Kopi fra DBC Webarkiv

Transkript

1 Kopi fra DBC Webarkiv Kopi af: Peter Teglberg Madsen : Kaskelothvalens store næse Dette materiale er lagret i henhold til aftale mellem DBC og udgiveren. dbc@dbc.dk

2 8 A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b Styrmanden fra forskningsskibet Odyssey, Josh Jones, forsøger at sætte en instrumentpakke på en hunkaskelot. Foto: Chris Johnson/Ocean Alliance. Kaskelothvalens store næse Verdens største næse sidder på kaskelothvalen, og den imponerende næse er afgørende for hvalens evne til at udsende lyd. Danske forskere undersøger nu, hvordan næsen fungerer. Af Peter Teglberg Madsen Store næser tiltrækker altid en vis opmærksomhed. Når næsen er verdens største, vækkes også videnskabens interesse, og på afdelingen for Zoofysiologi ved Aarhus Universitet har vi sat fokus på næsen, som sidder på kaskelothvalen. Vores mål er at klarlægge, hvordan denne usædvanlige biologiske opfindelse fungerer. Kaskelotten er en såkaldt tandhval, og tandhvaler er bl.a. karakteristiske ved et helt specielt næsekompleks. Hos kaskelothvalen har dette næsekompleks antaget groteske dimensioner. Således udgøres op til 1/3 af gamle hanners længde (17 meter) af en vredet og kraftigt forstørret udgave af de små tandhvalers næse. Hvad funktionen af denne kæmpe-næse på 10 tons end må være, står det klart, at en så betydelig udviklingsmæssig og vækstmæssig investering kun kan betale sig, hvis næsen er til stor biologisk fordel for kaskelotten. To teorier har domineret forestillingerne om funktionen af denne store næse. Den engelske blæksprutteforsker Malcom Clarke foreslog i 1970, at kaskelottens næse kunne være en opdriftsregulator. Spermacetolie, som findes i mængder på op til 5000 liter i næsen, fryser ved ca. 28 C, og Clarke foreslog, at kaskelotten ved at tage koldt vand ind i næsen kan fryse spermacetolien og derved blive tungere, hvorved neddykning lettes. Når kaskelotten på stor dybde

3 A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b Z O O F Y S I O L O G I 9 (ofte mere end 1000 meter) ønsker at vende tilbage til overfladen, mener Clarke, kan den omvendt sende varmt blod (37 C) ud i næsen og derved smelte spermacetolien. Den smeltede spermacetolie vil gøre dyret lettere og dermed lette opstigningen fra stor dybde. Den anden teori blev fremsat af de to amerikanske hvalforskere Kenneth Norris og George Harvey i De foreslog, at næsekomplekset i lighed med næsen hos delfiner bruges til at lave lyd. Kaskelottens næse - en lydgenerator De sidste års forskning i lektor Bertel Møhls sonargruppe ved Afdeling for Zoofysiologi, Aarhus Universitet, har afgjort sagen. Vi har vist, at kaskelotter i tråd med Norris og Harveys teori faktisk bruger deres næse til at lave kliklyde. Vi har ved at undersøge kaskelotkalve og strandede dyr vist, at kliklydene laves ved de såkaldte abelæber i kaskelottens næse, og at lyden kan vandre igennem spermacetolien i næsen (se boks). Ved at presse luft forbi bindevævsstrukturer i næsen dannes der et kortvarigt klik (<1 millisekund), som via reflekterende luftsække ledes gennem de spermacetoliefyldte kamre (se boks), og ud i det omgivende vand. Ved feltoptagelser ud for Nordnorges kyst har vi målt de kraftigste lydtryk, som er målt fra noget dyr! Endvidere har det vist sig, at kaskelotten, i lighed med lyskeglen fra en lommelygte, udsender disse høje lydtryk i en snæver stråle. De høje lydtryk og den kraftige retningsvirkning er begge egenskaber, der gør disse kliklyde brugbare til at ekkolokalisere bytte, som hovedsageligt består af blæksprutter på 1-3 kg. En voksen hankaskelot skal fange omkring 1000 blæksprutter i døgnet for at få dækket sit daglige energibehov, og denne jagt foregår normalt på mellem 300 og 1500 meters dybde. Men hvordan bærer en kaskelot sig ad med at lokalisere og fange så mange blæksprutter under tryk på op til 150 atmosfærer, når den er afhængig af en lydgenerator, der er luftdreven? Det voldsomme tryk på stor dybde burde udgøre et problem for kaskelottens luftdrevne lydproduktion, idet det tilgængelige luftvolumen til at drive lydgeneratoren bliver mindre og mindre, jo dybere hvalen dykker. Den problemstilling satte vi os for 3 år siden for at undersøge nærmere. Til dette formål skulle vi bruge en instrumentpakke, der kunne sættes på en kaskelot, og som dels kunne måle dybden og dels optage kaskelottens kliklyde under dyk til stor dybde. Da en sådan instrumentpakke ikke fås i almindelig handel, måtte vi udvikle den selv. En stor sugekop og en windsurfermast Med støtte fra Novo Nordisk Fonden udviklede vi en instrumentpakke, der kan modstå det høje tryk på dybder ned til 1500 meter, registrere og gemme dybde og tid, samt optage absolutte lydtryk i frekvensbåndet fra 0,1 til 30 khz. Således rustet med en pakke, der kunne måle de ønskede ting, rejste det næste spørgsmål sig: Hvordan sætter man en to kg tung og halv meter lang pakke Hovedet på en kaskelot Forreste luftsæk Blæse hul Fiasko og succes De første påsætningsforsøg blev gjort ved kontinentalsoklen ud for Nordnorges kyst i sommeren 2000 som et led i en større undersøgelse af kaskelottens lydproduktion. Under disse forsøg viste det sig hurtigt, at hankaskelotter på trods af deres status som verdens største tandbæ- Venstre Abelæber næsegang Højre næsegang Junk Skematisk billede af hovedet på en 10 meter lang hunkaskelot. Spermacetolien, markeret med gult, fi ndes i spermacetorganet og i lommer i junken. Muskelsene laget dækker siderne og oversiden af næsen Pilene indikerer lyd-transmissionsvejen Hvalernes udvikling Hvalernes forfader så dagens lys for ca. 55 millioner år siden i Tethyshavet, hvor det nuværende Pakistan ligger. I løbet af få millioner år udviklede disse urhvaler en række tilpasninger til livet i vand såsom et blæsehul, et spæklag og reducerede lemmer. For ca. 30 millioner år siden delte urhvalerne sig ud i de to underordener, vi kender i dag, bardehvalerne og tandhvalerne. Bardehvalerne udviklede et specielt kæbeapparat med barder for at kunne frafiltrere fisk og krebsdyr, mens tandhvalerne udviklede et helt specielt næsekompleks. Dette næsekompleks står hos nulevende tandhvaler (f.eks. marsvin) ikke i lugtesansens tjeneste, men tjener til at producere klik og fløjtelyde til brug for navigation, byttesøgning og kommunikation. Næsekomplekset formodes at have spillet en væsentlig rolle for udviklingen af de mere end 68 arter af nulevende tandhvaler, der alle formodes at ekkolokalisere. Muskel-senelag Lyd Lyd ifølge den af B. Møhl modificerede Norris & Harvey teori: Ved at presse luft igennem abelæberne dannes der er lydpuls, som på grund af læbernes geometri og refleksion fra den forreste luftsæk sendes bagud gennem spermacetorganet, hvor den reflekteres på den bageste luftsæk Spermacetolie Overkæbe Underkæbe fast på en kaskelothval? Adskillige metoder blev diskuteret, og det endte med, at vi støbte en stor sugekop (diameter 25 cm) i silikonegummi. Næste problem var at finde en metode til at sætte sugekoppen fast på kaskelotten. Dette blev løst ved at udstyre en windsurfermast med en gribeklo, der kunne bære pakken, men som ikke ville være stærk nok til at trække en fasthæftet sugekop fri. Tanken var så, at vi i en lille gummibåd skulle liste os ind på en hvilende kaskelot i overfladen og i al ubemærkethed sætte den sugekop-baserede pakke fast ved hjælp af windsurfermasten. Derefter var det håbet, at kaskelotten ville påbegynde et fødedyk og som normalt producere klik undervejs. Pakken blev udstyret med en hale af trykresistent flydemateriale og en radio-sender, så vi kunne pejle pakken og samle den op igen. 1 m Målepakke Hjerne Bageste luftsæk og sendes igennem junken og ud i vandet. Kaskelotklikkenes multipuls struktur opstår ved, at en del af den lydpuls, der vandrer fremad i junken reflekteres på den forreste luftsæk og sendes tilbage igennem spermacetoganet og junken, og så fremdeles.

4 10 A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b En mindre fl ok af hunkaskelotter, som har en kompleks social struktur. rende rovdyr var noget utrygge ved en lille gummibåd, en windsurfermast, en stor sugekop og tre biologer. Alle hannerne evnede således at holde en afstand til gummibåden på 6-10 meter og var dermed lige uden for påsætningsstangens rækkevidde, og vi måtte tage hjem fra Norge med uforrettet sag. Noget frustrerede tog vi efter Målinger A % af oprindeligt luft volumen Tid (min) hjemkomsten kontakt med folkene bag hvalforsknings- og miljøorganisationen Ocean Alliance, Dr. Roger Payne og Iain Kerr, der driver forskningsskibet Odyssey. Dette skib er med en lang bom og god plads en optimal platform for at sætte instrumenter på store havpattedyr. Glæden var derfor stor, da en aftale om forskningstid på dette Figur 1. A) Dykkeprofi l af kaskelot med en påsat instrumentpakke. Blå cirkler markerer produktion af såkaldte codaer, og røde trekanter markerer produktion af normale ekkolokaliserings-klik. B) Grafi sk gengivelse af Boyles lov, som viser, hvordan rumfanget af en gas ændrer sig med trykket (dvs. med dybden, hvor trykket stiger med ca. 1 atm. for hver 10 meters neddykning). Bemærk, at y-aksen er logaritmisk. B skib kom på plads. De nye påsætningsforsøg blev gjort i Bismarckhavet ud for Papua Ny Guinea i foråret Ved at udnytte skibets opskud kunne vi sejle hen mod kaskelotter i overfladen, slå motoren fra og i stilhed glide de sidste meter og forsøge at sætte målepakkerne fast fra Odysseys 6 meter lange bom Klik Figur 2. Figuren viser målinger af dybde og ekkolokaliseringsklik under en kaskelothvals fødedyk. Røde prikker viser dybden for hver gang kaskelotten producerede et ekkolokaliserings-klik (1804 i alt). Sorte cirkler angiver lydtrykket af hver ekkolokaliserings-klik. Lydtrykket er opgivet i db / 1 µpa (decibel). Bemærk, at Lydtryk i vand og i luft ikke kan sammenlignes på grund af forskellig impedans i de to medier og forskellige referenceværdier. En given mængde energi resulterer i et meget større lydtryk i vand end i luft. Vi har målt kildestyrker på over 220 db / 1µPa (rms) lydtryk fra kaskelotter, hvilket er det største fra noget dyr overhovedet! Lydtrykket i fi gur 2 er ca. 40 db lavere pga. den kraftige retningsvirkning i klikket. Optaget lydtryk (db//1µpa, pp) Foto: Chris Johnson/Ocean Alliance. Det viste sig hurtigt, at kombinationen af denne teknik, en kompetent besætning og noget mere samarbejdsvillige kaskelothunner gav pote i form af fire påsatte pakker i 45 forsøg. Mange klik og meget lidt luft Én af pakkerne blev sat fast ved bagkanten af kraniet på en ca. 10 meter lang hunkaskelot, som efterfølgende startede et dyk af en varighed på 30 minutter og til en dybde af 700 meter (boks, figur 1a). Et dyk til denne dybde vil betyde, at volumen af den mængde luft, som kaskelotten har indåndet, vil blive reduceret ganske betragteligt. Den indåndede luft spiller ikke nogen rolle som iltreserve, da lungerne på dyret klapper sammen på mindre end 100 meters dybde (ilt til de lange og dybe dyk er i stedet lagret i blod og i muskler). Den smule luft, der er tilbage, vil i stedet samles i mellemøret og næsegangene. En kaskelot på 10 tons har efter indånding et samlet luftvolumen på ca. 200 liter til rådighed. På en dybde af 100 meter er dette volumen reduceret til 20 liter luft, og på 700 meter har hvalen kun 4 liter luft til rådighed for lydproduktion (boks, figur 1b). Ikke desto mindre viser det sig, at kaskelottens lydproduktion tilsyneladende er fuldstændig upåvirket af denne voldsomme reduktion i drivmiddel (luft), idet hverken klikkenes styrke (boks, figur 2) eller frekvensindhold påvirkes. Luft kan recirkuleres Set i lyset af de store variationer i tilgængelig luft til at drive lydgeneratoren er det selvfølgelig fristende at foreslå, at kaskelotten ikke bruger luft som drivmiddel i sin lydgenerator. En sådan antagelse passer dog meget dårligt med næsens anatomi, hvor næsegangene er tæt forbundet med abelæberne, som vi ved er lydkilden. Dette sammenholdt med, at luft hos kaskelottens mindre slægtninge, delfinerne, beviseligt bruges som drivmiddel i produktionen af klik, gør, at vi må tro, at luft er drivmidlet, men at det kriti-

5 A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b Z O O F Y S I O L O G I 11 ske volumen for lydproduktion er mindre end 2% af det oprindelige volumen ved overfladen. Da næsegangene er forbundet, er det således nærliggende at tro, at en del af forklaringen på, hvordan kaskelotten kan lave lyd med så lille en mængde luft, ligger i, at luften kan recirkuleres efter et eller flere klik via de forbundne næsegange. Kaskelotten laver to slags klik Ved analyse af data fra målepakken har vi afsløret, at kaskelotten laver to slags klik. I starten lavede den såkaldte codaer, der er stereotype kliksekvenser, som kaskelotten bruger som en slags morsesignaler, når den kommunikerer med sine artsfæller (boks, figur 1a). I en dybde af ca. 265 meter skiftede kaskelotten til de mere almindelige ekkolokaliserings-klik. Tidligere har man troet, at de såkaldte nævnte morsesignaler (coda'er) blot bestod af almindelige ekkolokaliseringsklik. Man kan dog tydeligt skelne mellem to kliktyper, da der er meget stor forskel på amplitudeforskellen og antallet af pulser i de almindelige klik og coda-klik (se boks). Begge kliktyper er resultatet af en enkelt puls produceret af abelæberne, men mens et almindeligt klik sender hovedparten af lydenergien ud i vandet med en kraftig retningsvirkning, så er det kun ca. halvdelen af lydenergien fra et coda-klik, der sendes ud i vandet med en mindre retningsvirkning. På denne måde kan man sige, at de almindelige klik svarer til at lyse med en kraftig lommelygte, mens coda-klikket svarer til en nøgen elektrisk pære, som sender lys ud i alle retninger. Dette viser således, hvorfor de almindelige klik er velegnede til at søge bytte, mens coda-klikkene er velegnede til kommunikation. Fokus på næsen På trods af de sidste års data bl.a. fra dette pakke-projekt er der stadig meget, vi ikke ved om verdens største lydgenerator, kaskelottens næse. Vi håber, at vi i de kommende år vil få mulighed for at videreudvikle målepakken, så den også kan måle muskelaktiviteten i lydgeneratoren og filme dyrets adfærd under dets jagt efter bytte. Dette vil kunne give os yderligere svar på, hvordan kaskelotten producerer de forskellige klik, og hvilken rolle klikkene spiller i dens jagt efter føde. Det vil forhåbentlig også bringe os endnu nærmere en forståelse af, hvorfor kaskelottens næse har de groteske proportioner, den har. Om forfatteren Peter Teglberg Madsen er ph.d.-studerende Afd. for Zoofysiologi Biologisk Institut Aarhus Universitet C.F. Møllers Allé, bygn Århus C e-post: peter.teglberg@biology.au.dk Tlf: Tak til Novo Nordisk Fonden, Ocean Alliance (USA), Center for Lydkommunikation (SDU), Niels Kristiansen samt folkene i Bertel Møhls sonargruppe ved Afd. for Zoofysiologi, Aarhus Universitet. Teori står for fald Denne artikel er dedikeret mindet om ingeniørassistent, styrmand og humørspreder Peter Thorbjørn Sørensen. En interessant sideeffekt af vores forsøg er, at vi har kunnet teste og afvise Clarkes hypotese om kaskelottens næse som opdriftsregulator, der ellers er at læse i de fl este lærebøger. Denne hypotese siger, at kaskelotten kan fryse spermacet-olien i dens næse ved at tage koldt vand ind (og dermed blive tungere), når den skal dykke, og omvendt sende varmt blod ind i næsen og smelte olien, når den skal op igen. Vi har testet hypotesen ved at analysere de klik, som hvalen producerer under dens dyk. Både de normale klik, som kaskelotten udsender, og de specielle codaklik består af fl ere pulser. Disse pulser opstår ved, at en oprindelig puls refl ekteres fl ere gange inde i spermacet-komplekserne i dyrets næse (se boks 1). Lydhastigheden i spermacetolie ændrer sig en smule med trykket og meget med temperaturen. Hvis Clarkes Amplitude A P0 P1 20 db 5 msec p normal-klik teori passer, så vil intervallet mellem pulserne i et klik ændre sig, afhængigt af, om dyret er på vej ned (afkølet spermacetolie) eller på vej op (opvarmet spermacetolie). På graf B ses et coda-klik optaget i 200 meters dybde, hvor dyret er på vej ned. Bemærk det store antal pulser i klikket og de små skift i amplitude fra puls til puls. På graf A ses et almindeligt klik optaget på 600 meters dybde, hvor dyret er på vej op. Bemærk, at kun to pulser kan ses, B P0 5 msec P1 6 db P2 P3 P4 P5 coda-klik og at amplitude-forskellen imellem dem er stor. Det viser sig, at der er en meget lille forskel i pulsintervallet i de to klik, som alene kan forklares med trykforskellene mellem de to dybder. Dette indebærer, at spermacetoliens temperatur må være konstant under dykket, hvorfor Clarkes teori, ikke henter støtte i den virkelige verden. Yderligere oplysninger Würsig, B. (1989). Cetaceans. Science 244: Møhl, B. et al. (2000). Sperm whale clicks: directionality and source level revisited. Jour. of the Acoustical Soc. of America 107(1), Madsen, P. et al. (2002). Sperm whale sound production studied with ultrasoundtime-depth-recording tags. Jour. of Experimental Bio. 205, Kaskelotten kan producere to slags klik ekkolokaliserings-klik (tv), der er kraftigt retningsorienterede og velegnede til at søge bytte, og såkaldte coda-klik (th) med mindre retningsvirkning, som bruges til kommunikation med artsfæller. Hjemmesider: eller samt