ABOVE: COMPOSITE FROM © ISTOCK.COM, GEORGE PERKINS; © ISTOCK.COM, THECRIMSONMONKEY
ptaki mają bogaty repertuar wokalny, którego używają do komunikowania się z rówieśnikami, ale ekolog behawioralna Mylene Mariette jest bardziej zainteresowana telefonami, które wykonują, gdy są pozornie samotne.
pracując jako badacz na Uniwersytecie Deakin w Australii, Mariette zasadziła mikrofony w gniazdach uwięzionych zięb zebry (taeniopygia guttata), aby zbadać, w jaki sposób pary męsko-żeńskie koordynują swoje wysiłki rodzicielskie. Pewnego dnia w 2014 roku zauważyła, że „czasami jeden z rodziców wytwarza zupełnie inny telefon, gdy sam się inkubuje”, wspomina Mariette, co skłoniło ją do zastanowienia się „czy komunikuje się z embrionami, ponieważ były one jedyną publicznością.”
wiemy wiele o tym, co dzieje się przed złożeniem jaj i po wykluciu się, ale w środku niewiele wiadomo.
—Fabien Aubret, Narodowe Centrum Badań Naukowych
usłyszany przez nią okrzyk—forma dyszenia wokalnego—to taki, który zięby wytwarzają, gdy temperatura wzrasta, i chociaż dalsze obserwacje wykazały, że czasami wywołują to ciepło, gdy są same lub w pobliżu innych dorosłych osobników, najczęściej odbywa się to w obecności jaj, zwłaszcza tych prawie gotowych do wylęgu. A rozwijające się pisklęta reagują: eksperymenty z odtwarzaniem wykazały, że pisklęta, które usłyszały wezwanie przed wykluciem, rosły wolniej, prawdopodobnie w celu zmniejszenia stresu oksydacyjnego spowodowanego wysokimi temperaturami lub zmaksymalizowania rozpraszania ciepła z ich mniejszych ciał. Ponadto ptaki narażone na wywołanie ciepła szukały gorętszych gniazd jako dorośli, produkowały więcej młodych podczas pierwszego sezonu lęgowego i były bardziej podatne na próbowanie nowych pokarmów niż osoby kontrolujące, które nie słyszały wezwania ciepła jako embrionów, ale były hodowane w tych samych gorących warunkach. Samce w szczególności nauczyły się bardziej zróżnicowanego repertuaru połączeń, co zwiększyło ich sukces reprodukcyjny.
Mariette nie jest pewna, czy rodzice ptaków celowo dzwonili, aby komunikować się ze swoimi młodymi, czy też pisklęta podsłuchiwały, i zauważa, że powszechne jest, że istniejące zachowanie, takie jak dyszenie głosu (które rozprasza ciepło), jest kooptowane w innym celu, takim jak komunikacja. Niezależnie od tego, jak ewoluowała, wymiana informacji prawdopodobnie przyniesie korzyści wszystkim, mówi. Pisklęta, które były narażone na wezwania ciepła jako embriony błagał mniej, choć bardziej intensywnie, niż pisklęta kontrolne, gdy hodowane w gorących gniazdach, jej grupa znalazła, być może dlatego, że żebractwo jest energicznie drogie. „Jeśli dopasują się do możliwości swoich rodziców, nie marnują własnego wysiłku, błagając o więcej niż rodzice mogą sobie pozwolić” – mówi Mariette.
Zobacz „Pokaz Slajdów: Jak zwierzęce embriony podsłuchują świat zewnętrzny „
Mariette i jej współpracownicy określili zjawisko postrzegania i reagowania na dźwięki zewnętrzne lub inne wibracje” akustyczne programowanie rozwojowe ” i od tego czasu opisali je w kilku artykułach, w tym w niedawnym przeglądzie. Kiedy Mariette zaczęła szukać innych przykładów, znalazła je wśród gatunków składających jaja – u ptaków, gadów, płazów i owadów—a później znalazła dowody również u ludzi. Podczas gdy badacze w tych badaniach nie zawsze dążyli do odkrycia komunikacji prenatalnej, ich wyniki wspierają ideę, że zamiast leżeć uśpiony w bezpieczeństwie jaja lub macicy, zarodki stale dostrajają się do bodźców słuchowych, które wpływają na ich trajektorię rozwoju.
te bodźce przychodzą w postaci połączeń, innych dźwięków i fizycznych wibracji. Informacje mogą pochodzić od rodziców, rodzeństwa lub potencjalnych drapieżników. Naukowcy odkrywają obecnie specyficzne mechanizmy stojące za wynikającymi z tego zmianami rozwojowymi w zarodkach związanych z jajami, a także potencjalne korzyści, podczas gdy badania gryzoni i ludzi wyjaśniają, w jaki sposób dźwięk wpływa na rozwój mózgu, a nawet nabycie języka u zarodków ssaków ciężarnych w łonie matki. (Zobacz „jak dźwięk wpływa na rozwój u ciężarnych ssaków” na dole strony.)
„zdolność embrionów do wyczuwania dźwięku i wibracji może być przodkiem, ale sposób, w jaki są używane, ewoluuje w każdym gatunku niezależnie, w zależności od jego zalet”, mówi naukowcowi Mariette, obecnie w stacji biologicznej Doñana w Hiszpanii. „Kiedy złożyliśmy to wszystko razem, zdaliśmy sobie sprawę, że jest to bardzo powszechne.”
przygotowanie do życia na zewnątrz
w najprostszych przykładach programowania rozwoju akustycznego zarodki mogą używać dźwięku do synchronizacji wylęgu. Żółwie i krokodyle, które zakopują swoje jaja w piaszczystych gniazdach pod ziemią, robią to, aby przytłoczyć drapieżniki. Embriony gadów wzywają się do siebie, a gdy chór osiągnie crescendo, zaczynają szaleńczą ucieczkę z jaj, wznoszą się na powierzchnię piasku i wbiegają do wody.
embriony śmierdzącego robaka Halyomorpha halys też słuchają swoich rówieśników, ale w ich przypadku to dlatego, że sami są drapieżnikami. Wylęg wytwarza wybuchowe pęknięcie, które skłania wszystkie młode do pojawienia się, aby ostatnie nie zostały zjedzone przez starszych krewnych. I szpony robaka nory Adomerus rotundus i robaka tarczowego Parastrachia japonensis wykluwają się razem w odpowiedzi na wibracje matki, częściowo chroniąc przed kanibalizmem rodzeństwa. W przypadku pluskwiaka tarczowego wszystkie larwy pojawiają się jednocześnie, aby ograniczyć natychmiastowy kanibalizm, podczas gdy w pluskwiaku nory największe ryzyko nie występuje bezpośrednio po wykluciu, ale po pierwszym wylinku, gdy starsze nimfy są miękkie i bardziej podatne na atak młodszego, mniejszego rodzeństwa. Jednoczesne wylęg może również pomóc P. matki japonensis skuteczniej chronią i karmią swoje młode, ponieważ larwy są na tym samym etapie rozwoju.
zarodki zwierząt mogą również wykorzystywać dźwięk, aby reagować na zmienne ryzyko drapieżnictwa przez inne gatunki. Roztocza, na przykład, opóźniają wylęg o godziny, kiedy wyczuwają wibracje różnych gatunków drapieżnych roztoczy chodzących obok lub faktycznie atakujących, entomolog Uniwersytetu Kioto Shuichi Yano i współpracownicy odkryli, że są bezpieczniejsze w swoich twardych jajach niż jako wrażliwe larwy. Wibracja „zapewnia bezpośredni kanał transmisji informacji ze środowiska”, pisze Yano w e-mailu do naukowca.
żaby szklane (Rodzina Centrolenidae), które składają jaja w skupiskach na spodach liści zwisających stawów w neotropikalnych lasach deszczowych Panamy, idą o krok dalej. Są w stanie opóźnić wylęg, jeśli wyczują pobliskiego drapieżnika—podwojenie lub nawet potrojenie okresu embrionalnego z około 7 do nawet 21 dni—lub mogą wylęgnąć się spontanicznie w obliczu ataku jako próba ucieczki, nawet zanim zostaną w pełni rozwinięte. Ta plastyczność wylęgania się przydaje się, mówi biolog Jesse Delia, ponieważ wszystko, jak się wydaje, chce jeść te żaby. Podczas swoich badań doktorskich na Uniwersytecie Bostońskim udokumentował próby drapieżnictwa pięciu gatunków żab przez węże, pająki, koniki polne i mrówki.
embriony zdają się odróżniać przyjaciela od wroga-mówi Delia, obecnie podoktor w American Museum of Natural History, ale nie jest pewien dokładnie jak. „Wyraźnie jest jakaś umiejętność rozróżniania rodziców od niebezpiecznych sygnałów”, mówi, dodając, że być może niezatłoczone żaby przyzwyczajają się do dźwięków ojca, gdy zaprzyjaźnia się, konfrontuje z drapieżnikami i opiekuje się jajami. Kiedy sygnał, prawdopodobnie wibracja, odbiega od normy, stawia embriony w pogotowiu, Delia spekuluje, a oznaki zagrożenia wywołują regulację czasu wylęgu.
takie korekty mogą jednak wiązać się z kompromitacją. W badaniach Delii kijanki, które wcześnie się wykluły, były mniej wydajne i podatne na odrywanie przez drapieżne ryby. W 2014 roku Fabien Aubret, biolog ewolucyjny z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych, znalazł dowody na podobny kompromis wśród nowo wyklutych węży wodnych (Natrix maura), które często wyłaniają się ze swoich jaj synchronicznie z innymi szponami w różnym wieku złożonymi w tej samej pustej kłodie lub innej jamie. Wykorzystując technologię podczerwieni zapożyczoną z przemysłu drobiarskiego, Aubret monitorował tętno 77 jaj, które hodował w sztucznych szponach dwóch zestawów jaj, które różniły się wiekiem o sześć dni. Odkrył, że węże mogą wyczuć bicie serca swoich sąsiadów i odpowiednio zmienić swoje własne: młodsze embriony węży miały szybsze tętno niż embriony sterowane w izolacji, co z kolei zwiększyło ich metabolizm. Dodatkowo, Aubret mówi, że młodsze węże przed snem, gdy tempo metabolizmu zwykle spada, przyspieszając ich dojrzewanie, aby mogły wylęgać się ze starszymi jajami. Po wykluciu się młodsze węże były jednak krótsze i pływały mniej sprawnie niż sterowce.
chociaż od tego czasu Aubret zaczął studiować różne gatunki i zajmować się innymi kwestiami, opublikowanie dalszych badań nad komunikacją prenatalną skłoniło go do rozważenia powrotu do węży. Na razie mówi naukowcowi, że jest podekscytowany, aby zobaczyć, jakie inne przykłady pojawiają się badacze i czego dowiadują się o tym, jak i dlaczego embriony reagują na sygnały zewnętrzne. „Zawsze myślałem, że okres inkubacji w każdym organizmie składającym jaja to czarna skrzynka”, mówi. „Wiemy wiele o tym, co dzieje się przed złożeniem jaj i po wykluciu się, ale w środku niewiele wiadomo.”
mechanizmy śledzenia
aby lepiej radzić sobie z” jak ” akustycznego programowania rozwojowego, zespół Mariette zebra finch niedawno zyskał nowego członka, gdy Julia George, neurobiolog z Clemson University, dołączyła w 2020 roku, aby zwrócić uwagę na wyniki behawioralne. „Nasza hipoteza jest taka, że istnieją dwie fazy przeprogramowania rozwojowego”, mówi. „Po pierwsze, byłaby początkowa reakcja, jak ptaki reagują na bodziec wywołania ciepła. . . . Druga część to przejście od ostrej reakcji do bardziej trwałych zmian, które wpływają na rozwój ptaków, tak aby były bardziej odporne na ciepło w miarę wzrostu.”
podczas gdy praca nie jest jeszcze opublikowana, George mówi, że zespół analizuje ekspresję RNA i metylację DNA w tkance mózgowej od nieobciążonych piskląt, aby ocenić odpowiedzi rozwojowe zarodków zarówno na krótkotrwałą, jak i przewlekłą ekspozycję na wywołanie ciepła. W ich wstępnych wynikach, powtarzające się narażenie wydaje się coś wyzwalać, mówi. „Mam sygnał, który moim zdaniem jest naprawdę różny między zwierzętami narażonymi na wywołanie cieplne a zwierzętami narażonymi na wywołania kontrolne. Cieszę się, że jest taka różnica . . . ale nie potrafię jeszcze zinterpretować, co to jest.”
takie odpowiedzi nie byłyby bezprecedensowe. Kilka lat temu, u Mew żółtonogich (Larus michahellis)-długowiecznych, kolonialnych ptaków morskich, które składają szpony z trzech jaj—naukowcy udokumentowali zwiększoną globalną metylację DNA wśród piskląt w sztucznych szponach laboratoryjnych, które słyszały alarmy dorosłych Mew jako zarodki, wraz z wyższym poziomem hormonu stresu kortyzolu i mniejszą liczbą mniejszych mitochondriów (wskaźnik niższej produkcji energii) w porównaniu z kontrolami. Były też zmiany behawioralne: pisklęta, które słyszały wezwania z wnętrza jaj, opóźniły wylęg, a będąc jeszcze w jajku, mniej wokalizowały i wibrowały bardziej, być może po to, by po cichu dzielić się informacjami. Po wykluciu pisklęta te również szybciej kucały po usłyszeniu sygnału alarmowego.
co ważne, te zmiany rozwojowe i behawioralne były wspólne dla wszystkich trzech piskląt, nawet gdy tylko dwa jaja zostały wystawione na wywołanie alarmu podczas eksperymentu, prawdopodobnie dlatego, że rodzeństwo poruszało się wewnątrz swoich jaj i ocierało skorupki o siebie, gdy drapieżniki były w pobliżu. Współautorzy Jose Noguera i Alberto Velando, obaj ekolodzy ewolucyjni z Uniwersytetu w Vigo w Hiszpanii, twierdzą, że spodziewali się pewnego poziomu wymiany informacji między jajami. Velando zauważa jednak w e-mailu do naukowca, że „stopień, w jakim nieeksploatowane pisklęta wykazywały takie same odpowiedzi jak ich narażone rodzeństwo, był dość zaskakujący.”
w ekologii przyrody i ewolucji komentarz opublikowany wraz z Yellow-legged gull study, Mariette i jej kolega Deakin University Katherine Buchanan napisał, że ustalenia ” sugerują stopień plastyczności rozwojowej w oparciu o prenatalne sygnały społeczne, które dotychczas uważano za niemożliwe.”Nawet gdy wezwali do dalszych badań nad długofalowymi skutkami tych zmian rozwojowych, dodali, że praca jest „kluczowa w redefinicji zarodków ptaków od osób pasywnych odizolowanych od świata zewnętrznego, do dobrze poinformowanych graczy, reagujących na różnorodne sygnały społeczne w ich zewnętrznym środowisku.”
jak dźwięk wpływa na rozwój u ciężarnych ssaków
w 25 tygodniu ciąży rozwój słuchowy u ludzi osiąga poziom, w którym płody mogą zacząć reagować na bodźce słuchowe, co oznacza, że większość płodów może słyszeć na długo przed urodzeniem w okresie krytycznego rozwoju mózgu, gdy połączenia neuronowe są po raz pierwszy ustanowione. Rzeczywiście, dzieci rodzą się w stanie rozpoznać głosy matki, a ekspozycja na dźwięk otoczenia w macicy została powiązana ze zdrowym rozwojem mózgu. Istnieją nawet wstępne dowody na to, że dzieci adoptowane na arenie międzynarodowej w ciągu pierwszych pięciu miesięcy życia zachowują funkcje przetwarzania mowy w swoim ojczystym języku, nawet jeśli nigdy nie mówiły w nim same.
ale chociaż łatwiej jest badać gatunki, które składają jaja—które można stosunkowo łatwo przenosić, manipulować i mierzyć—trudniej jest określić, jak dźwięk wpływa na dzieci w łonie matki. Badania nad gryzoniami to jedna z opcji. We wczesnych latach 2000 badania wykazały, że narażanie samic szczurów na hałas maszynowy przez jedną godzinę każdego dnia w czasie ciąży powodowało utrudnienia wzrostu, zmniejszało neurogenezę w hipokampie i zaburzało uczenie się przestrzenne u ich szczeniąt. Wystawienie ich na” wygodną ” muzykę w macicy doprowadziło jednak do zwiększenia neurogenezy i zdolności uczenia się przestrzennego, zgodnie z badaniem.
innym podejściem jest badanie niemowląt urodzonych przedwcześnie. Chociaż inkubator na oddziale intensywnej terapii noworodków (NICU) znacznie różni się od macicy, naukowcy mogą zmierzyć, w jaki sposób dzieci reagują na swoje otoczenie, gdy są jeszcze w ciągu 40 tygodni rozwoju.
Amir Lahav, wcześniej neurolog dziecięcy w Harvard Medical School, doszedł do tego w 2007 roku, kiedy jego ówczesna żona urodziła bliźniaki przedwcześnie w 25 tygodniu. „Poszedłem jako rodzic po raz pierwszy i byłem bombardowany, w zasadzie zszokowany, ilością hałasu, przez. . . alarmy, monitory, przewody, kosze na śmieci i dozowniki papieru ” – mówi naukowiec. Podszedł do szefa opieki nad noworodkiem i zasugerował nieoficjalne badanie-Lahav chciał nagrać głos żony, przekształcić dźwięk tak, aby naśladował dźwięk w macicy i odtworzyć go swoim bliźniakom. Chociaż wyniki były wstępne i nie obejmowały kontroli, „zespół medyczny był zdumiony, jak moje dzieci pominęły wszelkie możliwe komplikacje, które mogłyby przewidzieć dla dzieci urodzonych tak wcześnie”, w tym problemy z oddychaniem, sepsę, krwotok mózgu i śmierć.
na podstawie tego wyniku Lahav i jego współpracownicy zaprojektowali kolejny eksperyment, tym razem z 40 wcześniakami. Cztery razy dziennie przez miesiąc noworodki słyszały albo przytłumione,” wombifikowane ” nagrania głosów matek i uderzeń serca, albo otaczający dźwięk tętniącego życiem NICU. Następnie zespół zobrazował mózgi niemowląt za pomocą ultrasonografii czaszkowej podczas rutynowej kontroli zdrowia. W porównaniu z grupą kontrolną, dzieci, które słyszały matczyne Dźwięki, miały znacznie większe kory słuchowe, obszar mózgu zaangażowany w rozwój słuchu i języka. Wyniki „pokazują korzyści płynące z matczynych dźwięków w mózgu, przynajmniej strukturalnie”, mówi Lahav, który ostatecznie opuścił środowisko akademickie, aby pracować jako niezależny konsultant i pomógł Samsung opracować aplikację dla matek do przesyłania strumieniowego nagrań ich głosów do dzieci na oddziale intensywnej terapii.
neurobiolog z Uniwersytetu Genewskiego Petra Hüppi bada, w jaki sposób dźwięki na wczesnym etapie rozwoju wpływają na mózg niemowlęcia—w szczególności bada połączenia między regionami, takimi jak ciało migdałowate, hipokamp i kora orbitalno-czołowa. W tym celu wykorzystuje muzykę, która aktywuje wiele obszarów związanych z przetwarzaniem słuchowym, sensorycznym i emocjonalnym. „Muzyka ma szczególny wpływ na ludzi . . . różni się to od reakcji na język i głosy ” – mówi naukowiec. „Wciąż nie jest w pełni zrozumiałe, co to jest, ale z pewnością jest silne w wywoływaniu emocji.”
w 2020 roku Hüppi nawiązał współpracę z wielokrotnie nagradzanym kompozytorem Andreasem Vollenweiderem, aby stworzyć muzykę dla dzieci, wybraną przez dzieci. Vollenweider wprowadził prawdziwą orkiestrę do NICU i grał na każdym instrumencie dla niemowląt, gdy się budziły, zasypiały lub były aktywne w swoich inkubatorach. Na podstawie obserwacji wizualnych Hüppi i jej współpracowników oraz pomiarów tętna i ruchów oczu dzieci, zespół stworzył pejzaże dźwiękowe tego, co niemowlęta lubiły najbardziej-przede wszystkim harfy, fletu wężowego i dzwonków.
Hüppi i jej współpracownicy podzielili kohortę 30 wcześniaków z NICU na dwie grupy, z których połowa słyszała Dźwięki pięć razy w tygodniu, a połowa otrzymywała standardową opiekę i wykorzystała rezonans magnetyczny (MRI) do porównania rozwoju mózgu z 15 noworodkami urodzonymi o czasie. Pod koniec eksperymentu mózgi dzieci z NICU, które słyszały muzykę, bardziej pasowały do mózgów dzieci urodzonych w pełnym terminie niż mózgi wcześniaków: Biała Materia dzieci narażonych na muzykę była bardziej rozwinięta, ich ciała migdałowe były większe, a połączenia między regionami mózgu, które przetwarzają bodźce akustyczne i emocjonalne, były silniejsze.
środowisko NICU, zarówno Lahav, jak i Hüppi zgadzają się, wymaga dalszych badań, ponieważ dźwięk może częściowo wyjaśnić, dlaczego dzieci urodzone przedwcześnie mają większą częstość występowania problemów behawioralnych lub związanych z uwagą, takich jak ADHD, autyzm, agresja lub lęk. Dla dzieci NICU, które spędzają tygodnie w inkubatorze, „podstawową stymulacją jest hałas”, mówi Lahav. W rezultacie dodaje: „mózg uczy się, że hałas jest najważniejszą rzeczą w życiu”, co prawdopodobnie utrudnia dostrojenie hałasu w tle i skupienie się na zadaniu.