výše: kompozitní z © ISTOCK.COM, GEORGE PERKINS; © ISTOCK.COM, THECRIMSONMONKEY
ptáci mají bohatý hlasový repertoár, který používají ke komunikaci se svými vrstevníky, ale behaviorální ekolog Mylene Mariette se více zajímá o hovory, které dělají, když jsou zdánlivě sami.
během práce jako výzkumník na Deakin University v Austrálii Mariette zasadila mikrofony do hnízd zajatých Zebra pěnkav (Taeniopygia guttata), aby studovala, jak páry mužů a žen koordinují své rodičovské úsilí. Jednoho dne v roce 2014 si všimla, že „někdy jeden rodič vyprodukuje velmi odlišné volání, když se inkubuje sám, „vzpomíná Mariette, což ji vedlo k přemýšlení“, zda komunikuje s embryi, protože tam byli jediným publikem.“
víme hodně o tom, co se stane před položením vajec a kdy se vylíhnou, ale uprostřed, ve skutečnosti toho není mnoho známo.
– Fabien Aubret, Národní centrum pro vědecký výzkum
výkřik, který zaslechla—forma vokálního lapání po dechu—je ten, který pěnkavy produkují, když teploty stoupají, a zatímco další pozorování ukázala, že někdy produkují toto teplo, když jsou sami nebo kolem jiných dospělých, nejčastěji se vyrábí v přítomnosti vajec, zejména těch, která jsou téměř připravena k vylíhnutí. A vyvíjející se kuřata reagují: experimenty s přehráváním odhalily, že kuřata, která slyšela volání před vylíhnutím, rostla pomaleji, možná ke snížení oxidačního stresu způsobeného vysokými teplotami nebo k maximalizaci odvod tepla z jejich menších těl. Kromě toho, ptáci vystavení teplu hledali teplejší hnízda jako dospělí, během prvního období rozmnožování produkovali více mláďat, a byli přístupnější k vyzkoušení nových potravin, než byli kontroloři, kteří neslyšeli teplo jako embrya, ale byli jinak chováni ve stejných horkých podmínkách. Zejména samci pěnkav se naučili rozmanitější repertoár hovorů, což zvýšilo jejich reprodukční úspěch.
Mariette si není jistá, zda ptačí rodiče volali úmyslně, aby komunikovali se svými mláďaty, nebo zda kuřata odposlouchávala, a poznamenává, že je běžné, že stávající chování, jako je hlasové lapání po dechu (které odvádí teplo), je kooperováno pro jiný účel, jako je komunikace. Bez ohledu na to, jak se vyvinula, výměna informací pravděpodobně prospívá všem, ona říká. Mláďata, která byla vystavena teplu, když embrya prosila méně, i když intenzivněji, než kontrolní mláďata, když byla chována v horkých hnízdech, její skupina našla, možná proto, že žebrání je energeticky drahé. „Pokud odpovídají schopnostem svých rodičů, neplýtvají vlastním úsilím a prosí víc, než si rodiče mohou dovolit,“ říká Mariette.
Viz “ Slideshow: Jak zvířecí embrya odposlouchávají vnější svět“
Mariette a její kolegové nazvali fenomén embryí vnímajících a reagujících na vnější zvuky nebo jiné vibrace „akustickým vývojovým programováním“ a od té doby to popsali v několika dokumentech, včetně nedávné recenze. Když Mariette začala hledat další příklady, našla je u druhů snášejících vejce-u ptáků, plazi, obojživelníci, a hmyz-a později našel důkazy také u lidí. Zatímco vědci v těchto studiích se ne vždy snažili objevit prenatální komunikaci, jejich výsledky podporují myšlenku, že spíše než ležet spící v bezpečí vajíčka nebo dělohy, embrya se neustále ladí do sluchových podnětů, které ovlivňují jejich vývojovou trajektorii.
tyto podněty přicházejí ve formě hovorů, jiných zvuků a fyzických vibrací. Informace mohou pocházet od rodičů, sourozenců nebo potenciálních predátorů. Vědci nyní odhalují specifické mechanismy za výslednými vývojovými posuny embryí vázaných na vejce, stejně jako potenciální přínosy, zatímco studie hlodavců a lidí objasňují, jak zvuk ovlivňuje vývoj mozku a dokonce i osvojování jazyka u embryí savců gestujících v děloze. (Viz „Jak zvuk ovlivňuje vývoj u těhotných savců“ v dolní části stránky. )
„schopnost embryí vnímat zvuk a vibrace by mohla být rodová, ale způsob, jakým se používá, se vyvíjí u každého druhu nezávisle v závislosti na jeho výhodách,“ říká Mariette, nyní na biologické stanici Doñana ve Španělsku, říká vědec. „Když jsme to všechno dali dohromady, uvědomili jsme si, že je to velmi běžné.“
příprava na život na vnější straně
v některých z nejjednodušších příkladů akustického vývojového programování mohou embrya používat zvuk k synchronizaci jejich líhnutí. Želvy a krokodýli, kteří pohřbívají svá vejce v písečných hnízdech pod zemí, to dělají, aby přemohli dravce. Plazí embrya si budou navzájem volat, a když sbor dosáhne crescenda, začnou svou šílenou pomlčku, aby unikli vajíčkům, vystoupali na povrch písku a vrhli se do vody.
embrya smradlavé chyby Halyomorpha halys také poslouchají své vrstevníky, ale v jejich případě je to proto, že oni sami jsou dravci. Vylíhnutí vytváří výbušnou trhlinu, která vyzve všechny mladé, aby se vynořili, aby poslední z nich nebyli snědeni jejich staršími příbuznými. A spojky chyby hrabáče Adomerus rotundus a chyby štítu Parastrachia japonensis se v reakci na mateřské vibrace částečně vylíhly, aby se chránily před sourozeneckým kanibalismem. V případě chyby štítu, všechny larvy se objevují současně, aby omezily okamžitý kanibalismus, zatímco u chyby nory, nejvyšší riziko není bezprostředně po vylíhnutí, ale po prvním moltu, když jsou starší nymfy měkké a zranitelnější vůči napadení mladšími, menší sourozenci. Současné líhnutí může také pomoci P. matky japonensis chrání a krmí svá mláďata efektivněji, protože larvy jsou ve stejné vývojové fázi.
zvířecí embrya mohou také používat zvuk k reakci na variabilní riziko predace jinými druhy. Roztoči například zpožďují líhnutí o hodiny, když cítí vibrace různých druhů dravých roztočů, kteří chodí nebo skutečně útočí, entomolog Kyoto University Shuichi Yano a jeho kolegové zjistili, že jsou bezpečnější uvnitř svých tvrdých vajec než jako zranitelné larvy. Vibrace „poskytují přímý kanál pro přenos informací z prostředí,“ píše Yano v e-mailu vědci.
skleněné žáby (čeleď Centrolenidae), které kladou vajíčka do shluků na spodní straně listů převislých rybníků v neotropických deštných pralesích Panamy, to dělají o krok dále. Jsou schopni oddálit líhnutí, pokud cítí Blízkého predátora-zdvojnásobení nebo dokonce ztrojnásobení embryonálního období ze zhruba 7 na až 21 dní-nebo se mohou spontánně vylíhnout tváří v tvář útoku jako pokus o útěk, ještě předtím, než jsou plně vyvinuty. Tato násadová plasticita se hodí, říká organismální biolog Jesse Delia, protože všechno, jak se zdá, chce tyto žáby jíst. Během doktorského výzkumu na Bostonské univerzitě dokumentoval pokusy o predaci pěti druhů žab hadi, pavouci, kobylky, a mravenci.
zdá se, že embrya odlišují přítele od nepřítele, říká Delia, nyní postdoktorandka v Americkém přírodovědném muzeu, ale není si jistý, jak přesně. „Je zřejmé, že existuje určitá schopnost rozlišovat mezi rodiči a nebezpečnými narážkami,“ říká a dodává, že možná, že nezralé žáby si zvyknou na zvuky svého otce, když se páří, konfrontuje dravce a pečuje o vejce. Když se signál, pravděpodobně vibrace, odchyluje od normy, dává embrya do pohotovosti, Delia spekuluje a známky nebezpečí vyvolávají úpravu doby líhnutí.
takové úpravy však mohou přijít s kompromisem. V deliině výzkumu byli pulci, kteří se vylíhli brzy, méně účinnými plavci a byli náchylní k tomu, aby je chytili dravé ryby. V roce 2014 našel Fabien Aubret, evoluční biolog ve francouzském Národním středisku pro vědecký výzkum, důkazy o podobném kompromisu mezi nově vylíhnutými vodními hady viperine (Natrix maura), kteří se často vynořují ze svých vajec synchronně s jinými spojkami různého věku uloženými ve stejné duté kládě nebo jiné dutině. Pomocí infračervené technologie zapůjčené z drůbežářského průmyslu sledoval Aubret srdeční frekvenci 77 vajec, která choval v umělých spárech dvou sad vajec, které se lišily věkem o šest dní. Zjistil, že hadi mohou cítit srdeční tep svých sousedů a podle toho posunout své vlastní: mladší hadí embrya měla rychlejší srdeční frekvenci než kontroly zvýšené izolovaně, což zase zvýšilo jejich metabolismus. Navíc, Aubret říká, mladší hadi před spaním, když rychlost metabolismu obvykle klesá, urychlení jejich zrání, aby se mohli vylíhnout se staršími vejci. Jakmile se však vylíhli, mladší hadi byli kratší a plavali méně efektivně než kontroly.
zatímco Aubret od té doby přešel ke studiu různých druhů a sledování dalších otázek, vydání dalšího výzkumu prenatální komunikace ho přimělo zvážit návrat k hadům. Prozatím říká vědci, že je nadšený, když uvidí, jaké další příklady vědci objeví a co se dozví o tom, jak a proč embrya reagují na vnější podněty. „Vždycky jsem si myslel, že inkubační doba v jakémkoli organismu snášejícím vejce je černá skříňka,“ říká. „Víme hodně o tom, co se stane před položením vajec a když se vylíhnou, ale uprostřed toho vlastně není moc známo.““
sledovací mechanismy
Chcete-li lépe řešit „jak“ akustického vývojového programování, Mariette ‚ s zebra finch team nedávno získal nového člena, když Julia George, neurobiolog na Clemson University, se připojila v roce 2020, aby poskytla genetické oko nálezům chování. „Naše hypotéza je, že existují dvě fáze vývojového přeprogramování,“ říká. „Za prvé, byla by počáteční reakce, jak ptáci reagují na podnět tepelného volání. . . . A pak druhá část je, jak přejít od této akutní reakce k trvalejším změnám, které ovlivňují vývoj ptáků, takže budou tolerantnější k teplu, jak rostou.“
zatímco práce ještě není zveřejněna, George říká, že tým v současné době analyzuje expresi RNA a methylaci DNA v mozkové tkáni od nezatížených kuřat, aby změřil vývojové reakce embryí na krátkodobou i chronickou expozici tepelného volání. V jejich předběžných výsledcích se zdá, že opakovaná expozice něco spouští, ona říká. „Mám signál, který si myslím, že je opravdu odlišný mezi zvířaty vystavenými tepelnému volání a zvířaty vystavenými kontrolním hovorům. Jsem nadšený, že je v tom rozdíl . . . ale zatím si neumím vyložit, co to je.“
takové odpovědi by nebyly bezprecedentní. Před několika lety, u racků žlutonohých (Larus michahellis)-dlouhověkých koloniálních mořských ptáků, kteří kladli spojky tří vajec—vědci dokumentovali zvýšenou globální methylaci DNA mezi kuřaty v umělých laboratorních spojích, které slyšely poplašné volání dospělých racků jako embrya, spolu s vyššími hladinami stresového hormonu kortizolu a méně menšími mitochondriemi (ukazující nižší produkci energie) ve srovnání s kontrolami. Došlo také ke změnám v chování: kuřata, která slyšela volání z jejich vajec, zpožďovala jejich líhnutí, a zatímco ještě ve vejci, méně vokalizovala a více vibrovala, snad aby tiše sdílela informace. Po vylíhnutí se tato kuřata také rychleji krčila, když uslyšela poplachové volání.
důležité je, že tyto vývojové a behaviorální změny byly sdíleny všemi třemi mláďaty, i když byla během experimentu vystavena poplachovým hovorům pouze dvě vejce, pravděpodobně proto, že se sourozenci pohybovali uvnitř svých vajec a třeli skořápky proti sobě, když byli dravci blízko. Spoluautoři studie Jose Noguera a Alberto Velando, oba evoluční ekologové z University of Vigo ve Španělsku, říkají, že očekávali určitou úroveň obchodování s informacemi mezi vejci. Velando však v e-mailu vědci poznamenává, že „míra, do jaké neexponovaná kuřata vykazovala stejné reakce jako jejich exponovaní sourozenci, byla docela překvapivá.“
v komentáři ekologie přírody a evoluce zveřejněném vedle studie racek žlutonohý Mariette a její kolegyně z Deakin University Katherine Buchananová napsali, že zjištění “ naznačují stupeň vývojové plasticity na základě prenatálních sociálních podnětů, které byly dosud považovány za nemožné.“I když naléhali na další studie, aby sledovaly dlouhodobé účinky těchto vývojových změn, dodali, že práce je „klíčová při předefinování ptačích embryí od pasivních subjektů izolovaných od vnějšího světa, na dobře informované hráče, reagující na různé sociální podněty v jejich vnějším prostředí.“
jak zvuk ovlivňuje vývoj u těhotných savců
po 25 týdnech těhotenství dosáhne sluchový vývoj u lidí úrovně, kdy plody mohou začít reagovat na sluchové podněty, což znamená, že většina plodů může dobře slyšet dříve, než se narodí během období kritického vývoje mozku, kdy jsou nejprve stanoveny nervové spojení. Ve skutečnosti se děti rodí schopné rozpoznat hlasy své matky a vystavení okolnímu zvuku in utero bylo spojeno se zdravým vývojem mozku. Existují dokonce předběžné důkazy o tom, že děti adoptované na mezinárodní úrovni během prvních pěti měsíců života si zachovávají rysy zpracování řeči svého rodného jazyka, i když to nikdy neřekly samy.
ale zatímco je jednodušší studovat druhy, které kladou vejce—které lze relativně snadno pohybovat, manipulovat a měřit-je těžší určit, jak zvuk ovlivňuje děti v děloze. Výzkum hlodavců je jednou z možností. Na počátku roku 2000 studie ukázala, že vystavení samic potkanů strojnímu hluku po dobu jedné hodiny denně během těhotenství způsobilo růstové překážky, sníženou neurogenezi v hipokampu a zhoršené prostorové učení u jejich mláďat. Jejich vystavení „pohodlné“ hudbě in utero však podle studie vedlo ke zvýšené neurogenezi a prostorovým schopnostem učení.
dalším přístupem je studium předčasně narozených dětí. Ačkoli inkubátor v novorozenecké jednotce intenzivní péče (NICU) se výrazně liší od dělohy, vědci mohou měřit, jak děti reagují na své prostředí, zatímco jsou stále ve svých 40 týdnech vývoje.
Amir Lahav, dříve dětský neurovědec na Harvardské lékařské fakultě, přišel k této realizaci v roce 2007, kdy jeho tehdejší manželka porodila dvojčata předčasně ve 25 týdnech. „Poprvé jsem šel jako rodič a byl jsem bombardován, v podstatě šokován množstvím hluku . . . alarmy a monitory a dráty a odpadkové koše a dávkovače papíru, “ říká vědec. Přistoupil k šéfovi novorozenecké péče a navrhl neoficiální studii-Lahav chtěl nahrát hlas své ženy—transformovat zvuk tak, aby napodoboval, jak by to mohlo znít in utero, a hrát to svým dvojčatům. Zatímco výsledky byly předběžné a nezahrnovaly kontroly, „lékařský tým byl ohromen, jak moje děti přeskočily všechny možné komplikace, které by očekávaly u dětí narozených tak brzy,“ včetně problémů s dýcháním, sepse, krvácení do mozku, a smrt.
na základě tohoto výsledku navrhl Lahav a jeho kolegové další experiment, tentokrát se 40 předčasně narozenými dětmi. Čtyřikrát denně po dobu jednoho měsíce slyšeli novorozenci buď tlumené,“ zombifikované “ nahrávky hlasů a srdečních tepů svých matek nebo okolní zvuk rušného NICU. Poté tým zobrazil mozky kojenců pomocí kraniální ultrasonografie během rutinní kontroly stavu. Ve srovnání s kontrolami měly děti, které slyšely mateřské zvuky, výrazně větší sluchové kortexy, oblast mozku zapojená do vývoje sluchu a jazyka. Výsledky „ukazují výhody mateřských zvuků v mozku, alespoň strukturálně,“ říká Lahav, který nakonec opustil akademii, aby pracoval jako nezávislý konzultant, a pomohl společnosti Samsung vyvinout aplikaci pro matky, aby streamovaly nahrávky svých hlasů dětem v NICU.
vývojová neurovědkyně Ženevské univerzity Petra Hüppi zkoumá, jak zvuky na počátku vývoje ovlivňují mozek dítěte-konkrétně se dívá na spojení mezi oblastmi, jako je amygdala, hippocampus a orbito-frontální kůra. K tomu používá hudbu, která aktivuje více oblastí zapojených do sluchového, smyslového a emocionálního zpracování. „Hudba má zvláštní vliv na člověka . . . to se liší od reakce na jazyk a hlasy,“ říká vědkyně. „Stále není plně pochopeno, co to je, ale určitě je to silné při vyvolávání emocí.“
v roce 2020 se Hüppi spojil s oceněným skladatelem Andreasem Vollenweiderem, aby vytvořil hudbu pro kojence podle výběru dětí. Vollenweider přinesl do NICU skutečný orchestr a hrál každý nástroj pro kojence, když se probouzeli, usínání, nebo aktivní ve svých inkubátorech. Na základě vizuálních pozorování Hüppi a jejích kolegů a měření srdeční frekvence a pohybů očí dětí vytvořil tým zvukové krajiny toho, co se dětem nejvíce líbilo—především Harfa, hadí flétna a zvony.
Hüppi a její spolupracovníci pak rozdělili kohortu 30 předčasně narozených dětí NICU do dvou skupin, z nichž polovina slyšela zvukové krajiny pětkrát týdně a polovina z nich dostala standardní péči a pomocí magnetické rezonance (MRI) porovnala jejich vývoj mozku s 15 plnoletými dětmi. Na konci experimentu se mozky dětí NICU, které slyšely hudbu, více shodovaly s mozky dětí narozených v plném termínu, než s mozky předčasných kontrol: bílá hmota dětí vystavená hudbě byla plně vyvinutá, jejich amygdaly byly větší a spojení mezi oblastmi v mozku, které zpracovávají akustické a emocionální podněty, byla silnější.
prostředí NICU, jak Lahav, tak Hüppi souhlasí, vyžaduje další studium, protože zvuk by mohl částečně vysvětlit, proč děti, které se narodily předčasně, mají vyšší výskyt problémů souvisejících s chováním nebo pozorností, jako je ADHD, autismus, agrese nebo úzkost. U dětí NICU, které tráví týdny na konci v inkubátoru, „primární stimulací je hluk,“ říká Lahav. V důsledku toho dodává: „mozek se učí, že hluk je nejdůležitější věcí v životě,“ možná ztěžuje vyladění šumu v pozadí a soustředění se na daný úkol.