Úžasné uši:

V malé místnosti bez oken v parném letním dni se ocitám tváří v tvář entomologické rockové hvězdě. Jsem na Lincolnské univerzitě ve východní Anglii, uvnitř insektária, místnosti obložené nádržemi a sklenicemi s plastovými rostlinami a dřímajícím hmyzem. Než se naděju, seznámím se s živě zelenou katydidou z Kolumbie.

„Seznamte se s Copiphora gorgonensis,“ říká Fernando Montealegre-Z, objevitel této šestinohé celebrity. Jméno je známé: rozlétlo se po celém světě spolu s fotografiemi zlatého obličeje a miniaturního rohu jednorožce tohoto hmyzu. Proslulost tohoto katydida však nespočívá v jeho vzhledu, ale v jeho sluchu. Montealegre-Z při pečlivém studiu tohoto nádherného hmyzu zjistil, že má uši neuvěřitelně podobné těm našim, s entomologickou verzí ušních bubínků, kůstek a hlemýžďů, které mu pomáhají zachycovat a analyzovat zvuky.

Katydidy – existují tisíce druhů – mají nejmenší uši ze všech živočichů, jedno na každé přední noze těsně pod „kolenem“. Jejich malá velikost a zdánlivě podivné umístění však popírají důmyslnou strukturu a působivé schopnosti těchto orgánů: rozpoznat ultrazvukové cvakání lovících netopýrů, zachytit charakteristické písně potenciálních partnerů a dostat se domů na večeři. Jedna australská katydida využila svých sluchových schopností k chytání kořisti velmi vychytralým způsobem: Samce cikád láká na dostřel tím, že napodobuje samičí část pářícího se duetu cikád – tento trik vyžaduje, aby rozpoznal složité zvukové vzorce a přesně určil, kdy se má přidat.

Úžasné? Rozhodně. Nečekané? To také. Nikdy jsem o hmyzích uších moc nepřemýšlel, až teď. Hmyzí oči a tykadla vynikají, ale uši? I člověk s orlíma očima by si mohl odpustit otázku, jestli je hmyz má. Přesto je zřejmé, že někteří musí slyšet: Letní vzduch je plný trylků, cvrlikání a cvakání zamilovaných cvrčků a lučních koníků, cikád a katydid, kteří se snaží přilákat partnera.

Podpořen zvědavostí volám neurobiologovi Martinu Göpfertovi z univerzity v německém Göttingenu, který studuje sluch u ovocné mušky Drosophila melanogaster. Ačkoli jsou uši katydid úžasné, říká mi, jsou jen jedněmi z mnoha s úžasnými schopnostmi: Evoluce učinila tolik pokusů o utváření uší, že výsledkem je obrovská rozmanitost struktur a mechanismů. Většina z nich je těžko postřehnutelná, ne-li neviditelná, a v mnoha případech hmyz vydává a vnímá zvuky tak daleko za naším dosahem, že jsme jeho schopnosti zcela přehlédli. S příchodem nových nástrojů a technologií se však objevují stále další příklady.

Senzoričtí biologové, odborníci na akustiku a genetici se společně snaží zjistit, jak všechny fungují, jak a kdy se vyvinuly a proč. A díky některým z těchto nově objevených poznatků a sortimentu zkamenělého hmyzu se dokonce rýsuje lákavá vyhlídka, že budeme moci odposlouchávat dávnou minulost, což dodá našemu poznání života a doby některých dávno zaniklých živočichů nový rozměr.

Když se hmyz poprvé objevil asi před 400 miliony let, byl hluchý, říká mi Göpfert. Tento prapředek hmyzu se dále diverzifikoval do více než 900 000 druhů, a přestože většina z nich zůstala stejně hluchá jako jejich předci, některé získaly schopnost slyšet. Z 30 hlavních hmyzích řádů jich devět (podle posledního sčítání) obsahuje některé, které slyší, a sluch se u některých řádů vyvinul více než jednou – u motýlů a můr nejméně šestkrát. 350 000 druhů této nejoslnivěji rozmanité skupiny, brouků, je téměř všechno hluché, ale těch několik málo, které mají uši, je získalo ve dvou oddělených vývojových liniích. Celkem vznikly uši hmyzu více než 20krát, což je spolehlivý recept na rozmanitost.

Uši, tam a všude

Nejviditelnějším rozdílem mezi ušima jednoho hmyzu a druhého je jejich umístění: Uši jsou na tykadlech (komáři a ovocné mušky), na předních končetinách (cvrčci a katydidy), na křídlech (krajinky), na bříšku (cikády, kobylky a sarančata) a na tom, co se vydává za „krk“ (parazitické mouchy). U můr a motýlů se uši vyskytují prakticky všude, dokonce i na ústních částech. Kobylka měchýřkovitá má hojnost uší se šesti páry po stranách břicha. Kudlanky mají uprostřed hrudi jediné „kyklopské“ ucho.

Tento přístup „kdekoli“ se může zdát poněkud zvláštní, ale existuje jednoduché vysvětlení: V každém případě, kdy se vyvinulo hmyzí ucho, byl výchozím bodem existující smyslový orgán: detektor protažení, který sleduje drobné vibrace při pohybu sousedních segmentů těla. Tyto detektory se vyskytují po celém hmyzím těle, ale evoluce obvykle upravila pouze jeden pár – zřejmě téměř každý pár – tak, aby vnímal vzdušné vibrace generované zvukem.

Odtud šel každý nový pokus o vytvoření uší ještě dál svým vlastním směrem, když byly kooptovány a rekonfigurovány další struktury, aby zachytily, zesílily a filtrovaly zvuk, získaly příslušné informace a předaly je nervové soustavě. U komárů a ovocných mušek způsobuje zvuk chvění jemných tykadlových chloupků. Většina ostatního slyšícího hmyzu má „ušní bubínky“: tenké blanité pláty exoskeletu, které při dopadu zvukových vln vibrují. Některé ušní bubínky jsou podloženy akustickými komorami naplněnými vzduchem, jiné tekutinou. Počet a uspořádání smyslových buněk, které tyto vibrace detekují a dekódují, a neuronů, které vysílají signály do mozku, se rovněž liší ucho od ucha. Takže zatímco uši některých můr fungují jen s jedním nebo dvěma neurony (díky čemuž můry reagují nejrychleji), ucho komářího samečka jich má kolem 15 000 (díky čemuž je mimořádně citlivé).

Některé uši jsou relativně jednoduché, jiné mají další zvonky a píšťalky související s jejich životním stylem. Například parazitická moucha Ormia ochracea, která ukládá své larvy na určitý druh cvrčka poté, co jej identifikuje a lokalizuje podle jeho charakteristického volání. Uši mouchy sedí vedle sebe na jejím „krku“ a jsou teoreticky příliš blízko u sebe, než aby mohla přesně určit svůj cíl. Přesto si odnášejí cenu za přesnou lokalizaci díky elastickému pásku, který spojuje ušní bubínky, takže se kývají nahoru a dolů jako houpačka, což zajišťuje, že zvuk dopadne na jedno ucho o zlomek později než na druhé.

Uši kočkodanů, jak přehledně ukázal Montealegre-Z a jeho kolegové, jsou jedinečné jak svou složitostí, tak podobností se savčími. Pomocí mikro-CT skeneru vědci zrekonstruovali celé sluchové ústrojí hmyzu a objevili přitom dva dosud neznámé orgány. Prvním je malá tvrdá destička za ušními bubínky, druhým je trubice naplněná tekutinou, která obsahuje řadu smyslových buněk. Díky pečlivému zkoumání, které zahrnovalo svícení laserem na ušní bubínek a zaznamenávání světla odrážejícího se zpět, tým prokázal, že malá destička přenáší vibrace v ušním bubínku hmyzu do tekutiny v trubičce – stejnou roli hrají i kůstky v našem středním uchu. Signál se pak šíří ve vlně podél trubice a přes smyslové buňky naladěné na různé frekvence – tento orgán se tak stává miniaturní, nezavinutou verzí našeho vlastního hlemýždě ve tvaru hlemýždě.

Tým nyní pokračoval a ukázal, proč jsou samičky katydid tak dobré při hledání partnera ve tmě, přestože mají uši blízko u sebe (ne tak blízko jako parazitické ormie, ale dost blízko na to, aby bylo přesné určení zvuku značným problémem). Naše vlastní uši leží po obou stranách naší (velké) hlavy a jsou od sebe dostatečně daleko na to, aby k nim zvuk dorazil v různých časech a s různou hlasitostí, aby mozek mohl vypočítat a lokalizovat jeho zdroj.

Katydidy tento problém vyřešily (opět unikátním způsobem) zvětšením dýchací trubice, která vede od póru na boku hrudníku ke kolenu; zvuk se k ušním bubínkům dostává jak zvenčí, tak trubicí zevnitř. Montealegre-Z a jeho kolegové ukázali, že zvuk se touto vnitřní, zpětnou cestou šíří pomaleji – takže každý zvuk dopadne na ušní bubínek dvakrát, ale v trochu jiném čase, což dramaticky zlepšuje schopnost hmyzu lokalizovat zdroj zvuku.

Pozoruhodné uši katydidy ještě nevydaly všechna svá tajemství a Montealegre-Zův tým se nyní snaží zjistit, jak receptory v hmyzí verzi hlemýždě zachycují různé frekvence. Hvězdou této studie je Phlugis poecila, „křišťálová“ katydida pojmenovaná podle své průhledné vnější kutikuly, která umožňuje týmu zaznamenávat a měřit probíhající procesy. „Budeme moci sledovat sluch při práci a uvidíme procesy, které jsme dosud neviděli,“ říká Montealegre-Z.

Jestliže se velmi liší způsob, jakým hmyz slyší, liší se i to, co slyší. Komáří uši jsou dobré možná tak na metr, kobylka měchýřovka mnohonohá slyší na kilometr i více. Uši cvrčků detekují nízké frekvence; uši kudlanek a můr jsou naladěny na ultrazvuk, daleko za hranicí toho, co slyší lidé (nebo jejich psi). Jiné, jako například uši kočkodana, mají širokopásmový sluch. „Hmyz slyší jen to, co potřebuje slyšet,“ říká Göpfert. „A evoluce mu poskytla to, co bylo nezbytné.“

Co však evoluci vedlo k tomu, že z natahovacích receptorů udělala uši, a přinesla tak do světa hmyzu zvuk? To je otázka, která stále vrtá hlavou mnoha entomologům. Rozumným vodítkem je způsob, jakým hmyz používá své uši dnes, ale je to jen vodítko, protože ucho původně získané k jednomu účelu mohlo být v průběhu věků snadno kooptováno, aby sloužilo jinému účelu. Jedno je jisté: S tím, jak biologové podrobněji zkoumají další skupiny hmyzu, mohou některé dlouho zažité představy padnout na úrodnou půdu.

Ucho na nebezpečí

U moderního hmyzu je jednou z hlavních funkcí uší zaslechnout včas blížícího se predátora, aby bylo možné jednat a vyhnout se mu. Pro noční létající hmyz představují největší hrozbu hmyzožraví netopýři, kteří detekují a sledují kořist pomocí ultrazvukového sonaru, a proto je jejich sluch naladěn na frekvence echolokačního cvakání netopýrů. Hmyz pak reaguje charakteristickými pohyby, aby unikl sonarovému paprsku: ostrými zatáčkami, smyčkami, silovými ponory ze vzduchu na zem. Některé můry tygrované dokonce ruší sonar netopýrů vlastním cvakáním. Experimenty ukázaly, že uši detekující netopýry výrazně zlepšují vyhlídky hmyzu na přežití útoku:

Jestliže je predace mocným motorem evoluce, je jím i sex. A zvuk je pro hmyz účinným způsobem, jak se identifikovat potenciálním partnerům: Zvuk se dobře šíří, funguje i ve tmě a poskytuje prostředky k vytvoření charakteristických písní a soukromé komunikace, kterou nikdo jiný neslyší.

Takže, úspěšný sex nebo přežití? Co komu leží za ušima?

V některých případech si jsou vědci poměrně jistí. Zdá se, že cikády si vyvinuly sluch pro účely páření: Uši mají pouze zpívající druhy a ty jsou citlivé pouze na své vlastní nízkofrekvenční písně. U motýlů byli spouštěčem netopýři. Motýli (Lepidoptera) jsou na světě asi 150 milionů let, ale před příchodem echolokačních netopýrů na scénu asi před 60 miliony let neměli uši žádní motýli. A mnoho ušatých motýlů je citlivých pouze na frekvence, které používají místní netopýři, což je pádný důkaz, že se uši vyvinuly jako detektory netopýrů.

Co si však myslet o kudlance, majitelce kyklopského ucha? Zdá se, že dnes kudlanky používají své uši výhradně jako detektory netopýrů. Entomologové však dnes mají k dispozici obrovské množství údajů o rozmanité anatomii kudlančích uší a přesný rodokmen kudlanek založený na DNA, z něhož vysledovali původní kudlančí ucho. Patřilo druhu, který žil před 120 miliony let, tedy poněkud dříve než tito netopýři, kteří se řídí sonarem. Přibývá důkazů, že vývoj jejich uší a uší některých dalších druhů hmyzu mohli podnítit jiní predátoři než netopýři – možná plazi, ptáci nebo raní savci. Zvířata, která se pohybují podrostem, šplhají po kamenech nebo přistávají na listnaté větvi, jsou málokdy tichá. Zvuky, které vydávají, obsahují zvukové a ultrazvukové prvky.

Létající ptáci, kteří existují již 150 milionů let, jsou stále více považováni za soupeře. V rámci průlomového výzkumu kanadští biologové zaznamenávali zvuky vydávané tlukotem křídel slípek a východních pěnic při jejich pohybu za hmyzí kořistí a zjistili, že tlukot křídel zahrnuje širokou škálu frekvencí, které hmyz dokáže vnímat, od nízkých tónů slyšitelných cikádami, motýly a kobylkami až po ultrazvukové zvuky vnímané můrami a kudlankami.

A co katydidy, majitelky nejstarších uší ze všech? Moderní katydidy používají své uši ke komunikaci i jako detektory netopýrů. Zvukový aparát katydid však lze ve fosilním záznamu vystopovat až k ranému typu předka, který žil před 250 miliony let, tedy mnohem dříve než netopýři. Dosud tedy převládala teorie, že evoluce uší katydidů probíhala střídavě. Původní funkcí uší bylo umožnit katydidům slyšet jeden druhého a později byly tyto uši použity jako detektory netopýrů. To vedlo k rozšíření jejich sluchu ze slyšitelného pásma (pod 20 kHz) na ultrazvukové (mimo dosah lidských uší) – a to zase umožnilo evoluci složitějších písní s vyššími tóny, kterými se katydidy vyznačují dnes. Dnes zpívá ve slyšitelném pásmu pouze menšina katydidů, zatímco asi 70 % má ultrazvukové písně a několik z nich má mimořádně vysoké písně. Rekordmanem je zatím nedávno objevený Supersonus aequoreus, který se ozývá s ohromující frekvencí 150 kHz.

Ale je tento příběh správný? Aby se vědci dobrali odpovědi, potřebovali vědět, co katydidi slyšeli v dávné minulosti, a to znamenalo podrobně se podívat na zkameněliny katydidů. Zkamenělé uši samy o sobě nejsou příliš informativní: Jsou vzácné a jejich struktura je těžko rozeznatelná. Existuje však jiný způsob, jak se ke sluchu dostat: z detailní anatomie pilovitého a škrabacího aparátu vydávajícího zvuk na zkamenělých křídlech katydid. „Tyto struktury jsou mnohem větší a zřetelnější a můžeme je použít k velmi přesné rekonstrukci zvuku, který vydávaly,“ říká Montealegre-Z – a z toho odvodit, co katydidy musely slyšet.

Výstřel z minulosti

V roce 2012 se Montealegre-Z a jeho kolega, odborník na bioakustiku Daniel Robert z Bristolské univerzity, dostali na titulní stránky novin, když pomocí tohoto přístupu zrekonstruovali píseň katydidy z jurských dob, zvuk, který nebyl slyšet 165 milionů let. Umožnil to objev čínské fosilie katydidy s téměř dokonale zachovanými křídly. Archaboilus musicus, jak byl vyhynulý hmyz pojmenován, by „zpíval“ hudební písně na frekvencích kolem 6,4 kHz, což by znělo spíše jako cvrček než moderní katydida. To dobře zapadá do příběhu, podle něhož se u katydidů nejprve vyvinul sluch, aby se mohli dorozumívat.

Od té doby však tým zkoumá další fosilní katydidy a to, co zjišťuje, naznačuje, že teorii bude možná třeba přepracovat. Zdá se, že někteří dávní katydidi používali ultrazvuk dávno předtím, než se objevili netopýři, říká Montealegre-Z. Katydidi také slyší mnohem širší rozsah frekvencí, než by potřebovali jen k tomu, aby slyšeli sami sebe. Podle něj to naznačuje, že se jejich uši nejprve nevyvinuly kvůli zpěvu, ale podobně jako u kudlanek kvůli sebezáchově. „Myslím, že se jejich uši vyvinuly, aby slyšely predátory,“ říká mi. „Predátoři vydávají nejrůznější zvuky, a tak je uši musejí umět rozeznat.“

Pomáhají-li podobné studie odhalit evoluční historii hmyzího sluchu, slibují i něco víc: možnost odposlouchávat dávnou minulost a získat nové poznatky o chování hmyzu. Také mě přiměly netrpělivě očekávat příští léto a možnost prozkoumat bohatý hmyzí život zdejších mírně zvlněných křídových kopců novýma očima – a ušima, hlavně ušima.

V létě ožívá vzduch nad Sussex Downs symfonií hmyzích zvuků, když luční kobylky a katydidy cvrlikají, bzučí a cvakají při hledání lásky. Když napnu uši až do krajnosti, možná se mi podaří zachytit chrastění šicího stroje katydidy velké nebo tichý syčivý zpěv šišek, a když budu mít velké štěstí, možná i rychlé cvakání bradavičnatce, nejvzácnější katydidy ve Velké Británii. Ale o kolik toho ještě přijdu? Dal bych hodně za to, kdybych měl uši, které by dokázaly zachytit písně a zvuky, které vědci skládají dohromady, ale které slyší jen hmyz.