Walohren sind für Evolutionsbiologen ein seltsames und faszinierendes Rätsel. Wenn wir sie studieren, während sie sich im Mutterleib entwickeln, können wir besser verstehen, wie sie sich entwickelt haben. Das Sammeln von Walföten kommt heute jedoch nicht in Frage, da das Jagen von Walen illegal ist und Wissenschaftler auf Strandungen angewiesen sind, bei denen schwangere Frauen nicht oft auftauchen.
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Als die Smithsonian-Forscherin Maya Yamato im National Museum of Natural History zum ersten Mal von einer Sammlung von 56 in Alkohol konservierten Walföten erfuhr, schleppte sie sie zum CT-Scanlabor des Museums. "Wir werden nie wieder solche Materialien bekommen", sagt Yamato. "Da sie so wertvoll und selten sind, ist es nicht wünschenswert, sie zu sezieren."
Yamato, ein Postdoktorand, der mit dem Kurator fossiler Meeressäuger, Nicholas Pyenson, zusammenarbeitet, wollte einen genaueren Blick auf die Entwicklung der Ohren bei Walföten werfen. Die Sammlung umfasst einige 100 Jahre alte Exemplare, von denen die meisten aus der Zeit zu Beginn und Mitte des 20. Jahrhunderts stammen, als der kommerzielle Walfang florierte. 1986 wurde die Waljagd von der Internationalen Walfangkommission verboten, und obwohl einige Exemplare der Sammlung aus Beifängen und Strandungen stammen, werden viele mit der Waljagd einer früheren Ära in Verbindung gebracht.
"Sie sind einzigartig, weil es Arten gibt, die niemand mehr sammeln kann", sagt Pyenson. "In einigen Fällen können entweder die Umstände, unter denen sie gesammelt wurden, nicht repliziert werden, oder die Organismen sind in freier Wildbahn nicht vorhanden."
Da die Präparation von Proben oder die Durchführung von invasiven Untersuchungen keine Option war, untersuchte Yamato mithilfe der nicht-invasiven CT-Technologie die sehr empfindlichen Merkmale der Schädel der Wale. Die Ergebnisse von Yamatos Arbeit erscheinen heute in einer neuen Studie in der Zeitschrift PLOS ONE . Was Yamato fand, hilft zu bestätigen, was die Fossilienaufzeichnungen darüber aussagen, wie Wale die dramatische Verschiebung von Land zu Meer vollzogen und wie Walfamilien weiterhin unterschiedliche physische Eigenschaften entwickelten, um unterschiedliche Lebensstile in ihrer Unterwasserumgebung zu berücksichtigen.
Maya Yamato (rechts) und ein Kollege sezieren den Kopf eines verstorbenen gestrandeten Finnwals in der Chesapeake Bay, um das mit den Ohren verbundene Weichgewebe zu untersuchen. (Virginia Aquarium Stranding Response-Programm) Wale haben sich in zwei Gruppen entwickelt: die mit Zähnen und die mit Barten - eine borstige, siebartige Struktur aus Keratin. Zahnwale wie Pottwale, Schwertwale und Delfine jagen und fangen Beute in ihren Kiefern, aber Bartenwale wie Buckelwale, Blues- und Grönlandwale schlucken Wasser und filtern es durch ihre Barten, um kleine Fische und Krill zu fangen.
Sie ernähren sich nicht nur auf völlig unterschiedliche Weise, sondern die beiden Walgruppen hören auch unterschiedlich. Die Gruppen verarbeiten Schall an den äußersten entgegengesetzten Enden der Frequenzskala für das Hörvermögen von Säugetieren. Bartenwale verwenden Niederfrequenztöne, um über große Entfernungen zu kommunizieren. Sie hören und vokalisieren mit Frequenzen, die niedriger sind als die, die von Landsäugetieren, sogar Elefanten, verwendet werden.
Zahnwale hingegen hören und produzieren Geräusche in höheren Frequenzen als die kleine braune Fledermaus, das Landsäugetier mit der höchsten Tonhöhe. Zahnwale verlassen sich auf diese Fähigkeit zur Echoortung, um zu navigieren und Beute zu finden.
Yamato und Pyenson konnten die Entwicklung dieser beiden sehr unterschiedlichen Walarten anhand der CT-Aufnahmen der Fetal-Walsammlung nachvollziehen. "Wenn der Smithsonian keinen CT-Scanner und nicht die weltweit größte Sammlung von Meeressäugetieren gehabt hätte, wäre diese Studie wahrscheinlich nicht durchgeführt worden", sagte Yamato.
Sie und Pyenson sind die ersten Wissenschaftler, die den sich entwickelnden „akustischen Trichter“ in den Ohren einer fetalen Probe identifizieren. Walohren sind völlig innerlich. Sie stützen sich auf das Fettgewebe des kegelförmigen Schalltrichters, der nur bei Walen vorkommt. Wie genau sie funktionieren, ist noch nicht vollständig geklärt. Bei allen Zahnwalen ist der Schalltrichter nach vorne gerichtet, bei einigen Bartenwalen ist der Trichter jedoch nach der Seite des Kopfes ausgerichtet.
Das Forscherteam war die erste Gruppe von Wissenschaftlern, die in situ die Entwicklung eines bestimmten Bereichs des Ohrs identifizierte und abbildete, der ausschließlich bei Walen vorkommt, die als „akustischer Trichter“ (oben: rosafarbener Kegel) bezeichnet werden. Diese Struktur wird als kritischer Bestandteil angesehen um besser zu verstehen, wie Barten- (unten) und Zahnwale (oben) in ihrer aquatischen Umgebung hören. (Yamato M, Pyenson ND (2015)) Die frühen Stadien der Ohrentwicklung bei den Feten entsprechen der evolutionären Abweichung der Wale von ihren landgestützten Vorfahren. Und was noch wichtiger ist, die Abweichung der beiden Gruppen voneinander. Der akustische Trichter entwickelt sich zunächst bei allen Walen ähnlich. Später, wenn sich die Feten beider Gruppen entwickeln, ändert sich die Orientierung und Form des Gehirns und ahmt den Evolutionsprozess nach.
"Wir wollen in der Lage sein, alle Strukturen innerhalb des Ohrs aufzuspüren", sagt Yamato. „Bei frühen Feten sehen wir die typischen Säugetierstrukturen. Sie sind allen anderen Säugetieren ähnlicher - Landsäugetieren. Mit dieser nicht-invasiven Methode zur Untersuchung dieser seltenen Exemplare können wir beobachten, wie diese typischen Landsäugetierbestandteile neu angeordnet werden, um die Ohren moderner Wale zu formen. “
Diese Art von Informationen ist schwer zu bekommen. Alte Föten sind im Fossilienbestand nicht gut erhalten. Pyenson sagt, es gibt nur ein bekanntes fossiles Exemplar eines ungeborenen Wals. Die Untersuchung dieser historischen Exemplare, zu denen 15 verschiedene Arten von Zahn- und Bartenwalen gehörten, war also wie die Eröffnung einer Datenschatzkammer. Jetzt, da die Scans der wissenschaftlichen Community zur Verfügung stehen, werden sie bereits von anderen Wissenschaftlern verwendet, um andere Merkmale der Walentwicklung zu untersuchen.
"Wie wir wachsen, vor allem in der Gebärmutter, sagt uns viel darüber, wie wir uns entwickelt haben", sagt Pyenson. „Wenn wir uns also die Daten des Fötus ansehen, können wir viele Antworten darauf geben, wie sich ein Tier entwickelt.“
„Diese Art von Studie hilft, die unglaubliche Vielfalt und Anpassung des Lebens auf der Erde zu veranschaulichen“, fügt Yamato hinzu. "Obwohl wir alle vom selben Vorfahren abstammen, haben wir unterschiedliche Strategien für den Umgang mit sehr unterschiedlichen Umgebungen."
