Benutzer:Jonathan Hornung/Echoortungssystem der Fledermäuse
Mit der Echoortung haben die Fledermäuse eine außergewöhnliche und sehr komplizierte Methode entwickelt, die es den Tieren ermöglicht, sich im Dunkeln zurechtzufinden und Insekten zu jagen ohne sie mit ihren Augen zu sehen. Dabei stoßen sie Ultraschallwellen aus, welche an Objekten zurückgeworfen werden. Die einzelnen Echos werden im Fledermausgehirn erkannt und in die richtige Abfolge gebracht. Durch die Zeitunterschiede kann das Gehirn errechnen, wie ihr Umwelt beschaffen ist, wie weit ein Baum oder Insekt entfernt ist und sogar mit welcher Geschwindigkeit und Richtung sich ein Beutetier bewegt. Da wir Menschen die Welt vornehmlich mit unseren Augen wahrnehmen, fällt es oft nicht leicht, uns vorzustellen, dass Fledermäuse ihre Umgebung über ihre Ohren ebenso detailliert wahrnehmen wie wir.
Geschichte
Lange Zeit nahm man an, dass Fledermäuse über extrem gute Augen verfügen, da sie sich in absoluter Dunkelheit zurechtfinden. Im 18. Jahrhunder war es der italienische Wissenschaflter Lazzaro Spallanzini, der Versuche mit Fledermäusen und Eulen mache, in denen er beide Tierarten in einem dunkeln Raum fliegen ließ. Während alle Eulen scheiterten, hatten die Fledermäuse keine Probleme und fanden sich gut zurecht. Doch dabei bleib es nicht, denn einige Zeit später machte er weitere Versuche, diesmal mit Fledermäusen, denen er die Augen ausgestochen hatte. Auch diesesmal konnte von Problemen beim Fliegen keine Rede sein. Er ging noch weiter und versucht Fledermäuse mit Stöpseln in den Ohren fliegen zu lassen, was natürlich misslang, doch die Idee von der Schallnavigation der Fledermäuse kam nicht voran. Als sich Hiram Maxim, der Erfinder des Maschiengewehrs, im Jahre 1913 mit Sonarsystemen zur Navigation auf See und zur Ortung der gesunkenen Titanic beschäftigte, glaubte er auf dem richtigen Weg zu sein, doch leider irrte er sich, denn er nahm man, dass Fledermäuse niederfrequente Töne mit dem Schlagen ihrer Flügel erzeugen würden. Erst als G. W. Pierce einen Schalldetektor für Hochfrequenztöne entwickelte, wurde die wahre Beschaffenheit des Fledermaussonars erkannt.
Echoortung allgemein
Hauptartikel: Echoortung
Bei der Echoortung werden Schall- oder Radiowellen aktiv ausgesandt. Treffen die Wellen auf ein Hindernis, werden sie zurückgeworfen. Aus der Laufzeit der Wellen kann dann die Entfernung zum Hindernis ermittelt werden. Auch die genaue Richtung, in der sich das Hindernis befindet, kann ermittelt werden, sowie die Größe des Hindernisses.
Spezielle Anpassungen der Fledermäuse
Damit das Echoortungssystem richtig funktionieren kann und alle Möglichkeiten optimal augeschöpft werden, ist eine spezielle Anpassung der verschiedenen Organe notwendig. So sind bei den Fledermäusen viele Körperteile genau auf den Gebrauch der Echoortung ausgelegt.
Erzeugung des Rufes
Der hochfrequente Ruf wird von dem meisten Fledermäusen im Kehlkopf erzeugt, wo Luft zwischen zwei Membranen gepresst wird und diese dadurch in Schwingungen geraden. Durch das Anspannen von Muskeln, welche die Membranen halten, können unterschiedliche Tonhöhen erzeugt werden. Manche Nektar- und Pflanzenfressende Fledermäuse erzeugen Manche einen relativ schwachen Schalldruck, weshalb man sie auch Flüsterfledermäuse nennt. Andere Fledermäuse wie die Glattnasen erzeugen den Schall, indem sie mit der Zunges schnalzen.
Absendung des Rufes
Bevor die Schallwellen aus dem Mund oder aus der Nase austreten, werden sie durch verschiedene Kammern verstärkt und gefiltert. Fledermäuse, die durch die Nase rufen haben oft komplizierte Nasenaufsätze, die die Schallwellen in die richtige Richtung lenken sollen. Fledermäuse mit Aufsätzen, wie die Hufeisennasen haben oft kleinere Ohren.
Empfangen der Echos
Die trichterförmigen Ohren der Fledermäuse sind gegenüber Richtung der Echos, als auch der Klangqualität sehr empfindlich. Sie können die Ohren drehen und neigen, um bestimmte Schallquellen genauer zu orten. Jedes Ohr emfängt unabhängig von dem Anderen. Das Trommelfell ist größer als das ovale Fenster, durch das die Schallwellen geleitet werden. Die Hörschnecken, welche besonders an die Jagdfrequenz angepasst sind, besitzen sehr viele Windungen, worduch sie eine differenzierte Frequenzanalyse besitzen als Menschen.
Übersetzung im Gehirn
Nachdem die Echos in den Ohren aufgenommen wurden, werden sie an das Gehirn weitergeleitet, wo die verschiedenen Echos anhand ihrer Frequenzen in die richtige Reihenfolge gebracht und dann analysiert werden. Je länger ein Echo dauert um das Ohr zu erreichen, um so weiter ist der Reflektator entfernt. Ein Zeitabstand von 0.5 Millisekunden Laufzeit entspricht etwa einer Entfernung von 8.5 Zentimetern. Mit ihrere inneren Uhr können Sie Laufzeiten bis zu 0.06 Millisekunden erkennen. Da beide Ohren die Ultraschallechos empfangen, fügt das Gehirn beide Bilder zu einem 3D Bild zusammen, das einem Vergleich mit unserem Augenbild mehr als standthält, allerdings haben sie nicht so eine gute Weitsicht, welche sie aber auch nicht benötigen.
Neben der Größe und Form eines Objekts, kann auch die Oberflächenstrucktur, und damit das Material erkannt werden. Die Objektgröße wird über die Lautstärke des Echos bestimmt. Da die gleiche Lautstärke allerdings entweder von einem kleinen nahen oder einem großen weit entfernten Objekt stammen kann, wird erst die Entfernung bestimmt, worauf die tatsächliche Größe ermittelt werden kann. Die Erkennung der Objektform beruht auf der Auswertung der Lautstärke und des zeitlichen Verlaufs des Echos. Ein Echo besitzt mehrere Echofronten, die auf die Form eines Gegenstandes hinweisen. Materialien und Oberflächenstrukturen werden über die Klangfarbe des Schalls unterschieden. Die Klangfarbe setzt sich aus typischen Interferenzen der Schallwellen zusammen.
Richtungsbestimmung
Damit die Fledermäus weiß, ob sich ein Objekt links oder rechts von ihrere akutellen Postition befindet, wertet sie die Zeitunterschiede beim Eintreffen der Echos in den Ohren aus. Wie die Tiere erkennen, ob das Objekt über oder unter ihnen ist, konnte bis heute noch nicht zweifelsfrei geklärt werden. Man geht davon aus, dass sie das Interferenzmuster der Schallwellen ausgewerten.
Doppler-Effekt
Der Doppler-Effekt, also die Verfälschungen der Echofrequenz, tritt auf, sobald Schallwellen auf sich bewegende Objekte treffen. Wenn sich ein Objekt auf die Fledermaus zubewegt, nimmt die Frequenz zu und der Ton wird höher, während ein sich entfernendes Objekt genau das Gegenteil bewirkt. Fledermäuse können Unterschiede von nur 6 Hz erkennen und dadurch ihre Bewegungsgeschwindigkeit errechnen. Man vermutet, dass diese Genauigkeit die Fledermäuse befähigt, sogar Frequenzverschiebungen durch Flügelschläge verschiedenartiger Insekten auseinander zuhalten.
Grenzen der Echoortung
Das Echoortungssystem hat allerdings nicht nur Vorteile. So verlieren sich die Echos auf weitere Entfernungen und werden durch die Luft gebremst und durch Wasser absorbiert. Dadurch kommt es, dass Fledermäuse bei Nebel und sehr hoher Luftfeuchtigkeit schlecht oder garnicht sehen können.
Ein größeres Problem scheint der Energiebedarf zu sein, den jeder Ruf kostet. Über die genaue Energiemenge herrschen verschiedenen Meinungen, allerdings haben Versuche gezeigt, dass der Energieverlust in bekannten Räumlichkeiten auf ein Minimum reduziert wird. Das kann dadurch erklärt werden, dass Fledermäuse über ein ausgeprägtes Raumgedächtnis verfügen.