Orecchie fantastiche: Lo strano mondo dell’udito degli insetti

In una piccola stanza senza finestre in una torrida giornata estiva, mi trovo faccia a faccia con una rock star entomologica. Sono all’Università di Lincoln, nell’Inghilterra orientale, all’interno di un insettario, una stanza rivestita di vasche e vasi contenenti piante di plastica e insetti sonnolenti. Prima che me ne renda conto, mi viene presentato un katydid verde vibrante della Colombia.

“Ti presento Copiphora gorgonensis”, dice Fernando Montealegre-Z, scopritore di questa celebrità a sei zampe. Il nome è familiare: è stato diffuso in tutto il mondo insieme alle foto della faccia dorata dell’insetto e del corno di unicorno in miniatura. La fama di questo katydid non si basa però sul suo aspetto, ma sul suo udito. Gli studi meticolosi di Montealegre-Z sul magnifico insetto hanno rivelato che ha orecchie incredibilmente simili alle nostre, con versioni entomologiche di timpani, ossicini e coclee che lo aiutano a captare e analizzare i suoni.

I catidi – 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 loro apparentemente strana posizione nascondono la struttura sofisticata e le impressionanti capacità di questi organi: rilevare i click ultrasonici dei pipistrelli che cacciano, individuare le canzoni di potenziali compagni e scegliere la cena. Un katydid australiano ha capitalizzato la sua abilità uditiva per catturare la preda in un modo molto subdolo: Attira le cicale maschio a distanza di tiro imitando la parte femminile del duetto di accoppiamento delle cicale – un trucco che gli richiede di riconoscere modelli complessi di suono e precisamente quando intervenire.

Fantastico? Assolutamente sì. Inaspettato? Anche quello. Non avevo mai pensato molto alle orecchie degli insetti fino ad ora. Gli occhi e le antenne degli insetti spiccano, ma le orecchie? Anche chi ha gli occhi d’aquila potrebbe essere perdonato per essersi chiesto se gli insetti le hanno. Eppure, ovviamente, alcuni devono sentire: L’aria estiva è piena di trilli, fruscii e clic di grilli e cavallette innamorati, cicale e katydids, che cercano di attirare un compagno.

Curioso, chiamo il neurobiologo Martin Göpfert all’Università di Göttingen in Germania, che studia l’udito nella mosca della frutta Drosophila melanogaster. Per quanto sorprendenti siano le orecchie dei katydid, mi dice, sono solo una delle tante con capacità sorprendenti: L’evoluzione ha fatto così tanti tentativi di modellare le orecchie che il risultato è un’enorme diversità di strutture e meccanismi. La maggior parte sono difficili da individuare, se non invisibili, e in molti casi gli insetti producono e percepiscono suoni così lontani dalla nostra portata che abbiamo trascurato completamente le loro capacità. 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 capire come funzionano, come e quando si sono evoluti e perché. E grazie ad alcune di queste nuove conoscenze, e ad un assortimento di insetti fossili, c’è anche l’allettante prospettiva di poter origliare l’antico passato, 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 si sono diversificati in più di 900.000 specie, e mentre la maggior parte rimane sorda come i loro antenati, alcuni hanno acquisito i mezzi per sentire. Dei 30 ordini principali di insetti, nove (all’ultimo conteggio) includono alcuni che sentono, e l’udito si è evoluto più di una volta in alcuni ordini – almeno sei volte tra le farfalle e le falene. Le 350.000 specie del gruppo più sorprendentemente vario, i coleotteri, sono quasi tutte sorde, ma le poche che hanno le orecchie le hanno acquisite attraverso due linee di evoluzione separate. In totale, le orecchie degli insetti sono sorte più di 20 volte, una ricetta sicura per la varietà.

Orecchie, lì e ovunque

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

Questo approccio ovunque vada potrebbe sembrare un po’ strano, ma c’è una spiegazione semplice: In ogni caso in cui un orecchio di insetto si è evoluto, il punto di partenza è stato un organo sensoriale esistente: un rilevatore di allungamento che controlla le piccole vibrazioni quando i segmenti del corpo vicini si muovono. Questi rilevatori si trovano in tutto il corpo dell’insetto, ma l’evoluzione ha tipicamente modificato solo un singolo paio – apparentemente, quasi ogni paio – per percepire le vibrazioni aeree generate dal suono.

Da lì in poi, ogni nuovo tentativo di forgiare le orecchie è andato ancora più avanti nella sua 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 fremere i sottili peli delle antenne. La maggior parte degli altri insetti udenti hanno dei “timpani”: sottili chiazze membranose di esoscheletro che vibrano quando le onde sonore colpiscono. Alcuni timpani sono sostenuti da camere acustiche piene d’aria, altri da camere piene di fluido. Il numero e la disposizione delle cellule sensoriali che rilevano e decodificano quelle vibrazioni – e i neuroni che inviano i segnali al cervello – variano anche da orecchio a orecchio. Così, mentre alcune orecchie di falena funzionano con solo uno o due neuroni (rendendo le falene i più rapidi risponditori), l’orecchio di una zanzara maschio ne ha circa 15.000 (rendendolo squisitamente sensibile).

Alcune orecchie sono relativamente semplici; altre hanno campane e fischietti extra legati al loro stile di vita. Prendiamo 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 suo bersaglio. Eppure si aggiudicano il premio per la localizzazione accurata, grazie a una banda elastica che collega i timpani in modo che oscillino su e giù come un’altalena, assicurando che il suono colpisca un orecchio con un ritardo minimo rispetto all’altro.

Le orecchie dei catidi, come hanno dimostrato Montealegre-Z e i suoi colleghi, sono uniche sia nella loro complessità che nella loro somiglianza con quelle di un mammifero. Utilizzando uno scanner micro-CT, gli scienziati hanno ricostruito l’intero sistema uditivo dell’insetto, scoprendo due organi precedentemente sconosciuti nel processo. Il primo è una piccola piastra dura dietro i timpani; il secondo, un tubo pieno di fluido contenente una linea di cellule sensoriali. Attraverso un’indagine scrupolosa che comprendeva l’applicazione di laser al timpano e la registrazione della luce che rimbalzava indietro, il team ha dimostrato che la piccola piastra trasmette le vibrazioni del timpano dell’insetto al fluido nel tubo – lo stesso ruolo svolto dalle ossa del nostro orecchio medio. Il segnale viaggia poi in un’onda lungo il tubo e sopra le cellule sensoriali sintonizzate su diverse frequenze – rendendo quest’organo una versione in miniatura e non arrotolata della nostra coclea a forma di lumaca.

Il team ha ora continuato a dimostrare perché le femmine di katydidid sono così brave a trovare un compagno al buio, anche se le loro orecchie sono vicine (non così vicine come quelle dell’Ormia parassita, 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 tra loro perché un suono possa raggiungerle in tempi diversi e con un volume sufficiente perché il cervello possa calcolare e localizzare la fonte.

I catydidi hanno risolto il problema (di nuovo, in un modo unico) allargando un tubo di respirazione che va da un poro nel lato del petto 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 viaggia più lentamente lungo questo percorso interno e posteriore – così ogni suono colpisce il timpano due volte, ma in tempi leggermente diversi, migliorando drasticamente la capacità dell’insetto di localizzare la fonte.

Le straordinarie orecchie del katydid non hanno ancora svelato tutti i loro segreti, e il team di Montealegre-Z sta ora cercando di capire come i recettori nella versione insetto della coclea selezionano frequenze diverse. La stella di questo studio è Phlugis poecila, un katydid “cristallo” chiamato così per la sua cuticola esterna trasparente, una caratteristica che permette 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”, dice Montealegre-Z.

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

Ma cosa ha spinto l’evoluzione a trasformare i recettori elastici in orecchie, e quindi a portare il suono nel mondo degli insetti? Questa è una domanda ancora nella mente di molti entomologi. Una guida ragionevole è il modo in cui gli insetti usano le loro orecchie oggi, ma è solo una guida, poiché un orecchio originariamente acquisito per uno scopo potrebbe facilmente essere stato cooptato nel corso degli eoni per servire un altro. Una cosa è certa: Come i biologi indagano più gruppi di insetti in modo più dettagliato, alcune nozioni a lungo sostenute potrebbero mordere la polvere.

Un orecchio per il pericolo

Negli insetti moderni, una delle funzioni principali delle orecchie è quella di sentire l’avvicinarsi 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 individuano e rintracciano le prede con un sonar a ultrasuoni, e quindi il loro udito è sintonizzato sulle frequenze dei click ecolocalizzanti dei pipistrelli. Gli insetti rispondono poi con mosse caratteristiche per sfuggire al fascio di sonar: virate brusche, loop-the loops, tuffi di potenza aria-terra. Alcune falene tigre disturbano persino il sonar dei pipistrelli con i loro clic. Gli esperimenti hanno dimostrato che le orecchie che rilevano i pipistrelli migliorano drasticamente le prospettive di sopravvivenza di un insetto: In uno studio, le mantidi sono sfuggite al 76% degli attacchi dei pipistrelli, ma questo 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 efficiente per un insetto di identificarsi ai potenziali compagni: Il suono viaggia bene, funziona al buio e fornisce i mezzi per sviluppare canzoni di firma e comunicazioni private che nessun altro può sentire.

Quindi, sesso di successo o sopravvivenza? Cosa 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 che cantano hanno le orecchie e sono sensibili solo ai loro canti a bassa frequenza. Per le falene, i pipistrelli sono stati il fattore scatenante. I lepidotteri esistono da circa 150 milioni di anni, ma nessuna falena aveva le orecchie prima che i pipistrelli ecolocalizzatori entrassero in scena circa 60 milioni di anni fa. E molte delle falene con le orecchie sono sensibili solo alle frequenze impiegate dai pipistrelli locali – una forte prova che le orecchie si sono evolute come rivelatori di pipistrelli.

Cosa fare, però, della mantide, proprietaria del ciclopico orecchio? Oggi, le mantidi sembrano usare le loro orecchie esclusivamente come rivelatori di pipistrelli. Ma gli entomologi dispongono ora di una grande quantità di dati sulla varia anatomia delle orecchie di mantide e di un accurato albero genealogico di mantide basato sul DNA, dal quale hanno rintracciato l’orecchio originale della mantide. Apparteneva a una specie vissuta 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, o uccelli, o primi mammiferi. Gli animali che si muovono nel sottobosco, che camminano sulle rocce o che atterrano 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 dal battito d’ali di cince e foebi orientali mentre si muovevano verso una preda di insetti, e hanno scoperto che i battiti d’ala includevano una vasta gamma di frequenze che gli insetti possono rilevare, dai suoni a bassa frequenza udibili da cicale, farfalle e cavallette, ai suoni ultrasonici captati da falene e mantidi.

E che dire dei katididi, possessori delle orecchie più antiche di tutte? I catidi moderni usano le loro orecchie sia per comunicare che come rivelatori di pipistrelli. Ma l’apparato di produzione del suono dei katididi può essere fatto risalire, attraverso il record fossile, a un primo tipo di antenato vissuto 250 milioni di anni fa, ben prima dei pipistrelli. Così la teoria prevalente fino ad ora è stata che l’evoluzione delle orecchie dei katydid ha preso delle svolte. La funzione iniziale delle orecchie era quella di permettere ai katididi di sentirsi l’un l’altro, e più tardi, si pensa, quelle orecchie sono state cooptate per servire come rilevatori di pipistrelli. Questo ha portato all’estensione del loro udito dalla gamma udibile (sotto i 20 kHz) agli ultrasuoni (oltre la portata delle orecchie umane) – e questo, a sua volta, ha permesso l’evoluzione dei canti più complessi e più acuti che i katididi esibiscono oggi. Oggi, solo una minoranza di katydids canta nella gamma udibile, mentre circa il 70% ha canti ultrasonici e alcuni hanno canti straordinariamente acuti. Il detentore del record, finora, è il Supersonus aequoreus, scoperto di recente, che chiama a ben 150 kHz.

Ma questa storia è giusta? Per arrivare alla risposta, gli scienziati avevano bisogno di sapere cosa sentivano i katididi nel lontano passato, e questo significava dare un’occhiata da vicino ai fossili di katididi. Le orecchie fossilizzate non sono di per sé molto informative: 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 per la produzione del suono e la raschiatura sulle ali fossilizzate dei katydididi. “Quelle strutture sono molto più grandi e chiare, e possiamo usarle per ricreare il suono che producevano in modo molto accurato”, dice Montealegre-Z – e da questo, dedurre ciò che i katydidid devono aver sentito.

Uscita dal passato

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 il canto di un katydid del Giurassico, un suono mai sentito per 165 milioni di anni. Ciò che l’ha reso possibile è stata la scoperta di un catidide fossile cinese con ali quasi perfettamente conservate. Archaboilus musicus, come è stato chiamato l’insetto estinto, avrebbe “cantato” canzoni musicali a frequenze intorno ai 6,4 kHz, suonando più come un grillo che un moderno katydid. Questo si adatta bene alla storia che i katydid hanno evoluto l’udito per comunicare.

Da allora, però, il team ha studiato altri catidi fossili, e quello che stanno trovando suggerisce che la teoria potrebbe aver bisogno di una revisione. Sembra che alcuni katydids antichi usassero gli ultrasuoni molto prima che i pipistrelli esistessero, dice Montealegre-Z. I katididi sentono anche una gamma di frequenze molto più ampia di quella di cui avrebbero bisogno solo per sentirsi. Secondo lui, questo suggerisce che le loro orecchie si sono evolute non per cantare ma, come le mantidi, per l’autoconservazione. “Penso che le loro orecchie si siano evolute per sentire i predatori”, mi dice. “I predatori producono una diversità di suoni e quindi le orecchie devono essere in grado di distinguerli”.

Se studi come questi stanno aiutando a svelare la storia evolutiva dell’udito degli insetti, promettono anche qualcosa di più: l’opportunità di origliare l’antico passato 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, soprattutto orecchie.

In estate, l’aria sopra il Sussex Downs è viva con una sinfonia di suoni di insetti come cavallette e katydids cinguettano, ronzano e scattano nella loro ricerca di amore. Se tendo le orecchie fino al limite, potrei essere in grado di cogliere il rantolo da macchina da cucire di un grande katydid verde o il morbido sibilo di una testa di cono, e se sono molto fortunato, forse anche i clic a raffica della verruchetta, il katydid più raro del Regno Unito. Ma quanto altro mi mancherà? Darei molto per avere orecchie in grado di cogliere i canti e i suoni che gli scienziati stanno mettendo insieme, ma che solo gli insetti possono sentire.