Vor 165 Millionen Jahren waren die Wälder bereits von Ultraschall erfüllt – Wissenschaftler haben herausgefunden, wer ihn erzeugt hat

Vor etwa 165 Millionen Jahren, als auf der Erde bereits Dinosaurier lebten, waren in den Wäldern der heutigen Inneren Mongolei Insekten zu hören, die den heutigen Grillen und Heuschrecken ähnelten. Einige dieser Laute hätte der Mensch hören können, doch mindestens eine Art kommunizierte wahrscheinlich auf Frequenzen über 20 kHz – also im Ultraschallbereich.

Zu diesem Schluss kamen die Wissenschaftler nach der Untersuchung hervorragend erhaltener fossiler Flügel. Sie rekonstruierten die wahrscheinlichen Frequenzen und den Rhythmus der Laute von neun Insektenarten aus der mittleren Jura und schufen damit faktisch ein Modell einer der ältesten bekannten Klanglandschaften.

Es handelt sich jedoch nicht um eine echte „Aufnahme“ von Klängen aus der Vergangenheit. Die Forscher berechneten anhand der Anatomie der fossilen Flügel, physikalischer Simulationen, Daten heutiger Arten und maschinellen Lernens, wie die Insekten geklungen haben könnten.

Details

Die Stimmorgane der meisten urzeitlichen Wirbeltiere sind fast nie als Fossilien erhalten geblieben. Daher ist es äußerst schwierig, beispielsweise genau zu ermitteln, wie die meisten Dinosaurier geschrien haben.

Bei Insekten stellte sich die Situation anders dar.

Grillen, Heuschrecken und ihre Verwandten können Töne durch Stridulation erzeugen – das Reiben spezieller Bereiche eines Flügels am anderen. Auf dem Flügel befindet sich eine Art „Säge“ mit einer Reihe kleiner Zacken und eine gegenüberliegende Struktur, die darüber gleitet.

Die Größe des Flügels, der Abstand zwischen den Zacken und die Fläche der schwingenden Membran stehen in Zusammenhang mit der Frequenz des erzeugten Tons.

Diese festen Strukturen können versteinern.

Daher bewahrt ein fossiler Flügel nicht den Ton selbst, sondern eine Art anatomischen Abdruck des Mechanismus, der diesen Ton einst erzeugt hat.

Die Forscher analysierten 20 fossile Insekten, die neun Arten repräsentieren. Alle Funde stammen aus der Jiulongshan-Formation in der Inneren Mongolei in China und stammen aus der mittleren Jura.

Das Alter dieser Fauna beträgt etwa 165 Millionen Jahre.

Die untersuchten Insekten gehörten zur Gruppe der Ensifera – einer Gruppe der Geradflügler, zu der heute Grillen, Heuschrecken und deren Verwandte zählen.

Für die Rekonstruktion kombinierte das Team mehrere Methoden: phylogenetische Analyse, Untersuchung der mikroskopischen Flügelstruktur, Laser-Doppler-Vibrometrie an heutigen Insekten, numerische Modellierung sowie Algorithmen zur Rekonstruktion der zeitlichen Struktur der Signale.

Um sicherzustellen, dass sich der Klang eines Flügels anhand seiner Form tatsächlich hinreichend genau bestimmen lässt, arbeiteten die Wissenschaftler auch mit heutigen Insekten.

Sie maßen die tatsächlichen Flügelschwingungen mithilfe der Laser-Vibrometrie und verglichen die gewonnenen Daten mit den Berechnungen physikalischer Modelle.

Bei den heutigen Arten lagen die vom Modell vorhergesagten Resonanzfrequenzen nahe an den tatsächlich aufgezeichneten Signalen.

Erst nach dieser Überprüfung wurde dasselbe Prinzip auf fossile Flügel angewendet.

Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Rekonstruktion erheblich, obwohl es natürlich unmöglich ist, den Klang eines ausgestorbenen Insekts vollständig zu überprüfen.

Die Ergebnisse zeigten, dass der Jura-Wald akustisch wahrscheinlich recht vielfältig war.

Die meisten der untersuchten Arten erzeugten vergleichsweise klare, tonale Signale. Bei einigen lagen die rekonstruierten Frequenzen etwa im Bereich von 5 kHz und darüber.

Solche Töne liegen innerhalb des menschlichen Hörbereichs. Würde sich ein Mensch in diesem Jura-Wald befinden, könnte ein Teil des dortigen Zirpens an die sehr hohen Töne heutiger Grillen erinnern.

Ein Insekt hob sich jedoch deutlich von den anderen ab.

Bei der Art Sigmaboilus peregrinus deutet der Flügelbau auf eine deutlich höhere Frequenz hin.

Nach den Rekonstruktionen der Wissenschaftler lag ihr Signal über 20 kHz, befand sich also an der Grenze zum Ultraschallbereich oder bereits jenseits dessen, was die meisten erwachsenen Menschen hören können.

Gerade dieses Ergebnis halten die Autoren für besonders bedeutsam.

Er bedeutet, dass Insekten wahrscheinlich bereits im mittleren Jura Ultraschallkommunikation nutzten. Die Autoren bezeichnen die gewonnenen Daten als Beweis dafür, dass diese Art von Signalen lange vor dem Auftreten der Fledermäuse entstanden ist.

Heute wird Ultraschall eng mit Fledermäusen in Verbindung gebracht.

Viele von ihnen senden sehr hochfrequente Signale aus und orten anhand des zurückgeworfenen Echos Hindernisse und Beute. Insekten wiederum sind in der Lage, diese Signale zu hören und einem herannahenden Raubtier auszuweichen.

Aufgrund dieses heutigen „Wettrüstens“ gab es die Hypothese, dass der Druck durch echolokalisierende Fledermäuse zu einem der Hauptfaktoren für die Entwicklung des Ultraschallaudios und der Ultraschallsignale bei Insekten geworden sei.

Die untersuchten Insekten aus dem Jura lebten jedoch etwa 100 Millionen Jahre vor dem Auftreten der ersten bekannten Fledermäuse.

Folglich konnten Fledermäuse nicht der ursprüngliche und einzige Auslöser für die Entstehung der Ultraschallkommunikation bei dieser Gruppe gewesen sein.

Die Autoren vermuten, dass das evolutionäre „Wettrüsten“ bereits viel früher begonnen haben könnte.

In den Ökosystemen des Jura gab es bereits kleine frühe Säugetiere und andere Wirbeltiere mit einem recht gut entwickelten Gehör. Einige von ihnen könnten Insekten gejagt haben, wobei sie sich unter anderem am Geräusch orientierten.

Für das Männchen stellte ein lauter Balzruf ein offensichtliches Problem dar: Er wurde nicht nur von einer potenziellen Partnerin, sondern auch von Raubtieren wahrgenommen.

Der Übergang zu höheren Frequenzen hätte theoretisch ermöglichen können, die Reichweite des Signals zu begrenzen und dessen Ortung durch bestimmte Raubtiere zu erschweren.

Es handelt sich hierbei jedoch um eine evolutionäre Hypothese und nicht um ein direkt bewiesenes Szenario. Fossile Flügel ermöglichen zwar eine Einschätzung des Schalls, geben jedoch keinen Aufschluss darüber, warum eine bestimmte Frequenz entstanden ist. Die Autoren betrachten zudem die Veränderung der Hörfähigkeiten früher Säugetiere als mögliche Quelle für selektiven Druck.

Es gibt noch eine weitere mögliche Erklärung für die Frequenzvielfalt.

Ein Wald mit einer Vielzahl gleichzeitig zwitschernder Arten stellt eine komplexe akustische Umgebung dar.

Wenn alle Tiere ungefähr dieselben Frequenzen und denselben Rhythmus verwenden, beginnen sich ihre Signale gegenseitig zu überlagern. Für die Weibchen wird es schwieriger, Artgenossen zu erkennen.

Die Frequenzaufteilung ermöglicht es mehreren Arten, in einem Lebensraum zu existieren und dabei unterschiedliche akustische Nischen zu besetzen.

Genau diese Vielfalt haben Forscher bei den Jura-Insekten festgestellt: Unterschiede in der Flügelgröße und im Aufbau des Stridulationsapparats mussten unterschiedliche Frequenzen und Signaltypen erzeugen.

Die Bestimmung der Frequenz ist jedoch nur die halbe Miete.

Das eigentliche Zirpen besteht aus sich wiederholenden Impulsen und Pausen. Insekten können kurze Einzelsignale, lange Serien oder rhythmische Abfolgen von Signalen erzeugen.

Diese zeitliche Struktur ist im Fossilienbestand weitaus schlechter erhalten.

Daher nutzten die Forscher Daten heutiger Verwandter sowie rechnergestützte Methoden, darunter ein Modell des maschinellen Lernens, um die wahrscheinlichste Wiederholungsfrequenz der Gesangselemente bei den ausgestorbenen Arten zu ermitteln.

Auf der Grundlage dieser Berechnungen erstellten sie akustische Rekonstruktionen.

Dabei ist es jedoch besonders wichtig, das Modell nicht mit einer Tonaufnahme zu verwechseln: Der Algorithmus hat keinen Klang aus dem Fossil extrahiert. Er half vielmehr dabei, eine der wahrscheinlichen Varianten zu berechnen, wie das Signal aufgebaut gewesen sein könnte.

Der Jura-Wald klang anders, als es im Kino dargestellt wird

Die Studie ermöglicht es, sich einen Teil der Klangwelt der Dinosaurier-Ära wesentlich realistischer vorzustellen.

Sie bestand nicht nur aus den möglichen Lauten großer Wirbeltiere.

In den Wäldern herrschte ständig ein akustischer Hintergrund, der von kleinen Tieren erzeugt wurde. Die urzeitlichen Verwandten der heutigen Grillen und Heuschrecken verfügten bereits über komplexe Mechanismen der Tonerzeugung und teilten den akustischen Raum wahrscheinlich zwischen verschiedenen Arten auf.

Ein Teil dieser Signale lag im für den Menschen wahrnehmbaren Bereich, ein anderer Teil an dessen Grenze oder darüber hinaus.

Daraus ergibt sich ein ungewöhnliches Bild: Der Jura-Wald könnte wesentlich lauter gewesen sein, als man annahm, wobei einige seiner Bewohner auf Frequenzen „kommunizierten“, die wir heute praktisch nicht mehr hören können.

Die gesamte Klanglandschaft des Jura konnten die Wissenschaftler jedoch nicht rekonstruieren.

Die Überschrift über die „Geräusche des Jura-Waldes“ erfordert eine wesentliche Einschränkung.

In der Studie werden lediglich neun Arten einer einzigen Insektengruppe aus einem einzigen Gebiet vorgestellt.

In derselben Landschaft müssen auch andere Insekten, Amphibien, Reptilien, frühe Säugetiere und Dinosaurier gelebt haben. Es gab Geräusche von Wind, Regen und Wasser.

Die meisten dieser Geräusche haben keine so gut erhaltenen fossilen Strukturen hinterlassen wie der Stridulationsapparat der Insekten.

Daher stellt die vorliegende Rekonstruktion keinen vollständigen Soundtrack des Jura-Waldes dar, sondern lediglich ein Fragment davon.

Das Gleiche gilt für Ultraschall. Den Forschungsdaten zufolge wird eine Frequenz über 20 kHz mit großer Sicherheit vor allem für eine der neun untersuchten Arten angenommen. Daraus lässt sich nicht schließen, dass alle Jura-Wälder ständig von Ultraschallsignalen zahlreicher Tiere erfüllt waren.

Doch allein die Möglichkeit einer solchen Kommunikation in einem derart uralten Ökosystem verändert bereits unsere Vorstellungen vom Ursprung hochfrequenter Signale bei Insekten.

Der Hauptwert dieser Arbeit liegt darin, dass sie die Paläontologie mit der Biomechanik und der modernen Bioakustik verbindet.

Das Fossil bewahrt die Form des Flügels. Die Form bestimmt dessen mechanische Eigenschaften. Diese Eigenschaften beeinflussen die Schwingungsfrequenz – und ermöglichen es somit, dem Klang näherzukommen, den ein längst ausgestorbener Organismus erzeugt hat.

Es handelt sich hierbei nicht um eine echte, 165 Millionen Jahre alte Tonaufnahme.

Für Paläontologen stellen solche Strukturen jedoch eine der seltenen Möglichkeiten dar, nicht nur zu untersuchen, wie ein urzeitliches Tier aussah, sondern auch, wie es durch Geräusche mit seiner Umwelt interagierte.

Quelle

Studie: „Reconstruction of an extinct soundscape reveals ultrasonic communication in the Jurassic“.

Autoren: Jun-Jie Gu, Fernando Montealegre-Z, Thorin Jonsson, Charlie Woodrow, Emine Celiker, Md Niamul Islam, Jackson B. Linde, Fabio Sarria-S, Fuming Shi, Hojun Song, Daniel Robert, Dong Ren.