Уши кузнечиков открывают путь к созданию революционных акустических сенсоров

Новое исследование показало, что слуховые каналы кузнечиков (семейство Tettigoniidae) эволюционировали так, чтобы работать по тому же принципу, что и уши млекопитающих, — усиливать звук и модулировать звуковое давление. Эти открытия могут помочь учёным создать более совершенные акустические сенсоры для использования человеком.

Кузнечики зависят от акустической коммуникации для выживания: самцы издают звуки для привлечения самок. Их крошечные «уши» расположены на передних лапках и, подобно человеческим, имеют наружное, среднее и внутреннее ухо. Прозрачные покровы многих видов позволяют учёным изучать слуховые процессы.

Международная команда сенсорных биологов и математиков обнаружила, что роговидное наружное ухо насекомого, называемое акустической трахейной трубкой, улавливает звук так же, как слуховой канал млекопитающих: усиливает и трансформирует звуковые волны, которые затем передаются на поверхность барабанной перепонки, обеспечивая животному направленный слух.

До сих пор механизм, ответственный за такие изменения уровня звукового давления, влияющие на направленный слух, оставался неизвестным. Результаты могут революционизировать способ, которым слуховые устройства определяют местоположение или источник обнаруженного звука. Это поможет в сложной разработке беспроводных акустических сенсорных сетей, используемых для мониторинга и наблюдения.

Исследование проводилось на виде Copiphora gorgonensis, обитающем в колумбийских тропических лесах. Команда использовала 3D-рентгеновскую визуализацию для захвата структуры ушей кузнечика и математический анализ для определения работы звука внутри акустической трубки.

Работа является частью проекта Европейского исследовательского совета стоимостью €1,9 млн под руководством профессора Фернандо Монтеалегре-Запаты, энтомолога, специализирующегося на сенсорной биологии и биофизике в Университете Линкольна (Великобритания). Исследование проводилось совместно с Бристольским университетом (Великобритания) и Университетом Граца (Австрия).

Доктор Эмине Челикер, научный сотрудник по численному моделированию в Школе наук о жизни Университета Линкольна, которая провела исследование, отметила:

• Это первый шаг в использовании комбинированных экспериментальных и математических методов для определения механизма, который кузнечики используют, чтобы слышать песни своего вида.
• Результаты убедительно указывают, что ухо кузнечика обрабатывает звук так же, как ухо млекопитающего, что делает его изучение жизненно важным для разработки новых слуховых сенсоров.
• С помощью лазерной допплеровской виброметрии, измеряющей вибрации звуковых волн на поверхности слухового канала, были получены записи слухового процесса.
• Применение математического моделирования ушей в сочетании с реальными экспериментами также показало, что слуховой канал фильтрует звуковые частоты, важные для выживания вида, избирательно усиливая только поведенчески релевантные для животных частоты — например, их брачную песню или высокочастотные сигналы хищных летучих мышей.
• Традиционно известно, что рупоры увеличивают громкость звука. Для слуха кузнечиков также предполагалось, что это связано с геометрией его акустической трубки. Это было подтверждено после тщательного изучения процессов, вовлечённых в усиление звука. Результаты имеют огромный потенциал для применения в улучшении акустических сенсоров, таких как устройства прослушивания.

Результаты исследования опубликованы в журнале Biophysical Journal.