Mithilfe von Algorithmen das komplexe phonetische Alphabet der Pottwale entschlüsseln

Die Anziehungskraft der Wale schürt seit Jahrtausenden das menschliche Bewusstsein und macht diese Meeresriesen zu rätselhaften Bewohnern der Tiefsee. Vom biblischen Leviathan bis zu Herman Melvilles beeindruckendem Moby Dick spielen Wale eine zentrale Rolle in Mythologien und Folklore. Und obwohl die Ketologie bzw. Walwissenschaft unser Wissen über diese Meeressäugetiere insbesondere im vergangenen Jahrhundert verbessert hat, ist die Erforschung von Walen nach wie vor eine gewaltige Herausforderung.

Dank maschinellem Lernen sind wir dem Verständnis dieser sanften Riesen nun ein Stück näher gekommen. Forscher des MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) und des Projekts CETI (Cetacean Translation Initiative) verwendeten kürzlich Algorithmen, um das „phonetische Alphabet der Pottwale“ zu entschlüsseln und enthüllten ausgefeilte Strukturen in der Kommunikation von Pottwalen, die der menschlichen Phonetik und Kommunikationssystemen in anderen Ländern ähneln Tierarten.

In einem Neue Open-Access-Studie veröffentlicht in Naturkommunikationzeigt die Forschung, dass die Codas von Pottwalen, also kurze Klickausbrüche, mit denen sie kommunizieren, sich je nach Gesprächskontext erheblich in ihrer Struktur unterscheiden, was ein weitaus komplexeres Kommunikationssystem offenbart, als bisher angenommen.

Neuntausend Codas, die von Pottwalfamilien in der Ostkaribik gesammelt wurden, die vom Dominica Pottwalprojekt beobachtet wurden, erwiesen sich als entscheidender Ausgangspunkt für die Aufdeckung des komplexen Kommunikationssystems dieser Tiere. Neben der Datengoldmine nutzte das Team eine Mischung aus Algorithmen zur Mustererkennung und -klassifizierung sowie körpereigene Aufzeichnungsgeräte. Es stellte sich heraus, dass die Kommunikation der Pottwale tatsächlich nicht zufällig oder simpel war, sondern vielmehr auf komplexe, kombinatorische Weise strukturiert war.

Die Forscher identifizierten so etwas wie ein „phonetisches Pottwalalphabet“, bei dem verschiedene Elemente, die Forscher „Rhythmus“, „Tempo“, „Rubato“ und „Verzierung“ nennen, zusammenspielen und eine Vielzahl unterscheidbarer Codas bilden. Beispielsweise modulierten die Wale systematisch bestimmte Aspekte ihrer Codas basierend auf dem Konversationskontext, indem sie beispielsweise die Dauer der Rufe – Rubato – stufenlos variierten oder zusätzliche Zierklicks hinzufügten. Noch bemerkenswerter war jedoch, dass sie herausfanden, dass die Grundbausteine ​​dieser Codas auf kombinatorische Weise kombiniert werden konnten, was es den Walen ermöglichte, ein riesiges Repertoire unterschiedlicher Lautäußerungen aufzubauen.

Die Experimente wurden mit akustischen Bio-Logging-Tags (insbesondere sogenannten „D-Tags“) durchgeführt, die an Walen des Ostkaribik-Clans angebracht wurden. Diese Tags erfassten die komplizierten Details der Stimmmuster der Wale. Durch die Entwicklung neuer Visualisierungs- und Datenanalysetechniken fanden die CSAIL-Forscher heraus, dass einzelne Pottwale in langen Austauschvorgängen verschiedene Coda-Muster aussenden können, nicht nur Wiederholungen derselben Coda. Sie sagen, diese Muster seien nuanciert und umfassen feinkörnige Variationen, die auch andere Wale produzieren und erkennen.

„Wir wagen uns ins Unbekannte, um die Geheimnisse der Pottwal-Kommunikation zu entschlüsseln, ohne dass zuvor Daten zur Bodenwahrheit vorliegen“, sagt Daniela Rus, CSAIL-Direktorin und Professorin für Elektrotechnik und Informatik (EECS) am MIT.

„Der Einsatz von maschinellem Lernen ist wichtig, um die Merkmale ihrer Kommunikation zu identifizieren und vorherzusagen, was sie als nächstes sagen. Unsere Ergebnisse weisen auf das Vorhandensein strukturierter Informationsinhalte hin und stellen auch die vorherrschende Überzeugung vieler Linguisten in Frage, dass komplexe Kommunikation einzigartig für Menschen ist.“

„Dies ist ein Schritt, um zu zeigen, dass andere Arten bisher nicht identifizierte Ebenen der Kommunikationskomplexität aufweisen, die eng mit dem Verhalten verbunden sind. Unsere nächsten Schritte zielen darauf ab, die Bedeutung hinter diesen Kommunikationen zu entschlüsseln und die Korrelationen auf gesellschaftlicher Ebene zwischen dem, was ist, zu untersuchen.“ gesagt und Gruppenaktionen.“

Walfang herum

Pottwale haben von allen bekannten Tieren das größte Gehirn. Damit einher geht ein sehr komplexes Sozialverhalten zwischen Familien und Kulturgruppen, das eine starke Kommunikation zur Koordination erfordert, insbesondere in druckbelasteten Umgebungen wie der Tiefseejagd.

Die Wale verdanken viel Roger Payne, dem ehemaligen Berater des Projekts CETI, Walbiologen, Naturschützer und MacArthur Fellow, der eine wichtige Rolle bei der Aufklärung ihrer musikalischen Karriere spielte. In dem bekannten Science-Artikel „Songs of Humpback Whales“ aus dem Jahr 1971 dokumentierte Payne, wie Wale singen können. Seine Arbeit löste später die „Rettet die Wale“-Bewegung aus, eine erfolgreiche und zeitgemäße Naturschutzinitiative.

„Rogers Forschung verdeutlicht, welchen Einfluss die Wissenschaft auf die Gesellschaft haben kann. Seine Entdeckung, dass Wale singen, führte zum Gesetz zum Schutz von Meeressäugetieren und trug dazu bei, mehrere Walarten vor dem Aussterben zu retten. Diese interdisziplinäre Forschung bringt uns nun einen Schritt näher an die Frage, was Pottwale sagen: “ sagt David Gruber, Leiter und Gründer des Projekts CETI und angesehener Professor für Biologie an der City University of New York.

Die bevorstehende Forschung von CETI zielt heute darauf ab, herauszufinden, ob Elemente wie Rhythmus, Tempo, Verzierung und Rubato spezifische kommunikative Absichten haben, und könnte möglicherweise Einblicke in die „Dualität der Musterbildung“ liefern – ein sprachliches Phänomen, bei dem einfache Elemente kombiniert werden, um komplexe Bedeutungen zu vermitteln, die bisher als einzigartig galten menschliche Sprache.

Außerirdische unter uns

„Einer der faszinierenden Aspekte unserer Forschung besteht darin, dass sie dem hypothetischen Szenario des Kontakts mit fremden Arten entspricht. Es geht darum, eine Art mit einer völlig anderen Umgebung und Kommunikationsprotokollen zu verstehen, deren Interaktionen sich deutlich von menschlichen Normen unterscheiden“, sagt Pratyusha Sharma, ein MIT Ph.D. Student in EECS, CSAIL-Partner und Hauptautor der Studie.

„Wir erforschen, wie wir die grundlegenden Bedeutungseinheiten ihrer Kommunikation interpretieren können. Dabei geht es nicht nur darum, Tieren einen Teilbereich der menschlichen Sprache beizubringen, sondern ein natürlich entwickeltes Kommunikationssystem innerhalb ihrer einzigartigen biologischen und umweltbedingten Einschränkungen zu entschlüsseln. Im Wesentlichen könnte unsere Arbeit dies tun.“ legen den Grundstein für die Entschlüsselung, wie eine „außerirdische Zivilisation“ kommunizieren könnte, und liefern Einblicke in die Entwicklung von Algorithmen oder Systemen, um völlig unbekannte Formen der Kommunikation zu verstehen.“

„Viele Tierarten verfügen über ein Repertoire mit mehreren unterschiedlichen Signalen, aber wir beginnen gerade erst herauszufinden, inwieweit sie diese Signale kombinieren, um neue Botschaften zu erzeugen“, sagt Robert Seyfarth, ein emeritierter Professor für Psychologie an der University of Pennsylvania, der nicht an der Studie beteiligt war Forschung.

„Wissenschaftler sind besonders daran interessiert, ob Signalkombinationen je nach dem sozialen oder ökologischen Kontext, in dem sie gegeben werden, variieren und inwieweit Signalkombinationen erkennbaren ‚Regeln‘ folgen, die von Zuhörern erkannt werden. Das Problem ist im Fall von besonders herausfordernd.“ Meeressäugetiere, weil Wissenschaftler ihre Subjekte normalerweise nicht sehen oder den Kontext der Kommunikation nicht im Detail erkennen können.“

„Dennoch bietet dieses Papier neue, verlockende Details zu Rufkombinationen und den Regeln, die ihnen bei Pottwalen zugrunde liegen.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.