Wissenschaftler lösen das Rätsel des Richtungshörens unter Wasser

Unter Wasser kann der Mensch nicht feststellen, woher ein Geräusch kommt. Dort breitet sich der Schall etwa fünfmal schneller aus als an Land. Das macht Richtungshören oder Schallortung nahezu unmöglich, denn das menschliche Gehirn bestimmt den Ursprung eines Geräuschs, indem es den Zeitunterschied zwischen seiner Ankunft an einem Ohr und dem anderen analysiert.

Im Gegensatz dazu haben Verhaltensstudien gezeigt, dass Fische Geräuschquellen wie Beute oder Raubtiere orten können. Aber wie machen sie das? Neurowissenschaftler der Charité – Universitätsmedizin Berlin haben das Rätsel gelöst. Beschreibung der Hörmechanismus eines winzigen Fisches im Journal Natur.

Für ein so kleines Lebewesen hat es einen ziemlich großen Namen: Danionella cerebrum, ein etwa 12 Millimeter großer Fisch, der sein ganzes Leben lang fast vollständig durchsichtig ist und in Flüssen im Süden Myanmars heimisch ist. Danionella hat das kleinste bekannte Wirbeltierhirn, zeigt aber dennoch eine Reihe komplexer Verhaltensweisen, darunter die Kommunikation durch Laute. Das und die Tatsache, dass Wissenschaftler direkt in sein Gehirn sehen können – Kopf und Körper sind nahezu durchsichtig – machen ihn für die Gehirnforschung interessant.

Der Neurobiologe Prof. Benjamin Judkewitz vom Exzellenzcluster NeuroCure der Charité und sein Team nutzen den winzigen Fisch als Fenster zu grundlegenden Fragen, etwa wie Nervenzellen miteinander kommunizieren.

Ihre neueste Arbeit widmet sich der Entwicklung des Gehörsinns und der Jahrzehnte alten Frage, wie Fische unter Wasser eine Schallquelle orten können. Bisherige Lehrbuchmodelle des Richtungshörens versagen, wenn sie auf Unterwasserumgebungen angewendet werden.

Die akustische Welt über und unter Wasser

Ob Walgesänge, Vogelgezwitscher oder Raubtiere, die ihre Beute verfolgen: Wenn Schall von einer Quelle ausgeht, breitet er sich in Form von Bewegungs- und Druckschwingungen im umgebenden Medium aus. Dies kann sogar gefühlt werden, wenn man eine Hand auf die Membran eines Lautsprechers legt.

Es kommt zur Schwingung von Partikeln, die umgebende Luft wird bewegt – dies wird als Partikelgeschwindigkeit bezeichnet. Die Partikeldichte ändert sich auch, wenn die Luft komprimiert wird. Dies kann als Schalldruck gemessen werden.

Landwirbeltiere, einschließlich des Menschen, nehmen die Richtung von Schall vor allem dadurch wahr, dass sie die Lautstärke und die Zeit vergleichen, in der der Schalldruck die beiden Ohren erreicht. Ein Geräusch klingt lauter und erreicht das Ohr, das näher an der Schallquelle liegt, früher. Unter Wasser funktioniert diese Strategie nicht.

Dort breitet sich der Schall viel schneller aus und wird nicht durch den Schädel gedämpft. Das bedeutet, dass Fische auch nicht in der Lage sein sollten, Richtungen zu hören, da es praktisch keinen Unterschied in Lautstärke und Ankunftszeit zwischen ihren Ohren gibt. Und dennoch wurde in Verhaltensstudien bei verschiedenen Arten räumliches Hören beobachtet.

„Um herauszufinden, ob und vor allem wie ein Fisch die Richtung eines Schalls erkennen kann, haben wir spezielle Unterwasser-Lautsprecher gebaut und kurze, laute Töne abgespielt“, erklärt Johannes Veith, einer der beiden Erstautoren der aktuellen Studie.

„Anschließend haben wir analysiert, wie häufig Danionella dem Sprecher ausweicht, also erkennt, aus welcher Richtung der Ton kommt.“ Für die Analysen wurde jeder Fisch von oben mit einer Kamera gefilmt und seine genaue Position verfolgt. Diese Live-Tracking-Methode hatte einen entscheidenden Vorteil: Das Team konnte nun gezielt Echos ausblenden.

Fische hören völlig anders

Was der Mensch über das Trommelfell wahrnimmt, ist der Schalldruck, nicht die Teilchengeschwindigkeit. Fische haben einen völlig anderen Hörmechanismus: Auch sie können die Teilchengeschwindigkeit wahrnehmen. Wie das bei Danionella genau funktioniert, zeigten Bilder, die mit einem speziell dafür gebauten Laser-Scanning-Mikroskop aufgenommen wurden, das die Strukturen im Fischohr in einem stroboskopartigen Muster abtastet, während ein Ton abgespielt wird.

In der Nähe eines Unterwasserlautsprechers bewegen sich Wasserpartikel entlang einer Achse hin und her, die auf den Lautsprecher zu und von ihm weg ausgerichtet ist. Die Partikelgeschwindigkeit verläuft entlang der Richtung, in die sich der Schall ausbreitet.

Ein Fisch in der Nähe des Sprechers bewegt sich zwar auch mit dem Wasser, aber winzige Steine ​​im Innenohr, die sogenannten Otolithen, bewegen sich aufgrund der Trägheit langsamer. Dies führt zu einer winzigen Bewegung, die von den Sinneszellen im Ohr wahrgenommen wird. Das Problem dabei ist, dass der Fisch dadurch nur die Achse wahrnehmen kann, entlang der sich der Ton bewegt – nicht aber die Richtung, aus der er kommt. Denn Schall ist eine Form der Schwingung, eine kontinuierliche Hin- und Herbewegung.

Dieses Problem lässt sich durch die Analyse der Teilchengeschwindigkeit in Abhängigkeit vom aktuellen Schalldruck lösen – eine von mehreren Hypothesen, die in der Vergangenheit den Mechanismus des Richtungshörens zu erklären suchten. Es stellte sich heraus, dass dies die einzige Theorie war, die zu den Ergebnissen der Forscher passte.

„Schalldruck versetzt die komprimierbare Schwimmblase in Bewegung, die wiederum von Haarsinneszellen im Innenohr erkannt wird. Über diesen zweiten, indirekten Hörkanal gibt der Schalldruck den Fischen die Referenz, die sie für das Richtungshören brauchen. Genau das hat ein Modell des räumlichen Hörens aus den 1970er-Jahren vorhergesagt – und nun haben wir es experimentell bestätigt“, sagt Judkewitz.

Das Team konnte zudem zeigen, dass sich das Richtungsgehör durch die Umkehrung des Schalldrucks täuschen lässt. Dabei schwammen die Fische in die entgegengesetzte Richtung, also auf die Schallquelle zu.

Mikro-CT-Aufnahmen des Hörapparats von Danionella zeigen, dass dieser dem Sinnesorgan von etwa zwei Dritteln aller heute lebenden Süßwasserfische oder rund 15 Prozent aller Wirbeltierarten ähnelt. Dies lässt darauf schließen, dass die nun vom Team bestätigte Richtungshörstrategie, die eine kombinierte Analyse von Schalldruck und Partikelgeschwindigkeit beinhaltet, weit verbreitet sein könnte.

Die Forscher planen, ihre Arbeit fortzusetzen, um herauszufinden, welche Nervenzellen speziell aktiviert werden, wenn unter Wasser Geräusche abgespielt werden.