Лягушки без ушей слышат ртом
Лягушки Гарднера с Сейшельских островов, одни из самых маленьких лягушек в мире, не имеют среднего уха с барабанной перепонкой, но могут квакать и слышать других лягушек. Международная команда учёных с помощью рентгеновских лучей решила эту загадку и установила, что эти лягушки используют ротовую полость и ткани для передачи звука во внутреннее ухо. Результаты опубликованы в PNAS 2 сентября 2013 года.
Команда под руководством Рено Боастеля из CNRS и Университета Пуатье включала также учёных из Института Ланжевена ESPCI ParisTech, Лаборатории механики и акустики в Марселе, Института системной и синтетической биологии Университета Эври (Франция), Фонда охраны природы Сейшел и Европейского синхротрона ESRF в Гренобле.
Способность слышать звук характерна для многих линий животных и появилась в триасовый период (200–250 миллионов лет назад). Хотя слуховые системы четвероногих с тех пор претерпели множество изменений, у них сохранилось среднее ухо с барабанной перепонкой и слуховыми косточками, которое возникло независимо в основных линиях. С другой стороны, у некоторых животных, в частности у большинства лягушек, нет наружного уха, как у человека, но есть среднее ухо с барабанной перепонкой, расположенной прямо на поверхности головы. Звуковые волны заставляют её вибрировать, и перепонка передаёт эти колебания с помощью косточек во внутреннее ухо, где волосковые клетки преобразуют их в электрические сигналы, отправляемые в мозг. Возможно ли обнаружить звук в мозге без среднего уха? Ответ — нет, потому что 99,9% звуковой волны, достигающей животного, отражается от поверхности его кожи.
«Однако нам известны виды лягушек, которые квакают, как другие, но не имеют тимпанального среднего уха, чтобы слышать друг друга. Это кажется противоречием», — говорит Рено Боастель. «Эти маленькие животные, лягушки Гарднера, жили изолированно в тропических лесах Сейшел 47–65 миллионов лет, с тех пор как эти острова отделились от материка. Если они могут слышать, их слуховая система должна быть реликтом жизненных форм древнего суперконтинента Гондвана».
Чтобы установить, используют ли эти лягушки звук для общения, учёные установили в их естественной среде обитания громкоговорители и транслировали заранее записанные песни лягушек. Это заставило самцов в лесу отвечать, что доказало их способность слышать звук из динамиков.
Следующим шагом было определить механизм, с помощью которого эти, казалось бы, глухие лягушки могли слышать звук. Были предложены различные механизмы: экстратимпанальный путь через лёгкие, мышцы, которые у лягушек соединяют плечевой пояс с областью внутреннего уха, или костная проводимость. «Будет ли ткань тела проводить звук, зависит от её биомеханических свойств. С помощью методов рентгеновской визуализации в ESRF мы смогли установить, что ни лёгочная система, ни мышцы этих лягушек не вносят значительного вклада в передачу звука во внутреннее ухо», — говорит учёный ESRF Питер Клотенс, участвовавший в исследовании. «Поскольку эти животные крошечные, всего один сантиметр в длину, нам нужны были рентгеновские изображения мягких тканей и костных частей с микрометрическим разрешением, чтобы определить, какие части тела участвуют в распространении звука».
Численное моделирование помогло исследовать третью гипотезу о том, что звук воспринимается через голову лягушки. Эти симуляции подтвердили, что рот действует как резонатор или усилитель для частот, издаваемых этим видом. Синхротронная рентгеновская визуализация разных видов показала, что передача звука из ротовой полости во внутреннее ухо была оптимизирована двумя эволюционными адаптациями: уменьшенной толщиной ткани между ртом и внутренним ухом и меньшим количеством слоёв ткани между ними. «Комбинация ротовой полости и костной проводимости позволяет лягушкам Гарднера эффективно воспринимать звук без использования тимпанального среднего уха», — заключает Рено Боастель.