165 млн лет назад леса уже были наполнены ультразвуком — ученые выяснили, кто его создавал

Ученые пришли к этому выводу после изучения прекрасно сохранившихся ископаемых крыльев. Они реконструировали вероятные частоты и ритм сигналов девяти видов насекомых средней юры, фактически создав модель одного из древнейших известных звуковых ландшафтов.

Но речь не идет о настоящей «записи» звуков из прошлого. Исследователи рассчитали, как насекомые могли звучать, используя анатомию ископаемых крыльев, физическое моделирование, данные современных видов и машинное обучение.

Детали

Голосовые органы большинства древних позвоночных почти никогда не сохраняются в виде окаменелостей. Поэтому точно узнать, например, как кричало большинство динозавров, чрезвычайно сложно.

С насекомыми ситуация оказалась другой.

Сверчки, кузнечики и их родственники могут производить звук с помощью стридуляции — трения специальных участков одного крыла о другое. На крыле находится своеобразная «пилка» с рядом мелких зубцов и противоположная структура, которая проходит по ним.

Размер крыла, расстояние между зубцами и площадь вибрирующей мембраны связаны с частотой возникающего звука.

Эти твердые структуры способны окаменеть.

Поэтому ископаемое крыло сохраняет не сам звук, а своего рода анатомический отпечаток механизма, который когда-то этот звук создавал.

Исследователи проанализировали 20 ископаемых насекомых, представляющих девять видов. Все находки происходят из формации Цзюлуншань во Внутренней Монголии в Китае и относятся к средней юре.

Возраст этой фауны составляет около 165 млн лет.

Изученные насекомые относились к Ensifera — группе прямокрылых, в которую сегодня входят сверчки, кузнечики и их родственники.

Для реконструкции команда объединила несколько методов: филогенетический анализ, изучение микроскопического строения крыльев, лазерную доплеровскую виброметрию современных насекомых, численное моделирование и алгоритмы для восстановления временной структуры сигналов.

Чтобы убедиться, что по форме крыла действительно можно достаточно точно определить его звучание, ученые работали и с современными насекомыми.

Они измеряли реальные колебания крыльев с помощью лазерной виброметрии и сравнивали полученные данные с расчетами физических моделей.

Для современных видов предсказанные моделью резонансные частоты оказались близки к реально зарегистрированным сигналам.

Только после этой проверки тот же принцип применили к ископаемым крыльям.

Это существенно повышает надежность реконструкции, хотя полностью проверить звук вымершего насекомого, разумеется, невозможно.

Результаты показали, что юрский лес, вероятно, был акустически довольно разнообразным.

Большинство изученных видов производили сравнительно чистые тональные сигналы. Для нескольких реконструированные частоты находились примерно в диапазоне около 5 кГц и выше.

Такие звуки находятся внутри диапазона человеческого слуха. Если бы человек оказался в этом юрском лесу, часть местного стрекотания могла бы напоминать очень высокие сигналы современных сверчков.

Но одно насекомое выделялось на фоне остальных.

У вида Sigmaboilus peregrinus строение крыла указывает на значительно более высокую частоту.

По реконструкции ученых его сигнал превышал 20 кГц, то есть находился на границе ультразвукового диапазона или уже за пределами того, что способен слышать большинство взрослых людей.

Именно этот результат авторы считают особенно важным.

Он означает, что насекомые, вероятно, использовали ультразвуковую коммуникацию уже в средней юре. Авторы называют полученные данные свидетельством того, что такой тип сигналов возник задолго до появления летучих мышей.

Сегодня ультразвук тесно связан с летучими мышами.

Многие из них издают очень высокочастотные сигналы и по отраженному эху находят препятствия и добычу. Насекомые, в свою очередь, способны слышать эти сигналы и уклоняться от приближающегося хищника.

Из-за этой современной «гонки вооружений» существовала гипотеза, что давление со стороны эхолоцирующих летучих мышей стало одним из главных факторов развития ультразвукового слуха и сигналов у насекомых.

Но изученные юрские насекомые жили примерно за 100 млн лет до появления первых известных летучих мышей.

Следовательно, летучие мыши не могли быть первоначальной и единственной причиной возникновения ультразвуковой коммуникации у этой группы.

Авторы предполагают, что эволюционная «гонка вооружений» могла начаться намного раньше.

В юрских экосистемах уже существовали небольшие ранние млекопитающие и другие позвоночные с достаточно развитым слухом. Некоторые из них могли охотиться на насекомых, ориентируясь в том числе по звуку.

Для самца громкий брачный сигнал создавал очевидную проблему: его слышала не только потенциальная партнерша, но и хищник.

Переход к более высоким частотам теоретически мог позволить ограничить дальность распространения сигнала и затруднить его обнаружение некоторыми хищниками.

Однако это эволюционная гипотеза, а не непосредственно доказанный сценарий. Ископаемые крылья позволяют оценить звук, но не сообщают, почему конкретная частота возникла. Авторы также рассматривают изменение слуховых возможностей ранних млекопитающих как возможный источник селективного давления.

Есть и другое возможное объяснение разнообразия частот.

Лес с большим количеством одновременно стрекочущих видов представляет собой сложную акустическую среду.

Если все животные используют приблизительно одинаковые частоты и ритм, их сигналы начинают перекрывать друг друга. Самкам становится сложнее распознавать представителей собственного вида.

Разделение частот позволяет нескольким видам существовать в одной среде, занимая разные акустические ниши.

Именно такое разнообразие исследователи обнаружили среди юрских насекомых: различия в размерах крыльев и устройстве стридуляционного аппарата должны были создавать разные частоты и типы сигналов.

Определить частоту — только половина задачи.

Настоящее стрекотание состоит из повторяющихся импульсов и пауз. Насекомые могут издавать короткие одиночные сигналы, длинные серии или ритмические последовательности.

Эта временная структура гораздо хуже сохраняется в ископаемой летописи.

Поэтому исследователи использовали данные современных родственников и вычислительные методы, включая модель машинного обучения, чтобы оценить наиболее вероятную частоту повторения элементов песни у вымерших видов.

На основе этих расчетов они создали звуковые реконструкции.

Но здесь особенно важно не путать модель с записью: алгоритм не извлек звук из окаменелости. Он помог рассчитать один из вероятных вариантов того, как мог быть организован сигнал.

Юрский лес звучал иначе, чем показывают в кино

Исследование позволяет представить часть звуковой среды эпохи динозавров намного реалистичнее.

Она состояла не только из возможных криков крупных позвоночных.

В лесах постоянно существовал акустический фон, создаваемый мелкими животными. Древние родственники современных сверчков и кузнечиков уже обладали сложными механизмами производства звука и, вероятно, разделяли акустическое пространство между разными видами.

Часть этих сигналов находилась в доступном человеку диапазоне, а часть — на его границе или за пределами.

Получается необычная картина: юрский лес мог быть намного шумнее, чем казалось, причем некоторые его обитатели «разговаривали» на частотах, которые мы сегодня практически не слышим.

Но весь звуковой ландшафт юры ученые не восстановили.

Заголовок о «звуках юрского леса» требует существенной оговорки.

В исследовании представлены всего девять видов одной группы насекомых из одной местности.

В том же ландшафте должны были существовать другие насекомые, амфибии, рептилии, ранние млекопитающие и динозавры. Звучали ветер, дождь и вода.

Большинство этих звуков не оставило такой удобной ископаемой структуры, как стридуляционный аппарат насекомых.

Поэтому полученная реконструкция представляет не полный саундтрек юрского леса, а один его фрагмент.

То же относится к ультразвуку. По данным исследования, частоту выше 20 кГц уверенно предполагают прежде всего для одного из девяти рассмотренных видов. Из этого нельзя заключать, что все юрские леса постоянно были заполнены ультразвуковыми сигналами множества животных.

Однако сама возможность такого общения в столь древней экосистеме уже меняет представления о происхождении высокочастотных сигналов у насекомых.

Главная ценность работы заключается в том, что она связывает палеонтологию с биомеханикой и современной биоакустикой.

Окаменелость хранит форму крыла. Форма определяет его механические свойства. Эти свойства влияют на частоту вибраций — а значит, позволяют приблизиться к звуку, который создавал давно исчезнувший организм.

Это не настоящая аудиозапись возрастом 165 млн лет.

Но для палеонтологов подобные структуры становятся одним из редких способов исследовать не только как древнее животное выглядело, но и как оно взаимодействовало с окружающим миром через звук.

Источник

Исследование: “Reconstruction of an extinct soundscape reveals ultrasonic communication in the Jurassic”.

Авторы: Jun-Jie Gu, Fernando Montealegre-Z, Thorin Jonsson, Charlie Woodrow, Emine Celiker, Md Niamul Islam, Jackson B. Linde, Fabio Sarria-S, Fuming Shi, Hojun Song, Daniel Robert, Dong Ren.