Fantastiska öron:

I ett litet fönsterlöst rum en svettig sommardag står jag öga mot öga med en entomologisk rockstjärna. Jag befinner mig på universitetet i Lincoln i östra England, inne i ett insektshus, ett rum som kantas av tankar och burkar som innehåller plastväxter och slumrande insekter. Innan jag vet ordet av blir jag presenterad för en vibrerande grön katydid från Colombia.

”Möt Copiphora gorgonensis”, säger Fernando Montealegre-Z, upptäckaren av denna sexbenta kändis. Namnet är bekant: det har spridits över hela världen tillsammans med bilder av insektens gyllene ansikte och en enhörningshorn i miniatyr. Den här katydiden är dock inte känd för sitt utseende, utan för sin hörsel. Montealegre-Z:s noggranna studier av den magnifika insekten avslöjade att den har öron som liknar våra, med entomologiska versioner av trumhinnor, benhinnor och snäckor som hjälper den att uppfatta och analysera ljud.

Katydider – det finns tusentals arter – har de minsta öronen av alla djur, ett på varje framben strax under ”knäet”. Men den lilla storleken och den till synes märkliga placeringen av dessa organ döljer deras sofistikerade struktur och imponerande kapacitet: att upptäcka ultraljudsklickar från jagande fladdermöss, att plocka upp signaturen av sånger från blivande partners och att komma hem till middagen. En australiensisk katydid har utnyttjat sin auditiva förmåga för att fånga byten på ett mycket lurigt sätt: Den lockar hancikadorna inom räckhåll genom att imitera den kvinnliga delen av cikadornas parningsduett – ett trick som kräver att den kan känna igen komplexa ljudmönster och exakt när den ska ge sig in.

Grymt? Absolut. Oväntat? Det också. Jag har aldrig tänkt så mycket på insektsöron förrän nu. Insekters ögon och antenner sticker ut, men öron? Till och med den som har örnögon kan vara förlåten för att undra om insekter har sådana. Ändå är det uppenbart att vissa måste höra: Sommarluften är fylld av triller, pip och klick från kärlekstörstande syrsor och gräshoppor, cikador och katydider, som alla försöker locka till sig en partner.

Nyfikenheten är väckt, och jag ringer neurobiologen Martin Göpfert vid universitetet i Göttingen i Tyskland som studerar hörseln hos fruktflugan Drosophila melanogaster. Även om katydidernas öron är fantastiska, berättar han för mig, är de bara en av många med häpnadsväckande förmågor: Evolutionen har gjort så många försök att forma öronen att resultatet är en enorm mångfald av strukturer och mekanismer. De flesta är svåra att upptäcka, för att inte säga osynliga, och i många fall producerar och känner insekterna ljud som ligger så långt utanför vår egen räckvidd att vi helt har förbisett deras förmågor. Men med nya verktyg och ny teknik kommer allt fler exempel fram i ljuset.

Sensoriska biologer, akustik-experter och genetiker arbetar tillsammans för att fastställa hur de alla fungerar, hur och när de har utvecklats och varför. Och tack vare en del av denna nyvunna kunskap och ett sortiment av fossila insekter finns det till och med en lockande möjlighet att kunna tjuvlyssna på det forntida förflutna, vilket ger en ny dimension till vår förståelse av livet och tiden för vissa sedan länge försvunna djur.

När insekterna först dök upp för cirka 400 miljoner år sedan var de döva, berättar Göpfert. Dessa förfäders insekter fortsatte att diversifieras till mer än 900 000 arter, och även om de flesta förblir lika döva som sina förfäder, har vissa fått möjlighet att höra. Av de 30 största insektsordningarna innehåller nio (vid den senaste räkningen) några som hör, och hörseln har utvecklats mer än en gång i vissa ordningar – minst sex gånger bland fjärilar och nattfjärilar. De 350 000 arterna i den mest bländande gruppen, skalbaggarna, är nästan alla döva, men de få som har öron har fått dem genom två separata utvecklingslinjer. Sammanlagt har insektsöronen uppstått mer än 20 olika gånger, vilket är ett säkert recept för variation.

Öron, där och överallt

Den mest uppenbara skillnaden mellan en insekts öron och en annan insekts öron är placeringen: Det finns öron på antenner (myggor och fruktflugor), framben (syrsor och katydider), vingar (spetsvingar), buken (cikador, gräshoppor och gräshoppor) och på det som kallas ”hals” (parasitflugor). Hos nattfjärilar och fjärilar finns öronen praktiskt taget överallt, till och med på mundelarna. Blåsgräshoppan har ett överflöd av öron med sex par längs sidorna på buken. Bönsyrsan har ett enda, ”cyklopediskt” öra mitt på bröstet.

Denna anywhere-goes-strategi kan verka lite konstig men det finns en enkel förklaring: I varje fall där ett insektsöra utvecklats var utgångspunkten ett befintligt sinnesorgan: en sträckdetektor som övervakar små vibrationer när angränsande kroppssegment rör sig. Dessa detektorer finns i hela insektskroppen, men evolutionen modifierade vanligtvis bara ett enda par – tydligen nästan vilket par som helst – för att uppfatta de luftburna vibrationer som genereras av ljud.

Fortsättningsvis gick varje nytt försök att skapa öron ännu längre i sin egen riktning, eftersom andra strukturer samordnades och omkonfigurerades för att fånga upp, förstärka och filtrera ljud, extrahera den relevanta informationen och förmedla den till nervsystemet. Hos myggor och fruktflugor får ljudet fina antennhår att darra. De flesta andra hörande insekter har ”trumhinnor”: tunna, membranliknande delar av exoskelettet som vibrerar när ljudvågor träffar dem. Vissa trumhinnor har luftfyllda akustiska kamrar bakom sig, andra har vätskefyllda kamrar. Antalet och placeringen av de sensoriska celler som upptäcker och avkodar dessa vibrationer – och de neuroner som skickar signalerna till hjärnan – varierar också från öra till öra. Så medan vissa malöron fungerar med bara en eller två neuroner (vilket gör malarna till de snabbast reagerande) har en hanmyggs öra omkring 15 000 (vilket gör det ytterst känsligt).

Vissa öron är relativt enkla, andra har extra klockor och visselpipor som är kopplade till deras livsstil. Ta den parasitiska flugan Ormia ochracea, som placerar sina larver på en viss art av syrsa efter att ha identifierat och lokaliserat den med hjälp av dess karakteristiska rop. Flugans öron sitter sida vid sida på dess ”hals” och är teoretiskt sett för nära varandra för att den ska kunna lokalisera sitt mål. Ändå tar de priset för exakt lokalisering, tack vare ett elastiskt band som förbinder trumhinnorna så att de gungar upp och ner som en gungbräda, vilket säkerställer att ljudet träffar det ena örat en bråkdel senare än det andra.

Katydidors öron, som Montealegre-Z och hans kollegor så snyggt visat, är unika både i sin komplexitet och i sin likhet med däggdjurs öron. Med hjälp av en mikro-CT-skanner rekonstruerade forskarna insektens hela hörselsystem och upptäckte i samband med detta två tidigare okända organ. Det första är en liten, hård platta bakom trumhinnorna, det andra är ett vätskefyllt rör som innehåller en rad känselceller. Genom noggranna undersökningar, där man bl.a. skenade laser mot trumhinnan och registrerade ljuset som studsade tillbaka, visade teamet att den lilla plattan överför vibrationer i insektens trumhinnan till vätskan i röret – samma roll som benen i vårt mellanöra spelar. Signalen färdas sedan i en våg längs röret och över sensoriska celler som är inställda på olika frekvenser – vilket gör detta organ till en miniatyrversion av vår egen snigelformade snäckformade cochlea.

Gruppen har nu fortsatt att visa varför katydiderhonor är så bra på att hitta en partner i mörkret, trots att deras öron sitter tätt intill varandra (inte så tätt som hos den parasitiska Ormia, men tillräckligt nära för att det ska vara en stor utmaning att hitta ljud). Våra egna öron ligger på vardera sidan av våra (stora) huvuden och ligger tillräckligt långt ifrån varandra för att ljudet ska nå dem vid olika tidpunkter och med olika ljudstyrka för att hjärnan ska kunna beräkna och lokalisera källan.

Katydider löste problemet (återigen på ett unikt sätt) genom att förstora ett andningsrör som löper från en por i sidan av bröstkorgen till knäet; ljudet når trumhinnorna både från utsidan av kroppen och inifrån via röret. Montealegre-Z och hans kollegor visade att ljudet färdas denna inre, bakre väg långsammare – så varje ljud träffar trumhinnan två gånger, men vid lite olika tidpunkter, vilket dramatiskt förbättrar insektens förmåga att lokalisera källan.

Katydidens anmärkningsvärda öron har ännu inte avslöjat alla sina hemligheter, och Montealegre-Z:s forskargrupp försöker nu fastställa hur receptorerna i insektens version av snäckan tar upp olika frekvenser. Stjärnan i studien är Phlugis poecila, en ”kristallkattdjur” som fått sitt namn på grund av sin genomskinliga yttre kutikula, en egenskap som gör det möjligt för teamet att registrera och mäta processerna medan de pågår. ”Vi kommer att kunna följa hörseln i arbete och se processer som vi aldrig tidigare har sett”, säger Montealegre-Z.

Om det varierar enormt hur insekter hör, så varierar också vad de hör. Myggornas öron räcker till kanske en meter, medan den månghörniga blåsgräshoppan kan höra från en kilometer eller mer bort. Syrsors öron känner av låga frekvenser; mantis- och malöron är inställda på ultraljud, långt bortom allt som människor (eller deras hundar) kan höra. Ytterligare andra öron, till exempel katydidernas, har en bredbandshörsel. ”Insekter hör bara det de behöver höra”, säger Göpfert. ”Och evolutionen gav dem det som behövdes.”

Men vad drev evolutionen till att förvandla sträckreceptorer till öron i första hand, och på så sätt föra in ljud i insektsvärlden? Det är en fråga som fortfarande är aktuell för många entomologer. En rimlig vägledning är hur insekter använder sina öron i dag, men det är bara en vägledning, eftersom ett öra som ursprungligen förvärvades för ett syfte lätt kan ha blivit koopterat under eoner för att tjäna ett annat syfte. En sak är säker: I takt med att biologer undersöker fler insektsgrupper mer i detalj kan det hända att vissa gamla föreställningar kommer att bita i gräset.

Ett öra för fara

I moderna insekter är en av öronens primära funktioner att höra när ett rovdjur närmar sig i tid för att kunna vidta åtgärder och undvika det. För nattflygande insekter kommer det största hotet från insektsätande fladdermöss som upptäcker och spårar byten med hjälp av ultraljudssonar, och därför är deras hörsel inställd på frekvenserna hos fladdermössens ekolokaliserande klick. Insekterna reagerar då med karakteristiska rörelser för att undkomma ekolodstrålen: skarpa svängar, loop-the-loops, dykningar från luften till marken. Vissa tigerfjärilar stör till och med fladdermössens sonar med egna klick. Experiment har visat att öron som upptäcker fladdermöss dramatiskt förbättrar insekternas möjligheter att överleva ett angrepp: I en studie undkom maneter 76 procent av fladdermusattackerna, men den siffran sjönk till 34 procent när de blev döva.

Om rovdrift är en kraftfull drivkraft för evolutionen, så är också sex en kraftfull drivkraft. Och ljud är ett effektivt sätt för en insekt att identifiera sig själv för potentiella partner: Ljudet färdas bra, fungerar i mörkret och ger möjlighet att utveckla signaturlåtar och privat kommunikation som ingen annan kan höra.

Så, framgångsrikt sex eller överlevnad? Vad ligger bakom vems öron?

I vissa fall är forskarna ganska säkra. Cikadorerna verkar ha utvecklat hörseln i parningssyfte: Endast sjungande arter har öron och de är känsliga endast för sina egna låga sånger. För nattfjärilar var fladdermöss den utlösande faktorn. Lepidoptera har funnits i 150 miljoner år, men inga malar hade öron innan ekolokaliserande fladdermöss dök upp på scenen för cirka 60 miljoner år sedan. Och många av de öronförsedda malarna är känsliga endast för de frekvenser som används av de lokala fladdermössen – ett starkt bevis för att öronen utvecklades som fladdermusdetektorer.

Vad ska man göra av mantisen, ägaren till det cyklopiska örat? I dag verkar maneterna använda sina öron uteslutande som fladdermusdetektorer. Men entomologer har nu stora mängder data om mantisöronens varierande anatomi och ett exakt DNA-baserat släktträd för mantiser, från vilket de spårade det ursprungliga mantisörat. Det tillhörde en art som levde för 120 miljoner år sedan, dvs. något tidigare än de sonarstyrda fladdermössen. Det finns allt fler bevis för att andra rovdjur än fladdermöss kan ha drivit på utvecklingen av deras öron och öronen hos vissa andra insekter – kanske reptiler, eller fåglar, eller tidiga däggdjur. Djur som rör sig genom undervegetationen, som prasslar över stenar eller som landar på en gren med lövverk är sällan tysta. De ljud de ger ifrån sig innehåller både hörbara och ultraljud.

Flygande fåglar, som har funnits i 150 miljoner år, ses alltmer som utmanare. I banbrytande forskning har kanadensiska biologer spelat in ljud som genereras av vingslag hos mesar och fågelsångare när de går in på insektsbyten. De fann att vingslagen innehåller ett brett spektrum av frekvenser som insekterna kan uppfatta, från låga ljud som kan höras av cikador, fjärilar och gräshoppor till ultraljud som uppfattas av nattfjärilar och maneter.

Och hur är det med katydiderna, som har de äldsta öronen av alla? Moderna katydider använder sina öron både för kommunikation och som fladdermusdetektorer. Men katydidernas ljudproducerande apparat kan genom fossilregistret spåras tillbaka till en tidig typ av förfader som levde för 250 miljoner år sedan, långt före fladdermössen. Så den rådande teorin har hittills varit att utvecklingen av katydidernas öron tog några vändningar. Öronen hade ursprungligen till uppgift att göra det möjligt för katydiderna att höra varandra, och senare, enligt teorin, användes öronen för att fungera som fladdermusdetektorer. Detta ledde till att hörseln utvidgades från det hörbara området (under 20 kHz) till det ultraljudliga området (utom räckhåll för mänskliga öron) – vilket i sin tur möjliggjorde utvecklingen av de mer komplexa, högre tonhöjdssånger som katydider uppvisar i dag. I dag är det bara en minoritet av katydiderna som sjunger i det hörbara området, medan cirka 70 procent har ultraljudssånger och några få har extraordinärt höga sånger. Rekordhållaren är hittills den nyligen upptäckta Supersonus aequoreus, som ropar på häpnadsväckande 150 kHz.

Men stämmer den historien? För att komma fram till svaret behövde forskarna veta vad katydider hörde i ett avlägset förflutet, och det innebar att man måste ta en närmare titt på katydidfossil. De fossila öronen är i sig inte särskilt informativa: De är sällsynta och deras struktur är svår att urskilja. Men det finns ett annat sätt att få reda på hörseln: genom den detaljerade anatomin hos den ljudproducerande fil- och skrapapparaten på fossilerade katydidvingar. ”Dessa strukturer är mycket större och tydligare, och vi kan använda dem för att återskapa det ljud som de producerade mycket exakt”, säger Montealegre-Z – och utifrån det dra slutsatser om vad katydiderna måste ha hört.

Skutt från det förflutna

2012 skapade Montealegre-Z och hans kollega Daniel Robert, expert på bioakustik vid Bristols universitet, rubriker när de använde detta tillvägagångssätt för att rekonstruera sången från en katydid från jura, ett ljud som inte hade hörts på 165 miljoner år. Det som gjorde detta möjligt var upptäckten av en kinesisk fossil katydid med nästan perfekt bevarade vingar. Archaboilus musicus, som den utdöda insekten har kallats, skulle ha ”sjungit” musikaliska sånger vid frekvenser runt 6,4 kHz, vilket låter mer som en syrsa än en modern katydid. Det stämmer väl överens med historien om att katydider först utvecklade hörseln för att kommunicera.

Sedan dess har teamet dock studerat fler fossila katydider, och vad de hittar tyder på att teorin kan behöva en översyn. Det verkar som om vissa gamla katydider använde ultraljud långt innan fladdermöss existerade, säger Montealegre-Z. Katydider hör också ett mycket bredare frekvensområde än vad de skulle behöva bara för att höra sig själva. Enligt honom tyder detta på att deras öron först utvecklades inte för att sjunga utan, i likhet med maneter, för att bevara sig själva. ”Jag tror att deras öron utvecklades för att höra rovdjur”, säger han till mig. ”Rovdjur ger ifrån sig en mängd olika ljud och därför måste öronen kunna urskilja dem.”

Om studier som dessa hjälper till att reda ut den evolutionära historien om hörseln hos insekter, lovar de också något mer: möjligheten att tjuvlyssna på det forntida förflutna och få nya insikter om insekters beteende. De har också gjort mig otålig inför nästa sommar och chansen att utforska det rika insektslivet i de mjukt böljande kritbergen häromkring med nya ögon – och öron, särskilt öron.

Under sommaren lever luften över Sussex Downs i en symfoni av insektsljud när gräshoppor och katydider kvittrar, surrar och klickar i sin jakt på kärlek. Om jag anstränger mina öron till det yttersta kan jag kanske urskilja en stor grön katydids symaskinsrassel eller en kottehuvuds mjuka väsande sång, och om jag har mycket tur kan jag kanske till och med urskilja vårtbitarens snabba klick, Storbritanniens mest sällsynta katydid. Men hur mycket mer kommer jag att missa? Jag skulle ge mycket för att ha öron som kan uppfatta de sånger och ljud som forskare håller på att sätta ihop, men som endast insekter kan höra.