虫耳:人类和昆虫的耳朵拥有相似的结构

在一个引人注目的趋同进化案例中,蝈蝈的耳朵进化出了类似于人类的结构,尽管规模要小得多

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一种雨林蝈蝈的耳朵进化得非常像人类和其他哺乳动物的耳朵。研究人员发现,尽管这种昆虫的听觉器官位于其前腿的弯曲处,但其组成部分与我们自身的中耳和内耳结构相呼应。

在人类中,耳朵的外部部分收集声波,并将其漏斗式地导入鼓膜的薄膜,也称为鼓膜。鼓膜的振动将声音的压力波转化为我们体内最小的三块骨头——锤骨、砧骨和镫骨——这些骨头会振动一个蜗牛壳状的器官,称为耳蜗,其弯曲处排列着感觉细胞毛。外部摆动的骨头会晃动器官内部的液体,并触发这些细胞,这些细胞通过听觉神经向大脑发送信号。对高频做出反应的毛细胞最靠近波传播的起点,而对低频做出反应的细胞则位于耳蜗的深处。

Copiphora gorgonensis是一种来自哥伦比亚戈尔戈纳岛的黄橙色面部的蝈蝈。这种昆虫的听觉器官包括一个连接到薄角质板的鼓膜。声波像跷跷板一样摇动鼓膜,从而摇动角质板。但是跷跷板是不平衡的,支点更靠近一端。这种设置将来自气压波的较大运动转化为角质板中较小,更强大的运动。该板在类似于展开的耳蜗的充满液体的腔室中产生涟漪。在这个腔室内,感觉细胞像键盘一样从高频到低频敏感度排列。


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角质板的作用与哺乳动物耳朵中微小的锤骨、砧骨和镫骨相同,但规模更小。一个位于英国的研究团队在11月16日出版的《科学》杂志上报道称,蝈蝈的整个耳朵跨度仅为600微米。(一微米是百万分之一米。)

该研究的主要作者,现在就职于英国林肯大学的感官生物学家费尔南多·蒙特阿莱格雷-Z表示,C.gorgonensis精致进化的耳朵可能有助于它躲避捕食者。这些蝈蝈以超声波进行交流,这个范围对动物世界中的大多数耳朵来说太高了——因此对大多数潜在的捕食者来说也是如此。它们的感官细胞做出反应的频率范围为10到50千赫。一段40微米长的细胞足以听到同伴蝈蝈的声音,它们的歌声在23千赫左右。这一发现表明,蝈蝈可以听到一系列高频声音,很可能包括以回声定位的蝙蝠捕猎时的叫声。

康奈尔大学神经生物学和行为学教授罗恩·霍伊没有参与这项工作,他说:“[这项发现]是趋同进化的又一个显著例证。”他解释说,声音在空气中传播良好,但是当它遇到液体界面时,大多数声波都会在其表面反弹。但是,由于感觉细胞必须浸在液体中以防止干燥,因此听觉器官必须进化出克服这一障碍的结构。直到现在,昆虫进化中是如何规避这个问题的仍然是个谜。“这确实是关于昆虫如何解决这个问题的第一份报告,”他说。尽管蝈蝈是唯一拥有这种耳朵的昆虫,但霍伊说,如果科学家没有发现其他例子,他会感到惊讶。他撰写了一篇评论来配合这份新报告。

蒙特阿莱格雷-Z还对第二种蝈蝈感兴趣,这种蝈蝈仅使用14个感觉细胞就可以检测到10到160千赫之间的声波。他不知道这些细胞是否以某种方式对多个频率做出反应,或者蝈蝈是否反而听到了完整声学范围的更简单的转换。他说,这种微型系统的高效率可以启发工程师基于蝈蝈的耳朵设计来创建微型传感器。

霍伊解释说,一些微型传感器已用于定向助听器。受蝈蝈启发的传感器可能更不易碎、更小且更灵敏,从而激发我们尚未想到的应用。“谁知道它们在富有想象力的工程师手中会变成什么样子?”他说。

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