Sehen mit den Ohren Wie Fledermäuse Oberflächenstrukturen hören

Viele Fledermäuse orientieren sich im Dunkeln mittels Echoortung. Wie ähnlich diese Form der Wahrnehmung zu der visuellen Orientierung mit den Augen ist, haben nun Forscher des Max-Planck-Instituts für Ornithologie in Seewiesen und der Ludwig-Maximilians-Universität München gezeigt. Sie ließen Fledermäuse dazu künstliche Wasseroberflächen anhand der Wellenform unterscheiden.

Seewiesen, München – Echoortende Fledermäuse haben sich die Nacht zum Tag gemacht. Sie beschallen ihre Umwelt mit lauten Ultraschallrufen und lauschen auf zurückgeworfene Echos. Über tausend Arten an Fledertieren besetzen alle erdenklichen Nahrungsnischen, von Mückenjägern über Nektarschlecker bis hin zu fischenden Fledermäusen. Jagen Fledermäuse nahe vor einem Hintergrund, müssen sie das Beuteecho aus einer Vielzahl zurück reflektierter Echos heraushören – die sprichwörtliche Suche nach der Nadel im Heuhaufen.

Erleichtert wird diese Aufgabe, wenn die Jagd dicht über der Wasseroberfläche stattfindet, wie es z.B. Wasser- und Teichfledermäuse tun „Eine glatte, unbewegte Wasseroberfläche wirkt akustisch wie ein Spiegel: Im gleichen Winkel, in dem der Schall auf die Oberfläche trifft, wird er auch reflektiert“, sagt Holger Goerlitz, Leiter der Forschungsgruppe Akustische und Funktionelle Ökologie am Max-Planck-Institut für Ornithologie in Seewiesen. Bei ruhigem Wasser geht der Schall also hauptsächlich von der Fledermaus weg, da sie schräg nach unten-vorne aufs Wasser ruft. „Ein treibendes Insekt reflektiert Schall jedoch direkt zur Fledermaus zurück, als ein einzelnes auffälliges Beuteecho inmitten von Stille“, erklärt Goerlitz den Vorteil einer Jagd über dem Wasser. Aber was passiert, wenn die Wasseroberfläche nicht spiegelglatt ist? Fledermäuse jagen schließlich auch bei Wind und Regen oder über fließenden Gewässern.

Dreidimensionales Hören

Viele aquatische Räuber wie Egel, Spinnen oder Amphibien können die dreidimensionale Struktur von Wasserwellen wahrnehmen und sie so von Beute unterscheiden. Für die Forscher drängte sich die Frage auf, ob echoortende Fledermäuse diese Leistung nur mit dem Hörsinn erbringen. Dies ist eine Herausforderung, denn es muss erst errechnet werden, aus welcher Richtung der am Trommelfell beider Ohren eintreffende Schall ursprünglich kommt. Dazu müssen die Fledermäuse die eingehenden Signale am linken und rechten Ohr im Bruchteil einer Sekunde vergleichen. „Kommt ein Geräusch von links, trifft es am linken Ohr lauter und früher ein als am rechten“ sagt Leonie Baier, Erstautorin der Studie. „Und kommt ein Geräusch von vorne, klingt es minimal anders als von hinten. Dafür sorgen die Ohrmuscheln.“ Fledermäuse berechnen auch Entfernungen über das eintreffende Echo. „Je mehr Zeit zwischen Aussenden des Rufs und Empfangen des Echos verstreicht, desto weiter weg ist das angepeilte Ziel“, erklärt Baier.

Welche Wasserwellen „sehen“ Fledermäuse?

Um nun der Frage nach der Wahrnehmung räumlicher Struktur auf den Grund zu gehen, brachte Baier ihren Fledermäusen bei, eine glatte Oberfläche von einer geriffelten Oberfläche zu unterscheiden – im Dunklen, also nur mithilfe von Echoortung.

Es zeigte sich, dass die Tiere sehr viel besser darin waren, geriffelte Oberflächen zu detektieren, wenn diese eine hohe Raumfrequenz, also viele Wellen auf enger Fläche hatten. Dann konnten sie sogar Wellen von nur etwa ein bis zwei Millimeter Höhe wahrnehmen. War die Raumfrequenz jedoch sehr niedrig, also nur wenige Wellen auf der gesamten Fläche abgebildet, konnten die Tiere keinen Unterschied zwischen der glatten und der geriffelten Fläche feststellen, selbst wenn die Wellen über drei Zentimeter hoch waren.

Im Vergleich mit natürlichen Gegebenheiten deuten die Wissenschaftler ihre Ergebnisse so, dass sanfte Hintergrundwellen, wie sie durch Wind entstehen, für die Fledermäuse praktisch unsichtbar sind. Im Gegensatz dazu sticht eine in den Wellen zappelnde Beute ins Auge – oder besser gesagt, ins Ohr.

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Ähnliche Hirnaktivität von Hören und Sehen

„Vergleicht man die Empfindlichkeit der Echoortung für Raumfrequenzen mit der des menschlichen Sehsinns, ergeben sich erstaunliche Parallelen“, sagt Lutz Wiegrebe vom Biozentrum der Ludwig-Maximilians-Universität. Da sich aber die Anatomie von Auge und Ohr grundlegend unterscheiden, begaben sich die Forscher auf die Suche nach dem Mechanismus, der hinter der Leistung der Fledermäuse stecken könnte. Am Computer simulierten sie die neuronale Aktivität, wie sie im Hörnerv der Tiere vorliegt. Tatsächlich fanden sie, dass die Echos Informationen enthalten, um verschieden strukturierte Oberflächen voneinander zu unterscheiden. „Wir konnten zeigen, dass bloße physikalische Eigenschaften von Oberflächenstrukturen dem Hörsystem Informationen zur Verfügung stellen, wie sie auch das visuelle System verwendet, um Rauminformation zu verarbeiten“, fasst Forschungsleiter Goerlitz zusammen.

Originalpublikation: A. Leonie Baier, Lutz Wiegrebe & Holger R. Goelitz: Echo-Imaging Exploits an Environmental High-Pass Filter to Access Spatial Information with a Non-Spatial Sensor. iScience, 2019. DOI: 10.1016/j.isci.2019.03.029

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