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Sensorik bei Delphinen
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Hallo Delphin, spürst du das?
Eine wichtige Voraussetzung, um im Zoo tiergerechte Lebensräume zu gestalten aber auch um Tierarten in ihrem natürlichen Habitat besser schützen zu können, ist zu wissen, wie sie ihre Umwelt wahrnehmen. Riechen, sehen, schmecken, hören und fühlen sind die bekanntesten Sinneseindrücke. Wie sieht es jedoch mit der Wahrnehmung elektrischer Felder aus? Viele Lebewesen erzeugen elektrische Signale, z.B. durch Atem- oder Muskelbewegungen. Auf der Suche nach Beute hilft somit die gezielte Wahrnehmung der elektrischen Felder. Diese Fähigkeit wird Elektrorezeption genannt und ist bekannt bei Haien und Rochen, sowie einigen anderen Fischarten. Unter den Säugetierarten konnte man diese bisher nur beim Schnabeltier, bei zwei Vertretern der Ameisenigel und dem Sotalia-Delfin nachweisen. Bei allen genannten Tieren findet man ähnlich aufgebaute Elektrorezeptoren, mithilfe derer die elektrischen Felder wahrgenommen werden. Haie und Rochen und auch das Schnabeltier besitzen bauchige Einstülpungen auf dem Schnabel bzw. am Kopf. Bei Delfinen wurden die haarlosen Überbleibsel der Tasthaare, sog. Vibrissengruben, auf dem Oberschnabel als die verantwortlichen Elektrorezeptoren identifiziert.
Unser Beitrag
Ob und inwieweit auch Große Tümmler (Tursiops truncatus) diese Fähigkeit besitzen, wurde in den letzten Jahren im Tiergarten Nürnberg untersucht. In einem Verhaltensexperiment haben vier Große Tümmler gelernt auf diese elektrischen Felder zu reagieren. Dafür haben die Delfine zuerst gelernt auf ein akustisches Signal hin die verwendete Versuchsapparatur zu verlassen. Nachdem sichergestellt werden konnte, dass die Delphine nicht nur auf akustische, sondern auch auf visuelle bzw. mechanische Signale reagierten, wurde getestet, ob sie das gelernte Verhalten auch auf elektrische Gleichstromfelder übertragen können. Alle vier Delphine reagierten sofort auf diese neuen Reize und verließen, binnen Sekunden nachdem der Reiz präsentiert wurde, die Apparatur. Dieser Versuch lieferte somit den ersten Hinweise darauf, dass auch Große Tümmler über einen Elektrosinn verfügen. Im weiteren Verlauf der Studie wurde die Stärke der elektrischen Felder schrittweise verringert und mit den beiden Delfinweibchen Donna und Dolly wurde eine Wahrnehmungsschwelle für Gleich- und Wechselstromfelder bestimmt. Damit gilt die passive Elektrorezeption als etablierte Sinneswahrnehmung bei Delfinen. Die Fähigkeit schwache elektrische Signale wahrzunehmen, kann den Delfinen in erster Linie dabei helfen im Sand versteckte Fische aufzuspüren und zielgenau zu schnappen. Darüber hinaus kann der neu entdeckte Elektrosinn aber auch eine Erklärung liefern, warum (Zahn-) Wale und Delfine häufig in Gegenden mit Störungen im Erdmagnetfeld stranden, denn sobald sich ein leitender Körper durch das Erdmagnetfeld bewegt, entsteht Strom. Delfine, die sich mit einer normalen Geschwindigkeit von ca. 10 Metern pro Sekunde fortbewegen, könnten damit einen nachweisbaren elektrischen Strom von 2,5 μV/cm erzeugen und wahrnehmen. Je nachdem wo und wie schnell die Tiere schwimmen können die Tiere durch die Nutzung ihres Elektrosinns Unterschiede erkennen und sich so auf ihren Wanderungen orientieren.
Große Tümmler werden im Tiergarten Nürnberg gehalten und gezüchtet.
© Zsuzsanna Helgeth
© Blende AchtWolf
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Artikel zum Thema
Delfine nehmen elektrische Felder wahr: Forschungsergebnis aus dem Tiergarten
Tiergarteninfo vom 01. Dezember 2023 (überarbeitet, erstellt von Dr. Tim Hüttner, Anna Böhm)
Delfine spüren elektrische Felder im Wasser: Zu diesem zentralen Ergebnis ist Dr. Tim Hüttner, Biologe und wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Verein der Tiergartenfreunde Nürnberg e.V., in seiner Doktorarbeit gekommen. Hüttner hat die sogenannte Elektrorezeption bei Großen Tümmlern (Tursiops truncatus) mit insgesamt vier Delfinen aus Nürnberg erforscht. Der elektrische Sinn könnte den Delfinen sowohl dabei helfen, ihre Beute im Sand aufzuspüren, als auch dabei, sich im Meer zurechtzufinden.
Die Ergebnisse seiner langjährigen Studie, die er in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Guido Dehnhardt, Lehrstuhl für Sensorische und kognitive Ökologie an der Universität Rostock, durchgeführt hat, wurde nun in der Zeitschrift „Journal of Experimental Biology“ veröffentlicht und sorgten weltweit für Aufsehen.
Dass Große Tümmler einen scharfen Gehörsinn und ein außergewöhnliches Sehvermögen haben, ist bereits bekannt. Dass sie auch elektrische Felder wahrnehmen können, ist neu. „Mit ihrem Elektrosinn können Delfine zum Beispiel die von Fischen erzeugten elektrischen Felder spüren. Das könnte ihnen helfen, im Sand vergrabene Beutetiere aufzuspüren. Zum anderen könnte ihnen die Wahrnehmung des Erdmagnetfelds auch helfen, sich im Meer zu orientieren“, sagt Hüttner, der Erstautor der Studie ist.
Elektrische Wahrnehmung über Grübchen
Doch wie funktioniert diese Wahrnehmung? Delfine werden mit Schnurrhaaren geboren. Sie befinden sich in zwei schmalen Reihen von Härchen entlang ihrer schnabelartigen Schnauzen und sind mit den berührungsempfindlichen Tasthaaren von Robben vergleichbar. Bei Delfinen fallen sie schon bald nach der Geburt aus - übrig bleiben nur die haarlosen Grübchen, die sogenannten Vibrissengruben (siehe Bild 1).
Erste Hinweise darauf, dass die Grübchen eine Funktion haben, lieferten Untersuchungen von Prof. Dr. Guido Dehnhardt mit einem Sotalia-Delfin (Sotalia guianensis) aus dem Zoo Münster im Jahr 2012: Bei ihrer ersten genauen Betrachtung stellten Prof. Dr. Dehnhardt und seine Kollegen fest, dass die verbliebenen Gruben den Sinnesorganen ähneln, die es Haien ermöglichen, elektrische Felder zu erkennen. Ein Verhaltensversuch mit einem Sotalia-Delfin bestätigte diese Vermutung.
Training und Forschung mit Großen Tümmlern im Tiergarten
Um nun herauszufinden, ob und wie empfindlich auch Große Tümmler auf elektrische Felder reagieren, arbeiteten Prof. Dr. Dehnhardt und Dr. Hüttner mit Dr. Lorenzo von Fersen, Kurator für Forschung und Artenschutz im Tiergarten Nürnberg, und Physiker Lars Miersch von der Universität Rostock zusammen.
Zunächst testeten die Experten die Empfindlichkeit der beiden Delfinweibchen Donna und Dolly gegenüber verschiedenen elektrischen Feldern. Dafür brachten sie den Tieren gemeinsam mit Armin Fritz, Delfinpfleger und Revierleiter im Tiergarten Nürnberg, zunächst bei, unter Wasser in eine Apparatur zu schwimmen und ihren Schnabel auf eine dafür vorgesehene Station zu legen.
Wie alle anderen Trainings im Tiergarten funktionierten auch diese mittels sogenannter positiver Verstärkung: Die Tiere arbeiten freiwillig mit und werden mit einer Belohnung dazu animiert, die gewünschten Übungen auszuführen.
So lernten die Tiere Schritt für Schritt, die Apparatur wieder zu verlassen, wenn sie ein elektrisches Gleichstromfeld gespürt hatten, das von Elektroden direkt über der Schnauze des Delfins erzeugt wurde. Das Team verringerte das elektrische Feld schrittweise von 1.500 auf 2 Mikrovolt pro Zentimeter (μV/cm) und verfolgte, wie zuverlässig die Delfine auf abgeschwächte elektrische Felder reagierten.
Die Forscher waren beeindruckt: Donna und Dolly reagierten gleichermaßen empfindlich auf die stärksten Felder und verließen die Apparatur fast jedes Mal richtig. Erst als die elektrischen Felder schwächer wurden, wurde deutlich, dass Donna etwas empfindlicher war. Während Dolly Felder bis zu einer Stärke von 5,5 μV/cm wahrnehmen konnte, nahm Donna noch Signale mit einer elektrischen Feldstärke von 2,4 μV/cm wahr.
Im letzten Schritt testete Hüttner noch, ob die beide Delfine auch Wechselstromfelder mit einer Frequenz von 1, 5 bzw. 25 Hz wahrnehmen können. Keines der Tiere war jedoch so empfindlich für die Wechselstromfelder wie für die elektrischen Gleichstromfelder.
Hilfe bei der Nahrungssuche und bei der Orientierung im Ozean
Dieser neu entdeckte Sinn hat viele Vorteile: „Die Fähigkeit, derart schwache elektrische Felder wahrzunehmen, kann den Delfinen bei der Nahrungssuche helfen. Sie können die Position des versteckten Fisches zentimetergenau erfassen, bevor sie nach ihm schnappen“, so Dr. Hüttner. Prof. Dr. Dehnhardt ergänzt: „Darüber hinaus haben uns die Ergebnisse mit einer zweiten Delfinart ermutigt, die Anwendbarkeit dieser sensorischen Fähigkeit breiter zu diskutieren und die Magnetfeldorientierung ins Spiel zu bringen“.
Denn, sobald sich ein leitender Körper durch ein Magnetfeld bewegt, entsteht Strom, der um den Körper herumfließt - und wie Dr. Hüttner und Prof. Dr. Dehnhardt nun herausgefunden haben, können Delfine diesen mit ihren sehr empfindlichen Vibrissengruben messen. „Die Elektrorezeption kann deshalb die Orientierung von Zahnwalen am Erdmagnetfeld zu erklären“, sagt. Prof. Dr. Dehnhardt.
Je schneller die Tiere über ein schwaches Magnetfeld schwimmen, desto stärker der nachweisbare elektrische Strom, den sie entlang ihres Körpers erzeugen. „Delfine, die mit einer normalen Geschwindigkeit von zehn Metern pro Sekunde durch schwache Bereiche des Erdmagnetfelds schwimmen, könnten einen nachweisbaren elektrischen Strom von 2,5 μV/cm entlang ihres Körpers erzeugen“, erklärt Prof. Dr. Dehnhardt. Das Erdmagnetfeld ist nicht überall gleich stark. Nutzen die Delfine ihren Elektrosinn, können sie diese unterschiedlichen Gebiete (wieder-) erkennen und sich so orientieren.
„Zoos als Forschungseinrichtung unerlässlich“
Hinweise, dass Wale und Delfine einen Magnetsinn haben, gibt es schon lange. So kommt es oft in Gebieten mit Störungen im Erdmagnetfeld zu Massenstrandungen von kleinen Walarten. Eine Erklärung, wie Wale und Delfine das Erdmagnetfeld wahrnehmen könnten, fehlte aber bisher. Durch die hervorragenden Forschungsmöglichkeiten, die zoologische Gärten wie der Tiergarten Nürnberg bieten, hat sich das nun geändert.
Dr. von Fersen, ebenfalls Co-Autor der Studie, sagt: „Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass es selbst bei einer so gut erforschten Tierart wie dem Großen Tümmler noch immer offene Fragen gibt. Derart spezifische und komplexe Fragestellungen können wir nur unter kontrollierten Bedingungen untersuchen. Für die Forschung sind Einrichtungen wie Zoos unerlässlich.“
Die Forschungsergebnisse aus dem Tiergarten Nürnberg von Dr. Tim Hüttner und seinen Kollegen werden weltweit in den Medien besprochen. Hier beispielhaft:
El País (Spanien) >> https://elpais.com/ciencia/2023-11-30/los-delfines-mulares-tienen-un-septimo-sentido-sienten-la-electricidad.html
The New York Times (USA) >> https://www.nytimes.com/2023/11/30/science/dolphins-electric-fields-sense.html
FAZ (Deutschland) >> https://www.faz.net/agenturmeldungen/dpa/delfine-spueren-schwache-elektrische-felder-19352952.html
The Science Times (USA) >> https://www.sciencetimes.com/articles/47401/20231130/bottlenose-dolphins-sense-electric-fields-water-using-long-snouts-study.htm
Text: von Dr. Tim Hüttner, Anna Böhm
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Ist da Strom drauf?
Die Großen Tümmler reagieren äußerst sensibel auf feinste elektrische Reize Tim Hüttner sammelt in der Delphinlagune Daten für seine wissenschaftliche Arbeit
Tiergartenzeitung Ausgabe 12, April 2016, Seite 9.
Katzen haben Sinneshaare, Elefanten und Gorillas auch. Sie können damit Abstände einschätzen, Futter finden und Gefahren wahrnehmen. Der Mensch ist das einzige Säugetier ohne Haare im Gesicht, mit denen er tasten kann. Mit seinem Bart spürt ein Mann nichts, außer vielleicht, dass es kratzt.
Sogar Delphine haben einzelne Haare im Gesicht, wenn sie zur Welt kommen. Zwischen sechs und neun Stück wachsen auf jeder Seite ihres Oberschnabels, zwei bis drei Zentimeter lang. Aber schon in den ersten Wochen nach der Geburt fallen diese sogenannten Vibrissen aus. „Biologen vermuten, dass die Härchen den Jungtieren helfen, nach den Milchdrüsen der Mutter zu tasten“, erklärt Tim Hüttner. „Die Kälber sehen zwar von Anfang an gut, aber Delphine haben einen kleinen toten Winkel über ihrem Schnabel.“
Hüttner studiert Biodiversität und Ökologie am Lehrstuhl für Tierphysiologie an der Uni Bayreuth und arbeitet im Nürnberger Tiergarten. In seiner Masterarbeit hat er die Tasthaare der Delphine untersucht – zumindest das, was davon übrig bleibt. „Das sind keine normalen Körperhaare wie an den Armen oder auf dem Kopf. Ihre Wurzelhöhle ist so stark von Nerven und Blutgefäßen durchzogen, dass sie eine Aufgabe haben muss, auch wenn die Vibrissen schon ausgefallen sind“, sagt der 26-Jährige. Ohne Grund hält die Natur kein Körperteil warm, das ständig von kalten Wasser umspült wird. Das kostet Energie. Die Evolution muss sich also etwas dabei „gedacht“ haben.
„Es gibt Hinweise darauf, dass Delphine mit den Haarwurzelhöhlen elektrische Felder wahrnehmen, wie es sonst nur Fische können“, erklärt der Student. Damit wären sie die einzigen Säugetiere, neben dem Schnabeltier und dem Schnabeligel, die über diese besondere Fähigkeit verfügen. Mit Hilfe des vierjährigen Kai, einem der Großen Tümmler im Nürnberger Tiergarten, hat Hüttner diese Vermutung überprüft.
Alle Lebewesen erzeugen durch ihre Muskelbewegungen und Nervenimpulse kleine elektrische Spannungen. Aber nur manche können sie wahrnehmen. Haie spüren mit ihren Elektrorezeptoren die Bewegung anderer Fische und orientieren sich am Magnetfeld der Erde. Zitteraale betäuben und töten ihre Beute mit selbst erzeugten Stromstößen. Schnabeltiere jagen mit geschlossenen Augen und suchen im schlammigen Grund nach Schnecken. Dass sie Elektrizität wahrnehmen, haben Wissenschaftler mit versteckten Batterien getestet. „Elektrorezeption funktioniert nur im Wasser, weil es im Gegensatz zur Luft den Strom leitet“, erklärt Hüttner.
Bei den Großen Tümmlern in der Nürnberger Lagune sind die Haarwurzelporen noch gut zu erkennen: weiße Punkte auf den grauen Schnäbeln. Die Haare sind weg, aber die Strukturen unter der Haut noch da. Die Tiere sind trainiert, auf Kommando einen Ball zu fangen, rückwärts zu schwimmen und Saltos zu schlagen, um ihr Futter zu „erbeuten“. Nun musste Tim Hüttner Kai beibringen, auf feinste elektrische Reize zu reagieren – falls er sie spürt. Kai lernte, in einem Gestell aus Rohren eine mit rotem Plastikband markierte Stelle zu berühren und sie erst dann zu verlassen, wenn er ein Signal bekam.
„Go or No-Go“ – „Geh oder Bleib“ heißt dieses Verfahren in der Verhaltensforschung. „Wir bringen das Tier in eine Situation, in der es eine Entscheidung treffen muss und sie uns auch mitteilen kann.“ Als Belohnung gibt es dafür einen Fisch. Am Anfang war das Signal eine Melodie, dann eine Lampe, anschließend ein Wasserstrahl und schließlich Strom. „Die Spannung ist so schwach, dass wir Menschen sie überhaupt nicht merken würden, wenn wir unsere Hand im Wasser hätten“, erklärt Hüttner. Kai passiert nichts. „Er ist noch jung und verspielt, jedoch auch ehrgeizig, wenn er zweimal falsch lag, hatte er keine Lust mehr.“ Aber er reagierte sofort, als Hüttner zwei Millivolt durchs Wasser jagte – das ist etwa so viel, wie verletzte Krebse aussenden, wenn ihnen ein Stück Panzer fehlt. „Ich saß da und war sprachlos“, erinnert sich der Student. „Das ist ein eindeutiger Hinweis.“ Er konnte nachweisen, dass Delphine, obwohl sie Säugetiere sind, tatsächlich elektrische Reize wahrnehmen können.
Von Sotalia-Delphinen gibt es Fotos, auf denen die Tiere regelrecht im Schlamm nach Futter wühlen. Ihre Echoortung hilft ihnen dabei nicht mehr weiter, Elektrorezeptoren könnten es. Inwieweit sich die Ergebnisse auf andere Delphine übertragen lassen, würde Tim Hüttner gerne weiter untersuchen. Am liebsten in einer Doktorarbeit. 13 Monate hat Hüttner in seine Masterarbeit investiert. Im März bekam er die Note mitgeteilt: 1,0.
Lorenzo von Fersen, Kurator für Forschung und Artenschutz im Nürnberger Tiergarten, hofft, dass diese Erkenntnisse eines Tages zum Schutz der Tiere beitragen: „Noch immer verenden jedes Jahr mehr als 300.000 Tiere als unnützer Beifang in Fischernetzen. Vielleicht könnten wir eines Tages mit elektrischen Reizen dafür sorgen, dass die Delphine einen großen Bogen um die Netze machen.“
Text: Christina Merkel
Wissenschaftliche Berichte
<hr/ >
Dehnhardt, G., Miersch, L., Marshall, C. D., Fersen, L. von, & Hüttner, T. (2020). Passive Electroreception in Mammals. In B. Fritzsch (Ed.), The Senses: A Comprehensive Reference (2nd Edition, pp. 385–392). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809324-5.24158-8
Hüttner, T., Fersen, L. von, Miersch, L., Czech, N. U., & Dehnhardt, G. (2022). Behavioral and anatomical evidence for electroreception in the bottlenose dolphin (Tursiops truncatus). The Anatomical Record, 305(3), 592–608. https://doi.org/10.1002/ar.24773
Hüttner, T., Fersen, L. von, Miersch, L., & Dehnhardt, G. (2023). Passive electroreception in bottlenose dolphins (Tursiops truncatus): Implication for micro- and large-scale orientation. The Journal of Experimental Biology, 226(22). https://doi.org/10.1242/jeb.245845
Mynett, N., Mossman, H. L., Hüttner, T., & Grant, R. A. (2022). Diversity of vibrissal follicle anatomy in cetaceans. The Anatomical Record, 305(3), 609–621. https://doi.org/10.1002/ar.24714
