ovenfor: sammensat fra KARRUS ISTOCK.COM, GEORGE PERKINS ; ISTOCK.COM, THECRIMSONMONKEY
fugle har et rigt vokalrepertoire, som de bruger til at kommunikere med deres jævnaldrende, men adfærdsøkolog Mylene Mariette er mere interesseret i de opkald, de foretager, når de tilsyneladende er alene.
mens hun arbejdede som forsker ved Deakin University i Australien, havde Mariette plantet mikrofoner i reden af fangne sebrafinches (Taeniopygia guttata) for at undersøge, hvordan mandlige-kvindelige par koordinerer deres forældreindsats. En dag i 2014 bemærkede hun, at “nogle gange ville en forælder producere et meget andet opkald, når det inkuberede af sig selv,” minder Mariette om, hvilket fik hende til at undre sig “om det kommunikerede med embryonerne, fordi de var det eneste publikum der.”
vi ved meget om, hvad der sker, før æggene lægges, og når de klækkes, men i midten er der faktisk ikke meget kendt.
—Fabien Aubret, Nationalt Center for videnskabelig forskning
det Råb, hun overhørte—en form for vokal panting—er en, som finker producerer, når temperaturerne stiger, og mens yderligere observationer viste, at de undertiden producerer dette varmeopkald, når de er alene eller omkring andre voksne, er det oftest lavet i nærværelse af æg, især dem, der næsten er klar til at klække. Og de udviklende kyllinger reagerer: afspilningseksperimenter afslørede, at kyllinger, der hørte opkaldet før udklækning, voksede langsommere, muligvis for at reducere den iltningsspænding forårsaget af høje temperaturer eller for at maksimere varmeafledning fra deres mindre kroppe. Ud over, varme call–udsatte fugle søgte varmere reder som voksne, producerede flere unger i løbet af deres første ynglesæson, og var mere modtagelige for at prøve nye fødevarer end kontroller, der ikke hørte varmeopkaldet som embryoner, men ellers blev opdrættet under de samme varme forhold. Især mandlige finker lærte et mere forskelligartet repertoire af opkald, hvilket øgede deres reproduktive succes.
Mariette er ikke sikker på, om fugleforældrene foretog opkaldet med vilje for at kommunikere med deres unger, eller om kyllingerne aflyttede, og hun bemærker, at det er almindeligt, at en eksisterende adfærd, såsom vokal panting (som spreder varme), samles til et andet formål såsom kommunikation. Uanset hvordan det udviklede sig, udveksling af information gavner sandsynligvis alle, hun siger. Kyllinger, der blev udsat for varmeopkald som embryoner, bad mindre, dog mere intenst, end kontrolkyllinger, når de opdrættes i varme reder, hendes gruppe fandt, måske fordi tiggeri er energisk dyrt. “Hvis de matcher deres forældres evner, spilder de ikke deres egen indsats og tigger mere, end forældrene har råd til,” siger Mariette.
Se “Billede: Hvordan Dyreembryoner aflytter omverdenen”
Mariette og hendes kolleger kaldte fænomenet embryoner, der opfatter og reagerer på eksterne lyde eller andre vibrationer, “akustisk udviklingsprogrammering”, og de har siden beskrevet det i flere papirer, herunder en nylig gennemgang. Da Mariette begyndte at søge efter andre eksempler, fandt hun dem på tværs af æglæggende arter-hos fugle, krybdyr, amfibier og insekter—og fandt senere også beviser hos mennesker. Mens forskerne i disse undersøgelser ikke altid havde sat sig for at opdage prænatal kommunikation, understøtter deres resultater ideen om, at embryoner i stedet for at ligge i dvale i ægets eller livmoderens sikkerhed konstant indstiller sig til auditive stimuli, der påvirker deres udviklingsbane.
disse stimuli kommer i form af opkald, andre lyde og fysiske vibrationer. Oplysningerne kan stamme fra forældre, søskende eller potentielle rovdyr. Forskere afdækker nu de specifikke mekanismer bag de resulterende udviklingsskift i ægbundne embryoner, såvel som de potentielle fordele, mens undersøgelser af gnavere og mennesker belyser, hvordan lyd påvirker hjernens udvikling og endda sprogtilegnelse i pattedyrsembryoner, der bevæger sig i livmoderen. (Se “hvordan lyd påvirker udviklingen hos drægtige Pattedyr” nederst på siden.)
“embryonernes evne til at mærke lyd og vibrationer kan være forfædres, men den måde, den bruges på, udvikler sig i hver art uafhængigt afhængigt af dens fordele,” fortæller Mariette, nu på den biologiske Station I do Larrana i Spanien, forskeren. “Da vi satte det hele sammen, indså vi, at det er meget almindeligt.”
forberedelse til livet på ydersiden
i nogle af de enkleste eksempler på akustisk udviklingsprogrammering kan embryoner bruge lyd til at synkronisere deres ruge. Skildpadder og krokodiller, der begraver deres æg i sandede reder under jorden, gør dette for at overvælde rovdyr. De reptiliske embryoner vil kalde på hinanden, og når koret når en crescendo, begynder deres gale strejf for at undslippe deres æg, stige op til sandets overflade og scurry i vandet.
embryoner af stinkbuggen Halyomorpha halys lytter også til deres jævnaldrende, men i deres tilfælde er det fordi de selv er rovdyrene. Hatching producerer en eksplosiv revne, som beder alle de unge om at dukke op, så de sidste ud ikke spises af deres ældre slægtninge. Adomerus rotundus og skjoldbugen Parastrachia japonensis lukker hver sammen som reaktion på moderens vibrationer Til dels for at beskytte mod søskendekannibalisme. I tilfælde af skjoldbuggen dukker alle larver op på samme tid for at begrænse øjeblikkelig kannibalisme, mens den højeste risiko ikke er umiddelbart efter udklækning, men efter den første smeltning, når ældre nymfer er bløde og mere sårbare over for at blive angrebet af yngre, mindre søskende. Samtidig udklækning kan også hjælpe P. japonensis-mødre beskytter og fodrer deres unge mere effektivt, fordi larverne er i samme udviklingsstadium.
Dyreembryoner kan også bruge lyd til at reagere på den variable risiko for rovdyr af andre arter. Mider forsinker for eksempel klækning med timer, når de mærker vibrationerne fra forskellige arter af rovmider, der går forbi eller faktisk angriber, fandt Kyoto University entomolog Shuichi Yano og kolleger, da de er sikrere inde i deres hårde æg end som sårbare larver. Vibration ” giver en direkte kanal til informationsoverførsel fra miljøet,” skriver Yano i en e-mail til videnskabsmanden.
glasfrøer (familie Centrolenidae), der lægger deres æg i klynger på undersiden af blade overhængende damme i de neotropiske regnskove i Panama, tager det et skridt videre. De er i stand til at forsinke udklækning, hvis de fornemmer et nærliggende rovdyr—fordobling eller endda tredobling af deres embryonale periode fra omtrent 7 til op til 21 dage—eller de kan klække spontant i lyset af et angreb som et forsøg på at flygte, selv før de er fuldt udviklede. Denne ruge plasticitet er praktisk, siger organismebiolog Jesse Delia, da alt ser ud til at spise disse frøer. Under sin doktorgradsforskning ved Boston University dokumenterede han rovdyrforsøg på fem frøarter af slanger, edderkopper, Græshopper og myrer.
embryoner ser ud til at skelne ven fra fjende, siger Delia, nu postdoc på American Museum of Natural History, men han er ikke sikker på præcis hvordan. “Der er helt klart en vis evne til at skelne mellem forældre og farlige signaler,” siger han og tilføjer, at de uhåndterede frøer måske bliver vant til deres fars lyde, når han parrer sig, konfronterer rovdyr og plejer æggene. Når et signal, sandsynligvis en vibration, afviger fra normen, sætter det embryonerne i beredskab, Delia spekulerer, og tegn på fare udløser en justering i udklækningstiden.
sådanne justeringer kan dog komme med en afvejning. I Delias forskning var haletudser, der klækkede tidligt, mindre effektive svømmere og var tilbøjelige til at blive plukket af rovfisk. I 2014 Fabien Aubret, en evolutionær biolog ved det franske nationale center for videnskabelig forskning, fandt bevis for en lignende afvejning blandt nyklækkede viperinvandslanger (Natriks maura), som ofte kommer ud af deres æg synkront med andre koblinger i forskellige aldre lagt i den samme hule bjælke eller andet hulrum. Ved hjælp af infrarød teknologi lånt fra fjerkræindustrien overvågede Aubret hjertefrekvensen på 77 æg, han havde opdrættet i kunstige koblinger af to sæt æg, der var forskellige i alderen med seks dage. Han fandt ud af, at slangerne kan mærke hjerteslagene hos deres naboer og skifte deres egne i overensstemmelse hermed: yngre slangeembryoner havde hurtigere hjerterytme end kontroller hævet isoleret, hvilket igen øgede deres stofskifte. Derudover, Aubret siger, de yngre slanger gik i søvn, når metaboliske hastigheder typisk falder, fremskynde deres modning, så de kunne klække med de ældre æg. Når de klækkede, var de yngre slanger imidlertid kortere og svømmede mindre effektivt end kontroller.
mens Aubret siden er gået videre til at studere forskellige arter og forfølge andre spørgsmål, har frigivelsen af mere forskning om prænatal kommunikation fået ham til at overveje at vende tilbage til slangerne. For nu fortæller han forskeren, at han er begejstret for at se, hvilke andre eksempler forskere dukker op, og hvad de lærer om, hvordan og hvorfor embryoner reagerer på eksterne signaler. “Jeg har altid troet, at inkubationsperioden inden for enhver æglæggende organisme er en sort boks,” siger han. “Vi ved meget om, hvad der sker, før æggene lægges, og når de klækkes, men i midten er der faktisk ikke meget kendt der.”
sporingsmekanismer
for bedre at tackle “hvordan” akustisk udviklingsprogrammering fik Mariettes Sebra finch-team for nylig et nyt medlem, da Julia George, en neurobiolog ved Clemson University, tiltrådte i 2020 for at give et genetisk øje til adfærdsmæssige fund. “Vores hypotese er, at der er to faser til udviklingsmæssig omprogrammering,” siger hun. “For det første ville der være det første svar, hvordan fuglene reagerer på stimuleringen af varmeopkaldet. . . . Og så er den anden del, hvordan du går fra det akutte svar på mere vedvarende ændringer, der påvirker fuglenes udvikling, så de bliver mere tolerante over for varme, når de vokser.”
mens arbejdet endnu ikke er offentliggjort, siger George, at holdet i øjeblikket analyserer RNA-ekspression og DNA-methylering i hjernevæv fra uhåndterede kyllinger for at måle embryonernes udviklingsmæssige reaktioner på både kortvarig og kronisk varmeopkaldseksponering. I deres foreløbige resultater ser gentagen eksponering ud til at udløse noget, siger hun. “Jeg har et signal, som jeg synes er meget forskelligt mellem de varmeopkaldseksponerede dyr og de dyr, der udsættes for kontrolopkald. Jeg er spændt på, at der er denne forskel . . . men jeg kan ikke rigtig fortolke, hvad det er endnu.”
sådanne svar ville ikke være hidtil uset. For et par år siden, i gulbenede måger (Larus michahellis)-langlivede, koloniale havfugle, der lægger koblinger af tre æg—dokumenterede forskere øget global DNA-methylering blandt kyllinger i kunstige laboratoriekoblinger, der hørte voksne mågealarmopkald som embryoner sammen med højere niveauer af stresshormonet cortisol og færre, mindre mitokondrier (indikatorisk for lavere energiproduktion) sammenlignet med kontroller. Der var også adfærdsændringer: kyllinger, der hørte opkaldene inde fra deres æg, forsinkede deres ruge, og mens de stadig var i ægget, vokaliserede de mindre og vibrerede mere, måske for at dele information stille. Efter udklækning var disse kyllinger også hurtigere at krumme efter at have hørt alarmopkaldet.
det er vigtigt, at disse udviklings-og adfærdsændringer blev delt af alle tre hatchlings, selv når kun to æg blev udsat for alarmopkaldene under eksperimentet, sandsynligvis fordi søsknene bevægede sig inde i deres æg og gned skallerne mod hinanden, når rovdyr var nær. Studieforfattere Jose Noguera og Alberto Velando, begge evolutionære økologer ved Universitetet i Vigo i Spanien, siger, at de forventede et vist niveau af informationshandel blandt æggene. Men Velando bemærker i en e-mail til videnskabsmanden, at “i hvilket omfang de ikke-udsatte kyllinger viste de samme svar som deres udsatte søskende var ganske overraskende.”
i en naturøkologi-og Evolutionskommentar, der blev offentliggjort sammen med den gulbenede mågeundersøgelse, skrev Mariette og hendes kollega fra Deakin University Katherine Buchanan, at resultaterne ” antyder en grad af udviklingsmæssig plasticitet baseret på prænatale sociale signaler, som hidtil var blevet anset for umulige.”Selv da de opfordrede til yderligere undersøgelser for at følge de langsigtede virkninger af disse udviklingsændringer, tilføjede de, at arbejdet er “afgørende for at omdefinere fugleembryoner fra passive emner isoleret fra omverdenen til velinformerede spillere, der reagerer på forskellige sociale signaler i deres ydre miljø.”
hvordan lyd påvirker udviklingen hos drægtige pattedyr
ved 25 ugers drægtighed når auditiv udvikling hos mennesker et niveau, hvor fostre kan begynde at reagere på auditive stimuli, hvilket betyder, at de fleste fostre kan høre godt, før de fødes i en periode med kritisk hjerneudvikling, når neurale forbindelser først fastlægges. Faktisk er babyer født i stand til at genkende deres mors stemmer, og eksponering for omgivende lyd i utero har været forbundet med sund hjerneudvikling. Der er endda foreløbige beviser for, at børn, der er vedtaget internationalt inden for de første fem måneder af livet, bevarer talebehandlingsfunktionerne på deres modersmål, selvom de aldrig har talt det selv.
men selvom det er mere ligetil at studere arter, der lægger æg—som kan flyttes, manipuleres og måles relativt let—er det sværere at bestemme, hvordan lyd påvirker babyer i livmoderen. Gnaverforskning er en mulighed. I begyndelsen af 2000 ‘ erne viste en undersøgelse, at udsættelse af hunrotter for maskinstøj i en time hver dag under graviditeten forårsagede væksthindringer, nedsat neurogenese i hippocampus og nedsat rumlig læring hos deres hvalpe. At udsætte dem for” behagelig ” musik i utero førte imidlertid til øget neurogenese og rumlige læringsevner, ifølge undersøgelsen.
en anden tilgang er at studere spædbørn, der er født for tidligt. Selvom en inkubator i neonatal intensive care unit (NICU) er meget forskellig fra en livmoder, kan forskere måle, hvordan babyer reagerer på deres omgivelser, mens de stadig er inden for deres 40 ugers udvikling.
Amir Lahav, tidligere pædiatrisk neurovidenskabsmand ved Harvard Medical School, kom til denne erkendelse i 2007, da hans daværende kone fødte tvillinger for tidligt efter 25 uger. “Jeg gik som forælder for første gang, og jeg blev bombarderet, dybest set chokeret, af mængden af støj, af . . . alarmer og monitorer og ledninger og skraldespande og papirdispensere, ” fortæller han videnskabsmanden. Han henvendte sig til lederen af neonatal pleje og foreslog en uofficiel undersøgelse—Lahav ville optage sin kones stemme, omdanne lyden til at efterligne, hvordan den måske lyder i utero, og spille den til sine tvillinger. Mens resultaterne var foreløbige og ikke omfattede Kontroller, “det medicinske team var forbløffet over, hvordan mine børn sprang over alle mulige komplikationer, de ville forvente for babyer født så tidligt,” herunder vejrtrækningsproblemer, sepsis, hjerneblødning og død.
baseret på dette resultat designede Lahav og hans kolleger endnu et eksperiment, denne gang med 40 premature spædbørn. Fire gange om dagen i en måned hørte nyfødte enten dæmpede,” livmoderbårne ” optagelser af deres mødres stemmer og hjerteslag eller den omgivende lyd fra en travl NICU. Bagefter, holdet afbildede spædbørns hjerner ved hjælp af kranial ultralyd under en rutinemæssig sundhedskontrol. Sammenlignet med kontrollerne havde de babyer, der hørte moderlyde, signifikant større auditive kortikser, et område i hjernen, der var involveret i hørelse og sprogudvikling. Resultaterne ” viser fordelene ved moderlyde i hjernen, i det mindste strukturelt,” siger Lahav, der i sidste ende forlod den akademiske verden for at arbejde som uafhængig konsulent, og hjalp Samsung med at udvikle en app til mødre til at streame optagelser af deres stemmer til babyer i NICU.
Geneva University developmental neuroscientist Petra h Kurtppi undersøger, hvordan lyde tidligt i udviklingen påvirker spædbarnets hjerne—specifikt ser hun på forbindelser mellem regioner som amygdala, hippocampus og orbito-frontal bark. For at gøre det bruger hun musik, som aktiverer flere regioner involveret i auditiv, sensorisk og følelsesmæssig behandling. “Musik har en særlig effekt på mennesker . . . det adskiller sig fra svaret på sprog og stemmer,” fortæller hun videnskabsmanden. “Det er stadig ikke fuldt ud forstået, hvad det er, men det er bestemt potent til at fremkalde følelser.”
i 2020 samarbejdede h prisvindende komponist Andreas Vollenvider om at skabe musik til babyer, som valgt af babyer. Han bragte et veritabelt orkester ind i NICU ‘ en og spillede hvert instrument for spædbørnene, da de vågnede, faldt i søvn eller var aktive i deres inkubatorer. Baseret på visuelle observationer fra H. P. og hendes kolleger og målinger af babyernes puls og øjenbevægelser skabte teamet lydbilleder af, hvad spædbørnene bedst kunne lide—primært harpe, slangefløjte og klokker.
h Kurtppi og hendes samarbejdspartnere delte derefter en kohorte på 30 for tidlige NICU-spædbørn i to grupper, hvoraf halvdelen hørte lydlandskaberne fem gange om ugen, og halvdelen modtog plejestandarden og brugte magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) til at sammenligne deres hjerneudvikling med 15 fuldtidsbørn. I slutningen af eksperimentet matchede hjernerne fra NICU-babyer, der hørte musikken, tættere på babyer født på fuld sigt end hjernerne fra de for tidlige kontroller: de musikeksponerede babyers hvide stof var mere fuldt udviklet, deres amygdalas var større, og forbindelserne mellem regioner i hjernen, der behandler akustiske og følelsesmæssige stimuli, var stærkere.
NICU-miljøet, både Lahav og H Kurtppi er enige, garanterer yderligere undersøgelse, fordi lyd delvis kunne forklare, hvorfor børn, der blev født for tidligt, har en højere forekomst af adfærdsmæssige eller opmærksomhedsrelaterede problemer som ADHD, autisme, aggression eller angst. For NICU-babyer, der tilbringer uger i en inkubator, “er den primære stimulering støj,” siger Lahav. Som et resultat tilføjer han, “hjernen lærer, at støj er den vigtigste ting i livet”, hvilket muligvis gør det sværere at indstille baggrundsstøj og fokusere på den aktuelle opgave.