【生物科學】雨林昆蟲和人類之「異耳同功」

■ 研究人員發現蟋蟀足以和哺乳動物中耳聽骨功能匹敵的機制,其如機械般精確的訊息轉換功能,對於有志於設計極度靈敏的超音頻率迷你麥克風的工程師而言,是極好的靈感來源。

仔細聽過來!這隻小昆蟲的耳朵也許是聲學工程師的靈感來源。資料來源:Fernando Montealegre-Z and Daniel Robert

編譯│張孝耘

在南美洲熱帶雨林的深處,一隻隻蟋蟀(katydid)正豎起牠們的小耳朵傾聽蝙蝠的動靜。新的研究發現,蟋蟀長在前腿上的耳朵,除了位置不同以外,和人耳極為相似,學者認為聲學工程師也許可以藉由模仿這個小小的器官設計出微音感應器(microscopic acoustic sensors)。

哺乳類動物的耳朵有三個特殊的構造:(1) 鼓膜或稱耳膜(tympanic membrane, or eardrum) ,會隨著傳入的聲波而振動;(2) 三塊精細的耳骨可將振動傳進內耳;以及(3) 耳蝸(cochlea),是一個充滿液體的螺旋管狀結構,上面的感應細胞會依聲波頻率的不同而產生不同反應,由高至低排列如鋼琴琴鍵一般。

專門研究昆蟲聲音溝通(acoustic communication)的康乃爾大學神經生物學家羅納德‧赫伊(Ronald Hoy)表示,耳蝸感應細胞的存活有賴於這些液體,但這些液體也會使大部分的聲波能量產生折射,這和我們把頭埋在水裡時聽不清楚的道理一樣,因此,必須要有一個機制能將由空氣傳送的大而微弱的聲波轉成由液體傳送的較小但較強的聲波,才能讓感應細胞接收到訊息,這個過程叫做「阻抗匹配」 (impedance matching)。這正是前述哺乳類動物的三塊中耳聽骨的功能,由於其結構之複雜,以及其如機械般精確的訊息轉換功能,所以這三塊中耳骨向來被認為是一大奇蹟。

科學家很早就知道蟋蟀和與其相近的昆蟲有一小片像哺乳動物般的鼓膜,腿上並且還有一條扁平的感應細胞區,但是由於研究人員一直沒有找到一個充滿液體可以讓聲波傳送過去的器官,所以並不清楚牠們如何把空氣中傳遞的聲波轉換成由液體傳送。

不過現在,英國的布理斯托(University of Bristol)及林肯大學(University of Lincoln)的學者們在研究了哥倫比亞雨林區一種蟋蟀(學名Cyrtophorina gorgonensis)的耳朵之後,認為他們找到了足以和哺乳動物中耳聽骨功能匹敵的機制。研究人員發現的這個構造不到幾百微米,小到無法以解剖的方式發現,赫伊說:「即使再靈巧的手,也很容易遺漏。」

發現的學者是生物物理學家費南多‧蒙特萊格-Z(Fernando Montealegre-Z),他使用的高功率電腦斷層掃描(CT scan,即computed tomography) 是一種非侵入性的技術,可以用來偵測化石及其他考古文物而不會造成任何損害。蒙特萊格-Z在檢視該物種內耳的三維影像時發現,在蟋蟀鼓膜後面有一個很小的圓錐體空腔,兩側有可開闔的角質皮各伸出一小段來,進一步檢查後更發現裡面充滿了油性的液體。當聲波打到鼓膜,觸動了突出於圓椎體腔室外側較短的角質皮,於是腔室內側較長的那段角皮也會跟著抖動,並將較小但較強勁的聲波經由油性液體傳到成串的感應細胞處

生物奈米科學家(bionanoscientist)丹尼爾‧羅伯特(Daniel Robert)是該研究報告的作者之一,他表示此一聲波轉換的機制和人類的很像,但比較簡單,令人振奮之處是因為其「看來複雜度較低,但卻更穩定」,而且對於有志於設計極度靈敏的超音頻率迷你麥克風的工程師而言,是極好的靈感來源,亦有助於提升像助聽器等醫學器材的品質和功能。

位於科利吉帕克市馬里蘭大學(University of Maryland, College Park)的神經生物學者凱瑟琳‧卡爾(Catherine Carr)也認為該研究結果「非常振奮人心」,尤其是蟋蟀能以如此之「小咖」來克服阻抗匹配的難題,實在是令人驚嘆。

赫伊表示,雖然蟋蟀和人類差異很大,但由於兩者的聽覺細胞都在液體中卻需要接收經由空氣傳來的聲音,所以必須解決的問題是一樣的,在這個研究完成之前,科學家對於蟋蟀等各種昆蟲如何達成這個任務完全「毫無頭緒」,但除此之外,最讓他驚喜的是看到了「昆蟲和人類之間的演化趨同現象」。

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報導出處:Discovery could hold the key to super-sensory hearing

責任編輯:Nita Hsu

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