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Hätte er einen Blick über die Schulter geworfen, kurz bevor der „große Fisch“ ihn verschluckt hätte, hätte der biblische Jonah eine beneidenswerte Aussicht gehabt. Das ist beneidenswert, wenn Sie Alex Werth sind, ein Binnenbiologe, der die Fütterungsanatomie von Walen untersucht. "Ah, Jonah zu sein und Barten in Aktion von einem Sitz auf der Zunge eines Wals zu beobachten", sagt er.
Baleen ist der Apparat, auf den zahnlose Wale angewiesen sind, um Nahrung aus dem Meer zu filtern. Hunderte dieser flexiblen Platten aus dem Strukturprotein Keratin wachsen vom Oberkiefer eines Wals nach unten und sind wie Lamellen von Jalousien aufgereiht. Das Einsetzen der Teller in den Mund erfordert einen großen Oberkiefer, der den Bartenwalen ein verkehrtes Grinsen verleiht.
Die Fütterungsstruktur entwickelte sich vor etwa 30 Millionen Jahren schrittweise, als die Ozeane voller Zahnwale waren, die um begrenzte Nahrung konkurrierten. Nachdem Bartenwale ein Werkzeug und einen Geschmack für andere Arten von Beute entwickelt hatten, spalteten sie sich schließlich ab und zerfielen in 12 oder mehr Arten, darunter den Blauwal, das größte jemals lebende Tier, zusammen mit Buckelwalen, Grauwalen und rechte Wale. Und zumindest bis die amerikanischen kommerziellen Walfänger vor etwa 200 Jahren mit der Verfolgung begannen, waren diese relativ passiven Feeder, die kleine Meerestiere tonnenweise verschlangen, in Ordnung.
"Baleen hat alles verändert", sagt Werth. "Und doch ist unser Verständnis der Aspekte dieser Anatomie immer noch gewebedünn." Viele Wissenschaftler stimmen darin überein, dass die Filterfütterung im Oligozän (vor 33, 9 bis 23 Millionen Jahren) Fuß gefasst hat, als Veränderungen der Strömungen im Südpolarmeer massive Planktonblüten hervorbrachten - eine fertige neue Nahrung Quelle. (Interessanterweise begannen die Tiere nicht als Riesen. Ein neuer Bericht, der im Mai 2017 veröffentlicht wurde, legt nahe, dass ihr Gigantismus später, vielleicht vor drei Millionen Jahren, erfolgte, als die Beute dichter, aber fleckiger wurde - das Ergebnis intensiver Nährstoffaufschwünge. Dies Der Essstil bevorzugte Wale, die sowohl fressen als auch sperrig genug waren, um sich weit zwischen den Flecken fortzubewegen - Bartenwale wuchsen, um sich der Herausforderung zu stellen.)
Die geschätzte Ankunftszeit der Bartenwale ist die Zeit, in der die Wissenschaftler keine Gemeinsamkeiten mehr haben. Wenige sind sich einig, sagt Werth, in welchen Schritten sich das Filtersystem bei Walen entwickelt hat, wie Zwischenformen gefüttert werden (wahrscheinlich durch Absaugen, nach dem neuesten Fossilienfund), oder sogar wie [Barten] mit den Kräften und Strömen der Meer."
Doch während ein Teil der tiefen Vergangenheit der Wale weiterhin verwirrt, haben Wissenschaftler heute eine unerwartete Quelle der Klarheit entdeckt, eine detaillierte Schatzkarte, die in Barten versteckt ist . Mit Keratin verbundene Informationen, entweder im Protein oder daneben, enthalten chemische Zeitstempel und Daten über die Gesundheit, Bewegung und Fortpflanzung der Wale. "Es ist, als hätten diese Tiere ein tägliches Tagebuch geführt, und plötzlich können wir sehen, was sie geschrieben haben", sagt die Endokrinologin Kathleen Hunt von der Northern Arizona University. Und die Erzählung, die sich aus dem Barten entwickelt, könnte den Walschutz auf ganz neue Weise beeinflussen.
Wie haben Wale den Sprung vom Gebiss zum Barten geschafft? Forscher der Museen Victoria und Monash University in Australien bringen Ihnen mithilfe von Alfred, einem 25 Millionen Jahre alten fossilen Wal, die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse.
Werths Labor am Hampden-Sydney College in Virginia, wo er die Hydromechanik von Baleen studiert, riecht ein bisschen nach Wal. Baleen ist überall: lange, ausgetrocknete Latten liegen in Regalen; Ein Köcher mit hohen, schmalen Tellern, die mit Plastik umwickelt waren und in Konservierungsmittel getaucht waren, lehnt sich in die Ecke. Und dann sind da noch die 160 Kilogramm frischen Barten in dicht verschlossenen Fässern in der Halle, die gerade von Mitarbeitern in Alaska eingetroffen sind.
Alte Bärenspalten wie Fingernägel, die ihre Struktur offenbaren: Jede gebogene Platte besteht aus zwei flachen Keratinschichten mit Reihen von Röhrchen, die wie Miniaturspulen aus eng zusammengerolltem Mittagessenfleisch zwischen sich liegen. Die massive Zunge des Wals und seine ein- und ausschwimmende Beute scheuern das Material und setzen eine Art Rand frei - was Aristoteles im Vergleich zu „Schweinsborsten“ ist. Die Grobheit dieser Filamente ebenso wie die Größe, Form und Anzahl von Filamenten Barten-Teller, abhängig von der Art, und es ist dieses haarige Zeug, das die Nahrung von jedem Bissen Meerwasser trennt.
Die Filterfütterung hat den Mystikern vor Millionen von Jahren einen Weg nach vorne gebahnt, aber die Ozeane verändern sich heutzutage rasant, insbesondere in Regionen, in denen sich einst ein Eisblock mit Meereis befand. Werth sagt, dass dies „selbst für die anpassungsfähigsten Meerestiere fatale Auswirkungen haben könnte“.
Betrachten Sie den Grönlandwal. Das schlanke schwarze Säugetier mit dem weißen Seelenfleck, das in den kühlsten Gewässern der Erde beheimatet ist, steht im Zentrum der Umweltveränderungen. Es verbringt sein gesamtes Leben in der Arktis und bewegt sich saisonal mit dem Rand des Packeises, während es sich bildet und zurückzieht. Mit fast zwei Tonnen frischem Zooplankton täglich ernährt, werden die Bugköpfe groß, einige bis zu 18 Meter, und leben über 100 Jahre lang - möglicherweise das längste aller modernen Säugetiere.
Für einen Bartenforscher ist die Art reines Gold. Es hat mehr und längere Bartenplatten (bis zu 350 pro Seite bei vier Metern pro Stück) als jeder andere Wal, einschließlich des gigantischen Blaus. Viele indigene Alaskaner, die legal Bugköpfe jagen, werden Barten mit Forschern teilen, so Werths Fässer in der Halle. Whale-Stranding-Netze bieten eine weitere Quelle. Ältere Exemplare, die auf Walfangexpeditionen Mitte des 19. Jahrhunderts zurückgehen, verstauben in Museumslagerschränken und Privatsammlungen, die reif für Studien sind.
Kathleen Hunt nutzt wie Werth diese Ressource. Letztendlich möchte sie wissen, wie Bowheads mit den wachsenden menschlichen Einflüssen auf ihre Umwelt umgehen. Das Schmelzen des Eises öffnet die Arktis für mehr Schiffsverkehr, seismische Erkundung, Öl- und Gasentwicklung und Fischerei. Für Meeressäuger bedeutet dies mehr Schiffsschläge, mehr Verwicklungen in Fischernetzen und mehr Lärm. „Sind sie gestresst? Beeinträchtigt menschliche Aktivität ihre Fortpflanzung? “, Fragt sie. Niemand weiß.
Der Forscher kam verzweifelt von Baleen als Datenquelle. Sie wusste, dass Hormone viele ihrer Fragen beantworten konnten, aber Wale sind bekanntermaßen schwer zu untersuchen, geschweige denn zu untersuchen. "Sie können Ihr Tier nie wirklich in den Griff bekommen", sagt Hunt. "Es gibt keine Möglichkeit, einen Wal zu beruhigen oder ihn zurück ins Labor zu bringen."
Blauwale, die größten Tiere der Erde, ernähren sich mit ihren Barten von einigen der kleinsten Meerestiere. Dieses Feeding-in-Action-Drohnenmaterial wurde von der Oregon State University aufgenommen. Video von GEMM Lab, Oregon State University
Man kann, wenn man extrem motiviert und noch geduldiger ist, Fäkalien, Haut- und Speckproben und sogar Atemdämpfe aus dem Blasloch eines Wals sammeln. Diese bieten jedoch nur Momentaufnahmen eines einzelnen Zeitpunkts. Hunt wollte eine breitere Abdeckung. Ohrenschmalzstöpsel legen inkrementelle Daten fest, sind jedoch nicht besonders genau, und es ist schwierig, die Stecker intakt aus einem Schädel zu ziehen, sodass der Vorrat begrenzt ist.
Nachdem Hunt ungefähr 13 Jahre lang „mit Kacke und Schlag herumgeschleudert“ hatte, schlug ein Kollege Barten vor. Schließlich enthalten Haare, Hufe, Hörner, Nägel und andere Wirbeltierstrukturen, die ebenfalls aus Keratin bestehen, alle Arten von Informationen, einschließlich endokriner Daten von den vielen Drüsen, die Hormone durch den Körper senden.
Es stellt sich heraus, dass Baleen die gleichen Informationen beherbergt und aus aufgebohrten, pulverisierten Proben extrahiert werden kann. Da die Platten während des gesamten Lebens eines Tieres wachsen, erfassen sie kontinuierlich hormonelle Signale - von den Nebennieren, Gonaden und der Schilddrüse. "Wir können Daten nicht nur aus dem neuen Teil [des Barten] abrufen, sondern auch aus dem Teil, der seit einem Dutzend oder mehr Jahren unter dem Meer herumrattert", sagt Hunt. Eine Platte erodiert an einem Ende, während sie am anderen wächst, und repräsentiert so ein Stück Leben - manchmal 15 Jahre wert.
Hunt lernte viel über die Reproduktion von Walen, indem er Barten von zwei weiblichen Nordatlantik-Glattwalen, Stumpy und Staccato, studierte, die Wissenschaftler seit den 1970er Jahren vor Neuengland beobachtet hatten. Ein guter Teil der Lebensgeschichte der Wale, einschließlich der Erfolge beim Kalben, war gut dokumentiert, sodass Hunt für jeden einen Zeitplan erstellen konnte - bis hin zum Tod (beide starben durch Schiffsangriffe, einer von ihnen war zu dieser Zeit schwanger). Da Wissenschaftler eine ungefähre Wachstumsrate für Barten berechnet haben - so viel Zeit pro Zentimeter -, könnte Hunt die aus dem Barten extrahierten Hormondaten mit den Erfahrungen des Wals zu diesem Zeitpunkt seines Lebens in Einklang bringen und wichtige Korrelationen nahe legen.
"Dinge wie Östruszyklen und Alter der Geschlechtsreife, Schwangerschaftsraten, sind wirklich eine Black Box für Forscher", sagt Hunt, aber jetzt mit Baleen könnte es möglich sein, sie zu entziffern. Sie entdeckte klare Muster in Progesteron (es ist während der Schwangerschaft „schreiend hoch“), die mit Höhen und Tiefen des Stresshormons Cortisol einhergehen. Darüber hinaus könnten Schilddrüsenhormone Aufschluss darüber geben, ob ein Tier hungert (Wale könnten ihre Stoffwechselrate verringern, um Energie zu sparen), während ein Aldosteron-Anstieg, der zur Wassereinsparung verwendet wird, bei anderen Tieren als Zeichen von Stress angesehen wird so kann das gleiche bei Walen signalisieren.
Hunt glaubt, dass solche Informationen, die mit Umweltdaten wie Meerestemperaturen überlagert werden können, ein Portal für komplexere Rätsel eröffnen werden. „Warum brüten Frauen nicht in diesem Gebiet, sondern in diesem?“, Fragt sie als Beispiel. „Ist es ein Ernährungsproblem? Verlieren Frauen Kälber oder werden sie einfach nicht schwanger? “Die richtige Kombination von Datenpunkten könnte Antworten liefern.
Darüber hinaus könnten Korrelationen zwischen Veränderungen der Stresshormone und dem Fortpflanzungserfolg zum Beispiel „für die Politikgestaltung wirklich nützlich sein“, sagt sie. Und im Großen und Ganzen gibt es die Auswirkungen des Klimawandels. „Das ist natürlich eine brennende Frage“, sagt Hunt, und Wissenschaftler haben bislang keine Ahnung, wie sich das auf Wale auswirkt. Wenn sich die Beute der Wale aufgrund der steigenden Meerestemperaturen verändert, werden Biologen möglicherweise Ernährungsstress bei den Walen feststellen, der auf eine Veränderung oder Verringerung der Futtermenge zurückzuführen ist. Hunt vermutet, dass ein solcher Effekt auf Schilddrüsen- und anderen Daten beruhen könnte.
Was Hunt begonnen hat, scheint in naher Zukunft die Deckel vieler Black Boxes zu öffnen.
In der Zwischenzeit sind Hormone nicht der einzige chemische Schatz, der in Barten gefangen ist. Wie Hunt extrahiert Alyson Fleming von der Smithsonian Institution ansonsten unsichtbare Daten aus dem Mund von Walen.
Die biologische Ozeanographin hat Hunderte von Bartenproben in ihren Studien zu stabilen Isotopen behandelt - Elementen wie Kohlenstoff und Stickstoff mit vorhersagbaren „Signaturen“ in Bezug auf ihre Masse. Eine Form von Kohlenstoff hat zum Beispiel mehr Neutronen als die andere und ist daher schwerer und reagiert bei chemischen und physikalischen Prozessen unterschiedlich. Für Fleming ist es nützlich, dass diese Elemente als Indikatoren für verschiedene Aspekte der Umwelt fungieren können, darunter für einen wandernden Wal dessen geografische Lage und die trophische Ebene (Position im Nahrungsnetz) dessen, was der Wal gefressen hat.
Nimm Bugköpfe. Diese Wale ziehen saisonal zwischen dem Beaufort- und dem Beringmeer umher, und diese Ozeane und die darin lebenden Tiere unterscheiden sich isotopisch voneinander. Dies liegt zum Teil daran, dass der Beaufort Süßwasser aus Flusssystemen bezieht und Süßwasser eine bestimmte Isotopensignatur aufweist, die sich in den Euphausiiden wie Krill und den von ihm unterstützten Copepoden zeigt.
Die von diesen Beutetieren ernährten Wale verwenden Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff, um Knochen und Barten zu bilden. Und hilfreich ist, dass das Verhältnis dieser Elemente den Ozean widerspiegelt, den die Wale zum Zeitpunkt des Wachstums füttern. Bei der massenspektrometrischen Probenahme entlang einer Bartenplatte werden die Isotopenmarker im Laufe der Zeit sichtbar, einschließlich des Übergangs von einem Ozean zum anderen. Da die Forscher den allgemeinen Zeitpunkt der Wanderungen zwischen diesen Ozeanen kennen und anhand dieser Isotopendaten die Wachstumsrate der Barten messen können, bieten die Platten eine Art Zeitstempel-Karte der Walreise, einschließlich der Verweildauer der Weg.
Insbesondere erklärt Fleming, dass die Kohlenstoffisotopenverhältnisse sowohl mit der Menge als auch mit der Wachstumsrate von Phytoplankton korreliert werden können - dem treibenden photosynthetischen Leben an der Basis der marinen Nahrungskette. "Das ist also eine grobe Methode, um zu beurteilen, wie viel Produktivität vorhanden ist" - was sich letztendlich in Energie für die Filterfütterung von Walen auswirkt.
Einige von Flemings Arbeiten könnten lediglich darauf hinweisen, welche Arten am stärksten von Umweltveränderungen bedroht sind, sagt sie. „Früher haben wir ein Buckelprojekt durchgeführt, bei dem Hautproben aus 20 Jahren Nahrungssuche vor Kalifornien verwendet wurden. Was wir herausgefunden haben, ist, dass diese Tiere sehr flexibel waren - sie wechselten die Beute, je nachdem, was reichlich vorhanden war. “Buckelwale mögen einfallsreich sein, sagt sie, „ aber was ist mit Bugköpfen? Der Baleen kann helfen, diese Frage zu beantworten. “Dies gibt Managern ein Instrument, um zu entscheiden, wo sie ihre Anstrengungen konzentrieren sollen.
Möglicherweise können Fleming-, Hunt- und andere Bartenforscher ihre Zeitachse in beide Richtungen verlängern. An einem Ende sind frische Proben von gestrandeten und legal gejagten Walen zu sehen, die eine moderne Sicht auf das Leben der Wale bieten. Das andere Ende liegt in alten Zeiten: Das Material wurde bereits im 16. Jahrhundert für Schmuck, Schachteln, Kämme, Schuhlöffel und andere Produkte verwendet. „Wir versuchen, die am wenigsten wertvollen Proben zu verwenden, bevor wir uns mit den seltenen Stoffen befassen, und wir wissen noch nicht, ob Hormone und andere Chemikalien so lange Bestand haben werden“, sagt Hunt. "Aber ich hoffe, dass ich alles zusammenbringe, um über einen sehr langen Zeitraum Trends bei Barten zu beobachten."
Baleen-basierte Forschung steckt noch in den Anfängen. Andere Forscher haben über die Überlappung der Arten in der Nahrung (es ist nützlich zu wissen, ob Tiere um die gleiche Beute konkurrieren, insbesondere wenn diese Beute abnimmt) und die Quecksilberbelastung berichtet, und der Informationspool wächst weiter. Es ist klar, dass die Zusammenarbeit mit anderen Datensammlern, die persönliche, physische und Umweltdaten aus dem Leben eines Wals überlagern, ein enormes Potenzial für die Aufbewahrung bietet. Den Wissenschaftlern zufolge ist in diese besondere Anatomie ein sehr großes Bild eingequetscht, einschließlich der komplexen Zusammenhänge zwischen Ökosystemproduktivität, Stress, Fortpflanzung und sogar dem menschlichen Fußabdruck in diesen abgelegenen Lebensräumen.
Die Forscher hoffen, dass die Erstellung von Zeitplänen und das Finden von Links letztendlich die Verantwortlichen und Entscheidungsträger der Wildtiere informieren kann. Es ist eine harte Schlacht, da eine Reihe von Walarten, die sich nie von dem historischen Gemetzel des kommerziellen Walfangs erholt haben - zum Beispiel die Blauwale der Antarktis - nur ein Prozent des Niveaus vor der Ausbeutung halten. Aber nicht alle Arten sitzen im selben Boot. Laut der International Union for Conservation of Nature sind Nordatlantik- und Nordpazifik-Glattwale zwar gefährdet, einige Populationen von Grönlandwalen, südlichen Glattwalen und Grauwalen gelten jedoch als „am wenigsten besorgniserregend“.
Fürs Erste jedenfalls. Die heutigen Feinde der Wale vermehren sich schneller, als die Daten über ihr Leben zusammengestellt werden können. Schiffsangriffe und Verwicklungen von Fanggeräten sind der häufigste Feind. Naturschützer sorgen sich auch um Lärm, die Erwärmungstemperaturen und die zahlreichen Folgen, die Belastung mit verschmutztem Wasser und die Versauerung des Ozeans. Diese Bedrohungen sind, insbesondere in Kombination, äußerst schwer zu quantifizieren.
Wenn sich die Forscher jedoch weiter mit der molekularen Schatzkammer von Baleen befassen, werden sie zweifellos neue Wege finden, um Daten aus Vergangenheit und Gegenwart für die Zukunftsplanung zu nutzen. Das eigentümliche Grinsen des Bartenwals steckt voller Überraschungen.
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