Усатые киты развили уникальную гортань для общения, но не могут избежать антропогенного шума

Усатые киты — крупнейшие животные на планете, играющие ключевую роль в морских экосистемах как высшие хищники. Для общения на больших расстояниях в мутной и тёмной воде они полагаются на звуки.

Более 50 лет после открытия китовых песен оставалось неизвестным, как именно киты издают эти сложные звуки. Новое исследование в Nature показывает, что усатые киты развили уникальные структуры в гортани, которые позволяют им производить низкочастотные звуки, но также ограничивают их коммуникационный диапазон.

Исследование провели профессор Коэн Элеманс (Университет Южной Дании) и профессор Текумсе Фитч (Венский университет).

Эволюция гортани для жизни в воде

При переходе от наземных млекопитающих к водному образу жизни гортань китов должна была решить новую задачу — предотвратить захлёбывание под водой, сохранив способность к звукообразованию.

У усатых китов развились совершенно новые структуры:

• Маленькие черпаловидные хрящи (аритеноиды) человеческой гортани превратились у китов в крупные длинные цилиндры.
• Эти цилиндры срослись в основании, образовав U-образную жёсткую структуру, проходящую почти по всей длине гортани. Это, вероятно, помогает поддерживать открытые дыхательные пути при интенсивном поверхностном дыхании.

Механизм генерации звука

• Эта U-образная структура давит на большой жировой массив внутри гортани.
• Когда кит выталкивает воздух из лёгких мимо этого массива, он начинает вибрировать, генерируя очень низкочастотные звуки.

Методы исследования

Работа с физиологией китов чрезвычайно сложна из-за быстрого разложения тканей. Благодаря Сетям по спасению морских млекопитающих Дании и Шотландии учёные смогли оперативно извлечь и изучить гортани сейвала, малого полосатика и горбатого кита.

Для понимания роли мышц в управлении звуком была создана вычислительная модель всей китовой гортани, включающая точные 3D-формы структур и мышц. Модель успешно предсказала как результаты экспериментов, так и акустические особенности (например, частотный диапазон), которые невозможно было измерить в лаборатории.

Физиологические ограничения и антропогенный шум

Эти уникальные анатомические особенности, позволившие китам общаться в океане, также накладывают непреодолимые физиологические ограничения.

Эксперименты и моделирование впервые показали, что усатые киты физиологически неспособны избежать маскирующего воздействия антропогенного шума, который ограничивает дальность их коммуникации.

«К сожалению, предсказанный нами частотный диапазон и максимальная глубина коммуникации (около 100 метров) полностью перекрываются с доминирующим частотным диапазоном и глубиной распространения шума, создаваемого судоходством», — говорит Коэн Элеманс.

Учёные подчёркивают, что по сравнению с 1970-ми годами, когда были сделаны первые записи песен горбатых китов, океаны стали гораздо шумнее из-за судоходства, бурения и сейсморазведки.

«Нам необходимы строгие правила по ограничению такого шума, потому что эти киты зависят от звука для общения. Мы показали, что, несмотря на их удивительную физиологию, они буквально не могут скрыться от шума, который люди создают в океанах», — заключает Элеманс.