hierboven: samengesteld uit © ISTOCK.COM, GEORGE PERKINS; © ISTOCK.COM ” THECRIMSONMONKEY
vogels hebben een rijk vocaal repertoire dat ze gebruiken om met hun soortgenoten te communiceren, maar gedragseconoloog Mylene Mariette is meer geïnteresseerd in de telefoontjes die ze maken als ze schijnbaar alleen zijn. Tijdens haar werk als onderzoeker aan Deakin University in Australië had Mariette Microfoons geplant in de nesten van gevangen zebravinken (Taeniopygia guttata) om te bestuderen hoe Man-Vrouw paren hun inspanningen op het gebied van ouderschap coördineren. Op een dag in 2014 merkte ze op dat “soms een ouder een heel andere oproep zou produceren wanneer het uit zichzelf incubeerde”, herinnert Mariette zich, waardoor ze zich afvroeg “of het communiceerde met de embryo’ s, omdat zij het enige publiek waren.”
We weten veel over wat er gebeurt voordat de eieren worden gelegd en wanneer ze uitkomen, maar in het midden is er eigenlijk niet veel bekend.
—Fabien Aubret, Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek
de kreet die ze hoorde—een vorm van vocaal hijgen—is er een die vinken produceren wanneer de temperatuur stijgt, en terwijl verdere waarnemingen aantoonden dat ze soms deze hitteroep produceren wanneer ze alleen of in de buurt van andere volwassenen zijn, wordt deze meestal gemaakt in de aanwezigheid van eieren, vooral die die bijna klaar zijn om uit te komen. En de zich ontwikkelende kuikens reageren: uit playback-experimenten bleek dat kuikens die de roep hoorden voordat ze uitbroeden langzamer groeiden, mogelijk om de oxidatieve stress veroorzaakt door hoge temperaturen te verminderen of om de warmteafvoer uit hun kleinere lichamen te maximaliseren. Bovendien zochten vogels die aan hitte bloot stonden warmere nesten als volwassenen, produceerden meer jongen tijdens hun eerste broedseizoen, en waren ze meer vatbaar voor het uitproberen van nieuw voedsel dan controles die de hitteroep niet hoorden als embryo ‘ s, maar anders in dezelfde hete omstandigheden werden gekweekt. Vooral mannelijke vinken leerden een meer divers repertoire van calls, wat hun voortplantingssucces vergrootte.
Zie volledige infographic: WEB
Mariette is niet zeker of de vogelouders opzettelijk de oproep deden om met hun jongen te communiceren of dat de kuikens luisterden, en ze merkt op dat het gebruikelijk is dat een bestaand gedrag, zoals vocaal hijgen (dat warmte afgevoerd), wordt gecoopt voor een ander doel, zoals communicatie. Ongeacht hoe het evolueerde, de uitwisseling van informatie waarschijnlijk voordelen voor iedereen, zegt ze. Kuikens die werden blootgesteld aan hitte oproepen als embryo ‘ s bedelde minder, maar intenser, dan controle kuikens wanneer gekweekt in hete nesten, haar groep vond, misschien omdat bedelen is energetisch duur. “Als ze de capaciteiten van hun ouders evenaren, verspillen ze hun eigen inspanning niet en bedelen ze meer dan de ouders zich kunnen veroorloven”, zegt Mariette.
Zie ” Diavoorstelling: How Animal Embryo ’s Liavesdrop on the Outside World”
Mariette en haar collega ’s noemden het fenomeen van embryo’ s waarnemen en reageren op externe geluiden of andere trillingen “akoestische ontwikkelingsprogrammering”, en ze hebben het sindsdien beschreven in verschillende papers, waaronder een recente review. Toen Mariette op zoek ging naar andere voorbeelden, vond ze ze bij eierleggende soorten-bij vogels, reptielen, amfibieën en insecten—en vond later ook bewijs bij mensen. Terwijl de onderzoekers in die studies niet altijd op zoek waren naar prenatale communicatie, ondersteunen hun resultaten het idee dat in plaats van slapend te liggen in de veiligheid van het ei of de baarmoeder, embryo ‘ s voortdurend afstemmen op auditieve stimuli die hun ontwikkelingstraject beïnvloeden.
deze stimuli komen voor in de vorm van oproepen, andere geluiden en fysieke trillingen. De informatie kan afkomstig zijn van ouders, broers en zussen, of potentiële roofdieren. De onderzoekers ontdekken nu de specifieke mechanismen achter de resulterende ontwikkelingsverschuivingen in ei-gebonden embryo ‘s, evenals de potentiële voordelen, terwijl de studies van knaagdieren en mensen ophelderen hoe het geluid hersenontwikkeling en zelfs taalverwerving in zoogdierembryo’ s die in een baarmoeder worden gestationeerd beïnvloedt. (Zie “How Sound Affects Development in Drachting Mammals” onderaan de pagina.)
“het vermogen van embryo’ s om geluid en trillingen te voelen kan voorouderlijk zijn, maar de manier waarop het wordt gebruikt evolueert in elke soort onafhankelijk, afhankelijk van de voordelen”, vertelt Mariette, nu in het Biologisch Station van Doñana in Spanje, aan de wetenschapper. “Toen we het allemaal samenstelden, realiseerden we ons dat het heel gewoon is.”
Preparing for life on the outside
in enkele van de eenvoudigste voorbeelden van akoestische ontwikkelingsprogrammering kunnen embryo’ s geluid gebruiken om hun uitkomen te synchroniseren. Schildpadden en krokodillen, die hun eieren begraven in zandnesten onder de grond, doen dit om roofdieren te overweldigen. De reptielachtige embryo ‘ s zullen elkaar roepen en, wanneer het koor een crescendo bereikt, beginnen hun gekke dash om hun eieren te ontsnappen, opstijgen naar het zand oppervlak, en rennen in het water.
embryo ‘ s van de stinkwants Halyomorpha halys luisteren ook naar hun soortgenoten, maar in hun geval is dat omdat zij zelf de roofdieren zijn. Het uitbroeden veroorzaakt een explosieve scheur, waardoor alle jongen tevoorschijn komen zodat de laatste niet worden opgegeten door hun oudere verwanten. En legsels van de grauwwants Adomerus rotundus en de schildwants Parastrachia japonensis komen elk in koor uit als reactie op maternale trillingen, deels om te beschermen tegen kannibalisme als broer of zus. In het geval van de schildwants komen alle larven tegelijk tevoorschijn om onmiddellijk kannibalisme te beperken, terwijl bij de grauwe wants het hoogste risico niet direct na het uitkomen is, maar na de eerste rui, wanneer oudere nimfen zacht zijn en kwetsbaarder voor aanvallen door jongere, kleinere broers en zussen. Gelijktijdig uitkomen kan ook helpen P. japonensis moeders beschermen en voeden hun jongen efficiënter omdat de larven zich in hetzelfde ontwikkelingsstadium bevinden.
Zie volledige infographic: WEB
dierlijke embryo’ s kunnen ook geluid gebruiken om te reageren op het variabele risico van predatie door andere soorten. Mijten, bijvoorbeeld, vertragen het uitkomen met uren wanneer ze de trillingen van verschillende soorten roofmijten die voorbij lopen of daadwerkelijk aanvallen, Kyoto University entomoloog Shuichi Yano en collega ‘ s gevonden, omdat ze veiliger zijn in hun taaie eieren dan als kwetsbare larven. Vibration “biedt een direct kanaal voor informatieoverdracht vanuit de omgeving,” Yano schrijft in een e-mail aan de wetenschapper.
Glaskikkers (Centrolenidae), die hun eieren in clusters leggen op de onderzijde van bladeren die over vijvers hangen in de neotropische regenwouden van Panama, gaan nog een stap verder. Ze zijn in staat om het uitkomen uit te stellen als ze een nabij gelegen roofdier voelen—het verdubbelen of zelfs verdrievoudigen van hun embryonale periode van ongeveer 7 tot maximaal 21 dagen—of ze kunnen spontaan uitkomen in het gezicht van een aanval als een poging om te ontsnappen, zelfs voordat ze volledig ontwikkeld zijn. Deze uitbroedende plasticiteit komt van pas, zegt organismale bioloog Jesse Delia, omdat alles, naar het schijnt, deze kikkers wil eten. Tijdens zijn promotieonderzoek aan de Universiteit van Boston documenteerde hij roofpogingen op vijf kikkersoorten door slangen, spinnen, sprinkhanen en mieren.
embryo ‘ s lijken vriend van vijand te onderscheiden, zegt Delia, nu postdoc in het American Museum of Natural History, maar hij weet niet precies hoe. “Er is duidelijk een mogelijkheid om onderscheid te maken tussen ouders en gevaarlijke signalen”, zegt hij, eraan toevoegend dat misschien de niet-geharde kikkers gewend raken aan de geluiden van hun vader als hij paart, confronteert roofdieren, en de eieren verzorgt. Wanneer een signaal, waarschijnlijk een trilling, afwijkt van de norm, het zet de embryo ‘ s op alert, Delia speculeert, en tekenen van gevaar leiden tot een aanpassing in het uitkomen van de tijd.
dergelijke aanpassingen kunnen echter gepaard gaan met een afweging. In Delia ‘ s onderzoek waren kikkervisjes die vroeg uitkwamen minder efficiënte zwemmers en waren ze geneigd om door roofvissen te worden geplukt. In 2014 vond Fabien Aubret, evolutionair bioloog aan het Franse Nationale Centrum voor wetenschappelijk onderzoek, bewijs van een soortgelijke afweging tussen pas uitgekomen viperinewaterslangen (Natrix maura), die vaak synchroon uit hun eieren komen met andere legsels van verschillende leeftijden die in dezelfde holle log of andere holte zijn gelegd. Met behulp van infraroodtechnologie geleend van de pluimvee-industrie, Aubret gecontroleerd de hartslag van 77 eieren hij had gekweekt in kunstmatige legsels van twee sets eieren die verschilden in leeftijd met zes dagen. Hij ontdekte dat de slangen de hartslagen van hun buren kunnen voelen en hun eigen dienovereenkomstig verschuiven: jongere slangenembryo ‘ s hadden een snellere hartslag dan controles verhoogd in isolatie, wat op zijn beurt hun metabolisme verhoogde. Bovendien, Aubret zegt, de jongere slangen voorgingen slapen, wanneer de stofwisseling meestal dalen, versnellen hun rijping, zodat ze konden uitkomen met de oudere eieren. Eenmaal uitgekomen waren de jongere slangen echter korter en zwommen ze minder efficiënt dan de controles.Terwijl Aubret sindsdien is overgegaan tot het bestuderen van verschillende soorten en het nastreven van andere vragen, heeft het vrijgeven van meer onderzoek naar prenatale communicatie hem doen overwegen om terug te keren naar de slangen. Voor nu, vertelt hij de wetenschapper, hij is enthousiast om te zien welke andere voorbeelden onderzoekers opduiken en wat ze leren over hoe en waarom embryo ‘ s reageren op externe signalen. “Ik heb altijd gedacht dat de incubatietijd binnen elk eierleggend organisme een zwarte doos is,” zegt hij. “We weten veel over wat er gebeurt voordat de eieren worden gelegd en wanneer ze uitkomen, maar in het midden is er eigenlijk niet veel bekend.”
Tracing mechanisms
om het “hoe” van akoestische ontwikkelingsprogrammering beter aan te pakken, kreeg Mariette ‘ s zebravink team onlangs een nieuw lid toen Julia George, een neurobioloog aan Clemson University, in 2020 toetrad om een genetisch oog te geven aan de gedragsbevindingen. “Onze hypothese is dat er twee fasen zijn in de herprogrammering van de ontwikkeling”, zegt ze. “Eerst zou er de eerste reactie zijn, hoe de vogels reageren op de stimulus van de warmteoproep. . . . En dan het tweede deel is hoe je van die acute reactie gaat naar meer aanhoudende veranderingen die de ontwikkeling van de vogels beïnvloeden, zodat ze toleranter zijn voor warmte als ze groeien.”
terwijl het werk nog niet is gepubliceerd, zegt George dat het team momenteel RNA-expressie en DNA-methylering analyseert in hersenweefsel van niet-uitgekomen kuikens om de ontwikkelingsreacties van de embryo’ s op zowel korte termijn als chronische blootstelling aan warmteoproepen te meten. In hun voorlopige resultaten, lijkt herhaalde blootstelling iets te triggeren, zegt ze. “Ik heb een signaal, waarvan ik denk dat het echt anders is tussen de warmteoproep–blootgestelde dieren en de dieren blootgesteld aan controleoproep. Ik ben blij dat er een verschil is . . . maar ik kan nog niet echt interpreteren wat het is.”
Zie volledige infographic: WEB
dergelijke reacties zouden niet ongekend zijn. Een paar jaar geleden, in geelpootmeeuwen (Larus michahellis)-langlevende, koloniale zeevogels die leg klauwen van drie eieren—onderzoekers gedocumenteerd toegenomen wereldwijde DNA methylatie onder kuikens in kunstmatige Lab legsels die volwassen meeuw alarm oproepen als embryo ‘ s hoorde, samen met hogere niveaus van het stresshormoon cortisol en minder, kleinere mitochondriën (indicatory van lagere energieproductie) in vergelijking met controles. Er waren ook gedragsveranderingen.: kuikens die de roep vanuit hun eieren hoorden, vertraagden hun broedtijd, en terwijl ze nog in het ei zaten, stemden minder en trilden meer, misschien om rustig informatie te delen. Na het uitkomen, waren deze kuikens ook sneller te hurken bij het horen van de alarmoproep.Belangrijk is dat deze ontwikkelings-en gedragsveranderingen werden gedeeld door alle drie de jongen, zelfs wanneer slechts twee eieren werden blootgesteld aan de alarmbellen tijdens het experiment, waarschijnlijk omdat de broers en zussen zich in hun eieren bewogen en de schelpen tegen elkaar wreven toen roofdieren in de buurt waren. Studie coauteurs Jose Noguera en Alberto Velando, beide evolutionaire ecologen aan de Universiteit van Vigo in Spanje, zeggen dat ze verwacht een niveau van informatie handel tussen de eieren. Maar Velando merkt in een e-mail aan de wetenschapper op dat “de mate waarin de niet-blootgestelde kuikens dezelfde reacties vertoonden als hun blootgestelde broers en zussen nogal verrassend was.In a Nature Ecology and Evolution commentary, gepubliceerd naast de yellow-legged gull study, schreven Mariette en haar collega van Deakin University Katherine Buchanan dat de bevindingen ” een mate van ontwikkelingsplasticiteit suggereren gebaseerd op prenatale sociale signalen die tot nu toe onmogelijk werden geacht.”Zelfs als ze drongen aan op verdere studies om de langetermijneffecten van deze ontwikkelingsveranderingen te volgen, voegden ze eraan toe dat het werk “cruciaal is in het herdefiniëren van vogelembryo’ s van passieve proefpersonen geïsoleerd van de buitenwereld, tot goed geïnformeerde spelers, die reageren op diverse sociale signalen in hun externe omgeving.”
na 25 weken zwangerschap bereikt de auditieve ontwikkeling bij mensen een niveau waarop foetussen kunnen beginnen te reageren op auditieve stimuli, wat betekent dat de meeste foetussen goed kunnen horen voordat ze geboren worden tijdens een periode van kritieke hersenontwikkeling waarin neurale verbindingen voor het eerst worden gelegd. Inderdaad, baby ‘ s worden geboren in staat om de stemmen van hun moeder te herkennen, en blootstelling aan omgevingsgeluid in de baarmoeder is gekoppeld aan gezonde hersenontwikkeling. Er is zelfs voorlopig bewijs dat kinderen die internationaal geadopteerd zijn binnen de eerste vijf maanden van hun leven de spraakverwerkingskenmerken van hun moedertaal behouden, zelfs als ze het nooit zelf hebben gesproken.
maar hoewel het eenvoudiger is om soorten te bestuderen die eieren leggen—die relatief gemakkelijk kunnen worden verplaatst, gemanipuleerd en gemeten—is het moeilijker om te bepalen hoe geluid baby ‘ s in de baarmoeder beïnvloedt. Knaagdier onderzoek is een optie. In de vroege jaren 2000, toonde een studie aan dat het blootstellen van vrouwelijke ratten aan machineruis één uur per dag tijdens zwangerschap de groeibelemmeringen, verminderde neurogenese in de hippocampus, en het verminderde ruimtelijke leren in hun pups veroorzaakte. Het blootstellen van hen aan “comfortabele” muziek in utero, echter, leidde tot verhoogde neurogenese en ruimtelijke leermogelijkheden, volgens de studie.
een andere benadering is het bestuderen van te vroeg geboren zuigelingen. Hoewel een incubator in de neonatale intensive care unit (NICU) is enorm verschillend van een baarmoeder, onderzoekers kunnen meten hoe baby ‘ s reageren op hun omgeving terwijl ze nog binnen hun 40 weken van ontwikkeling. Amir Lahav, voorheen een pediatrische neurowetenschapper aan de Harvard Medical School, kwam tot dit besef in 2007, toen zijn toenmalige vrouw vroeg beviel van een tweeling op 25 weken. “Ik ging als ouder voor de eerste keer, en ik werd gebombardeerd, eigenlijk geschokt, door de hoeveelheid lawaai, door . . . de alarmen en monitoren en draden en vuilnisbakken en papierdispensers, ” vertelt hij de wetenschapper. Hij benaderde het hoofd van de neonatale zorg en stelde een Onofficiële studie voor—Lahav wilde de stem van zijn vrouw opnemen, de audio transformeren om na te bootsen hoe het zou kunnen klinken in de baarmoeder, en het voor zijn tweeling Afspelen. Hoewel de resultaten voorlopig waren en geen controles omvatten, “het medische team was verbaasd hoe mijn kinderen elke mogelijke complicatie die ze zouden verwachten voor baby’ s die vroeg geboren,” met inbegrip van ademhalingsproblemen, sepsis, hersenbloeding, en de dood overgeslagen.
STEPHANE SIZONENKO
op basis van deze uitkomst ontwierpen Lahav en zijn collega ‘ s een ander experiment, dit keer met 40 prematuren. Vier keer per dag gedurende een maand, pasgeborenen hoorde ofwel gedempte,” wombified “opnames van hun moeders’ stemmen en hartslagen of de ambient geluid van een bruisende NICU. Daarna maakte het team foto’ s van de hersenen van de baby ‘ s met behulp van craniale echografie tijdens een routine gezondheidscontrole. Vergeleken met de controles, hadden de baby ‘ s die maternale geluiden hoorden beduidend grotere auditieve cortexen, een gebied van de hersenen betrokken bij het horen en de taalontwikkeling. De resultaten “tonen de voordelen van maternale geluiden op de hersenen, ten minste structureel,” zegt Lahav, die uiteindelijk verliet de academische wereld om te werken als een onafhankelijke consultant, en hielp Samsung ontwikkelen van een app voor moeders om opnames van hun stemmen streamen naar baby ‘ s in de NICU.De neurowetenschapper Petra Hüppi van de Universiteit van Genève onderzoekt hoe geluiden in het begin van de ontwikkeling van invloed zijn op de hersenen van de baby—specifiek kijkt ze naar verbindingen tussen regio ‘ s zoals de amygdala, hippocampus en orbito-frontale cortex. Daarvoor maakt ze gebruik van muziek, die meerdere regio ‘ s activeert die betrokken zijn bij auditieve, zintuiglijke en emotionele verwerking. “Muziek heeft een bijzonder effect op mensen . . . dat verschilt van de reactie op taal en stemmen”, vertelt ze aan de wetenschapper. “Het is nog steeds niet volledig begrepen wat het is, maar het is zeker krachtig in het oproepen van emoties. In 2020 werkte Hüppi samen met de bekroonde componist Andreas Vollenweider om muziek te maken voor baby ‘s, zoals gekozen door baby’ s. Vollenweider bracht een waar orkest naar de NICU en bespeelde elk instrument voor de kinderen als ze wakker werden, in slaap vielen of actief waren in hun couveuses. Op basis van visuele waarnemingen door Hüppi en haar collega’ s en metingen van de hartslag en oogbewegingen van de baby ‘s, creëerde het team soundscapes van wat de baby’ s het leukst vonden—voornamelijk harp, slangenfluit en klokken.Hüppi en haar medewerkers splitsten vervolgens een cohort van 30 premature NICU-zuigelingen in twee groepen, waarvan de helft de soundscapes vijf keer per week hoorde en de helft de standaardzorg kreeg, en gebruikten magnetic resonance imaging (MRI) om hun hersenontwikkeling te vergelijken met 15 voldragen baby ‘ s. Aan het einde van het experiment kwamen de hersenen van NICU-baby’ s die de muziek hoorden nauwer overeen met die van baby ’s die op voldragen leeftijd geboren werden dan de hersenen van de premature controles: de witte stof van de aan muziek blootgestelde baby’ s was vollediger ontwikkeld, hun amygdalas waren groter en de verbindingen tussen gebieden in de hersenen die akoestische en emotionele stimuli verwerken waren sterker.De NICU-omgeving, zowel Lahav als Hüppi zijn het erover eens, verdient verder onderzoek omdat geluid gedeeltelijk kan verklaren waarom kinderen die te vroeg geboren zijn een hogere incidentie hebben van gedragsmatige of aandachtgerelateerde kwesties zoals ADHD, autisme, agressie of angst. Voor NICU-baby ‘ s die weken achtereen in een couveuse doorbrengen, “is de primaire stimulatie ruis”, zegt Lahav. Als gevolg, voegt hij eraan toe,” de hersenen leert dat lawaai is het belangrijkste ding in het leven, ” mogelijk waardoor het moeilijker om af te stemmen van achtergrondruis en zich te concentreren op de taak bij de hand.