Urechi minunate: Lumea ciudată a auzului insectelor

Într-o cameră mică, fără ferestre, într-o zi de vară sufocantă, mă aflu față în față cu un star rock entomologic. Mă aflu la Universitatea din Lincoln, în estul Angliei, în interiorul unui insectariu, o încăpere căptușită cu rezervoare și borcane care conțin plante de plastic și insecte adormite. Înainte să-mi dau seama, mi se face cunoștință cu un katydid de culoare verde vibrant din Columbia.

„Faceți cunoștință cu Copiphora gorgonensis”, spune Fernando Montealegre-Z, descoperitorul acestei celebrități cu șase picioare. Numele este familiar: a fost împrăștiat în întreaga lume alături de fotografii cu fața aurie a insectei și cornul de unicorn în miniatură. Renumele acestei katridide nu se bazează însă pe aspectul său, ci pe auzul său. Studiile meticuloase ale lui Montealegre-Z asupra acestei insecte magnifice au scos la iveală faptul că aceasta are urechi asemănătoare cu ale noastre, cu versiuni entomologice de timpan, oscioare și cohleare care o ajută să capteze și să analizeze sunetele.

Catydidele – există mii de specii – au cele mai mici urechi dintre toate animalele, câte una pe fiecare picior din față, chiar sub „genunchi”. Dar dimensiunea lor mică și locația aparent ciudată dezmint structura sofisticată și capacitățile impresionante ale acestor organe: de a detecta clicurile ultrasonice ale liliecilor de vânătoare, de a detecta cântecele caracteristice ale potențialilor parteneri și de a se îndrepta spre casă pentru cină. O katridă australiană a profitat de abilitățile sale auditive pentru a captura prada într-un mod foarte viclean: Atrage cicadele masculi la o distanță suficientă pentru a se apropia, imitând partea feminină a duetului de împerechere al cicadelor – un truc care îi cere să recunoască modele complexe de sunet și să știe exact când să intervină.

Frumos? Absolut. Neașteptat? Și asta, de asemenea. Nu m-am gândit niciodată prea mult la urechile insectelor până acum. Ochii și antenele insectelor ies în evidență, dar urechile? Chiar și cei cu ochi de vultur ar putea fi iertați să se întrebe dacă insectele le au. Totuși, este evident că unele trebuie să audă: Aerul de vară este plin de trilurile, ciripiturile și pocniturile greierilor și lăcustelor îndrăgostite, ale cicadelor și ale katididelor, toate încercând să atragă un partener.

Curiozitatea fiind stârnită, îl sun pe neurobiologul Martin Göpfert de la Universitatea din Göttingen, Germania, care studiază auzul la musca de fructe Drosophila melanogaster. Oricât de uimitoare ar fi urechile katydidelor, îmi spune el, ele sunt doar una dintre multele cu capacități uimitoare: Evoluția a făcut atât de multe încercări de a modela urechile, încât rezultatul este o diversitate uriașă de structuri și mecanisme. Cele mai multe dintre ele sunt greu de observat, dacă nu chiar invizibile, iar în multe cazuri insectele produc și percep sunete atât de departe de raza noastră de acțiune, încât am trecut cu vederea în totalitate abilitățile lor. Însă, odată cu apariția unor noi instrumente și tehnologii, tot mai multe exemple ies la iveală.

Biologii senzoriali, experții în acustică și geneticienii lucrează împreună pentru a stabili cum funcționează toate acestea, cum și când au evoluat și de ce. Și datorită unora dintre aceste noi cunoștințe și unui sortiment de insecte fosile, există chiar perspectiva tentantă de a putea trage cu urechea la trecutul străvechi, adăugând o nouă dimensiune înțelegerii vieții și vremurilor unor animale dispărute de mult timp.

Când insectele au apărut pentru prima dată, în urmă cu aproximativ 400 de milioane de ani, erau surde, îmi spune Göpfert. Aceste insecte ancestrale au continuat să se diversifice în peste 900.000 de specii și, deși majoritatea au rămas la fel de surde ca și strămoșii lor, unele au dobândit mijloacele de a auzi. Din cele 30 de ordine majore de insecte, nouă (la ultima numărătoare) includ unele care aud, iar auzul a evoluat de mai multe ori în unele ordine – cel puțin de șase ori în rândul fluturilor și moliilor. Cele 350.000 de specii ale celui mai uimitor de divers grup, gândacii, sunt aproape toate surde, însă cele câteva care au urechi le-au dobândit prin două linii de evoluție separate. În total, urechile insectelor au apărut de mai mult de 20 de ori, o rețetă sigură pentru varietate.

Ureche, acolo și pretutindeni

Localizarea este cea mai evidentă diferență între urechile unei insecte și ale altei insecte: Există urechi pe antene (țânțari și muște de fructe), pe picioarele anterioare (greieri și katridide), pe aripi (dantelării), pe abdomen (cicade, lăcuste și lăcuste) și pe ceea ce trece drept „gât” (muște parazite). Printre molii și fluturi, urechile apar practic oriunde, chiar și pe organele bucale. Lăcusta bășică are o abundență de urechi, cu șase perechi de-a lungul laturilor abdomenului său. Mantidele rugătoare au o singură ureche „ciclopică” în mijlocul pieptului.

Această abordare oriunde poate părea un pic ciudată, dar există o explicație simplă: În fiecare caz în care a evoluat o ureche de insectă, punctul de plecare a fost un organ senzorial existent: un detector de întindere care monitorizează vibrațiile minuscule atunci când segmentele vecine ale corpului se mișcă. Acești detectori se găsesc pe tot corpul insectei, dar evoluția a modificat de obicei doar o singură pereche – aparent, aproape orice pereche – pentru a percepe vibrațiile din aer generate de sunet.

De aici încolo, fiecare nouă încercare de a forja urechi a mers și mai departe în propria direcție, pe măsură ce alte structuri au fost cooptate și reconfigurate pentru a capta, amplifica și filtra sunetul, a extrage informațiile relevante și a le transmite sistemului nervos. La țânțari și la muștele de fructe, sunetul face ca firele fine de păr antenal să tremure. Cele mai multe alte insecte auditive au „timpane”: petice subțiri și membranoase de exoschelet care vibrează la impactul undelor sonore. Unele timpanii sunt susținute de camere acustice umplute cu aer, altele de camere umplute cu lichid. Numărul și dispunerea celulelor senzoriale care detectează și decodifică aceste vibrații – și neuronii care trimit semnalele către creier – variază, de asemenea, de la o ureche la alta. Astfel, în timp ce unele urechi de molie funcționează cu doar unul sau doi neuroni (ceea ce face ca moliile să răspundă cel mai rapid), urechea unui țânțar mascul are în jur de 15.000 (ceea ce o face extrem de sensibilă).

Câteva urechi sunt relativ simple; altele au clopote și fluiere suplimentare legate de stilul lor de viață. Să luăm exemplul muștei parazite Ormia ochracea, care își depune larvele pe o anumită specie de greieri după ce o identifică și o localizează după strigătul său caracteristic. Urechile muștei sunt așezate una lângă alta pe „gâtul” său și, teoretic, sunt prea apropiate pentru a-și localiza ținta. Cu toate acestea, ele iau premiul pentru localizare precisă, datorită unei benzi elastice care leagă timpanele astfel încât acestea se balansează în sus și în jos ca un balansoar, asigurându-se că sunetul ajunge la o ureche cu o fracțiune de timp mai târziu decât la cealaltă.

Urechile katridelor, așa cum au demonstrat atât de clar Montealegre-Z și colegii săi, sunt unice atât prin complexitatea lor, cât și prin asemănarea lor cu cele ale unui mamifer. Folosind un scaner micro-CT, oamenii de știință au reconstruit întregul sistem auditiv al insectei, descoperind în acest proces două organe necunoscute anterior. Primul este o placă mică și dură în spatele timpanelor; al doilea, un tub umplut cu lichid care conține un rând de celule senzoriale. Printr-o investigație minuțioasă, care a inclus iluminarea cu lasere a timpanului și înregistrarea luminii care ricoșează înapoi, echipa a arătat că placa mică transmite vibrațiile din timpanul insectei către lichidul din tub – același rol jucat de oasele din urechea noastră medie. Semnalul călătorește apoi într-o undă de-a lungul tubului și peste celulele senzoriale acordate la diferite frecvențe – făcând din acest organ o versiune miniaturală, neînfășurată, a cohleei noastre, în formă de melc.

Echipa a continuat acum să demonstreze de ce femelele de katydide sunt atât de bune la găsirea unui partener în întuneric, chiar dacă urechile lor sunt apropiate (nu atât de apropiate ca cele ale parazitului Ormia, dar suficient de apropiate pentru a face ca localizarea sunetului să fie o provocare de proporții). Urechile noastre se află de o parte și de alta a capului nostru (mare) și sunt suficient de depărtate pentru ca un sunet să ajungă la ele în momente și la intensități diferite, astfel încât creierul să calculeze și să localizeze sursa.

Katydidele au rezolvat problema (din nou, într-un mod unic) prin lărgirea unui tub de respirație care merge de la un por în partea laterală a pieptului până la genunchi; sunetul ajunge la timpane atât din afara corpului, cât și din interior prin intermediul tubului. Montealegre-Z și colegii săi au arătat că sunetul parcurge această rută interioară, de întoarcere, mai încet – astfel încât fiecare sunet atinge timpanul de două ori, dar la momente ușor diferite, îmbunătățind dramatic capacitatea insectei de a localiza sursa.

Urechile remarcabile ale katydidului nu și-au dezvăluit încă toate secretele, iar echipa lui Montealegre-Z încearcă acum să stabilească modul în care receptorii din versiunea insectei a cohleei captează diferite frecvențe. Vedeta acestui studiu este Phlugis poecila, o katridă „de cristal”, numită astfel datorită cuticulei sale exterioare transparente, o caracteristică care permite echipei să înregistreze și să măsoare procesele pe măsură ce acestea au loc. „Vom putea urmări auzul la lucru și vom vedea procese care nu au mai fost observate până acum”, spune Montealegre-Z.

Dacă modul în care insectele aud variază enorm, la fel și ceea ce aud. Urechile țânțarilor sunt bune pentru poate un metru; lăcustele cu multe urechi din vezica urinară pot auzi de la un kilometru sau mai mult. Urechile greierilor detectează frecvențele joase; urechile mantis și moliilor sunt acordate pentru ultrasunete, mult peste tot ceea ce pot auzi oamenii (sau câinii lor). Alte urechi, cum ar fi cele ale unui katydid, au un auz în bandă largă. „Insectele aud doar ceea ce au nevoie să audă”, spune Göpfert. „Iar evoluția a furnizat ceea ce era necesar”.

Dar ce a determinat evoluția să transforme receptorii întinși în urechi, în primul rând, și să aducă astfel sunetul în lumea insectelor? Aceasta este o întrebare care încă se află în mintea multor entomologi. Un ghid rezonabil este modul în care insectele își folosesc urechile astăzi, dar este doar un ghid, deoarece o ureche dobândită inițial pentru un scop ar fi putut fi ușor cooptată de-a lungul eonilor pentru a servi unui alt scop. Un lucru este sigur: Pe măsură ce biologii investighează mai multe grupuri de insecte mai în detaliu, unele noțiuni de mult timp ar putea să dispară.

O ureche pentru pericol

La insectele moderne, una dintre funcțiile principale ale urechilor este aceea de a auzi apropierea unui prădător la timp pentru a acționa și a-l evita. Pentru insectele care zboară noaptea, cea mai mare amenințare vine din partea liliecilor insectivori care detectează și urmăresc prada cu ajutorul unui sonar cu ultrasunete, astfel că auzul lor este acordat la frecvențele clicurilor de ecolocalizare ale liliecilor. Insectele răspund apoi cu mișcări caracteristice pentru a scăpa de fasciculul sonar: viraje bruște, bucle, scufundări în forță din aer spre sol. Anumite molii-tigru bruiază chiar și sonarul liliecilor cu propriile lor clicuri. Experimentele au arătat că urechile de detectare a liliecilor îmbunătățesc dramatic șansele unei insecte de a supraviețui unui atac: Într-un studiu, mantistele au scăpat de 76% din atacurile liliecilor, dar acest număr a scăzut la 34% atunci când au fost asurzite.

Dacă prădarea este un motor puternic al evoluției, la fel este și sexul. Iar sunetul este o modalitate eficientă pentru ca o insectă să se identifice în fața potențialilor parteneri: Sunetul călătorește bine, funcționează în întuneric și oferă mijloacele de a dezvolta cântece de semnătură și comunicări private pe care nimeni altcineva nu le poate auzi.

Deci, sex de succes sau supraviețuire? Ce se află în spatele urechilor cui?

În unele cazuri, cercetătorii sunt destul de siguri. Cicadele par să fi evoluat auzul în scopul împerecherii: Doar speciile care cântă au urechi și acestea sunt sensibile doar la propriile lor cântece joase. Pentru molii, liliecii au fost declanșatorii. Lepidopterele au o vechime de aproximativ 150 de milioane de ani, însă nicio molie nu avea urechi înainte ca liliecii ecolocalizatori să apară pe scenă în urmă cu aproximativ 60 de milioane de ani. Și multe dintre moliile cu urechi sunt sensibile doar la frecvențele folosite de liliecii din zona lor – o dovadă puternică a faptului că urechile au evoluat ca detectoare de lilieci.

Ce să facem, totuși, cu mantaua, deținătoarea urechii ciclopice? Astăzi, mantistele par să-și folosească urechile exclusiv ca detectoare de lilieci. Dar entomologii dispun acum de cantități uriașe de date despre anatomia variată a urechilor de mantis și de un arbore genealogic precis al mantisului bazat pe ADN, din care au trasat urechea originală a mantisului. Aceasta a aparținut unei specii care a trăit în urmă cu 120 de milioane de ani, cu mult mai devreme decât acei lilieci ghidați de sonar. Există din ce în ce mai multe dovezi că alți prădători decât liliecii ar fi putut stimula evoluția urechilor lor și ale altor insecte – poate reptile, păsări sau mamifere timpurii. Animalele care se deplasează prin tufișuri, care pășesc pe stânci sau care aterizează pe o creangă cu frunze sunt rareori silențioase. Zgomotele pe care le fac includ elemente audibile și ultrasonice.

Păsările zburătoare, care există de 150 de milioane de ani, sunt văzute din ce în ce mai mult ca fiind concurente. În cadrul unei cercetări revoluționare, biologii canadieni au înregistrat sunetele generate de bătăile aripilor de gărgărițe și de foebe orientale în timp ce acestea se îndreptau spre insecte și au descoperit că bătăile aripilor includ o gamă largă de frecvențe pe care insectele le pot detecta, de la sunete joase, care pot fi auzite de către cicade, fluturi și lăcuste, până la sunete ultrasonice detectate de molii și de mătci.

Și ce se întâmplă cu katydidele, posesoare ale celor mai vechi urechi dintre toate? Katididele moderne își folosesc urechile atât în comunicare, cât și ca detectoare de lilieci. Dar aparatul de producere a sunetului al katydidelor poate fi urmărit prin înregistrarea fosilă până la un tip de strămoș timpuriu care a trăit acum 250 de milioane de ani, cu mult înainte de apariția liliecilor. Așadar, teoria predominantă de până acum a fost aceea că evoluția urechilor katydidelor a luat niște turnuri. Funcția inițială a urechilor a fost aceea de a permite katydidelor să se audă între ele, iar mai târziu, se crede că aceste urechi au fost cooptate pentru a servi ca detectoare de lilieci. Acest lucru a dus la extinderea auzului lor de la gama audibilă (sub 20 kHz) la cea ultrasonică (dincolo de raza de acțiune a urechilor umane) – iar acest lucru, la rândul său, a permis evoluția cântecelor mai complexe și mai înalte pe care le prezintă astăzi katydidele. În prezent, doar o minoritate de katydide cântă în gama audibilă, în timp ce aproximativ 70 % dintre ele au cântece ultrasonice și câteva au cântece extraordinar de înalte. Deținătorul recordului, până în prezent, este Supersonus aequoreus, descoperit recent, care cântă la o frecvență uimitoare de 150 kHz.

Dar este corectă această poveste? Pentru a ajunge la un răspuns, oamenii de știință trebuiau să știe ce auzeau katydidele în trecutul îndepărtat, iar asta a însemnat să se uite cu atenție la fosilele de katydide. Urechile fosilizate nu sunt în sine foarte informative: Sunt rare, iar structura lor este greu de distins. Dar există o altă modalitate de a obține informații despre auz: din anatomia detaliată a aparatului care produce sunete, de pe aripile fosilizate ale katidididelor. „Aceste structuri sunt mult mai mari și mai clare, iar noi le putem folosi pentru a recrea sunetul pe care îl produceau foarte precis”, spune Montealegre-Z – și, din aceasta, să deducem ce trebuie să fi auzit katydidele.

Blast from the past

În 2012, Montealegre-Z și colegul său expert în bioacustică, Daniel Robert, de la Universitatea din Bristol, au ținut prima pagină a ziarelor când au folosit această abordare pentru a reconstrui cântecul unei katydide din Jurasic, un sunet nemaiauzit timp de 165 de milioane de ani. Ceea ce a făcut posibil acest lucru a fost descoperirea unei katydide fosile chinezești cu aripi aproape perfect conservate. Archaboilus musicus, așa cum a fost numită insecta dispărută, ar fi „cântat” cântece muzicale la frecvențe de aproximativ 6,4 kHz, semănând mai mult cu un greier decât cu o katridă modernă. Acest lucru se potrivește foarte bine cu povestea conform căreia katydidele au evoluat mai întâi auzul pentru a comunica.

De atunci, însă, echipa a studiat mai multe katydide fosile, iar ceea ce descoperă sugerează că teoria ar putea avea nevoie de o revizuire. Se pare că unele katydide antice foloseau ultrasunete cu mult înainte ca liliecii să existe, spune Montealegre-Z. Katydidele aud, de asemenea, o gamă mult mai largă de frecvențe decât ar avea nevoie doar pentru a se auzi pe ele însele. În opinia sa, acest lucru sugerează că urechile lor au evoluat mai întâi nu pentru a cânta, ci, la fel ca în cazul mantiselor, pentru autoconservare. „Cred că urechile lor au evoluat pentru a auzi prădătorii”, îmi spune el. „Prădătorii scot o diversitate de sunete și astfel urechile trebuie să fie capabile să le distingă”.

Dacă studii ca acestea ajută la deslușirea istoriei evolutive a auzului insectelor, ele promit, de asemenea, ceva mai mult: oportunitatea de a trage cu urechea la trecutul străvechi și de a obține noi informații despre comportamentul insectelor. De asemenea, m-au făcut să fiu nerăbdător să aștept cu nerăbdare vara viitoare și șansa de a explora cu ochi noi – și urechi, mai ales urechi – viața bogată a insectelor de pe dealurile ușor ondulate de cretă de aici.

În timpul verii, aerul de deasupra Sussex Downs este animat de o simfonie de sunete de insecte, pe măsură ce lăcustele și katydidele ciripesc, bâzâie și pocnesc în căutarea dragostei. Dacă îmi încordez urechile până la limită, aș putea fi capabil să disting zgomotul de mașină de cusut al unui mare katrid verde sau cântecul șuierător moale al unui cap de con și, dacă sunt foarte norocos, poate chiar și pocniturile cu focuri rapide ale mușcătorului de veruci, cel mai rar katrid din Marea Britanie. Dar cât de mult voi mai pierde? Aș da foarte mult pentru a avea urechi care să poată percepe cântecele și sunetele pe care oamenii de știință le pun cap la cap, dar pe care doar insectele le pot auzi.