能够在超出人类听觉范围的超声频段“唱歌”的脑结构。
Jarvis 说，鸟类系统发育基因组学联盟的第一批研究发现只是激动人心的基因组分析新时代的开端。这个国际团队已经在对更多鸟类进行全基因组测序。
“这是一个令人振奋的时刻，”Jarvis 说。他也是 杜克大学脑科学研究所的成员。“有了更广泛采样产生的更多基因组数据，现在可以解答许多基础问题。我参与这个项目，是因为我对以鸟类作为研究人类声音学习和语言产生的模式生物感兴趣；它也为我展现了脑演化的一些惊人新视野。”
本文由 《杜克今日》合作发布。本文发布不代表世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Karl Bates 为《杜克今日》撰稿
图片：异常温暖天气期间，麻雀在池塘中消暑。路透社/Ognen Teofilovski