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So sagt der Hauptautor einer neuen Studie, die zeigt, dass das laute, tieffrequente Brüllen von Löwen und Tigern durch physikalische Eigenschaften ihres Stimmlippengewebes vorbestimmt ist – nämlich durch die Fähigkeit, sich zu dehnen und zu scheren – und nicht durch Nervenimpulse vom Gehirn.
„Brüllen ist ähnlich wie das Weinen eines Babys“, sagt der Sprachwissenschaftler Ingo Titze, Geschäftsführer des National Center for Voice and Speech, das von der University of Utah verwaltet wird. „
Die Studie über die Stimmfalten von Löwen und Tigern und die Art und Weise, wie sie das Brüllen erzeugen – eine Lautäußerung, mit der Großkatzen ihr Territorium beanspruchen – soll am 2. November in der Online-Zeitschrift PLoS ONE der Public Library of Science veröffentlicht werden.
Auch wenn der Vergleich nicht Teil der Studie war, sagt Titze, dass ein Baby „schreit, damit Menschen kommen, um ihm zu helfen. Der Löwe benutzt ähnliche Geräusche, um Aufmerksamkeit zu erregen, aber hauptsächlich, um zu sagen: ‚Ich bin hier, das ist mein Revier, verschwinde'“
„In beiden Fällen hören wir laute, knirschende Geräusche, die den Menschen ins Ohr gehen. Wenn ein Baby weint, ist das kein schöner Klang. Das Geräusch ist grundsätzlich rau.
Das Gleiche gilt für das Brüllen von Löwen und Tigern, und wie bei Babys sind ihre Stimmlippen (allgemein Stimmbänder genannt) „sehr locker und gelartig“ und vibrieren unregelmäßig, so dass das Brüllen rau klingt, sagt Titze. Der Hauptunterschied: Babys schreien in einer hohen Frequenz, während Großkatzen in einer niedrigen Frequenz brüllen.
Brüllfrequenz wird durch die Struktur der Stimmlippen bestimmt
Die wichtigste Erkenntnis der neuen Studie ist, dass Löwen und Tiger laut und tief brüllen können, weil ihre Stimmlippen eine flache, quadratische Form haben und starken Dehnungen und Scherkräften standhalten können. Das widerspricht der Theorie, dass Löwen deshalb so tief brüllen, weil ihre Stimmlippen mit Fett gefüllt sind.
Stattdessen trägt das Fett dazu bei, dass die Stimmlippen dort, wo sie in die Atemwege hineinragen, eine quadratische Form haben, im Gegensatz zu den dreieckigen Stimmlippen der meisten anderen Arten. Das Fett kann auch die Stimmlippen polstern und Reparaturmaterial bereitstellen, wenn sie beschädigt sind, so die Forscher.
„Wir haben versucht, die frühere Annahme zu korrigieren, dass Löwen und Tiger bei niedrigen Grundfrequenzen brüllen, weil sie riesige Stimmlippen haben“, sagt der Mitautor der Studie, Tobias Riede, ein Assistenzprofessor für Biologie an der University of Utah und wissenschaftlicher Mitarbeiter am National Center for Voice and Speech.
„Es stimmt, dass sie große Stimmlippen haben, aber die Form und die viskoelastischen Eigenschaften machen das Brüllen so laut und tief“, sagt er.
Riede sagt, dass die Wissenschaftler „die Beziehung zwischen der Struktur der Stimmlippen und ihrer Funktion bei der Erzeugung des Brüllens bei Löwen und Tigern herausfinden wollten. Wir haben getestet, ob die mechanischen Eigenschaften der Stimmlippen uns erlauben, Vorhersagen über den Klang zu machen.“
Das haben sie. Messungen des Widerstandes der Stimmlippen gegen Dehnung und Scherung ermöglichten den Forschern eine genaue Vorhersage der „Grundfrequenzbereiche“, bei denen Löwen und Tiger bekanntermaßen brüllen, sowie der Lungendrücke, die zur Erzeugung dieser Brülllaute erforderlich sind.
Titze und Riede führten die Forschung zusammen mit der Erstautorin Sarah Klemuk, einer außerordentlichen Assistenzprofessorin für Kommunikationswissenschaften an der University of Iowa, und Edward Walsh, dem Direktor der Hörphysiologie am Boys Town National Research Hospital in Omaha, Nebraska, durch. Titze ist Mitglied der Fakultät der Universität von Iowa und der Universität von Utah, wo er Forschungsprofessor für HNO-Heilkunde und medizinische Chemie ist. Die Forschung wurde von den National Institutes of Health und der National Science Foundation finanziert.
„Wir untersuchen viele Tiere – Hirsche, Elche, Hunde und Katzen“, sagt Riede. „Löwen und Tiger sind interessante Beispiele für sehr laute und niederfrequente Vokalisation.“
Diese Studien haben einen praktischen Aspekt. „Wenn man versteht, wie die Stimmlippen strukturiert sind und welche Auswirkungen diese Struktur auf die Stimmproduktion hat, könnte dies Ärzten helfen, Entscheidungen zu treffen, wie beschädigtes Stimmlippengewebe rekonstruiert werden kann“, sagt er.
Stimmen von Großkatzen
In der neuen Studie wurden die Stimmlippen innerhalb des Kehlkopfs, auch bekannt als Stimmbox, analysiert. Die Kehlköpfe von drei Löwen und drei Tigern, die im Henry Doorly Zoo in Omaha aus humanen Gründen wegen fortgeschrittener Krankheit eingeschläfert wurden, wurden entfernt. Sie waren zum Zeitpunkt ihres Todes zwischen 15 und 22,4 Jahre alt. Bei den drei Löwen handelte es sich um weibliche Tiere. Bei den Tigern handelte es sich um weibliche Sumatra- und bengalische Tiger und einen männlichen Amur-Tiger (sibirischer Tiger).
Die Vokalisation ist komplex und umfasst Faktoren, die in der neuen Studie über die Stimmlippen nicht berücksichtigt wurden: wie die Luft aus den Lungen gedrückt wird, wie der Schall im Vokaltrakt widerhallt, wie sich die Zunge und der Kiefer bewegen, und die Bewegung der Muskeln und Knorpel des Kehlkopfes.
Die Studie umfasste Untersuchungen des Stimmlippengewebes, das aus weichem Bindegewebe in Form von Elastin, Kollagen, einem als Hyaluronan bekannten Schmiermittel und Fett besteht.
Löwen und Tiger haben große Stimmlippen: etwa 1 Zoll hoch von oben nach unten, 1 Zoll dick von Seite zu Seite und 1,5 Zoll lang von vorne nach hinten. Sie ragen vom Kehlkopf in die Luftröhre direkt über der Luftröhre und bilden bei den meisten Arten eine dreieckige Form auf jeder Seite der Luftröhre, bei Löwen und Tigern jedoch eine quadratische Form.
Wissenschaftler wussten bereits, dass Löwen und Tiger viel Fett in ihren Stimmlippen haben. Die neue Studie zeigte, dass sich dieses Fett bei Großkatzen tief im Stimmlippenband befindet und dazu beiträgt, den Falten ihre abgeflachte, quadratische Form zu geben.
Diese Form „macht es dem Gewebe leichter, auf den vorbeiströmenden Luftstrom zu reagieren“, was lauteres Brüllen bei geringerem Lungendruck ermöglicht, sagt Riede.
Wenn sich die Luft an den Stimmlippen vorbeibewegt, um einen Ton zu erzeugen, vibrieren die Falten von einer Seite zur anderen und von oben nach unten, wodurch sie gedehnt und geschert werden – Eigenschaften, die die Forscher getestet haben.
Zunächst befestigten sie Löwen- und Tigerstimmlippen an Hebeln, die Kraft und Abstand maßen, während das Gewebe gedehnt wurde, „wie die Saiten einer Gitarre“, sagt Riede.
Nächstens legten die Forscher kleine kreisförmige Scheiben des Stimmlippengewebes zwischen Platten und verdrehten eine Platte um einige Grad, langsam und schnell, während sie die dafür benötigte Kraft maßen. Das zeigt, wie gut das Material der Scherung während des Brüllens standhält.
Die Wissenschaftler nutzten dann diese Messungen der Spannung und der Scherfestigkeit der Stimmlippen von Großkatzen, um den Lungendruck und den „Grundfrequenzbereich“ vorherzusagen, bei dem die Tiere brüllen – den Bereich, in dem die Stimmlippen vibrieren können.
Sie kamen auf 10 bis 430 Hertz oder Zyklen pro Sekunde, was mit bekannten Brüllfrequenzen von 40 bis 200 Hertz bei Löwen und 83 bis 246 Hertz bei Tigern übereinstimmt, sagt Riede. Männer sprechen mit 100 bis 120 Hertz und Frauen mit 200 bis 250 Hertz, aber Großkatzen sind viel lauter, weil sie den Lungendruck effizienter in akustische Energie umwandeln.
Es macht Sinn, dass die Brüllfrequenz von Löwen und Tigern eine Funktion der mechanischen Eigenschaften ihrer Stimmlippen ist, nicht der Masse oder des Gewichts. Schließlich haben Elche ähnlich große Stimmlippen, aber sie haben ein hohes Horn und kein tiefes Brüllen, sagt Titze.
„Es ist eine Bestätigung, dass die Frequenzen der Phonation durch mechanische Eigenschaften der Stimmlippen und nicht durch Nervenimpulse vom Gehirn beschrieben werden“, fügt er hinzu.
Das Brüllen eines Löwen oder Tigers kann für jemanden, der ein paar Meter entfernt steht, 114 Dezibel erreichen, „das ist etwa 25 Mal so laut wie ein Benzinrasenmäher“, sagt Titze. Außerdem brüllen sie nicht einzeln, sondern etwa 50 Mal in 90-Sekunden-Schüben.
„Sie brüllen mit einem Ton, der den Menschen Angst einjagt, weil er so rau und roh ist“, sagt Titze. „Löwen und Tiger gelten als die Könige der Tiere, auch wegen ihres Gebrülls. Stellen Sie sich vor, sie würden schöne Melodien singen, und zwar sehr tieffrequente Melodien. Wer würde sich davor fürchten?“