Wszyscy wiedzą, że ludzie i większość innych gatunków kręgowców słyszy za pomocą bębenków usznych, które zamieniają ciśnienie fali dźwiękowej w sygnały dla naszego mózgu. Ale co z mniejszymi zwierzętami, takimi jak owady i stawonogi? Czy potrafią wykrywać dźwięki? A jeśli tak, to w jaki sposób?
Szanowny profesor Ron Miles, członek wydziału Inżynierii Mechanicznej na Uniwersytecie im. Thomasa J. Watsona w Kolegium Inżynierii i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Binghamton, bada tę kwestię od ponad trzech dekad w dążeniu do zrewolucjonizowania technologii mikrofonów.
Niedawno opublikowane badanie pająków tkających kule – gatunku opisanego w klasycznej książce dla dzieci „Sieć Charlotte” – przyniosło niezwykłe wyniki: pająki wykorzystują swoje sieci jako rozszerzone układy słuchowe do przechwytywania dźwięków, prawdopodobnie dając pająkom wcześniejsze ostrzeżenia zdobyczy lub drapieżników.
Artykuł zatytułowany Outsourced Hearing in a Orb-Weaving Spider, który używa swojej sieci jako czujnika słuchowego, opublikowany 29 marca w Proceedings of the National Academy of Sciences, dostarcza pierwszych dowodów na to, że pająk może zlecić słyszenie swojej sieci.
Powszechnie wiadomo, że pająki reagują, gdy coś wibruje w ich sieci, na przykład potencjalna zdobycz. W tych nowych eksperymentach naukowcy po raz pierwszy wykazali, że pająki obracały się, kucały lub spłaszczały w odpowiedzi na dźwięki w powietrzu.
Badanie jest najnowszą współpracą Milesa i Rona Hoya, profesora biologii z Cornell, i ma wpływ na projektowanie niezwykle czułych mikrofonów inspirowanych biologią do użytku w aparatach słuchowych i telefonach komórkowych.
Jian Zhou, który uzyskał doktorat w laboratorium Milesa i prowadzi badania podoktoranckie w Argonne National Laboratory, oraz Junpeng Lai, obecny doktorant w laboratorium Milesa, są współautorami. Miles, Hoy i profesor nadzwyczajny Carol I. Miles z Wydziału Nauk Biologicznych Harpur College of Arts and Sciences w Binghamton są również autorami tego badania. Badania zostały sfinansowane z grantów National Institutes of Health dla Rona Milesa.
Pojedyncze pasmo pajęczego jedwabiu jest tak cienkie i czułe, że może wykryć ruch wibrujących cząsteczek powietrza, które tworzą falę dźwiękową, co różni się od działania bębenków usznych. Wcześniejsze badania Rona Milesa doprowadziły do wynalezienia nowatorskich konstrukcji mikrofonów opartych na słuchu owadów.
„Pająk jest naprawdę naturalną demonstracją, że jest to realny sposób na wyczuwanie dźwięku za pomocą sił lepkości w powietrzu na cienkich włóknach” – powiedział. „Jeśli to działa w naturze, może powinniśmy się temu bliżej przyjrzeć”.
Pająki mogą wykrywać drobne ruchy i wibracje poprzez narządy zmysłów na szponach stępu na końcach nóg, którymi chwytają swoje sieci. Wiadomo, że pająki orb-weaver tworzą duże sieci, tworząc rodzaj anteny akustycznej o powierzchni wrażliwej na dźwięk, która jest do 10 000 razy większa niż sam pająk.
W badaniu naukowcy wykorzystali komorę bezechową Uniwersytetu Binghamton, całkowicie dźwiękoszczelne pomieszczenie pod Kompleksem Innowacyjnych Technologii. Zbierając tkaczy kul z okien wokół kampusu, kazali pająkom kręcić pajęczynę wewnątrz prostokątnej ramy, aby mogły ustawić ją tam, gdzie chciały.
Zespół zaczął od użycia czystego dźwięku z odległości 3 metrów na różnych poziomach dźwięku, aby sprawdzić, czy pająki zareagowały, czy nie. Co zaskakujące, odkryli, że pająki mogą reagować na poziom dźwięku wynoszący zaledwie 68 decybeli. Aby uzyskać głośniejszy dźwięk, znaleźli jeszcze więcej rodzajów zachowań.
Następnie umieścili źródło dźwięku pod kątem 45 stopni, aby sprawdzić, czy pająki zachowują się inaczej. Odkryli, że pająki nie tylko lokalizują źródło dźwięku, ale potrafią określić kierunek nadchodzącego dźwięku ze 100% dokładnością.
Aby lepiej zrozumieć mechanizm pajęczego słyszenia, naukowcy wykorzystali wibrometrię laserową i zmierzyli ponad tysiąc miejsc na naturalnej pajęczej sieci, z pająkiem siedzącym pośrodku pod polem dźwiękowym. Wyniki pokazały, że sieć porusza się z dźwiękiem niemal z maksymalną wydajnością fizyczną w ultraszerokim zakresie częstotliwości.
„Oczywiście, prawdziwe pytanie brzmi: jeśli sieć porusza się w ten sposób, czy pająk słyszy, jak jej używa?” powiedział Miles. „Trudno odpowiedzieć na to pytanie”.
Lai dodał: „W ciele pająka może być nawet ukryte ucho, o którym nie wiemy”.
Zespół umieścił więc minigłośnik 5 centymetrów od środka sieci, gdzie siedzi pająk, i 2 milimetry od płaszczyzny sieci — blisko, ale nie dotykając sieci. Dzięki temu dźwięk dociera do pająka zarówno w powietrzu, jak iw sieci. Naukowcy odkryli, że fala dźwiękowa z minigłośnika znacznie wygasła, gdy przeszła w powietrzu, ale rozchodziła się łatwo przez sieć z niewielkim tłumieniem. Poziom dźwięku wciąż wynosił około 68 decybeli, gdy dotarł do pająka. Dane behawioralne wykazały, że cztery z 12 pająków zareagowały na ten przenoszony przez sieć sygnał.
Reakcje te dowiodły, że pająki mogą słyszeć przez sieci, a Lai był zachwycony, gdy to się stało: „Pracuję nad tymi badaniami od pięciu lat. To długo i wspaniale jest widzieć, że wszystkie te wysiłki staną się czymś, co każdy może czytać”.
Naukowcy odkryli również, że pająki, przykucając i rozciągając się, mogą zmieniać napięcie nici jedwabiu, dostrajając je w ten sposób do odbierania różnych częstotliwości. Wykorzystując tę zewnętrzną strukturę do słyszenia, pająk może dostosować ją do słyszenia różnych rodzajów dźwięków.
Przyszłe eksperymenty mogą zbadać, w jaki sposób pająki wykorzystują dźwięk, który mogą wykryć za pomocą swojej sieci. Ponadto zespół chciałby przetestować, czy inne rodzaje pająków tkających pajęczyny również wykorzystują swój jedwab do outsourcingu słuchu.
„Rozsądnie jest zgadywać, że podobny pająk na podobnej sieci zareagowałby w podobny sposób” – powiedział Ron Miles. „Ale nie możemy wyciągnąć żadnych wniosków na ten temat, ponieważ przetestowaliśmy pewien rodzaj pająka, który jest dość powszechny”.
Lai przyznał, że nie miał pojęcia, że będzie pracował z pająkami, kiedy przyjechał do Binghamton jako doktorant inżynierii mechanicznej.
„Przez całe życie bałem się pająków z powodu ich obcego wyglądu i włochatych nóg!” powiedział ze śmiechem. „Ale im dłużej pracowałem z pająkami, tym bardziej je odnajdywałem. Naprawdę zaczynam je doceniać”.
Wideo: https://youtu.be/PIrotdSIxG4