ORIENTATIE
Navigeren |
Sonar |
Voorbeelden |
Sonogram |
Roep |
CF-FM opname |
Twee echo's |
Auditieve cortex |
Hersenafbeelding vleermuis |
Hersenafbeelding mens |
Hersenafbeelding olifant |
Een Italiaanse wetenschapper verschafte eind 1700 het eerste inzicht in hoe vleermuizen zich in het donker orienteren.
Hij plaatste een vleermuis en een uil in een half donkere ruimte en constateerde dat ze zich beiden goed konden orienteren.
In volledige duisternis vloog de vleermuis probleemloos rond maar de uil botste tegen alles aan wat op zijn "pad" kwam.
Toen hij een zak over het hoofd van de vleermuis plaatste lukte het ook de vleermuis niet meer om zich te orienteren.
De wetenschapper concludeerde hieruit dat de vleermuis een "zesde zintuig" had.
Samen met collega's werden proeven gedaan.
Een van die proeven was het bedekken van een oor wat leidde tot desorientatie van de vleermuis.
Pas heel veel later (1930) ging een andere wetenschapper verder en gebruikte speciale microfoons waarmee hij aantoonde dat vleermuizen geluiden gebruiken die boven de menselijke gehoorgrens liggen.
Navigeren
Vleermuizen navigeren m.b.v. een echo systeem.
Ze zenden hoogfrequent signalen uit in de vorm van korte "pulstreinen".
De signalen worden door hun neus en/of bek uitgezonden met geluidssterktes tot 120dB!
Deze signalen zijn (gelukkig) te hoogfrequent om door het menselijk oor te kunnen worden gehoord.
Waarschijnlijk horen ze het zelf ook niet omdat een bepaalde spier de gehooringang afsluit tijdens het roepen, daarna ontspant deze zich weer zodat alleen de echo wordt gehoord.
Het frequentie gebied ligt globaal tussen de 25.000 en 120.000 Herz.
Omdat deze hoge frequenties een korte golflengte hebben kunnen heel goed kleine details worden waargenomen, bij lage frequenties lukt dat veel minder goed.
De geluiden botsen tegen objecten aan en keren als echo's terug die de vleermuis in staat stelt om de richting en afstand van wat voor voorwerp hun pad ook kruist te herkennen.
Het geluid wat terugkomt is een stuk zachter dan het werd uitgezonden, het gaat de vleermuis niet om het absolute geluid maar om de "inhoud" van wat er terugkomt.
Indien (in de tekening) de mot zich verwijdert van de vleermuis zal het echogeluid laagfrequenter zijn dan indien de mot zich naar de vleermuis toe beweegt.
Dit noemen we het Doppler effect.
Het verschil in frequentie tussen uitgezonden en ontvangen echo geeft de snelheid aan waarmee de mot zich t.o.v de vleermuis beweegt.
Gelukkig hebben sommige soorten motten gehoororganen waarmee ze vleermuisgeluiden kunnen oppikken.
Dat geeft ze de kans te overleven.
Andere soorten motten kunnen zelf hoogfrequent geluiden uitzenden waardoor de vleermuis denkt dat het een soortgenoot is en op zoek gaat naar een andere prooi.
Naast deze echolocatie die alleen maar werkt bij korte afstanden is er nog weinig bekend over het navigeren op lange afstand.
Er zijn nu echter ook aanwijzingen dat ze gevoelig zijn voor het magnetisch veld van de aarde zodat ze dat ook kunnen gebruiken om te navigeren.
De proeven zijn gedaan vanaf bijna een uur na zonsondergang om zeker te weten dat het niet om iets anders gaat.
Dit systeem van echolocatie komt overeen met dat van sonar en radar systemen wat door mensen ontworpen is om onder water en in de lucht te kunnen navigeren.
Sonar
Sommige vleermuizen zenden de signalen uit via hun neus, de meeste door hun bek.
De combinatie leidt tot een zeer richtingsgevoelig systeem.
Wat hier beschreven wordt is nog maar een simpele voorstelling van het sonar systeem.
Tipje van de sluier: indien de vleermuis in een open omgeving jaagt zal het zijn/haar zendgedrag FM (frequentie gemoduleerd) zijn: de frequentie van het geluid verandert in de tijd.
In een omgeving met veel vegetatie is het veel lastiger om een prooi te detecteren en zal het zendgedrag overgaan op CF (constante frequentie): de frequentie van het geluid blijft gelijk in de tijd.
Ook een combinatie van deze behoort tot de mogelijkheden.
Daarnaast zullen lage frequenties gebruikt worden voor lange afstand detectie en hoge frequenties voor korte afstanden.
Ook geeft het FM geluidsdeel de vleermuis informatie over het insect zelf en zijn positie in het horizontale en verticale vlak terwijl het CF deel informatie geeft over de snelheid van het insect.
Het leidt er uiteindelijk toe dat de vleermuis zich door het (perfecte) sonarsysteem een gedetailleerd beeld vormt van de omgeving; zien met je oren dus.
Maar dat zal dan waarschijnlijk in zwart/wit zijn; niet zoals bij ons in kleur.
Het systeem is zo gevoelig dat het zelfs voetstappen (van insecten) op een blad kan detecteren en luchtwervelingen, veroorzaakt door de vleugels van insecten.
Ook rimpeling op het water, veroorzaakt door een insect wordt gehoord en "gezien".
Ook dolfijnen en zwaluwen maken gebruik van een dergelijk echo systeem.
Bij dolfijnen zijn de frequenties echter nog hoger, hierbij moet je denken aan ongeveer 200.000 Herz.
Voorbeelden
Bij deze afbeelding krijg je een idee van in welk frequentie gebied diverse diersoorten, ook wijzelf, hun geluiden uitzenden en kunnen ontvangen.
Oren van mensen kunnen geluiden tussen de 20 Herz en 20.000 Herz horen.
Dat is het aantal trillingen per seconde dat via het trommelvlies in de hersenen terecht komt en wat we als geluid ervaren.
De dolfijn en vleermuis zitten daar boven en horen we dus niet meer: ultrasoon geluid wordt dit genoemd.
Het hondenfluitje is vaak nog net wel hoorbaar.
Ook sommige soorten zwaluwen maken ultrasoon geluid.
De kikker en olifant zit daar onder.
Vreemd is het dat we deze lage tonen niet kunnen horen zonder speciale apparatuur; geluid onder de 20 Hz is niet meer met onze oren waarneembaar
Toch zouden onze oren dat moeten kunnen ontvangen, het zijn waarschijnlijk onze hersenen die dit filteren of "tegen houden".
Met een hoofdtelefoon op lijkt het wel of we deze hele lage tonen iets beter kunnen horen, misschien heeft het wel met de verplaatsing van lucht of drukverschillen te maken.
Veel is nog onduidelijk op dit gebied.
De kikker horen we nog wel, de olifant niet meer: dit laatste wordt infrasoon geluid genoemd.
Er is dus veel meer te horen dan je denkt en dankzij de detector kan je ieder geval de hoge frequenties voor de mens omzetten in een voor ons hoorbare frequentie.
Nog wat voorbeelden van dieren:
Katten 100 tot 32.000 Herz
Paarden 31 tot 40.000 Herz
Sprinkhanen 100 tot 50.000 Herz
Knaagdieren 1000 tot 100.00 Herz
Zeehonden 200 tot 55.000 Herz
Sonogram
Hierbij een afbeelding van een "sonogram", een geluidsopname van een vleermuis.
Een sonogram is een afbeelding van het geluid, uitgezet tegen de tijd.
Ieder "haakje" is de roep van de vleermuis: van een hoge frequentie naar een lagere, vervolgens een tijdje geen geluid en daarna weer een herhaling hiervan.
Hierin zie je dus al een FM geluid, frequentie gemoduleerd.
Deze verandering kan zo snel gaan dat het menselijk oor dit nauwelijks bij kan houden.
Het moet ook heel snel gaan en kort duren omdat anders de echo's die terugkomen elkaar gaan "overlappen".
Er zit daarom een soort biologische "stopwatch" aan hun hersencellen gekoppeld die zeer nauwkeurig tijd kan meten.
De detector die hier is gebruikt moet dus een frequentiegebied van 25.000 Herz tot 60.000 Herz kunnen weergeven.
Afhankelijk van wat de vleermuis detecteert zal de afstand tussen deze "haakjes" veranderen: zoeken is de grootste afstand, de prooi iets naderen een kortere.
Dat is de interval die afneemt, want anders zouden er terug komende pulsen gemist kunnen worden.
Uiteindelijk zullen de "haakjes" steeds dichter op elkaar komen en tevens de frequentie inhoud gaan dalen.
Alles wat hier is afgebeeld duurt nog geen halve seconde, vanaf het zoekmoment tot het vangmoment.
Soms vangt een vleermuis 2 insecten binnen een seconde en eet ze nog op ook!
Roep
Hierboven zie je een stukje uit het sonogram en een nadere toelichting op het zendpatroon of roep van vleermuizen.
Dit is een fraai getekend voorbeeld van maar een enkele roep, in werkelijkheid is het complexer.
Maar het kan ook wel eens eenvoudiger zijn, ook zijn allerlei mengvormen mogelijk.
"Dur" staat voor de duur of de lengte: zolang duurt deze ene roep.
"FM part" is het deel dat frequentie gemoduleerd is: de frequentie varieert van maximaal (Fmax) tot minimaal (Fmin).
Het "CF part" is het deel dat niet gemoduleerd is, een vaste frequentie.
Het punt "Fc" is de frequentie in waarbij de roep het snelst verandert.
In werkelijkheid roept de vleermuis dit iedere keer weer: afhankelijk van de omgeving, wel of geen prooi detectie, ieder geval heel vaak achter elkaar.
Om te voorkomen dat de vleermuis zelf last heeft van dit harde geluid is er een mechanisme wat er voor zorgt dat het beest zijn eigen geluid niet kan horen.
Door het spannen van bepaalde spieren in de kaken trekken weer andere spieren in het middenoor samen en wordt het gehoor een zeer korte tijd uitgeschakeld.
Direct daarna functioneert het gehoor weer als voorheen: de echo komt er natuurlijk aan.
CF-FM opname
Hierbij een getekend voorbeeld van een CF-FM geluidsopname van een uitgezonden roep.
Dit noemt men een bisonar geluid wat uit een constant frequentie deel (CF1) bestaat, gevolgd door een neergaand frequentie modulatie deel (FM1).
Andere soorten vleermuizen produceren of alleen de CF- of de FM component.
Het blijkt dat het CF en FM deel elk dient voor verschillende doeleinden:
het CF deel van een roep is bedoeld om prooien te detecteren en het Doppler effect te meten; het FM deel om de afstand van de prooi in te schatten en kleine details hiervan.
De keuze tussen CF en FM zou ook te maken kunnen hebben met de manier waarop vleermuizen jagen. Als allen FM wordt gebruikt zal er veel "achtergrondruis" ontstaan wat het heel lastig maakt om te jagen, het CF deel geeft hierbij de specifieke informatie.
Daarnaast produceert deze vleeermuis ook nog harmonischen van de roep: CF2 en FM2 t/m CF4 en FM4.
Ook deze veroorzaken echo's en verschaffen veel informatie over het door de prooi veroorzaakte Doppler effect.
Al dit soort ingewikkelde informatie wordt verwerkt in een "groot" gespecialiseerd deel van de hersenen, de auditieve cortex genoemd.
Uiteindelijk kan de vleermuis van zijn prooi oa hetvolgende waarnemen:
de relatieve snelheid,
de flutter,
de grootte,
de vorm,
de hoogte,
gedetailleerde delen,
de azimuth
Twee echo's
Hierbij een getekend voorbeeld van een ander stukje echolocatie.
a) De pulse is het uitgezonden signaal, eigenlijk een groep frequenties die razendsnel wordt verstuurd.
Er komen twee echo's terug die elkaar in tijd kunnen overlappen maar wel door de vleermuis opgesplitst kunnen worden.
De vertraging (delay) kan gemeten worden tussen alle "pulsdelen" en alle opgesplitste echo's.
b) Een lange, constante puls is ideaal om de Doppler verschuiving te kunnen meten en dus de relatieve snelheid van het object.
Hier zijn de echo's getekend van twee naderende objecten met verschillende snelheden en afstanden.
Auditieve cortex
Dit geeft de auditieve cortex van de vleermuis weer.
Het lijkt sterk op dat van andere zoogdieren, het geluid wordt door het binnenoor naar het trommelvlies geleid.
Dit membraan vibreert met de frequentie van het geluid en zet zo het mechanisch signaal om in een elektrisch wat naar de hersens gaat.
De dikte van het trommelvlies is bij vleermuizen echter optimaal voor de ontvangstfrequentie waarin deze het meest is geinteresseerd.
Alle verzamelde informatie wordt in de hersens gedecodeerd tot de sterkte van de teruggekeerde echo's, de vertraging en de Doppler verschuiving tussen roep en echo en nog veel meer combinaties van factoren.
De vleermuis is eigenlijk een wonderbaarlijk knappe verwerkingsmachine met een geweldig hoge nauwkeurigheid!
Deze nauwkeurigheid wordt niet alleen bereikt door een klein gebiedje in de hersenen maar ook door vele andere hogere hersenstructuren. Drie van deze belangrijke gebieden in de auditieve cortex zijn:
CF-FM gebied: donker oranje (Constante Frequentie)
FM-FM gebied: licht groen (Frequentie Modulatie)
DSCF gebied: rose (Doppler Shift Constant Frequency)
Als een vleermuis "roept" wordt een deel van het uitgezonden geluid gereflecteerd door de prooi.
Deze "roepen" worden niet alleeen gereflecteerd maar er is ook enige compressie van de geluidsgolven waardoor ze nog wat hoogfrequenter worden.
In het geval van een insect zullen de vleugelbewegingen tot hun eigen Doppler verschuiving leiden die wordt gesuperponeerd op het reeds door het insect zelf veroorzaakte Doppler effect.
Dit geeft weer aan hoe complex het is en hoe knap de vleermuis!
Hersenafbeelding vleermuis
Hier een plakje (doorsnede) van de hersenen van een vleermuis, let op de onderhoek: de lengte van het streepje is 1 mm.
Hersenafbeelding mens
Hetzelfde als hierboven maar dan van de mens.
Jammer is het dat er geen maatverdeling bij staat maar als je in de spiegel naar jezelf kijkt en er van uit gaat dat direct onder de schedel het hoofd gevuld is met hersenweefsel kan je je voorstellen dat wij een stuk royaler zijn toebedeeld!
De grootte zegt dus niet alles.
Hersenafbeelding olifant
Nog een voorbeeld, nu van een olifant. Hier wordt de maat afgebeeld in centimeters.