Новый орган слуха у кузнечиков может привести к созданию сверхчувствительных технологий

Исследователи из Университета Бристоля и Университета Линкольна обнаружили ранее неизвестный орган слуха в ухе южноамериканских кузнечиков (или певчих цикад). Это открытие может проложить путь для разработки новых биоинспирированных акустических сенсоров, включая медицинскую визуализацию и слуховые аппараты.

Разгадка тайны слуха насекомых

У певчих цикад четыре тимпанальных органа (или «барабанные перепонки») – по два на каждой передней лапке. Однако до сих пор было неизвестно, как эти органы связаны между собой для обеспечения слуха. Так как тимпанальная мембрана не соединяется напрямую с механорецепторами, оставалось загадкой, как звук передается от воздуха к сенсорным клеткам.

Исследование, поддержанное Human Frontiers Science Program (HFSP), проводилось в лаборатории профессора Даниэля Роберта в Университете Бристоля. Доктор Фернандо Монтеалегре-З, ныне работающий в Университете Линкольна, обнаружил новый орган, изучая звукопроводящую систему уха кузнечика. Работа была сосредоточена на виде Copiphora gorgonensis из Национального парка Горгона в Колумбии. Результаты опубликованы в журнале Science.

Открытие «слухового пузырька»

Доктор Монтеалегре-З заявил: «Мы обнаружили новую структуру, которая является ключевым элементом слуха у этих насекомых... Орган представляет собой заполненный жидкостью пузырек, который мы назвали "слуховым пузырьком" (Auditory Vesicle)».

Этот орган опосредует преобразование акустической энергии (звуковых волн) в механическую, гидравлическую и электрохимическую энергию. Использование лазерной допплеровской виброметрии и микро-КТ-сканирования позволило сделать вывод, что процесс основан на системе тимпанальных рычагов, аналогичной слуховым косточкам млекопитающих. Эта система передает колебания из воздуха в жидкость (слуховой пузырек), а затем на механорецепторы. Таким образом, ухо кузнечика выполняет ключевую стадию преобразования импеданса и усиления «воздух-жидкость», как и ухо млекопитающего.

Значение для науки и технологий

У млекопитающих слух основан на трех этапах: сбор звука барабанной перепонкой, преобразование импеданса в среднем ухе и частотный анализ в улитке. Было обнаружено, что ухо певчей цикады выполняет все эти шаги, что ранее для насекомых не было известно.

Высокая чувствительность слуха некоторых видов кузнечиков, способных обнаруживать экстремальные ультразвуковые сигналы (>130 кГц) на больших расстояниях, имеет потенциал для вдохновения инженеров. Доктор Джеймс Виндмилл из Университета Стратклайда отметил, что это открытие внесет ценный вклад в поиск технологий следующего поколения для:

• Слуховых аппаратов
• Биомедицинских систем визуализации
• Ультразвуковой неразрушающей диагностики конструкций

Будущие исследования

Доктор Монтеалегре-З планирует продолжить исследования, изучая виды рода Arachnoscelis, которые используют экстремальный ультразвук (130–150 кГц), чтобы понять, как кузнечики слышат друг друга на больших расстояниях в условиях тропического леса.

Профессор Даниэль Роберт подчеркнул: «Уши этого кузнечика учат нас, что сложные слуховые механизмы могут происходить в очень маленьких ушах... Нам предстоит научиться создавать такие же».

Полевые исследования в Колумбии, финансируемые National Geographic, будут включать подключение специальных электродов к сенсорной системе цикад, что позволит ученым «слышать» те же звуки, что и насекомые.