Naukowcy z Charité rozwiązali zagadkę słyszenia kierunkowego pod wodą.
Pod wodą ludzie nie są w stanie określić, skąd dochodzi dźwięk. Dźwięk rozchodzi się tam około pięć razy szybciej niż na lądzie. To sprawia, że słyszenie kierunkowe, czyli lokalizacja dźwięku, jest prawie niemożliwe, ponieważ ludzki mózg określa pochodzenie dźwięku, analizując różnicę czasu między jego dotarciem do jednego ucha a drugim.
Z kolei badania behawioralne wykazały, że ryby potrafią lokalizować źródła dźwięku, takie jak ofiary lub drapieżniki. Ale jak oni to robią? Neurolodzy z Charité – Universitätsmedizin Berlin rozwiązali zagadkę, opisując w czasopiśmie mechanizm słuchowy maleńkiej rybki Natura.
Ma dość wspaniałą nazwę jak na tak małe stworzenie: Danionella mózgowaryba mierząca około 12 milimetrów, prawie całkowicie przezroczysta przez całe życie, pochodząca ze strumieni w południowej Birmie. Danionella ma najmniejszy znany mózg kręgowców, ale nadal wykazuje szereg złożonych zachowań, w tym komunikację za pomocą dźwięku. To oraz fakt, że naukowcy mogą zajrzeć bezpośrednio do jego mózgu – głowa i ciało są prawie przezroczyste – czyni go interesującym dla badań mózgu.
Prof. Benjamin Judkewitz, neurobiolog z klastra doskonałości NeuroCure w Charité i jego zespół wykorzystują maleńką rybkę jako okno na podstawowe pytania, takie jak sposób, w jaki komórki nerwowe komunikują się ze sobą. Ich najnowsza praca poświęcona jest rozwojowi zmysłu słuchu i zadawanemu od kilkudziesięciu lat pytaniu, w jaki sposób ryby mogą zlokalizować źródło dźwięku pod wodą. Poprzednie podręcznikowe modele słyszenia kierunkowego nie sprawdzają się w zastosowaniu do środowisk podwodnych.
Świat akustyczny, nad i pod wodą
Od śpiewu wielorybów po śpiew ptaków lub drapieżnika polującego na ofiarę – gdy dźwięk jest emitowany ze źródła, rozprzestrzenia się do otaczającego go ośrodka w postaci oscylacji ruchu i ciśnienia. Można to nawet wyczuć, kładąc dłoń na stożku głośnika. Występuje wibracja cząstek, poruszanie się sąsiadującego powietrza – nazywa się to prędkością cząstek. Gęstość cząstek zmienia się również w miarę sprężania powietrza. Można to zmierzyć jako ciśnienie akustyczne.
Ziemski kręgowcew tym ludzie, postrzegają kierunek dźwięku przede wszystkim poprzez porównanie głośności i czasu, w którym ciśnienie akustyczne dociera do obu uszu. Hałas brzmi głośniej i szybciej dociera do ucha znajdującego się bliżej źródła dźwięku. Ta strategia nie działa pod wodą. Dźwięk rozchodzi się tam znacznie szybciej i nie jest tłumiony przez czaszkę. Oznacza to, że ryby również nie powinny być zdolne do słyszenia kierunkowego, ponieważ pomiędzy ich uszami praktycznie nie ma różnicy w głośności i czasie przybycia. A jednak słuch przestrzenny zaobserwowano w badaniach behawioralnych różnych osób gatunek.
„Aby dowiedzieć się, czy i przede wszystkim w jaki sposób ryba potrafi rozpoznać kierunek dźwięku, zbudowaliśmy specjalne podwodne głośniki i odtwarzaliśmy krótkie, głośne dźwięki” – wyjaśnia Johannes Veith, jeden z dwóch pierwszych autorów niniejszego badania. „Następnie sprawdziliśmy, jak często Danionella unika głośnika, co oznacza, że rozpoznaje kierunek, z którego dochodzi dźwięk.” Do analiz wykorzystano kamerę, która filmowała każdą rybę z góry i śledziła jej dokładną pozycję. Ta metoda śledzenia na żywo przyniosła kluczową zaletę: zespół mógł teraz wychwycić echa i je stłumić.
Ryby słyszą zupełnie inaczej
To, co ludzie postrzegają przez błonę bębenkową, to ciśnienie akustyczne, a nie prędkość cząstek. Ryby mają zupełnie inny mechanizm słyszenia: potrafią także dostrzec prędkość cząstek. Jak to dokładnie działa w Danionella zostało ujawnione na podstawie zdjęć wykonanych za pomocą specjalnie skonstruowanego laserowego mikroskopu skaningowego, który skanuje struktury wewnątrz ucha ryby w trybie stroboskopowym podczas odtwarzania dźwięku.
W pobliżu podwodnego głośnika cząsteczki wody poruszają się tam i z powrotem wzdłuż osi skierowanej w stronę głośnika i od niego. Prędkość cząstek porusza się zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się dźwięku. Ryba znajdująca się blisko mówiącego również porusza się wraz z wodą, ale maleńkie kamienie w uchu wewnętrznym, zwane otolitami, poruszają się wolniej ze względu na bezwładność. Powoduje to niewielki ruch wykrywany przez komórki czuciowe w uchu. Problem w tym, że oznacza to, że ryba może wykryć jedynie oś, wzdłuż której porusza się dźwięk, ale nie kierunek, z którego dochodzi. Dzieje się tak, ponieważ dźwięk jest formą oscylacji, ciągłym ruchem tam i z powrotem.
Problem ten rozwiązano analizując prędkość cząstek w zależności od aktualnego ciśnienia akustycznego – była to jedna z różnych hipotez, które w przeszłości próbowały wyjaśnić mechanizm związany ze słyszeniem kierunkowym. Okazało się, że jest to jedyna teoria, która pasuje do wyników badaczy: „Ciśnienie akustyczne wprawia w ruch ściśliwy pęcherz pławny, co z kolei jest rozpoznawane przez komórki rzęsate w uchu wewnętrznym. Dzięki temu drugiemu, pośredniemu kanałowi słyszenia, ciśnienie akustyczne zapewnia rybom punkt odniesienia potrzebny do słyszenia kierunkowego. Dokładnie to przewidywał jeden z modeli słyszenia przestrzennego z lat 70. XX wieku – a teraz potwierdziliśmy to eksperymentalnie” – mówi Judkewitz. Zespołowi udało się również wykazać, że słyszenie kierunkowe można oszukać poprzez odwrócenie ciśnienia akustycznego. Kiedy to nastąpiło, ryba popłynęła w przeciwnym kierunku, czyli w stronę źródła dźwięku.
Obrazy mikro-CT aparatu słuchowego w Danionella pokazują, że jest podobny do narządu zmysłów u około dwóch trzecich żywych ryb słodkowodnych, czyli około 15 procent wszystkich gatunków kręgowców. Sugeruje to, że potwierdzona obecnie przez zespół strategia słyszenia kierunkowego, obejmująca połączoną analizę ciśnienia akustycznego i prędkości cząstek, może być powszechna. Naukowcy planują kontynuować prace, aby określić, które komórki nerwowe są konkretnie aktywowane, gdy dźwięki odtwarzane są pod wodą.
Odniesienie: „Mechanizm słyszenia kierunkowego u ryb” autorstwa Johannesa Veitha, Thomasa Chaigne, Any Svanidze, Leny Elisy Dressler, Maximiliana Hoffmanna, Bena Gerhardta i Benjamina Judkewitza, 19 czerwca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07507-9
