Cały ten zgiełk, gdy ewolucja przyspieszyła
Wydaje nam się czymś oczywistym, że niemal każdy zakątek Ziemi jest zamieszkany i rozbrzmiewa odgłosami zwierząt – od ogłuszających pieśni wielorybów w oceanach po miłosne trele ptaków, żab i owadów w lasach, a także kakofonii naszych rozsianych po całym świecie miast. A jednak przez większą część historii naszej planety jedynymi dźwiękami, jakie dało się usłyszeć, był szum wiatru, deszczu i fal.
Jako paleontolog zajmuję się życiem wymarłych zwierząt – tym, jak się poruszały, co jadły i jakie wydawały dźwięki. Współpracuję też – jako konsultant od wyglądu i zachowań dawnych zwierząt – z twórcami filmów, wystaw przyrodniczych i gier komputerowych. Wśród najczęstszych pytań, na które musiałem odpowiadać, były te dotyczące wydawanych przez zwierzęta dźwięków. Niezależnie, czy pracuję dla przedsięwzięcia akademickiego dotyczącego dawno już nieistniejących pterozaurów, czy na potrzeby megaprodukcji filmowej, dźwięk jest kluczowym elementem przywracania (lub powoływania) dawno wymarłego lub nawet całkiem fikcyjnego świata do życia.
Niedawne odkrycia na temat ewolucji zwierzęcej wokalizacji pozwalają lepiej zrozumieć narodziny otaczającego nas dziś akustycznego krajobrazu. W skamieniałościach zawarte są informacje, dzięki którym możemy ustalić, kiedy powstały główne struktury wytwarzania – i detekcji – dźwięków u przodków dzisiejszych kręgowców i bezkręgowców. W niektórych przypadkach, dzięki sprytnemu modelowaniu, udało się nawet odtworzyć same dźwięki wydawane przez naszych odległych antenatów. Wiele jeszcze pozostaje do zrobienia, ale już teraz możemy składać elementy układanki, zyskując wgląd w początki zwierzęcego zgiełku.
Przełamując ciszę
Zapis kopalny wskazuje, że życie na Ziemi narodziło się co najmniej 3,7 mld lat temu. Ale te najwcześniejsze organizmy – zarówno drobnoustroje, jak i dużo późniejsze miękkie stworzenia podobne do dzisiejszych meduz – były zupełnymi milczkami. Dopiero wraz z nadejściem ewolucyjnego przyspieszenia z początkiem okresu kambryjskiego (541–485,4 mln lat temu) zwierzęta zdobyły rudymenty aparatu dźwiękowego, co miało związek z aktywnym trybem życia. Ale i one nie doświadczały jeszcze w swym wodnym środowisku typowego dla nas zgiełku: ciszę ich świata przerywał tylko na krótko chrzęst odnóży stawonogów kroczących po piasku lub trzask miażdżonych przez głowonogi muszli mięczaków. W tym czasie lądy pozostawały zasadniczo bezgłośne. Trzeba było czekać jeszcze 200 mln lat, zanim powietrze wypełniło się brzęczeniem owadów, co dało początek zupełnie nowemu akustycznemu światu.
Najstarsi znani, prawdopodobni, przedstawiciele owadów pojawiają się około 408 mln lat temu i byli, jak się zdaje, zupełnie niemi i głusi. Naukowcy nie wiedzą, kiedy dokładnie owady zaczęły wydawać i odbierać dźwięki, ale zapis kopalny zawiera przynajmniej wskazówkę, co do najwcześniejszej daty: znamy szczątki przedstawiciela pasikonikowatych sprzed 250 mln lat (późny perm), u którego znajdujemy typowy dla tej grupy zwierząt aparat do wydawania dźwięków. Z tego samego czasu pochodzą też skamieniałości najwcześniejszych krewnych cykad. Owady te potrafią za pomocą swych dźwiękotwórczych struktur zwanych tymbalami wznieść się synchronicznie na prawdziwe szczyty akustycznych możliwości zwierząt. Budowa kopalnych tymbali znana jest dziś z taką dokładnością, że potrafimy odtworzyć wydawane przez nie dźwięki sprzed dziesiątków milionów lat. W roku 2011 zespół kierowany przez Jun-Jie Gu z akademii rolniczej w Syczuanie wykazał, że pewien przedstawiciel kopalnych pasikonikowatych emitował dźwięki w zakresie częstotliwości 6,4 kHz, czyli mniej więcej oktawę wyżej niż najwyższa zarejestrowana nuta Mariah Carey.
Wytwarzanie i odbieranie dźwięków musiało przynosić tym wczesnym bzyczącym stworzeniom wiele korzyści. Mogły się dzięki temu komunikować na odległość, słyszeć zbliżających się drapieżników, a nawet – być może – wabić potencjalne ofiary, naśladując dźwięki wydawane przez ich potencjalnych partnerów seksualnych. I – oczywiście – stosować ten sam zabieg, choć w innym celu, w czasie własnych zalotów; dało to początek nowej formie biologicznego „wyścigu zbrojeń”: ewolucji najgłośniejszego.
Jak się zdaje, kręgowce zaczęły eksperymentowanie z dźwiękiem mniej więcej w tym samym czasie, kiedy owady rozpoczęły swoje brzęczenie i skrzypienie.
U wszystkich dzisiejszych płazów, gadów i ssaków spotykamy krtań położoną w górnej części ich układu oddechowego. Oznacza to, że musiały odziedziczyć tę strukturę po swoim ostatnim wspólnym przodku , a więc jest ona niemal równie stara, jak same kręgowce lądowe i liczy sobie co najmniej 300 mln lat. Niemniej musiało minąć jeszcze wiele milionów lat, zanim zwierzęta te osiągnęły pełną zdolność do wyspecjalizowanego i całkowicie sprawnego wydawania dźwięków. Niewiele wiemy o tych najwcześniejszych etapach rozwoju ich wokalizacji, choćby dlatego, że krtań zbudowana jest z chrząstki, która nie zachowuje się dobrze w materiale kopalnym.
Wiemy za to na pewno, że począwszy od około 230 mln lat temu, a więc w czasie ery mezozoicznej, zwierzęta kręgowe wytworzyły całą gamę różnych zdolności głosowych. Świat stał się naprawdę bardzo hałaśliwym miejscem. Na przykład żaby, znane z nadzwyczaj bogatego repertuaru okrzyków i pieśni, pojawiły się właśnie w erze mezozoicznej. Również ssaki zadebiutowały mniej więcej w tym samym czasie i zapewne od początku potrafiły wydawać z siebie najrozmaitsze piski, warczenia i syki. Choć wciąż niewiele wiemy na temat budowy ich aparatu głosowego, dysponujemy fascynującym zapisem kopalnym pokazującym ewolucję uszu. Uszy ssaków są wyjątkowe, z trzema kosteczkami słuchowymi w obrębie ucha środkowego, z których dwie powstały z kości stanowiących u innych kręgowców elementy szczęk. Ta szczególna budowa uszu nadaje się dobrze do wychwytywania fal o wysokiej częstotliwości, co przydawało się z pewnością przy polowaniu na brzęczące owady. Same ssaki zresztą też potrafiły wydawać wysokie dźwięki, poprzez które komunikowały się na częstotliwościach, których większość (dużych) zwierząt nie jest w stanie wychwycić.
Wśród najbardziej akustycznie utalentowanych stworzeń mezozoiku były z pewnością dinozaury. W roku 1981 David Weishampel dokonał jednej z pierwszych rekonstrukcji wokalizacji kopalnego gatunku – roślinożernego, kaczodziobego dinozaura z rodzaju Parasaurolophus. Zwierzęta te zaopatrzone były w ogromny grzebień na głowie, łączący się z przewodem nosowym. Weishampel wykazał, że struktura ta stanowiła znakomitą komorę rezonacyjną. Biorąc pod uwagę kształt i wielkość tej komory, potrafił ocenić repertuar głosowy parazaurolofa, a nawet odtworzyć wydawane przez niego dźwięki za pomocą zbudowanego przez siebie modelu (Weishampel nazywa ten grzebień trąbką).
Z czasem coraz doskonalsza technika pozwoliła przeprowadzić podobne badania na wielu innych okazach kopalnych zwierząt. Analizy prowadzone od roku 2008 przez zespół Larry Witmera z Ohio University z użyciem tomografii komputerowej i modelowania mechaniki płynów rozszerzyły naszą wiedzę o głosach dinozaurów na kilka innych gatunków. Naukowcy wykazali, że podobne jak u parazaurolofa komory rezonacyjne występują też u wielu innych dinozaurów. Powietrze przechodzące przez te przestrzenie musiało być wprawiane w turbulencję. Z jednej strony ten przepływ powietrza służył termoregulacji, ale z drugiej umożliwiał zwierzęciu wydawanie różnego rodzaju okrzyków, wycia i ryków.
Odtwarzanie głosów dinozaurów to ulubiona sztuczka twórców filmowych. Ryki potworów w takich filmach, jak Park jurajski, wciąż brzmią nam w uszach. Julia Clarke z University of Texas w Austin odkryła wraz ze swym zespołem, że odgłosy takich drapieżnych dinozaurów, jak tyranozaury, były raczej podobne do ptasich niż ssaczych. Niektórzy dziennikarze pisali, że straszliwy tyranozaur raczej „krzyczał”, niż „ryczał”. Jednak zanim zaczniemy wyobrażać sobie T. rexa jako ogromną gęś, warto zauważyć, że w ustach naukowców „krzyk” znaczy po prostu, że dźwięk generowany bardziej w nozdrzach niż w pysku, a wibracje biorą swój początek w strukturach umiejscowionych głęboko w klatce piersiowej. Jeśli przeskalujemy gęś do wielkości tyranozaura, jej krzyk okaże się dźwiękiem basowej trąbki. Takie uzbrojone w półtorametrowe szczęki potwory szykujące się do ataku musiały brzmieć niczym cała sekcja instrumentów dętych Los Angeles Philharmonic.
Ale nie wszystkie dinozaury były z pewnością tak donośne. W Parku jurajskim długoszyje brachiozaury odzywały się z mocą słoni, choć w rzeczywistości były zapewne niemal bezgłośne – co najwyżej wydawały z siebie różne piski. U wszystkich tetrapodów, grupie zwierząt, do której należą pierwsze kręgowce lądowe i ich potomkowie, pierwotne wokalizacje w krtani są kontrolowane w głównej mierze przez nerw krtaniowy wsteczny. Ma on zawsze ten sam dziwny przebieg: najpierw do dołu wzdłuż szyi, potem wokół głównych naczyń krwionośnych w górnej i środkowej części klatki piersiowej i wreszcie znów do góry, z powrotem do krtani. W rezultacie sygnały głosowe muszą biec dwukrotnie tą samą trasą w obrębie szyi.
U krótkoszyich zwierząt, także człowieka, wynikające z tego opóźnienie sygnału jest pomijalne. Ale u takich gigantów, jak długoszyje zauropody, może być znaczące – tak bardzo, że nie pozwala na właściwe kontrolowanie szybkich ruchów strun głosowych podczas złożonych wokalizacji. Kiedy następnym razem będziemy oglądać Park jurajski i ryczące w nim dinozaury, warto o tym pamiętać.
Wedle wszelkiego prawdopodobieństwa wiele dinozaurów wykazywało pod względem akustycznym nadzwyczajne uzdolnienia.
Ale szczególnymi osiągnięciami może pochwalić się jedna ich grupa, wciąż obecna na Ziemi – ptaki. Najwcześniejsi jej przedstawiciele pojawili się przed 150 mln lat, choć prawdziwą wirtuozerię w tej dziedzinie ptaki osiagnęły zapewne nieco później.
U ptaków specyficzny aparat głosowy tworzy strukturę zwaną syrinksem (albo tylną krtanią). Krtań jest u nich zredukowana, a kontrolę nad dźwiękami przejmuje niemal w całości ten właśnie narząd. Podczas gdy krtań znajduje się w górnej części układu oddechowego, syrinks zajmuje jego dolne rejony, gdzie tchawica rozdwaja się w drodze do płuc. Taki układ anatomiczny oferuje wiele korzyści. Jedna z najważniejszych, opisana w roku 2019 przez Tobiasa Riede’a z Midwestern University wraz zespołem, jest znacznie usprawnienie rezonowania dźwięków. Innymi słowy, przy tym samym wydatku energii uzyskujemy większą siłę głosu.
Inna korzyść polega na tym, że syrinks pozwala w różny sposób wykorzystywać przepływ powietrza z prawego i lewego płuca. Ptaki śpiewające są pod tym względem szczególnie utalentowane – dźwięki wydawane z obu stron mogą być wydawane jednocześnie lub niezależnie od siebie. W niektórych przypadkach obie części wyspecjalizowane są w różnych zakresach fal dźwiękowych, dzięki czemu ptak może śpiewać w sposób, który można by nazwać wewnętrznym duetem. Przepiękne pieśni drozdka samotnego z Ameryki Północnej są doskonałym przykładem takiego niezwykłego „duetu”.
Naukowcy wciąż nie znają szczegółów powstania ptasiego syrinksu. Najstarszy przykład tego narządu pochodzi z odkrytego w roku 2016 przez Clarke i jej zespół okazu wymarłego ptaka z rodzaju Vegavis. Ptak ten żył pod sam koniec okresu kredowego, między 69 a 66 mln lat temu. Jego syrinks był już jednak w pełni wyspecjalizowany – miał rozbudowane komory rezonansowe i asymetrię związaną z dualnym sposobem wytwarzania dźwięków. Zapewne więc jakaś prymitywniejsza wersja tego narządu musiała wyłonić się wcześniej.
Co ciekawe, u innej grupy mezozoicznych lotników – pterozaurów – nic podobnego nie występowało. Niezależnie więc od tego, czego możemy się dowiedzieć z hollywoodzkich filmów, pterozaury nie wydawały z siebie ptasich treli. Co najwyżej brzmiały jak gady. Mogły ryczeć, syczeć, chrząkać lub nawet klekotać, otwierając i zamykając dziób z głośnym trzaskiem. Taki klekot w wykonaniu wielkiego pterozaura o czaszce sięgającej niemal trzech metrów długości, musiał być dla większości stworzeń ogłuszający.
Widzieć uszami
Wraz z nadejściem ery kenozoicznej, 66 mln lat temu, pojawił się zupełnie nowy sposób dźwiękowego odbioru świata – echolokacja. Dwie wielkie grupy zwierząt – nietoperze i walenie – pojawiły się we wczesnym kenozoiku i w obu wyłoniła się zdolność do widzenia za pomocą dźwięku. Do działania echolokacji potrzebnych jest jednak sporo subtelnych struktur anatomicznych. Aby stosować echolokację, zwierzę musi wyprodukować wiązkę dźwiękową, skierować ją na pożądany obiekt, odebrać nadbiegające echo, a następnie poddać je analizie, by móc określić odległość, szybkość poruszania się i ogólny kształt obiektu, od którego fale dźwiękowe się odbiły. To wielkie ułatwienie nawigacji i polowania w ciemnościach lub mętnych wodach.
Podobnie jak w przypadku światła, wielkość najmniejszych obiektów, jakie mogą zostać dostrzeżone z pomocą echolokacji, wynosi połowę długości fali emitowanej wiązki. Fale głosowe są jednak znacznie dłuższe od fal świetlnych, więc aby móc otrzymać wystarczająco dokładny obraz otoczenia, lub dostrzec drobne owady, zwierzę stosujące echolokację musi wykorzystywać dźwięki o niezwykle wysokiej częstotliwości. W przypadku nietoperzy są one wytwarzane w obrębie krtani i języka i zwykle zbyt wysokie, by mogły być słyszane przez ludzi. Człowiek zdolny jest odbierać dźwięki o częstotliwości nie większej niż 20 kHz, podczas gdy głosy nietoperzy mieszczą się w zakresie od 15 kHz aż do trudnych do wyobrażenia 160 kHz. Jesteśmy w stanie słyszeć jedynie te o najniższej częstotliwości i odbieramy je jako piski, ale dla nietoperzy są to odpowiedniki naszych bas-barytonów.
Wiemy z grubsza, kiedy nietoperze zaczęły stosować echolokację, gdyż poznaliśmy osobliwości budowy anatomicznej ich uszu w materiale kopalnym. By móc odbierać echo ultradźwięków, ucho wewnętrzne nietoperzy musi mieć odpowiednio duże rozmiary. Główną strukturą ucha biorącą udział w procesie rejestracji dźwięków jest tzw. ślimak. Oba nasze ślimaki zmieściłyby się w dziesięciocentówce i jeszcze trochę miejsca by zostało. Gdyby jednak nasz ślimak miał względnie tę samą wielkość, jak u nietoperza, byłby rozmiarów piłki golfowej. Liczący sobie 50 mln lat okaz Icaronycteris index ze stanu Wyoming jest jednym z najstarszych znanych nietoperzy i budowa jego czaszki wskazuje, że był już wyposażony w aparaturę do wysyłania i rejestrowania ultradźwięków.
Pojawienie się zdolności do echolokacji u nietoperzy oznaczało istotną rewolucję ekologiczną.
Odtąd kręgowce mogły polować na owady w całkowitej ciemności. Owady, które żyły już na Ziemi od 240 mln lat, teraz nie miały gdzie się skryć. Dla nietoperzy ta innowacja oznaczała prawdziwą bonanzę: dziś stanowią one około 25% wszystkich gatunków ssaków i choć niektóre wciąż posługują się wzrokiem przy polowaniu i nawigacji, to większość polega na echolokacji.
Echolokacja świetnie się sprawdza w powietrzu, ale jeszcze większe możliwości orientowania się w przestrzeni odbiór odbitych fal dźwiękowych daje w wodzie. W tym środowisku fale te rozchodzą się ze znacznie mniejszą stratą zawartych w nich informacji (mierzoną w stosunku do przebytego dystansu), co sprawia, że stosujące tę metodę nawigacji zwierzęta mogą orientować się w znacznie rozleglejszej przestrzeni niż ich lądowe odpowiedniki. Dźwięki o wysokiej częstotliwości zawsze mają bardziej ograniczony zasięg niż fale o niskiej częstotliwości (dla tego samego środowiska), ale na przykład niektóre delfiny potrafią rozpoznawać obiekty z odległości 200 m, podczas gdy nietoperze nie dają sobie rady z nawet dużymi obiektami umieszczonymi w odległości od 50 do 100 m, nie mówiąc już o zwykle bardzo małych owadach.
Morskie delfiny, takie jak dobrze znane butlonosy, wykorzystują nieraz echolokację z dużej odległości do „pierwszego spojrzenia” w mętnej lub pogrążonej w ciemnościach wodzie, a te, które żyją w rzekach, na przykład u ujścia Amazonki, są pod tym względem jeszcze bardziej uzdolnione. Wody w takim środowisku są gęste od osadów, a żyjące tam delfiny mają mniejsze oczy (i słabszy wzrok) niż ich morscy pobratymcy, więc ich podstawowym zmysłem wykorzystywanym do nawigacji i poszukiwaniu pożywienia jest echolokacja.
Morskie ssaki są głosowymi rekordzistami również pod innym względem. Jeśli celem zwierzęcia jest wysyłanie sygnałów dźwiękowych jak najdalej, a nie nasłuchiwanie echa, wówczas najlepszą opcją jest stosowanie fal o możliwie najniższej częstotliwości. W morskim środowisku naturalną przewagę będą miały więc duże zwierzęta. Nie powinno dziwić, że rekordzistami na tym polu są gigantyczne fiszbinowce. Ich krtanie osiągają nawet 60 cm długości, a wysyłane przez nie fale mają tak niską częstotliwość, że ludzkie ucho nie jest w stanie ich wychwycić – za to mogą pokonać setki, a nawet tysiące kilometrów. Świat nietoperzy i świat wielorybów jest głośniejszy, niż możemy to sobie wyobrazić.
Językowa rewolucja
66 mln lat po tym, jak głosy ssaków zaczęły rozbrzmiewać w różnych środowiskach na świecie, wokalizacja osiągnęła kolejny poziom wraz z narodzinami ludzkiego języka. O swoistym przygotowaniu anatomicznym do mowy artykułowanej, w tym budowie krtani zdolnej do wydawania subtelnych dźwięków i ściśle zintegrowanej z ruchliwym językiem, można mówić już od początku istnienia naszego rodzaju Homo. Oznacza to, że nasi przodkowie mogli stosować jakąś formę mowy już przed około 2,8 mln lat, jednak nie wiemy, kiedy dokładnie i u jakiego z gatunków Homo mowa w pełni się rozwinęła. Powstanie języka to nie tylko kwestia odpowiedniej budowy anatomicznej, ale także zdolności do abstrakcyjnego i symbolicznego myślenia. Wedle większości scenariuszy ewolucyjnych już Homo erectus, którego powstanie datuje się na około 1,8 mln lat temu, wykazywał skłonność do używania symboli. Jednak w pełni rozwinięty język, wraz ze złożoną gramatyką i składnią, jest być może wyjątkowy dla naszego gatunku, co oznacza, że mógł narodzić się w ciągu ostatnich kilkuset tysięcy lat.
Ale wyróżnia nas nie tylko używanie złożonego języka: nasz gatunek jest też wyjątkowy pod względem skłonności do uczenia się, nauczania innych i utrwalania wiedzy i doświadczeń. Chociaż naukowcom udało się z powodzeniem nauczyć przedstawicieli kilku gatunków naczelnych języka migowego, to żadna z tych wykształconych małp nie przekazała swojej wiedzy innym małpom, nawet wówczas, gdy miała ku temu sposobność. W jednym przypadku pewien szympans przebywający w ośrodku badań nad naczelnymi w Duke University i posługujący się już migami został połączony ze swym dawnym stadem i próbował użyć swych zdolności do komunikacji z innymi członkami grupy. W tydzień po podjęciu pierwszej próby nawiązania tego rodzaju kontaktu jego opiekunowie znaleźli go w kącie zagrody, gdzie najwyraźniej się schronił, izolując od swoich pobratymców. Gdy spytano go na migi, dlaczego nie przebywa z innymi szympansami, odparł: „Bo to są insekty”.
Ludzki język to największy wynalazek biologiczny w naszej historii rodowej.
To na nim zostały ufundowane nasze związki społeczne, społeczeństwa i cywilizacje. Dzięki możliwości koordynacji wszystkich naszych zbiorowych wysiłków poprzez język zdołaliśmy dokonać największych osiągnięć – od rolnictwa po sondy kosmiczne. Być może nasze głosy nie były pierwszymi dźwiękami wydanymi przez ziemskie stworzenia, nie były też najdonośniejsze ani najbardziej melodyjne, ale to one z pewnością odmieniły Ziemię.