Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Zvuky z hlubin oceánů

Echolokace vorvaňů
Publikováno: Vesmír 85, 678, 2006/11
Obor: Zoologie

Již v 18. století ohlašovaly hlídky velrybářských lodí vorvaně, chrlící bílé napěněné gejzíry výdechových fontán, pokřikem: „There she blows“, podle něhož se těmto leviatanům dostalo rodové vědecké jméno Physeter, odvozené z řečtiny a znamenající „chrlič“. Velrybáři museli kytovce dobře znát, a tak se tehdy zrodila věda studující tyto tvory, cetologie. Mezi jejich znalce patřil i Herman Melville, autor proslulého Moby Dicka. Nemohl se však seznámit s jejich akustickým světem, který dodnes skrývá mnohá tajemství.

Já, vorvaň
Vorvani tráví většinu dne potápěním za potravou. Jen málo živočichů se dokáže po nořit do tak velkých hloubek a jen několik savců může v těchto hloubkách pobývat déle než 60 minut. 1) Na rozdíl od lidí, kteří z jednoho nádechu využijí jen 15 % kyslíku, kytovci zužitkují téměř 90 %, i když mají poměrně malé plíce. Krev kytovců obsahuje 10 milionů erytrocytů v mm3 (lidská krev jich má zhruba polovinu) a pojme 1,3krát více hemoglobinu, než je tomu u nás. Staršího vorvaního samce zastihneme na hladině jen vzácně. Po téměř devadesáti minutách se vynořuje a během deseti minut se připraví na další ponor. Na hladině se ozývá bouřlivé nadechování a vydechování – hyperventiluje a vymění skoro celý obsah plic. Pak vztyčí ocasní ploutev kolmo k hladině a rychlostí 3 m/s mizí v hlubinách oceánu. K rychlému sestupu mu pomáhá tělo dokonale adaptované na velké hloubky. Během posledních třiceti milionů let vorvaň prodělal mnoho anatomických a fyziologických „vylepšení“. Klesá s malou námahou, ocasem téměř nepohne a hrudní ploutve jsou těsně přimknuty k tělu. Celé tělo je dokonale hydrodynamické. Vztlak reguluje velká sudovitá hlava, která zaujímá čtvrtinu celkové délky zvířete. Skoro z 80 % ji tvoří spermacetový orgán, vyplněný 1900 litry olejovité látky s vlastnostmi vosku – vorvaňovinou (spermacetem). Za normálních podmínek (při teplotě vyšší než 30 °C) je spermacet tekutý. V samotné hlavě je teplota o 5 °C nižší než běžná tělní teplota, tj. 36–37 °C. Jakmile se spermacet ochladí, jeho hustota se zvýší, olej ztuhne, naváže na sebe chladicí vodu a vorvaň o 2,5 tuny ztěžkne. Při výstupu k hladině je voda opět vypuzena, protože v systému vlásečnic (retia mirabilia) tepenná krev ohřeje spermacetový orgán. V hloubce 80 m se plíce téměř úplně smrští. Přednostně jsou kyslíkem zásobeny životně důležité orgány – mozek, mícha, srdce, echolokační aparát – a také svalová vlákna, jejichž myoglobin (viz Vesmír 78, 72, 1999/2) váže až devětkrát více kyslíku, než je tomu u suchozemských savců. Vorvaň tak ukládá ve svalech asi 41 % kyslíku (člověk pouhých 13 %). Dýchací cesty jsou velmi pružné, vyztužené speciálními vlákny, která zabraňují jejich deformaci. Výztuž se podobá žebrovitě uspořádaným chrupavkám průdušnice.

Po překročení prahu světla (okolo 300 m) a dosažení hloubky 2000 m je kytovec u cíle. Okolní tlak dosahuje 20 000 kPa a právě zde začíná hon na hlubokomořské hlavonožce, především velké krakatice rodu Architeuthis, žraloky rodu Scymnodon a drobnější drakoušovité, lampovníkovité či ropušnicovité ryby. Dospělý vorvaní samec denně spořádá 900– 1500 kg potravy.

Zvuky temnot
Ve tmě je zrak takřka neuplatnitelný a kytovcům slouží k orientaci jejich „akustický fotoaparát“ – echolot neboli sonar. Tak přesnému „zařízení“ se dnes asi nevyrovná ani nejmodernější technika. Poprvé začal být studován r. 1953 a stejně jako pro spermacetový orgán jsou i pro něj dýchací cesty důležitou součástí.

Vorvaň má na hlavě téměř 50 cm dlouhý dýchací otvor esovitého tvaru. Je umístěn poněkud asymetricky, vlevo na přední straně – proto také výdechová fontána směřuje nalevo. 2) Na vorvaní dýchací otvor se napojují dva nosní kanály, z nichž pouze levý slouží k dýchání. Je kratší a vede přímo k dýchacímu otvoru. Pravý nosní kanál navazuje na dýchací otvor nepřímo, tvoří mnoho vedlejších ramen a jeho celková délka dosahuje až 5 m. Je jím nasávána voda na hladině těsně před ponorem. Jako „slepý“ plní více funkcí, například chladí spermacet.

Když se kytovec nadechne, dýchací otvor se pevně stáhne. Umožňují to mohutné svalové svěrače a záklopky. Nejblíže povrchu je tzv. jazyk, jenž se těsně přimkne k protilehlému pysku prudkým stažením svěračů. Hlouběji pod prvním párem záklopek je uložen jejich druhý pár, který slouží k otvírání a zavírání dýchacího otvoru a také brání vodě, jež vnikne do dýchacích cest ke konci nádechu, aby se dostala hlouběji. Obvykle je okamžitě vystříknuta ven, ale vorvaň ji může i čerpat již zmíněným pravým nosním kanálem. Zadní nosní cesty pokračují do hrtanu, kde je další mohutná záklopka – hrtanová. Po ní následuje poslední ze svěračů. Všechny záklopky především zadržují nadechnutý vzduch v dýchacích cestách. Kytovci si dýchání vědomě řídí, neprobíhá u nich „automaticky“ jako u ostatních savců.

Zvuky vznikají v složitém hlavovém komplexu (obrázek 2) 3) vibrací vzduchu proháněného z váčku do váčku mezi záklopkami tzv. opičího náhubku (monkey lips). Otvíráním a zavíráním těchto záklopek vorvaň přerušuje proudění vzduchu, a tím ovládá poměr vydávaných signálů. Vznikající zvuky sahají až do vysokých frekvencí, a tedy velmi krátkých vlnových délek. Ještě než zvuk opustí tělo, odrazí se v čelní oblasti lebky od „mísovitého disku“ – akustického zrcadla. Potom prochází tukovou tkání spermacetového orgánu, jenž má funkci akustické čočky (melounu) 4) a je usměrňován k zaměřovanému objektu. Aby byl směr určen co nejpřesněji, kytovci za ním často natáčejí hlavu a větší druhy i celé tělo. Vorvaňům také pomáhá změna ohniska, způsobená přeléváním spermacetu. Vzniká změnou vnitřního tlaku pomocí svaloviny a fibrózní elastické tkáně, které spermacetový orgán obklopují.

Echolokační signály vysílané vorvaněm mají frekvenci 0,2–35 kHz. Jestliže kytovec zaměřuje objekt vzdálený několik km, vysílá signály s nižší, někdy i pro nás slyšitelnou frekvencí. Jeden signál, „kliknutí“, je tvořen 1–10 impulzy, z nichž každý trvá asi 24 ms. Sériím několika kliknutí říkáme kódy. Na dlouhé vzdálenosti vorvaň vydává asi 50 signálů za sekundu. Jak se kořist přibližuje, roste i frekvence signálů a vorvaň zmenšuje úhel rozpětí vyslaných impulzů. Vlnová délka vysílaného signálu nesmí být menší než zaměřovaný objekt, protože by ho signál mohl minout a nemusel by se odrazit. Echolot vorvaně je velmi citlivý, může zaměřit cíl o velikosti 10 cm na vzdálenost skoro jednoho kilometru.

Intenzita odrazu impulzů závisí na tom, jaký je rozdíl hustoty tkáně kořisti a okolního prostředí. Nejlépe se zvuk odráží od objektů dutých, například od plynového měchýře ryb. Poměrně dobře se také odráží od kostí, zatímco od ostatních částí těla téměř vůbec. To vysvětluje vysokou intenzitu vorvaních impulzů při lovu bezobratlých hlavonožců. Účinná metoda, prokazatelná při používání sonaru „na blízko“, je ultrasonické dělo. Vorvaň zvýší počet impulzů natolik, že zcela kořist ochromí. Výkon echolotu přitom dosahuje více než 700 W a krátkodobě vyvíjí na kořist tlak 50 000 kPa. Existence vorvaního děla zároveň odpovídá na otázku, k čemu používají hlavonožci maskovací „inkoust“ ve tmě, kde ani nejsou vidět. Vypuštěné barvivo zkresluje skutečnou vzdálenost mezi kytovcem a kořistí, neboť odráží vysílané impulzy, a tím kořisti umožňuje únik. Ve skutečnosti se tedy hlavonožec skrývá především před vorvaňovým sluchem.

Praktickou zkušenost s echolokací vorvaňů líčí cetolog Ralf Kiefner. Při potápění s vorvani u Azor sám slyšel klikavé zvuky rychle se šířící vodou a cítil i vlny echolokace jednoho ze zvířat, které ho zaměřovalo. Říká: „Cítím jejich echolokaci znějící mým tělem. Je to, jako by kolem mne kmitalo mnoho drobných rázových vln.“

Základy vorvaní mluvy
Je zajímavé, že u vorvaňů nebyly ani při individuální komunikaci pozorovány další zvuky, například pískání, mručení, hvízdání a sténání, které běžně používají jiní ozubení kytovci. Rozhovory vždy vedou stereotypními klikavými zvuky, kódy, které můžeme dobře slyšet i my. Podobají se morseovce. Nejčastější konverzační volání se skládá ze série 3–20 rychlých signálů trvajících 1–2 sekundy. Jeden z kytovců vydá například signál „klik, klik, —, klik“ a druhý odpoví jakýmsi pozdravem „klik, klik, klik, klik, klik“. Impulzy mohou obě zvířata vydávat současně. Vorvaní stádo tvořené samicemi s mláďaty má svůj charakteristický repertoár, složený přibližně z dvanácti projevů. Nejčastěji vydávají echolokační, stále se opakující signály, a to asi dva za sekundu. Pro vorvaní samce jsou zase typická dlouhá pomalá kliknutí, vydávaná každých 6 sekund. Lze je slyšet nejčastěji, když potkají stádo samic. Ke konverzaci vorvani přidávají jen vzácně skřípavé zvuky (creaking sounds), vytvářené třením chrupavek. Jsou slyšitelné občas při krmení nebo při objevení kořisti. K záporným stránkám služeb vorvaního sonaru patří omyly, které vedou k uvíznutí na mělčině. Dochází k tomu například v mělkých vodách Severního moře. Při migraci na jih z polárních oblastí obeplouvají vorvaní samci obvykle Britské ostrovy západním směrem. Může se ale stát, že zabloudí do Severního moře, jehož mělčiny často nepřesahují 20 m. Vorvaňům, kteří loví v kilometrových hloubkách, trvá zpravidla několik vteřin, než přijmou odraz vyslaného echolokačního signálu. Od mělčiny se však odrazí tak rychle, že vorvaně zmate, a to se mu stává osudným.

Naslouchání echolotu
Kytovci mají velmi dokonalý sluch a zvuky přijímají několika způsoby. Na vorvaní hlavě jen stěží najdeme ušní otvory. Jsou nepatrné, sotva 8 mm v průměru, uložené těsně za očima. Směrem do hlavy se trychtýřovitě zužují v dvoumilimetrový kanálek. Vnější zvukovod zakrněl v důsledku adaptace na ohromný tlak vnějšího prostředí, přesto tuková a svalová tkáň v jeho okolí přivádí některé – zejména nízkofrekvenční – zvuky. Celý sluchový orgán se oddělil od lebky a je s ní spojen pouze pojivovou tkání. To ho dobře izoluje od zvuků a vibrací, které vydává sám kytovec. Střední ucho je dobře vyvinuté, pokryté značnou vrstvou tuku a svaloviny. Nic ho nespojuje s vnějším prostředím a je vyplněné vzduchem. Sluchové kůstky se postupem času spojily a deformovaly. Hlemýžď se nachází v kostěných prohlubních vnitřního ucha, volně nasedajících na lebku. Tyto sluchové výdutě (bullae osseae) kolébavým pohybem zesilují a zpřesňují chod přijímaných zvuků. Aby se přijímané signály levého a pravého ucha nekřížily, jsou vnitřní uši odizolovány bubínkovými dutinami (bulla tympanica). Zvukový signál je veden do mozku téměř dvěmastytisíci sluchových nervů (u člověka asi padesáti tisíci). Přesnějšímu přijímání signálů také pomáhá značná asymetrie lebky. Odražený signál tak dorazí k uchu na jedné straně hlavy nepatrně dříve než na straně druhé, a tím se zpřesní směr přijímaného signálu. U ozubených kytovců se zvuky k uším dostávají také tukovou tkání (má podobnou hustotu jako voda) dolní čelisti, která je u vorvaňů až tři metry dlouhá.

Porozumíme vorvaňům?
Studium akustických projevů kytovců patří mezi nejzajímavější a zároveň nejnáročnější obory cetologie. Mnohé kytovce, jako jsou vorvaňovci (čeleď Ziphiidae) či oceánské druhy sviňuch, zastihneme ve volné přírodě jen vzácně, neboť jsou plaší a mnohdy ani pořádně neznáme jejich způsob života. Také u vorvaňů, kteří dnes patří mezi intenzivně studované druhy, nám ještě mnohé znalosti ze světa zvuků chybějí.

Jestliže chceme sledovat stádo kytovců v jejich přirozeném prostředí, potřebujeme spoustu techniky, zvláště pak u oceánských migračních druhů. Dnešní sledování velrybích tras ulehčují satelitní družice, ale při přesných analýzách vorvaních zvukových projevů se neobejdeme bez speciálních vysílaček, hydrofonů a lodních sonarů. Sledované jsou například populace u poloostrova Kaikoura na Novém Zélandu, u Aljašky a Norska nebo ve Středozemním moři. Vědci se nezabývají echolokací pouze ve vztahu k vyhledávání potravy, pozornost věnují především komunikaci jednotlivých stád, posloupnostem a strukturám „klikání“ jednotlivců nebo reakcím citlivých vorvaních echolotů na sonary lodí. Při výzkumu hlasových projevů lze také zjistit, zda jde o příbuzné či nepříbuzné skupiny, jestli mezi nimi dochází pravidelně ke kontaktu, jak jsou jedinci velcí a kterého jsou pohlaví.

Všimněme si několika různých vorvaních stád ve Středozemním moři. Během výzkumných plaveb v letech 1997–2001 uskutečněných v Ligurském, Tyrhénském a Jónském moři bylo zjištěno, že nejobvyklejší signály – kliknutí vydávané zdejšími vorvani – se pravidelně opakují v sestavě 3 + 1, tedy „klik“, „klik“, „klik“, ––, „klik“. Kytovci byli sledováni pomocí hydrofonů se speciálními tlakuvzdornými vysílačkami připevněnými na jejich tělech, pasivně potom sonary rozmístěnými námořnictvem NATO. Toto vybavení poskytlo trojrozměrné obrazy zvířat a dokonalé akustické sledování. U celkem 13 skupin bylo zjištěno přes 750 kódů, jež se skládaly ze 3–11 signálů, přičemž nejčastější rozsah kódů se pohyboval okolo čtyř signálů. Vědci také zkoumali složení impulzů jednotlivých signálů. Sledovali devět navzájem nepříbuzných jedinců z různých rodin, u nichž bylo naměřeno až 32 typů kódů. Aby se dalo odlišit, který z kytovců právě „mluví“, musely se změřit intervaly mezi impulzy signálů těchto kódů. Meziimpulzové intervaly totiž úzce souvisejí s velikostí zvířete, tudíž identifikují „řečníka“. Struktury impulzů všech skupin jsou si navzájem velmi podobné, ale přesto lze u jednotlivých stád najít rozdíly. Podstatně více se liší dialekty vorvaňů ze Středozemního moře od dialektů vorvaňů z Atlantiku, což částečně způsobují omezené styky obou populací. Badatele také zajímá, jestli jsou kódy typické pro určitého jedince, popřípadě kolik typů kódů kytovec vydává. Ve srovnání s kosatkami dravými (Orcinus orca, čeleď Delphinidae), které mají mezi kytovci jednu z nejsložitějších struktur řeči (každý jedinec používá vlastní volání, dialekty se stádo od stáda liší), je vorvaní komunikace méně složitá, zato na klikání bohatá. Vorvani používají sdílené repertoáry včetně společných typů kódů.

Literatura

Carwardine Mark: Velryby, delfíni a sviňuchy, Dorling Kindersley, Londýn 1992
Carwardine Mark: The Visual Guide to All the World’s Cetaceans, Dorling Kindersley, London 1992
Jones David: Whales and dolphins, Whitecap Books, Vancouver 1998
Kiefner Ralf: Velryby & Delfíni, Kytovci celého světa, Ikan, Franfurkt 2002
Macdonald David: The New Encyclopedia of Mammals, Oxford 2001
Mazák Vratislav: Zvířata celého světa 12, Kytovci, SZN, Praha 1988
Paccalet Yves: Tajemný život delfínů, Paseka, Litomyšl 2005
Sergejev Boris: Delfíni, nebo radary? Lidové nakladatelství, Praha 1983
Simmonds Mark: Velryby a delfíni světa, Auckland, London, Cape Town, Sydney, New Holland 2004
Thurman Herold V., Trujillo Alan P.: Oceánografie, Computer Press 2002
www.espacotalassa.com (The Azorean Whale Watching Base)
www.wdcs.org (Whale and Dolphin Conservation Society)
www.whalefoundation.f2s.com (Atlantic Whale Foundation)
www.lib.washington.edu/fish/subjects/marmamm.html (Marine Mammal Sources)

Poznámky

1) Nejdelší pozorovaný ponor vorvaně trval 138 minut. Největší hloubka, v níž byli vorvani zjištěni, byla 3193 m, a to v jihoafrických vodách Durbanu (R. Kief ner).
2) Výdechová fontána je směs nadechnutého vzduchu a kondenzované vodní páry včetně olejovitých částic vzduchových váčků, která pod tlakem uniká z dýchacích otvorů kytovců. Všichni ozubení kytovci kromě vorvaňů mají na temeni hlavy v předčelní oblasti dýchací otvor tvaru půlměsíce a mají jen jeden nosní kanál.
3) Zvukový aparát začíná v horní části dýchacích cest, v oblasti pod dýchacím otvorem. Zde se nacházejí složité systémy průchodů, dutin a vzduchových váčků (divertiklů) s množstvím vlastních svalových svěračů. Váčky jsou obklopeny tukem a hraničí se spermacetovým orgánem. Lebka i vzduchové průchody obklopující nosní orgány jsou v těchto místech velmi asymetrické. Vše doplňuje systém chrupavek, které se na tvorbě zvuků také mohou podílet. Na rozdíl od delfínů vorvani jen vzácně používají štíhlé, na koncích zašpičatělé hrtanové chrupavky (cartilagines arytaenoides), jejichž zvuky vznikají třením či průchodem vzduchu při jejich sevření a mívají nižší frekvenci. Vlastní komplex vorvaních vzduchových váčků začíná v dutinách přední části hlavy předsíňovým váčkem (vestibulárním divertiklem) se dvěma menšími výběžky. Na předsíňový váček se odspodu napojuje pravý nosní kanál, který se proplétá spermacetovým orgánem až k čelnímu váčku (frontálnímu divertiklu), do něhož ústí. Levý nosní kanál je také napojen na předsíňový váček, avšak v horní části (rostrálním divertiklem). Levý nosní kanál pokračuje nosní královskou dutinou, pak se spojí s výběžkem pravého nosního kanálu a čelního váčku. Oba kanály pokračují jako jediný nitrolebeční kanál do dolních cest dýchacích.
4) Meloun ostatních ozubených kytovců se složením trochu liší a není vyplněn stejnou olejovitou látkou jako spermacetový orgán.

Soubory

článek ve formátu pdf: 200611_V678-682.pdf (881 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky