Представьте себе юрский лес: 165 миллионов лет назад, задолго до первых птиц и млекопитающих, воздух вокруг вас наполняли не только стрекот и жужжание, но и звуки, которые мы сегодня даже не смогли бы услышать. Учёные, изучая окаменевшие крылья древних насекомых, смогли частично реконструировать акустический пейзаж средней юры. И оказалось, что мир тогда был куда «громче» и сложнее, чем принято считать.

Международная группа исследователей под руководством доктора Джун-Джи Гу из Китайской академии наук проанализировала структуру крыльев девяти видов ископаемых насекомых, живших около 165 миллионов лет назад. Крылья у прямокрылых — предков современных кузнечиков и сверчков — несут на себе особые структуры: стридуляционные гребни и скребки. Когда насекомое трёт одним крылом о другое, эти элементы создают вибрацию, которая и порождает звук. По геометрии этих структур, их плотности и расположению можно довольно точно определить, какую частоту и тембр издавало насекомое.

Результаты, опубликованные в журнале PNAS, оказались неожиданными. Большинство изученных видов — среди них Tarragoilus diuturnus, чей современный родственник из семейства Prophalangopsidae всё ещё живёт на Земле, — издавали чистые тона с частотой от 5 до 7 килогерц. Это вполне слышимый для человека диапазон, сравнимый с пением современных сверчков. Но один вид, Sigmaboilus peregrinus, выделялся из общей картины: судя по строению его крыльев, он общался на частотах выше 20 килогерц — то есть в ультразвуковом диапазоне.

Ультразвук до летучих мышей

Здесь и кроется главная интрига. До сих пор считалось, что ультразвуковая коммуникация у животных появилась вместе с летучими мышами, которые начали использовать эхолокацию около 50 миллионов лет назад. Но Sigmaboilus peregrinus жил на 100 миллионов лет раньше. Получается, что ультразвук в животном мире существовал задолго до того, как появились его самые известные «потребители».

Зачем древнему насекомому понадобился ультразвук? Учёные предлагают два основных объяснения. Первое — хищники. В средней юре уже появились первые млекопитающие, и многие из них, судя по строению челюстей, питались насекомыми. Обычный слышимый стрекот мог выдавать насекомое хищнику, а ультразвук позволял общаться, оставаясь незаметным для слуха рептилий и ранних зверей. Второе объяснение — акустическая конкуренция. В густом юрском «хоре» из десятков видов насекомых каждому виду было выгодно занять свою частотную нишу, чтобы его сигналы не терялись в общем шуме и не перекрывались с сигналами сородичей.

Интересно, что оба объяснения не исключают друг друга. Возможно, ультразвук у Sigmaboilus peregrinus появился именно потому, что нижние частоты были заняты другими видами, а заодно это защищало его от хищников, которые слушали в слышимом диапазоне.

Крылья как звуковой архив

Сама по себе методика реконструкции звуков по ископаемым крыльям — отдельное достижение. Учёные не просто измерили размеры крыльев: они построили трёхмерные модели стридуляционных структур и проанализировали, как они взаимодействуют друг с другом при движении. Это позволило не только определить частоту, но и оценить тембр — чистый ли это был тон или звук с обертонами. У большинства изученных видов звук был чистым, тональным, что характерно для брачных призывов у современных прямокрылых.

Кстати, мы уже писали о том, как древние существа осваивали воздух задолго до привычных нам летунов: рептилии с рёбрами-крыльями планировали в воздухе за 50 миллионов лет до появления птиц. Теперь же выясняется, что и акустическая среда юрского периода была куда сложнее, чем казалось.

Работа открывает неожиданную перспективу: возможно, ультразвуковая коммуникация — не изобретение кайнозоя, а гораздо более древний механизм, который просто «включился» задолго до летучих мышей. И если Sigmaboilus peregrinus действительно использовал ультразвук, то это значит, что эволюция акустических систем шла разными путями, и мы только начинаем слышать эти древние голоса.

Юрские леса для нас безмолвны. Окаменелости сохраняют кости, раковины и иногда удивительно нежные крылья, но звуки, некогда наполнявшие те пейзажи, исчезли почти сразу после того, как были изданы. Однако коллекция окаменевших крыльев насекомых предлагает необычный способ вернуть часть этого утраченного звукового ландшафта.

Учёные реконструировали вероятные сигналы девяти видов — родственников современных сверчков и кузнечиков, живших около 165 миллионов лет назад. Некоторые, судя по всему, издавали низкие музыкальные тона, похожие на те, что мы слышим у нынешних насекомых. А один вид, вероятно, общался с помощью ультразвука — частот, слишком высоких для человеческого уха.

Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, указывают на то, что ультразвуковая коммуникация у животных появилась гораздо раньше, чем считалось прежде. Они также ставят под сомнение идею о том, что именно летучие мыши подтолкнули насекомых к ультразвуковой сигнализации.

«Пока мы можем лишь подтвердить, что юрские прямокрылые общались в широком диапазоне частот — от низких звуковых до умеренного ультразвука», — написали доктор Джун-Цзе Гу из Сельскохозяйственного университета Сычуани с коллегами.

Крылья хранят древние песни

Реконструировать доисторические звуки необычайно трудно, ведь голосовые органы плохо сохраняются в окаменелостях. «Звуки, издававшиеся динозаврами и другими харизматичными позвоночными, доподлинно неизвестны, потому что их голосовые органы редко сохраняются в ископаемом виде», — отмечают исследователи.

Насекомые — важное исключение. Сверчки, кузнечики и их родичи способны издавать звуки с помощью стридуляции: они трут зазубренную структуру, называемую напильником, на одном крыле о скребок на другом. Расстояние между зубчиками напильника и свойства вибрирующего крыла во многом определяют итоговый звук. Эти структуры входят в состав твёрдого наружного скелета насекомого, который может пережить фоссилизацию.

«Эти окаменелости содержат отпечаток акустических сигналов, которые они генерировали, открывая уникальное окно в звуковые ландшафты прошлого», — пишет команда.

Исследователи проанализировали 20 исключительно хорошо сохранившихся ископаемых насекомых из формации Цзюлуншань у деревни Даохугоу во Внутренней Монголии, Китай. Коллекция представляла девять видов: семь принадлежали к семейству Prophalangopsidae и два — к вымершему семейству Haglidae. Все они жили примерно в одном месте и в один период, что позволило учёным реконструировать акустическое сообщество, а не сигнал одного животного.

Как звучали крылья возрастом 165 миллионов лет

Команда применила несколько подходов, чтобы оценить, как звучали насекомые. Исследователи сравнили окаменелости с почти сотней живых видов насекомых и изучили, как анатомия крыльев соотносится с частотой сигналов. Они также использовали лазерные измерения вибрирующих крыльев современных насекомых, чтобы проверить модели поведения ископаемых крыльев. Затем компьютерное моделирование воспроизвело колебания древних крыльев.

Учёным даже удалось смоделировать отдельные «слоги» — базовые звуковые единицы, возникающие при смыкании крыльев и движении скребка по напильнику. Поскольку поведение и нервный контроль не могут окаменеть, полностью восстановить ритмы сигналов не удалось. Поэтому для оценки вероятной скорости слогов и создания гипотетического юрского звукового ландшафта использовалась модель машинного обучения, обученная на современных насекомых.

«Мы реконструировали их акустический ландшафт, показав чистые тона, разнообразие и в некоторых случаях ультразвуковые сигналы», — пишут исследователи.

Удивительно разнообразный юрский хор

Пять из девяти видов, по-видимому, издавали низкочастотные чистые тона в диапазоне примерно от 5 до 7 килогерц. Эти частоты напоминают сигналы, которые до сих пор используют некоторые современные сверчки и их родственники. Чистые тона также используют естественный резонанс крыльев, позволяя насекомым эффективно производить сильные сигналы.

Другие виды, очевидно, занимали более высокочастотные каналы. Самый поразительный пример — Sigmaboilus peregrinus. Моделирование показало, что его вероятная несущая частота составляла около 20,4 килогерца, что выводит сигнал в ультразвуковой диапазон, недоступный человеческому слуху. Эта находка отодвигает ультразвуковую коммуникацию в глубь средней юры.

«Мы показываем, что ультразвуковая коммуникация, вероятно, была принята предками кузнечиков в средней юре, около 165 миллионов лет назад, — это древнейшая известная запись ультразвуковой коммуникации у животных», — пишут авторы.

Окаменелости также показали сложные вариации в расположении и форме зубчиков вдоль стридуляционных напильников. Эти структуры позволяют предположить, что юрские насекомые уже разработали несколько механических способов изменять свои сигналы.

Ультразвук появился раньше летучих мышей

Время создаёт эволюционную загадку. Современные кузнечики часто используют ультразвук, и около 70% известных живых видов общаются на ультразвуковых частотах. Летучие мыши, использующие высокочастотную эхолокацию для охоты, часто рассматривались как важная сила, стоящая за этими сигналами.

Высокочастотные сигналы не распространяются так далеко, как низкочастотные. Это может помочь насекомому общаться с близким партнёром, затрудняя отдалённому хищнику обнаружение источника звука. Но юрские насекомые использовали ультразвук за десятки миллионов лет до появления летучих мышей.

«Мы отвергаем гипотезу о том, что летучие мыши были единственным драйвером эволюции ультразвука у кузнечиков», — пишет команда. Вместо этого ранние млекопитающие и их немлекопитающие родственники, возможно, уже подслушивали.

Древняя акустическая гонка вооружений

Учёные предполагают, что подслушивание хищниками могло формировать юрские песни насекомых. Чистые тона, возможно, было трудно точно локализовать ранним млекопитающим. Более высокие частоты также могли сокращать расстояние, на котором хищник мог обнаружить поющего насекомого.

«Вместо этого, вероятно, ранние млекопитающие и немлекопитающие предки тоже подслушивали песни прямокрылых, стимулируя раннюю диверсификацию акустических сигнальных стратегий», — пишут исследователи.

Кстати, мы уже писали о том, как древние существа осваивали воздух задолго до привычных нам форм: рёбра-крылья рептилий позволяли им планировать за 50 миллионов лет до птиц. А в другом материале пещерные рисунки сохранили облик исчезнувших летучих мышей — тех самых хищников, которых традиционно считали двигателем ультразвуковой эволюции. Теперь выясняется, что ультразвук мог появиться задолго до них.