Jeder weiß, dass Menschen und die meisten anderen Wirbeltierarten mit Trommelfellen hören, die den Schallwellendruck in Signale für unser Gehirn umwandeln. Aber was ist mit kleineren Tieren wie Insekten und Arthropoden? Können sie Geräusche wahrnehmen? Und wenn ja, wie?
Der angesehene Professor Ron Miles, Fakultätsmitglied der Fakultät für Maschinenbau am Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science der Binghamton University, geht dieser Frage seit mehr als drei Jahrzehnten nach, um die Mikrofontechnologie zu revolutionieren.
Eine neu veröffentlichte Studie über Kugelspinnen – die Arten, die in dem klassischen Kinderbuch „Charlotte’s Web“ vorkommen – hat einige außergewöhnliche Ergebnisse geliefert: Die Spinnen verwenden ihre Netze als erweiterte Hörsysteme, um Geräusche einzufangen, und warnen die Spinnen möglicherweise im Voraus vor dem Eintreffen Beute oder Raubtiere.
Das Papier „Outsourced Hearing in an Orb-Weaving Spider that Uses its Web as an Auditory Sensor“ wurde am 29. März in der veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciencesliefert den ersten Beweis dafür, dass eine Spinne das Hören in ihr Netz auslagern kann.
Es ist bekannt, dass Spinnen reagieren, wenn etwas ihre Netze vibrieren lässt, wie zum Beispiel potenzielle Beute. In diesen neuen Experimenten zeigen Forscher zum ersten Mal, dass sich Spinnen als Reaktion auf Geräusche in der Luft drehten, duckten oder flach drückten.
Die Studie ist die jüngste Zusammenarbeit zwischen Miles und Ron Hoy, einem Biologieprofessor aus Cornell, und hat Auswirkungen auf die Entwicklung extrem empfindlicher bioinspirierter Mikrofone für den Einsatz in Hörgeräten und Mobiltelefonen.
Jian Zhou, der seinen Ph.D. in Miles‘ Labor und forscht als Postdoktorand am Argonne National Laboratory, und Junpeng Lai, ein aktueller Ph.D. Student in Miles‘ Labor, sind Co-Erstautoren. Miles, Hoy und Associate Professor Carol I. Miles von der Abteilung für biologische Wissenschaften des Harpur College of Arts and Sciences in Binghamton sind ebenfalls Autoren dieser Studie. Zuschüsse der National Institutes of Health an Ron Miles finanzierten die Forschung.
Ein einzelner Faden Spinnenseide ist so dünn und empfindlich, dass er die Bewegung von vibrierenden Luftpartikeln erkennen kann, die eine Schallwelle bilden, die sich von der Funktionsweise von Trommelfellen unterscheidet. Die frühere Forschung von Ron Miles hat zur Erfindung neuartiger Mikrofondesigns geführt, die auf dem Gehör von Insekten basieren.
Bildnachweis: Binghamton University
„Die Spinne ist wirklich ein natürlicher Beweis dafür, dass dies ein praktikabler Weg ist, Geräusche mit viskosen Kräften in der Luft auf dünnen Fasern zu erfassen“, sagte er. „Wenn es in der Natur funktioniert, sollten wir uns das vielleicht genauer ansehen.“
Spinnen können winzige Bewegungen und Vibrationen durch Sinnesorgane an ihren Tarsalkrallen an den Spitzen ihrer Beine wahrnehmen, mit denen sie ihre Netze greifen. Kugelweberspinnen sind dafür bekannt, große Netze zu bauen, die eine Art akustische Antennen mit einer schallempfindlichen Oberfläche bilden, die bis zu 10.000 Mal größer ist als die der Spinne selbst.
In der Studie nutzten die Forscher den schalltoten Raum der Binghamton University, einen vollständig schalldichten Raum unter dem Innovative Technologies Complex. Sie sammelten Kugelweber aus Fenstern rund um den Campus und ließen die Spinnen ein Netz in einem rechteckigen Rahmen spinnen, damit sie es dort positionieren konnten, wo sie wollten.
Das Team begann damit, Reintongeräusche in 3 Metern Entfernung bei verschiedenen Schallpegeln zu verwenden, um zu sehen, ob die Spinnen reagierten oder nicht. Überraschenderweise fanden sie heraus, dass Spinnen auf Geräuschpegel von nur 68 Dezibel reagieren können. Für lautere Geräusche fanden sie sogar noch mehr Verhaltensweisen.
Dann platzierten sie die Schallquelle in einem 45-Grad-Winkel, um zu sehen, ob sich die Spinnen anders verhielten. Sie fanden heraus, dass die Spinnen nicht nur die Schallquelle lokalisieren, sondern auch die Richtung des einfallenden Schalls mit 100-prozentiger Genauigkeit bestimmen können.
Um den Hörmechanismus der Spinne besser zu verstehen, verwendeten die Forscher Laservibrometrie und maßen über tausend Stellen auf einem natürlichen Spinnennetz, wobei die Spinne in der Mitte unter dem Schallfeld saß. Das Ergebnis zeigte, dass sich die Bahn mit Schall nahezu mit maximaler physikalischer Effizienz über einen ultraweiten Frequenzbereich bewegt.
„Die eigentliche Frage ist natürlich, wenn sich das Netz so bewegt, hört die Spinne dann, wenn sie es benutzt?“ sagte Miles. „Das ist eine schwer zu beantwortende Frage.“
Lai fügte hinzu: „Es könnte sogar ein verstecktes Ohr im Spinnenkörper geben, von dem wir nichts wissen.“
Verhaltensreaktionen von Spinnen auf entfernten (3 m) Luftschall. Beispielhafte Verhaltensweisen werden unter normal einfallenden 200-Hz-Akustiktönen aus der Luft bei 88 dB aufgezeichnet. Im ersten Teil hebt die Spinne ihre Vorderbeine in die Luft. Nach der ersten Reaktion schüttelt die Spinne ihr Kugelnetz. Im zweiten Teil dreht die Spinne augenblicklich ihren Körper. Spinnen-Vorderbeine werden anschließend in die Luft gestreckt. Im dritten Teil streckt die Spinne augenblicklich ihre Beine aus ihrer Körperrichtung heraus. Als zufällige Aktion werden Spinnen-Vorderbeine in die Luft gestreckt. Im letzten Teil zieht die Spinne mit den Beinen die Netzfäden leicht in Richtung ihres Körpers. Kredit: Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2122789119
Also platzierte das Team einen Mini-Lautsprecher 5 Zentimeter von der Mitte des Netzes entfernt, wo die Spinne sitzt, und 2 Millimeter von der Netzebene entfernt – nahe, aber ohne das Netz zu berühren. Dadurch kann der Schall sowohl durch die Luft als auch durch das Netz zur Spinne gelangen. Die Forscher fanden heraus, dass die Schallwelle des Mini-Lautsprechers deutlich abklang, als sie durch die Luft reiste, sich aber leicht und mit geringer Dämpfung durch das Netz ausbreitete. Der Geräuschpegel lag immer noch bei etwa 68 Dezibel, als er die Spinne erreichte. Die Verhaltensdaten zeigten, dass vier von 12 Spinnen auf dieses netzübertragene Signal reagierten.
Diese Reaktionen bewiesen, dass die Spinnen durch die Netze hören konnten, und Lai war begeistert, als dies geschah: „Ich arbeite seit fünf Jahren an dieser Forschung. Das ist eine lange Zeit, und es ist großartig zu sehen, dass aus all diesen Bemühungen etwas werden wird Jeder kann lesen.“
Die Forscher fanden auch heraus, dass Spinnen durch das Hocken und Strecken die Spannung der Seidenfäden verändern und sie dadurch so einstellen, dass sie unterschiedliche Frequenzen aufnehmen. Durch die Verwendung dieser externen Struktur zum Hören könnte die Spinne sie so anpassen, dass sie verschiedene Arten von Geräuschen hört.
Zukünftige Experimente könnten untersuchen, wie Spinnen den Ton nutzen, den sie mit ihrem Netz wahrnehmen können. Außerdem möchte das Team testen, ob auch andere Arten von Netzspinnen ihre Seide nutzen, um ihr Gehör auszulagern.
„Es ist vernünftig anzunehmen, dass eine ähnliche Spinne in einem ähnlichen Netz ähnlich reagieren würde“, sagte Ron Miles. „Aber daraus können wir keine Rückschlüsse ziehen, da wir eine bestimmte Spinnenart getestet haben, die zufälligerweise ziemlich häufig vorkommt.“
Lai gab zu, dass er keine Ahnung hatte, dass er mit Spinnen arbeiten würde, als er als promovierter Maschinenbauingenieur nach Binghamton kam. Schüler.
„Ich hatte mein ganzes Leben lang Angst vor Spinnen, wegen ihres außerirdischen Aussehens und ihrer haarigen Beine!“ sagte er mit einem Lachen. „Aber je mehr ich mit Spinnen gearbeitet habe, desto erstaunlicher fand ich sie. Ich beginne sie wirklich zu schätzen.“
Jian Zhou et al, Ausgelagertes Hören in einer Orb-webenden Spinne, die ihr Netz als Hörsensor verwendet, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2122789119. doi.org/10.1073/pnas.2122789119