ABOVE: COMPOSITE from © ISTOCK.COM, GEORGE PERKINS; © ISTOCK.COM, THECRIMSON Monkey
linnuilla on rikas laulurepertuaari, jota ne käyttävät kommunikoidessaan ikätovereidensa kanssa, mutta käyttäytymisekologi Mylene Mariette on kiinnostuneempi kutsuista, joita ne soittavat ollessaan näennäisesti yksin.
työskennellessään tutkijana Deakinin yliopistossa Australiassa Mariette oli istuttanut mikrofoneja vankeudessa elävien seeprapeippojen (Taeniopygia guttata) pesiin tutkiakseen, miten koiras-naarasparit koordinoivat kasvatusponnistelujaan. Eräänä päivänä vuonna 2014 hän huomasi, että ”joskus toinen vanhemmista tuotti hyvin erilaisen puhelun, kun se hautoi itseään”, Mariette muistelee, mikä sai hänet miettimään ”oliko se kommunikoimassa alkioiden kanssa, koska ne olivat siellä ainoa yleisö.”
tiedämme paljon siitä, mitä tapahtuu ennen munintaa ja milloin ne kuoriutuvat, mutta keskeltä ei oikeastaan tiedetä paljoakaan.
– Fabien Aubret, National Centre for Scientific Research
hänen kuulemansa huuto—äänihuulen muoto—on sellainen, jonka Peipot tuottavat lämpötilan noustessa, ja vaikka lisähavainnot osoittivat, että ne joskus tuottavat tämän lämpöhuudon ollessaan yksin tai muiden aikuisten seurassa, se tehdään useimmiten munien läsnäollessa, erityisesti niiden, jotka ovat lähes valmiita kuoriutumaan. Ja kehittyvät poikaset vastaavat: toistokokeet paljastivat, että poikaset, jotka kuulivat kutsun ennen kuoriutumista, kasvoivat hitaammin, mahdollisesti vähentääkseen korkeista lämpötiloista aiheutuvaa oksidatiivista stressiä tai maksimoidakseen lämmöntuottoa Pienemmästä ruumiistaan. Lisäksi lämpökutsulle altistuneet linnut etsivät aikuisina kuumempia pesiä, tuottivat enemmän poikasia ensimmäisellä pesimäkaudellaan ja olivat halukkaampia kokeilemaan uusia ruokia kuin kontrollit, jotka eivät kuulleet lämpökutsua alkioina, mutta joita muuten kasvatettiin samoissa kuumissa olosuhteissa. Erityisesti koiraspeipot oppivat monipuolisemman kutsurepertuaarin, mikä lisäsi niiden lisääntymismenestystä.
Mariette ei ole varma, soittivatko lintujen vanhemmat puhelun tarkoituksellisesti kommunikoidakseen poikastensa kanssa vai salakuuntelivatko poikaset, ja hän toteaa, että on tavallista, että olemassa oleva käyttäytyminen, kuten äänihuuli (joka haihduttaa lämpöä), kootaan johonkin muuhun tarkoitukseen, kuten viestintään. Riippumatta siitä, miten se kehittyi, tietojenvaihto todennäköisesti hyödyttää kaikkia, hän sanoo. Poikaset, jotka altistuivat kuumille kutsuille alkioina, kerjäsivät vähemmän, joskin kiihkeämmin, kuin kuumissa pesissä kasvatetut kontrollipojat, hänen ryhmänsä havaitsi, ehkä siksi, että kerjääminen on energisesti kallista. ”Jos he vastaavat vanhempiensa kykyjä, he eivät tuhlaa omaa ponnisteluaan kerjäämällä enemmän kuin vanhemmilla on varaa”, Mariette sanoo.
Katso ” Diaesitys: Kuinka Eläinalkiot salakuuntelevat ulkomaailmaa”
Mariette kollegoineen kutsui ilmiötä, jossa alkiot havaitsevat ja reagoivat ulkoisiin ääniin tai muihin värähtelyihin ”akustiseksi kehitysohjelmoinniksi”, ja he ovat sittemmin kuvanneet sitä useissa lehdissä, mukaan lukien tuoreessa katsauksessa. Kun Mariette alkoi etsiä muita esimerkkejä, hän löysi niitä munivista lajeista-linnuista, matelijoista, sammakkoeläimistä ja hyönteisistä—ja löysi myöhemmin todisteita myös ihmisistä. Vaikka näiden tutkimusten tutkijat eivät aina olleet pyrkineet löytämään synnytystä edeltävää viestintää, heidän tuloksensa tukevat ajatusta siitä, että sen sijaan, että alkiot makaisivat lepotilassa munasolun tai kohdun turvallisuudessa, ne virittävät jatkuvasti kuuloärsykkeitä, jotka vaikuttavat niiden kehityskulkuun.
nämä ärsykkeet tulevat kutsuina, muina ääninä ja fyysisinä värähtelyinä. Tiedot voivat olla peräisin vanhemmilta, sisaruksilta tai mahdollisilta saalistajilta. Tutkijat selvittävät nyt munasoluihin sitoutuneiden alkioiden kehityksen taustalla olevia erityismekanismeja sekä mahdollisia hyötyjä, kun taas jyrsijöillä ja ihmisillä tehdyissä tutkimuksissa selvitetään, miten ääni vaikuttaa aivojen kehitykseen ja jopa kielen omaksumiseen kohdussa kasvavissa nisäkäsalkioissa. (KS.sivun alalaidasta ”miten ääni vaikuttaa nisäkkäiden kehitykseen”.)
”alkioiden kyky aistia ääntä ja värähtelyä voisi olla esi-isien, mutta sen käyttötapa kehittyy jokaisella lajilla itsenäisesti sen eduista riippuen”, Mariette, joka on nyt Doñanan biologisella asemalla Espanjassa, kertoo The Scientistille. ”Kun laitoimme kaiken yhteen, tajusimme, että se on hyvin yleistä.”
Preparing for life on the outside
joissakin yksinkertaisimmissa esimerkeissä akustisesta kehitysohjelmoinnista alkiot voivat käyttää ääntä synkronoidakseen kuoriutumisensa. Kilpikonnat ja krokotiilit, jotka hautaavat munansa hiekkaisiin pesiin maan alle, tekevät tämän peittääkseen saalistajat. Matelijoiden alkiot huutavat toisilleen ja kuoron saavuttua huippuunsa, aloittavat hullun rynnistyksensä päästäkseen munistaan, nousevat hiekan pinnalle ja kipittävät veteen.
haisukääpiö halyomorpha halysin alkiot kuuntelevat myös ikätovereitaan, mutta heidän tapauksessaan se johtuu siitä, että he itse ovat saalistajia. Kuoriutuminen synnyttää räjähtävän halkeaman, joka saa kaikki poikaset nousemaan esiin, jotta vanhemmat sukulaiset eivät söisi viimeisiä. Adomerus rotundus-ja parastrachia japonensis-kuoriaiset kuoriutuvat yhdessä vastatakseen äidin värähtelyihin ja suojautuakseen sisarusten kannibalismilta. Kilpivirheen tapauksessa kaikki toukat tulevat samanaikaisesti rajoittamaan välitöntä kannibalismia, kun taas burrower-bugissa suurin riski ei ole heti kuoriutumisen jälkeen vaan ensimmäisen sulan jälkeen, kun vanhemmat nymfit ovat pehmeitä ja alttiimpia nuorempien, pienempien sisarusten hyökkäyksille. Samanaikainen kuoriutuminen voi myös auttaa P. japonensis-emot suojelevat ja ruokkivat poikasiaan tehokkaammin, koska toukat ovat samassa kehitysvaiheessa.
Eläinalkiot voivat myös käyttää ääntä reagoidakseen muuttuvaan muiden lajien saalistusriskiin. Punkit, esimerkiksi, viivästyttää kuoriutumisen tuntia, kun he aistivat tärinää eri lajien saalistushinnoittelun punkit kävelemässä tai todella hyökkää, Kioton yliopiston entomologi Shuichi Yano ja kollegat löysivät, koska ne ovat turvallisempia sisällä niiden kova munat kuin haavoittuvia toukkia. Tärinä ”tarjoaa suoran kanavan informaation välittämiseen ympäristöstä”, Yano kirjoittaa tutkijalle lähettämässään sähköpostissa.
Lasisammakot (heimo Centrolenidae), jotka munivat ryppäinä lehtien alapinnoille Panaman neotrooppisissa sademetsissä, ottavat sen askeleen pidemmälle. Ne pystyvät viivyttämään kuoriutumista, jos ne havaitsevat lähellä olevan saalistajan-kaksinkertaistavan tai jopa kolminkertaistavan alkioaikansa noin 7 päivästä jopa 21 päivään-tai ne voivat kuoriutua spontaanisti pakoyrityksenä tapahtuvan hyökkäyksen edessä, jo ennen kuin ne ovat täysin kehittyneet. Tämä kuoriutuva plastisuus tulee tarpeeseen, sanoo organismibiologi Jesse Delia, sillä kaikki näyttää haluavan syödä näitä sammakoita. Bostonin yliopistossa suorittamassaan väitöstutkimuksessa hän dokumentoi käärmeiden, hämähäkkien, heinäsirkkojen ja muurahaisten saalistusyrityksiä viidelle sammakkolajille.
alkiot näyttävät erottavan ystävän vihollisesta, sanoo Delia, joka on nykyään postdoc American Museum of Natural Historyssa,mutta ei ole varma miten. Hän sanoo ja lisää, että ehkä Sammakot tottuvat isänsä ääniin, kun se parittelee, kohtaa saalistajia ja hoitaa munia. Kun signaali, todennäköisesti värähtely, poikkeaa normista, se laittaa alkiot hälytystilaan, Delia arvelee, ja vaaran merkit käynnistävät kuoriutumisajan säätelyn.
tällaiset muutokset voivat kuitenkin tulla kaupalla. Delian tutkimuksen mukaan varhain kuoriutuneet nuijapäät olivat vähemmän tehokkaita uimareita ja ne olivat alttiita petokalojen saaliiksi. Vuonna 2014 Fabien Aubret, Ranskan Kansallisen tieteellisen tutkimuksen keskuksen evoluutiobiologi, löysi todisteita samanlaisesta kaupasta vastakuoriutuneiden viperiinivesikäärmeiden (Natrix maura) keskuudessa, jotka usein nousevat munistaan synkronisesti muiden eri-ikäisten kytkimien kanssa, jotka on asetettu samaan onttoon lokiin tai muuhun onkaloon. Siipikarjateollisuudelta lainatun infrapunateknologian avulla Aubret tarkkaili 77 munan sykettä, jotka hän oli kasvattanut keinotekoisissa kynsissä kahdesta munasarjasta, joiden ikä vaihteli kuudella päivällä. Hän havaitsi, että käärmeet voivat aistia naapuriensa sydämenlyönnit ja muuttaa omiaan sen mukaisesti: nuorempien käärmeenalkioiden syke oli nopeampi kuin eristyksissä kasvatettujen kontrollien, mikä puolestaan lisäsi niiden aineenvaihduntaa. Lisäksi Aubret sanoo, että nuoremmat käärmeet nukkuvat ennen kuin aineenvaihdunta tyypillisesti hidastuu, mikä nopeuttaa niiden kypsymistä, jotta ne voisivat kuoriutua vanhempien munien kanssa. Kuoriuduttuaan nuoremmat käärmeet olivat kuitenkin lyhyempiä ja uivat verrokkia tehottomammin.
vaikka Aubret on sittemmin siirtynyt tutkimaan eri lajeja ja tutkimaan muita kysymyksiä, raskaudenkeskeistä viestintää koskevien lisätutkimusten julkaiseminen on saanut hänet harkitsemaan paluuta käärmeiden pariin. Nyt hän kertoo tutkijalle olevansa innoissaan siitä, mitä muita esimerkkejä tutkijat löytävät ja mitä he oppivat siitä, miten ja miksi alkiot reagoivat ulkoisiin vihjeisiin. ”Olen aina ajatellut, että haudonta-aika missä tahansa munivassa eliössä on musta laatikko”, hän sanoo. ”Tiedämme paljon siitä, mitä tapahtuu ennen munintaa ja kun munat kuoriutuvat, mutta keskeltä ei oikeastaan tiedetä paljoakaan.”
Jäljitysmekanismit
akustisen kehityksellisen ohjelmoinnin ”miten” voitaisiin paremmin puuttua, Marietten zebra finch-tiimi sai äskettäin uuden jäsenen, kun Julia George, neurobiologi Clemsonin yliopistosta, liittyi vuonna 2020 lainaamaan geneettistä silmää käyttäytymislöydöksille. ”Hypoteesimme on, että kehityksen uudelleenohjelmoinnissa on kaksi vaihetta”, hän sanoo. ”Ensin olisi ensimmäinen reaktio, miten linnut reagoivat kiimakutsun aiheuttamaan ärsykkeeseen. . . . Ja sitten toinen osa on, miten siirrytään tuosta akuutista reaktiosta pysyvämpiin muutoksiin, jotka vaikuttavat lintujen kehitykseen niin, että ne sietävät paremmin lämpöä kasvaessaan.”
vaikka teosta ei ole vielä julkaistu, Georgen mukaan ryhmä analysoi parhaillaan RNA-ekspressiota ja DNA: n metylaatiota aivokudoksessa kuoriutumattomista poikasista mitatakseen alkioiden kehitysvasteita sekä lyhytaikaiseen että krooniseen lämpökutsualtistukseen. Heidän alustavissa tuloksissaan Toistuva altistus näyttää laukaisevan jotain, hän sanoo. ”Minulla on signaali, joka on mielestäni todella erilainen lämpökutsulle altistuneiden eläinten ja kontrollikutsuille altistuneiden eläinten välillä. Olen innoissani, että on tämä ero . . . mutta en osaa vielä tulkita, mitä se on.”
tällaiset vastaukset eivät olisi ennenkuulumattomia. Pari vuotta sitten keltajalkaisissa lokeissa (Larus michahellis)-pitkäikäisissä, siirtomaa—ajan merilinnuissa, jotka munivat kolmen munan kynsissä-tutkijat dokumentoivat lisääntynyttä maailmanlaajuista DNA: n metylaatiota poikasten keskuudessa keinotekoisissa laboratoriokytkimissä, jotka kuulivat aikuisten lokkien hälytyskutsuja alkioina, sekä korkeampia stressihormoni kortisolin tasoja ja vähemmän, pienempiä mitokondrioita (mikä osoittaa alhaisempaa energiantuotantoa) verrattuna kontrolleihin. Myös käyttäytymismuutoksia tapahtui: poikaset, jotka kuulivat muniensa sisältä tulevat huudot, viivyttivät kuoriutumistaan, ja ollessaan vielä munassa ne ääntelivät vähemmän ja värisivät enemmän, kenties jakaakseen tietoa hiljaa. Kuoriutumisen jälkeen nämä poikaset olivat myös nopeampia kyyristymään kuullessaan hälytyskutsun.
tärkeää on, että nämä kehityshäiriöt ja käyttäytymismuutokset olivat yhteisiä kaikille kolmelle kuoriutuneelle poikaselle silloinkin, kun vain kaksi munaa altistui kokeen aikana hälytyskelloille, todennäköisesti siksi, että sisarukset liikkuivat muniensa sisällä ja hieroivat kuoria toisiaan vasten saalistajien ollessa lähellä. Tutkijakollegat Jose Noguera ja Alberto Velando, molemmat evolutionaarisia ekologeja Vigon yliopistosta Espanjasta, sanovat odottaneensa jonkinlaista informaatiokauppaa munista. Mutta Velando toteaa tiedemiehelle lähettämässään sähköpostissa, että ” se, missä määrin altistumattomilla poikasilla oli samat reaktiot kuin altistetuilla sisaruksillaan, oli melko yllättävää.”
kirjassaan A Nature Ecology and Evolution commentary, joka julkaistiin yellow-legged gull Studyn rinnalla, Mariette ja hänen Deakinin yliopiston kollegansa Katherine Buchanan kirjoittivat, että löydökset ”viittaavat kehitykseen, joka perustuu prenataalisiin sosiaalisiin vihjeisiin, joita oli tähän asti pidetty mahdottomina.”Vaikka he kehottivat lisätutkimuksiin näiden kehityksellisten muutosten pitkäaikaisten vaikutusten seuraamiseksi, he lisäsivät, että työ on ”avainasemassa lintujen alkioiden uudelleenmäärittelyssä passiivisilta, ulkomaailmasta eristetyiltä koehenkilöiltä, valistuneille toimijoille, jotka vastaavat erilaisiin sosiaalisiin vihjeisiin ulkoisessa ympäristössään.”
miten ääni vaikuttaa kehitykseen raskaana olevilla nisäkkäillä
25 raskausviikolla, ihmisen kuulokehitys saavuttaa tason, jolla sikiöt voivat alkaa reagoida kuuloärsykkeisiin, mikä tarkoittaa, että useimmat sikiöt voivat kuulla hyvin ennen syntymäänsä kriittisen aivojen kehityksen aikana, kun hermoyhteydet on ensin säädetty. Vauvat pystyvät syntyessään tunnistamaan äitinsä äänet, ja altistuminen ympäristön äänille kohdussa on yhdistetty aivojen terveeseen kehitykseen. On jopa alustavia todisteita siitä, että viiden ensimmäisen elinkuukauden aikana kansainvälisesti adoptoidut lapset säilyttävät äidinkielensä puheenkäsittelypiirteet, vaikka he eivät olisi koskaan itse puhuneet sitä.
mutta vaikka on yksinkertaisempaa tutkia lajeja, jotka munivat munia—joita voidaan liikuttaa, manipuloida ja mitata suhteellisen helposti—on vaikeampi määrittää, miten ääni vaikuttaa kohdussa oleviin vauvoihin. Jyrsijätutkimus on yksi vaihtoehto. 2000-luvun alussa tutkimus osoitti, että naarasrotien altistaminen konemelulle tunnin ajan joka päivä tiineyden aikana aiheutti niiden poikasten kasvuhäiriöitä, neurogeneesin heikkenemistä hippokampuksessa ja avaruudellisen oppimisen heikkenemistä. Heidän altistamisensa” mukavalle ” musiikille kohdussa johti kuitenkin tutkimuksen mukaan lisääntyneeseen neurogeneesiin ja tilaoppimiskykyyn.
toinen lähestymistapa on tutkia keskosena syntyneitä pikkulapsia. Vaikka vastasyntyneiden tehohoitoyksikössä (NICU) oleva inkubaattori eroaa suuresti kohdusta, tutkijat voivat mitata, miten vauvat reagoivat ympäristöönsä, kun ne ovat vielä 40-viikkoisessa kehityksessään.
Amir Lahav, entinen Harvard Medical Schoolin lasten neurotieteilijä, tuli tähän oivallukseen vuonna 2007, kun hänen silloinen vaimonsa synnytti kaksoset ennenaikaisesti 25-viikkoisena. ”Menin vanhempana ensimmäistä kertaa, ja olin pommitettu, pohjimmiltaan järkyttynyt, määrä melua, by . . . hälyttimet ja monitorit ja johdot ja roska-astiat ja paperiautomaatit”, hän kertoo tutkijalle. Hän lähestyi vastasyntyneiden hoidon johtajaa ja ehdotti epävirallista tutkimusta—Lahav halusi nauhoittaa vaimonsa äänen, muuttaa äänen jäljittelemään sitä, miltä se saattaisi kuulostaa kohdussa, ja soittaa sen kaksosilleen. Vaikka tulokset olivat alustavia eivätkä sisältäneet kontrolleja, ”lääkintäryhmä oli hämmästynyt siitä, miten lapseni jättivät väliin kaikki mahdolliset komplikaatiot, joita he odottaisivat syntyvillä vauvoilla”, mukaan lukien hengitysvaikeudet, verenmyrkytys, aivoverenvuoto ja kuolema.
tämän tuloksen perusteella Lahav kollegoineen suunnitteli toisen kokeen, tällä kertaa 40 keskosella. Vastasyntyneet kuulivat kuukauden ajan neljä kertaa päivässä joko vaimeita, ”vompamoituneita” äänitteitä äitinsä äänistä ja sydämenlyönneistä tai hälisevän teho-osaston ääntä. Sen jälkeen ryhmä kuvasi pikkulasten aivot kallon ultraäänitutkimuksella rutiininomaisen terveystarkastuksen aikana. Verrokkeihin verrattuna äidin ääniä kuulevilla vauvoilla oli huomattavasti suuremmat kuulokortexit, aivojen alue, joka osallistuu kuuloon ja kielen kehitykseen. Tulokset ”osoittavat, mitä hyötyä äidin äänistä on aivoissa, ainakin rakenteellisesti”, sanoo Lahav, joka lopulta jätti akateemisen maailman työskennelläkseen itsenäisenä konsulttina ja auttoi Samsungia kehittämään sovelluksen, jolla äidit voivat suoratoistaa äänitallenteita teho-osastolla oleville vauvoille.
Geneven yliopiston kehityksellinen neurotutkija Petra Hüppi tutkii, miten varhaisessa kehitysvaiheessa olevat äänet vaikuttavat lapsen aivoihin-erityisesti hän tutkii yhteyksiä mantelitumakkeen, hippokampuksen ja orbito-frontaalisen aivokuoren välillä. Tätä varten hän käyttää musiikkia, joka aktivoi useita kuuloon, aisteihin ja tunteiden käsittelyyn liittyviä alueita. ”Musiikilla on erityinen vaikutus ihmisiin . . . se on eri asia kuin vastaus kieleen ja ääniin”, hän kertoo tutkijalle. ”Sitä ei vieläkään täysin ymmärretä, mikä se on, mutta se varmasti herättää voimakkaita tunteita.”
vuonna 2020 hüppi teki palkitun säveltäjän Andreas Vollenweiderin kanssa yhteistyötä tehdäkseen babies-yhtyeen valitsemaa musiikkia vauvoille. Vollenweider toi NIKUUN varsinaisen orkesterin ja soitti pienokaisille jokaista instrumenttia, kun nämä heräsivät, nukahtivat tai olivat aktiivisia keskoskaapeissaan. Hüppin ja hänen kollegoidensa tekemien näköhavaintojen sekä vauvojen sykkeiden ja silmien liikkeiden mittausten perusteella työryhmä loi äänimaisemia siitä, mistä vauvat pitivät eniten—pääasiassa harpusta, käärmehuilusta ja kelloista.
Hüppi ja hänen yhteistyökumppaninsa jakoivat sitten 30 KESKOSLAPSEN kohortin kahteen ryhmään, joista puolet kuuli äänimaiseman viisi kertaa viikossa ja puolet sai standardihoitoa, ja vertasivat magneettikuvauksen avulla aivojensa kehitystä 15 täysiaikaiseen vauvaan. Kokeen lopussa musiikkia kuulleiden NICU-vauvojen aivot vastasivat paremmin täysiaikaisina syntyneiden lasten aivoja kuin ennenaikaisten kontrollien aivot: musiikille altistuneiden vauvojen valkoinen aine oli kehittyneempää, heidän mantelitumakkeensa olivat suurempia ja aivojen akustisia ja emotionaalisia ärsykkeitä käsittelevien alueiden väliset yhteydet olivat voimakkaampia.
sekä Lahav että Hüppi ovat samaa mieltä siitä, että NICU-ympäristö vaatii lisätutkimuksia, koska ääni voisi osittain selittää, miksi keskosena syntyneillä lapsilla on enemmän käyttäytymiseen tai tarkkaavaisuuteen liittyviä kysymyksiä, kuten ADHD, autismi, aggressio tai ahdistus. Viikkokausia keskoskaapissa viettävillä NICU-vauvoilla ”ensisijainen stimulaatio on Melu”, Lahav sanoo. Hän lisää, että” aivot oppivat, että melu on tärkein asia elämässä”, mikä mahdollisesti vaikeuttaa taustamelun pois sulkemista ja keskittymistä käsillä olevaan tehtävään.