Bir kurbağa türü kokteyl partisi sorununa çözüm buluyor

Ağaç kurbağalarının ciğerlerindeki bir mekanizma, gelen gürültüyü ve diğer amfibi seslerini kendi türlerinin seslerinden filtrelemeye yardımcı olur.

İnsanlar büyük, gürültülü toplantılara katıldıklarında, bir sohbeti duymak genellikle zordur. Sözde kokteyl partisi problemi, yeşil ağaç kurbağasını da etkiler (Şekil 1'de resmedilmiştir.) ve habitatlarda çeşitli hayvanların sesleriyle ve antropojenik gürültü kaynaklarıyla dolu diğer kurbağalar. Çevresel arka plan gürültüsü, yaklaşık olarak bir elektrikli süpürge ile aynı büyüklükte, 60–80 dB (standart ses-basınç seviyesi referansına göre) hacimlere ulaşabilir. Duyulabilmesi için, ağaç kurbağaları, arka plandaki gürültüden çok daha yüksek bir mertebede, 1 m uzaklıktan genellikle 100 dB genlikte yüksek sesli çağrılar üretir.

Şekil 1. Ağaç kurbağaları, burada resmedilen erkek gibi, gürültülü habitatlarda çiftleşme çağrılarını güçlendirmek için ses keselerini - ağız altındaki esnek deri zarı şişirirler. Bu çağrıları daha da iyi duymak için, türlerin üyeleri, ekte gösterilen östaki tüpleri ve glotis yoluyla akciğerleri ile timpan veya kulak zarları arasındaki anatomik bağlantıdan yararlanarak ortam gürültüsünün sesini azaltır. 

 Kakofoniye karşı, kurbağalar ve diğer hayvanlar, örneğin, türe özgü çağrı kalıplarını yanlış tanımlayabilir veya ses kaynaklarını bulmakta zorlanabilir. Olağanüstü gürültülü ortamlarda, diğer türler akustik iletişimi tamamen terk ederler ve bacaklarını sallamak gibi görsel ipuçlarına başvururlar. 

 Amacınız, gelen akustik bilginin sinyal gürültü oranını iyileştiren evrimsel uyarlamaları incelemekse, kurbağalar ilginç konular oluşturur. Yaklaşık 200 milyon yıldır, gürültülü ortamlarda başarılı bir şekilde ses çıkarıyorlar. Onlar ve diğer amfibiler, akciğerden kulağa ses aktarım yolunu geliştirdiler. Şekil 1'in eki, ses dalgalarının ağaç kurbağasının kulak zarının veya timpanumun iç yüzeyine ulaştığı havadaki yolları gösterir: doğrudan hayvanın ağzına bağlı östaki tüpleri ve glotis açıklığı yoluyla akciğerlerden daha dolambaçlı yol.

 Araştırmacılar, kurbağaların akciğerden kulağa anatomisini en az 30 yıldır biliyorlar ve akciğerlerin kulak zarına ulaşan akustik sinyalleri nasıl modüle edebileceğini inceliyorlar. Önceki çalışmalar, bazı kurbağaların akciğerlerini şişirerek belirli bir frekans aralığında tek bir kulak zarının yönsel hassasiyetini iyileştirdiğini göstermiştir.

 Kokteyl partisi sorununu kendi çağrılarını arka plandaki gürültüden daha yüksek sesle yaparak çözmek yerine, en az bir kurbağa türü çevrelerindeki gürültüyü azaltarak iletişimlerini geliştirebilir. Minnesota'daki St Olaf Koleji'nden Norman Lee, Minnesota Üniversitesi'nden Mark Bee ve meslektaşları şimdi yeşil ağaç kurbağalarının akciğerlerini şişirdiğinde biyolojik olarak gürültülü bir frekans bandından gelen akustik sinyallerin zayıflatıldığını keşfettiler.

 Titreşimlerin toplanması

 Önceki çalışmalarda, araştırmacılar akciğerlerin kurbağalarda ses kaynağı lokalizasyonunu kontrol edip edemeyeceğini anlamaya çalıştılar. Çoğu deney, gelen seslerin tek bir kulak zarının yönsel hassasiyetini nasıl etkileyebileceğini araştırdı. Lee ve meslektaşları ayrıca yönlülük üzerine çalışmak ve bir kurbağanın kulağının dış ve iç yüzeylerine çarpan sesin katkılarını açıklamak istediler. Böylece kurbağanın çeşitli yerlerine frekans modülasyonlu bir akustik uyarıcı yerleştirdiler ve kulak zarında ortaya çıkan titreşimlerin genliğini analiz ettiler.

 Akciğerlerin şişirilmesinin hayvanın kulak titreşimlerini etkileyip etkilemediğini ölçmek için Lee ve meslektaşları lazer Doppler vibrometri kullandılar. Yöntem, hedeflere bir lazer parlatarak çalışır bu durumda kurbağanın kulak zarı ve akciğerler üzerindeki dış vücut kütlesi ve ardından titreşen hedeflerden saçılan ışığın frekansını yüksek hassasiyetli bir girişim ölçer ile kaydeder. Gelen lazerin üst üste bindirilmesi ve bir fotodetektöre yönelik bir referans lazer ışını daha sonra Doppler kaymasını hesaplamak için kullanılır.

 Tek bir kulak zarı için sonuçlar, akciğerlerin kurbağanın yönlü işitmesinde küçük bir iyileşmeye katkıda bulunduğunu gösterdi. Ancak insanlar ve diğer omurgalılar gibi kurbağalar da diğer yolların yanı sıra sol ve sağ kulaklar arasındaki ses yüksekliği farkını kullanarak ses kaynaklarını bulurlar.

 Veriler, organizma düzeyinde iki kulakla analiz edildiğinde, araştırmacılar, her kulak zarındaki yönsellikteki akciğer şişirme gelişmelerinin birbirini iptal ettiğini buldular. Lee, "Bu sonuç çok çarpıcıydı" diyor. "Bu akciğer girdisinin yönlülüğün iyileştirilmesiyle hiçbir ilgisi yoksa, o zaman ne olabilir?"

 Sesi azaltmak

 Daha fazla bilgi edinmek için Lee ve meslektaşları, çeşitli frekanslarda ve ses geliş açılarında kulak zarının titreşimlerinin genliğini analiz ettiler. Lee, "Akciğerlerin şişmiş ve sönük durumlarına baktığımızda ve farkı aldığımızda, bu grafikler bize gerçekten çarpıcı bir model gösterdi" diyor. Şekil 2a şu farkı göstermektedir: Kulak zarı duyarlılığında 1,4 kHz ile 2,2 kHz arasında belirgin bir kayıp vardır. Araştırmacılar, ağaç kurbağalarının kendi çağrılarını güçlendirmek için şişirilmiş akciğerler kullandıklarını bulmak yerine, akciğer şişmesinin diğer kurbağa türlerinden gelen gürültüyü azalttığını buldular.

 Şekil 2. İptal edilen gürültü. (a) Renk varyasyonları, akciğerleri şişirildiğinde ve söndüğünde 21 yeşil ağaç kurbağasının kulak zarı titreşimlerinin genliğindeki ortalama farkı gösterir. Diğer birkaç kurbağa türünün seslendirmeleri, en büyük gürültü azaltımının gerçekleştiği grupta (kesikli bölge) yatıyor. (b) Panel a'dan döndürülen verilerin üzerine, 834 Hz ​​ve 2730 Hz'de ortalama spektral zirvelere sahip olan ağaç kurbağalarının (siyah çizgi) çiftleşme çağrıları üst üste bindirilmiştir. Bu çağrıları daha iyi duymak için, dişiler tarafından kullanılan bir akciğer şişirme evrimsel adaptasyonu, çiftleşme zirveleri arasındaki 1,4-2,2 kHz frekans bandının sesini düşürerek sinyal ve gürültü arasındaki spektral kontrastı artırır. 

 Kuzey Amerika Amfibi İzleme Programı tarafından toplanan birçok türün koro veri setinin analizi, 1.4-2.2 kHz bandı oldukça gürültülü olmasına rağmen, birçok kurbağanın çiftleşme çağrıları için bu frekans bandını kullandığını göstermektedir. Şekil 2b, yeşil ağaç kurbağalarının çiftleşme çağrılarının menzil dışındaki genlikte 834 Hz ​​ve 2730 Hz'de iki yerel maksimuma sahip olduğunu göstermektedir. Yeşil ağaç kurbağalarının çiftleşme çağrılarının genliği, frekans aralığının her iki tarafında zirve yapsa da, yakındaki gürültü potansiyel bir eş bulmayı zorlaştırır.

 Bu evrimsel baskı, yeşil ağaç kurbağalarının ve belki de diğer kurbağa türlerinin gürültü azaltıcı adaptasyonu geliştirmesine neden olmuş olabilir. Ağaç kurbağalarının şişirilmiş akciğerleri, gürültülü 1,4–2,2 kHz bandının ortasındaki rezonans frekansında en güçlü şekilde titreşir ve bu da oradaki gürültüyü azaltmaya yardımcı olabilir.

 Yeni sonuçları 155 milyon yıllık ortak bir ataya sahip diğer üç kurbağa ailesinden gelen verilerle karşılaştırırken, Lee ve meslektaşları tüm kurbağaların benzer bir akustik ilişkiye sahip olduğunu buldular: Akciğer rezonans frekansı sınırlı bir bantta. her iki tarafta çiftleşme çağrısı spektral zirveleri ile. Bir kurbağanın vücut boyutunun akciğer aracılı gürültü azaltmanın yararlılığını etkileyip etkilemediği ve nasıl etkilediği cevaplanmayı bekliyor.

 Gürültü önleyici kulaklıklar

 Lee ve meslektaşları, akciğer şişirme davranışının arkasındaki mekanizmayı genelleştirilmiş bir kurbağa fizyolojisi modeliyle araştırmaya başladılar. Amfibi kulaklar, akustik sinyalleri işleyen iki duyu organına sahiptir - amfibi papilla ve baziler papilla. Her biri, belirli frekanslara yanıt verecek şekilde ayarlanmış işitme siniri liflerindeki titreşimleri elektrik sinyallerine mekanik olarak aktaran saç hücreleri içerir. 161 ayrı lifin frekans ayarını simüle ettikten sonra, araştırmacılar kulak zarı duyarlılığındaki en büyük azalmanın, amfibi ve baziler papillaların örtüştüğü frekans aralığına karşılık geldiğini buldular.

 Şişirilmiş akciğerlerden gelen titreşimler, örtüşen frekans aralığında sinir liflerinin tepkisini azaltabilir. Şişirilmiş akciğerler ayrıca, belirli bir frekans aralığındaki sesin daha düşük bir frekans aralığında sese verilen işitsel tepkileri bastırabildiği iki tonlu hız bastırma olasılığını da sınırlayabilir. Ağaç kurbağalarında, 1,4 kHz ila 2,2 kHz arasındaki ses enerjisi, daha düşük frekanslarda duyulan çiftleşme çağrılarına ayarlanmış sinir liflerinin tepkisini bastırabilir.

 Lee ve meslektaşları, şişirilmiş akciğerler ile belirli bir frekans aralığında kulak zarı tepkisinin azalması arasındaki kesin ilişkiden henüz tam olarak emin değiller, ancak bunun gürültü önleyici kulaklıklarda kullanılan yıkıcı girişime benzer olabileceğinden şüpheleniyorlar. Teknoloji, harici ortam gürültüsünü kaydetmek için küçük mikrofonlar kullanır; sinyal işlemcileri daha sonra gelen gürültüye yıkıcı bir şekilde müdahale eden faz dışı ses dalgaları yayar.

 Araştırmacılar, ağaç kurbağaları için şişirilmiş akciğerlerin kulaklıkların mikrofonlarına benzer şekilde davrandığını varsayıyorlar. Daha sonra akustik sinyalin fazı, kurbağanın vücuduna çarpan ses frekanslarıyla birlikte, faz dışı olarak kulak zarına ulaşacak şekilde vücut içinde bir şekilde modüle edilir. Kulak zarına dahili olarak karşı kulak yoluyla ulaşan başka bir ses kaynağı nedeniyle durum biraz daha karmaşıktır, ancak araştırmacılar bunu çözmeye istekli. Lee, "Bu soruya ek lazer ölçümleri ve modellemenin bir kombinasyonuyla ulaşabileceğimizi düşünüyoruz" diyor.

Kaynak; physicstoday.scitation.org