Wissenschaftler nutzen Raketen-Scanner, um zu lernen, wie Wale hören

Anonim

Forscher haben einen für Raketen entwickelten Scanner verwendet, um den ersten Computertomographie (CT) -Scan eines ganzen Zwergwals zu sammeln. Durch die Kombination der CT-Scan-Ergebnisse mit speziell entwickelten Computersimulationswerkzeugen modellieren die Forscher, wie die Wale Geräusche hören, die von anderen Walen oder von Menschen geschaffenen (anthropogenen) Quellen wie Schiffspropellern erzeugt werden.

CT, ein in der medizinischen Diagnostik gebräuchliches Werkzeug, verwendet eine spezielle Art von Röntgentechnologie, um Querschnittsbilder eines Organismus oder Objekts aufzunehmen. Die Forscher verwendeten einen Supercomputer, um ihre Simulationen durchzuführen, die eine Technik namens Finite-Elemente-Modellierung (FEM) verwenden, um Karten der Gewebedichte aus den CT-Scans mit Messungen der Gewebeelastizität zu kombinieren.

"Sie können sich vorstellen, dass es fast unmöglich ist, einem Wal, einem der größten Tiere der Welt, einen Hörtest zu geben", sagte der leitende Forscher Ted W. Cranford, PhD, außerordentlicher Professor für Forschung in der Abteilung für Biologie in San Diego Staatliche Universität. "Die von uns entwickelten Techniken erlauben uns, die biomechanischen Prozesse der Tonaufnahme zu simulieren und das Audiogramm (Hörkurve) eines Wals zu schätzen, indem wir die Details der anatomischen Geometrie verwenden. Das Scannen eines ganzen Zwergwals und die Anwendung unserer FEM-Werkzeuge ermöglichten uns Vorhersagen wie gut der Wal über eine Reihe von Frequenzen hinweg hören kann. "

Cranford wird die Forschungsergebnisse auf der Jahrestagung der American Association of Anato- mists im Rahmen des Experimental Biology Meeting 2018 vorstellen, das vom 21. bis 25. April in San Diego stattfindet.

Fundierte Entdeckungen

Die Empfindlichkeit und die Richtcharakteristik der Hörgeräte sind wichtige Überlebensfaktoren bei marinen Wirbeltieren. Das Hören ist das wichtigste sensorische System für Säugetiere, die im Wasser leben, weil Schall relativ einfach zu produzieren ist und lange Strecken im Wasser zurücklegen kann, wodurch er ein äußerst effizientes Mittel zur Übertragung von Informationen unter Wasser ist.

Cranfords Forschungsteam ist das erste, das Audiogramme für zwei Arten von Bartenwalen, den Finnwal und den Minke vorhersagt. Petr Krysl, PhD, Professor für Bauingenieurwesen an der Universität von Kalifornien, San Diego, schuf die Computermodellierungswerkzeuge. Ein Audiogramm oder eine Hörkurve beschreibt die Empfindlichkeit des Gehörs eines Organismus über eine Reihe von Frequenzen. Das Team entdeckte auch, dass Bartenwalschädel Teil des Mechanismus sind, wie niederfrequente Geräusche empfangen und das Ohr stimuliert werden.

Darüber hinaus legen die Modelle des Teams nahe, dass Zwergwale Niederfrequenz-Geräusche am besten hören, wenn sie direkt vor ihnen ankommen. Dies deutet darauf hin, dass Wale Richtungshörsignale haben, die Hinweise auf die Lage von Schallquellen liefern, wie etwa andere Wale oder entgegenkommende Schiffe. Forscher haben lange darüber nachgedacht, ob und wie Wale gerichtetes Hören haben könnten, da die Wellenlängen sehr niederfrequenter Töne länger sind als der Wal selbst.

Auf Raubtiere hören

Die Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie Zwergwale sich entwickelt haben, um wichtige Geräusche in ihrer Umgebung zu hören, wie zum Beispiel die Klänge von Killerwalen, ihrem primären Raubtier.

Frühere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die meiste Energie in gepulsten Minkwalen zwischen 50 und 300 Hertz liegt, wobei einige "boing" Töne zwischen 1-2 Kilohertz (1.000-2.000 Hertz) liegen. "Wir nehmen an, dass Zwergwale empfindlich auf diese Frequenzen reagieren müssen, damit sie andere Zwergwale hören können, aber nicht unbedingt die Frequenzen über ein paar Kilohertz", sagte Cranford. "Es war ziemlich überraschend, dass unser Modell eine Empfindlichkeit zwischen 10-40 Kilohertz beim Zwergwal vorhergesagt hat. Nach zweifacher und dreifacher Überprüfung dieser Ergebnisse haben wir festgestellt, dass diese zusätzliche Empfindlichkeit bei hoher Frequenz auf ein schützendes Bewusstsein für Killerwalgeräusche hindeutet. "

Die Forscher fanden keine ähnliche Empfindlichkeit für hochfrequente Geräusche im Finnwal-Audiogramm. Finnwale sind viel größer als Zwergwale und werden normalerweise nicht von Killerwalen bejagt.

Einzigartige Techniken für ein einzigartiges Forschungsthema

Erwachsene Zwergwale sind typischerweise etwa 20 bis 30 Fuß lang. Der Scan wurde an einem 11-Fuß-Zwergwalkalb durchgeführt, das 2012 an einem Strand in Worcester County, Maryland, lebend gestrandet war. Nachdem ein Tierarzt des National Aquarium festgestellt hatte, dass das Tier eingeschläfert werden sollte, wurden die Überreste zu einem Smithsonian Institution Support Center transportiert in Suitland, Maryland, wo die Probe in einem Gefrierschrank gelagert wurde.

"Wir haben darum gebeten, dass wir die Probe ausleihen und in einem industriellen CT-Scanner scannen können, der für Festbrennstoff-Raketenmotoren ausgelegt ist", sagte Cranford. "Es ist immer schwierig, eine Zeit für den Einsatz dieser Spezialausrüstung einzuplanen, und es dauerte mehr als zwei Jahre auf einer Warteliste, um eine Scanzeit für den Wal zu finden."

Anhand von Scan-Ergebnissen als Inputs zeigten die Simulationen, wie Schallwellen entlang des Schädels und durch das weiche Gewebe des Kopfes vibrieren.

Verbesserung des Verständnisses von Meeresrauschen

Große Bartenwale kommunizieren miteinander durch niederfrequente Laute, die Tausende von Kilometern zurücklegen können. Schiffspropeller und andere menschliche Aktivitäten können ebenfalls niederfrequente Geräusche erzeugen, was zu Bedenken darüber führt, wie diese Geräusche die Gesundheit bedrohter Arten beeinträchtigen und beeinträchtigen könnten, was Bemühungen zur Regulierung der Meereslärmverschmutzung stimuliert.

"Schätzungen zufolge hat sich das Niveau des niederfrequenten anthropogenen Lärms in den Weltmeeren in den letzten fünf Jahrzehnten jedes Jahrzehnt verdoppelt", sagte Cranford. "Dieser Lärm kann schädliche Auswirkungen auf Meeresorganismen und sein Ökosystem haben. Das Verständnis, wie verschiedene Meereswirbeltiere niederfrequenten Schall empfangen und verarbeiten, ist entscheidend für die Bewertung der möglichen Auswirkungen chronischer oder akuter Exposition und der potenziellen Wirksamkeit von Minderungsmaßnahmen."

Das Team verwendete früher ähnliche Forschungsmethoden, um das Gehör bei Finnwalen, Delfinen und kleinen Fischen zu modellieren.

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