w małym pokoju bez okien w upalny letni dzień, staję twarzą w twarz z entomologiczną gwiazdą rocka. Jestem na Uniwersytecie w Lincoln we wschodniej Anglii, wewnątrz insektary, pokoju wyłożonego zbiornikami i słoikami zawierającymi plastikowe Rośliny i drzemiące owady. Zanim się zorientuję, jestem przedstawiany żywej zieleni katydid z Kolumbii.

„poznaj Copiphora gorgonensis”-mówi Fernando Montealegre-Z, odkrywca tej sześcionogiej Gwiazdy. Nazwa jest znana: została rozrzucona po całym świecie wraz ze zdjęciami złotej twarzy owada i miniaturowym rogiem jednorożca. Sława tego Katynia nie zależy jednak od jego wyglądu, ale od jego słuchu. Skrupulatne badania Montealegre-Z tego wspaniałego owada wykazały, że ma on uszy niespotykanie podobne do naszych, Z entomologicznymi wersjami bębenków, kosteczek i ślimaków, które pomagają mu odbierać i analizować Dźwięki.

Katydydy—są tysiące gatunków—mają najmniejsze uszy każdego zwierzęcia, po jednym na każdej przedniej nodze tuż poniżej „kolana.”Ale ich niewielkie rozmiary i pozornie dziwna lokalizacja przeczą wyrafinowanej strukturze i imponującym możliwościom tych organów: wykrywanie ultradźwiękowych kliknięć polujących nietoperzy, wybieranie charakterystycznych piosenek potencjalnych partnerów i powrót do domu na kolację. Jeden z australijskich katydidów wykorzystał swoje zdolności słuchowe, aby chwytać zdobycz w bardzo przebiegły sposób: WABI męskie cykady w zasięgu uderzenia, naśladując żeńską część duetu godowego cykady—trik wymagający od niego rozpoznania złożonych wzorów dźwięku i precyzyjnego wtopienia się.

zajebiste? Oczywiście. Nieoczekiwane? To też. Nigdy nie myślałem o uszach owadów, aż do teraz. Oczy i czułki owadów wyróżniają się, ale uszy? Nawet Orlim oczom można wybaczyć zastanawianie się, czy owady je mają. Ale oczywiście, niektórzy muszą usłyszeć: letnie powietrze jest wypełnione trylami, ćwierkaniem i trzaskami świerszczy i koników polnych, cykad i katydidów, wszystkich starających się przyciągnąć partnera.

ciekawość wzbudziła, nazywam neurobiologa Martina Göpferta na Uniwersytecie w Getyndze w Niemczech, który studiuje słuch u muszki owocowej Drosophila melanogaster. Niesamowite, choć uszy katydida są, mówi mi, są tylko jednym z wielu z zadziwiającymi możliwościami: Ewolucja podjęła tak wiele prób kształtowania uszu, wynikiem jest ogromna różnorodność struktur i mechanizmów. Większość z nich jest trudna do wykrycia, jeśli nie niewidoczna, a w wielu przypadkach owady wytwarzają i wyczuwają dźwięki tak daleko poza naszym zasięgiem, że całkowicie przeoczyliśmy ich zdolności. Ale wraz z pojawieniem się nowych narzędzi i technologii, coraz więcej przykładów wychodzi na jaw.

biolodzy Sensoryczni, akustycy i genetycy pracują razem, aby określić, jak działają, jak i kiedy ewoluowały i dlaczego. Dzięki tej nowo odkrytej wiedzy i wielu skamieniałym owadom, istnieje nawet kusząca perspektywa podsłuchiwania starożytnej przeszłości, dodając nowy wymiar do naszego zrozumienia życia i czasów niektórych dawno zaginionych zwierząt.

Kiedy owady pojawiły się po raz pierwszy około 400 milionów lat temu, były głuche, mówi Göpfert. Te owady przodków urozmaiciły się na ponad 900 000 gatunków i chociaż większość z nich pozostaje tak samo głucha jak ich przodkowie, niektóre zyskały możliwość słyszenia. Spośród 30 głównych rzędów owadów, dziewięć (w ostatniej liczbie) obejmuje te, które słyszą, a słuch ewoluował więcej niż raz w niektórych rzędach—co najmniej sześć razy wśród motyli i ćm. 350 000 gatunków z tej najbardziej olśniewająco zróżnicowanej grupy, chrząszczy, prawie wszystkie są głuche, ale nieliczni, którzy mają uszy, nabyli je poprzez dwie oddzielne linie ewolucji. Wszystko powiedziane, uszy owadów powstały ponad 20 oddzielnych razy, niezawodny przepis na różnorodność.

ucho, tam i wszędzie

lokalizacja jest najbardziej oczywistą różnicą między uszami jednego owada a drugim: Są uszy na czułkach (komary i muszki owocowe), przednich kończynach (świerszcze i katydidy), skrzydłach (lacewings), brzuchu (cykady, koniki polne i szarańcza) i na tym, co przechodzi na „szyję” (pasożytnicze muchy). Wśród ćm i motyli uszy pojawiają się praktycznie wszędzie, nawet na paszczach. Pasikonik pęcherzowy ma liczne uszy z sześcioma parami wzdłuż boków brzucha. Modliszki mają pojedyncze, „cyklopowe” ucho na środku klatki piersiowej.

to podejście może wydawać się trochę dziwne, ale jest proste wyjaśnienie: w każdym przypadku, w którym wykształciło się ucho owada, punktem wyjścia był istniejący narząd zmysłowy: detektor rozciągania, który monitoruje małe wibracje, gdy poruszają się sąsiednie segmenty ciała. Detektory te występują w całym ciele owadów, ale ewolucja zazwyczaj modyfikuje tylko jedną parę-najwyraźniej prawie każdą parę-w celu postrzegania wibracji w powietrzu generowanych przez dźwięk.

od tego momentu każda nowa próba wykucia uszu szła jeszcze dalej w swoim własnym kierunku, ponieważ inne struktury były wspólnie wybierane i rekonfigurowane, aby przechwytywać, wzmacniać i filtrować dźwięk, wydobywać odpowiednie informacje i przekazywać je do układu nerwowego. U komarów i muszek owocowych dźwięk powoduje drżenie drobnych włosów antenowych. Większość innych owadów słuchowych ma”bębenki”: cienkie, błoniaste plamy egzoszkieletu, które wibrują, gdy uderzają fale dźwiękowe. Niektóre błony bębenkowe są wspierane przez komory akustyczne wypełnione powietrzem, Inne przez wypełnione płynem. Liczba i rozmieszczenie komórek czuciowych, które wykrywają i dekodują te wibracje – oraz neurony, które wysyłają sygnały do mózgu-również różnią się w zależności od ucha. Podczas gdy niektóre uszy ćmy działają tylko z jednym lub dwoma neuronami (co czyni ćmy najszybciej reagującymi), ucho męskiego komara ma około 15 000 (co czyni je wyjątkowo wrażliwymi).

niektóre uszy są stosunkowo proste; inni mają dodatkowe dzwonki i gwizdki związane z ich stylem życia. Weźmy pasożytniczą muchę Ormia ochracea, która umieszcza swoje larwy na konkretnym gatunku świerszcza po zidentyfikowaniu i zlokalizowaniu go na podstawie charakterystycznego wezwania. Uszy muchy siedzą obok siebie na „szyi” i teoretycznie są zbyt blisko siebie, aby wskazać cel. Mimo to otrzymują nagrodę za dokładną lokalizację, dzięki elastycznej opasce łączącej błony bębenkowe, dzięki czemu kołyszą się w górę iw dół jak huśtawka, zapewniając dźwięk uderzający w jedno ucho frakcyjnie później niż w drugie.

uszy Katydida, tak starannie zademonstrowane przez Montealegre-Z i jego współpracowników, są wyjątkowe zarówno pod względem złożoności, jak i podobieństwa do ssaka. za pomocą mikro-tomografu naukowcy zrekonstruowali cały system słuchowy owada, odkrywając dwa wcześniej nieznane organy. Pierwszy to mała, twarda płytka za bębenkami; druga, wypełniona płynem rurka zawierająca linię komórek czuciowych. Poprzez żmudne badania, które obejmowały świecące lasery na błonie bębenkowej i rejestrowanie odbijającego się światła, zespół wykazał, że mała płytka przenosi wibracje w błonie bębenkowej owada do płynu w rurce—tę samą rolę odgrywają kości w naszym uchu środkowym. Następnie sygnał przemieszcza się falą wzdłuż rurki i nad komórkami czuciowymi dostrojonymi do różnych częstotliwości-czyniąc ten organ miniaturową, niepowlekaną wersją naszego własnego ślimaka w kształcie ślimaka.

zespół pokazał teraz, dlaczego samice katydids są tak dobre w znajdowaniu partnera w ciemności, mimo że ich uszy są blisko siebie (nie tak blisko jak u pasożytniczych Ormii, ale na tyle blisko, aby wykrycie dźwięku było sporym wyzwaniem). Nasze własne uszy leżą po obu stronach naszych (dużych) głów i są wystarczająco daleko od siebie, aby dźwięk docierał do nich w różnych czasach-wystarczająco dużo razy i głośności, aby mózg mógł obliczyć i zlokalizować źródło.

Katydydy rozwiązały problem (ponownie w wyjątkowy sposób) powiększając rurkę oddechową biegnącą od poru w boku klatki piersiowej do kolana; dźwięk dociera do bębenków zarówno z zewnątrz ciała, jak i od wewnątrz przez rurkę. Montealegre – z i jego współpracownicy wykazali, że dźwięk porusza się tą wewnętrzną, tylną trasą wolniej—więc każdy dźwięk uderza w błonę bębenkową dwa razy, ale w nieco innym czasie, znacznie poprawiając zdolność owadów do zlokalizowania źródła.

niezwykłe uszy katydida nie zdradziły jeszcze wszystkich swoich sekretów, a zespół Montealegre-Z próbuje teraz ustalić, w jaki sposób receptory w owadowej wersji ślimaka wybierają różne częstotliwości. Gwiazdą tego badania jest Phlugis poecila,” kryształ ” katydid, nazwany ze względu na przezroczysty zewnętrzny naskórek, cechę, która pozwala zespołowi rejestrować i mierzyć procesy w miarę ich występowania. „Będziemy mogli obserwować słyszenie w pracy i obserwować procesy, których nigdy wcześniej nie widzieliśmy”, mówi Montealegre-Z.

Jeśli to, jak owady słyszą, zmienia się ogromnie, tak samo robi to, co słyszą. Uszy komara są dobre Na może metr; konik polny z wielu uszami może słyszeć z kilometra lub więcej. Uszy krykieta wykrywają niskie częstotliwości; uszy modliszki i ćmy są dostrojone do ultradźwięków, znacznie wykraczających poza wszystko, co ludzie (lub ich psy) mogą usłyszeć. Jeszcze inne, np. Katyńskie, mają słuch szerokopasmowy. „Owady słyszą tylko to, co muszą usłyszeć” – mówi Göpfert. „I ewolucja zapewniła to, co było konieczne.”

ale co skłoniło ewolucję do przekształcenia receptorów rozciągliwych w uszy i w ten sposób wprowadzenia dźwięku do świata owadów? To pytanie wciąż zadaje sobie wielu entomologów. Rozsądnym przewodnikiem jest sposób, w jaki owady używają swoich uszu dzisiaj, ale to tylko przewodnik, ponieważ ucho pierwotnie nabyte w jednym celu mogło łatwo zostać współ-wybrane przez eony, aby służyć innym. Jedno jest pewne: w miarę jak biolodzy badają więcej grup owadów bardziej szczegółowo, niektóre długo utrzymywane pojęcia mogą ugryźć kurz.

ucho na niebezpieczeństwo

u współczesnych owadów jedną z podstawowych funkcji uszu jest usłyszenie zbliżania się drapieżnika w czasie, aby podjąć działanie i go uniknąć. W przypadku nocnych owadów latających największym zagrożeniem są owadożerne nietoperze, które wykrywają i śledzą zdobycz za pomocą ultradźwiękowego sonaru, dzięki czemu ich słuch jest dostrojony do częstotliwości echolokacji nietoperzy. Owady następnie reagują charakterystycznymi ruchami, aby uciec z wiązki sonaru: ostre zakręty, pętle pętli, nurkowanie powietrzno-naziemne. Niektóre ćmy tygrysie nawet zagłuszają Sonar nietoperza własnymi kliknięciami. Eksperymenty wykazały, że uszy wykrywające nietoperze znacznie poprawiają szanse owadów na przetrwanie ataku: w jednym z badań modliszki uniknęły 76 procent ataków nietoperzy, ale liczba ta spadła do 34 procent, gdy były głuche.

Jeśli drapieżnictwo jest potężnym motorem ewolucji, to także Seks. A dźwięk jest skutecznym sposobem na identyfikację owada przed potencjalnymi partnerami: Dźwięk dobrze podróżuje, działa w ciemności i zapewnia środki do rozwijania podpisanych piosenek i prywatnej komunikacji, których nikt inny nie może usłyszeć.

udany seks czy przetrwanie? Które leży za czyimi uszami?

w niektórych przypadkach naukowcy są dość pewni. Wydaje się, że cykady wykształciły słuch do celów godowych: tylko śpiewające gatunki mają uszy i są wrażliwe tylko na własne niskie pieśni. Dla ćm, nietoperze były spustem. Lepidoptera istnieją około około 150 milionów lat, jednak żadne ćmy nie miały uszu, zanim nietoperze echolokujące pojawiły się na miejscu około 60 milionów lat temu. Wiele z uszatych ćm jest wrażliwych tylko na częstotliwości stosowane przez ich lokalne nietoperze-silny dowód na to, że uszy ewoluowały jako detektory nietoperzy.

Co jednak zrobić z Modliszką, która ma ucho cyklopowe? Dziś modliszki wydają się używać swoich uszu wyłącznie jako detektorów nietoperzy. Ale entomolodzy mają teraz ogromne ilości danych na temat zróżnicowanej anatomii uszu modliszki i dokładnego drzewa genealogicznego modliszki opartego na DNA, z którego prześledzili oryginalne ucho modliszki. Należał do gatunku, który żył 120 milionów lat temu, raczej wcześniej niż nietoperze kierowane sonarem. Istnieją coraz większe dowody na to, że drapieżniki inne niż nietoperze mogły stymulować ewolucję uszu i uszu innych owadów-być może gadów, ptaków lub wczesnych ssaków. Zwierzęta poruszające się po zaroślach, klepiące po skałach lub lądujące na liściastej gałęzi rzadko milczą. Hałasy, które wydają, obejmują elementy słyszalne i ultradźwiękowe.

ptaki latające, które istnieją od 150 milionów lat, są coraz częściej postrzegane jako pretendenty. W przełomowych badaniach kanadyjscy biolodzy zarejestrowali dźwięki generowane przez bijące skrzydła kurcząt i wschodnich febów, gdy poruszały się na zdobycz owadów i odkryli, że uderzenia skrzydeł obejmują szeroki zakres częstotliwości, które mogą wykryć owady, od niskich dźwięków słyszalnych przez cykady, motyle i koniki polne, po ultradźwiękowe Dźwięki wybierane przez ćmy i modliszki.

a co z katydami, posiadaczami najstarszych kłosów? Współcześni katydzi wykorzystują swoje uszy zarówno w komunikacji, jak i jako detektory nietoperzy. Ale aparat produkujący dźwięk katydida można prześledzić w zapisie kopalnym do wczesnego przodka, który żył 250 milionów lat temu, na długo przed nietoperzami. Panująca do tej pory teoria głosiła, że ewolucja uszu Katyńskiego przebiegała na zmianę. Pierwotną funkcją uszu było umożliwienie katydydom słyszenia się nawzajem, a później, jak się wydaje, uszy te posłużyły za detektory nietoperzy. Doprowadziło to do rozszerzenia ich słuchu z zakresu słyszalnego (poniżej 20 kHz) do ultradźwiękowego (poza zasięgiem ludzkich uszu)—a to z kolei pozwoliło na ewolucję bardziej złożonych, wyższych dźwięków, które dziś prezentują katydy. Dziś tylko mniejszość katydydów śpiewa w zakresie słyszalnym, podczas gdy około 70 procent ma piosenki ultradźwiękowe, a kilka ma wyjątkowo wysokie dźwięki. Rekordzistą, jak na razie, jest niedawno odkryty Supersonus aequoreus, który dzwoni z zadziwiającą częstotliwością 150 kHz.

ale czy to prawda? Aby uzyskać odpowiedź, naukowcy musieli wiedzieć, co katydzi słyszeli w odległej przeszłości, a to oznaczało przyjrzenie się skamieniałościom katydidów. Skamieniałe uszy same w sobie nie są zbyt pouczające: są rzadkie, a ich struktura trudna do odczytania. Ale jest inny sposób na słyszenie: ze szczegółowej anatomii aparatu produkującego dźwięk na skamieniałych skrzydłach katydida. „Te struktury są znacznie większe i wyraźniejsze, a my możemy ich użyć do bardzo dokładnego odtworzenia dźwięku, który wydały”, mówi Montealegre-Z—i z tego wnioskujemy, co katydids musiał usłyszeć.

Blast from the past

w 2012 roku Montealegre-Z wraz z ekspertem ds. bioakustyki Danielem Robertem z Uniwersytetu w Bristolu nagłówki gazet wykorzystali to podejście do rekonstrukcji pieśni katydida z czasów Jurajskich, dźwięku niespotykanego od 165 milionów lat. Umożliwiło to odkrycie Chińskiej skamieniałości katydida z niemal doskonale zachowanymi skrzydłami. Archaboilus musicus, jak został nazwany wymarły owad, „śpiewał” piosenki muzyczne na częstotliwościach około 6,4 kHz, brzmiąc bardziej jak świerszcz niż współczesny katydid. To dobrze pasuje do historii, że katydy po raz pierwszy rozwinęły słuch do komunikacji.

piosenka z odległej przeszłości: analizując aparat zgarniający na skamieniałych skrzydłach Katynia, naukowcy zrekonstruowali wezwanie Katynia z czasów Jurajskich-165 milionów lat temu.

od tego czasu zespół badał więcej skamieniałych katydów, a to, co odkryli, sugeruje, że teoria może wymagać przeglądu. Wydaje się, że niektórzy starożytni katydzi używali ultradźwięków na długo przed pojawieniem się nietoperzy, mówi Montealegre-Z. Katydy słyszą również znacznie szerszy zakres częstotliwości, niż potrzebowaliby tylko do usłyszenia samych siebie. Jego zdaniem sugeruje to, że ich uszy najpierw ewoluowały nie do śpiewania, ale, podobnie jak modliszki, do samozachowywania. „Myślę, że ich uszy ewoluowały, aby usłyszeć drapieżniki”, mówi mi. „Drapieżniki wydają różne dźwięki, więc uszy muszą być w stanie je wyłapać.”

jeśli takie badania pomagają rozwikłać ewolucyjną historię słyszenia owadów, obiecują również coś więcej: możliwość podsłuchiwania starożytnej przeszłości i zdobycia nowych wglądów w zachowania owadów. Sprawiły też, że niecierpliwie czekam na następne lato i możliwość poznania bogatego życia owadów w łagodnie toczących się kredowych wzgórzach z nowymi oczami-i uszami, zwłaszcza uszami.

latem powietrze nad Sussex Downs jest żywe symfonią insektów, gdy koniki polne i katydy ćwierkają, brzęczą i klikają w poszukiwaniu miłości. Jeśli nadwyrężę uszy do granic możliwości, może będę w stanie wybrać grzechotkę Maszyny do szycia Wielkiego Zielonego katydida lub miękką syczącą pieśń stożka, a jeśli mam szczęście, może nawet szybkie kliknięcia brodawek-biter, najrzadszego brytyjskiego katydida. Ale ile jeszcze będę tęsknił? Dałbym wiele, żeby mieć uszy, które potrafią wybrać piosenki i dźwięki, które naukowcy zbierają, ale tylko owady mogą słyszeć.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany 27 listopada 2018 roku przez Knowable Magazine, niezależne przedsięwzięcie dziennikarskie z corocznych recenzji i jest przedrukowywany za zgodą. Zapisz się do newslettera.