Die gehörnte Wüstenotter legt ihren Kopf auf den Sand, um nach Beute zu lauschen. Eine Sandoberflächenwelle bewegt die linke und rechte Seite des Kiefers unabhängig voneinander, und die Vibrationen wandern auf das Quadrat, die Stapes und das Innenohr. Bildquelle: Friedel et al.

Noch vor einigen Jahrzehnten bezweifelten einige Wissenschaftler, dass Schlangen überhaupt etwas hören könnten. Schlangen haben kein Außenohr und keine Außenohröffnungen, was es schwierig macht zu verstehen, wie die Reptilien akustische Schwingungen empfangen.

Schlangen haben jedoch ein Innenohr und eine Cochlea, und Wissenschaftler haben beobachtet, dass die Tiere auf akustische Reize reagieren. Aber genau wie Schlangen ohne äußere Ohren hören, ist noch unklar. In einer neuen Studie haben die Physiker Paul Friedel und J. Leo van Hemmen von der Technischen Universität München sowie der Biologe Bruce Young von der Washburn University in Kansas ein Modell dafür vorgestellt, wie die gehörnte Wüstenotter Cerastes cerastes hört - mit ihren Kiefern.

Obwohl die Methode des Kieferhörens weithin bekannt ist, werden in der neuen Forschung Verfahren der Schiffstechnik eingesetzt, um zu erklären, wie Vibrationen des Kiefers durch den Kopf wandern und Geräusche im Gehirn des Tieres hervorrufen. Die Wissenschaftler erklären auch einen der faszinierendsten Aspekte des Kieferhörens: Die linke und rechte Seite des Kiefers der Schlange können sich unabhängig voneinander bewegen, um die Schallquelle zu lokalisieren, z. B. die Position der Schritte einer Maus.

"Bisher hat noch niemand darüber nachgedacht, dass Schlangen das Kieferhörvermögen in Stereo nutzen können", sagte Friedel gegenüber PhysOrg.com . „Dies ist jedoch von entscheidender Bedeutung, da das Hören in Stereo für die Lokalisierung einer Schallquelle unerlässlich ist. Wir haben also erklärt, wie Kieferhörigkeit für die Schlange tatsächlich sehr informativ sein kann und nicht nur ein System, das anzeigt, dass 'etwas da ist'. “

Wenn eine Maus über den Wüstensand huscht, erzeugen ihre Schritte Oberflächenwellen (insbesondere Raleigh-Wellen) mit einer Wellenlänge von etwa 15 Zentimetern und einer Amplitude in der Größenordnung von 1 Mikrometer. Diese Oberflächenwellen ähneln Wasserwellen in dem Sinne, dass die Sandpartikel (als kontinuierliches Medium modelliert) eine elliptische Bewegung ausführen. Die Wellengeschwindigkeit der Wellen beträgt ca. 45 Meter pro Sekunde. Die Frequenz der Wellen liegt zwischen 200 und 1000 Hz - was genau in die optimale Empfindlichkeit der Schlange für Frequenzen um 300 Hz fällt.

Wenn der Kiefer der gehörnten Wüstenotter auf dem Sand ruht, treten die Vibrationen der Mäuseschritte unter beiden Seiten des Kiefers auf. Die Vibrationen wandern durch den Kopf der Schlange durch zwei Knochen - das Quadrat und die Stapes - und stimulieren dann die Cochlea. Das auditive System der Schlange kann Kieferbewegungen bis zu Bewegungen in Angström-Größe (in der Größenordnung eines einzelnen Atoms) erfassen. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Amplitude des Unterkiefers etwa die Hälfte der einfallenden Oberflächenwelle von 1 Mikrometer beträgt - ausreichend groß, damit das Schlangenohr sie effizient erfassen kann.

Von der Cochlea werden die akustischen Signale entlang axonaler Verzögerungslinien an eine Reihe topografisch organisierter Kartenneuronen im Gehirn weitergeleitet. Die Forscher modellierten dieses neuronale Netzwerk, bei dem jedes Kartenneuron mit einer Genauigkeit von Mikrosekunden auf einen bestimmten „interauralen Zeitunterschied“ oder den Zeitunterschied zwischen den von der linken und rechten Seite des Kiefers empfangenen Signalen abgestimmt ist. Wenn ein Kartenneuron feuert, entspricht es einer bestimmten Eingaberichtung, sodass die Schlange ihre Beute mit Stereopräzision lokalisieren kann.

Das Hörmodell unterstützt die ungewöhnliche Hörweise der Schlangen nachdrücklich und zeigt, dass die Technik nicht nur möglich ist, sondern auch einen hocheffizienten Überlebensmechanismus darstellt. Wie Friedel erklärt, bietet die Kieferhörmethode einige Vorteile gegenüber der herkömmlichen Hörmethode mit Außenohren.

"Das hat mit dem sogenannten Impedanzanpassungsproblem zu tun", sagte er. „Wenn Luftschall auf eine Gewebeoberfläche gelangt, wird der größte Teil der Energie reflektiert. Dies liegt daran, dass die akustische Impedanz (ein Maß dafür, wie leicht eine Schallwelle erzeugt werden kann) der Luft viel geringer ist als die des Gewebes (oder des Innenohrs). Um dieses Problem zu lösen, besitzt das Mittelohr eines Säugetiers drei Gehörknöchelchen, die den Schall vom Trommelfell durch das Innenohr übertragen. Die Schlange hat kein Mittelohr mit drei Gehörknöcheln, aber durch die Verwendung des Kiefer-Quadrat-Steifen-Pfades wird das Problem der Impedanzanpassung vermieden. “

Weitere Informationen: Friedel, Paul, Young, Bruce A. und van Hemmen, J. Leo. "Auditive Lokalisierung von Bodenschwingungen in Schlangen". Physical Review Letters, 100, 048701 (2008).

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