Чудо-ухо зелёного кузнечика

Джонатан Сарфати

Человеческие органы слуха имеют изысканный и сложный дизайн. Помните, как трудно вам услышать кого-либо, если вы находитесь под водой и наоборот. Это связано с тем, что большая часть звуковой энергии не проходит через границу между воздухом и водой, а отражается от неё. Однако для нашего слуха просто необходимо, чтобы энергия звука переходила из воздуха в жидкость. Чтобы не пересыхать, наши сенсорные клетки погружены в жидкость, а звуковые волны имеют очень малую амплитуду энергии.1

Наши уши решают эту проблему, известную как несоответствие акустического сопротивления, с помощью крошечных косточек: три косточки, расположенные внутри уха, действуют как преобразователи сопротивления. Барабанная перепонка собирает воздушные вибрации звука и заставляет ушные косточки вибрировать. Эти косточки действуют как рычаги: они увеличивают силу вибрации, которая действует на отверстие в заполненной жидкостью улитке. Этот частотный анализатор покрыт изнутри чувствительными крошечными волосками, которые собирают колебания жидкости и образуют нервные импульсы. Наш мозг интерпретирует их как звуки разной высоты.

Ученые из Бристольского университета (Соединенное Королевство) обнаружили, что насекомые используют те же самые принципы, но только в уменьшенных масштабах.2 Краснолицый южноамериканский зеленый кузнечик Copiphora gorgonensis поёт с частотой 23 кГц (23000 циклов в секунду). Так он привлекает внимание особи противоположного пола. Кстати сказать, человеческое ухо не способно услышать звук на такой высоте. Если так, то насекомое должно быть способно не только издавать, но и слышать звук с такой ультразвуковой частотой. На самом деле, они слышат в диапазоне 10–50 кГц, поэтому легко могут уловить разницу между своим другом и летучей мышью, обладающей удивительными эхолокационными способностями.3

Рисунок: Дорсолатеральное изображение внешнего уха

Длина уха зеленого кузнечика всего 600 микрон,4 меньше чем рисовое зернышко. Что удивительно, уши расположены на лапках, а не на голове! Новое открытие представляет собой крошечную и малозаметную трубочку, заполненную смазочным материалом, которое находится под давлением. При открытии эта трубочка лопается. Для того чтобы её рассмотреть, исследователи применили микроскопический компьютерный томограф. Они увидели, что барабанная перепонка кузнечика крепится к пластине внутри трубки с помощью рычага. Сторона рычага, соприкасающаяся с воздухом, длиннее, чем сторона, контактирующая с жидкостью. Поэтому любые звуковые вибрации, возникающие в воздухе, вызывают небольшие движения, а в жидкости трубки наоборот большие. Здесь вибрации улавливаются сенсорными клетками. Эта эффективная система работает намного проще и прочнее нашей системы слуха, но в гораздо меньших масштабах.

К сожалению, исследователи отдали все почести эволюции, а не Творцу. Они заявили, что уши зеленого кузнечика и человека являются прекрасным примером конвергентной эволюции. Т.е. они хотят сказать, что структуры, которые никак не связаны друг с другом, предположительно эволюционировали отдельно для выполнения одной и той же функции. Но факты куда лучше указывают на Дизайнера, который решает акустические проблемы с помощью одинаковых принципов, но применяет их разными способами. Один из ведущих исследователей, д-р Фернандо Монтеалегре Запата, сказал: «Эффективность микроскопической системы уха зеленого кузнечика могла бы вдохновить инженеров на создание микросенсоров».4 Рон Хой, профессор нейробиологии и поведения из корнельского университета, интересуется, какими могли бы быть эти сенсоры «в руках одаренного инженера?»5

Ссылки и примечания

1. Мы можем измерить силу звука с помощью отличия давления от нормы. Одна атмосфера давления равна 101,325 паскалей. Мы можем слышать звуки (при 1 кГц) с разницей в давлении всего 2×10^-5 Па Вернуться к тексту.
2. Монтеалегре-З., Ф. и 4 других, Конвергентная эволюция между системой слуха млекопитающих и насекомых // Science 338(6109): 968–971, 16 ноября 2012 г. ‏ doi:10.1126/science.1225271. Вернуться к тексту.
3. Андервуд E., Тропические насекомые слышат как люди, news.sciencemag.org, 15 ноября 2012 г. Вернуться к тексту.
4. Фессенден M., С жучком в ухе: люди и насекомые обладают одинаковыми слуховыми структурами, scientificamerican.com, 19 ноября 2012 г. Вернуться к тексту.
5. Хой Р.Р. // Science 338(6109):894–895, 16 ноября 2012 г. | doi:10.1126/science.1231169 (комментарии по Монтеалегре-З., ссылка 2). Вернуться к тексту.