[19/11/2012] News
Il super-udito della cavalletta verde brasiliana
Il funzionamento dell’udito dell’insetto potrebbe aiutare a creare nuove tecnologie mediche e per il controllo delle infrastrutture
La prestigiosa rivista Science pubblica lo studio "Convergent evolution between insect and mammalian audition", nel quale un team delle università di Lincoln e Bristol rivela che alcuni insetti, come dei tettigoniidi (cavallette verdi o dalle lunghe corna) della foresta pluviale brasiliana, hanno «Meccanismi biofisici per l'elaborazione uditiva» simili a quelli dei mammiferi. Le loro piccolissime "orecchie" riescono, attraverso fase aria-liquido ad ampilficare i segnali sonori attraverso il timpano. Un processo simile a quello che avviene nella coclea dei mammiferi. «Così - scrivono i ricercatori - due organismi filogeneticamente remoti, come i katydis (le cavallette verdi, ndr) ed i mammiferi hanno sviluppato una serie di soluzioni convergenti per i più comuni problemi biofisici, nonostante la loro dipendenza da substrati morfologici molto doversi».
La scoperta di un organo dell'udito precedentemente non identificato nell'orecchio delle cavallette verdi sudamericane Potrebbe aprire la strada a progressi tecnologici nella ricerca "bio-ispirata" nei sensori acustici, tra i quali il medical imaging e gli aiuti allo sviluppo dell'udito», scrivono i ricercatori che hanno scoperto il pezzo del puzzle mancante per poter comprendere il processo di trasformazione del suono nelle orecchie "non convenzionali" dei orecchie dei tettigoniidi che hanno quattro timpani (o ear drums), due per ogni zampa anteriore. Fino ad ora nessuno era riuscito a capire come questi insetti riuscissero a sentire, dato che i timpani (una membrana che vibra in risposta al suono) non sono direttamente in contatto con i recettori sensoriali (meccanocettori).
Lo studio, promosso dall'Human frontiers science program (Hfsp), è stato sviluppato in laboratorio da Daniel Robert, Royal Society fellow all'università di Bristol, e da Fernando Montealegre-Z, che lavora alla School of life sciences della Lincoln, che dopo aver scoperto questo organo del super-udito nelle cavallette verdi hanno indagato sul modo in cui un sistema di tubicini nel loro orecchio trasporta suono. La ricerca si è concentrata sul tettigoniide Copiphora gorgonensis, una specie neotropicali dal Parco Nazionale di Gorgona un'isola del Pacifico della Colombia e i risultati sono sorprendenti: l'orecchio della cavalletta opera in modo analogo a quello dei mammiferi. Montealegre-Z spiega: «Abbiamo scoperto una nuova struttura che costituisce l'elemento chiave dell'udito di questi insetti, che non era stata presa in considerazione nel precedente lavoro. L'organo è pieno di vescicole con un fluido che abbiamo chiamato "vescicole uditive". Questo organo dell'udito media il processo di conversione dell'energia acustica (onde sonore) in energia meccanica, idraulica ed elettrochimica. L'integrazione di "laser Doppler vibrometry" e "micro-CT scanning" ci ha permesso di identificare la vescicola uditiva e di concludere che il processo si basa su un sistema di leve timpaniche analogo agli ossicini dei mammiferi. Questo serve a trasmettere vibrazioni aerodisperse al fluido (vescicola uditiva) e anche ai meccanocettori».
Un orecchio che si comporta come quello dei mammiferi è qualcosa che fino ad ora era sconosciuto tra gli insetti ed è per questo livello di sofisticazione, sensibilità e funzionalità che l'udito di queste cavallette potrebbe servire a produrre sistemi e sensori acustici che si ispirino al loro meccanismo uditivo che in alcune specie di tettigoniidi è particolarmente sensibile ed in grado di rilevare segnali ultrasonici estremi (>130 kHz) a lunga distanza. Montealegre-Z ha intenzione di proseguire la sua ricerca per studiare le orecchie di specie del genere Arachnoscelis che utilizzano ultrasuoni estremi(130-150 kHz), per scoprire come le cavallette verdi riescano sentire i loro richiami acuti da lunghe distanze: «Questi risultati sono stati ottenuti su una singola specie, C. gorgonensis, che utilizza frequenze ultrasoniche moderate di 23kHz. Tuttavia, abbiamo misurato le altre specie e abbiamo scoperto nelle foreste pluviali del Sud America una specie di cavalletta verde che emette suoni a 150kHz. Suoni a queste frequenze subiscono attenuazione in eccesso e non vengono trasmessi molto in un ambiente di foresta pluviale, limitando quindi le comunicazioni a lungo raggio. Eppure riescono ad ascoltarsi l'un l'altro da distanze molto maggiori. Non sappiamo come lo fanno, ma credo che questa sensibilità venga, in parte, dalla vescicole uditive. Questi risultati cambiano le nostre opinioni sull'udito insetti ed aprono la strada alla progettazione di sensori bio-ispirati ultrasensibili».
Daniel Robert, uno dei quattro scienziati che hanno partecipato allo studio, evidenzia che «Le orecchie di questa cavalletta verde ci stanno insegnando che meccanismi acustici complessi possono avvenire in orecchie molto piccole. Per questo stiamo imparando come l'evoluzione ha messo a punto microfoni molto piccoli, efficienti e sofisticati. Ora dobbiamo imparare a fare uno come questi».
Montealegre-Z sta progettando una ricerca sul campo per studiare grilli nel Parco Nazionale di Gorgona insieme a ricercatori dell'università austriaca di Graz e di quelli di Bristol e Strathclyde. Un progetto finanziato da National Geographic che prevede di collegare elettrodi speciali al sistema sensoriale delle cavallette verdi, il che consentirà agli scienziati di ascoltare gli stessi suoni che sentono gli insetti.
James Windmill, del Centre for ultrasonic engineering dell'università di Strathclyde, è convinto che «Le scoperte del dottor Montealegre-Z daranno un contributo prezioso alla nostra ricerca per la prossima generazione di tecnologie di ingegneria ad ultrasuoni. Per migliorare la nostra comprensione dell'udito degli e dei sistemi sensoriali degli insetti, siamo in grado di incorporare nuove idee e tecniche in una vasta gamma di tecnologie, tra le quali apparecchi acustici, sistemi di imaging biomedico per ospedali, ultrasuoni e tecnologie non distruttive per la valutazione dell'integrità strutturale di edifici e ponti».