1
Det säger huvudförfattaren till en ny studie som visar att lejonens och tigrarnas högljudda, lågfrekventa vrål är förutbestämda av de fysiska egenskaperna hos deras stämbandsvävnad – nämligen förmågan att sträcka sig och skära sig – och inte av nervimpulser från hjärnan.
”Brölande liknar vad en bebis låter när den gråter”, säger talforskaren Ingo Titze, verkställande direktör för National Center for Voice and Speech, som administreras av University of Utah. ”På vissa sätt är lejonet en stor kopia av en gråtande bebis, högt och högljutt, men med mycket låg tonhöjd.”
Studien av lejonens och tigerns röstveck och hur de producerar brölande – vokaliseringar som används av stora katter för att hävda sitt revir – skulle publiceras den 2 november i Public Library of Science’s online-tidskrift PLoS ONE.
Men även om jämförelsen inte ingick i studien säger Titze att en bebis ”skriker för att människor ska komma för att hjälpa den. Lejonet använder liknande uppmärksamhetsskapande ljud, men främst för att säga: ’Jag är här, det här är mitt revir, försvinn härifrån’.”
”I båda fallen hör vi höga, gnisslande ljud som fångar människors öron. När ett barn gråter är ljudet inte vackert. Ljudet är i grunden grovt. Vibrationerna är inte regelbundna.”
Det samma gäller för lejons och tigers vrål, och precis som hos bebisar är deras stämband (som vanligen kallas stämband) ”mycket lösa och gelliknande” och vibrerar oregelbundet vilket gör att vrålen låter grova, säger Titze. Den största skillnaden: Bebisar skriker med en hög frekvens, medan stora katter har ett lågfrekvent vrål.
Roaring Frequency Dictated by Structure of Vocal Folds
Den nya studiens viktigaste slutsats är att lejon och tigrar kan vråla högt och djupt eftersom deras stämband är platta, fyrkantiga och kan stå emot stark sträckning och klippning. Detta motsäger en teori om att lejon brölar djupt för att stämbanden är tunga av fett.
Istället bidrar fettet till att ge stämbanden deras kvadratiska form där de sticker ut i luftvägarna, till skillnad från de triangulära stämbanden hos de flesta arter. Fettet kan också dämpa stämbanden och tillhandahålla reparationsmaterial när de skadas, menar forskarna.
”Vi försökte korrigera ett tidigare antagande om att lejon och tigrar vrålar vid låga grundfrekvenser för att de har enorma stämband”, säger Tobias Riede, medförfattare till studien, som är biträdande professor i biologi vid Utah-universitetet och forskarassistent vid National Center for Voice and Speech.
”Det är sant att de har stora stämband, men formen och de viskoelastiska egenskaperna gör att vrålet är så högt och djupt”, säger han.
Riede säger att forskarna ”satte sig för att ta reda på sambandet mellan strukturen på stämbanden och hur de fungerar för att producera vrålet hos lejon och tigrar. Vi testade om de mekaniska egenskaperna hos stämbanden gjorde det möjligt för oss att göra förutsägelser om ljudet.”
Det gjorde de. Mätningar av stämbandens motstånd mot sträckning och skjuvning lät forskarna exakt förutsäga de ”grundläggande frekvensområden” vid vilka lejon och tigrar är kända för att bröla, och de lungtryck som krävs för att producera dessa bröl.
Titze och Riede utförde forskningen tillsammans med förstaförfattaren Sarah Klemuk, adjungerad biträdande professor i kommunikationsvetenskap vid University of Iowa, och Edward Walsh, direktör för hörselfysiologi vid Boys Town National Research Hospital i Omaha, Neb. Titze ingår i fakulteten vid University of Iowa och University of Utah, där han är forskningsprofessor i otolaryngologi och läkemedelskemi. Forskningen finansierades av National Institutes of Health och National Science Foundation.
”Vi studerar många djur – hjortar, älgar, hundar och katter”, säger Riede. ”Lejon och tigrar är bara intressanta exempel på mycket hög och lågfrekvent vokalisering.”
Dessa studier har en praktisk aspekt. ”Om man förstår hur stämbanden är uppbyggda och vilka effekter den strukturen har på röstproduktionen, kan det hjälpa läkare att fatta beslut om hur skadad stämbandsvävnad ska rekonstrueras” hos personer som cancerpatienter, sångare, lärare, tränare och drillsergeanter, säger han.
Stämband från stora katter
Den nya studien analyserade stämband inifrån struphuvudet, allmänt känt som struphuvudet. Larynxar exciderades från tre lejon och tre tigrar som avlivades av humana skäl på grund av avancerad sjukdom på Henry Doorly Zoo i Omaha. De var mellan 15 och 22,4 år gamla när de dog. De tre lejonen var honor. Tigrarna var honliga sumatra- och bengaliska tigrar och en hanlig amur (sibirisk) tiger.
Vokalisering är komplex och inbegriper faktorer som inte ingår i den nya studien av stämbanden: hur luften trycks ut från lungorna, hur ljudet resonerar i stämbanden, hur tungan och käken rör sig och rörelsen av muskler och brosk i struphuvudet.
Studien omfattade undersökningar av stämbandsvävnad, som är mjuk bindväv i form av elastin, kollagen, ett smörjmedel som kallas hyaluronan och fett.
Lejon och tigrar har stora stämband: cirka 1 tum höga från topp till botten, 1 tum tjocka från sida till sida och 1,5 tum långa från fram till bak. De sticker ut från struphuvudet in i luftvägarna strax ovanför luftstrupen och bildar en triangulär form på varje sida av luftvägarna hos de flesta arter, men en fyrkantig form hos lejon och tigrar.
Vetenskapsmännen visste redan att lejon och tigrar har betydande fett i sina stämband. Den nya studien visade att hos stora katter ligger detta fett djupt inne i stämbandsligamentet och bidrar till att ge stämbanden deras tillplattade, fyrkantiga form.
Denna form ”gör det lättare för vävnaden att reagera på det passerande luftflödet”, vilket gör det möjligt att bryta högre bröl med lägre lungtryck, säger Riede.
När luften rör sig förbi stämbanden för att skapa ljud, vibrerar stämbanden i sidled och uppåt och nedåt, vilket sträcker ut och klipper stämbanden – egenskaper som forskarna testade.
Först fäste de stämbandsveck från lejon och tigrar till spakar som mätte kraft och avstånd när vävnaden sträcktes ”som strängarna i en gitarr”, säger Riede.
Nästan placerade forskarna små cirkulära skivor av stämbandsvävnad mellan plattor och vred den ena plattan några grader, långsamt och snabbt, samtidigt som de mätte kraften som krävdes för att göra det. Det visar hur väl materialet stod emot skjuvning under rytandet.
Forskarna använde sedan dessa mätningar av spännings- och skjuvningsstyrka hos stämbanden hos storkatter för att förutsäga de lungtryck och det ”grundfrekvensområde” vid vilka djuren rölar – det intervall av hastigheter vid vilka stämbanden kan vibrera.
De kom fram till 10 till 430 hertz, eller cykler per sekund, vilket stämmer överens med kända brölfrekvenser på 40 till 200 hertz hos lejon och 83 till 246 hertz hos tigrar, säger Riede. Män talar vid 100-120 hertz och kvinnor vid 200-250 hertz, men stora katter är mycket högre eftersom de effektivare omvandlar lungtrycket till akustisk energi.
Det är logiskt att lejonens och tigrarnas frekvens när de brölar är en funktion av de mekaniska egenskaperna hos deras stämband, inte av deras massa eller vikt. Älgar har trots allt liknande storlek på stämbanden, men de har en hög tonhöjd och inte ett lågt vrål, säger Titze.
”Det är en bekräftelse på att fonationens frekvenser beskrivs av stämbandens mekaniska egenskaper och inte av nervimpulser från hjärnan”, tillägger han.
Ett lejons eller tigers vrål kan nå 114 decibel för en person som står på några meters avstånd, vilket ”är ungefär 25 gånger så högt som en gasgräsklippare”, säger Titze. Lejonen brölar inte en gång i taget, utan cirka 50 gånger i 90 sekunder.
”De brölar med ett ljud som är skrämmande för människor eftersom det har denna råa och råa kvalitet”, säger Titze. ”Lejon och tigrar anses vara djurens kungar, delvis på grund av deras brölande. Tänk om de sjöng vackra melodier och det var mycket lågfrekventa melodier. Vem skulle vara rädd för det?”