Mahtavat korvat:

Pienessä ikkunattomassa huoneessa helteisenä kesäpäivänä huomaan olevani kasvokkain entomologisen rocktähden kanssa. Olen Lincolnin yliopistossa Itä-Englannissa, hyönteistarhassa, huoneessa, joka on vuorattu säiliöillä ja purkeilla, joissa on muovikasveja ja torkkuvia hyönteisiä. Ennen kuin huomaankaan, minut esitellään Kolumbiasta peräisin olevalle elinvihreälle katydidille.

”Tässä on Copiphora gorgonensis”, sanoo Fernando Montealegre-Z, tämän kuusijalkaisen kuuluisuuden löytäjä. Nimi on tuttu: sitä on levitetty ympäri maailmaa kuvien rinnalla, joissa on hyönteisen kultaiset kasvot ja miniatyyrinen yksisarvisen sarvi. Tämän katydidin maine ei kuitenkaan perustu sen ulkonäköön vaan sen kuuloon. Montealegre-Z:n pikkutarkat tutkimukset upeasta hyönteisestä paljastivat, että sillä on karmivasti meidän korviemme kaltaiset korvat, joissa on entomologiset versiot tärykalvoista, munasoluista ja sisäkorvista, jotka auttavat sitä havaitsemaan ja analysoimaan ääniä.

Katydideillä – lajeja on tuhansia – on eläimistä pienimmät korvat, yksi kummassakin etujalassa heti ”polven” alapuolella. Mutta niiden pieni koko ja näennäisen outo sijainti salaavat näiden elinten hienostuneen rakenteen ja vaikuttavat kyvyt: niiden avulla voidaan havaita metsästävien lepakoiden ultraääniklikkaukset, poimia mahdollisten kumppaneiden tunnusomaiset laulut ja hakea illallinen kotiin. Eräs australialainen kissankäpälä on hyödyntänyt auditiivisia kykyjään pyydystääkseen saalista hyvin ovelalla tavalla: Se houkuttelee urosisäkkäät iskuetäisyydelle matkimalla naaraspuolta parittelukaksikossa – temppu, joka edellyttää, että se tunnistaa monimutkaisia äänikuvioita ja tietää tarkalleen, milloin se on vuorossa.

Mahtavaa? Ehdottomasti. Odottamaton? Sekin. En ollut koskaan ennen tätä ajatellut hyönteisten korvia. Hyönteisten silmät ja antennit erottuvat, mutta korvat? Jopa kotkansilmäisen voisi antaa anteeksi, jos hän ihmettelisi, onko hyönteisillä korvat. Silti joidenkin on ilmeisesti kuultava: Kesäilma on täynnä rakastuneiden sirkkojen ja heinäsirkkojen, helikoiden ja katidien trillereitä, sirinöitä ja naksahduksia, jotka kaikki yrittävät houkutella itselleen paria.

Uteliaisuuteni heräsi, ja soitan neurobiologi Martin Göpfertille Göttingenin yliopistoon Saksaan, joka tutkii hedelmäkärpäsen, Drosophila melanogasterin, kuuloa. Vaikka kissankäpälän korvat ovatkin hämmästyttävät, hän kertoo minulle, että ne ovat vain yksi monista, joilla on hämmästyttäviä kykyjä: Evoluutio on yrittänyt muokata korvia niin monin tavoin, että tuloksena on rakenteiden ja mekanismien valtava monimuotoisuus. Useimmat niistä ovat vaikeasti havaittavissa tai jopa näkymättömiä, ja monissa tapauksissa hyönteiset tuottavat ja aistivat ääniä, jotka ovat niin kaukana omien ääniemme ulottumattomissa, että olemme unohtaneet niiden kyvyt kokonaan. Uusien välineiden ja tekniikoiden myötä yhä useammat esimerkit tulevat kuitenkin esiin.

Aistibiologit, akustiikan asiantuntijat ja geneetikot työskentelevät yhdessä selvittääkseen, miten ne kaikki toimivat, miten ja milloin ne ovat kehittyneet ja miksi. Ja joidenkin näistä uusista tiedoista ja erilaisten fossiilisten hyönteisten ansiosta on jopa houkutteleva mahdollisuus päästä kuuntelemaan muinaista menneisyyttä, mikä tuo uuden ulottuvuuden ymmärrykseemme joidenkin kauan sitten kadonneiden eläinten elämästä ja ajasta.

Kun hyönteiset ilmestyivät noin 400 miljoonaa vuotta sitten, ne olivat kuuroja, Göpfert kertoo. Nämä esi-isiensä hyönteiset monipuolistuivat myöhemmin yli 900 000 lajiksi, ja vaikka useimmat ovat edelleen yhtä kuuroja kuin esi-isänsä, jotkut saivat keinon kuulla. Kolmestakymmenestä suuresta hyönteisjärjestyksestä yhdeksässä (viimeisimmän laskennan mukaan) on joitakin kuulevia lajeja, ja joissakin järjestyksissä kuulo on kehittynyt useammin kuin kerran – perhosissa ja yöperhosissa ainakin kuusi kertaa. Häikäisevän monimuotoisen ryhmän, kovakuoriaisten, 350 000 lajia ovat lähes kaikki kuuroja, mutta ne harvat lajit, joilla on korvat, saivat ne kahden erillisen evoluutiolinjan kautta. Kaiken kaikkiaan hyönteisten korvat ovat syntyneet yli 20 eri kertaa, mikä on varma resepti monimuotoisuudelle.

Korva, siellä ja kaikkialla

Sijainti on selvin ero yhden hyönteisen korvien ja toisen hyönteisen korvien välillä: Korvia on antenneissa (hyttyset ja hedelmäkärpäset), etujaloissa (sirkat ja katydidit), siivissä (pitsisiipiset), vatsassa (sirkat, heinäsirkat ja heinäsirkat) ja siinä, mikä kulkee ”kaulana” (loiskärpäset). Yöperhosilla ja perhosilla korvat esiintyvät käytännössä missä tahansa, jopa suupielissä. Rakkosirkkalla on runsaasti korvia, joita on kuusi paria sen vatsan sivuilla. Rukoilijasirkoilla on yksi, ”syklooppimainen” korva keskellä rintaa.

Tämä kaikkialle menevä lähestymistapa saattaa vaikuttaa hieman oudolta, mutta siihen on yksinkertainen selitys: Kaikissa tapauksissa, joissa hyönteisen korva kehittyi, lähtökohtana oli olemassa oleva aistielin: venymäilmaisin, joka tarkkailee pieniä värähtelyjä, kun viereiset ruumiinosat liikkuvat. Näitä ilmaisimia on kaikkialla hyönteisten kehossa, mutta evoluutio muokkasi tyypillisesti vain yhtä paria – ilmeisesti melkein mitä tahansa paria – havaitsemaan äänen synnyttämiä ilmavärähtelyjä.

Sen jälkeen jokainen uusi yritys takoa korvia meni vielä pidemmälle omaan suuntaansa, kun muita rakenteita otettiin käyttöön ja muokattiin uudelleen äänen sieppaamiseksi, vahvistamiseksi ja suodattamiseksi, relevantin informaation poimimiseksi ja sen välittämiseksi hermostoon. Hyttysissä ja hedelmäkärpäsissä ääni saa hienot antennikarvat värisemään. Useimmilla muilla kuulevilla hyönteisillä on ”tärykalvot”: ohuet, kalvomaiset luurangon laikut, jotka värähtelevät, kun ääniaallot osuvat niihin. Joidenkin tärykalvojen takana on ilmatäytteisiä akustisia kammioita, joidenkin takana on nestetäytteisiä kammioita. Myös värähtelyjä havaitsevien ja tulkitsevien aistinsolujen määrä ja sijoittelu – ja neuronit, jotka lähettävät signaalit aivoihin – vaihtelevat korvasta korvaan. Niinpä kun joidenkin koiperhosten korvissa on vain yksi tai kaksi neuronia (mikä tekee koiperhosista nopeimmin reagoivia), uroshyttysen korvassa on noin 15 000 neuronia (mikä tekee siitä erittäin herkän).

Jotkut korvat ovat suhteellisen yksinkertaisia; toisissa on ylimääräisiä kelloja ja pillejä, jotka liittyvät niiden elämäntapaan. Otetaan esimerkiksi loiskärpänen Ormia ochracea, joka sijoittaa toukkansa tiettyyn sirkkalajiin sen jälkeen, kun se on tunnistanut ja paikantanut sen tyypillisen huudon perusteella. Kärpäsen korvat istuvat vierekkäin sen ”kaulassa”, ja ne ovat teoriassa liian lähellä toisiaan, jotta se voisi paikantaa kohteensa. Silti ne vievät palkinnon tarkasta paikannuksesta, koska tärykalvot yhdistävä kuminauha heiluttaa niitä ylös ja alas kuin keinu, mikä varmistaa, että ääni osuu toiseen korvaan murto-osaa myöhemmin kuin toiseen.

Katidien korvat, kuten Montealegre-Z ja hänen kollegansa niin siististi osoittivat, ovat ainutlaatuiset sekä monimutkaisuudessaan että samankaltaisuudessaan nisäkkään korvien kanssa. Tutkijat rekonstruoivat mikro-CT-skannerin avulla hyönteisen koko kuulojärjestelmän ja löysivät samalla kaksi aiemmin tuntematonta elintä. Ensimmäinen on pieni, kova levy tärykalvojen takana, toinen nesteen täyttämä putki, joka sisältää rivin aistinsoluja. Tutkimusryhmä osoitti huolellisella tutkimuksella, johon kuului laserin kohdistaminen tärykalvoon ja takaisin heijastuvan valon tallentaminen, että pieni levy välittää hyönteisen tärykalvon värähtelyt putkessa olevaan nesteeseen – sama rooli kuin meidän välikorvassamme olevilla luilla. Signaali kulkee sitten aaltona putkea pitkin ja eri taajuuksille virittyneiden aistinsolujen yli, mikä tekee tästä elimestä pienoiskoossa olevan, käämimättömän version omasta, etananmuotoisesta sisäkorvastamme.

Työryhmä on nyt osoittanut, miksi naaraspuoliset katydidat ovat niin hyviä löytämään kumppanin pimeässä, vaikka niiden korvat ovat lähellä toisiaan (eivät niin lähellä kuin loiseläin Ormia-lajin korvat, mutta tarpeeksi lähellä, jotta äänen paikantaminen on melkoinen haaste). Omat korvamme sijaitsevat (suuren) päämme molemmin puolin, ja ne ovat riittävän kaukana toisistaan, jotta ääni saavuttaa ne riittävän eri aikaan ja eri voimakkuudella, jotta aivot voivat laskea ja paikantaa lähteen.

Katidit ratkaisivat ongelman (jälleen ainutlaatuisella tavalla) suurentamalla hengitysputkea, joka kulkee rintakehän kyljessä olevasta huokosesta polveen; ääni saavuttaa tärykalvot sekä kehon ulkopuolelta että sisäpuolelta putken kautta. Montealegre-Z ja hänen kollegansa osoittivat, että ääni kulkee tätä sisäistä, takaperin kulkevaa reittiä hitaammin – joten jokainen ääni osuu tärykalvoon kahdesti, mutta hieman eri aikaan, mikä parantaa huomattavasti hyönteisen kykyä paikantaa äänilähde.

Katydidin ihmeelliset korvat eivät ole vielä luovuttaneet kaikkia salaisuuksiaan, ja Montealegre-Z:n työryhmä yrittää nyt selvittää, miten sisäkorvan hyönteisversiossa olevat reseptorit poimivat eri taajuudet. Tutkimuksen tähti on Phlugis poecila, ”kristallikatydidi”, joka on saanut nimensä läpinäkyvästä ulommasta kynsinauhastaan, jonka ansiosta tutkimusryhmä voi tallentaa ja mitata prosesseja niiden tapahtuessa. ”Pystymme seuraamaan kuulon toimintaa ja näkemään prosesseja, joita ei ole ennen nähty”, Montealegre-Z sanoo.

Jos se, miten hyönteiset kuulevat, vaihtelee valtavasti, niin vaihtelee myös se, mitä ne kuulevat. Hyttysen korvat riittävät ehkä metrin päähän; monikorvainen rakkoleväkorva kuulee kilometrin tai kauempaakin. Sirkan korvat havaitsevat matalia taajuuksia; rukoilijasirkan ja koiperhosen korvat on viritetty ultraääniin, paljon enemmän kuin mitä ihminen (tai hänen koiransa) voi kuulla. Toisilla, kuten katidilla, on laajakaistakuulo. ”Hyönteiset kuulevat vain sen, mitä niiden on kuultava”, Göpfert sanoo. ”Ja evoluutio tarjosi sen, mikä oli tarpeen.”

Mutta mikä sai evoluution ylipäätään muuttamaan venytysreseptorit korviksi ja siten tuomaan äänen hyönteismaailmaan? Tämä kysymys askarruttaa edelleen monia entomologeja. Kohtuullinen ohje on se, miten hyönteiset käyttävät korviaan nykyään, mutta se on vain ohje, sillä alunperin yhteen tarkoitukseen hankittu korva on helposti saattanut aikakausien kuluessa muuttua toista tarkoitusta palvelevaksi. Yksi asia on varma: Kun biologit tutkivat yksityiskohtaisemmin yhä useampia hyönteisryhmiä, jotkut pitkään vallalla olleet käsitykset saattavat romahtaa.

Korva vaaralle

Nykyaikaisilla hyönteisillä yksi korvien ensisijaisista tehtävistä on kuulla saalistajan lähestyminen ajoissa, jotta voidaan ryhtyä toimiin ja välttää sitä. Yöllä lentäville hyönteisille suurimman uhan muodostavat hyönteissyöjälepakot, jotka havaitsevat ja jäljittävät saaliinsa ultraäänikaikuluotainten avulla, joten niiden kuulo on viritetty lepakoiden kaikuluotausnaksahdusten taajuuksille. Hyönteiset reagoivat siihen tyypillisillä liikkeillä välttääkseen kaikuluotaimen säteen: jyrkillä käännöksillä, silmukkasilmukoilla ja ilmasta-maahan-sukelluksilla. Tietyt tiikeriperhoset jopa häiritsevät lepakoiden kaikuluotainta omilla naksahduksillaan. Kokeet ovat osoittaneet, että lepakon havaitsevat korvat parantavat huomattavasti hyönteisen mahdollisuuksia selvitä hyökkäyksestä: Eräässä tutkimuksessa rukoilijasirkat pakenivat 76 prosenttia lepakoiden hyökkäyksistä, mutta luku putosi 34 prosenttiin, kun ne kuuroutettiin.

Jos saalistaminen on voimakas evoluution liikkeellepaneva voima, niin myös sukupuoli. Ja ääni on hyönteiselle tehokas tapa tunnistaa itsensä mahdollisille kumppaneille: Ääni kulkee hyvin, toimii pimeässä ja tarjoaa keinot kehittää tunnuslauluja ja yksityisiä viestejä, joita kukaan muu ei kuule.

Seksin onnistuminen vai selviytyminen? Kumpi on kenen korvien takana?

Joissain tapauksissa tutkijat ovat kohtuullisen varmoja. Kurkiaiset näyttävät kehittäneen kuulon parittelutarkoituksiin: Vain laulavilla lajeilla on korvat ja ne ovat herkkiä vain omille matalille lauluilleen. Koiraille lepakot olivat laukaisija. Perhosia on ollut olemassa noin 150 miljoonaa vuotta, mutta yhdelläkään perhosella ei ollut korvia ennen kuin kaikuluotainta käyttävät lepakot tulivat paikalle noin 60 miljoonaa vuotta sitten. Monet korvakoi ovat herkkiä vain paikallisten lepakoiden käyttämille taajuuksille, mikä on vahva todiste siitä, että korvat ovat kehittyneet lepakkoilmaisimiksi.

Mitähän kuitenkin pitäisi tehdä rukoilijasirkasta, syklooppikorvan omistajasta? Nykyään rukoilijasirkat näyttävät käyttävän korviaan yksinomaan lepakoiden ilmaisimina. Mutta entomologeilla on nyt valtavat määrät tietoa muurahaiskärpästen korvien monipuolisesta anatomiasta ja tarkka DNA:han perustuva muurahaiskärpästen sukupuu, josta he jäljittivät alkuperäisen muurahaiskorvan. Se kuului lajille, joka eli 120 miljoonaa vuotta sitten, eli melko paljon aikaisemmin kuin nuo kaikuluotainohjatut lepakot. On yhä enemmän todisteita siitä, että muut saalistajat kuin lepakot ovat saattaneet vauhdittaa niiden ja joidenkin muiden hyönteisten korvien evoluutiota – ehkä matelijoiden, lintujen tai varhaisten nisäkkäiden. Eläimet, jotka liikkuvat aluskasvillisuudessa, taputtavat kiviä tai laskeutuvat lehtien oksalle, ovat harvoin äänettömiä. Niiden tuottamiin ääniin kuuluu sekä ääni- että ultraäänielementtejä.

Lentäviä lintuja, joita on ollut olemassa 150 miljoonaa vuotta, pidetään yhä useammin haastajina. Kanadalaiset biologit nauhoittivat uraauurtavassa tutkimuksessaan ääniä, jotka syntyivät kanalintujen ja idänkorentojen siipien lyömisestä niiden siirtyessä hyönteisten saaliin kimppuun, ja havaitsivat, että siipien lyönnit sisälsivät monenlaisia taajuuksia, jotka hyönteiset pystyvät havaitsemaan, matalista äänistä, jotka kuullaan sikadeille, perhosille ja heinäsirkoille, ultraääniin, jotka koiperhoset ja rukoilijasirkat havaitsevat.

Entä katidat, joilla on kaikkein vanhimmat korvat? Nykyaikaiset katydidat käyttävät korviaan sekä kommunikaatioon että lepakkoilmaisimina. Mutta katydidien ääntä tuottava laite voidaan jäljittää fossiilirekisterin kautta varhaisempaan esi-isätyyppiin, joka eli 250 miljoonaa vuotta sitten, paljon ennen lepakoita. Tähän asti vallitsevana teoriana on siis ollut, että katydidien korvien evoluutiossa on tapahtunut joitakin käänteitä. Alun perin korvien tehtävänä oli antaa katydideille mahdollisuus kuulla toisiaan, ja myöhemmin korvat otettiin käyttöön lepakoiden ilmaisimina. Tämä johti siihen, että niiden kuulo laajeni kuuloalueelta (alle 20 kHz) ultraäänialueelle (ihmiskorvien ulottumattomissa) – ja tämä puolestaan mahdollisti katidien nykyisin esittämien monimutkaisempien ja korkeampien laulujen kehittymisen. Nykyään vain vähemmistö katydideistä laulaa kuuloalueella, kun taas noin 70 prosentilla on ultraäänilauluja ja muutamilla poikkeuksellisen korkeita lauluja. Toistaiseksi ennätyksen haltija on hiljattain löydetty Supersonus aequoreus, joka huutaa hämmästyttävällä 150 kHz:n taajuudella.

Mutta onko tuo tarina oikein? Saadakseen vastauksen tutkijoiden oli tiedettävä, mitä katydidit kuulivat kaukaisessa menneisyydessä, ja se tarkoitti katydidien fossiilien tarkkaa tutkimista. Fossiiliset korvat eivät itsessään ole kovin informatiivisia: Ne ovat harvinaisia ja niiden rakennetta on vaikea hahmottaa. Mutta on olemassa toinenkin tapa saada tietoa kuulosta: fossiilisten katydidien siipien ääntä tuottavan viila- ja raapaisulaitteen yksityiskohtaisesta anatomiasta. ”Nuo rakenteet ovat paljon suurempia ja selkeämpiä, ja voimme niiden avulla rekonstruoida niiden tuottaman äänen hyvin tarkasti”, Montealegre-Z sanoo – ja päätellä siitä, mitä katydidien on täytynyt kuulla.

Räjähdys menneisyydestä

Vuonna 2012 Montealegre-Z ja hänen kollegansa, Bristolin yliopistossa työskentelevä bioakustiikka-asiantuntija Daniel Robert nousivat otsikoihin, kun he käyttivät tätä lähestymistapaa rekonstruoidakseen katydidien laulun jura-ajalta, äänen, jota ei ole kuultu 165 miljoonaa vuotta. Tämän mahdollisti kiinalaisen fossiilisen katydidin löytyminen, jonka siivet olivat säilyneet lähes täydellisesti. Archaboilus musicus, kuten sukupuuttoon kuollut hyönteinen on nimetty, olisi ”laulanut” musiikkilauluja noin 6,4 kHz:n taajuuksilla ja kuulostanut enemmän sirkalta kuin nykyaikaiselta katidilta. Tämä sopii hyvin yhteen sen tarinan kanssa, jonka mukaan katydidit kehittivät kuulon ensin kommunikoidakseen.

Sen jälkeen tutkimusryhmä on kuitenkin tutkinut lisää fossiilisia katydideja, ja heidän havaintonsa viittaavat siihen, että teoria saattaa tarvita tarkistusta. Näyttää siltä, että jotkut muinaiset katydidat käyttivät ultraääntä jo kauan ennen lepakoiden olemassaoloa, Montealegre-Z sanoo. Katydidit kuulevat myös paljon laajemman taajuusalueen kuin mitä ne tarvitsisivat vain itsensä kuulemiseen. Hänen mielestään tämä viittaa siihen, että niiden korvat eivät kehittyneet ensin laulamista varten vaan, aivan kuten rukoilijasirkat, itsesuojelua varten. ”Luulen, että niiden korvat kehittyivät kuulemaan saalistajia”, hän kertoo. ”Petoeläimet päästävät monenlaisia ääniä, joten korvien on pystyttävä erottamaan ne.”

Jos tämänkaltaiset tutkimukset auttavat selvittämään hyönteisten kuulon evoluutiohistoriaa, ne lupaavat myös jotakin muuta: mahdollisuuden salakuunnella muinaista menneisyyttä ja saada uusia oivalluksia hyönteisten käyttäytymisestä. Ne ovat myös saaneet minut odottamaan malttamattomana ensi kesää ja tilaisuutta tutustua täkäläisten loivasti kumpuilevien kalkkikukkuloiden rikkaaseen hyönteislajistoon uusin silmin – ja korvin, erityisesti korvin.

Kesällä ilma Sussex Downsin yläpuolella on täynnä hyönteisten äänten sinfoniaa, kun heinäsirkat ja katydidit sirkuttavat, surisevat ja naksuvat rakkautta etsiessään. Jos rasitan korviani äärirajoille asti, voin ehkä erottaa suuren vihreän katydidin ompelukoneen kolinan tai käpytikan pehmeän sihisevän laulun, ja jos olen hyvin onnekas, ehkä jopa Ison-Britannian harvinaisimman katydidin, syylälampikorennon, nopeat naksahdukset. Mutta kuinka paljon muuta minulta jää puuttumaan? Antaisin paljon siitä, että minulla olisi korvat, joilla voisin havaita ne laulut ja äänet, joita tiedemiehet keksivät, mutta joita vain hyönteiset kuulevat.