Hvaler slutter sig til mennesker og krager i eksklusiv klub: Kun for medlemmer med stemmeregistre

Fremtidens teknologi 30. apr 2023 5 min Associate Professor Coen P.H. Elemans Skrevet af Morten Busch

Evnen til at tale og synge kræver en meget præcis kontrol af hjernen. Den kontrol er begrænset hos de fleste pattedyr, og stemmeregistre er kun blevet bekræftet hos mennesker - og krager. I en ny undersøgelse viser forskere, at tandhvaler, som fx delfiner og spækhuggere, hører med i klubben. De har udviklet en særlig næsestruktur til at producere sikre både ekkolokalisering og kommunikation. Disse lyde spænder over mere end fire størrelsesordener i frekvensområde, fordi hvaler, ligesom mennesker, anvender forskellige vokalregistre. Undersøgelsen beviser, at mennesker - i det mindste stemmemæssigt - ikke er så specielle, som vi nogen gange tror, og rejser samtidig bekymring for, at den støj, der tilføres havet fra skibe, kan forstyrre hvalers kommunikation.

Indenfor dyreriget er mennesket specielt. Bare for at nævne et par eksempler: vi har hænder og kan lave ild; vi er født nøgne, så vi klæder os på; vi har en lang barndom; og lever videre, efter vi holder op med at få børn. En egenskab er dog ikke unik hos os længere: vores ekstraordinære hjerner og vores evne til at tale og synge. Faktisk har kaskelothvaler større hjerner end mennesker, og ny forskning viser, at tandhvaler kan producere lyde, der er lige så komplekse over et meget bredere frekvensområde end mennesker.

“Stemmeproduktionssystemet i tandhvalers næser ligner påfaldende det, man kender fra stemmerne hos mennesker og fugle, nemlig hvordan stemmelæberne skaber svingninger i den udåndende luftstrøm, men deres stemmeregister er også fysisk analogt med både menneskets "vocal fry" (knirkestemme, red.) og til vores bryst- og falsetregister. Denne viden vil hjælpe os til bedre at forstå, i hvilket omfang hvaler kan ændre deres stemme: for eksempel på grund af menneskeskabt støj som fragtskibe, der reducerer dyrenes kommunikative rækkevidde,” forklarer Coen Elemans, professor, Biologisk Institut på Syddansk Universitet.

Måling i aktion

Tandhvalerne – også kaldet odontoceter – er en biologisk familie på 73 arter med velkendte medlemmer som kaskelothvaler og næbhvaler, men omfatter også delfiner og marsvin. Udover at de alle har tænder, kan de også fange byttedyr, og de bevæger sig hurtigt i mørke havmiljøer. Denne evne afhænger kritisk af deres ekkolokaliseringsevne, der består i at generere kraftige ultralydsklik. Hvordan dette er muligt, har været uløst i årtier.

"Det var et mysterium, hvordan den luftdrevne lydkilde, vi antog, at de besad, kunne producere både biosonar-klik på dybder på mere 1.000 meter, samtidig med at de kommunikerer socialt på en kompleks måde ved at producere enorme vokalrepertoirer. I årtier har undersøgelserne været baseret på beviser fra lydoptagelser kombineret med anatomiske undersøgelser postmortem, og den mangelfulde metode har været ekstremt udfordrende i forhold til at finde mekanismen bag lydproduktionen hos tandhvaler,” siger Coen Elemans.

Sampling af lyde fra en bestemt person er vanskelig, og postmortem-prøver er sjældne og kan ikke fortælle historien om, hvad der er sket, når man har været "i aktion". Men i de senere år er der udviklet teknikker til at måle finere dynamiske parametre i det menneskelige stemmeapparat og kortlægge dem for de lyde, der produceres.

"Vi besluttede at prøve at bruge den samme teknik til at studere tandhvaler for at bevise, at de blæser luft gennem deres næsepassage og kan kontrollere den til at producere forskellige lyde," fortæller Coen Elemans.

Forskerne satte derfor lydoptagelsesudstyr på hvaler og delfiner for at studere lydproduktion i ude i naturen og for at teste, om den akustiske mangfoldighed i deres stemmer understøtter forskellige stemmeregistre. 

"Da vi samlede optagelserne til akustiske repertoirer, kunne vi tydeligt se, at deres repertoirer bestod både af klik, harmoniske udbrud og fløjten, der stemte overens med de registre, man ser hos mennesker,” forklarer Coen Elemans.

Ligesom mennesker og fugle

Hos mennesker er stemmeregisteret beskrevet af mindst tre forskellige vibrationsmekanismer i struben, der på fagsprog kaldes larynx: M0 – en knirkende stemme, der på engelsk kaldes vocal fry. M1 – hovedregister for mænd. Og M2, som er hovedregisteret for kvinder og falset for mænd. Alle tre blev fundet i hvalerne. Kun M3 – den højeste tonehøjde i den menneskelige stemme, svarende til det menneskelige fløjteregister – blev ikke identificeret.

"Tre menneskelige stemmeregistre er fysisk analoge med dem, vi fandt hos tandhvaler. Vokalregistre er tidligere kun blevet bekræftet hos mennesker og krager, så at finde de her lydproduktionsmekanismer hos tandhvaler var virkelig uventet, så vi var nysgerrige efter at finde ud af hvordan. Så vi undersøgte deres lydlæber – både ved at operere strandede marsvin for at se på deres anatomi,” fortæller Coen Elemans.

Forskerne brugte et tyndt, rørlignende instrument – et endoskop – til at optge video og afbilde lydlæberne i aktion hos marsvin og delfiner, der lever i fangenskab. Deres foniske læber fungerer som de menneskelige stemmelæber og er gemt væk lige under blæsehullet i delfinernes næse, svarende til menneskets næsebor. Ved at sende trykluft forbi de læbelignende strukturer, får de dem til at vibrere og producerer kliklyde til ekkolokalisering til at finde deres bytte. 

Men forskerne kunne også måle, at hvalerne brugte roligere pulserende lyde og fløjten som kommunikation.

”Vi kan se at tandhvalerne – også delfiner – har et lydproduktionssystem baseret på luft, der drives gennem deres næse. Deres foniske læber åbner sig i omkring et millisekund, og når de lukker, dannes der en vævsvibration, der danner et meget højt klik i vandet foran. Så læberne bruger den samme mekanisme som i menneskets strubehoved og syrinx hos fugle,” forklarer Coen Elemans.

Evolutionære fordele ved lydkilde i næsen

Da lyden fra hvaler skal bevæge sig i vand, er en afgørende forskel i lydproduktionssystemerne hos hvaler og mennesker, at hos mennesker og andre landpattedyr bruges luft som drivmiddel, der får stemmelæberne til at vibrere, men også som det medium, hvori lydene forplantes. Sådan er det ikke hos tandhvalerne.

"Et af de centrale spørgsmål i undersøgelsen er, hvordan de kan producere klik med mindre end 10 % resterende luftvolumen og lunger, der, på dybder over 100 meter, er tæt på at kollapse," siger Coen Elemans.

Svaret er, at tandhvalerne under evolutionen simpelthen har mistet deres stemmelæber, men udviklet et helt nyt sæt i næsen. Med denne nye lydkilde kan de både lave klik til at lokalisere, spore og fange byttedyr, der bevæger sig hurtigt under vandet, samt skabe et rigt vokalrepertoire til komplekse sociale interaktioner.

Og der er åbenlyse evolutionære fordele ved en lydkilde i næsen.

"For det første befrier en lydkilde i næsen strubehovedet fra lydproduktion – en effektiv ventil, der afkobler lunger fra næsepassager. Dette gør det muligt at producere lyde ved ekstremt højt tryk uden at beskadige lungevæv. For det andet er den nasale luftmængde meget mindre end åndedrætssystemet, hvilket giver mulighed for hurtigere trykregulering og genbrug af luft,” forklarer Coen Elemans.

Afbød støjforureningen i havene

Baseret på deres resultater foreslår forskerne, at den anatomiske tilpasning til næselydene primært var drevet af selektion for behov til at kunne ekkolokalisere og kun sekundært til social kommunikation. Først og fremmest håber forskerne, at resultaterne af de avancerede stemmeregistre vil få verden til at forstå, hvor unikke disse dyr er.

"Jeg tror, det er en påmindelse til mennesker om, at selv om vi meget ofte bryster os med, hvor specielle vi er, så har vi at gøre med dyr med hjerner, der er større end vores, og som lever længere, end vi gør. Vi har nu også vist, at de producerer lyde, der er lige så komplekse over et meget bredere frekvensområde end os. Så vi er ikke specielle, og vi har et ansvar for at være bedre naboer med dem, der lever under vandet,” siger Coen Elemans.

Med den stigende skibstrafik over hele verden bringer mennesker nemlig mere og mere støj til havene, end tandhvaler nogensinde har udviklet sig til at kunne klare.

"I 25 millioner år har de hovedsageligt skullet forholde sig til støj fra regn, vind og bølger. Nu skal de pludselig overdøve støjen fra et fragtskib, der passerer tæt på dem, for at de kan holde kontakten med deres unge, finde deres venner eller jage et bytte,” forklarer Coen Elemans.

Ved at forstå disse påvirkninger håber forskerne, at de også bedre kan fortælle politikerne, hvordan de kan afbøde for støjforurening i havene.

"Hvis dyrene ikke kan give skrue højere op for volumen, end vi ser nu, betyder det, at deres evne til at kommunikere vil være begrænset. Og rækkevidden, hvor de kan finde fisk eller blæksprutter, vil også være begrænset, hvilket betyder, at bestanden af hvaler vil blive påvirket,” slutter Coen Elemans.


"Toothed whales use distinct vocal registers for echolocation and communication" er blevet offentliggjort i Science. I 2017 gav Novo Nordisk Fonden en bevilling til Coen Elemans til projektet #Give Voice to Your Body: Decoding Vocal Motor Control". I 2020 gav fonden et Exploratory Interdisciplinary Synergy Programme til Coen Elemans til projektet "Burst into Song – a Systems Approach to Accurate Predictions of Voice Motor Control."

Physical mechanisms for making sound We found that birds make sound using the same physical mechanisms as mammals do. In songbirds we have a much mor...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020