In una piccola stanza senza finestre in una soffocante giornata estiva, mi ritrovo faccia a faccia con una rock star entomologica. Sono all’Università di Lincoln nell’Inghilterra orientale, all’interno di un insettario, una stanza fiancheggiata da vasche e barattoli contenenti piante di plastica e insetti sonnecchianti. Prima che me ne accorga, mi viene presentata una katydid verde vibrante dalla Colombia.

“Incontra Copiphora gorgonensis”, dice Fernando Montealegre-Z, scopritore di questa celebrità a sei zampe. Il nome è familiare: è stato schizzato in tutto il mondo insieme a foto della faccia dorata dell’insetto e del corno di unicorno in miniatura. La fama di questa katydid non si basa sul suo aspetto, però, ma sul suo udito. Gli studi meticolosi di Montealegre-Z sul magnifico insetto hanno rivelato che ha orecchie stranamente come le nostre, con versioni entomologiche di timpani, ossicini e cocleee per aiutarlo a raccogliere e analizzare i suoni.

I Katydidi—ci sono migliaia di specie-hanno le orecchie più piccole di qualsiasi animale, una su ogni gamba anteriore appena sotto il “ginocchio.”Ma le loro piccole dimensioni e la posizione apparentemente strana smentiscono la struttura sofisticata e le capacità impressionanti di questi organi: rilevare i clic ultrasonici dei pipistrelli da caccia, scegliere le canzoni di firma dei potenziali compagni e tornare a casa a cena. Una katydid australiana ha sfruttato la sua abilità uditiva per catturare le prede in modo molto subdolo: attira le cicale maschili a una distanza notevole imitando la parte femminile del duetto di accoppiamento delle cicale—un trucco che richiede di riconoscere modelli complessi di suono e precisamente quando scheggiare.

Fantastico? Assolutamente. Inaspettato? Anche quello. Non avevo mai pensato molto alle orecchie degli insetti fino ad ora. Gli occhi e le antenne degli insetti si distinguono, ma le orecchie? Anche gli occhi d’aquila potrebbero essere perdonati per chiedersi se gli insetti li hanno. Eppure, ovviamente, alcuni devono sentire: L’aria estiva è piena di trilli, cinguettii e scatti di grilli e cavallette, cicale e katydids, tutti cercando di attirare un compagno.

Curiosità suscitato, io chiamo neurobiologo Martin Göpfert presso l’Università di Gottinga in Germania, che studia l’udito nella mosca della frutta Drosophila melanogaster. Incredibile anche se le orecchie katydid sono, mi dice, sono solo uno dei tanti con capacità sorprendenti: L’evoluzione ha fatto così tanti tentativi di modellare le orecchie, il risultato è un’enorme diversità di strutture e meccanismi. La maggior parte è difficile da individuare, se non invisibile, e in molti casi gli insetti producono e percepiscono suoni così ben oltre la nostra gamma che abbiamo trascurato completamente le loro abilità. Ma con l’avvento di nuovi strumenti e tecnologie, sempre più esempi stanno venendo alla luce.

Biologi sensoriali, esperti di acustica e genetisti stanno lavorando insieme per definire come funzionano tutti, come e quando si sono evoluti e perché. E grazie ad alcune di queste nuove conoscenze, e un assortimento di insetti fossili, c’è anche la prospettiva allettante di essere in grado di origliare il passato antico, aggiungendo una nuova dimensione alla nostra comprensione della vita e dei tempi di alcuni animali scomparsi da tempo.

Quando gli insetti apparvero per la prima volta circa 400 milioni di anni fa, erano sordi, mi dice Göpfert. Questi insetti ancestrali hanno continuato a diversificare in più di 900.000 specie, e mentre la maggior parte rimangono sordi come i loro antenati, alcuni hanno guadagnato i mezzi per ascoltare. Dei 30 ordini principali di insetti, nove (all’ultimo conteggio) includono alcuni che ascoltano, e l’udito si è evoluto più di una volta in alcuni ordini—almeno sei volte tra farfalle e falene. Le 350.000 specie di quel gruppo incredibilmente diversificato, i coleotteri, sono quasi tutte sorde, eppure le poche che hanno orecchie le hanno acquisite attraverso due linee distinte di evoluzione. Tutto sommato, le orecchie degli insetti sono sorte più di 20 volte separate, una ricetta infallibile per la varietà.

Orecchio, lì e ovunque

La posizione è la differenza più ovvia tra le orecchie di un insetto e quelle di un altro: Ci sono orecchie su antenne (zanzare e moscerini della frutta), zampe anteriori (grilli e katydids), ali (lacewings), addome (cicale, cavallette e locuste) e su ciò che passa per un “collo” (mosche parassite). Tra falene e farfalle, le orecchie spuntano praticamente ovunque, anche sui mouthparts. La cavalletta della vescica ha un’abbondanza di orecchie con sei coppie lungo i lati del suo addome. Le mantidi religiose hanno un unico orecchio “ciclopico” al centro del petto.

Questo approccio anywhere-goes potrebbe sembrare un po ‘ strano, ma c’è una semplice spiegazione: In ogni caso in cui un orecchio insetto si è evoluto, il punto di partenza era un organo sensoriale esistente: un rilevatore di stiramento che monitora piccole vibrazioni quando i segmenti del corpo vicini si muovono. Questi rivelatori si verificano in tutto il corpo dell’insetto, ma l’evoluzione in genere ha modificato solo una singola coppia-apparentemente, quasi tutte le coppie-per percepire le vibrazioni aeree generate dal suono.

Da lì in poi, ogni nuovo tentativo di forgiare le orecchie è andato anche oltre nella propria direzione, mentre altre strutture sono state cooptate e riconfigurate per catturare, amplificare e filtrare il suono, estrarre le informazioni rilevanti e trasmetterle al sistema nervoso. Nelle zanzare e nei moscerini della frutta, il suono fa tremare i peli delle antenne sottili. La maggior parte degli altri insetti uditivi ha “timpani”: sottili macchie membranose di esoscheletro che vibrano quando le onde sonore colpiscono. Alcuni timpani sono supportati da camere acustiche piene d’aria, altri da quelle piene di fluido. Anche il numero e la disposizione delle cellule sensoriali che rilevano e decodificano quelle vibrazioni—e i neuroni che inviano i segnali al cervello—variano da orecchio a orecchio. Quindi, mentre alcune orecchie di falena funzionano con solo uno o due neuroni (rendendo le falene i risponditori più rapidi), l’orecchio di una zanzara maschio ha circa 15.000 (rendendolo squisitamente sensibile).

Alcune orecchie sono relativamente semplici; altri hanno campane e fischietti extra legati al loro stile di vita. Prendi la mosca parassita Ormia ochracea, che deposita le sue larve su una particolare specie di grillo dopo averla identificata e localizzata dal suo caratteristico richiamo. Le orecchie della mosca siedono fianco a fianco sul suo “collo” e sono teoricamente troppo vicine per individuare il bersaglio. Eppure prendono il premio per la posizione accurata, grazie ad una fascia elastica che collega i timpani in modo da oscillare su e giù come un’altalena, assicurando suono colpisce un orecchio frazionalmente più tardi rispetto all’altro.

Le orecchie di Katydid, come chiaramente dimostrato da Montealegre-Z e dai suoi colleghi, sono uniche sia per la loro complessità che per la loro somiglianza con quelle di un mammifero. Usando uno scanner micro-CT, gli scienziati hanno ricostruito l’intero sistema uditivo dell’insetto, scoprendo due organi precedentemente sconosciuti nel processo. Il primo è un piccolo piatto duro dietro i timpani; il secondo, un tubo pieno di liquido contenente una linea di cellule sensoriali. Attraverso un’accurata indagine che includeva laser brillanti sul timpano e la registrazione della luce che rimbalzava indietro, il team ha dimostrato che la piccola piastra trasmette vibrazioni nel timpano dell’insetto al fluido nel tubo—lo stesso ruolo svolto dalle ossa nel nostro orecchio medio. Il segnale viaggia quindi in un’onda lungo il tubo e sopra le cellule sensoriali sintonizzate su diverse frequenze—rendendo questo organo una versione in miniatura, non arrotolata della nostra coclea a forma di lumaca.

Il team ha ora continuato a mostrare perché le femmine di katydids sono così brave a trovare un compagno al buio, anche se le loro orecchie sono vicine (non così vicine come quelle del parassita Ormia, ma abbastanza vicine da rendere l’individuazione del suono una sfida considerevole). Le nostre orecchie si trovano su entrambi i lati delle nostre (grandi) teste e sono abbastanza distanti per un suono per raggiungerle in tempi e volume diversi per il cervello per calcolare e localizzare la fonte.

Katydids ha risolto il problema (di nuovo, in un modo unico) allargando un tubo di respirazione che va da un poro nel lato del torace al ginocchio; il suono raggiunge i timpani sia dall’esterno del corpo che dall’interno attraverso il tubo. Montealegre-Z e i suoi colleghi hanno dimostrato che il suono percorre questa via interiore più lentamente—quindi ogni suono colpisce il timpano due volte, ma in momenti leggermente diversi, migliorando notevolmente la capacità dell’insetto di localizzare la fonte.

Le orecchie notevoli di katydid non hanno ancora rinunciato a tutti i loro segreti, e il team di Montealegre-Z sta ora cercando di definire come i recettori nella versione insetto della coclea selezionano frequenze diverse. La star di questo studio è Phlugis poecila, un katydid” cristallo ” chiamato per la sua cuticola esterna trasparente, una caratteristica che consente al team di registrare e misurare i processi mentre accadono. ” Saremo in grado di guardare l’udito al lavoro e vedere processi mai visti prima”, afferma Montealegre-Z.

Se il modo in cui gli insetti sentono varia enormemente, lo fa anche quello che sentono. Le orecchie di zanzara sono buone per forse un metro; la cavalletta della vescica dalle molte orecchie può sentire da un chilometro o più di distanza. Le orecchie da cricket rilevano le basse frequenze; le orecchie di mantide e falena sono sintonizzate sugli ultrasuoni, ben oltre qualsiasi cosa gli umani (o i loro cani) possano sentire. Altri ancora, come un katydid, hanno udito a banda larga. ” Gli insetti sentono solo ciò che hanno bisogno di sentire”, dice Göpfert. “E l’evoluzione ha fornito ciò che era necessario.”

Ma cosa ha spinto l’evoluzione a trasformare i recettori stretch in orecchie, in primo luogo, e quindi portare il suono al mondo degli insetti? Questa è una domanda ancora nella mente di molti entomologi. Una guida ragionevole è come gli insetti usano le loro orecchie oggi, ma è solo una guida, dal momento che un orecchio originariamente acquisito per uno scopo potrebbe facilmente essere stato cooptato sugli eoni per servire un altro. Una cosa è certa: mentre i biologi indagano più gruppi di insetti in modo più dettagliato, alcune nozioni di lunga data possono mordere la polvere.

Un orecchio per il pericolo

Negli insetti moderni, una delle funzioni primarie delle orecchie è ascoltare l’approccio di un predatore in tempo per agire ed evitarlo. Per gli insetti che volano di notte, la più grande minaccia viene dai pipistrelli insettivori che rilevano e rintracciano la preda con il sonar ultrasonico, e quindi il loro udito è sintonizzato sulle frequenze dei clic ecolocanti dei pipistrelli. Gli insetti quindi rispondono con mosse caratteristiche per sfuggire al raggio sonar: curve strette, loop-i loop, immersioni di potenza aria-terra. Alcune tarme tigre addirittura inceppano il sonar pipistrello con clic propri. Gli esperimenti hanno dimostrato che le orecchie che rilevano i pipistrelli migliorano notevolmente le prospettive di sopravvivenza di un insetto: in uno studio, le mantidi sono sfuggite al 76% degli attacchi dei pipistrelli, ma quel numero è sceso al 34% quando sono state assordate.

Se la predazione è un potente motore dell’evoluzione, lo è anche il sesso. E il suono è un modo efficace per un insetto di identificarsi ai futuri compagni: Il suono viaggia bene, funziona al buio e fornisce i mezzi per sviluppare canzoni d’autore e comunicazioni private che nessun altro può sentire.

Quindi, sesso di successo o sopravvivenza? Che si nasconde dietro le orecchie di chi?

In alcuni casi, i ricercatori sono ragionevolmente sicuri. Le cicale sembrano aver evoluto l’udito per scopi di accoppiamento: solo le specie canore hanno orecchie e sono sensibili solo ai loro canti bassi. Per le falene, i pipistrelli erano il grilletto. I lepidotteri sono stati circa 150 milioni di anni, ma nessuna falena aveva orecchie prima che i pipistrelli ecolocanti arrivassero sulla scena circa 60 milioni di anni fa. E molte delle falene dalle orecchie sono sensibili solo alle frequenze impiegate dai loro pipistrelli locali-una forte prova che le orecchie si sono evolute come rilevatori di pipistrelli.

Cosa fare della mantide, proprietaria dell’orecchio ciclopico? Oggi, le mantidi sembrano usare le loro orecchie esclusivamente come rilevatori di pipistrelli. Ma gli entomologi ora hanno una grande quantità di dati sulla varia anatomia delle orecchie mantide e un accurato albero genealogico della mantide basato sul DNA, da cui hanno tracciato l’orecchio mantide originale. Apparteneva a una specie che visse 120 milioni di anni fa, piuttosto prima di quei pipistrelli guidati dal sonar. Ci sono prove crescenti che predatori diversi dai pipistrelli potrebbero aver stimolato l’evoluzione delle loro orecchie e quelle di altri insetti, forse rettili, uccelli o mammiferi primitivi. Gli animali che si muovono attraverso il sottobosco, picchiettando sulle rocce o atterrando su un ramo frondoso sono raramente silenziosi. I rumori che fanno includono elementi udibili e ultrasonici.

Gli uccelli volanti, che esistono da 150 milioni di anni, sono sempre più visti come contendenti. In una ricerca innovativa, i biologi canadesi hanno registrato i suoni generati dalle ali battenti di chickadees e phoebe orientali mentre si muovevano sulle prede degli insetti, e hanno scoperto che i battiti delle ali includevano una vasta gamma di frequenze che gli insetti possono rilevare, dai suoni acuti udibili a cicale, farfalle e cavallette, ai suoni ultrasonici scelti da falene e mantidi.

E che dire dei katydidi, possessori delle orecchie più antiche di tutte? I moderni katydids usano le loro orecchie sia in comunicazione che come rilevatori di pipistrelli. Ma l’apparato di produzione del suono di katydid può essere ricondotto attraverso i reperti fossili a un primo tipo di antenato vissuto 250 milioni di anni fa, ben prima che i pipistrelli lo facessero. Quindi la teoria prevalente fino ad ora è stata che l’evoluzione delle orecchie di katydid ha preso alcune svolte. La funzione iniziale delle orecchie era quella di consentire ai katydids di ascoltarsi l’un l’altro, e in seguito, il pensiero va, quelle orecchie sono state cooptate per fungere da rilevatori di pipistrelli. Ciò ha portato all’estensione del loro udito dalla gamma udibile (inferiore a 20 kHz) agli ultrasuoni (oltre la portata delle orecchie umane)—e questo, a sua volta, ha permesso l’evoluzione delle canzoni più complesse e più acute che i katydidi esibiscono oggi. Oggi, solo una minoranza di katydids cantare nella gamma udibile, mentre circa il 70 per cento hanno canzoni ad ultrasuoni e alcuni hanno canzoni straordinariamente acuti. Il detentore del record, finora, è il Supersonus aequoreus scoperto di recente, che chiama a un sorprendente 150 kHz.

Ma quella storia è giusta? Per ottenere la risposta, gli scienziati avevano bisogno di sapere cosa stavano ascoltando i katydidi nel lontano passato, e questo significava dare un’occhiata da vicino ai fossili di katydid. Le orecchie fossilizzate non sono molto istruttive: sono rare e la loro struttura è difficile da distinguere. Ma c’è un altro modo per arrivare all’udito: dall’anatomia dettagliata dell’apparato di file e raschietti che produce il suono sulle ali fossilizzate di katydid. ” Quelle strutture sono molto più grandi e più chiare, e possiamo usarle per ricreare il suono che hanno fatto in modo molto accurato”, dice Montealegre-Z—e da ciò, dedurre ciò che i katydids devono aver sentito.

Blast from the past

Nel 2012, Montealegre-Z e il collega esperto di bioacustica Daniel Robert dell’Università di Bristol hanno fatto notizia quando hanno usato questo approccio per ricostruire la canzone di un katydid di Jurassic times, un suono inaudito per 165 milioni di anni. Ciò che ha reso possibile è stata la scoperta di un katydid fossile cinese con ali quasi perfettamente conservate. Archaboilus musicus, come è stato chiamato l’insetto estinto, avrebbe “cantato” canzoni musicali a frequenze intorno a 6,4 kHz, suonando più come un grillo che un katydid moderno. Che si adatta bene con la storia che katydids prima evoluto udito per comunicare.

Canzone dal lontano passato: Analizzando l’apparato di file-and-scraper sulle ali di una katydid fossilizzata, gli scienziati hanno ricostruito il richiamo di una katydid dal Giurassico—165 milioni di anni fa.

Da allora, però, il team ha studiato più katydids fossili, e quello che stanno trovando suggerisce che la teoria potrebbe aver bisogno di una revisione. Sembra che alcuni antichi katydids usassero gli ultrasuoni molto prima che esistessero i pipistrelli, dice Montealegre-Z. Katydids sente anche una gamma molto più ampia di frequenze di cui avrebbero bisogno solo per ascoltare se stessi. Secondo la sua mente, questo suggerisce che le loro orecchie prima si sono evolute non per cantare ma, proprio come le mantidi, per autoconservarsi. “Penso che le loro orecchie si siano evolute per sentire i predatori”, mi dice. “I predatori fanno una diversità di suoni e quindi le orecchie devono essere in grado di individuarli.”

Se studi come questi stanno aiutando a svelare la storia evolutiva dell’udito degli insetti, promettono anche qualcosa di più: l’opportunità di origliare il passato antico e acquisire nuove conoscenze sul comportamento degli insetti. Mi hanno anche reso impaziente per la prossima estate e la possibilità di esplorare la ricca vita degli insetti delle dolci colline di gesso qui intorno con nuovi occhi—e orecchie, specialmente orecchie.

In estate, l’aria sopra i Bassi Sussex è viva con una sinfonia di suoni di insetti mentre cavallette e katydids cinguettano, ronzano e cliccano nella loro ricerca dell’amore. Se mi sforzo le orecchie al limite, potrei essere in grado di scegliere il sonaglio della macchina da cucire di una grande katydid verde o il morbido canto sibilante di una testa di cono, e se sono molto fortunato, forse anche i clic rapidi del verruca-biter, il katydid più raro del Regno Unito. Ma quanto mi manchera ‘di piu’? Darei molto per avere orecchie in grado di individuare le canzoni e i suoni che gli scienziati stanno mettendo insieme, ma che gli insetti da soli possono sentire.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato il 27 novembre 2018 da Knowable Magazine, uno sforzo giornalistico indipendente da recensioni annuali, ed è ristampato con il permesso. Iscriviti alla newsletter.