Биологи разгадали давнюю тайну того, как сверчки поют

от

Западные биологи разработали инновационный способ реконструкции пения сверчков, основанный на физическом строении крыльев стрекочущих насекомых. Для этого использовались измерения на сохранившихся образцах и компьютерное моделирование.

Новые методы

Новые методы, [опубликованные](https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsos.251005) в Royal Society Open Science, были разработаны профессором биологии Вестерн Наташей Мхатре, занимающей должность Canada Research Chair в области нейробиологии беспозвоночных, и тремя бывшими студентами-бакалаврами в её лаборатории, которая занимается биофизикой коммуникации насекомых и пауков.

В новом исследовании Мхатре и её соавторы подробно описывают новый метод компьютерного моделирования, который более точно соответствует реальным физическим характеристикам сверчка, чем предыдущие попытки. Новая модель может предсказывать точные закономерности вибрации крыльев сверчков, даже тех, на которых модель не была основана.

Использование сохранённых образцов

Учёные, такие как Мхатре, часто используют сохранённые образцы для более глубокого понимания эволюционной истории и генетики. Но воссоздание того, как вымершие или мёртвые птицы и млекопитающие, включая человека, когда-то звучали, — сложная задача. Оба используют голосовой тракт, которым управляет мозг. Но обе структуры состоят из мягких тканей, которые редко окаменевают или оставляют след. Сверчки же поют по-другому — буквально и фигурально.

Песни сверчков — это вовсе не вокализация, а результат вибрационной механики их передних крыльев. Эти жёсткие, кожистые крылья, расположенные перед задними крыльями, служат защитными щитами для сверчков. В них также есть специализированные, затвердевшие микроструктуры, необходимые для стрекотания. (Их твёрдость означает, что передние крылья хорошо сохраняются в виде окаменелостей или музейных экспонатов.)

Наиболее важно то, что узор жилкования, или расположение жилок, внутри переднего крыла сверчка определяет частоту или высоту его песни.

«Каждое крыло сверчка имеет узор жилок, которые структурно важны для создания песен», — сказала Мхатре, профессор биологии в Научном факультете Вестерн. «Некоторые из этих жилок используются для создания сил, которые заставляют крыло вибрировать и издавать звуки. Другие укрепляют локальные участки внутри крыла и развивают резонансные структуры, которые вибрируют на определённых частотах».

Понимание песен сверчков

В течение многих лет Мхатре и другие исследователи в области нейробиологии пытались использовать биоакустику (звук, производимый живыми организмами) и моделирование методом конечных элементов (метод численного решения дифференциальных уравнений), чтобы понять пение сверчков с основной целью — предсказания вибрации крыльев и звукоизвлечения.

Тысячи крыльев сверчков хранятся в музеях, и их эволюционные связи чётко прослеживаются, что делает эту тактику прогнозирования их звуков идеальным путём для раскрытия тайн эволюции сигналов и того, как звучали некоторые из первых звуков на Земле.

В самом деле, Мхатре и её соавторы думали, что они разгадали код в 2012 году в [исследовании](https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1200192109), опубликованном в PNAS, в котором они использовали некоторые простые допущения для разработки вычислительных моделей для крыльев сверчков.

«В передних крыльях сверчков высокая плотность жилок, поэтому мы считали эти части крыла фактически неподвижными в нашей модели. И этот подход использовался более десяти лет, — сказала Мхатре. — Но что-то в этом подходе всегда меня беспокоило».

Проблема более ранних исследований, включая статью в PNAS 2012 года, заключается в том, что смоделированные крылья сверчков были «зажаты» в точках с высокой плотностью жилок, а не только у основания, как это происходит в природе. Это упрощало исследование, но технически эти части крыла могут двигаться, поэтому компьютерная модель не была прямым представлением.

«У нас также нет объективного способа решить, что на самом деле означает „высокая плотность“ в отношении жилок в крыле сверчка, что является проблемой, если вы начинаете с новым сверчком с другим узором жилкования, крылья которого вы никогда раньше не измеряли», — сказала Мхатре.

В новом исследовании Мхатре и её соавторы разработали метод компьютерного моделирования, который более точно соответствует реальным физическим характеристикам сверчка и фиксирует крылья так, как они должны быть.

Новая модель, основанная на Teleogryllus oceanicus (широко известном как австралийский, тихоокеанский или океанический полевой сверчок), теперь может предсказывать точные закономерности вибрации передних крыльев сверчков без упрощающих допущений. Она может даже предсказывать поведение новых крыльев, для которых она не была специально разработана или настроена.

Авторы также рассмотрели другой метод, используемый для реконструкции песни сверчков, — использование сохранённых образцов. Они показали, что у сухоконсервированного переднего крыла сверчка, такого как музейный образец, вибрационный рисунок будет очень похож на рисунок живого сверчка, но он будет резонировать на неправильной частоте. Это происходит потому, что материал крыла твердеет при высыхании. Они обнаружили, что правильную частоту можно восстановить, просто смочив крыло водой или искусственно уменьшив его жёсткость в компьютерной модели.

«Мы разработали более надёжный способ реконструкции акустической функции сверчков на основе морфологии, используя компьютерное моделирование и сохранённые образцы», — сказала Мхатре.

Предоставлено Университетом Западного Онтарио.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте