ovan: komposit från ISTOCK.COM, GEORGE PERKINS ISTOCK.COM, DENCRIMSONMONKEY
fåglar har en rik vokalrepertoar som de använder för att kommunicera med sina kamrater, men beteendeekologen Mylene Mariette är mer intresserad av de samtal de gör när de till synes är ensamma.
under arbetet som forskare vid Deakin University i Australien hade Mariette planterat mikrofoner i bonarna av fångna zebrafinkar (Taeniopygia guttata) för att studera hur man-kvinnliga par samordnar sina föräldrainsatser. En dag 2014 märkte hon att ”ibland skulle en förälder producera ett helt annat samtal när det inkuberade av sig själv”, påminner Mariette, vilket fick henne att undra ”om det kommunicerade med embryona, eftersom de var den enda publiken där.”
vi vet mycket om vad som händer innan äggen läggs och när de kläcks, men i mitten är det faktiskt inte mycket känt.
—Fabien Aubret, Nationellt centrum för vetenskaplig forskning
ropet hon hörde—en form av vokal flämtande—är en som finkar producerar när temperaturen stiger, och medan ytterligare observationer visade att de ibland producerar detta värmesamtal när de är ensamma eller runt andra vuxna, görs det oftast i närvaro av ägg, särskilt de som nästan är redo att kläckas. Och de utvecklande kycklingarna svarar: uppspelningsexperiment avslöjade att kycklingar som hörde samtalet före kläckning växte långsammare, eventuellt för att minska oxidativ stress orsakad av höga temperaturer eller för att maximera värmeavledningen från sina mindre kroppar. Dessutom sökte värmesamtalsexponerade fåglar varmare bon som vuxna, producerade fler ungar under sin första häckningssäsong och var mer mottagliga för att prova nya livsmedel än kontroller som inte hörde värmesamtalet som embryon men uppföddes annars under samma heta förhållanden. Särskilt manliga finkar lärde sig en mer varierad repertoar av samtal, vilket ökade deras reproduktiva framgång.
Mariette är inte säker på om fågelföräldrarna gjorde samtalet avsiktligt för att kommunicera med sina unga eller om kycklingarna avlyssnade, och hon noterar att det är vanligt att ett befintligt beteende, som vokalpanting (som släpper ut värme), ska samlas för ett annat syfte som kommunikation. Oavsett hur det utvecklades, kommer informationsutbytet sannolikt att gynna alla, säger hon. Kycklingar som utsattes för värme samtal som embryon bad mindre, men mer intensivt, än kontroll kycklingar när de föds upp i varma bon, hennes grupp fann, kanske för att tiggeri är energiskt dyrt. ”Om de matchar sina föräldrars förmåga slösar de inte bort sin egen ansträngning och ber mer än föräldrarna har råd med”, säger Mariette.
Se ” Bildspel: Hur Djurembryon avlyssnar på omvärlden”
Mariette och hennes kollegor kallade fenomenet embryon som uppfattar och svarar på yttre ljud eller andra vibrationer ”akustisk utvecklingsprogrammering”, och de har sedan beskrivit det i flera papper, inklusive en ny recension. När Mariette började söka efter andra exempel fann hon dem över äggläggande arter-hos fåglar, reptiler, amfibier och insekter—och hittade senare bevis hos människor också. Medan forskarna i dessa studier inte alltid hade bestämt sig för att upptäcka prenatal kommunikation, stöder deras resultat tanken att embryon i stället för att ligga vilande i äggets eller livmoderns säkerhet ständigt stämmer in i hörselstimuli som påverkar deras utvecklingsbana.
dessa stimuli kommer i form av samtal, andra ljud och fysiska vibrationer. Informationen kan härröra från föräldrar, syskon eller potentiella rovdjur. Forskare avslöjar nu de specifika mekanismerna bakom de resulterande utvecklingsförskjutningarna i äggbundna embryon, liksom de potentiella fördelarna, medan studier av gnagare och människor belyser hur ljud påverkar hjärnans utveckling och till och med språkförvärv i däggdjursembryon som ger sig i livmodern. (Se ”hur ljud påverkar utvecklingen hos dräktiga Däggdjur” längst ner på sidan.)
”embryonernas förmåga att känna av ljud och vibrationer kan vara förfäder, men hur det används utvecklas i varje art oberoende beroende på dess fördelar”, berättar Mariette, nu på den biologiska stationen do sackaros i Spanien, forskaren. ”När vi sätter ihop allt, insåg vi att det är mycket vanligt.”
förberedelser för livet på utsidan
i några av de enklaste exemplen på akustisk utvecklingsprogrammering kan embryon använda ljud för att synkronisera kläckningen. Sköldpaddor och krokodiler, som begraver sina ägg i sandiga bon under marken, gör detta för att överväldiga rovdjur. De reptiliska embryona kommer att ringa till varandra och, när kören når en crescendo, börjar deras galna streck för att undkomma sina ägg, stiga upp till sandytan och springa i vattnet.
embryon från stinkbuggen Halyomorpha halys lyssnar också på sina kamrater, men i deras fall beror det på att de själva är rovdjurna. Kläckning ger en explosiv spricka, som uppmanar alla unga att dyka upp så att de sista inte äts av sina äldre släktingar. Och kopplingar av burrower bug Adomerus rotundus och shield bug Parastrachia japonensis varje lucka unisont som svar på moderns vibrationer delvis för att skydda mot syskon kannibalism. När det gäller sköldbuggen dyker alla larver upp samtidigt för att begränsa omedelbar kannibalism, medan i burrower bug är den högsta risken inte omedelbart efter kläckning utan efter den första smältningen, när äldre nymfer är mjuka och mer sårbara för att bli attackerade av yngre, mindre syskon. Samtidig kläckning kan också hjälpa P. japonensis mödrar skyddar och matar sina unga mer effektivt eftersom larverna befinner sig i samma utvecklingsstadium.
Djurembryon kan också använda ljud för att svara på den variabla risken för predation av andra arter. Mites, till exempel, fördröjer kläckning i timmar när de känner av vibrationerna hos olika arter av rovmider som går förbi eller faktiskt attackerar, fann Kyoto University entomolog Shuichi Yano och kollegor, eftersom de är säkrare i sina tuffa ägg än som sårbara larver. Vibration” ger en direkt kanal för informationsöverföring från miljön”, skriver Yano i ett mail till forskaren.
glas grodor (familjen Centrolenidae), som lägger sina ägg i kluster på undersidan av löv överhängande dammar i de neotropiska regnskogarna i Panama, ta det ett steg längre. De kan fördröja kläckning om de känner en närliggande rovdjur—fördubbla eller till och med tredubbla sin embryonala period från ungefär 7 till upp till 21 dagar—eller de kan kläcka spontant inför en attack som ett försök att fly, även innan de är fullt utvecklade. Denna kläckande plasticitet är till nytta, säger organismbiologen Jesse Delia, eftersom allt verkar vilja äta dessa grodor. Under sin doktorandforskning vid Boston University dokumenterade han predationsförsök på fem grodarter av ormar, spindlar, gräshoppor och myror.
embryon verkar skilja vän från fiende, säger Delia, nu en postdoc på American Museum of Natural History, men han är inte säker på exakt hur. ”Det finns tydligt en viss förmåga att skilja mellan föräldrar och farliga signaler”, säger han och tillägger att kanske de unhatched grodorna blir vana vid sin fars ljud när han kompisar, konfronterar rovdjur och tenderar äggen. När en signal, sannolikt en vibration, avviker från normen, sätter den embryona i beredskap, Delia spekulerar och tecken på fara utlöser en justering av kläckningstiden.
sådana justeringar kan dock komma med en avvägning. I Delias forskning var tadpoles som kläcktes tidigt mindre effektiva simmare och var benägna att plockas av rovfisk. År 2014 fann Fabien Aubret, en evolutionär biolog vid French National Center for Scientific Research, bevis på en liknande avvägning bland nykläckta viperin vatten ormar (Natrix maura), som ofta kommer ut ur sina ägg synkront med andra kopplingar i olika åldrar som ligger i samma ihåliga stock eller annan hålighet. Med hjälp av infraröd teknik lånad från fjäderfäindustrin övervakade Aubret hjärtfrekvensen på 77 ägg som han hade uppfödt i konstgjorda kopplingar av två uppsättningar ägg som skilde sig i ålder med sex dagar. Han fann att ormarna kan känna hjärtslaget hos sina grannar och flytta sina egna i enlighet därmed: yngre ormembryon hade snabbare hjärtfrekvens än kontroller som höjdes isolerat, vilket i sin tur ökade deras ämnesomsättning. Dessutom säger Aubret att de yngre ormarna förgick sömn, när metaboliska hastigheter vanligtvis sjunker, vilket påskyndar deras mognad så att de kunde kläcka med de äldre äggen. När de kläcktes var de yngre ormarna dock kortare och simmade mindre effektivt än kontrollerna.
medan Aubret sedan dess har gått vidare till att studera olika arter och driva andra frågor, har frisläppandet av mer forskning om prenatal kommunikation fått honom att överväga att återvända till ormarna. För tillfället berättar han forskaren, han är upphetsad att se vilka andra exempel Forskare dyker upp och vad de lär sig om hur och varför embryon svarar på externa signaler. ”Jag har alltid trott att inkubationsperioden inom någon äggläggande organism är en svart låda”, säger han. ”Vi vet mycket om vad som händer innan äggen läggs och när de kläcks, men i mitten är det faktiskt inte mycket känt där.”
spårningsmekanismer
för att bättre ta itu med ”hur” av akustisk utvecklingsprogrammering fick Mariettes zebra finch-team nyligen en ny medlem när Julia George, en neurobiolog vid Clemson University, gick med i 2020 för att låna ett genetiskt öga på beteendefynden. ”Vår hypotes är att det finns två faser i utvecklingsprogrammeringen”, säger hon. ”För det första skulle det vara det första svaret, hur fåglarna svarar på stimulansen av värmesamtalet. . . . Och sedan är den andra delen hur du går från det akuta svaret på mer ihållande förändringar som påverkar fåglarnas utveckling så att de blir mer toleranta mot värme när de växer.”
medan arbetet ännu inte är publicerat, säger George att laget för närvarande analyserar RNA-uttryck och DNA-metylering i hjärnvävnad från unhatched kycklingar för att mäta embryonernas utvecklingssvar på både kortvarig och kronisk värmesamtalsexponering. I sina preliminära resultat verkar upprepad exponering utlösa något, säger hon. ”Jag har en signal, som jag tycker är väldigt annorlunda mellan de värmeanropsexponerade djuren och de djur som utsätts för kontrollsamtal. Jag är glad att det finns denna skillnad . . . men jag kan inte riktigt tolka vad det är ännu.”
sådana svar skulle inte vara oöverträffade. För ett par år sedan, i gulbenmåsar (Larus michahellis)-långlivade koloniala sjöfåglar som lägger kopplingar av tre ägg—dokumenterade forskare ökad global DNA-metylering bland kycklingar i artificiella laboratoriekopplingar som hörde vuxna måslarm som embryon, tillsammans med högre nivåer av stresshormonet kortisol och färre, mindre mitokondrier (indikativ för lägre energiproduktion) jämfört med kontroller. Det fanns också beteendeförändringar: kycklingar som hörde samtalen inifrån sina ägg försenade deras kläckning, och medan de fortfarande var i ägget, vocalized mindre och vibrerade mer, kanske för att dela information tyst. Efter kläckning, dessa kycklingar var också snabbare att huka sig när de hörde larmsamtalet.
viktigt är att dessa utvecklings-och beteendeförändringar delades av alla tre hatchlingsna även när endast två ägg utsattes för larmsamtal under experimentet, troligen för att syskonen rörde sig inuti sina ägg och gnidde skalen mot varandra när rovdjur var nära. Studie medförfattare Jose Noguera och Alberto Velando, båda evolutionära ekologer vid universitetet i Vigo i Spanien, säger att de förväntade sig en viss nivå av informationshandel bland äggen. Men Velando noterar i ett mail till forskaren att ”i vilken utsträckning de icke-exponerade kycklingarna visade samma svar som deras utsatta syskon var ganska överraskande.”
i en Naturekologi och Evolutionskommentar publicerad tillsammans med den gulbenta måsstudien skrev Mariette och hennes Deakin University-kollega Katherine Buchanan att resultaten ”tyder på en grad av utvecklingsplasticitet baserad på prenatala sociala signaler som hittills varit trodde omöjliga.”Även när de uppmanade ytterligare studier att följa de långsiktiga effekterna av dessa utvecklingsförändringar, tillade de att arbetet är ”avgörande för att omdefiniera aviära embryon från passiva ämnen isolerade från omvärlden, till välinformerade spelare, som svarar på olika sociala signaler i sin yttre miljö.”
hur ljud påverkar utvecklingen hos dräktiga däggdjur
vid 25 veckors graviditet når hörselutvecklingen hos människor en nivå där foster kan börja reagera på hörselstimuli, vilket innebär att de flesta foster kan höra bra innan de föds under en period av kritisk hjärnutveckling när neurala anslutningar först fastställs. Faktum är att barn föds som kan känna igen sin mors röster, och exponering för omgivande ljud i utero har kopplats till hälsosam hjärnutveckling. Det finns till och med preliminära bevis för att barn som adopteras internationellt inom de första fem månaderna av livet behåller talbehandlingsfunktionerna på sitt modersmål, även om de aldrig har talat det själva.
men medan det är enklare att studera arter som lägger ägg—som kan flyttas, manipuleras och mätas relativt enkelt—är det svårare att bestämma hur ljud påverkar barn i livmodern. Gnagarforskning är ett alternativ. I början av 2000-talet visade en studie att exponering av kvinnliga råttor för maskinbrus under en timme varje dag under graviditeten orsakade tillväxthinder, minskad neurogenes i hippocampus och nedsatt rumslig inlärning hos sina valpar. Att utsätta dem för” bekväm ” musik i utero ledde emellertid till ökad neurogenes och rumslig inlärningsförmåga, enligt studien.
ett annat tillvägagångssätt är att studera spädbarn som föds för tidigt. Även om en inkubator i Neonatal intensive care unit (NICU) är väldigt annorlunda än en livmoder, kan forskare mäta hur barn svarar på sina miljöer medan de fortfarande är inom sina 40 veckors utveckling.
Amir Lahav, tidigare en pediatrisk neurovetenskapsman vid Harvard Medical School, kom till denna insikt 2007, då hans dåvarande fru födde tvillingar för tidigt vid 25 veckor. ”Jag gick som förälder för första gången, och jag bombarderades, i princip chockad, av mängden buller, av . . . larm och bildskärmar och ledningar och soptunnor och pappersautomater,” berättar han för forskaren. Han närmade sig chefen för neonatalvård och föreslog en inofficiell studie—Lahav ville spela in sin hustrus röst, förvandla ljudet för att efterlikna hur det kan låta i utero och spela det till sina tvillingar. Medan resultaten var preliminära och inte inkluderade kontroller, ”blev det medicinska laget förvånat över hur mina barn hoppade över alla möjliga komplikationer som de skulle förutse för barn som föddes så tidigt”, inklusive andningsproblem, sepsis, hjärnblödning och död.
baserat på det resultatet utformade Lahav och hans kollegor ett annat experiment, den här gången med 40 för tidiga spädbarn. Fyra gånger per dag i en månad hörde nyfödda antingen dämpade, ”wombified” inspelningar av sina mammas röster och hjärtslag eller det omgivande ljudet av en livlig NICU. Därefter avbildade laget spädbarns hjärnor med hjälp av kranial ultraljud under en rutinmässig hälsokontroll. Jämfört med kontrollerna hade barnen som hörde moderljud betydligt större hörselkortex, ett område i hjärnan som var involverat i hörsel och språkutveckling. Resultaten ”visar fördelarna med moderljud i hjärnan, åtminstone strukturellt”, säger Lahav, som slutligen lämnade akademin för att arbeta som oberoende konsult, och hjälpte Samsung att utveckla en app för mödrar att strömma inspelningar av sina röster till spädbarn i NICU.
Geneva University utvecklingsneuroscientist Petra h Jacobppi undersöker hur ljud tidigt i utvecklingen påverkar spädbarnshjärnan-specifikt tittar hon på kopplingar mellan regioner som amygdala, hippocampus och orbito-frontal cortex. För att göra det använder hon musik, som aktiverar flera regioner som är involverade i auditiv, sensorisk och emotionell bearbetning. ”Musik har en speciell effekt på människor . . . det skiljer sig från svaret på språk och röster,” berättar hon för forskaren. ”Det är fortfarande inte helt förstått vad det är, men det är verkligen potent att framkalla känslor.”
år 2020 samarbetade h Jacobppi med den prisbelönta kompositören Andreas Vollenweider för att skapa musik för spädbarn, som valts av spädbarn. Vollenweider förde en veritabel orkester in i NICU och spelade varje instrument för spädbarnen när de vaknade, somnade eller var aktiva i sina inkubatorer. Baserat på visuella observationer av H Jacobppi och hennes kollegor och mätningar av spädbarns hjärtfrekvens och ögonrörelser skapade laget ljudlandskap av vad spädbarnen gillade bäst—främst harpa, ormflöjt och Klockor.
h Jacobppi och hennes medarbetare delade sedan en kohort av 30 för tidiga NICU-spädbarn i två grupper, varav hälften hörde ljudlandskapen fem gånger i veckan och hälften fick vårdstandarden och använde magnetisk resonansavbildning (MRI) för att jämföra deras hjärnutveckling med 15 heltidsbarn. I slutet av experimentet matchade hjärnorna hos NICU-spädbarn som hörde musiken närmare de barn som föddes på full sikt än vad hjärnorna i de för tidiga kontrollerna gjorde: de musikutsatta spädbarns vita materia var mer fullt utvecklade, deras amygdalas var större och förbindelserna mellan regioner i hjärnan som bearbetar akustiska och emotionella stimuli var starkare.
NICU-miljön, både Lahav och h Jacobppi är överens, garanterar ytterligare studier eftersom ljud delvis kan förklara varför barn som föddes för tidigt har en högre förekomst av beteendemässiga eller uppmärksamhetsrelaterade problem som ADHD, autism, aggression eller ångest. För NICU-barn som tillbringar veckor i slutet i en inkubator, ”är den primära stimuleringen buller”, säger Lahav. Som ett resultat tillägger han, ”hjärnan lär sig att buller är det viktigaste i livet”, vilket gör det svårare att ställa ut bakgrundsbrus och fokusera på uppgiften.