Niesamowite uszy: The weird world of insect hearing

W małym, pozbawionym okien pomieszczeniu w upalny letni dzień, znajduję się twarzą w twarz z entomologiczną gwiazdą rocka. Jestem na Uniwersytecie w Lincoln we wschodniej Anglii, wewnątrz insektarium, pomieszczenia wyłożonego zbiornikami i słoikami zawierającymi plastikowe rośliny i drzemiące owady. Zanim się zorientowałem, zostałem przedstawiony wibrującemu, zielonemu katydidowi z Kolumbii.

„Poznajcie Copiphora gorgonensis”, mówi Fernando Montealegre-Z, odkrywca tego sześcionożnego celebryty. Nazwa jest znajoma: została rozpropagowana na całym świecie wraz ze zdjęciami złotej twarzy owada i miniaturowego rogu jednorożca. Sława tego kataryniarza nie opiera się jednak na jego wyglądzie, lecz na słuchu. Skrupulatne badania Montealegre-Z nad tym wspaniałym owadem ujawniły, że ma on uszy niesamowicie podobne do naszych, z entomologicznymi wersjami bębenków, kosteczek słuchowych i ślimaków, które pomagają mu odbierać i analizować dźwięki.

Katydie – istnieją tysiące gatunków – mają najmniejsze uszy ze wszystkich zwierząt, po jednym na każdej przedniej nodze tuż poniżej „kolana”. Ale ich niewielki rozmiar i pozornie dziwne położenie świadczą o wyrafinowanej strukturze i imponujących możliwościach tych organów: do wykrywania ultradźwiękowych kliknięć polujących nietoperzy, wyłapywania charakterystycznych pieśni potencjalnych kolegów i do domu na kolację. Pewna australijska stonoga wykorzystała swoją słuchową sprawność do schwytania ofiary w bardzo podstępny sposób: Zwabia samce cykad na odległość strzału, naśladując żeńską część godowego duetu cykad – jest to sztuczka wymagająca od niej rozpoznawania złożonych wzorów dźwięków i precyzyjnego określania, kiedy należy się do nich przyłączyć.

Absolutnie? Absolutnie. Nieoczekiwane? To też. Nigdy nie zastanawiałem się nad uszami owadów, aż do teraz. Oczy i anteny owadów się wyróżniają, ale uszy? Nawet orlikowi można wybaczyć, że zastanawia się, czy owady je mają. Jednak oczywiście niektóre z nich muszą słyszeć: Letnie powietrze wypełnione jest trylami, ćwierknięciami i kliknięciami zakochanych świerszczy i koników polnych, cykad i katarynek, które próbują przyciągnąć partnera.

Zaciekawiony, dzwonię do neurobiologa Martina Göpferta na Uniwersytecie w Getyndze w Niemczech, który bada słuch u muszki owocowej Drosophila melanogaster. Mówi mi, że choć uszy katididów są zdumiewające, są one tylko jednymi z wielu o zadziwiających możliwościach: Ewolucja podjęła tak wiele prób ukształtowania uszu, że rezultatem jest ogromna różnorodność struktur i mechanizmów. Większość z nich jest trudna do zauważenia, jeśli nie niewidoczna, a w wielu przypadkach owady wytwarzają i wyczuwają dźwięki tak dalece wykraczające poza nasz własny zakres, że całkowicie przeoczyliśmy ich zdolności. Ale z nadejściem nowych narzędzi i technologii, coraz więcej przykładów wychodzi na światło dzienne.

Biolodzy zmysłów, eksperci od akustyki i genetycy pracują razem, aby ustalić, jak one wszystkie działają, jak i kiedy ewoluowały i dlaczego. A dzięki niektórym z tej nowo odkrytej wiedzy, oraz asortymentowi skamieniałych owadów, istnieje nawet kusząca perspektywa bycia w stanie podsłuchiwać starożytną przeszłość, dodając nowy wymiar do naszego zrozumienia życia i czasów niektórych dawno zaginionych zwierząt.

Gdy owady po raz pierwszy pojawiły się około 400 milionów lat temu, były głuche, Göpfert mówi mi. Te owady przodków poszedł na zróżnicowanie w ponad 900.000 gatunków, a podczas gdy większość pozostaje tak głuchy jak ich przodków, niektóre zdobyły środki, aby usłyszeć. Spośród 30 głównych rzędów owadów, dziewięć (według ostatnich obliczeń) zawiera gatunki, które słyszą, a słuch ewoluował więcej niż raz w niektórych rzędach – co najmniej sześć razy wśród motyli i ćm. Wśród 350 000 gatunków tej najbardziej olśniewająco zróżnicowanej grupy, chrząszczy, prawie wszystkie są głuche, ale te nieliczne, które mają uszy, nabyły je w dwóch odrębnych liniach ewolucji. W sumie uszy owadów powstały ponad 20 razy, co jest niezawodną receptą na różnorodność.

Uszy, tam i wszędzie

Lokalizacja jest najbardziej oczywistą różnicą między uszami jednego owada a uszami innego: Uszy znajdują się na czułkach (komary i muszki owocowe), przednich kończynach (świerszcze i kołatki), skrzydłach (lakownica), odwłoku (cykady, pasikoniki i szarańcza) oraz na tym, co uchodzi za „szyję” (muchy pasożytnicze). Wśród ćm i motyli uszy pojawiają się praktycznie wszędzie, nawet na aparatach gębowych. Pasikonik pęcherzykowaty ma mnóstwo uszu, z sześcioma parami po bokach odwłoka. Modliszki mają pojedyncze, „cyklopowe” ucho w środku klatki piersiowej.

Ten wszędzie-goes podejście może wydawać się trochę dziwne, ale jest proste wyjaśnienie: W każdym przypadku, gdy ucho owada ewoluowało, punktem wyjścia był istniejący organ sensoryczny: detektor rozciągnięcia, który monitoruje drobne wibracje, gdy sąsiednie segmenty ciała się poruszają. Detektory te występują w całym ciele owada, ale ewolucja zazwyczaj modyfikowała tylko jedną parę – najwyraźniej prawie każdą parę – aby odbierać unoszące się w powietrzu wibracje generowane przez dźwięk.

Od tego momentu, każda nowa próba wykucia uszu poszła jeszcze dalej w swoim kierunku, ponieważ inne struktury zostały dokooptowane i przekonfigurowane do przechwytywania, wzmacniania i filtrowania dźwięku, wyodrębniania odpowiednich informacji i przekazywania ich do układu nerwowego. U komarów i muszek owocowych dźwięk powoduje drżenie delikatnych włosków antenowych. Większość innych słyszących owadów ma błony bębenkowe: cienkie, błoniaste płaty egzoszkieletu, które wibrują, gdy uderzają w nie fale dźwiękowe. Niektóre błony bębenkowe posiadają komory akustyczne wypełnione powietrzem, inne wypełnione płynem. Liczba i rozmieszczenie komórek zmysłowych, które wykrywają i dekodują te wibracje – oraz neuronów, które wysyłają sygnały do mózgu – również różni się w zależności od ucha. Tak więc, podczas gdy niektóre uszy ćmy funkcjonują tylko z jednym lub dwoma neuronami (co sprawia, że ćmy reagują najszybciej), ucho samca komara ma około 15 000 (co czyni je niezwykle wrażliwym).

Niektóre uszy są stosunkowo proste; inne mają dodatkowe dzwonki i gwizdki związane z ich stylem życia. Weźmy pasożytniczą muchę Ormia ochracea, która składa swoje larwy na konkretnym gatunku świerszcza po zidentyfikowaniu i zlokalizowaniu go na podstawie jego charakterystycznego wezwania. Uszy muchy znajdują się obok siebie na jej „szyi” i teoretycznie są zbyt blisko siebie, aby precyzyjnie wskazać cel. Jednak to one zgarniają nagrodę za dokładną lokalizację, dzięki elastycznej taśmie łączącej błony bębenkowe, które kołyszą się w górę i w dół jak huśtawka, zapewniając, że dźwięk trafia do jednego ucha ułamek później niż do drugiego. Oto trzy z nich i podstawy o tym, jak działają.

Uszy kataryniarza, tak zgrabnie zademonstrowane przez Montealegre-Z i jego kolegów, są wyjątkowe zarówno w swojej złożoności, jak i podobieństwie do uszu ssaka. Używając skanera micro-CT, naukowcy zrekonstruowali cały system słuchowy owada, odkrywając przy okazji dwa nieznane wcześniej organy. Pierwszy z nich to mała, twarda płytka za błonami bębenkowymi; drugi to wypełniona płynem rurka zawierająca szereg komórek zmysłowych. Poprzez żmudne badania, które obejmowały świecenie laserem w błonę bębenkową i rejestrowanie światła odbijającego się od niej, zespół wykazał, że mała płytka przenosi drgania błony bębenkowej owada do płynu w rurce – taką samą rolę odgrywają kości w naszym uchu środkowym. Sygnał przemieszcza się następnie w formie fali wzdłuż rurki i przez komórki zmysłowe dostrojone do różnych częstotliwości – co czyni ten organ miniaturową, zwiniętą wersją naszego własnego ślimaka.

Zespół ten poszedł teraz dalej, aby pokazać, dlaczego samice kotowatych są tak dobre w znajdowaniu partnera w ciemności, nawet jeśli ich uszy są blisko siebie (nie tak blisko, jak te pasożytniczej Ormii, ale wystarczająco blisko, aby sprecyzować dźwięk jako spore wyzwanie). Nasze własne uszy leżą po obu stronach naszych (dużych) głów i są wystarczająco daleko od siebie, aby dźwięk dotarł do nich w różnym czasie i głośności, aby mózg mógł obliczyć i zlokalizować źródło.

Katydy rozwiązały ten problem (ponownie, w unikalny sposób) poprzez powiększenie rurki oddechowej, która biegnie od pory w boku klatki piersiowej do kolana; dźwięk dociera do bębenków zarówno z zewnątrz ciała i od wewnątrz przez rurkę. Montealegre-Z i jego koledzy wykazali, że dźwięk podróżuje tą wewnętrzną, tylną drogą wolniej – więc każdy dźwięk uderza w błonę bębenkową dwa razy, ale w nieco innym czasie, co radykalnie poprawia zdolność owada do zlokalizowania źródła.

Niezwykłe uszy kataryniarza nie zdradziły jeszcze wszystkich swoich tajemnic, a zespół Montealegre-Z próbuje teraz ustalić, w jaki sposób receptory w owadziej wersji ślimaka wyłapują różne częstotliwości. Gwiazdą tego badania jest Phlugis poecila, „kryształowa” stonoga, nazwana tak ze względu na jej przezroczystą zewnętrzną kutikulę, cechę, która pozwala zespołowi na nagrywanie i mierzenie procesów w trakcie ich trwania. „Będziemy mogli obserwować słuch przy pracy i zobaczyć procesy, których nigdy wcześniej nie widziano” – mówi Montealegre-Z.

Jeśli to, jak owady słyszą, różni się ogromnie, tak samo jak to, co słyszą. Uszy komara są dobre może na metr; pasikonik wielkouszny może słyszeć z odległości kilometra lub więcej. Uszy świerszcza wykrywają niskie częstotliwości; uszy modliszki i ćmy są dostrojone do ultradźwięków, daleko poza wszystko, co ludzie (lub ich psy) mogą usłyszeć. Jeszcze inne, takie jak uszy kataryniarza, mają słuch szerokopasmowy. „Owady słyszą tylko to, co muszą słyszeć” – mówi Göpfert. „A ewolucja zapewniła to, co było konieczne”.

Ale co napędzało ewolucję, aby przekształcić receptory stretchowe w uszy w pierwszej kolejności, a więc przynieść dźwięk do świata owadów? To jest pytanie wciąż na wielu entomologów umysłów. Rozsądną wskazówką jest to, jak owady używają swoich uszu dzisiaj, ale to tylko wskazówka, ponieważ ucho pierwotnie nabyte w jednym celu mogło łatwo zostać dokooptowane przez eony, by służyć innemu. Jedno jest pewne: Jak biolodzy zbadać więcej grup owadów w sposób bardziej szczegółowy, niektóre długo utrzymywane poglądy mogą gryźć kurz.

Ucho na niebezpieczeństwo

W nowoczesnych owadach, jedną z podstawowych funkcji uszu jest słyszenie zbliżania się drapieżnika w czasie umożliwiającym podjęcie działań i uniknięcie go. Dla owadów latających nocą, największe zagrożenie pochodzi od owadożernych nietoperzy, które wykrywają i śledzą ofiary za pomocą sonaru ultradźwiękowego, a więc ich słuch jest dostrojony do częstotliwości echolokacyjnych kliknięć nietoperzy. Owady reagują wtedy charakterystycznymi ruchami, aby uciec przed wiązką sonaru: ostrymi zakrętami, pętlami, nurkowaniem z powietrza na ziemię. Niektóre ćmy tygrysie nawet zagłuszają sonar nietoperzy swoimi własnymi kliknięciami. Eksperymenty wykazały, że uszy wykrywające nietoperze drastycznie zwiększają szanse owadów na przetrwanie ataku: W jednym z badań modliszki uniknęły 76 procent ataków nietoperzy, ale liczba ta spadła do 34 procent, gdy zostały ogłuszone.

Jeśli drapieżnictwo jest potężnym motorem ewolucji, to również seks. A dźwięk jest skutecznym sposobem dla owada, aby zidentyfikować się do potencjalnych partnerów: Dźwięk podróżuje dobrze, działa w ciemności i zapewnia środki do opracowania piosenek podpisu i prywatnych komunikacji, że nikt inny nie może usłyszeć.

Więc, udany seks czy przetrwanie? Które z nich kryje się za czyimi uszami?

W niektórych przypadkach, badacze są w miarę pewni. Wydaje się, że cykady wyewoluowały słuch w celach godowych: Tylko śpiewające gatunki mają uszy i są one wrażliwe tylko na ich własne, niskie dźwięki. W przypadku motyli bodźcem były nietoperze. Lepidoptera istnieją od około 150 milionów lat, ale żadne ćmy nie miały uszu, zanim echolokacyjne nietoperze pojawiły się na scenie około 60 milionów lat temu. A wiele ćm z uszami jest wrażliwych tylko na częstotliwości używane przez lokalne nietoperze – mocny dowód na to, że uszy wyewoluowały jako detektory nietoperzy.

Co jednak zrobić z modliszką, posiadaczką ucha cyklopowego? Dziś wydaje się, że modliszki używają swoich uszu wyłącznie jako wykrywaczy nietoperzy. Ale entomolodzy dysponują obecnie ogromną ilością danych na temat zróżnicowanej anatomii uszu modliszek i dokładnym, opartym na DNA drzewem genealogicznym modliszek, z którego wyśledzili oryginalne ucho modliszki. Należało ono do gatunku, który żył 120 milionów lat temu, czyli raczej wcześniej niż nietoperze kierujące się sonarem. Istnieje coraz więcej dowodów na to, że drapieżniki inne niż nietoperze mogły być motorem ewolucji ich uszu i uszu innych owadów – być może gadów, ptaków lub wczesnych ssaków. Zwierzęta poruszające się w runie leśnym, stukające o skały lub lądujące na gałęzi rzadko są ciche. Odgłosy, które wydają, zawierają elementy dźwiękowe i ultradźwiękowe.

Latające ptaki, które istnieją od 150 milionów lat, są coraz częściej postrzegane jako pretendenci. W przełomowych badaniach kanadyjscy biolodzy zarejestrowali dźwięki generowane przez bijące skrzydła cykad i drozdów wschodnich, gdy te ruszały na owadzie ofiary, i odkryli, że uderzenia skrzydeł obejmują szeroki zakres częstotliwości, które owady mogą wykryć, od niskich dźwięków słyszalnych dla cykad, motyli i koników polnych, do dźwięków ultradźwiękowych wyłapywanych przez ćmy i modliszki.

A co z katididami, posiadaczami najbardziej starożytnych uszu ze wszystkich? Nowoczesne katydidy używają swoich uszu zarówno w komunikacji, jak i jako detektory nietoperzy. Ale aparat wytwarzający dźwięki może być odnaleziony w zapisie kopalnym do wczesnego typu przodka, który żył 250 milionów lat temu, na długo przed nietoperzami. Do tej pory dominującą teorią było więc to, że ewolucja uszu u katidididów miała kilka zwrotów. Początkowo ich funkcją było umożliwienie kataryniarzom słyszenia siebie nawzajem, a później, jak się uważa, uszy te zostały dokooptowane do roli wykrywaczy nietoperzy. Doprowadziło to do rozszerzenia ich słuchu z zakresu słyszalnego (poniżej 20 kHz) na ultradźwięki (poza zasięgiem ludzkich uszu) – a to z kolei umożliwiło ewolucję bardziej złożonych, wyższych dźwięków, jakie dziś wydają kataryniarze. Obecnie tylko mniejszość kotików śpiewa w zakresie słyszalnym, podczas gdy około 70 procent ma pieśni ultradźwiękowe, a kilka ma pieśni o wyjątkowo wysokich tonach. Rekordzistą, jak dotąd, jest niedawno odkryty Supersonus aequoreus, który śpiewa w zdumiewającym tempie 150 kHz.

Ale czy ta historia ma rację bytu? Aby uzyskać odpowiedź na to pytanie, naukowcy musieli wiedzieć, co słyszały w odległej przeszłości katididy, a to oznaczało przyjrzenie się skamieniałościom katidydów. Skamieniałe uszy same w sobie nie są zbyt pouczające: Są rzadkie, a ich struktura trudna do rozpoznania. Jest jednak inny sposób na poznanie słuchu: szczegółowa anatomia produkującego dźwięki aparatu pilśniowo-skrobakowego na skamieniałych skrzydłach katydiów. „Te struktury są znacznie większe i wyraźniejsze, a my możemy ich użyć do odtworzenia dźwięku, który wydawały bardzo dokładnie” – mówi Montealegre-Z – i na tej podstawie wywnioskować, co musiały słyszeć katydidy.

Przebój z przeszłości

W 2012 roku Montealegre-Z i kolega, ekspert w dziedzinie bioakustyki Daniel Robert z Uniwersytetu w Bristolu, trafili na pierwsze strony gazet, gdy wykorzystali to podejście do zrekonstruowania pieśni katydidy z czasów jurajskich, dźwięku niesłyszanego od 165 milionów lat. Stało się to możliwe dzięki odkryciu chińskiej skamieliny katidusa z niemal doskonale zachowanymi skrzydłami. Archaboilus musicus, bo tak nazwano tego wymarłego owada, „śpiewał” muzyczne piosenki o częstotliwości około 6,4 kHz, brzmiąc bardziej jak świerszcz niż współczesna katidia. Pasuje to do historii, według której katididy najpierw wyewoluowały słuch, by się komunikować.

Od tego czasu zespół bada więcej kopalnych katydidów, a to, co znajduje, sugeruje, że teoria może wymagać przeglądu. Wygląda na to, że niektóre starożytne katididy używały ultradźwięków na długo przed powstaniem nietoperzy, mówi Montealegre-Z. Katydidy słyszą też znacznie szerszy zakres częstotliwości niż ten, którego potrzebowałyby tylko do usłyszenia samych siebie. Jego zdaniem sugeruje to, że ich uszy powstały nie po to, by śpiewać, ale – podobnie jak u modliszek – w celu samozachowania. „Myślę, że ich uszy wyewoluowały, by słyszeć drapieżniki”, mówi mi. „Drapieżniki wydają różnorodne dźwięki, więc uszy muszą być w stanie je wyłowić”.

Jeśli badania takie jak te pomagają rozwikłać ewolucyjną historię słuchu owadów, obiecują również coś więcej: możliwość podsłuchiwania starożytnej przeszłości i zdobywania nowych spostrzeżeń na temat zachowania owadów. Sprawiły również, że niecierpliwie czekam na przyszłe lato i szansę zbadania bogatego życia owadów na łagodnie wznoszących się kredowych wzgórzach z nowymi oczami – i uszami, zwłaszcza uszami.

W lecie, powietrze nad Sussex Downs jest żywy z symfonią dźwięku owadów jako pasikoniki i katydids ćwierkać, brzęczeć i kliknij w ich dążeniu do miłości. Jeśli wytężę moje uszy do granic możliwości, być może uda mi się wyłowić grzechotanie maszyny do szycia wielkiej zielonej katydidy lub miękką syczącą piosenkę conehead, a jeśli będę miał dużo szczęścia, być może nawet szybkostrzelne kliknięcia brodawczaka, najrzadszej brytyjskiej katydidy. Ale jak wiele jeszcze będzie mi brakować? Dałbym wiele, aby mieć uszy, które mogą wybrać pieśni i dźwięki naukowcy są piec razem, ale że owady tylko słyszeć.